摘 要:為了研究火電機(jī)組調(diào)峰運(yùn)行對(duì)設(shè)備的損傷情況,采用有限元軟件對(duì)某導(dǎo)汽管在調(diào)峰運(yùn) 行工況下的應(yīng)力變化進(jìn)行分析,結(jié)合材料的疲勞壽命數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備的安全狀況進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明: 僅考慮內(nèi)壓應(yīng)力時(shí),導(dǎo)汽管內(nèi)壁應(yīng)力約為40MPa,外壁應(yīng)力約為27MPa;考慮熱膨脹后,導(dǎo)汽管同 樣位置的內(nèi)、外壁應(yīng)力分別達(dá)到了98.73,62.159MPa;導(dǎo)汽管的應(yīng)力受結(jié)構(gòu)熱膨脹應(yīng)力的影響較 大,但應(yīng)力波動(dòng)幅度降低;熱膨脹應(yīng)力對(duì)導(dǎo)汽管的疲勞壽命影響較大。

關(guān)鍵詞:導(dǎo)汽管;應(yīng)力;疲勞壽命;熱膨脹;有限元

中圖分類號(hào):TB31;TG115.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2023)02-0016-04

火電機(jī)組在深度調(diào)峰運(yùn)行時(shí),其載荷會(huì)大幅 變化,給機(jī)組的壽命、安全性、穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性帶 來(lái)不利影響[1]。由于載荷的頻繁波動(dòng),因此機(jī)組 的很多設(shè)備會(huì)產(chǎn)生裂紋,對(duì)于異種鋼焊縫,這種現(xiàn) 象尤其明顯,這主要是因?yàn)楫惙N鋼的線膨脹系數(shù) 差異大,熱應(yīng)力也大,容易損壞[2]。一些小徑管發(fā) 生了早期開(kāi)裂,部分機(jī)組的大管道,如導(dǎo)汽管鎳基 插管焊縫也出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。某600MW 超臨界機(jī) 組導(dǎo)汽管插管鎳基焊縫發(fā)生開(kāi)裂,其宏觀形貌如 圖1所示。筆者對(duì)導(dǎo)汽管的應(yīng)力分布、疲勞壽命 等方面進(jìn)行了研究。

1 調(diào)峰運(yùn)行時(shí)的主汽溫度、壓力的波動(dòng)

火電機(jī)組輸出載荷的高低,是通過(guò)調(diào)整蒸汽的 溫度、壓力及流量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。機(jī)組載荷的波動(dòng)主要 涉及溫度、壓力的調(diào)節(jié)[3]。變載荷調(diào)峰機(jī)組的運(yùn)行 控制方式有:滑壓運(yùn)行、調(diào)溫控制以及聯(lián)合控制?；?壓運(yùn)行較多應(yīng)用在調(diào)峰幅度較小的情況,當(dāng)深度調(diào)峰時(shí),則采用調(diào)溫控制以及聯(lián)合控制方式。

某亞臨界機(jī)組從滿載荷600MW 深度調(diào)峰運(yùn) 行到120MW 的載荷變化如圖2所示,調(diào)峰時(shí)長(zhǎng)為 127min。

圖3為與圖2對(duì)應(yīng)的調(diào)峰運(yùn)行過(guò)程的主蒸汽壓 力變化,在 127 min 內(nèi),壓 力 從 16.5 MPa 降 到 9.3MPa。前26min內(nèi)的壓力隨載荷的快速下降而 下降,下降速率達(dá)到0.18MPa/min,在12MPa停 留約40min后,再緩慢下降到9.3MPa。

圖4為深度調(diào)峰下主蒸汽的溫度變化,可見(jiàn)在 載荷達(dá)到滿載荷的45%以上時(shí),調(diào)峰運(yùn)行并不影響 溫度,當(dāng)載荷下降到滿載荷的45%以下時(shí),蒸汽溫 度持續(xù)降低,可通過(guò)調(diào)溫、調(diào)壓的方式共同控制機(jī)組 的功率。當(dāng)機(jī)組載荷降到滿負(fù)荷的20%時(shí),溫度降 到了504℃。

