太陽能光熱電站熔融鹽管道支吊架應力分析

摘" 要：在工程設計領域開展管道設計工作時，為研判管道布置是否安全、合理，支吊架設計是否正確，需對管道進行應力分析。管道應力分析有多種方法，如圖表法、目測法、計算機分析法和模型分析法等，方法的選擇應結合管道的操作壓力、公稱直徑、操作溫度和連接的設備類型等確定。以國內某光熱電站為例，使用ANSYS Workbench軟件計算分析站內管道支吊架的應力情況，通過搭建管道支吊架的三維有限元模型，選取多種工況對管道支吊架進行應力分析，結合數據結果進行結構優化，提升管道支吊架的可靠性，以供參考。

關鍵詞：光熱電站;熔融鹽;管道支吊架;應力分析;三維有限元模型

中圖分類號：TK513" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）09-0101-04

Abstract： When carrying out the pipeline design work in the field of engineering design， it is necessary to analyze the stress of the pipeline in order to determine whether the pipeline layout is safe and reasonable and whether the support and hanger design is correct. There are many methods for pipeline stress analysis， such as chart method， visual measurement method， computer analysis method， model analysis method and so on. The selection of the method should be combined with the operating pressure， nominal diameter， operating temperature and connected equipment type of the pipeline. Taking a domestic photothermal power station as an example， the stress of the pipe support and hanger in the station is calculated and analyzed using ANSYS Workbench software. By building the three-dimensional finite element model of the pipeline support and hanger， the stress of the pipeline support and hanger is analyzed under various working conditions， and the structure is optimized combined with the data results to improve the reliability of the pipeline hanger for reference.

Keywords： photothermal power station; molten salt; pipe support and hanger; stress analysis; three-dimensional finite element model

為達成“雙碳”目標，積極尋找新能源構建新型電力系統，太陽能在可再生清潔能源中發展使用較為成熟，開發及應用太陽能受到社會各界的廣泛關注。隨著智能技術、環保技術的創新發展，有關光熱發電的技術日臻成熟。在太陽能光熱電站中，熔融鹽管道時非常重要的管道之一，一般情況下，此管道在工作中需要承受較高的溫度，且若發生特定情況將出現嚴重的溫度波動，此時將對管道產生較大的熱應力，時間一久便會導致支吊架出現斷裂或形變的情況，致使管道及有關設備的使用時限受到嚴重影響。合理調整支吊架能夠避免發生安全事故，優化管道確保其均衡受力，促使管道能夠長時間投入使用。

1" 有限元模型

1.1" 構建模型

以國內某光熱電站熔融鹽管道支吊架為模型構建的基礎。此支吊架結構設計采用戶板式，測算的主要位置是護板及焊縫等極易發生斷裂事故的位置[1]。

管徑為60.3 mm×3.91 mm，長度截取100 cm。管道外部敷有巖棉保溫層厚度為60 cm。管道護板X方向厚度為1.3 cm，Y方向寬度1.2 cm，Z方向寬度0.75 cm。管道與護板間的焊接空隙為0.1 cm。支撐管兩側配有加強板厚度為1 cm，為避免管道的位置發生移動，在支撐管的上方、左方及右方設置限位卡塊。為方便支撐管沿X方向及Y方向移動，將支撐管底部切割出0.1 cm的平面，將線性接觸轉變為面接觸。

1.2" 劃分網格

受焊縫周圍形狀不規則，且要在不同結構交界面進行結構拓撲共享，因此，劃分網格的方式選取Automatic劃分法[2]，四面體網格與掃掠型網格相結合，對于形狀較為規則的結構掃掠產生六面體網格，對于形狀不規則的結構則生成四面體網格。網格相關中心設置為細化，網格相關度設為100，最后網格劃分結果為484萬塊。具體如圖1所示。

1.3" 應力校核

根據JB 4732—1995《鋼制壓力容器——分析設計標準》[3]，一次局部薄膜應力強度（S2）、管道應力強度（S3）、一次應力加二次應力（S4）當滿足下述條件，能夠滿足安全需要：S2≤1.5S3，S4≤3S3。文中管道應力強度為132.7 MPa。由此，能夠得到上述應力強度校核條件為

