1000MW超超臨界汽輪機一體式主汽門閥殼強度分析

呂志超

摘 要：以某1000MW超超臨界汽輪機為例，建立了一體式主汽門閥殼三維模型，利用ABAQUS軟件分析了純壓力載荷、熱態(tài)運行及20萬小時高溫蠕變?nèi)N工況下閥殼的應(yīng)力應(yīng)變情況。結(jié)果表明，本閥殼在以純壓力載荷工況和熱態(tài)運行工平均薄膜許用應(yīng)力比和局部許用應(yīng)力比均小于1;20萬小時候熱態(tài)運行后截面平均蠕變應(yīng)變小于1%，局部蠕變應(yīng)變小于2%;閥殼的設(shè)計滿足20年設(shè)計壽命內(nèi)各種計劃運行工況。

關(guān)鍵詞：超超臨界汽輪機;主汽門;強度分析;多軸蠕變

引言

自20世紀(jì)70年代的能源危機以來，世界各國都在致力于提高燃煤機組的發(fā)電效率。超超臨界汽輪機由于熱效率高、二氧化碳排放低、建設(shè)成本低的特點，成為世界主流的汽輪機發(fā)展方向[1]。自2006年11月華能玉環(huán)電廠1號百萬千瓦機組投運以來，我國超超臨界汽輪機技術(shù)不斷提高，達到了世界領(lǐng)先水平。其中補汽閥技術(shù)廣泛應(yīng)用于超超臨界機組高壓進汽模塊，補汽閥能夠使滑壓運行機組在額定流量下，進汽壓力達到額定值;提高機組運行的經(jīng)濟型;同時也可以在犧牲一定經(jīng)濟型的條件下，提高機組出力[2]。

補汽閥在設(shè)計過程中，由于處在運轉(zhuǎn)層下方，補汽管道復(fù)雜、壓力損失大、管道制造成本高、設(shè)計過程中與電力設(shè)計院配合周期長，綜合成本高?；诮档统杀驹黾有实哪康模瑢O維杰[3]設(shè)計了660MW超超臨界機組主汽閥、補汽閥一體式高壓閥門，降低了制造成本。

高壓閥門承受著整個汽輪機中最高的溫度和最高的壓力，高壓閥門的可靠性直接關(guān)系到整個機組的安全性。其中，閥殼的結(jié)構(gòu)合理性尤為重要。主汽閥、補汽閥一體式高壓閥門由于閥殼結(jié)構(gòu)的更改，必須進行全工況的強度分析。

一、1000MW超超臨界汽輪機一體式主汽門結(jié)構(gòu)形式

本文基于西門子1000MW汽輪機高壓進汽閥門進行設(shè)計，進汽參數(shù)為28MPa/600℃/620℃，VWO最高壓力為28MPa。將補汽閥直接與高壓主汽調(diào)門腔室連接，其中主閥和調(diào)閥主要結(jié)構(gòu)尺寸參考1000MW汽輪機高壓主閥和調(diào)閥，補汽閥結(jié)構(gòu)尺寸參考660MW汽輪機補汽閥，如圖1所示。

高壓閥門是高壓部分的重要部件，承受著高溫高壓載荷，這些惡劣的工作條件對高壓閥門強度和密封性是很嚴(yán)峻的考驗。為了保證高壓閥門在穩(wěn)定運行狀態(tài)下以及長期運行（20萬小時）以后，仍然具有良好的性能，因此本文對高壓閥門的靜強度、熱載荷強度、蠕變強度以及蠕變應(yīng)變進行詳細的分析計算。

二、計算模型及網(wǎng)格劃分

（一） 計算模型及網(wǎng)格劃分

1. 計算模型簡介

各閥座過盈配合處皆取最大過盈量建模，主門閥座直徑過盈量0.5mm;調(diào)門閥座直徑過盈量0.45mm;補汽門直徑過盈量0.28mm。閥殼材料為GX12CrMoWVNbN10，閥座材料為X10CrMoVNb9-1。

2. 網(wǎng)格劃分

單元類型C3D10MT，閥座與閥殼接觸位置及試算高應(yīng)力區(qū)等重要區(qū)域進行網(wǎng)格加密，節(jié)點數(shù)共456590，單元數(shù)共301446。

（二）計算工況及邊界條件

1.計算工況

閥殼強度計算考慮試驗壓力情況、高溫蒸汽存在時的熱力耦合情況和閥門設(shè)計壽命內(nèi)閥殼的高溫蠕變情況，因此分純壓力載荷、熱態(tài)運行及20萬小時高溫蠕變?nèi)齻€載荷步進行計算。純壓力載荷步是為了得到在閥殼在閥座安裝后承受高壓條件下，高壓閥門的應(yīng)力分布狀況，并對進行強度考核;穩(wěn)態(tài)運行載荷步是為了得到在穩(wěn)態(tài)運行工況下，高壓閥門的應(yīng)力分布狀況;高溫蠕變載荷步是為了得到高壓閥門在高溫下運行20萬小時后，高壓閥門的蠕變應(yīng)力分布情況，同時計算蠕變應(yīng)變分布狀況，為計算過盈接觸面松弛后的高壓閥門的密封性能提供分析數(shù)據(jù)。主蒸汽參數(shù)：溫度600℃，壓力28MPa。補汽參數(shù)：補汽壓力17.4MPa，溫度564.63℃。

2.計算邊界條件

在安裝與運行過程中，閥座始終保持與閥殼的過盈配合，因此在閥殼與主門閥座、調(diào)門閥座、補汽門閥座的接觸面三個位置定義接觸約束;閥門通過兩處支架固定在汽輪機基礎(chǔ)上，因此在閥門支架安裝處相應(yīng)位置定義X、Y、Z三個方向的約束。

