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管道熱擠壓異徑三通強度有限元分析

發布于:2021-02-21 21:43
有限元分析

       在超超臨界機組中,三通是管道系統的重要組成構件,其結構比較復雜,并承受高溫、高壓、交變荷載,易產生疲勞、蠕變損傷,其可靠性直接影響到整個機組的正常運行。由于三通幾何形狀復雜,研制過程中用常規的數學分析比較困難,至今還沒有完整的有關強度理論分析解,且國內外尚無統一的強度有限元分析標準。對三通進行強度計算的方法有極限載荷法、極限分析法、經驗公式法、削弱系數法、壓力面積法、面積補償法、有限元法等,各國設計標準多采用壓力面積法、面積補強法等經驗計算方法,其計算結果具有較大的近似性。在工作狀態下,為了確保三通的運行安全和結構強度可靠,本文對某超超臨界機組熱擠壓T型異徑三通在內壓作用下的應力分布進行了有限元計算,并對現有結構下的強度進行校核,同時對結構的優化提出了一些建議。
       本文分析的三通為某超超臨界機組的主蒸汽管道的T型異徑三通,采用鍛制鋼管熱擠壓成型工藝制造,其材料為A335 P92,彈性模量為98 GPa,泊松比為0.3,計算壓力為27.6 MPa,計算溫度為610℃,許用應力[σ]t=71.79 MPa。主管壁厚為122 mm,支管壁厚為76 mm,肩部外壁圓角半徑為75 mm,肩部內壁圓角半徑為35 mm,其連接管規格為d349 mm×72mm/d248 mm×53 mm。具體結構、尺寸見圖。
       在T型異徑三通的有限元分析過程中,為了減少計算量,在計算中運用對稱原理取結構的1/4進行計算。計算中的邊界條件按力學中的對稱邊界條件確定,坐標原點取在母管中心線與支管中心線的交點處,X軸與母管軸向平行,Y軸與支管軸向平行,Z軸按右手法則確定,與支管、母管垂直。為了提高計算精度和更清楚地了解其應力分布規律,選用八節點的Solid45實體單元進行計算。
       三通結構內外壁的過渡圓角與主管和支管的壁厚相比,尺寸相差較大,在這個區域進行非結構化的網格剖分。根據經驗,三通結構的高應力區在主管和支管的相交部分,在該部分采用非結構化的六面體網格,可以比較方便地產生較密的非結構化網格,而在其它部分可以采用相對稀疏的結構化網格。由于采用比較密集的網格,也可以補償由于非結構網格在計算精度上的損失。為此,將三通模型分為兩個部分,在肩部包含相貫線的區域使用非結構化的網格,其余部分使用映射方法生成結構化的網格。模型的網格劃分情況見圖。
       在三通的兩個剖面上施加對稱邊界條件,在支管的端面上施加法線方向的固定位移約束(UY=0),主管端面作為自由表面。三通的載荷為施加在內壁的計算壓力(p=27.6 MPa),在三通的主接管端面施加與管內流體總壓力相平衡的軸向面力(p′=26.3 MPa)。三通結構肩部比較厚,與管道連接處的壁厚比較薄,存在一個壁厚的過渡區。為了較好地反應過渡區的應力分布情況及消除直管段結構邊界條件的影響,建模時對主管和支管作了延長。
       三通由于在主管上開孔,呈現不連續結構,在內壓作用下產生了局部小區域內的應力集中現象。為了便于對應力計算結果進行說明,將有限元分析模型劃分為所示的7個路徑進行說明。
       應力計算結果表明,三通在受內壓及軸向力作用時,最大應力部位發生在三通的肩部。三通肩部內壁存在較大的應力集中現象,有較高的應力幅值,肩部內壁相貫線的局部應力也比較高,其余部分應力幅值均較低。


                                                                                專業從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優化│技術服務與解決方案
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