压力容器斜大开孔的有限元分析VIP

第34卷 第11期 2006年11月 华东电力 East China Electric Power Vol . 34 No. 11 Nov . 2006 压力容器斜大开孔的有限元分析 邓广发 1 ,莫建益 2 (1. 江苏省电力试验研究院,江苏 南京 210036; 2.谏壁电厂,江苏 镇江 212001) 摘 要:对一个传统方法和常用设计软件无法计算的压力容器斜大开孔模型,采用有限元应力分析,对计算结 果进行应力分类和校核,在此基础上进行结构优化设计。 关键词:压力容器;斜大开孔;有限元分析 作者简介:邓广发(19712 ) , 男,硕士,高级工程师,主要从事承压部件的应力分析及优化工作。 中图分类号: TH49 文献标识码:B 文章编号: 100129529(2006) 1120083203 Fi n ite element analysis for pressure vessels with oblique large open ing DENG Guang2fa1, MO Jian2yi2 (1. Jiangsu Electric Power Test 2. Jianbi Power Plant, Zhenjiang 212001, China) Abstract:Since the traditionalmethod and common design soft ware can not calculate the pressure vessel model with oblique large opening, the finite element analysiswas adopted to conduct stress analysis and carry out stress classifi2 cation and checking for the calculation results .Structure design can be optimized based on that consequently . Key words:pressure vessel; oblique large opening; finite element analysis 对容器开孔接管结构的应力分析是压力容器 设计或校核中最常见、 最普遍的分析模型。由于 接管与壳体连接处的结构不连续,会在内压载荷 作用下产生应力集中现象,从而往往会成为压力 容器的局部高应力区。同时由于容器开孔接管部 位和型式的不同,都会影响应力水平和分布,因此 容器开孔模型的应力状况常常十分复杂。 压力容器的设计计算可分为规则计算和分析 计算两类,分别对应两种规范:美国AS ME 第一 分篇和我国GB15021998采用的是传统的规则设 计,其基本思想是不需要对压力容器的各个部位 进行详细的应力分析,而是结合经典力学理论和 经验公式对压力容器部件的设计作一些规定,如 选材、 安全系数、 特征尺寸、 制造工艺等都必须满 足一定的条件。该方法简单易行,目前国际上仍 然采用它进行许多压力容器的设计计算;但由于 容器设计中常会出现超出规范限制条件的结构或 其他传统方法无法解决的问题,此时就应采用更 科学更严密的分析设计方法,其依据的规范是美 国AS ME 第二分篇和我国JB473221995,分析设 计过程的核心是首先对部件进行详细的应力分 析,然后对应力计算结果进行分类并校核,再根据 校核结果进行设计上的优化。由于这种定量分析 结果使结构更趋合理,能充分发挥材料的承载潜 力,因此,用分析计算设计的容器,可以达到较高 的许用应力而并不削弱安全裕度。 1 应力分类与强度校核 压力容器应力分析中一般将计算出的应力结 果分类为一次应力、 二次应力和峰值应力。 一次应力是平衡外载荷所产生的应力,它没 有自限性,当一次应力超过材料的屈服极限时,就 会引起过量的塑性变形而造成结构破坏,因此一 次应力对容器的失效影响最大。一次应力又可细 分为一次总体薄膜应力Pm,一次局部薄膜应力 PL,一次弯曲应力Pb。需要注意的是,在应力分 析时计算出的PL值是指局部应力区薄膜应力的 总量,已包括了Pm,所以一般只需校核PL即可而 不必再校核Pm。 二次应力Q是为满足外部约束和自身变形 连续性要求产生的应力,它具有自限性,也就是 说,当Q超过屈服极限后,产生局部塑性变形,如 果这种变形能够弥补一次应力引起的弹性变形不 连续性,塑性变形就会自动停止,因此Q对容器 w w w . b z f x w . c o m 84( 总1066) 华东电力 2006, 34 (11) 的危害属于第二位的。 峰值应力F是由局部结构不连续或者局部 热应力引起的、 扣除了一次应力和二次应力之后 的应力增量。峰值应力具有高度的局部性和自限 性,不会引起显著变形,因此对于不存在交变载荷 的容器可以不考虑峰值应力。 AS ME 第二分篇采用以下公式对以上应力 类型进行强度校核 2, 3 : 一次薄膜应力校核:PL1. 5KSmh 二次应力校核:PL+Pb+Q3KSmavg 峰值应力校核:PL+Pb+Q+FSa 其中 K 载荷组合系数,没有偶然载荷时取1. 0; Smh,Smavg 分别为材料的热态许用应和和冷热 态平均许用应力; Sa 由疲劳曲线确定的峰值许用应力。 图1 模型网格划分图 2 斜大开口的分析计算 某压力容器的设计参数如下:设计压力2. 5 MPa,设计温度20,筒体和接管材料均为钢20, 容器筒体规格 426 mm12 mm,开孔接管规格 300 mm8 mm,该管口中心线与筒体开孔处的 法线成22 夹角。对于该工程实例,已无法按规 则设计方法进行计算,常规的压力容器设计软件 对此也无能为力,必须采用应力分析方法。 本文使用美国软件FE/PIPE对该斜大开口 接管模型进行有限元分析。 