一次局部薄膜應力強度

PI≤1.5S3=199.08 MPa， （1）

彎曲應力+薄膜應力強度

PI+PL+Q≤1.5S3=199.08 MPa， （2）

一次加二次應力強度

PI+PL+Q≤3S3=398.10 MPa， （3）

式中：Q為二次應力強度，MPa。

1.4" 計算參數

347H焊接鋼為管道與焊縫的材料，304不銹鋼和321不銹鋼為螺母、吊桿、鋼板等組件的材料，RT-WM650巖棉是保溫材料。

17.500 W/（m·K）為347H不銹鋼的導熱系數，7 960 kg/m3為密度，192.0 GPa為彈性模量，1.30×10-6K-1為熱膨脹系數，0.310為泊松比，500 J/（kg·K）為比熱容，206.85 MPa為屈服極限。

0.042 W/（m·K）為RT-WM650巖棉導熱系數，100 kg/m3為密度，0.226為泊松比，6.2 GPa為彈性模量。

文章研究的熔融鹽管道及其支吊架，用傳熱關聯式Dittus-Boelter表達管內強制湍流對流換熱[4]

NV=0.23Re0.8Prn ，（4）

式中：Pr為普朗特數;Re為雷諾數;n為Dittus-Boelter公式的系數，冷卻流體n取0.3，加熱流體n取0.4。

Re=， （5）

Pr=， （6）

式中：d為管道內徑，單位是m;u為流體流速，單位是m/s;v為運動黏度，單位是m2/s;λ為流體導熱率，單位是W/（m·K）;cp為定壓比熱容，單位是J/（kg·K）;結合管道參數，能夠得到當u為3 m/s情況下，管道間與熔融鹽不同溫度下對流換熱系數。

2" 應力計算

2.1" 工況選取

此次選取工作中常見的6種工況進行分析計算[5]，在分析其應力分布情況中，結合其數據選取工況如下。分別選取穩態運行和穩態停機這2種穩態工況，2種情況下管道內的熔融鹽溫度分別為585.00 ℃及270.00 ℃;選取4種瞬態工況，分別為瞬態停機工況、瞬態啟動工況、極限云遮工況和低溫運行工況。對于瞬態停機工況而言，熔融鹽溫度能夠在1 140 s由585.00 ℃降至270.00 ℃，降溫速率為0.276 ℃/s。對于瞬態啟動工況而言，熔融鹽溫度能夠在1 140 s由270.00 ℃升至585.00 ℃，升溫速率為0.276 ℃/s。上述2種工況均每天發生一次。對于低溫運行工況而言，機組將經歷快速降溫，熔融鹽溫度能夠在75 s內由450.00 ℃降至290.00 ℃，降溫速度為2.133 ℃/s。對于極限云遮工況而言，機組將經歷變化最為激烈的降溫，熔融鹽溫度能夠在75 s內由585.00 ℃降至290.00 ℃，降溫速率為2.133 ℃/s，此情況每年能夠發生30次。

重力、管道內部壓力、溫度和給定的固定支撐組成管道所受載荷，結果綜合了溫度場及機械載荷。溫度載荷加載至支吊架和廨內外表面的方式是熱對流[6]，為保證溫度設為22 ℃，將保溫層管道和上下端面設為絕熱。

固定中心管道及支架兩側，沿Z軸施加重力，在管道內表面加載6.3 MPa工作壓力。由于在溫度波動情況中極限云遮工況是最為激烈的工況，且其環境較為惡劣，因此，以其為基礎進行計算。

2.2" 計算極限云遮工況的結果

在極限云遮工況下使用熱分析方式計算其應力結果，如圖2所示為管道溫度場。495.43 ℃為管道的外壁溫度，372.61 ℃為內壁溫度，122.82 ℃為其溫差;32.41 ℃為保溫層的溫度，相較外壁溫度相差463.02 ℃。

由于在此工況下，熔融鹽降溫速度較快較為激烈，而保溫層和管道徑向散熱較慢，因此，極易在管道的內外形成巨大的溫差。耦合分析[7]溫度場的結果和結構，取得管道等效應力分布情況，64.00 MPa為管身應力值，護板附近發生應力集中現象，特別在護板之間和護板內尖角位置的管道部分，應力值高達233.55 MPa。

此處出現應力集中現象有兩點原因。其一，管道溫度較高發生熱脹反應但受護板制約，出現較強熱應力，制約越高則熱應力越大。其二，礙于管道的內外產生較大的溫差，在產生應力時受熱脹不均勻所影響。根據計算結果數據顯示，計算得出的最大局部應力超出允許使用的應力數值，但尚不能符合管道設計強度的要求。

對于欠缺連續性的結構區域，對易于出現應力集中效應的區域進行路徑劃定，線性路徑沿沿著管道厚度方向劃定，判定分析此區域內的彎曲應力、局部薄膜應力、總應力。結合應力分布情況，將路徑劃分成為3條，對其進行計算，如圖3所示為詳細路徑情況。路線A為處于護板間的管道部分;路線B為處于護板尖角處;路線C為處于護板環向中點。

