專利名稱：一種基于疲勞壽命損傷的光熱太陽能換熱設(shè)備設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光熱太陽能換熱設(shè)備設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
隨著光熱太陽能技術(shù)的蓬勃發(fā)展，光熱項目蒸發(fā)系統(tǒng)，儲熱系統(tǒng)換熱設(shè)備的設(shè)計方法也逐漸被重視。光熱發(fā)電設(shè)備具有多狀態(tài)頻繁啟停機的顯著特點。在壽命周期內(nèi)一般會承受冷態(tài)啟機1000-2000次，溫態(tài)啟機2000-4000次，熱態(tài)啟機6000-10000次。這種多狀態(tài)頻繁啟停機的エ況對設(shè)備使用壽命有很大的影響，在常規(guī)換熱設(shè)備和壓カ容器的設(shè)計中是并不考慮頻繁多狀態(tài)啟停機對設(shè)備壽命的影響。設(shè)備的設(shè)計壽命與疲勞載荷的往復(fù)做用也沒有關(guān)聯(lián)。近些年很多事故案例表明疲勞失效是導(dǎo)致容器失效的重要原因，光熱太陽
發(fā)電設(shè)備是典型的受往復(fù)載荷反復(fù)作用的設(shè)備，疲勞載荷導(dǎo)致的壽命損傷也應(yīng)該是確定設(shè)備使用壽命的重要依據(jù)。如果仍然以常規(guī)設(shè)計方法設(shè)計太陽能光熱設(shè)備，則在設(shè)備壽命期內(nèi)會存在安全隱患。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為解決現(xiàn)有利用常規(guī)設(shè)計方法設(shè)計光熱太陽能換熱設(shè)備，存在設(shè)計壽命與實際設(shè)備壽命偏差較大，設(shè)備在服役期內(nèi)不能滿足多狀態(tài)頻繁啟停機エ況，設(shè)備在服役期內(nèi)存在因疲勞引起失效導(dǎo)致安全性和穩(wěn)定性差的問題，進而提供一種基于疲勞壽命損傷的光熱太陽能換熱設(shè)備設(shè)計方法。本發(fā)明為解決上述問題采取的技術(shù)方案是本發(fā)明的ー種基于疲勞壽命損傷的光熱太陽能換熱設(shè)備設(shè)計方法的具體步驟為步驟一、使用常規(guī)設(shè)計方法確定作為疲勞設(shè)計的初歩幾何特征尺寸，所述確定疲勞設(shè)計的初歩幾何特征尺寸的具體過程為(I)邊界參數(shù)確定包括管側(cè)、殼側(cè)流體進出ロ溫度；管側(cè)、殼側(cè)壓カ；管側(cè)、殼側(cè)流量；管側(cè)、殼側(cè)流體物性；(2)換熱設(shè)備材料選擇根據(jù)光熱太陽能設(shè)備性能要求及結(jié)構(gòu)特點選擇適用材料；(3)エ藝設(shè)計，根據(jù)(I)所提供的邊界條件通過熱カ計算確定換熱面積、流程、管子根數(shù)、管長、布管形式、管ロ尺寸、設(shè)備外徑和設(shè)備長度；(4)結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)(3)中確定的エ藝參數(shù)以及(I)中確定的邊界條件進行強度計
算確定管板厚度、筒體厚度、封頭厚度和管ロ壁厚；步驟ニ、將常規(guī)設(shè)計所確定的初歩幾何特征尺寸，以及載荷參數(shù)、邊界條件和材料屬性通過有限元計算進行應(yīng)カ分析，得到結(jié)構(gòu)各點的應(yīng)カ分布，所述初步幾何特征尺寸為步驟一中的エ藝設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，所述載荷參數(shù)為內(nèi)壓、溫度和外載荷；所述邊界條件為邊界約束力、約束位移和約束轉(zhuǎn)角；所述材料屬性為彈性模量、泊松比和密度；所述結(jié)構(gòu)各點的應(yīng)カ是按照第三強度理論所計算的應(yīng)力；
