超超临界火电机组用闸阀抗疲劳性能分析
肖文东，王勇,程龙，梁小光
(1.哈尔滨广瀚新能动力有限公司，黑龙江哈尔滨 150078; 2.哈电集团哈尔滨电站阀门有限公司，黑龙江哈尔滨 150046; 3.中船重工第七O三研究所，黑龙江哈尔滨 150078)

摘要:应用有限元软件计算了超(超)临界火电机组用闸阀在循环载荷下的峰值应力和谷值应力，通过应力波动值及使用次数计算了阀门的损伤系数，确定了阀门抗疲劳性能。

关键词:发电站用阀;闸阀;超超临界;疲劳分析

1 概述

目前，超临界和超(超)临界火力发电机组成为国内发电机组的主导，超(超)临界机组配套的阀门需求量显著增加。在超(超)临界阀门设计过程中，为了保证配套阀门安全可靠，除对阀门进行常规强度计算外，应对阀门的抗疲劳性能进行核算。本文以超(超)临界机组锅炉再热器出口安装的主蒸汽闸阀为例，应用有限元数值计算与基础理论计算相结合的方法，对主要承压件阀体进行抗疲劳性能分析。

2 主要技术参数

超(超)临界机组锅炉再热器出口安装的主蒸汽闸阀(图1)的主要技术参数如下。

公称通径10 in.(250mm)

压力等级 4500磅级

使用压力 28.84 MPa

使用温度 610℃

阀体材料 SA182一F92(材料标准ASME)

阀门开关次数 > 2000次

图1 超(超)临界主蒸汽闸阀

3 阀门受到的循环载荷

主蒸汽闸阀安装在锅炉再热气出口，锅炉运行载荷的变化会带来阀门工作载荷的变化，所以锅炉的循环载荷也是阀门的循环载荷。锅炉运行过程中有冷态启动、温态启动、热态启动、极热态启动、负荷阶跃启动5种循环载荷，另外阀门开关也会产生循环载荷，各循环载荷下压力和温度存在着变化(表1)。

3.1 循环载荷峰值时刻的峰值应力计算

以阀门的主要承压件阀体为研究对象，冷态启动循环中阀体受到的最高内压为28.84MPa，最高温度为6100C。由温度载荷引起的阀体应力主要是由阀体内外壁温差引起，温差最大发生在锅炉启机和停机过程。锅炉启机过程，阀内介质升温，阀体内壁温度高外壁温度低，在阀体上产生的环向应力为压应力，由介质压力在阀体上产生应力为拉应力，所以合成应力小。锅炉停机过程，阀内介质降温，阀体外壁温度高内壁温度低，在阀体上产生的环向应力为拉应力，由介质压力在阀体上产生环向应力也为拉应力，所以合成应力大。因此冷态循环的峰值时刻发生在机组最高负荷工作的停机时刻。根据工程经验，温差最大发生在锅炉停机后的10一15min，工作介质降温为10一19℃，此时阀体内外壁温差约15℃。

闸阀阀体是对称结构，建立1/4阀体有限元模型进行数值计算(图2)。设置阀门材料参数及物热参数(表2，表3)。对阀体内壁施加28.84MPa内压载荷及595℃温度载荷，外壁施加610℃温度载荷，阀门支管平面施加位移全约束。进行温度与压力的藕合求解计算，计算得到阀体应力分布(图3)。按路径提取应力的方法提取阀体应力最大处的应力值(提取路径如图3中A一A)，由此得到阀体在锅炉冷态循环时峰值时刻的峰值应力强度为213.6MPa。