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再熱蒸汽熱段管道是超超臨界發(fā)電機(jī)組的4大管道之一，在熱力系統(tǒng)中起至關(guān)重要的作用，彎頭是4大管道中常用構(gòu)件之一，是管系中的薄弱部位，電廠常因彎頭的裂紋和爆管而造成損失，甚至導(dǎo)致重大事故。目前，火力發(fā)電機(jī)組運(yùn)行參數(shù)在逐漸提高，再熱熱段管道必須具有良好的高溫機(jī)械性能，其承受高溫、高壓、交變荷載，易產(chǎn)生疲勞、蠕變損傷，彎頭的運(yùn)行壽命往往比直管道短，其可靠與否直接影響整個(gè)機(jī)組的正常運(yùn)行。為了確保彎頭的設(shè)計(jì)安全和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度可靠，本文對(duì)某660ＭＷ超超臨界機(jī)組再熱熱段彎頭在內(nèi)壓作用下的應(yīng)力分布進(jìn)行了有限元分析，并對(duì)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)下的強(qiáng)度進(jìn)行校核，所得結(jié)果可供火電廠、核電廠及化工廠等重要管道系統(tǒng)的彎頭設(shè)計(jì)時(shí)參考，也可作為理論計(jì)算的校核數(shù)據(jù)。
本文分析的彎頭為660ＭＷ超超臨界機(jī)組的再熱蒸汽系統(tǒng)上的構(gòu)件，彎頭是通過鍛制鋼管熱推成型工藝制造的，彎頭的材料為ＡＳＴＭ Ａ335Ｐ92，材料的彈性模量為98ＧＰａ，泊松比為0.28，計(jì)算壓力為5.61ＭＰａ，計(jì)算溫度為608℃ ，許用應(yīng)力取值為[σ]ｔ=68.4ＭＰａ，連接管道規(guī)格為ＩＤ850.9ｍｍ×38ｍｍ。詳細(xì)的結(jié)構(gòu)尺寸如圖1所示。
在彎頭的有限元分析過程中，為了節(jié)省計(jì)算量，在計(jì)算中運(yùn)用對(duì)稱原理取結(jié)構(gòu)的1/4進(jìn)行計(jì)算，熱推彎頭在推制過程中內(nèi)外壁壁厚不均勻，彎頭內(nèi)弧側(cè)結(jié)構(gòu)比較厚，外弧側(cè)結(jié)構(gòu)比較薄；同時(shí)，彎頭與管道連接處的壁厚比較薄，存在一個(gè)壁厚的過渡區(qū)。為了減小結(jié)構(gòu)邊界的影響，建模時(shí)對(duì)彎頭端面的直管段作了延長。
為了提高計(jì)算精度和更清楚地了解其應(yīng)力分布規(guī)律，在計(jì)算過程中選用8節(jié)點(diǎn)的實(shí)體單元進(jìn)行計(jì)算。由于彎頭結(jié)構(gòu)比較規(guī)范，因此，采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知，彎頭結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力區(qū)在彎頭的內(nèi)壁處，彎頭結(jié)構(gòu)內(nèi)、外壁厚及尺寸相差較大，故而在這個(gè)區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步的網(wǎng)格細(xì)化剖分，在延長的接管處采用較稀疏的結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格。由于采用比較密集的網(wǎng)格，也可以彌補(bǔ)計(jì)算精度上的損失。為此，將彎頭模型分為2個(gè)部分：在45°彎頭部位使用比較密集結(jié)構(gòu)化六面體的網(wǎng)格，在其余部分使用映射方法生成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，整個(gè)模型共有45 720個(gè)單元，模型的網(wǎng)格劃分如圖所示。
由于只考慮內(nèi)壓載荷的作用，根據(jù)幾何結(jié)構(gòu)和載荷的對(duì)稱性，在2個(gè)對(duì)稱面上施加對(duì)稱載荷，即在彎頭的45°橫截面和彎頭縱剖面內(nèi)施加法向位移為零的對(duì)稱約束，彎頭的載荷為施加在內(nèi)壁的計(jì)算壓力，直管段端面施加了與管內(nèi)流體總壓力相平衡的軸向面力。
根據(jù)ASME規(guī)范要求，對(duì)于鍋爐和壓力容器的受力狀態(tài)應(yīng)采用當(dāng)量應(yīng)力強(qiáng)度來評(píng)價(jià)。彎頭在內(nèi)壓載荷作用下，主要在外弧側(cè)產(chǎn)生局部小區(qū)域內(nèi)的變形，其變形量較小；應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明，彎頭在受內(nèi)壓作用時(shí)，最大應(yīng)力部位發(fā)生在彎頭的內(nèi)壁處附近。彎頭內(nèi)壁存在有較高的應(yīng)力幅值，其余部分應(yīng)力幅值都比較低。因?yàn)閺濐^與接管之間存在壁厚的差異，彎頭兩端的接管處內(nèi)壁的應(yīng)力也比較高。
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