高水頭電站球閥下游連接管開孔處強度分析與改進

姜鐵良，劉晶石，王應倫

(哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040)

高水頭電站球閥下游連接管開孔處強度分析與改進

姜鐵良，劉晶石，王應倫

(哈爾濱電機廠有限責任公司，哈爾濱 150040)

針對高水頭電站球閥內(nèi)下游連接管開孔處經(jīng)常發(fā)生損壞問題，利用ansys有限元分析軟件對下游連接管的開孔處進行了強度分析，找到了下游連接管開孔處損壞的根本原因，對開孔形狀提出了改進方案。實踐證明，將下游連接管開孔形狀由圓形改成橢圓形的改進方案可以有效地降低開孔處的應力集中，確保水電站球閥下游連接管的安全運行。

球閥；下游連接管；橢圓； 應力集中

目前，球閥對水電站機組的事故保護及機組檢修安全有著重要作用。球閥內(nèi)部包含下游連接管,由于需要補氣以及排水等原因，需要在管上開孔來安裝空氣閥和排水管，因此就破壞了原來結(jié)構(gòu)連續(xù)性，造成應力集中，導致疲勞破壞，這種情況在現(xiàn)有運行的電站中時有發(fā)生[1-3]。在水輪機領(lǐng)域，這個問題的主要解決辦法只能是整體加厚管壁厚度或者對開孔附近局部鋪鋼板的方式進行加強[4-7]，但是這些方法既浪費材料，效果也不明顯。本文利用ansys軟件對下游連接管開孔位置進行詳細的有限元分析,找到開孔處破壞的根本原因,并提出將開孔形狀由圓形改成橢圓形的方法,有效地降低了開孔處的應力集中,避免發(fā)生破壞。

1 下游連接管有限元分析

1.1有限元模型的建立

為找出下游連接管開孔處發(fā)生破壞的根本原因，運用ANSYS有限元軟件對下游連接管進行了有限元計算分析。 下游連接管結(jié)構(gòu)如圖1所示，根據(jù)需要對模型進行相應的簡化，取圓筒部分和圓筒上孔徑最大的孔進行建模分析，有限元模型如圖2所示，整個模型均采用四面體單元進行劃分。

圖1 下游連接管及開孔結(jié)構(gòu)圖

圖2 下游連接管有限元計算簡化模型圖

1.2 基本條件

下游連接管內(nèi)徑2 100 mm，下游連接管外徑2 300 mm，下游連接管長度1 700 mm，管上開孔內(nèi)徑 200 mm，管上開孔外徑 600 mm，管內(nèi)正常運行壓力11.37 MPa，有限元模型約束了下游連接管與閥體連接處所在平面上節(jié)點的所有自由度，材料性能及許用應力如表1所示。

表1 密封部件材料特性表

1.3 計算結(jié)果分析

圖3 下游連接管應力圖

有限元計算得到的Mises應力分布如圖3所示。 通過計算結(jié)果可以看出開孔處最大 Mises 應力值達到了392.8 MPa，超過了局部許用應力值，最大應力所在位置在管的內(nèi)側(cè)，主要原因是開孔破壞了原有結(jié)構(gòu)的連續(xù)性,造成了局部區(qū)域的應力集中。由于下游連接管在球閥工作密封工況下管內(nèi)沒有壓力，Mises應力為0 MPa，活門全開工況下壓力為正常運行壓力11.37 MPa，Mises應力為392.8 MPa，因此，當機組頻繁切換工況時，下游連接管就會產(chǎn)生較大的交變應力，容易發(fā)生疲勞破壞，這就是下游連接管開孔處發(fā)生破壞的根本原因。

2 改進方案的有限元計算分析

根據(jù)彈性力學的理論，橢圓形孔可以有效地減輕開孔導致的應力集中，本文將圓形孔改用橢圓形孔來驗證是否有效。

2.1 橢圓長軸的布置方向

在邊界條件、工況、橢圓孔的長短軸比均保持一致的情況下，分別對橢圓長軸開在管的環(huán)向和管的軸向進行有限元分析計算，得到的應力分布如圖4、圖5所示。

圖4 橢圓長軸開在軸向方案的應力圖

圖5 橢圓長軸開在環(huán)向方案的應力圖

根據(jù)計算結(jié)果可以看出，孔的形狀對應力集中現(xiàn)象有明顯影響，長軸開在圓管軸向的應力集中反而更明顯，最大mises應力從圓孔的392.8 MPa上升到419.7 MPa。當長軸開在圓管的環(huán)向時，最大mises應力從圓孔的392.8 MPa下降到371.1 MPa，說明橢圓形孔長軸開在管的環(huán)向能夠有效減小應力集中。

2.2 橢圓長短軸比例

在邊界條件、工況、橢圓孔長軸布置方向均一致的情況下，對橢圓長短軸比分別為1.5、2.0、2.5和3.0時進行有限元計算，得到的結(jié)果如表2所示，應力圖如圖6-圖8所示。通過計算結(jié)果，可以看出橢圓長短軸比越大，應力集中減小的越明顯。