所述有限元計算具體過程為(I)建立有限元模型，以初步幾何特征尺寸作為模型基本尺寸進行建模；(2)有限元前處理，以載荷參數(shù)、邊界條件和材料屬性作為有限元計算的前處理求解設(shè)置；(3)有限元計算，得到計算的結(jié)構(gòu)各點的應(yīng)カ分布；(4)有限元計算后處理；得到各點應(yīng)カ的合應(yīng)カ；步驟三、針對應(yīng)力分析結(jié)果，利用疲勞損傷評價準(zhǔn)則進行評估，通過得到的結(jié)構(gòu)各點的應(yīng)カ分布及各點合應(yīng)力，找到最大合應(yīng)カS，得到最大應(yīng)カ強度Salt = S/2，根據(jù)最大應(yīng)
力強度Salt，通過設(shè)計疲勞曲線圖對應(yīng)的數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)和插值公式I其中Si
^ -V, I一
>Salt > Sj,計算得到最大應(yīng)カ強度Salt時的理論循環(huán)次數(shù)N，利用I得到最大應(yīng)カ強度Salt
時的使用系數(shù)U，其中η為實際循環(huán)次數(shù)，如評估結(jié)論不滿足U< I的疲勞載荷的基本要求，分別修改結(jié)構(gòu)尺寸和/或材料并重新返回步驟ニ進行應(yīng)力分析，直至評估結(jié)論滿足U < I的疲勞載荷基本要求；步驟四、疲勞損傷評價結(jié)論滿足U < I的疲勞載荷基本要求后，按照步驟ニ中確定的初歩幾何特征尺寸對設(shè)備進行詳細(xì)設(shè)計；步驟五、確定制造、檢驗和驗收的技術(shù)要求。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明能夠在設(shè)備的設(shè)計階段預(yù)先按照設(shè)備多狀態(tài)頻繁起停機的要求并按照疲勞壽命損傷的準(zhǔn)則進行換熱器設(shè)計，所設(shè)計的設(shè)備考慮了頻繁啟停機或多エ況周期作用時疲勞載荷引起的設(shè)備損傷，并考慮了設(shè)備損傷所引起的壽命損耗，設(shè)備在多狀態(tài)頻繁啟停機的エ況下或服役期內(nèi)的安全性和穩(wěn)定性得到有效的保證，設(shè)計壽命與實際設(shè)備壽命偏差較小，設(shè)備使用壽命期內(nèi)能夠滿足多狀態(tài)頻繁啟停機的要求，提高了設(shè)備在服役期內(nèi)因疲勞失效導(dǎo)致安全性和穩(wěn)定性，使得光熱設(shè)備設(shè)計趨于合理。


圖I是本發(fā)明的設(shè)計流程框圖。
具體實施例方式具體實施方式
一結(jié)合圖I說明本實施方式，本實施方式的ー種基于疲勞壽命損傷的光熱太陽能換熱設(shè)備設(shè)計方法的具體步驟為步驟一、使用常規(guī)設(shè)計方法確定作為疲勞設(shè)計的初歩幾何特征尺寸，所述確定疲勞設(shè)計的初歩幾何特征尺寸的具體過程為(I)邊界參數(shù)確定包括管側(cè)、殼側(cè)流體進出ロ溫度；管側(cè)、殼側(cè)壓カ；管側(cè)、殼側(cè)流量；管側(cè)、殼側(cè)流體物性；(2)換熱設(shè)備材料選擇根據(jù)光熱太陽能設(shè)備性能要求及結(jié)構(gòu)特點選擇適用材料；(3)エ藝設(shè)計，根據(jù)(I)所提供的邊界條件通過熱カ計算確定換熱面積、流程、管子根數(shù)、管長、布管形式、管ロ尺寸、設(shè)備外徑和設(shè)備長度；(4)結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)(3)中確定的エ藝參數(shù)以及(I)中確定的邊界條件進行強度計
