汽輪機(jī)的主蒸汽閥是電廠重要的輔機(jī)設(shè)備，其工作環(huán)境極其惡劣，近年來由于閥門失效導(dǎo)致的事故明顯增多，造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。應(yīng)用三維設(shè)計(jì)軟件對660MW超臨界汽輪機(jī)主蒸汽閥的閥殼和閥座進(jìn)行建模，通過軟件接口導(dǎo)入大型有限元分析軟件中，利用有限元分析法，進(jìn)行了冷態(tài)啟動(dòng)工況下溫度場、溫度應(yīng)力場、機(jī)械應(yīng)力場和綜合應(yīng)力場的分析。找出了應(yīng)力集中部位，給出了運(yùn)行和大修中應(yīng)注意的問題，為工程實(shí)際中主蒸汽閥的設(shè)計(jì)加工提供了重要參考。

1、引言

　　在經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展的今天，用電量又將迎來一個(gè)新的高峰期，因此，保證電廠安全運(yùn)行顯得越來越重要。電廠的大部分設(shè)備都是在高溫高壓的環(huán)境中運(yùn)行，尤其是在啟動(dòng)、停機(jī)和變工況下，更是承受著很大的熱沖擊。由于溫度梯度大，引起很大的熱應(yīng)力，加上幾十兆帕的高壓，稍有不慎，輕則停機(jī)，重則引起嚴(yán)重的安全事故。

　　主蒸汽閥是控制高溫高壓蒸汽的重要設(shè)備，其閥殼和閥座受力復(fù)雜，難以監(jiān)測。應(yīng)用三維設(shè)計(jì)、有限元分析和數(shù)值分析等軟件，對其進(jìn)行建模、仿真和數(shù)據(jù)處理。分析了超臨界660MW汽輪機(jī)主蒸汽閥的閥殼和閥座在啟動(dòng)工況下的溫度場、壓力場以及綜合應(yīng)力場，對其強(qiáng)度進(jìn)行了校核，并為設(shè)計(jì)制造提供了數(shù)據(jù)參考。

2、幾何模型的建立

　　利用有限元分析軟件建立幾何模型有很多不便之處，并且不易修改。所以利用三維設(shè)計(jì)軟件建立幾何模型，通過三維設(shè)計(jì)軟件和有限元分析軟件的接口將幾何模型直接導(dǎo)入有限元分析軟件中進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了兩款軟件的完美對接。主蒸汽閥的閥殼和閥座的幾何模型，如圖1所示。圖中，標(biāo)有V1的是閥座，標(biāo)有V2的是閥殼。對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分的結(jié)果，如圖2所示。由于幾何模型比較復(fù)雜，如果網(wǎng)格劃分粗糙，容易造成計(jì)算結(jié)果失真，故在關(guān)鍵部位進(jìn)行了網(wǎng)格細(xì)化。盡管運(yùn)算時(shí)間稍長，但真空技術(shù)網(wǎng)(http://smsksx.com/)認(rèn)為結(jié)果更加精確。

圖1 閥殼和閥座的幾何模型

圖2 閥殼和閥座的網(wǎng)格劃分結(jié)果

3、分析模型

3.1、瞬態(tài)分析理論基礎(chǔ)

　　閥殼和閥座材料參數(shù)均隨時(shí)間和溫度變化，因此應(yīng)將模型定義為瞬態(tài)非線性分析，控制方程如式(1)所示。

[C(T)]+{T｝[K(T)]{T｝={Q(T，t)｝ (1)

　　式中：[C(T)]—隨溫度變化的比熱矩陣;

　　{T｝—溫度對時(shí)間的導(dǎo)數(shù);

　　[K(T)]—傳導(dǎo)矩陣，包括熱導(dǎo)率和對流換熱系數(shù)等;

　　{T｝—節(jié)點(diǎn)的溫度矢量;

　　{Q(T，t)｝—節(jié)點(diǎn)的熱流率矢量。

　　對于瞬態(tài)分析，時(shí)間步長越小，計(jì)算越精確，同時(shí)計(jì)算量越大，因此應(yīng)選擇合適的時(shí)間步長。

3.2、應(yīng)力分析理論基礎(chǔ)