表2 有限元計算結(jié)果

圖6 橢圓長短軸比為2.0的應力圖

圖7 橢圓長短軸比為2.5的應力圖

3 改進方案實施結(jié)果

將該電站下游連接管上圓形孔改成橢圓形孔，開孔外側(cè)往往連接圓形接管，如果是橢圓形孔就會非常不便。為了避免這種情況，孔在管的內(nèi)側(cè)形狀采用橢圓，在管的外側(cè)形狀為圓形，兩個截面之間均勻過度，如圖9所示。

圖8 橢圓長短軸比為3.0的應力圖

圖9 改進方案示意圖

圖10 改進方案的應力分布圖

為了保證加工和安裝的便利性，設(shè)定橢圓孔的短半軸與原圓形孔半徑相同，長短軸比取2.5，邊界條件與工況均與原方案保持一致，將該改進方案進行有限元分析，得到的應力分布圖如圖10所示，通過計算結(jié)果，可以看出孔的最大局部應力為316.3 MPa，相比于原方案下降了19.5%，滿足局部應力許用標準，因此改進方案可以滿足局部應力設(shè)計要求。

4 結(jié) 論

本文通過ANSYS有限元軟件，對下游連接管開孔處進行了深入分析，得出以下結(jié)論：

1) 下游連接管開孔處出現(xiàn)破壞的根本原因是開孔處出現(xiàn)了明顯的應力集中現(xiàn)象，機組在不同工況之間頻繁切換導致出現(xiàn)了較大的交變應力，最終導致疲勞破壞。

2) 相比于圓形孔,橢圓形孔對應力集中有明顯的改善，需要保證橢圓孔的長軸布置在連接管的環(huán)向，橢圓孔的長短軸比例盡可能大。

3) 根據(jù)電站具體情況，采用長短軸比為2.5的橢圓形孔，孔在管的內(nèi)側(cè)形狀為橢圓，在管的外側(cè)形狀為圓形，兩個截面之間均勻過度，滿足了局部應力設(shè)計要求。

[1] 鄒軍. 壓力容器非徑向接管的應力分析與補強研究[D]. 廣州：華南理工大學,2012.

ZOU Jun. The stress analysis and research for non-radical nozzle of pressure vessel[D]. Guangzhou: South China University of Technology, 2012.

[2] 陸明萬,桑如苞. 壓力容器圓筒大開孔補強計算方法[J]. 壓力容器,2009,25(3):10-15.

LU Mingwan, SANG Rubao. Reinforcement method of large openings in cylindrical shells[J]. Pressure Vessel Technology, 2009, 25(3): 10-15.

[3] 趙利利. 內(nèi)壓圓柱殼體開孔補強結(jié)構(gòu)的有限元分析[D]. 呼和浩特：內(nèi)蒙古工業(yè)大學,2007.

ZHAO Lili. Finite element analysis of the nozzle[D]. Hohhot: Inner Mongolia University of Technology, 2007.

[4] 王磊. 壓力容器大開孔接管有限元分析及強度設(shè)計的研究[D]. 南京：南京理工大學,2006.

WANG Lei. Study on finite element analysis and intensity design of pressure vessel’s big-opening nozzle[D]. Nanjing: Nanjing University of Science & Technology, 2006.

[5] 孫重春. 降低厚壁圓筒與接管連接處應力峰值的方法[J]. 化工設(shè)備設(shè)計,1999, 35(6):19-22.

SUN Chongchun. Method to decrease peak stress occurred at joint of nozzle and thick cylinder[J]. Chemical Process Equipment Design, 1999, 35(6): 19-22.

[6] 姜雪. 基于可靠性理論的壓力容器開孔補強研究[D]. 大慶：大慶石油學院,2010.

JIANG Xue. Study of pressure vessel’s openings and reinforcements based on reliability[D]. Daqing: Daqing Petroleum Institute, 2010.

[7] 蘭俊平. 壓力容器開孔補強的探討[J]. 實驗室科學,2008,5(3):147-148.

LAN Junping. Discussion on pressure vessel’s openings and reinforcements[J]. Laboratory Science, 2008, 5(3): 147-148.

Strength analysis and improvement of the connecting pipe openings on the downstream of spherical valve in high water-head power station

JIANG Tieliang,LIU Jingshi,WANG Yinglun

(Harbin Electric Machinery Company Limited,Harbin 150040,China)

The connecting pipe openings on the downstream in spherical valve often fail in many high water-head power stations. As to the problem, strength analysis is made on the connecting pipe openings by using ANSYS finite element analysis softwarethe and basic reason that causes damage to the downstream connecting pipe openings is found. Therefore, an improved scheme to the opening shape is put forward. The practice proves that the improved scheme in which the shape of the downstream connecting pipe openings is transferred from circle to ellipse can effectively reduce the openings’ stress concentration, ensuring the safe operation of the connecting pipe.

spherical valve; downstream connecting pipe; ellipse; stress concentration

2017-01-13;

2017-04-10。

姜鐵良(1988—)，男，工程師，從事水輪機大部件結(jié)構(gòu)分析和水電機組的現(xiàn)場振動測試分析工作。

TK730

A

2095-6843(2017)05-0457-04

(編輯侯世春)