算確定管板厚度、筒體厚度、封頭厚度和管ロ壁厚；步驟ニ、將常規(guī)設(shè)計所確定的初歩幾何特征尺寸，以及載荷參數(shù)、邊界條件和材料屬性通過有限元計算進行應(yīng)カ分析，得到結(jié)構(gòu)各點的應(yīng)カ分布，所述初步幾何特征尺寸為步驟一中的エ藝設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，所述載荷參數(shù)為內(nèi)壓、溫度和外載荷；所述邊界條件為邊界約束力、約束位移和約束轉(zhuǎn)角；所述材料屬性為彈性模量、泊松比和密度；所述結(jié)構(gòu)各點的應(yīng)カ是按照第三強度理論所計算的應(yīng)力；所述有限元計算具體過程為(I)建立有限元模型，以初步幾何特征尺寸作為模型基本尺寸進行建模；(2)有限元前處理，以載荷參數(shù)、邊界條件和材料屬性作為有限元計算的前處理求解設(shè)置；(3)有限元計算，得到計算的結(jié)構(gòu)各點的應(yīng)カ分布；(4)有限元計算后處理；得到各點應(yīng)カ的合應(yīng)カ；步驟三、針對應(yīng)力分析結(jié)果，利用疲勞損傷評價準(zhǔn)則進行評估，通過得到的結(jié)構(gòu)各
點的應(yīng)カ分布及各點合應(yīng)力，找到最大合應(yīng)カS，得到最大應(yīng)カ強度Salt = S/2，根據(jù)最大應(yīng)
[,r s, -,I
力強度Salt，通過設(shè)計疲勞曲線圖對應(yīng)的數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)和插值公式I其中Si
上-
'I A^J ，
>Salt > Sj,計算得到最大應(yīng)カ強度Salt時的理論循環(huán)次數(shù)N，利用I得到最大應(yīng)カ強度Salt
時的使用系數(shù)U，其中η為實際循環(huán)次數(shù)(冷態(tài)啟機、溫態(tài)啟機或熱態(tài)啟機的次數(shù))，如評估結(jié)論不滿足U < I的疲勞載荷的基本要求，分別修改結(jié)構(gòu)尺寸和/或材料并重新返回步驟ニ進行應(yīng)力分析，直至評估結(jié)論滿足U < I的疲勞載荷基本要求；步驟四、疲勞損傷評價結(jié)論滿足U < I的疲勞載荷基本要求后，按照步驟ニ中確定的初歩幾何特征尺寸對設(shè)備進行詳細(xì)設(shè)計；步驟五、確定制造、檢驗和驗收的技術(shù)要求。本實施方式的步驟一中所述常規(guī)設(shè)計方法為按照GB150和GB151完成的光熱太陽能設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計方法，所述初步幾何特征尺寸包括エ藝設(shè)計確定的エ藝參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計所確定的結(jié)構(gòu)尺寸。本實施方式的步驟一中的(2)的材料選取應(yīng)依照J(rèn)B4732-1995執(zhí)行，根據(jù)光熱太陽能設(shè)備性能要求及結(jié)構(gòu)特點選擇適用材料，設(shè)計溫度最高為560°C，設(shè)計壓カ最高為lOMpa，設(shè)備內(nèi)部流體為水/汽、硝酸鈉與硝酸鉀混合物以及聯(lián)苯與聯(lián)苯醚的混合物，選用材料需有防腐特性；光熱設(shè)備有疲勞啟停エ況，材料需有不敏感的裂紋擴展特性。本實施方式的步驟ー的幾何特征尺寸的確定依據(jù)GB150和GB151執(zhí)行，對于管殼式換熱器來說初步幾何特征尺寸包括封頭形式、規(guī)格及壁厚；筒體規(guī)格、壁厚；管板壁厚、直徑管孔布置方式、管板與筒體及封頭的連接結(jié)構(gòu)尺寸；換熱管規(guī)格及型式與換熱器相連的外部附件幾何特征；換熱器支撐的型式及其結(jié)構(gòu)尺寸；換熱器內(nèi)部支撐部件幾何尺寸。本實施方式的步驟ニ中材料選取應(yīng)依照J(rèn)B4732-1995執(zhí)行；本發(fā)明使用的材料有21中鋼板、21種鋼管和18種鍛件；有限元法計算是用于數(shù)值模擬的ー種方法，數(shù)值模擬可借助商業(yè)通用有限元軟件實現(xiàn)，如NASTRAN、ANSYS、ABAQUS等，應(yīng)カ結(jié)果為第三強度理論的計算結(jié)果，計算方法采用彈性計算，應(yīng)カ值為虛擬的彈性名義應(yīng)力。