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

關鍵詞:導汽管;應力;疲勞壽命;熱膨脹;有限元

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

火電機組在深度調(diào)峰運行時,其載荷會大幅 變化,給機組的壽命、安全性、穩(wěn)定性及經(jīng)濟性帶 來不利影響[1]。由于載荷的頻繁波動,因此機組 的很多設備會產(chǎn)生裂紋,對于異種鋼焊縫,這種現(xiàn) 象尤其明顯,這主要是因為異種鋼的線膨脹系數(shù) 差異大,熱應力也大,容易損壞[2]。一些小徑管發(fā) 生了早期開裂,部分機組的大管道,如導汽管鎳基 插管焊縫也出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。某600MW 超臨界機 組導汽管插管鎳基焊縫發(fā)生開裂,其宏觀形貌如 圖1所示。筆者對導汽管的應力分布、疲勞壽命 等方面進行了研究。

1 調(diào)峰運行時的主汽溫度、壓力的波動

火電機組輸出載荷的高低,是通過調(diào)整蒸汽的 溫度、壓力及流量來實現(xiàn)的。機組載荷的波動主要 涉及溫度、壓力的調(diào)節(jié)[3]。變載荷調(diào)峰機組的運行 控制方式有:滑壓運行、調(diào)溫控制以及聯(lián)合控制?；?壓運行較多應用在調(diào)峰幅度較小的情況,當深度調(diào)峰時,則采用調(diào)溫控制以及聯(lián)合控制方式。

某亞臨界機組從滿載荷600MW 深度調(diào)峰運 行到120MW 的載荷變化如圖2所示,調(diào)峰時長為 127min。

圖3為與圖2對應的調(diào)峰運行過程的主蒸汽壓 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,可見在 載荷達到滿載荷的45%以上時,調(diào)峰運行并不影響 溫度,當載荷下降到滿載荷的45%以下時,蒸汽溫 度持續(xù)降低,可通過調(diào)溫、調(diào)壓的方式共同控制機組 的功率。當機組載荷降到滿負荷的20%時,溫度降 到了504℃。

在調(diào)峰時,蒸汽的溫度、壓力波動必然引起相關 設備的應力變化,從而對設備的安全運行產(chǎn)生影響。

2 調(diào)峰運行對設備應力變化的影響

2.1 有限元建模及計算相關參數(shù)

為了研究調(diào)峰運行對設備應力的影響,以高壓 導汽管為研究對象,采用 ANSYS有限元軟件[4]對 不同情況下的應力分布、應力變化進行了研究。導 汽管的有限元模型如圖5所示。計算用基礎參數(shù)如 表1所示[5]。

2.2 不同狀態(tài)下的應力分析

2.2.1 導汽管自重產(chǎn)生的應力

停機時,環(huán)境溫度設為22℃,導汽管內(nèi)部壓力 為0MPa,此時導汽管僅受重力作用。對主汽門進 行三向約束,并對模型整體施加-z 方向的重力加 速度9.8m/s2 后進行計算。導汽管的最大應力約 為5.6MPa,位于導汽管與閥門、汽缸的連接處。其 他部位的應力約為2 MPa,因此自重引起的應力 很小。

2.2.2 內(nèi)部壓力對導汽管應力的影響

為了分析導汽管內(nèi)主蒸汽對管應力的影響,對 模型施加如表2所示的計算條件。

施加上述邊界條件后,再進行計算,分析靜壓狀 態(tài)下的應力分布。

設定主蒸汽壓力為16.50MPa,僅承受內(nèi)部壓 力時導汽管外壁的應力分布如圖7所示,可以看出 導汽管外壁的最高應力約為27MPa,遠低于 GB/T 5310—2017《高壓鍋爐用無縫鋼管》中的要求。

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

在 ANSYS有限元軟件的經(jīng)典界面中,提取導 汽管外壁應力為27.25MPa時節(jié)點(編號為19792) 的應力時程圖,結(jié)果如圖9a)所示。提取壓縮應力 時程圖后,與主蒸汽壓力進行比較,結(jié)果如圖9b)所 示。從圖9可以得出:導汽管外壁應力變化與主蒸 汽壓力變化趨勢相似;管外壁應力比主蒸汽壓力變 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 計算所 用 的 線 膨 脹 系 數(shù),熱 傳 導 系 數(shù) 參 考 值 為 36W/(m·K),考慮熱應力作用,再次進行計算。

計算完成后,提取0時刻19792節(jié)點的應力為 62.16 MPa,對應的內(nèi)壁應力為98.73 MPa。提取 19792節(jié)點的應力時程圖。對圖10a)中的僅由主蒸 汽壓力產(chǎn)生的外壁應力乘以系數(shù)2.28后,得到溫 度、壓力共同作用下的節(jié)點應力時程圖,如圖10b) 所示。

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

此外,對于結(jié)構(gòu)發(fā)生突變的導汽管與汽缸連接 角焊縫處外壁,最大應力達到了129.4MPa。

3 應力波動對設備壽命的影響

20 世 紀 50 年 代,英 國 的 兩 位 工 程 師 MATSUISHI和ENDO 提出了雨流計數(shù)法[6]。該 計數(shù)法的主要功能是把實測載荷的歷程簡化為若干 個載荷循環(huán),供疲勞壽命估算和編制疲勞試驗載荷 譜使用[7]。該法以雙參數(shù)法為基礎,考慮了動強度 (幅值)和靜強度(均值)兩個變量,符合疲勞載荷本 身固有的特性[8]。雨流計數(shù)法主要用于工程界,特 別在疲勞壽命計算中應用廣泛[9]。

針對編號為19792的節(jié)點在深度調(diào)峰的降負荷 過程中,使用 MATLAB軟件對僅主蒸汽壓力產(chǎn)生 的應力及溫度、壓力共同作用下產(chǎn)生的應力進行雨 流分析,結(jié)果如圖12所示。

兩種應力引起的應力循環(huán)參數(shù)如表3所示。

兩種應力波動下管內(nèi)壁的壽命如表4所示。

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

4 結(jié)語

對機組在調(diào)峰降載荷過程中的導汽管應力進行 了仿真模擬計算,利用計算結(jié)果對導汽管的疲勞壽 命進行了評估。發(fā)現(xiàn)熱應力是導汽管疲勞壽命損耗 的主要原因。介質(zhì)內(nèi)部壓力引起的管壁應力遠低于 P91鋼105h的持久強度,且調(diào)峰時內(nèi)部壓力波動對 導汽管的疲勞損傷很小,但在熱應力疊加的情況下, 導汽管壽命相對于僅內(nèi)部壓力波動下的疲勞壽命減 少了[10-12]。為了提高深度調(diào)峰情況下機組的疲勞 壽命,要注重熱應力的控制,并關注角焊縫結(jié)構(gòu)突變 處的應力情況,將該位置作為檢測重點。

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<文章來源>材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 2期 (pp:16-19)>