探讨海外项目中应力评判标准的使用

张续钟,马建峰,刘思靓

(浙江富春江水电设备有限公司，杭州 310013)

1 项目概述

老挝E项目为超高水头、大容量、高转速的混流式水轮机组，属于“一带一路”沿线国家的水电项目。E项目最高水头690 m，水轮机出力126 MW，额定转速600 r/min，飞逸转速1 000 r/min，打压试验水头1 450 m。其水头参数为亚洲第一，世界第二的超高水头，已经接近混流式水轮机理论应用的极限水头。目前中国混流式水电站最高水头为551.7 m，水轮机出力82 MW，额定转速600 r/min，飞逸转速960 r/min。

以下介绍外方工程师审批E项目座环蜗壳设计方案时对有限元计算的应力以及疲劳进行评价的经验。

2 应力计算和评价

2.1 蜗壳打压试验计算

选取E项目座环蜗壳进口处的前3节蜗壳作为有限元分析对象，进行打压试验时，水压达到14.5 MPa，计算得座环蜗壳在该工况下的应力，如图1、2所示。

图1 打压试验时座环蜗壳应力分布云图

图2 打压试验时座环蜗壳局部应力图

2.2 合同及国标要求

蜗壳材料为B610CFHQL2(Q/BQB620-2009)，屈服强度σy=490 MPa，抗拉强度σb=610 MPa；座环上、下环板和固定导叶材料为Q550D，屈服强度σy=480 MPa，抗拉强度σb=670 MPa。

根据合同要求：材料许用应力不超过1/3屈服强度，即蜗壳许用应力为163.3 MPa，根座环及导叶许用应力为160 MPa。

根据国标GB/T 15468第4.2.2.6条和4.2.2.7条要求，座环蜗壳、固定导叶等属于高应力部件采用高强度钢板，则：

(1) 根据经典计算，在正常运行工况下许用拉压应力为屈服强度的1/3；

(2) 由有限元方法得到的应力分析结果，局部应力值可超出上述许用应力值，并且在正常工况条件下最大应力不得超过材料屈服强度的2/3，特殊工况条件下最大应力不得超过材料的屈服强度，且需得到买方确认[1]。

外方工程师根据合同要求和国标对经典理论计算表示认同，但对有限元计算的评判，特别是打压试验持保留态度，要求采用ASME进一步对有限元计算进行综合评判，并使用BS EN13445进行疲劳计算。

2.3 根据ASME标准

根据ASME标准第8卷第2册，要求对应力分类[2]。对有限元计算的许用应力有如下限制：

运行及设计工况Pm

压力试验时Pm<0.95σy;Pl+Pb<1.425σy

式中：Pm为一次总体薄膜应力；Pl为一次局部薄膜应力；Pb为一次弯曲应力；Sm为许用应力，因水中平均水温低于室温，Sm为σy/1.5；σy为材料屈服强度。

图3 线性化路径选取图

根据ASME标准，对E项目打压工况下蜗壳和导叶的最大应力处划取路径进行应力评价[3-4]，路径如图3所示，结果如表1所列。

根据ASME标准对E项目座环蜗壳进行评判，各工况下应力均小于许用应力。

3 疲劳评定

3.1 各工况计算结果

额定工况和紧急停机工况下，E项目座环蜗壳的应力计算结果如图4、5所示。打压试验的计算结果见表1。

表1 ASME应力评判表

图4 正常运行工况座环蜗壳应力分布图

3.2 根据EN13445标准进行疲劳判定

根据BS EN13445对E项目座环蜗壳进行疲劳评估[5]，根据疲劳设计曲线评估在确定的应力幅值下材料的循环寿命。疲劳设计曲线如图6所示。

当循环次数N≤5×106时，以上疲劳设计曲线可表达为以下公式：

(1)

图5 紧急停机工况座环蜗壳应力分布图

图6 疲劳设计曲线图

式中：ΔσR为全应力幅值；C1为疲劳计算参数；N为疲劳循环次数。

用于疲劳设计曲线的应力值需要根据温度和厚度作出一定的修正：

(2)

式中：Δσ*为疲劳曲线应力值；Δσ为实际应力值；Ce为厚度修正系数；CT为温度修正系数；

在低于100 ℃时，温度修正系数CT可取值为1；厚度修正系数Ce根据结构的厚度选取不同的数值，如图7所示。

图7 厚度修正系数曲线图

最后，根据图6、7得到疲劳循环次数，可进一步计算疲劳损伤因子：

(3)

若疲劳累积损伤因子D<1，则疲劳评估合格。

对E项目座环蜗壳的最大应力处，即固定导叶根部做疲劳分析，依据BS EN13445进行E项目座环蜗壳各工况疲劳计算评估，米勒准则下总的疲劳损伤系数为0.836，小于1，满足设计要求。

详细的计算参数如表2所示。疲劳评估结果如表3所示。

表2 疲劳计算参数表

表3 疲劳评估结果表

通过使用不同的海外标准对结构进行分析评判，E项目座环蜗壳各工况下的应力及疲劳获得外方工程师批准认可，设计完全满足合同要求[6]。

4 结 语

通过E项目座环蜗壳外方工程师周折的审查批准过程，可以发现外方工程师在审查计算稿时，对中国国内标准的理解往往不足，通常要求使用ASME和BS EN13445等国际标准进行补充计算说明；这就要求水电设备企业提前对国际标准进行深入的研究和应用，避免造成海外项目审批延期和与外方工程师沟通困难。