在調(diào)峰時(shí),蒸汽的溫度、壓力波動(dòng)必然引起相關(guān) 設(shè)備的應(yīng)力變化,從而對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響。

2 調(diào)峰運(yùn)行對(duì)設(shè)備應(yīng)力變化的影響

2.1 有限元建模及計(jì)算相關(guān)參數(shù)

為了研究調(diào)峰運(yùn)行對(duì)設(shè)備應(yīng)力的影響,以高壓 導(dǎo)汽管為研究對(duì)象,采用 ANSYS有限元軟件[4]對(duì) 不同情況下的應(yīng)力分布、應(yīng)力變化進(jìn)行了研究。導(dǎo) 汽管的有限元模型如圖5所示。計(jì)算用基礎(chǔ)參數(shù)如 表1所示[5]。

2.2 不同狀態(tài)下的應(yīng)力分析

2.2.1 導(dǎo)汽管自重產(chǎn)生的應(yīng)力

停機(jī)時(shí),環(huán)境溫度設(shè)為22℃,導(dǎo)汽管內(nèi)部壓力 為0MPa,此時(shí)導(dǎo)汽管僅受重力作用。對(duì)主汽門進(jìn) 行三向約束,并對(duì)模型整體施加-z 方向的重力加 速度9.8m/s2 后進(jìn)行計(jì)算。導(dǎo)汽管的最大應(yīng)力約 為5.6MPa,位于導(dǎo)汽管與閥門、汽缸的連接處。其 他部位的應(yīng)力約為2 MPa,因此自重引起的應(yīng)力 很小。

2.2.2 內(nèi)部壓力對(duì)導(dǎo)汽管應(yīng)力的影響

為了分析導(dǎo)汽管內(nèi)主蒸汽對(duì)管應(yīng)力的影響,對(duì) 模型施加如表2所示的計(jì)算條件。

施加上述邊界條件后,再進(jìn)行計(jì)算,分析靜壓狀 態(tài)下的應(yīng)力分布。

設(shè)定主蒸汽壓力為16.50MPa,僅承受內(nèi)部壓 力時(shí)導(dǎo)汽管外壁的應(yīng)力分布如圖7所示,可以看出 導(dǎo)汽管外壁的最高應(yīng)力約為27MPa,遠(yuǎn)低于 GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》中的要求。

為了分析導(dǎo)汽管內(nèi)、外壁的應(yīng)力差異,沿導(dǎo)汽管 徑向路徑提取從內(nèi)壁指向外壁的應(yīng)力。在0時(shí)刻, 內(nèi)壁應(yīng)力最大不到40MPa。導(dǎo)汽管沿壁厚方向的 應(yīng)力分布如圖8所示。

在 ANSYS有限元軟件的經(jīng)典界面中,提取導(dǎo) 汽管外壁應(yīng)力為27.25MPa時(shí)節(jié)點(diǎn)(編號(hào)為19792) 的應(yīng)力時(shí)程圖,結(jié)果如圖9a)所示。提取壓縮應(yīng)力 時(shí)程圖后,與主蒸汽壓力進(jìn)行比較,結(jié)果如圖9b)所 示。從圖9可以得出:導(dǎo)汽管外壁應(yīng)力變化與主蒸 汽壓力變化趨勢(shì)相似;管外壁應(yīng)力比主蒸汽壓力變 化平緩,且滯后于主蒸汽壓力的變化。

2.2.3 熱膨脹應(yīng)力分析

以表1所示的線膨脹系數(shù)曲線替代2.2.2節(jié)中 計(jì)算所 用 的 線 膨 脹 系 數(shù),熱 傳 導(dǎo) 系 數(shù) 參 考 值 為 36W/(m·K),考慮熱應(yīng)力作用,再次進(jìn)行計(jì)算。