　　第一、二強(qiáng)度理論比較適合脆性材料的分析，第三、四強(qiáng)度理論則適合塑性材料的分析。這里采用第四強(qiáng)度理論—形狀改變比能理論進(jìn)行分析。這個(gè)理論可以很好的解釋三向均勻受壓極不易被破壞的現(xiàn)象，而且比第三強(qiáng)度理論更接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果。它的強(qiáng)度條件如公式(2)所示。

　　 (2)

3.3、物理性能的確定

　　主汽閥閥殼采用的材料是10315AP，物理性能數(shù)據(jù)不全，但其性能相當(dāng)于ZG15Cr1Mo1V，所以采用ZG15Cr1Mo1V的物理性能代替。閥座采用的是12Cr2Mo，兩種材料物理性能，如表1、表2所示。

表1 ZG15Cr1Mo1V物理性能

表2 12Cr2Mo物理性能

　　注：表1和表2中的單位：溫度——℃;比熱容單位——J(/kg·K);彈性模量——GPa;線膨脹系數(shù)——與20℃之間，×10-6/℃;導(dǎo)熱率——W(/m·K);密度—kg/m3。

3.4、邊界條件的確定

　　邊界條件的準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到仿真精度。因此要盡量使邊界條件與實(shí)際情況接近。在汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)過程中，主蒸汽閥溫度低于180℃時(shí)，要進(jìn)行主汽閥預(yù)暖。預(yù)暖過程，熱沖擊不是十分劇烈，所以本次計(jì)算從汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)開始。為了進(jìn)行保守分析，所以初始溫度場設(shè)置為180℃。主蒸汽閥的工作環(huán)境是高溫高壓蒸汽在閥內(nèi)流動(dòng)，因此采用對流換熱的邊界條件，由于閥內(nèi)流動(dòng)情況復(fù)雜，沒有統(tǒng)一的精確理論進(jìn)行求解，所以采用經(jīng)驗(yàn)公式(3)進(jìn)行計(jì)算，并加以校正。由于計(jì)算量較大，通過數(shù)值分析軟件編程進(jìn)行計(jì)算。

　　(3)

　　式中：h—對流換熱系數(shù);λ—蒸汽導(dǎo)熱系數(shù);Nu—努賽爾數(shù);Re—雷諾數(shù);u—蒸汽流速;d—定性尺寸;v—蒸汽的動(dòng)力粘度。

　　主蒸汽閥簡化后的模型為對稱模型，為了減少計(jì)算量，只對一半主蒸汽閥的閥殼進(jìn)行分析，在相應(yīng)的面上加載對稱約束邊界條件。

3.5、計(jì)算過程

　　溫度場是計(jì)算的基礎(chǔ)，本次分析先進(jìn)行瞬態(tài)溫度場分析，然后轉(zhuǎn)換單元類型，將熱分析單元轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)分析單元，加載熱分析中的溫度載荷，進(jìn)行溫度應(yīng)力場分析。之后進(jìn)行受壓條件下的機(jī)械應(yīng)力場計(jì)算，最后進(jìn)行綜合應(yīng)力場分析。

4、結(jié)果分析

4.1、溫度場分析

　　從圖3(a)中可以看出，出汽口處的關(guān)鍵點(diǎn)A處溫升曲線和啟動(dòng)工況曲線相接近，說明A處溫度隨著蒸汽溫度的變化，變化比較快。如圖3(b)所示，管外相貫處B溫升則比較緩和，因?yàn)锽處主要靠熱傳導(dǎo)傳遞熱量，而且熱量由內(nèi)壁傳到外壁需要一定時(shí)間。A和B的溫差曲線如圖3(c)所示，初期A處遇到高溫蒸汽，溫度迅速上升，B處基本沒有變化，此時(shí)溫差最大。隨著外壁溫度的升高，溫度逐漸減小。一百九十分鐘的時(shí)候開始升負(fù)荷，此時(shí)蒸汽溫度開始升高，A、B溫差又開始上升，但溫差比沖轉(zhuǎn)初期小的多。啟動(dòng)剛剛結(jié)束后，溫度場已經(jīng)比較均勻，如圖4所示。

