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管道热挤压异径三通强度有限元分析

发布于:2021-02-21 21:43
有限元分析

       在超超临界机组中,三通是管道系统的重要组成构件,其结构比较复杂,并承受高温、高压、交变荷载,易产生疲劳、蠕变损伤,其可靠性直接影响到整个机组的正常运行。由于三通几何形状复杂,研制过程中用常规的数学分析比较困难,至今还没有完整的有关强度理论分析解,且国内外尚无统一的强度有限元分析标准。对三通进行强度计算的方法有极限载荷法、极限分析法、经验公式法、削弱系数法、压力面积法、面积补偿法、有限元法等,各国设计标准多采用压力面积法、面积补强法等经验计算方法,其计算结果具有较大的近似性。在工作状态下,为了确保三通的运行安全和结构强度可靠,本文对某超超临界机组热挤压T型异径三通在内压作用下的应力分布进行了有限元计算,并对现有结构下的强度进行校核,同时对结构的优化提出了一些建议。
       本文分析的三通为某超超临界机组的主蒸汽管道的T型异径三通,采用锻制钢管热挤压成型工艺制造,其材料为A335 P92,弹性模量为98 GPa,泊松比为0.3,计算压力为27.6 MPa,计算温度为610℃,许用应力[σ]t=71.79 MPa。主管壁厚为122 mm,支管壁厚为76 mm,肩部外壁圆角半径为75 mm,肩部内壁圆角半径为35 mm,其连接管规格为d349 mm×72mm/d248 mm×53 mm。具体结构、尺寸见图。
       在T型异径三通的有限元分析过程中,为了减少计算量,在计算中运用对称原理取结构的1/4进行计算。计算中的边界条件按力学中的对称边界条件确定,坐标原点取在母管中心线与支管中心线的交点处,X轴与母管轴向平行,Y轴与支管轴向平行,Z轴按右手法则确定,与支管、母管垂直。为了提高计算精度和更清楚地了解其应力分布规律,选用八节点的Solid45实体单元进行计算。
       三通结构内外壁的过渡圆角与主管和支管的壁厚相比,尺寸相差较大,在这个区域进行非结构化的网格剖分。根据经验,三通结构的高应力区在主管和支管的相交部分,在该部分采用非结构化的六面体网格,可以比较方便地产生较密的非结构化网格,而在其它部分可以采用相对稀疏的结构化网格。由于采用比较密集的网格,也可以补偿由于非结构网格在计算精度上的损失。为此,将三通模型分为两个部分,在肩部包含相贯线的区域使用非结构化的网格,其余部分使用映射方法生成结构化的网格。模型的网格划分情况见图。
       在三通的两个剖面上施加对称边界条件,在支管的端面上施加法线方向的固定位移约束(UY=0),主管端面作为自由表面。三通的载荷为施加在内壁的计算压力(p=27.6 MPa),在三通的主接管端面施加与管内流体总压力相平衡的轴向面力(p′=26.3 MPa)。三通结构肩部比较厚,与管道连接处的壁厚比较薄,存在一个壁厚的过渡区。为了较好地反应过渡区的应力分布情况及消除直管段结构边界条件的影响,建模时对主管和支管作了延长。
       三通由于在主管上开孔,呈现不连续结构,在内压作用下产生了局部小区域内的应力集中现象。为了便于对应力计算结果进行说明,将有限元分析模型划分为所示的7个路径进行说明。
       应力计算结果表明,三通在受内压及轴向力作用时,最大应力部位发生在三通的肩部。三通肩部内壁存在较大的应力集中现象,有较高的应力幅值,肩部内壁相贯线的局部应力也比较高,其余部分应力幅值均较低。


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