本實施方式的步驟三中Salt、Si、Sj為JB4732-1995附錄C的表C_1設(shè)計疲勞曲線圖的\值，単位均為Mpa ；Ni； N, Nj分別為設(shè)計疲勞數(shù)據(jù)得到的相應(yīng)循環(huán)數(shù)，利用JB4732附錄C的表C-I中查找與N相鄰的Ni和％，通過插值公式計算得到N。本實施方式的步驟三的所述最大應(yīng)カS的查找可以通過有限元軟件后處理實現(xiàn)，在結(jié)構(gòu)上一般出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)突變處(如開孔接管連接處、管板與筒體連接處、管板中心區(qū)域、封頭與筒體/管板連接處、支座與筒體連接處和溫度梯度變化處)；本實施方式的步驟三中的疲勞損傷的評價準(zhǔn)則依據(jù)JB4732-1995附錄C執(zhí)行，疲勞損傷的評價準(zhǔn)則是評估材料是否能在壽命期內(nèi)承受一定周期往復(fù)載荷的標(biāo)準(zhǔn)。疲勞損傷評價標(biāo)準(zhǔn)建立了材料的應(yīng)力水平與載荷循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系。有限元計算最終結(jié)果為設(shè)備
在一定載荷作用下的應(yīng)カ分布，在JB4732-1995附錄C中給出了應(yīng)カ值的大小與該應(yīng)カ值對應(yīng)的允許循環(huán)次數(shù)的關(guān)系。通過有限元計算和疲勞損傷的評估，可以得到設(shè)備最危險點在某種往復(fù)載荷作用下允許的最大循環(huán)次數(shù)，使用這ー循環(huán)次數(shù)與最初設(shè)備設(shè)計次數(shù)做比較，既可以判斷設(shè)備在設(shè)計壽命期內(nèi)是否可以滿足一定次數(shù)往復(fù)載荷的作用。本實施方式的步驟四和步驟五中設(shè)備在承受往復(fù)載荷作用時，會在某些特定結(jié)構(gòu)處出現(xiàn)疲勞裂紋。這些特定結(jié)構(gòu)幾乎都有一定的分布規(guī)律，在結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)設(shè)計時，應(yīng)盡量避免過高的應(yīng)カ集中區(qū)域出現(xiàn)。設(shè)備細(xì)節(jié)設(shè)計明確了容易出現(xiàn)疲勞裂紋的區(qū)域(包括各零部件連接處、零件自身的結(jié)構(gòu)突變處、有限元計算結(jié)果中峰值應(yīng)カ較高的區(qū)域、溫度梯度變化較大的區(qū)域)和減小應(yīng)力集中出現(xiàn)的方法(合理設(shè)計結(jié)構(gòu)盡量避免結(jié)構(gòu)突變、焊縫平滑過渡不允角焊縫和未全熔頭焊縫、100%無損檢測、焊后整體熱處理等)，最終將設(shè)計細(xì)節(jié)體現(xiàn)于設(shè)計圖紙和制造、檢驗、驗收技術(shù)要求中。本實施方式的步驟五的制造、檢驗和驗收的技術(shù)要求按照J(rèn)B4732-1995或ASME第八卷第二分篇確定。
權(quán)利要求
1.一種基于疲勞壽命損傷的光熱太陽能換熱設(shè)備設(shè)計方法，其特征在于，所述設(shè)計方法的具體步驟為 步驟一、使用常規(guī)設(shè)計方法確定作為疲勞設(shè)計的初步幾何特征尺寸，所述確定疲勞設(shè)計的初步幾何特征尺寸的具體過程為 (1)邊界參數(shù)確定包括管側(cè)、殼側(cè)流體進出口溫度；管側(cè)、殼側(cè)壓力；管側(cè)、殼側(cè)流量；管側(cè)、殼側(cè)流體物性； (2)換熱設(shè)備材料選擇根據(jù)光熱太陽能設(shè)備性能要求及結(jié)構(gòu)特點選擇適用材料； (3)工藝設(shè)計，根據(jù)(I)所提供的邊界條件通過熱力計算確定換熱面積、流程、管子根數(shù)、管長、布管形式、管口尺寸、設(shè)備外徑和設(shè)備長度； (4)結(jié)構(gòu)設(shè)計，根據(jù)(3)中確定的工藝參數(shù)以及(I)中確定的邊界條件進行強度計算確定管板厚度、筒體厚度、封頭厚度和管口壁厚； 