圖3 A、B處溫升及溫差曲線

圖4 汽輪機(jī)啟動(dòng)結(jié)束后的溫度場

4.2、應(yīng)力場分析

　　經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，啟動(dòng)初期由于熱沖擊較大，造成了較大的熱應(yīng)力，應(yīng)力變化和溫度變化趨勢相類似，汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)十分鐘時(shí)達(dá)到最大值。此時(shí)刻的溫度場，如圖5(a)所示。出汽口處換熱最強(qiáng)，溫升最快。此時(shí)刻的溫度梯度場，如圖5(b)所示�？梢园l(fā)現(xiàn)出汽口和腔室相貫處溫度梯度最大。溫度應(yīng)力場可以發(fā)現(xiàn)此時(shí)由于溫度造成的熱應(yīng)力也是最大的，如圖5(c)所示。這與溫度梯度越大，熱應(yīng)力越大的趨勢是一致的。但是溫升最快的地方不是熱應(yīng)力最大的地方。

　　從綜合應(yīng)力場可以發(fā)現(xiàn)綜合應(yīng)力比溫差應(yīng)力反而有所降低，這是溫度場和壓力場相互作用抵消了部分應(yīng)力的結(jié)果，如圖5(d)所示。

圖5 分析結(jié)果

4.3、閥殼和閥座安全性分析

　　從圖中可以看出主蒸汽閥的出口和汽室相貫處最大應(yīng)力為127MPa，小于材料的屈服極限，因此在汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)過程中，主蒸汽閥的閥殼是相對安全的。在設(shè)計(jì)制造過程中，上述這些應(yīng)力集中部位應(yīng)當(dāng)給出合適的倒角，并選擇好的工藝進(jìn)行熱處理。

　　在整個(gè)過程中，由于主蒸汽閥的出口處，汽流擾動(dòng)劇烈，閥座溫升最快，而且應(yīng)力應(yīng)變也較大，容易出現(xiàn)閥門松動(dòng)脫落現(xiàn)象，因此在閥殼和閥座裝配過程中要過盈恰當(dāng)，而且要選用好的材料和工藝。

5、結(jié)論

　　通過對660MW超臨界汽輪機(jī)在冷態(tài)啟動(dòng)過程中主蒸汽閥的閥殼和閥座的溫度場和應(yīng)力場的仿真分析，得出以下結(jié)論：

　　(1)在汽輪機(jī)冷態(tài)啟動(dòng)過程中，汽輪機(jī)沖轉(zhuǎn)達(dá)到十分鐘時(shí)，應(yīng)力達(dá)到最大值127MPa。小于材料的屈服極限，閥門處于較安全狀態(tài)。

　　(2)整個(gè)過程中，主蒸汽閥的出口處的閥座溫升最快，而出口和腔室相貫處溫度梯度最大，應(yīng)力也最大，因此在設(shè)計(jì)加工時(shí)，應(yīng)給出合適的工藝，加強(qiáng)這些部位的強(qiáng)度，并且在大修期間應(yīng)仔細(xì)檢查這些部位是否因應(yīng)力集中而出現(xiàn)裂紋。

　　(3)閥座處應(yīng)力雖然不是最大，但是比一般部位高出許多，因此應(yīng)力應(yīng)變比較大，加上閥桿碰撞的影響，容易造成損壞和脫落。因此在設(shè)計(jì)制造過程中閥殼和閥座盡量選擇物理性能相近的材料，這樣不易產(chǎn)生更大的應(yīng)力，而且不易造成閥座脫落。

　　(4)因?yàn)橹髡羝�閥工作環(huán)境極其惡劣，因此應(yīng)選擇較好的熱處理工藝。延長主蒸汽閥的使用壽命。