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再熱蒸汽熱段管道是超超臨界發電機組的4大管道之一，在熱力系統中起至關重要的作用，彎頭是4大管道中常用構件之一，是管系中的薄弱部位，電廠常因彎頭的裂紋和爆管而造成損失，甚至導致重大事故。目前，火力發電機組運行參數在逐漸提高，再熱熱段管道必須具有良好的高溫機械性能，其承受高溫、高壓、交變荷載，易產生疲勞、蠕變損傷，彎頭的運行壽命往往比直管道短，其可靠與否直接影響整個機組的正常運行。為了確保彎頭的設計安全和結構強度可靠，本文對某660ＭＷ超超臨界機組再熱熱段彎頭在內壓作用下的應力分布進行了有限元分析，并對現有結構下的強度進行校核，所得結果可供火電廠、核電廠及化工廠等重要管道系統的彎頭設計時參考，也可作為理論計算的校核數據。
本文分析的彎頭為660ＭＷ超超臨界機組的再熱蒸汽系統上的構件，彎頭是通過鍛制鋼管熱推成型工藝制造的，彎頭的材料為ＡＳＴＭ Ａ335Ｐ92，材料的彈性模量為98ＧＰａ，泊松比為0.28，計算壓力為5.61ＭＰａ，計算溫度為608℃ ，許用應力取值為[σ]ｔ=68.4ＭＰａ，連接管道規格為ＩＤ850.9ｍｍ×38ｍｍ。詳細的結構尺寸如圖1所示。
在彎頭的有限元分析過程中，為了節省計算量，在計算中運用對稱原理取結構的1/4進行計算，熱推彎頭在推制過程中內外壁壁厚不均勻，彎頭內弧側結構比較厚，外弧側結構比較薄；同時，彎頭與管道連接處的壁厚比較薄，存在一個壁厚的過渡區。為了減小結構邊界的影響，建模時對彎頭端面的直管段作了延長。
為了提高計算精度和更清楚地了解其應力分布規律，在計算過程中選用8節點的實體單元進行計算。由于彎頭結構比較規范，因此，采用結構化網格劃分。根據經驗可知，彎頭結構的高應力區在彎頭的內壁處，彎頭結構內、外壁厚及尺寸相差較大，故而在這個區域進行進一步的網格細化剖分，在延長的接管處采用較稀疏的結構化的六面體網格。由于采用比較密集的網格，也可以彌補計算精度上的損失。為此，將彎頭模型分為2個部分：在45°彎頭部位使用比較密集結構化六面體的網格，在其余部分使用映射方法生成結構化的網格，整個模型共有45 720個單元，模型的網格劃分如圖所示。
由于只考慮內壓載荷的作用，根據幾何結構和載荷的對稱性，在2個對稱面上施加對稱載荷，即在彎頭的45°橫截面和彎頭縱剖面內施加法向位移為零的對稱約束，彎頭的載荷為施加在內壁的計算壓力，直管段端面施加了與管內流體總壓力相平衡的軸向面力。
根據ASME規范要求，對于鍋爐和壓力容器的受力狀態應采用當量應力強度來評價。彎頭在內壓載荷作用下，主要在外弧側產生局部小區域內的變形，其變形量較小；應力計算結果表明，彎頭在受內壓作用時，最大應力部位發生在彎頭的內壁處附近。彎頭內壁存在有較高的應力幅值，其余部分應力幅值都比較低。因為彎頭與接管之間存在壁厚的差異，彎頭兩端的接管處內壁的應力也比較高。
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