汽轮机高温螺栓应力分析与寿命损耗研究

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1、第34卷第11期华电技术Vo1．34No．112012年11月HuadianTechnologyNOV．2012汽轮机高温螺栓应力分析与寿命损耗研究乔立捷(华电电力科学研究院，浙江杭州310030)摘要：介绍了汽轮机高温螺栓的主要作用应力及其计算方法，对某典型螺栓采用了SolidWorks软件建立三维有限元模型，导入了ANSYSWorkbench进行有限元应力分析，得到螺栓整体与局部Von—Mises等效应力分布。从应力角度初步分析了螺栓失效的原因并对螺栓弯曲应力、紧固工艺产生的寿命损耗进行了分析

2、，其结果对螺栓金属监督工作具有重要的意义。关键词：高温螺栓；应力分析；弯曲应力；紧固工艺；寿命中图分类号：TK262文献标志码：A文章编号：1674—1951(2012)11—0026—03及所需转角由下述关系式确定O引言高温螺栓是火电厂汽轮机的重要部件，在长期：×360，(2)承受温度、应力和环境介质的联合作用下，容易产生△=L0，(3)早期失效。近年来，发生了多起螺栓断裂事故，不仅造成蒸汽泄漏影响了机组的经济性，而且危及机组式中：0为螺栓加热转角，(。)；3L。为螺杆伸长量；t的安全运行¨。高

3、温螺栓早期失效除了与材质因为螺距；为法兰和结合面涂料压缩系数，取1．3；L。素(如化学成分、金相组织、内部缺陷分布等)有关为有效螺栓长度；or。为预紧应力；E为弹性模量，该外，还与应力状态密切相关。本文根据螺栓服役工螺栓的热紧应力见表2。作条件，以某典型螺栓为实例，对其进行了应力计算表2螺栓热紧应力和有限元分析并讨论了应力集中、紧固工艺、弯曲应力等因素对螺栓寿命损耗的影响。1螺栓应力计算和有限元分析1．3热应力在汽轮机启动过程中，螺栓受热主要来源于法汽轮机高温螺栓实际服役时应力状态十分复兰。当温度

4、较高的法兰沿厚度方向膨胀时，会使温杂，根据设计部门提供的资料，螺栓服役时的主要应度较低的螺栓受到拉伸。依据单向受拉虎克定律，力为冷／热紧固应力、温度分布不均匀引起的热应力可求出螺栓热应力为蒸汽工作应力_2J。Al'bkht~fAtf-／b／3bAtb1．1冷紧应力一，(4)螺栓冷紧一般采用扭矩法，扭矩与相应应力由下述关系式确定：式中：E，E分别为法兰和螺栓弹性模量；A为2个M=KdFo，(1)螺栓距离内法兰有效面积，A为螺栓截面积；k为系式中：．为扭矩；d为公称直径；F。为紧固力；K为数，载丝螺栓

5、取l，双头螺栓取2；h为法兰高度；J8，扭矩系数，国内一般取0．2。某典型螺栓的规格卢分别为法兰和螺栓的线膨胀系数；f为螺栓长和冷紧应力见表1。度；At为法兰温升，为螺栓温升。表1螺栓冷紧应力欲使螺栓热应力减小，应增加螺栓长度。若khf，且考虑到A《A得到b一(／~fAtf—J8bAtb)Eb，(5)1．2热紧应力由此得出不同温差条件下的热应力，见表3。螺栓热紧一般采用加热转角(弧长)法，热紧力1．4蒸汽工作应力在汽轮机运行后，高温高压蒸汽在法兰结合面收稿日期：2011—06—30；修回日期：20

6、12—06—10上产生作用力△F，但螺栓受力变化情况与△F作用第11期乔立捷：汽轮机高温螺栓应力分析与寿命损耗研究·27·表3不同温差条件下的螺栓热应力的应力集中，Von—Mises等效应力高达496．0MPa，这与螺栓常见的断裂位置相一致。由上述计算结果可知，机组稳定运行后螺栓的基准应力为321．5MPa，此时螺栓理论应力集中系数为1．54，存在明显应力集中，这将使螺栓结构强度降低，大大加速螺栓寿命损耗。位置有关。一种极端情况是△，仅作用在法兰结合面上，不增加螺栓受力；另一种极端情况是△F作用在

7、法兰与螺母的接触面上，全部增加螺栓拉应力。在▲一般情况下，螺栓受力增大只是蒸汽作用力的一部0．000O050O'tOOh0——。分。法兰和螺栓受力与变形之间的关系如图1所示。图2螺栓三维模型及网格划分4401330622O41102n733e+0(~495938572755I653mI常一M：4959e+007▲000000500l00I硼1OL_’图3螺栓Mies等效应力分布2弯曲应力的影响在螺栓正常预紧后，主要承受拉应力，但弯曲应力的影响不容忽视。螺栓在偏心时，在弯曲方向侧产生图1法兰和螺栓受

8、力与变形之间的关系一个附加的压应力，另一侧受到一个附加张应力J。由图1可知，蒸汽作用力为当支承面转过0角时，螺杆内的弯曲应力为AF：CfAlf+CbAlb=Alb(Cf+Cb)。(6)。=螺栓增加拉力为1丢E争丁，㈣．螺纹部分的弯曲应力为△Fz=CbAl=△F高。(7)式中：c为法兰刚度；C为螺栓刚度；△zb为螺=÷f1，(9)栓受力变形量；Al为法兰高度方向变形量。式中：E为弹性模量；d为螺栓外径；d为螺杆直径；对金属螺纹连接而言，螺栓相对刚度c／(c+Z为螺栓产生弯曲部分的长度