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在超超臨界機組中，三通是管道系統(tǒng)的重要組成構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并承受高溫、高壓、交變荷載，易產(chǎn)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(fù)雜，研制過程中用常規(guī)的數(shù)學(xué)分析比較困難，至今還沒有完整的有關(guān)強度理論分析解，且國內(nèi)外尚無統(tǒng)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(jīng)驗公式法、削弱系數(shù)法、壓力面積法、面積補償法、有限元法等，各國設(shè)計標準多采用壓力面積法、面積補強法等經(jīng)驗計算方法，其計算結(jié)果具有較大的近似性。在工作狀態(tài)下，為了確保三通的運行安全和結(jié)構(gòu)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(nèi)壓作用下的應(yīng)力分布進行了有限元計算，并對現(xiàn)有結(jié)構(gòu)下的強度進行校核，同時對結(jié)構(gòu)的優(yōu)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(yīng)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(nèi)壁圓角半徑為35 mm，其連接管規(guī)格為d349 mm×72mm/d248 mm×53 mm。具體結(jié)構(gòu)、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(jié)構(gòu)的1/4進行計算。計算中的邊界條件按力學(xué)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(yīng)力分布規(guī)律，選用八節(jié)點的Solid45實體單元進行計算。
三通結(jié)構(gòu)內(nèi)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(qū)域進行非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格剖分。根據(jù)經(jīng)驗，三通結(jié)構(gòu)的高應(yīng)力區(qū)在主管和支管的相交部分，在該部分采用非結(jié)構(gòu)化的六面體網(wǎng)格，可以比較方便地產(chǎn)生較密的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而在其它部分可以采用相對稀疏的結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。由于采用比較密集的網(wǎng)格，也可以補償由于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)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(qū)域使用非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格，其余部分使用映射方法生成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格。模型的網(wǎng)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(nèi)壁的計算壓力(p=27.6 MPa)，在三通的主接管端面施加與管內(nèi)流體總壓力相平衡的軸向面力(p′=26.3 MPa)。三通結(jié)構(gòu)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(qū)。為了較好地反應(yīng)過渡區(qū)的應(yīng)力分布情況及消除直管段結(jié)構(gòu)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(xiàn)不連續(xù)結(jié)構(gòu)，在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生了局部小區(qū)域內(nèi)的應(yīng)力集中現(xiàn)象。為了便于對應(yīng)力計算結(jié)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(yīng)力計算結(jié)果表明，三通在受內(nèi)壓及軸向力作用時，最大應(yīng)力部位發(fā)生在三通的肩部。三通肩部內(nèi)壁存在較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象，有較高的應(yīng)力幅值，肩部內(nèi)壁相貫線的局部應(yīng)力也比較高，其余部分應(yīng)力幅值均較低。
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