計(jì)算完成后,提取0時(shí)刻19792節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力為 62.16 MPa,對(duì)應(yīng)的內(nèi)壁應(yīng)力為98.73 MPa。提取 19792節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)程圖。對(duì)圖10a)中的僅由主蒸 汽壓力產(chǎn)生的外壁應(yīng)力乘以系數(shù)2.28后,得到溫 度、壓力共同作用下的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程圖,如圖10b) 所示。

從圖10可以得出:施加溫度、壓力后,熱膨脹應(yīng)力比內(nèi)部壓應(yīng)力大。兩者的應(yīng)力比如圖11所示,隨 著主蒸汽壓力的降低,產(chǎn)生的應(yīng)力降低,其比值增 加;在溫度、壓力的共同作用下,應(yīng)力變化受溫度的 影響較大。

此外,對(duì)于結(jié)構(gòu)發(fā)生突變的導(dǎo)汽管與汽缸連接 角焊縫處外壁,最大應(yīng)力達(dá)到了129.4MPa。

3 應(yīng)力波動(dòng)對(duì)設(shè)備壽命的影響

20 世 紀(jì) 50 年 代,英 國(guó) 的 兩 位 工 程 師 MATSUISHI和ENDO 提出了雨流計(jì)數(shù)法[6]。該 計(jì)數(shù)法的主要功能是把實(shí)測(cè)載荷的歷程簡(jiǎn)化為若干 個(gè)載荷循環(huán),供疲勞壽命估算和編制疲勞試驗(yàn)載荷 譜使用[7]。該法以雙參數(shù)法為基礎(chǔ),考慮了動(dòng)強(qiáng)度 (幅值)和靜強(qiáng)度(均值)兩個(gè)變量,符合疲勞載荷本 身固有的特性[8]。雨流計(jì)數(shù)法主要用于工程界,特 別在疲勞壽命計(jì)算中應(yīng)用廣泛[9]。

針對(duì)編號(hào)為19792的節(jié)點(diǎn)在深度調(diào)峰的降負(fù)荷 過(guò)程中,使用 MATLAB軟件對(duì)僅主蒸汽壓力產(chǎn)生 的應(yīng)力及溫度、壓力共同作用下產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行雨 流分析,結(jié)果如圖12所示。

兩種應(yīng)力引起的應(yīng)力循環(huán)參數(shù)如表3所示。

兩種應(yīng)力波動(dòng)下管內(nèi)壁的壽命如表4所示。

由此可見(jiàn),溫度產(chǎn)生的熱膨脹應(yīng)力大幅降低了 導(dǎo)汽管的疲勞壽命。上述分析并未考慮支吊架、焊接殘余應(yīng)力等其他應(yīng)力。

4 結(jié)語(yǔ)

對(duì)機(jī)組在調(diào)峰降載荷過(guò)程中的導(dǎo)汽管應(yīng)力進(jìn)行 了仿真模擬計(jì)算,利用計(jì)算結(jié)果對(duì)導(dǎo)汽管的疲勞壽 命進(jìn)行了評(píng)估。發(fā)現(xiàn)熱應(yīng)力是導(dǎo)汽管疲勞壽命損耗 的主要原因。介質(zhì)內(nèi)部壓力引起的管壁應(yīng)力遠(yuǎn)低于 P91鋼105h的持久強(qiáng)度,且調(diào)峰時(shí)內(nèi)部壓力波動(dòng)對(duì) 導(dǎo)汽管的疲勞損傷很小,但在熱應(yīng)力疊加的情況下, 導(dǎo)汽管壽命相對(duì)于僅內(nèi)部壓力波動(dòng)下的疲勞壽命減 少了[10-12]。為了提高深度調(diào)峰情況下機(jī)組的疲勞 壽命,要注重?zé)釕?yīng)力的控制,并關(guān)注角焊縫結(jié)構(gòu)突變 處的應(yīng)力情況,將該位置作為檢測(cè)重點(diǎn)。

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