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19 直接空冷 排汽管道系统整体性结构分析 刘 学,李国栋,邢 苍,周云山 中国华电工程(集团)有限公司, 北京 100044 [摘 要] 利用有限元分析软件 ANSYS 对山西格瑞特实业有限公司 2 @ 135 MW 机组直接空冷 系统大直径排汽管道的结构稳定性进行计算、分析和研究,其结果可为实现直接空冷排 汽管道系统的优化设计提供理论依据。 [关 键 词] 电厂; 135 MW 机组;直接空冷系统;排汽管道; 有限元分析; ANSYS软件 [中图分类号] T K225 [文献标识码] A [文 章 编 号] 1002-3364( 2008) 09-0019-04 作者简介: 刘学( 1971-) ,男,工程师,主要从事高温高压管件的设计及空冷新技术的研究。 E-mail: l iux@ ch ec. com. cn 山西格瑞特实业有限公司 2 @ 135 MW 机组汽轮 机排汽冷却采用机械通风直接空冷系统, 其直接空冷 排汽管道系统由中国华电工程(集团)有限公司设计。 大容量直接空冷排汽管道系统中, 管道直径一般都在 4 m 以上,在负压、重力, 大风等载荷作用下, 如此大直 径排汽管道存在复杂的应力分布。为了确保大直径排 汽管道的运行安全和结构强度可靠, 运用国际上通用 的 ANSYS有限元分析软件,依照 ASME VIII 规范对 大直径排汽管道系统进行了负压和重力载荷作用下的 强度校核,以保证排汽管道的设计在安全范围之内。 1 直接空冷排汽管道物理模型 根据空冷平台上凝汽器的布置, 对直接空冷排汽 管道进行了初步模拟、定性分析和设计,综合考虑各种 影响因素,确定排汽管道的几何模型为对称布置, 并根 据空冷系统排汽管道部位的实际结构建立物理模型。 山西格瑞特实业有限公司 2 @ 135 MW 直接空冷大排 汽管道主管道为 DN 4 200 mm @ 14 mm, 支管道为 DN 2 020 mm @ 10 mm,弯头均为 90b。管道的详细结 构尺寸见图 1。 图 1 排汽管道结构(mm) 直接空冷排汽管道的材料为 Q235-B,材料的密度 为 7 850 kg/ m 3 ,弹性模量为 206 GPa,泊松比为0. 29, 计算压力为负压 0. 1 MPa, 计算温度为 20 e ,许用应 力 Rt 取值为 124 MPa,空冷系统排汽管道膨胀节技术 参数参见表 1。 20 表 1 空冷系统排汽管道膨胀节数据 项目 符号 单角向 双角向 单角向 管径/ mm 5 4 000 4 200 2 020 扭转刚度/ ( kN # m) # rad- 1 C 5X . 弯曲刚度/ ( kN # m) # rad- 1 C5 Y. 2 865 286 286 C5Z. 286 外部轴向力/ kN FX. ? 600 ? 300 ? 100 外部横向力/ kN FY. ? 100 ? 100 ? 100 FZ. ? 100 ? 100 ? 100 外部扭矩/ kN # m MX. ? 300 ? 100 ? 100 外部弯矩/ kN # m M Y. ? 200 ? 100 ? 100 MZ. ? 200 ? 100 ? 100 2 直接空冷排汽管道有限元模型 空冷系统排汽管道整体性结构分析主要借助大型 商业有限元分析软件 ANSYS Release 10. 0进行数值 计算。排汽管道选用 SHELL63 4节点的壳单元进行 计算,管系的加强肋片选用 BEAM188梁单元进行计 算, 在数值计算过程中考虑到膨胀节有限元模型建立 的复杂性,对单角式和万向式膨胀节用 COMBIN7单 元简化处理进行计算, 计算过程中采用结构化网格和 非结构化网格相结合的方式划分单元。坐标原点为大 排汽管道三通中心, X 轴与水平管轴向平行, Y 轴与竖 直管轴向平行, Z轴按右手法则确定。计算边界条件 为: 在主排汽管道入口和排汽管道与蒸汽分配管的入 口处施附加热位移 ( UX , UY , UZ, ROT-X , ROT-Y, ROT-Z)约束,并在相应的支吊点处施加相应的约束, 在管系外表面施加压力载荷,压力值取 0. 1 MPa,在内 表压力值取 0 MPa,施加重力载荷,重力加速度取 9. 8 m/ s2。有限元模型如图 2所示。 图 2 大排汽管道有限元模型 3 计算结果 由于在主管道上开孔,管系呈现不连续结构,在复 杂载荷作用下产生了局部小区域内的应力集中现象。 应力计算结果表明,管系在外压和重力作用时, 最大变 形部位发生在等径三通腹部, 在等径三通和异径三通 肩部及主管弯头处存在较大的应力集中现象,即有较 高的应力幅值,其余部分应力幅值都比较低。管系的 平动变形( U SUM )