太陽能光熱發(fā)電空冷管道特殊管件有限元分析

劉學(xué)，李國棟，林偉寧，車馳

（1.華電重工股份有限公司，北京100070；2.國網(wǎng)新源檢修分公司，北京100068）

0 引言

直接空冷大排汽管道是直接空冷機組的重要管道之一，是直接空冷汽輪機排放乏蒸汽到空冷凝汽器的重要輸送通道。大直徑異徑管件是空冷管道系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)，其可靠性直接影響整個機組的正常運行。

作者曾在文獻［1-2］中對直接空冷機組排汽管道的整體應(yīng)力進行了理論計算和工程實踐分析，并在文獻［3］中對大直徑排汽管道的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行了分析。雷平和［4］、周昭偉等［5］針對直接空冷排汽管道的結(jié)構(gòu)強度和彎頭穩(wěn)定性進行過研究。

新疆哈密太陽能光熱塔式1×50 MW 機組工程系新建光熱項目，采用東方汽輪機有限公司的主機設(shè)備，利用直接空冷系統(tǒng)對汽輪機乏蒸汽進行冷凝。乏蒸汽通過排汽管道輸送到外部空冷島，經(jīng)大直徑特殊異徑四通被均勻地分配到3 列換熱管束。本文基于板殼結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性理論及管道有限元分析的基本原理［6-9］，根據(jù)相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范［10-12］，計算該項目直接空冷機組大直徑特殊異徑四通在真空外壓、自重等荷載作用下的應(yīng)力分布，并對原有結(jié)構(gòu)下的強度進行校核。根據(jù)校核結(jié)果對管件結(jié)構(gòu)進行了改進并重新計算了其結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性，確保該特殊管件運行安全、可靠。

1 四通異徑管件物理模型

該工程采用了DN3400/DN2000 特殊四通異徑管件。直接空冷大排汽管道主管道原設(shè)計規(guī)格為DN 3 400 mm×14 mm，長5 000 mm；支管道規(guī)格為DN 2 000 mm×10 mm，長4 000 mm；特殊異徑四通支管間均成43°夾角，其壁厚與管道相同（如圖1 所示）。直接空冷大排汽管道及其管件材料采用了Q235-B 結(jié)構(gòu)鋼，該材料密度為7 850 kg/m3，彈性模量E=206 GPa，泊松比為0.29，20 ℃下許用應(yīng)力（Sc）為116 MPa，100℃下許用應(yīng)力（Sm）為113 MPa。

機組正常運行時，四通承受真空外壓和重力載荷等的作用。由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，需對其強度及穩(wěn)定性進行有限元計算。本文根據(jù)空冷排汽管道的布置圖，綜合考慮各種影響因素，確定排汽管道的幾何模型，并按照JB/T 4732—2005對該異徑管件的強度及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行了有限元計算分析，以確定其基本結(jié)構(gòu)參數(shù)。

圖1 大排汽管道特殊異徑四通結(jié)構(gòu)Fig.1 Special reducing cross structure of a large exhaust pipe

2 特殊四通異徑管的有限元模型

對在真空外壓及重力作用下的DN3400/DN2000 特殊異徑四通進行結(jié)構(gòu)靜力分析，計算其應(yīng)力狀態(tài)及失穩(wěn)臨界載荷。結(jié)構(gòu)分析主要借助于有限元分析軟件ANSYS 進行數(shù)值計算，排汽管道選用4 節(jié)點殼單元（SHELL63）來構(gòu)建結(jié)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的方式劃分單元。

采用ANSYS 求解結(jié)構(gòu)失穩(wěn)臨界載荷，對管件結(jié)構(gòu)進行穩(wěn)定性計算，可歸結(jié)為一個廣義特征值的求解問題。通常，子空間迭代法和Lanczos向量直接疊加法可用于求解廣義特征值問題，但用Lanczos向量直接疊加法解決特殊異徑四通等不規(guī)則結(jié)構(gòu)的臨界載荷問題更快、更有效［8］。

穩(wěn)定性計算將主管底部設(shè)為固定邊界，主管及支管上端部取為軸向簡支，環(huán)向夾緊邊界，內(nèi)部的導(dǎo)流裝置也按板殼處理，如圖2所示。

3 載荷的計算和規(guī)范

圖2 原DN3400/DN2000特殊異徑四通有限元模型Fig.2 Finite element model of the original DN3400/DN2000 special reducing cross fitting

