探討海外項目中應力評判標準的使用

張續鐘,馬建峰,劉思靚

(浙江富春江水電設備有限公司，杭州 310013)

1 項目概述

老撾E項目為超高水頭、大容量、高轉速的混流式水輪機組，屬于“一帶一路”沿線國家的水電項目。E項目最高水頭690 m，水輪機出力126 MW，額定轉速600 r/min，飛逸轉速1 000 r/min，打壓試驗水頭1 450 m。其水頭參數為亞洲第一，世界第二的超高水頭，已經接近混流式水輪機理論應用的極限水頭。目前中國混流式水電站最高水頭為551.7 m，水輪機出力82 MW，額定轉速600 r/min，飛逸轉速960 r/min。

以下介紹外方工程師審批E項目座環蝸殼設計方案時對有限元計算的應力以及疲勞進行評價的經驗。

2 應力計算和評價

2.1 蝸殼打壓試驗計算

選取E項目座環蝸殼進口處的前3節蝸殼作為有限元分析對象，進行打壓試驗時，水壓達到14.5 MPa，計算得座環蝸殼在該工況下的應力，如圖1、2所示。

圖1 打壓試驗時座環蝸殼應力分布云圖

圖2 打壓試驗時座環蝸殼局部應力圖

2.2 合同及國標要求

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

根據合同要求：材料許用應力不超過1/3屈服強度，即蝸殼許用應力為163.3 MPa，根座環及導葉許用應力為160 MPa。

根據國標GB/T 15468第4.2.2.6條和4.2.2.7條要求，座環蝸殼、固定導葉等屬于高應力部件采用高強度鋼板，則：

(1) 根據經典計算，在正常運行工況下許用拉壓應力為屈服強度的1/3；

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

外方工程師根據合同要求和國標對經典理論計算表示認同，但對有限元計算的評判，特別是打壓試驗持保留態度，要求采用ASME進一步對有限元計算進行綜合評判，并使用BS EN13445進行疲勞計算。

2.3 根據ASME標準

根據ASME標準第8卷第2冊，要求對應力分類[2]。對有限元計算的許用應力有如下限制：

運行及設計工況Pm

壓力試驗時Pm<0.95σy;Pl+Pb<1.425σy

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

圖3 線性化路徑選取圖

根據ASME標準，對E項目打壓工況下蝸殼和導葉的最大應力處劃取路徑進行應力評價[3-4]，路徑如圖3所示，結果如表1所列。

根據ASME標準對E項目座環蝸殼進行評判，各工況下應力均小于許用應力。

3 疲勞評定

3.1 各工況計算結果

額定工況和緊急停機工況下，E項目座環蝸殼的應力計算結果如圖4、5所示。打壓試驗的計算結果見表1。

表1 ASME應力評判表

圖4 正常運行工況座環蝸殼應力分布圖

3.2 根據EN13445標準進行疲勞判定

根據BS EN13445對E項目座環蝸殼進行疲勞評估[5]，根據疲勞設計曲線評估在確定的應力幅值下材料的循環壽命。疲勞設計曲線如圖6所示。

當循環次數N≤5×106時，以上疲勞設計曲線可表達為以下公式：

(1)

圖5 緊急停機工況座環蝸殼應力分布圖

圖6 疲勞設計曲線圖

式中：ΔσR為全應力幅值；C1為疲勞計算參數；N為疲勞循環次數。

用于疲勞設計曲線的應力值需要根據溫度和厚度作出一定的修正：

(2)

式中：Δσ*為疲勞曲線應力值；Δσ為實際應力值；Ce為厚度修正系數；CT為溫度修正系數；

在低于100 ℃時，溫度修正系數CT可取值為1；厚度修正系數Ce根據結構的厚度選取不同的數值，如圖7所示。

圖7 厚度修正系數曲線圖

最后，根據圖6、7得到疲勞循環次數，可進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項目座環蝸殼的最大應力處，即固定導葉根部做疲勞分析，依據BS EN13445進行E項目座環蝸殼各工況疲勞計算評估，米勒準則下總的疲勞損傷系數為0.836，小于1，滿足設計要求。

詳細的計算參數如表2所示。疲勞評估結果如表3所示。

表2 疲勞計算參數表

表3 疲勞評估結果表

通過使用不同的海外標準對結構進行分析評判，E項目座環蝸殼各工況下的應力及疲勞獲得外方工程師批準認可，設計完全滿足合同要求[6]。

4 結 語

通過E項目座環蝸殼外方工程師周折的審查批準過程，可以發現外方工程師在審查計算稿時，對中國國內標準的理解往往不足，通常要求使用ASME和BS EN13445等國際標準進行補充計算說明；這就要求水電設備企業提前對國際標準進行深入的研究和應用，避免造成海外項目審批延期和與外方工程師溝通困難。