摘要：以大型电站凝汽器为研究对象，建立三维模型，应用有限元分析理论，对凝汽器大型模块在整体起吊、翻转过程中部件强度进行分析计算，以确保设备在运输、吊装过程中不出现质量问题。
关键词：凝汽器；模块化；吊装；强度分析
1.概述
当前大型电站凝汽器的设计越来越多的采用模块化设计，凝汽器模块化设计在零部件发货、现场安装以及提升产品质量上体现出了诸多优势。但在设计过程中时，不得不面对凝汽器大模块在起吊和运输过程中的强度问题。大模块在运输吊装过程中受重力以及吊索拉力的作用，可能使得凝汽器模块内某些部件出现严重变形，导致在现场安装时，出现变形过大或结构失效破坏，进而影响设备装配质量。
大型电站凝汽器模块结构复杂，运用工程计算公式进行强度核算，已无法满足模块的设计要求，必须采用更加先进的分析手段。有限元应力分析为解决这一问题提供了有效和实用的方法。为此我们采用有限元法对凝汽器大模块吊装过程进行数值模拟，可以较为直观地得出起吊过程中的应力和变形情况，以确保模块强度符合安装要求。
2.凝汽器模块参数
某凝汽器下部模块的长×宽×高为9900mm×4267mm×6300mm。材料为 Q235，常温状态下，其主要性能为：许用应力S=103 MPa，屈服强度σ＝235 MPa，材料的泊松比μ＝3.0，弹性模量E=210000 MPa。下部模块各
主要部件的重量见表1所示为：
凝汽器下部模块的结构如图1所示，主要由管束、管板、框架结构、支撑管以及一些接口组成。
图1 凝汽器下部模块结构示意图
3.模型及边界条件
凝汽器下部模块需在制造车间穿管胀焊后吊装，由于运输尺寸限制，模块需要翻转后进行运输，即将设备高度作为运输宽度，宽度变为高度后运输发货。
整个装运、吊装过程具体为：首先通过起吊点1、2用两个单独的横梁起吊模块，到达一定的高度后，通过起吊点1、3慢慢旋转模块到一定位置后（由3单独起吊不再翻转），此时起吊点3将完全单独承受该模块重量；然后将起吊点1撤下的吊索置于起吊点4位置上，通过起吊点3、4再慢慢旋转模块，直至到达水平位置，并将模块放入专用运输托架中。
图2 凝汽器下部模块起吊状态示意图
整个起吊过程可以概况为三种受力工况，即：1）竖直起吊工况；2）翻转工况；3）水平起吊工况。吊装过程的三种工况状态示意如图2所示。因此在建模过程中即按以上三种工况进行数值模拟，
由于换热管数量较多，不利于模型的建立，无法逐一进行分析，所以计算中，假定换热管的刚度足够，采用实体等效建模。模块壳体及中间管板采用壳单元，加强部分为实体建模。为方便计算分析，此模型对原有的设备做了一些简化处理，忽略一些接管结构的影响。凝汽器下部模块的三维模型如图3所示。
图3：三维模型图 图4：有限元模型图
起吊过程中，凝汽器下部模块仅受吊索拉力及设备重力作用，在模型4中施加重力载荷。竖直、翻转、水平三种起吊工况下，平衡梁将作为固定端设置，6处管支撑板起吊位置引出的吊索端部均施加固定约束。
4.计算结果及评定
通过建立凝汽器下部模块的三维模型，导入大型通用有限元软件施加载荷及边界条件，划分网格。计算按照吊装过程中的三种受力工况逐一进行数值模拟，所得到的吊装过程中的应力和变形如图5-图10所示：
1.竖直吊起工况：第1、2吊耳同时起吊。
图5 凝汽器下部模块竖直起吊应力分布图
图6 凝汽器下部模块竖直起吊变形分布图
2、起吊翻转工况：第3吊耳起吊
图7 凝汽器下部模块翻转起吊应力分布图
图8 凝汽器下部模块翻转起吊变形分布图
3、水平起吊工况：第3、4吊耳同时起吊
图9 凝汽器下部模块水平起吊应力分布图
图10 凝汽器下部模块水平起吊变形分布图
结果分析：
1）由应力结果云图5、图7、图9可知，在三种吊装受力工况下，最大应力出现位置主要集中在一些结构不连续区域，如支撑管与支撑隔板连接处、工字钢与主壳体连接部位等处，根据JB-4732《钢制压力容器-分析设计标准》要求对水室结构进行应力判定，结果如表2所示。
表2 凝汽器下部模块吊装过程应力结果评定
注：表格中Sm为Q235材料许用应力，Sm取σb/2.6和σs/1.5的较大者，即Sm=144.2MPa。
2）从图6、图8、图10中可以看到，三种工况下凝汽器下部整体模块的最大变形分别为0.85mm、0.87mm、1.76mm，但所产生的变形与设备尺寸相比较小，不会对设备的刚度造成大的影响。
结论
通过对凝汽器下部模块的在竖直、翻转和水平三种受力工况进行详细的计算分析，得到了各工况下的的应力和变形分布情况，计算结果表明：
1）整个起吊过程中，结构部件的最大应力均小于标准规定的许用应力，结构强度满足要求且具有一定的安全裕度。
2）模块翻转过程中由于采用单根梁起吊，对吊耳强度有更高的要求，可酌情增加吊耳厚度或增加与管板焊接面积。
3）对于放倒至水平过程中，由于支承件受力方向的改变，使得中间管板和侧板的受力加大，可考虑在中间管板和侧板之间临时焊接若干工字钢，以加强中间管板的支承刚度，防止变形过大，影响现场组焊。
参考文献：
[1]张卓澄. 大型电站冷凝器[M] .北京：机械工业出版社，1993，3；
[2]石亦平，周玉蓉. 《ABAQUS有限元分析实例详解》.机械工业出版社，2006，7；
[3]王勖成 邵敏.《有限单元法基本原理和数值方法》 清华大学出版社 1997；
作者简介：1、许宝军，男，工程师，1975年生，毕业于西安理工大学。现主要从事汽轮机辅机设备的设计开发与技术管理工作。
论文作者:许宝军
论文发表刊物:《电力设备》2019年第2期
论文发表时间:2019/6/6
标签：凝汽器论文; 模块论文; 工况论文; 应力论文; 过程中论文; 三种论文; 分布图论文; 《电力设备》2019年第2期论文;