钢20的弹性模量E= 1. 9810 5 MPa,泊松 比=0. 3,由于设计温度为 20,故冷热态许用 应力均为134 MPa,建立有限元模型,网格划分如 图1所示。 使用FE/PIPE软件进行分析计算,由于该容 器不存在交变工况,故不计算峰值应力。计算结 果如表1所示。 表1 原模型计算结果 位置应力分类 应力计算值 /MPa 许用应力 /MPa 应力值 许用值 /% 结 论 靠近开孔处的筒体 一次应力207201103不合格 二次应力21940255合格 靠近开孔处的接管 一次应力235201117不合格 二次应力32040280合格 接管过渡区 一次应力5920129合格 二次应力6940217合格 远离开孔处的筒体 一次应力7420137合格 二次应力10340226合格 远离开孔处的接管 一次应力7820139合格 二次应力10540226合格 从表1可见,开孔处接管和容器筒体的一次 应力均超标,因此需对结构进行修改。由于该模 型的接管应力值大于容器的应力值,故用增加接 管厚度的方法应该优于使用加强圈。 3 改进结构后的计算结果及对比分析 将接管厚度增加至12 mm,其他参数不变,重 新进行分析计算,结果见表2。 表2 改进结构后的计算结果 位置应力分类 应力计算值 /MPa 许用应力 /MPa 应力值 许用值 /% 结 论 靠近开孔处的筒体 一次应力16720183合格 二次应力18140245合格 靠近开孔处的接管 一次应力18020190合格 二次应力21740254合格 接管过渡区 一次应力3920119合格 二次应力4740212合格 远离开孔处的筒体 一次应力7120135合格 二次应力9740224合格 远离开孔处的接管 一次应力5220126合格 二次应力7940220合格 由表2可见,接管加厚后设备的所有部位均 满足分析设计规范的强度要求,最大一次应力 发生在靠近开孔处的接管,为许用应力的90% , 既保证了设备安全,又能充分发挥材料承载能 力。表3显示了接管加厚后的应力下降幅度 值。 表3数据显示,除远离开孔的筒体外,所有部 位的一、 二次应力均有较大幅度的下降,最大应力 下降幅度达33%。 w w w . b z f x w . c o m 第34卷 第11期 2006年11月 华东电力 East China Electric Power Vol . 34 No. 11 Nov . 2006 蜂窝式汽封在110MW汽轮机通流 技术改造中的应用 赵建民 (大唐国际北京高井热电厂,北京 100040) 摘 要:北京高井热电厂1、2号机组通流技术改造中,低压通流部分应用了蜂窝式汽封。通过改造解决了低 压前后轴封漏汽掉真空问题,增强叶顶汽封的去湿效果,提高了机组运行的经济性和安全性。 关键词:蜂窝式汽封;节能降耗;轴封;真空度;迷宫梳齿汽封 作者简介:赵建民(19732 ) , 男,工程师,从事汽轮机、 热能动力工程技术工作。 中图分类号: TK263. 2 文献标识码:B 文章编号: 100129529 (2006) 1120085203 Application of cellular steam seals to techn ical retrofits of flow passage for 110 MW steam turbines ZHAO Jian2m in (Datang InternationalBeijing Gaojing Cogeneration Power Plant, Beijing 100040, China) Abstract: In the technical retrofit of the flow passage forNo. 1 and No. 2 units in Beijing Gaojing Cogeneration Power Plant, the cellular steam sealwas applied to the low pressure flow passage. After the retrofit, steam leakage and re2 duction of vacuum in the front and back low pressure shaft seals are solved, and the dehumidification of the blade tip steam seal is reinforced.The economy and safety of the unit are thus improved. Key words:cellular steam seal; energy saving and energy consumption reduction;shaft seal; vacuum; comb2type labyrinth seal 表3 结构改进前后的计算结果对比 位置应力分类 改进前应力 /MPa 改进后应力 /MPa 应力下降 幅度/% 靠近开孔处的筒体 一次20716719 二次21918117 靠近开孔处的接管 一次23518023 二次32021733 接管过渡区 一次593933 二次694732 远离开孔处的筒体 一次74714 二次103976 远离开孔处的接管 一次785233 二次1057925 4 结语 遵循分析设计过程的主要步骤,采用有限元 法对容器斜大开孔模型进行有限元网格划分、 应 力分析、 对应力结果分类并进行校核,在此基础上 优化模型结构,使得容器及接管各部位结构合理, 应力水平良好且充分发挥了材料承载能力,解决 了传统规则设计方法和常用设计软件无法解决的 问题。 收稿日期: 2006204205 北京高井热电厂1、2号机分别投产于1961 年4月、1964年5月,为前苏联机组。2005年对 1、2号机进行了通流