純壓力載荷步需要在高壓閥門的各個表面添加對應(yīng)的壓力載荷，考慮設(shè)計余量，壓力載荷取1.5倍設(shè)計壓力，即42MPa，并在存在拉伸或者壓縮的管道橫截面施加等效盲管力。

熱運行載荷步和20萬小時高溫載荷步除了壓力載荷外，在高壓閥門的各個面上添加相應(yīng)的換熱系數(shù)和環(huán)境溫度。通過ABAQUS的熱-位移耦合算法，計算閥門穩(wěn)態(tài)熱應(yīng)力場和熱應(yīng)變場。其中，蠕變本構(gòu)采用Cocks-Ashby蠕變本構(gòu)模型[4]。

三、計算結(jié)果及考核

參考JB 4732-1995《鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[5]，各工況應(yīng)力考核準(zhǔn)則如表1所示。

其中，為基本閥殼材料基本許用應(yīng)力。

閥門長期處于高溫下工作，基本許用應(yīng)力應(yīng)?。?/p>

其中? ? ? ? 為閥殼材料20萬小時持久強度。

高溫區(qū)域除了考核蠕變應(yīng)力外，還需要考核蠕變應(yīng)變，目前以多軸蠕變考核為主，計算時采用多軸蠕變子程序或Python后處理軟件，考核其多軸蠕變應(yīng)變。具體考核準(zhǔn)則如表2所示：

（一）純壓力載荷工況

純壓力載荷工況下，許用應(yīng)力比如圖2所示。由于閥座存在過盈，因此該區(qū)域應(yīng)力屬于峰值應(yīng)力區(qū)域，最大應(yīng)力為215MPa，位于調(diào)閥內(nèi)腔到補汽閥內(nèi)腔的轉(zhuǎn)角過渡區(qū)域，此區(qū)域沿壁厚方向約有三分之一區(qū)域的應(yīng)力比超出1%，但閥殼壁厚截面平均薄膜許用應(yīng)力比小于1，局部許用應(yīng)力比小于1，強度符合設(shè)計要求。

（二）熱態(tài)運行工況

VWO熱態(tài)運行工況下，許用應(yīng)力比如圖3所示。許用應(yīng)力比均小于1，符合強度設(shè)計要求。最大應(yīng)力比為0.9133，位于主門閥座入口處的閥殼區(qū)域。

（三）熱態(tài)運行20萬小時工況

熱態(tài)運行20萬小時后，多軸蠕變應(yīng)變?nèi)鐖D4。最大蠕變應(yīng)變和最大應(yīng)力出現(xiàn)在調(diào)閥內(nèi)腔到補汽閥內(nèi)腔的過渡區(qū)域，蠕變峰值為1.53%，位于調(diào)門腔到補汽門內(nèi)腔的過渡區(qū)域。應(yīng)力峰值為73MPa。閥殼壁厚截面平均蠕變應(yīng)變小于1%，局部蠕變應(yīng)變小于5%，局部峰值應(yīng)力低于許用應(yīng)力，平均薄膜許用應(yīng)力比小于1，局部許用應(yīng)力比小于1，蠕變應(yīng)變和應(yīng)力強度符合設(shè)計要求。

四、結(jié)論

以超超臨界汽輪機節(jié)能減排、增效降本為目標(biāo)，針對1000MW超超臨界汽輪機主汽閥補汽閥進行了一體式閥殼結(jié)構(gòu)設(shè)計，并分析計算了純壓力載荷、熱態(tài)運行、熱態(tài)運行20萬小時三種工況下閥門的應(yīng)力強度。

（1）閥殼材料使用GX12CrMoWVNbN10，閥座材料使用X10CrMoVNb9-1的1000MW超超臨界汽輪機一體式高壓主汽閥在純壓力載荷工況，閥殼Mises應(yīng)力考核合格，在熱態(tài)運行工況，閥殼Mises應(yīng)力考核合格，在熱態(tài)運行20萬小時工況，閥殼Mieses應(yīng)力考核合格且閥殼蠕變應(yīng)變考核合格。

此模塊化設(shè)計的高壓主汽閥殼符合機組設(shè)計壽命內(nèi)的運行安全性要求。

（2）在調(diào)閥內(nèi)腔到補汽閥內(nèi)腔的過渡區(qū)域，純壓載荷下的最大機械應(yīng)力、熱態(tài)運行工況下的熱應(yīng)力以及穩(wěn)態(tài)運行20萬小時工況下的蠕變應(yīng)變都達到最大值，在設(shè)計時應(yīng)對此處進行更加平滑的設(shè)計以降低局部應(yīng)力，保證閥門安全性。

（3）在純壓力載荷工況下，由于閥座閥殼存在過盈配合，因此配合區(qū)域存在較大應(yīng)力，峰值為215MPa，在密封面接觸應(yīng)力可以保證密封的條件下應(yīng)適當(dāng)降低閥座過盈量。

參考文獻

[1] Viswanathan R， Coleman K， Rao U. Materials for ultra-supercritical coal-fired power plant boilers[J]. International Journal of Pressure Vessels and Piping，2006， 83（11）： 778-783.

[2] 包偉偉，高敏，龐浩城，等.1000MW超超臨界機組補汽調(diào)節(jié)技術(shù)經(jīng)濟性分析[J].發(fā)電設(shè)備，2016，30（1）：11-15.

[3] 孫維杰.汽輪機主汽補汽聯(lián)合式閥門設(shè)計研究[D].上海交通大學(xué)，2016.

[4] Cocks A C F， Ashby M F. On creep fracture by void growth[J]. Progress in Materials Science， 1982， 27（3）： 189-244.

[5] JB 4732—1995 （2005年確認(rèn)）鋼制壓力容器——分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn).