高水頭水輪機(jī)球閥壓力試驗(yàn)封頭受力分析

　　以某高水頭水輪機(jī)球閥壓力試驗(yàn)封頭結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，介紹了球殼與錐殼組焊式壓力試驗(yàn)封頭的各組成部分，并利用有限元方法對(duì)其進(jìn)行受力分析。利用應(yīng)力線性化方法，提取了高應(yīng)力區(qū)域組焊鋼板的最大平均應(yīng)力，并依據(jù)相應(yīng)的應(yīng)力考核標(biāo)準(zhǔn)對(duì)結(jié)果進(jìn)行考核。

1、概述

　　為了驗(yàn)證水輪機(jī)球閥的焊接質(zhì)量和承載能力，需要對(duì)水輪機(jī)球閥進(jìn)行壓力試驗(yàn)。水輪機(jī)球閥壓力試驗(yàn)中采用的閥體封頭主要有鑄造結(jié)構(gòu)、球殼與錐殼組焊結(jié)構(gòu)以及平板型結(jié)構(gòu)。鑄造結(jié)構(gòu)封頭受澆注質(zhì)量影響，容易存在缺陷，導(dǎo)致壓力試驗(yàn)時(shí)封頭損壞。平板型結(jié)構(gòu)封頭制作相對(duì)簡(jiǎn)單，但是組焊焊接工作量很大，耗費(fèi)大量金屬材料。相比之下，球殼與錐殼組焊結(jié)構(gòu)封頭更具優(yōu)勢(shì)。本文以某高水頭水輪機(jī)球閥壓力試驗(yàn)封頭結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，分析了結(jié)構(gòu)受力情況以及避免高應(yīng)力的措施。

2、有限元模型

　　壓力試驗(yàn)封頭屬于對(duì)稱結(jié)構(gòu)，本文所研究的球閥壓力試驗(yàn)封頭含有20 個(gè)立筋，利用其對(duì)稱性切取包含1 個(gè)立筋的1 /20 個(gè)封頭作為計(jì)算模型( 圖1) ，并選擇每個(gè)節(jié)點(diǎn)具有3 個(gè)自由度的20 節(jié)點(diǎn)六面體單元SOLID95 劃分網(wǎng)格。在試驗(yàn)封頭剖切出的2個(gè)對(duì)稱面上施加對(duì)稱邊界條件，在試驗(yàn)封頭螺栓連接處施加軸向約束，在試驗(yàn)封頭內(nèi)表面施加試驗(yàn)水壓力11.5MPa。

　　壓力試驗(yàn)封頭是由各部分鋼板組焊而成的，因此真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為可以根據(jù)封頭各部分的重要程度和應(yīng)力水平而選用不同的金屬材料。本文分析的結(jié)構(gòu)中，封頭本體( 包括球殼、錐殼、圓筒和補(bǔ)強(qiáng)段) 材料選用16MnR，立筋材料選用16MnR，法蘭材料選用Q235(表1) 。

3、受力分析

　　對(duì)高水頭水輪機(jī)球閥壓力試驗(yàn)封頭進(jìn)行受力分析(圖2) ，結(jié)構(gòu)最大von mises 應(yīng)力為242MPa，屬于局部應(yīng)力，小于其對(duì)應(yīng)的許用局部應(yīng)力425MPa。封頭存在4 個(gè)主要的高應(yīng)力區(qū)域，分別是錐殼與立筋連接處(S1) 、錐殼與圓筒連接處(S2) 、圓筒與補(bǔ)強(qiáng)段連接處(S3) 以及法蘭與補(bǔ)強(qiáng)段連接處(S4) 。

圖1 球閥壓力試驗(yàn)封頭有限元模型

表1 封頭各部分材料及力學(xué)特性

圖2 試驗(yàn)封頭von mises 應(yīng)力分布

　　為保證試驗(yàn)封頭組焊鋼板的膜應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求，針對(duì)4 個(gè)高應(yīng)力區(qū)域進(jìn)行了應(yīng)力的線性化分析( 圖3) 。利用積分方法( 即: 沿著路徑對(duì)應(yīng)力進(jìn)行積分，并除以路徑長(zhǎng)度) ，分別提取各個(gè)高應(yīng)力區(qū)域的最大平均應(yīng)力，并按照相應(yīng)許用應(yīng)力進(jìn)行考核，結(jié)果表明平均應(yīng)力滿足強(qiáng)度要求( 表2) 。

表2 封頭應(yīng)力分析結(jié)果

(a) 沿S1 位置路徑(b) 沿S2 位置路徑(c) 沿S3 位置路徑(d) 沿S4 位置路徑

圖3 沿著高應(yīng)力路徑的應(yīng)力分布

4、結(jié)語

　　利用有限元方法以高水頭水輪機(jī)球閥壓力試驗(yàn)封頭結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，并依據(jù)相應(yīng)的應(yīng)力及其試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求對(duì)結(jié)果進(jìn)行考核，結(jié)果表明選擇恰當(dāng)?shù)匿摪宄叽绾秃穸�，可以�?shí)現(xiàn)金屬材料和應(yīng)力水平的很好協(xié)調(diào)。