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1、 中电投乌苏热电厂一期2330MW机组工程空冷系统基本设计排汽管道整体应力分析02009 .08版本日 期编 写校 核审 核会 签批 准备 注北京龙源冷却技术有限公司2009 年8月目 录1设计依据12材料数据13计算分析工具14计算模型的建立24.1有限元模型24.2边界条件44.3荷载54.3.1死荷载54.3.2活荷载54.3.3组合荷载95 计算结果95.1工况1（g-p-t-seisx ）：应力云图105.2工况2（g-p-t-seisnx ）：应力云图115.3工况3（g-p-t-seisz ）：应力云图125.4工况4（g-p-t-seisnz ）：应力云图145.5工况5（g-
2、p-t-windx）：应力云图155.6工况6（g-p-t-windnx ）：应力云图165.7工况7（g-p-t-windz ）：应力云图175.8工况8（g-p-t-windnz ）：应力云图186 应力评定197 管道对排汽装置的推力及力矩20 1 设计依据本报告依据乌苏热电厂空冷系统总布置对空冷系统的排汽管道装置进行静力学分析，验证该装置在17种工作情况下是否都能满足刚度、强度以及排气装置出口处的允许推力要求。分析过程中用到的规范及标准如下：国电榆次热电厂2330MW空冷供热机组直接空冷系统EPC总承包技术协议；钢制压力容器分析设计标准JB4732-95；建筑结构荷载规范GB 5000
3、9-2001；构筑物抗震设计规范GB 50191-93；碳素结构钢GB /T700-1988；火力发电厂汽水管道设计技术规定DL/T5054-1996；ASME B311-2005。2 材料数据排汽管道的材料为碳钢Q235B，材料特性值如下：密度：r=7850 kg/m3弹性模量：E =2e11Pa热膨胀系数：a =1.17105 1/K屈服强度：sF=235 MPa极限抗拉强度：su =375 MPa伸长率：eu= 24 % 。 3 计算分析工具本次分析采用大型有限元分析软件MSC.Patran V2007R1进行几何建模、网格划分、定义边界条件、世家载荷并后处理，使用MSC.NASTRAN
4、 V2007R1软件作为有限元分析求解器。4 计算模型的建立4.1 有限元模型由于排汽管道的结构主要是由板件焊接而成，故采用二维的壳单元比三维实体单元更合适建立该有限元模型。为了计算的精确，主体采用精度较高的四边形单元，另外还在四边形单元不适用的部分区域采用三角形单元过渡，从而保证整个模型的网格质量。整个模型共划分为40917个节点，41369个单元。排汽管道的几何模型与有限元模型如下图1和图2所示。模型所在坐标系：Z轴水平向右、Y轴竖直向上、X轴负向指向排汽装置。模型总质量为 656t。图1 排气管道的几何模型 采用壳单元， 划分网格后单元模型如下列图示。图2 排气管道整体有限元模型考虑腐蚀
5、余量及制造误差，计算管壁厚小于管道壁厚1.02.5mm，因为管道内介质主要为水和蒸汽，腐蚀相对较小，所以本报告计算过程中涉及到的计算厚度均比管道厚度小1，为了补偿由此减轻的重量，管材密度修改为8660kg/m3。管壁计算厚度如下表： 管径mm壁厚mm计算壁厚mmDN58321615DN42321615DN26241211 膨胀节采用单元、质量单元和约束模拟，通过耦合自由度允许单元间特定相对移动和旋转。补偿器硬度数据显示在下表中：直径mm刚度类型刚度5800轴向1.3106 N/m5800角向2.07107 Nm/rad2600万向/角向1.08106 Nm/rad2600铰链/角向1.0810
6、6 Nm/rad4.2 边界条件模型中的边界条件如图3至图5所示。在排汽装置接口、配汽管接口采用全约束（固定所有的位移和旋转）。图3 排气装置接口、配气管接口的全约束图4 管道下部支座约束及限位支吊点如下：图5 底端弹簧支点和管道吊点4.3 荷载4.3.1 死荷载a) 重力重力加速度作用在整个管道上-Y方向b) 悬吊荷载前端弹簧支座每处受力356KN；上部横干管恒力吊架每处受力如下表：位置支吊力位置支吊力左1 2256KN右12253KN左2 2216KN右22220KN4.3.2 活荷载a) 蒸汽或空气重量（浮力）和管道重量比管道内蒸汽重量和浮力一样小，忽略不计。b) 温度荷载管壁设计温度取
