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 項目概述

老撾E項目為超高水頭、大容量、高轉(zhuǎn)速的混流式水輪機(jī)組，屬于“一帶一路”沿線國家的水電項目。E項目最高水頭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項目座環(huán)蝸殼設(shè)計方案時對有限元計算的應(yīng)力以及疲勞進(jìn)行評價的經(jīng)驗。

2 應(yīng)力計算和評價

2.1 蝸殼打壓試驗計算

選取E項目座環(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)行打壓試驗時，水壓達(dá)到14.5 MPa，計算得座環(huán)蝸殼在該工況下的應(yīng)力，如圖1、2所示。

圖1 打壓試驗時座環(huán)蝸殼應(yīng)力分布云圖

圖2 打壓試驗時座環(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)典計算，在正常運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)典理論計算表示認(rèn)同，但對有限元計算的評判，特別是打壓試驗持保留態(tài)度，要求采用ASME進(jìn)一步對有限元計算進(jìn)行綜合評判，并使用BS EN13445進(jìn)行疲勞計算。

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]。對有限元計算的許用應(yīng)力有如下限制：

運行及設(shè)計工況Pm

壓力試驗時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 各工況計算結(jié)果

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

表1 ASME應(yīng)力評判表

圖4 正常運行工況座環(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項目座環(huán)蝸殼進(jìn)行疲勞評估[5]，根據(jù)疲勞設(shè)計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)計曲線圖

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

用于疲勞設(shè)計曲線的應(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項目座環(huán)蝸殼各工況疲勞計算評估，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)計要求。

詳細(xì)的計算參數(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)計完全滿足合同要求[6]。

4 結(jié) 語

通過E項目座環(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，避免造成海外項目審批延期和與外方工程師溝通困難。