具體計算結果如下：評定的標準數值為總應力413.70 MPa，薄膜應力+彎曲應力206.85 MPa，一次局部薄膜應力206.85 MPa。路徑A總應力253.86 MPa，薄膜應力+彎曲應力232.12 MPa，一次局部薄膜應力56.53 MPa。路徑B總應力205.34 MPa，薄膜應力+彎曲應力169.69 MPa，一次局部薄膜應力58.54 MPa。路徑C總應力172.06 MPa，薄膜應力+彎曲應力171.88 MPa，一次局部薄膜應力69.33 MPa。結果顯示除路徑A的薄膜應力+彎曲應力不符合評定標準，其余均在安全范圍內。路徑A存在安全性問題。

3" 優化結構

3.1" 模型優化

為滿足安全需求，將管道支吊架的結構進行優化，用管夾式結構取代護板式結構，優化后主要考察管夾和管道接觸部位，其附近易發生應力集中的區域。相關管道和保溫層的結構數值同上。48 cm為管夾內徑，51.2 cm為外徑，11 cm為高度，1.6 cm為厚度;管夾上下的2個限位卡塊與管夾間留出0.3 cm的空間;與管夾相接的弧形板為4塊，弧形板的長為39 cm，高2 cm，弧度夾角為27.28°。限制管道在X方向和Y方向移動是由4塊端板所實現，劃分311萬網格，如圖4所示。在開展計算時，固定管道中心，在管道的上下兩端施加定力和移動。

3.2" 極限云遮工況計算結果

經計算管身應力為83.79 MPa，由上下兩端至中心逐漸調整的施力強度，應力集中現象出現于管夾與管道接觸的位置，214.93 MPa為最大應力。結合應力分布情況，在出現應力集中現象的區域管道和管夾接觸位置，建立一條線性化路徑，路徑建立沿管道厚度方向，對路徑進行計算，路徑具體情況如圖5所示。具體計算情況為總應力218.0 MPa，薄膜應力+彎曲應力204.59 MPa，一次局部薄膜應力57.90 MPa。結構優化后，在極限云遮工況下，應力強度均符合強度評定標準，但薄膜應力+彎曲應力為標準臨界值。

3.3" 其他工況計算結果

采取相同的辦法計算其他工況，計算結果見表1。根據表1數值顯示，經結構優化后，管道在這6種工況下總應力、彎曲應力及一次局部薄膜應力均符合安全要求。

4nbsp; 結束語

本文搭建管道支吊架的三維模型，選取幾種工況，計算在不同工況下管道的應力分布及溫度情況，找到發生應力集中現象的區域，按照標準JB 4732—1995對此區域進行彎曲應力、總應力、局部薄膜應力的安全性校核。對其進行區域結構優化，結果顯示能夠有效提升管道的整體性能。最后得到詳細結論如下。

1）由于熔融鹽管道運行溫度較高，若溫度發生波動管道出現熱脹情況，受護板和管夾的牽制，比較容易發生熱應力。同時受距離的影響，在距離管夾及護板距離越近承受的應力越大，發生局部應力集中現象更加頻繁，在實際開展作業中，應對其進行進一步的優化。

2）由于管道結構不具備連續性，因此，測試應力集中區域的彎曲應力、局部薄膜應力及總應力進而判斷管道的安全性。測試結果顯示，在處于最危險的極限云遮工況下，護板與護板之間及護板的內部薄膜應力和彎曲應力不能夠滿足安全施工的要求，應消除其安全隱患。

3）經優化后的結構，將管夾結構進行改良后，能夠滿足全部工況作業藥企，相關測試結果均在要求指標范圍內，但在極限云遮工況下，彎曲應力和薄膜應力雖極為接近安全要求，但為保證整體運行的安全性，應做進一步優化處理。

參考文獻：

[1] 劉明，黃海，李海洋，等.一種適用于大位移變載荷管道的支吊架結構設計[J].機械設計，2023，40（S1）：81-85.

[2] 李燁，胡杰，林正根，等.基于在役支吊架性能測試的管系應力分析[J].電力科技與環保，2023，39（3）：270-276.

[3] 鋼制壓力容器——分析設計標準：JB 4732—1995[S].2005.

[4] 王峰.基于應力分析的化工管道柔性設計分析[J].鹽科學與化工，2022，51（9）：51-54.

[5] 高揚，田成川，王巍麟.超超臨界機組四大管道支吊架調整及管系應力分析[J].江西電力，2022，46（7）：58-60.

[6] 陳盛廣，王軍民，鄧玲惠，等.高溫再熱蒸汽管道異常位移產生原因及防治研究與應用[J].熱力發電，2022，51（5）：169-174.

[7] 唐萍，陳永貴，顏孫挺，等.高溫濃硫酸壓力管道應力分析及柔性設計優化研究[J].化工設備與管道，2021，58（3）：77-82.

第一作者簡介：于洋（1992-），男，碩士，工程師。研究方向為發電廠實際應用問題。