7、120 C，安装温度按5C考虑。c) 压力荷载按全真空考虑，设计压力取-0.1MPa。管道气密性试验0.04 MPa，很小忽略不计。d) 风荷载根据建筑结构荷载规范GB 500092001（风载荷部分），垂直于建筑物表面上的风荷载标准值，应按下述公式计算：当计算主要承重结构时Wk=zszWo式中Wk风荷载标准值(kN/)；z高度z 处的风振系数；s风荷载体型系数；z风压高度变化系数；W0基本风压(kN/)。根据规范查取z、s、z、Wo对应的值，最后计算出平均风荷载，如下所示：高度30m60mz1.2681.565s0.80.8z1.421.77W00.550.55Wk0.7921.219Wk平
8、均值1.006KN/m2风载荷的方向分别为+X、X、+Z、-Z四个方向，如图11、12、13、14所示：图6 +X风载荷图图7 -X风载荷图图8 +Z风载荷图图9 -Z风载荷图e) 地震荷载计算地震荷载，考虑4个不同方向准静态水平加速度：ax = +0.1 g；ax = -0.1 g；az = +0.1 g；az = -0.1 g。f) 沉降荷载按0.2%基础沉降差考虑，在与排汽装置接口处设置36mm的Y向位移约束。4.3.3 组合荷载分项荷载：g- 重力加速度（包括恒力吊荷载）p-真空t-温度seisx-+ X向准静态地震加速度seisnx-X向准静态地震加速度seisz-+ Z向准静态地震
9、加速度seisnz-Z向准静态地震加速度windx-X向风载windnx-X向风载windz-Z向风载windnz-Z向风载这些独立的荷载组合成下列8种，在计算中考虑：g-p-t-seisx；g-p-t-seisnx；g-p-t-seisz；g-p-t-seisnz；g-p-t-windx；g-p-t-windnx；g-p-t-windz；g-p-t-windnz。5 计算结果在下列各节中，仅显示了最显著应力的工况和部分排汽管道。在每一图中，显示壳体的最大应力和应变。采用等效应力强度（von Mises stress ），单位为MPa。5.1 工况1（g-p-t-seisx ）：应力云图5.2
10、 工况2（g-p-t-seisnx ）：应力云图5.3 工况3（g-p-t-seisz ）：应力云图5.4 工况4（g-p-t-seisnz ）：应力云图5.5 工况5（g-p-t-windx）：应力云图5.6 工况6（g-p-t-windnx ）：应力云图5.7 工况7（g-p-t-windz ）：应力云图5.8 工况8（g-p-t-windnz ）：应力云图6 应力评定根据钢制压力容器分析设计标准，应力强度许用极限应满足下表要求：条件荷载组合应力强度许用极限设计荷载重力+设计压力+温度一次总体应力强度144MPa一次局部应力强度216MPa重力+设计压力+温度+风载荷一次总体应力强度173
11、MPa一次局部应力强度259MPa重力+设计压力+温度+地震载荷一次总体应力强度173MPa一次局部应力强度259MPa对比各工况计算结果，应力强度均在许用极限范围内。应力强度最大的工况是g-p-t-windz工况，在上部三通处局部应力大，为了进一步提高管道强度，在详图阶段应在上部三通侧面增加加强肋。7 管道对排汽装置的推力及力矩通过计算得到管道接口在不同工况下的推力及力矩，如下表所示：表1 各工况管道接口推力及力矩序 号工 况推力（kN）力矩（kN.m）FXFYFZMXMYMZ1g-p-t-seisx258.4167.98.97121.951.7164.42g-p-t-seisnx258.4164.710109.929.8155.43g-p-t-seisz0.22166.325.6134.8156.5159.74g-p-t-seisnz0.22166.425.6134.8156.5159.75g-p-t-windx0.251677.89116.546.1144.56g-p-t-windnx0.21166.110115.739.1165.47g-p-t-windz0.22166.43.64181.260.5159.98g-p-t-windnz0.21166.415.6113.620.8159.920