此次計算的主要目的是對DN3400/DN2000 特殊異徑四通的結(jié)構(gòu)承載能力進行評價，外載荷僅考慮外壓（DP）和自重（DW）。在管系外表面施加均布外壓載荷，壓力值取0.1 MPa，并對整個結(jié)構(gòu)施加重力載荷，重力加速度取9.81 m/s2。計算各部分的應(yīng)力并依據(jù)JB/T 4732—2005 進行校核。標(biāo)準(zhǔn)提供了一種以彈性應(yīng)力分析和塑性失效準(zhǔn)則為基礎(chǔ)的對不同性質(zhì)應(yīng)力給予不同限定值的分析設(shè)計方法。有限元法計算的結(jié)構(gòu)臨界載荷并不能直接用作工程設(shè)計的依據(jù)，需將有限元法求得的特征值臨界載荷除以安全系數(shù)，作為工程設(shè)計所需的計算臨界載荷。管道上的應(yīng)力一般分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力和峰值應(yīng)力3 類，由壓力和持續(xù)外載荷產(chǎn)生的應(yīng)力屬于一次應(yīng)力，可采用極限分析法進行校核，見表1。

表1 標(biāo)準(zhǔn)要求的許用應(yīng)力極限Tab.1 Stress limits allowed by the standard

4 計算結(jié)果及校核

4.1 應(yīng)力計算及結(jié)果分析

通過ANSYS 得到的DN3400/DN2000 特殊異徑四通的一次薄膜應(yīng)力分布、一次薄膜加彎曲應(yīng)力分布如圖3—4 所示，其中，pm≤pL=130.000 0 MPa≤1.5Sm，pL+pb=228.000 0 MPa＞1.5Sm。

總體一次薄膜應(yīng)力和局部一次薄膜應(yīng)力滿足JB/T 4732—2005 的要求，但一次薄膜加彎曲應(yīng)力遠大于標(biāo)準(zhǔn)值。為滿足標(biāo)準(zhǔn)需求，須對原設(shè)計進行改進并重新進行應(yīng)力計算分析。

圖3 薄膜應(yīng)力分布Fig.3 Film stress distribution

圖4 薄膜加彎曲應(yīng)力分布Fig.4 Distribution of film stress plus bending stress

4.2 改進后的應(yīng)力計算及結(jié)果分析

根據(jù)以往工作經(jīng)驗，基于強化邊界條件、增大管件強度、提高管件承載能力而不改變管內(nèi)流動特性的思路，經(jīng)多次試算，對原設(shè)計結(jié)構(gòu)進行如下改進:保持特殊異徑四通的支管角度不變，分別縮短主管、支管長度至4 000，3 500 mm；管道壁厚增加到14 mm，并在主支管連接處增設(shè)14 mm 的三角加強板，詳細結(jié)構(gòu)尺寸如圖5 所示。在邊界條件與荷載不變的情況下，對改進后的異徑四通再次進行有限元計算，計算模型如圖6所示。

圖5 改進的異徑四通結(jié)構(gòu)Fig.5 Improved reducing cross structure

圖6 改進的DN3400/DN2000異徑四通有限元模型Fig.6 Improved DN3400/DN2000 reducing cross

結(jié)構(gòu)改進的后的異徑四通的一次薄膜應(yīng)力、一次薄膜加彎曲應(yīng)力分布如圖7—8所示。

改造后，pm≤pL=60.100 0 MPa＜1.5Sm，pL+pb=104.000 0 MPa＜1.5Sm，總體一次薄膜應(yīng)力、局部一次薄膜應(yīng)力和一次薄膜加彎曲應(yīng)力均滿足JB/T 4732—2005標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖7 改進后薄膜應(yīng)力分布Fig.7 Film stress distribution after the improvement

圖8 改進后薄膜加彎曲應(yīng)力分布Fig.8 Distribution of film stress plus bending stress after the improvement

5 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

在對改進結(jié)構(gòu)的DN3400/DN2000 特殊異徑四通進行靜力分析后，再計算其整體臨界失穩(wěn)壓力為1.298 1 MPa，臨界失穩(wěn)模態(tài)如圖9 所示。取安全系數(shù)為4，DN3400/DN2000 特殊異徑四通總體失穩(wěn)壓力pcr=1.298 1 MPa/4=0.324 5 MPa＞0.100 0 MPa，因此整體穩(wěn)定性可以得到保證。

圖9 整體穩(wěn)定性變形分布圖Fig.9 Deformation distribution affecting overall stability

6 結(jié)論

本文對新疆哈密太陽能光熱塔式1×50 MW 光熱發(fā)電工程空冷島大排汽管道DN3400/DN2000 特殊異徑四通在真空外壓和自重載荷下的應(yīng)力狀態(tài)進行了分析，根據(jù)計算結(jié)果改進原設(shè)計結(jié)構(gòu)，并計算其總體臨界壓力。結(jié)果表明，改進后的DN3400/DN2000 特殊四通異徑管件的結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足JB/T 4732—2005的標(biāo)準(zhǔn)要求，設(shè)計更加安全可靠。