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        探討海外項(xiàng)目中應(yīng)力評判標(biāo)準(zhǔn)的使用

        2018-09-28 05:26:06張續(xù)鐘馬建峰劉思靚
        西北水電 2018年4期
        關(guān)鍵詞:蝸殼導(dǎo)葉水頭

        張續(xù)鐘,馬建峰,劉思靚

        (浙江富春江水電設(shè)備有限公司,杭州 310013)

        1 項(xiàng)目概述

        老撾E項(xiàng)目為超高水頭、大容量、高轉(zhuǎn)速的混流式水輪機(jī)組,屬于“一帶一路”沿線國家的水電項(xiàng)目。E項(xiàng)目最高水頭690 m,水輪機(jī)出力126 MW,額定轉(zhuǎn)速600 r/min,飛逸轉(zhuǎn)速1 000 r/min,打壓試驗(yàn)水頭1 450 m。其水頭參數(shù)為亞洲第一,世界第二的超高水頭,已經(jīng)接近混流式水輪機(jī)理論應(yīng)用的極限水頭。目前中國混流式水電站最高水頭為551.7 m,水輪機(jī)出力82 MW,額定轉(zhuǎn)速600 r/min,飛逸轉(zhuǎn)速960 r/min。

        以下介紹外方工程師審批E項(xiàng)目座環(huán)蝸殼設(shè)計(jì)方案時對有限元計(jì)算的應(yīng)力以及疲勞進(jìn)行評價的經(jīng)驗(yàn)。

        2 應(yīng)力計(jì)算和評價

        2.1 蝸殼打壓試驗(yàn)計(jì)算

        選取E項(xiàng)目座環(huán)蝸殼進(jìn)口處的前3節(jié)蝸殼作為有限元分析對象,進(jìn)行打壓試驗(yàn)時,水壓達(dá)到14.5 MPa,計(jì)算得座環(huán)蝸殼在該工況下的應(yīng)力,如圖1、2所示。

        圖1 打壓試驗(yàn)時座環(huán)蝸殼應(yīng)力分布云圖

        圖2 打壓試驗(yàn)時座環(huán)蝸殼局部應(yīng)力圖

        2.2 合同及國標(biāo)要求

        蝸殼材料為B610CFHQL2(Q/BQB620-2009),屈服強(qiáng)度σy=490 MPa,抗拉強(qiáng)度σb=610 MPa;座環(huán)上、下環(huán)板和固定導(dǎo)葉材料為Q550D,屈服強(qiáng)度σy=480 MPa,抗拉強(qiáng)度σb=670 MPa。

        根據(jù)合同要求:材料許用應(yīng)力不超過1/3屈服強(qiáng)度,即蝸殼許用應(yīng)力為163.3 MPa,根座環(huán)及導(dǎo)葉許用應(yīng)力為160 MPa。

        根據(jù)國標(biāo)GB/T 15468第4.2.2.6條和4.2.2.7條要求,座環(huán)蝸殼、固定導(dǎo)葉等屬于高應(yīng)力部件采用高強(qiáng)度鋼板,則:

        (1) 根據(jù)經(jīng)典計(jì)算,在正常運(yùn)行工況下許用拉壓應(yīng)力為屈服強(qiáng)度的1/3;

        (2) 由有限元方法得到的應(yīng)力分析結(jié)果,局部應(yīng)力值可超出上述許用應(yīng)力值,并且在正常工況條件下最大應(yīng)力不得超過材料屈服強(qiáng)度的2/3,特殊工況條件下最大應(yīng)力不得超過材料的屈服強(qiáng)度,且需得到買方確認(rèn)[1]。

        外方工程師根據(jù)合同要求和國標(biāo)對經(jīng)典理論計(jì)算表示認(rèn)同,但對有限元計(jì)算的評判,特別是打壓試驗(yàn)持保留態(tài)度,要求采用ASME進(jìn)一步對有限元計(jì)算進(jìn)行綜合評判,并使用BS EN13445進(jìn)行疲勞計(jì)算。

        2.3 根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)

        根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)第8卷第2冊,要求對應(yīng)力分類[2]。對有限元計(jì)算的許用應(yīng)力有如下限制:

        運(yùn)行及設(shè)計(jì)工況Pm

        壓力試驗(yàn)時Pm<0.95σy;Pl+Pb<1.425σy

        式中:Pm為一次總體薄膜應(yīng)力;Pl為一次局部薄膜應(yīng)力;Pb為一次彎曲應(yīng)力;Sm為許用應(yīng)力,因水中平均水溫低于室溫,Sm為σy/1.5;σy為材料屈服強(qiáng)度。

        圖3 線性化路徑選取圖

        根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn),對E項(xiàng)目打壓工況下蝸殼和導(dǎo)葉的最大應(yīng)力處劃取路徑進(jìn)行應(yīng)力評價[3-4],路徑如圖3所示,結(jié)果如表1所列。

        根據(jù)ASME標(biāo)準(zhǔn)對E項(xiàng)目座環(huán)蝸殼進(jìn)行評判,各工況下應(yīng)力均小于許用應(yīng)力。

        3 疲勞評定

        3.1 各工況計(jì)算結(jié)果

        額定工況和緊急停機(jī)工況下,E項(xiàng)目座環(huán)蝸殼的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖4、5所示。打壓試驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果見表1。

        表1 ASME應(yīng)力評判表

        圖4 正常運(yùn)行工況座環(huán)蝸殼應(yīng)力分布圖

        3.2 根據(jù)EN13445標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行疲勞判定

        根據(jù)BS EN13445對E項(xiàng)目座環(huán)蝸殼進(jìn)行疲勞評估[5],根據(jù)疲勞設(shè)計(jì)曲線評估在確定的應(yīng)力幅值下材料的循環(huán)壽命。疲勞設(shè)計(jì)曲線如圖6所示。

        當(dāng)循環(huán)次數(shù)N≤5×106時,以上疲勞設(shè)計(jì)曲線可表達(dá)為以下公式:

        (1)

        圖5 緊急停機(jī)工況座環(huán)蝸殼應(yīng)力分布圖

        圖6 疲勞設(shè)計(jì)曲線圖

        式中:ΔσR為全應(yīng)力幅值;C1為疲勞計(jì)算參數(shù);N為疲勞循環(huán)次數(shù)。

        用于疲勞設(shè)計(jì)曲線的應(yīng)力值需要根據(jù)溫度和厚度作出一定的修正:

        (2)

        式中:Δσ*為疲勞曲線應(yīng)力值;Δσ為實(shí)際應(yīng)力值;Ce為厚度修正系數(shù);CT為溫度修正系數(shù);

        在低于100 ℃時,溫度修正系數(shù)CT可取值為1;厚度修正系數(shù)Ce根據(jù)結(jié)構(gòu)的厚度選取不同的數(shù)值,如圖7所示。

        圖7 厚度修正系數(shù)曲線圖

        最后,根據(jù)圖6、7得到疲勞循環(huán)次數(shù),可進(jìn)一步計(jì)算疲勞損傷因子:

        (3)

        若疲勞累積損傷因子D<1,則疲勞評估合格。

        對E項(xiàng)目座環(huán)蝸殼的最大應(yīng)力處,即固定導(dǎo)葉根部做疲勞分析,依據(jù)BS EN13445進(jìn)行E項(xiàng)目座環(huán)蝸殼各工況疲勞計(jì)算評估,米勒準(zhǔn)則下總的疲勞損傷系數(shù)為0.836,小于1,滿足設(shè)計(jì)要求。

        詳細(xì)的計(jì)算參數(shù)如表2所示。疲勞評估結(jié)果如表3所示。

        表2 疲勞計(jì)算參數(shù)表

        表3 疲勞評估結(jié)果表

        通過使用不同的海外標(biāo)準(zhǔn)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析評判,E項(xiàng)目座環(huán)蝸殼各工況下的應(yīng)力及疲勞獲得外方工程師批準(zhǔn)認(rèn)可,設(shè)計(jì)完全滿足合同要求[6]。

        4 結(jié) 語

        通過E項(xiàng)目座環(huán)蝸殼外方工程師周折的審查批準(zhǔn)過程,可以發(fā)現(xiàn)外方工程師在審查計(jì)算稿時,對中國國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的理解往往不足,通常要求使用ASME和BS EN13445等國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算說明;這就要求水電設(shè)備企業(yè)提前對國際標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行深入的研究和應(yīng)用,避免造成海外項(xiàng)目審批延期和與外方工程師溝通困難。

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