步驟二、將常規(guī)設(shè)計所確定的初步幾何特征尺寸，以及載荷參數(shù)、邊界條件和材料屬性通過有限元計算進行應(yīng)力分析，得到結(jié)構(gòu)各點的應(yīng)力分布，所述初步幾何特征尺寸為步驟一中的工藝設(shè)計參數(shù)和結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，所述載荷參數(shù)為內(nèi)壓、溫度和外載荷；所述邊界條件為邊界約束力、約束位移和約束轉(zhuǎn)角；所述材料屬性為彈性模量、泊松比和密度；所述結(jié)構(gòu)各點的應(yīng)力是按照第三強度理論所計算的應(yīng)力； 所述有限元計算具體過程為 (1)建立有限元模型，以初步幾何特征尺寸作為模型基本尺寸進行建模； (2)有限元前處理，以載荷參數(shù)、邊界條件和材料屬性作為有限元計算的前處理求解設(shè)置； (3)有限元計算，得到計算的結(jié)構(gòu)各點的應(yīng)力分布； (4)有限元計算后處理；得到各點應(yīng)力的合應(yīng)力； 步驟三、針對應(yīng)力分析結(jié)果，利用疲勞損傷評價準(zhǔn)則進行評估，通過得到的結(jié)構(gòu)各點的應(yīng)力分布及各點合應(yīng)力，找到最大合應(yīng)力S，得到最大應(yīng)力強度Salt = S/2，根據(jù)最大應(yīng)力強度Salt，通過設(shè)計疲勞曲線圖對應(yīng)的數(shù)據(jù)表的數(shù)據(jù)和插值公式4111其中Si >Salt > Sj,計算得到最大應(yīng)力強度Salt時的理論循環(huán)次數(shù)N，利用;得到最大應(yīng)力強度Salt時的使用系數(shù)U，其中η為實際循環(huán)次數(shù)，如評估結(jié)論不滿足U< I的疲勞載荷的基本要求，分別修改結(jié)構(gòu)尺寸和/或材料并重新返回步驟二進行應(yīng)力分析，直至評估結(jié)論滿足U < I的疲勞載荷基本要求； 步驟四、疲勞損傷評價結(jié)論滿足U < I的疲勞載荷基本要求后，按照步驟二中確定的初步幾何特征尺寸對設(shè)備進行詳細(xì)設(shè)計； 步驟五、確定制造、檢驗和驗收的技術(shù)要求。
全文摘要
一種基于疲勞壽命損傷的光熱太陽能換熱設(shè)備設(shè)計方法，它涉及一種光熱太陽能換熱設(shè)備設(shè)計方法，以解決現(xiàn)有利用常規(guī)設(shè)計方法設(shè)計光熱太陽能換熱設(shè)備，存在設(shè)計壽命與實際設(shè)備壽命偏差較大，設(shè)備在服役期內(nèi)不能滿足多狀態(tài)頻繁啟停機工況，設(shè)備在服役期內(nèi)存在因疲勞引起失效導(dǎo)致安全性和穩(wěn)定性差的問題，具體步驟為步驟一、使用常規(guī)設(shè)計方法確定作為疲勞設(shè)計的初步幾何特征尺寸；步驟二、有限元計算進行應(yīng)力分析，得到結(jié)構(gòu)各點的應(yīng)力分布；步驟三、利用疲勞損傷評價準(zhǔn)則進行評估；步驟四、按照步驟二中確定的初步幾何特征尺寸對設(shè)備進行詳細(xì)設(shè)計；步驟五、確定制造、檢驗和驗收的技術(shù)要求。本發(fā)明用于光熱太陽能換熱設(shè)備設(shè)計。
文檔編號G06F17/50GK102819638SQ20121027346
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月2日
發(fā)明者盧日時, 張晨, 楊曉峰, 趙云云, 李剛 申請人:哈爾濱汽輪機廠輔機工程有限公司