高水头电站球阀下游连接管开孔处强度分析与改进

姜铁良，刘晶石，王应伦

(哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040)

高水头电站球阀下游连接管开孔处强度分析与改进

姜铁良，刘晶石，王应伦

(哈尔滨电机厂有限责任公司，哈尔滨 150040)

针对高水头电站球阀内下游连接管开孔处经常发生损坏问题，利用ansys有限元分析软件对下游连接管的开孔处进行了强度分析，找到了下游连接管开孔处损坏的根本原因，对开孔形状提出了改进方案。实践证明，将下游连接管开孔形状由圆形改成椭圆形的改进方案可以有效地降低开孔处的应力集中，确保水电站球阀下游连接管的安全运行。

球阀；下游连接管；椭圆； 应力集中

目前，球阀对水电站机组的事故保护及机组检修安全有着重要作用。球阀内部包含下游连接管,由于需要补气以及排水等原因，需要在管上开孔来安装空气阀和排水管，因此就破坏了原来结构连续性，造成应力集中，导致疲劳破坏，这种情况在现有运行的电站中时有发生[1-3]。在水轮机领域，这个问题的主要解决办法只能是整体加厚管壁厚度或者对开孔附近局部铺钢板的方式进行加强[4-7]，但是这些方法既浪费材料，效果也不明显。本文利用ansys软件对下游连接管开孔位置进行详细的有限元分析,找到开孔处破坏的根本原因,并提出将开孔形状由圆形改成椭圆形的方法,有效地降低了开孔处的应力集中,避免发生破坏。

1 下游连接管有限元分析

1.1有限元模型的建立

为找出下游连接管开孔处发生破坏的根本原因，运用ANSYS有限元软件对下游连接管进行了有限元计算分析。 下游连接管结构如图1所示，根据需要对模型进行相应的简化，取圆筒部分和圆筒上孔径最大的孔进行建模分析，有限元模型如图2所示，整个模型均采用四面体单元进行划分。

图1 下游连接管及开孔结构图

图2 下游连接管有限元计算简化模型图

1.2 基本条件

下游连接管内径2 100 mm，下游连接管外径2 300 mm，下游连接管长度1 700 mm，管上开孔内径 200 mm，管上开孔外径 600 mm，管内正常运行压力11.37 MPa，有限元模型约束了下游连接管与阀体连接处所在平面上节点的所有自由度，材料性能及许用应力如表1所示。

表1 密封部件材料特性表

1.3 计算结果分析

图3 下游连接管应力图

有限元计算得到的Mises应力分布如图3所示。 通过计算结果可以看出开孔处最大 Mises 应力值达到了392.8 MPa，超过了局部许用应力值，最大应力所在位置在管的内侧，主要原因是开孔破坏了原有结构的连续性,造成了局部区域的应力集中。由于下游连接管在球阀工作密封工况下管内没有压力，Mises应力为0 MPa，活门全开工况下压力为正常运行压力11.37 MPa，Mises应力为392.8 MPa，因此，当机组频繁切换工况时，下游连接管就会产生较大的交变应力，容易发生疲劳破坏，这就是下游连接管开孔处发生破坏的根本原因。

2 改进方案的有限元计算分析

根据弹性力学的理论，椭圆形孔可以有效地减轻开孔导致的应力集中，本文将圆形孔改用椭圆形孔来验证是否有效。

2.1 椭圆长轴的布置方向

在边界条件、工况、椭圆孔的长短轴比均保持一致的情况下，分别对椭圆长轴开在管的环向和管的轴向进行有限元分析计算，得到的应力分布如图4、图5所示。

图4 椭圆长轴开在轴向方案的应力图

图5 椭圆长轴开在环向方案的应力图

根据计算结果可以看出，孔的形状对应力集中现象有明显影响，长轴开在圆管轴向的应力集中反而更明显，最大mises应力从圆孔的392.8 MPa上升到419.7 MPa。当长轴开在圆管的环向时，最大mises应力从圆孔的392.8 MPa下降到371.1 MPa，说明椭圆形孔长轴开在管的环向能够有效减小应力集中。

2.2 椭圆长短轴比例

在边界条件、工况、椭圆孔长轴布置方向均一致的情况下，对椭圆长短轴比分别为1.5、2.0、2.5和3.0时进行有限元计算，得到的结果如表2所示，应力图如图6-图8所示。通过计算结果，可以看出椭圆长短轴比越大，应力集中减小的越明显。

表2 有限元计算结果

图6 椭圆长短轴比为2.0的应力图

图7 椭圆长短轴比为2.5的应力图

3 改进方案实施结果

将该电站下游连接管上圆形孔改成椭圆形孔，开孔外侧往往连接圆形接管，如果是椭圆形孔就会非常不便。为了避免这种情况，孔在管的内侧形状采用椭圆，在管的外侧形状为圆形，两个截面之间均匀过度，如图9所示。

图8 椭圆长短轴比为3.0的应力图

图9 改进方案示意图

图10 改进方案的应力分布图

为了保证加工和安装的便利性，设定椭圆孔的短半轴与原圆形孔半径相同，长短轴比取2.5，边界条件与工况均与原方案保持一致，将该改进方案进行有限元分析，得到的应力分布图如图10所示，通过计算结果，可以看出孔的最大局部应力为316.3 MPa，相比于原方案下降了19.5%，满足局部应力许用标准，因此改进方案可以满足局部应力设计要求。

4 结 论

本文通过ANSYS有限元软件，对下游连接管开孔处进行了深入分析，得出以下结论：

1) 下游连接管开孔处出现破坏的根本原因是开孔处出现了明显的应力集中现象，机组在不同工况之间频繁切换导致出现了较大的交变应力，最终导致疲劳破坏。

2) 相比于圆形孔,椭圆形孔对应力集中有明显的改善，需要保证椭圆孔的长轴布置在连接管的环向，椭圆孔的长短轴比例尽可能大。

3) 根据电站具体情况，采用长短轴比为2.5的椭圆形孔，孔在管的内侧形状为椭圆，在管的外侧形状为圆形，两个截面之间均匀过度，满足了局部应力设计要求。

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Strength analysis and improvement of the connecting pipe openings on the downstream of spherical valve in high water-head power station

JIANG Tieliang,LIU Jingshi,WANG Yinglun

(Harbin Electric Machinery Company Limited,Harbin 150040,China)

The connecting pipe openings on the downstream in spherical valve often fail in many high water-head power stations. As to the problem, strength analysis is made on the connecting pipe openings by using ANSYS finite element analysis softwarethe and basic reason that causes damage to the downstream connecting pipe openings is found. Therefore, an improved scheme to the opening shape is put forward. The practice proves that the improved scheme in which the shape of the downstream connecting pipe openings is transferred from circle to ellipse can effectively reduce the openings’ stress concentration, ensuring the safe operation of the connecting pipe.

spherical valve; downstream connecting pipe; ellipse; stress concentration

2017-01-13;

2017-04-10。

姜铁良(1988—)，男，工程师，从事水轮机大部件结构分析和水电机组的现场振动测试分析工作。

TK730

A

2095-6843(2017)05-0457-04

(编辑侯世春)