机组变负荷对省煤器入口管道焊接结构疲劳寿命影响的分析.pdf

第 卷 第期 年月P OWE RE QU I PME N TV o l ,N o J u l 收稿日期:;修回日期:作者简介:金传领(),男,工程师,从事工业设备结构分析工作.E m a i l:j i n c h u a n l c o m机组变负荷对省煤器入口管道焊接结构疲劳寿命影响的分析金传领,万瑜,徐家驹,林劭辰,石仁强,高严(江苏方天电力技术有限公司,南京 )摘要:研究某 MW火电机组负荷变化对省煤器入口管道结构疲劳寿命的影响,采用材料拉伸试验、疲劳试验及数值模拟种方法,分别得到应变与疲劳寿命之间的关系.结果表明:材料拉伸试验预测结构寿命与疲劳试验的偏差较大,而数值模拟结果与疲劳试验结果较为吻合,数值模拟方法能够合理评估结构疲劳性能,并且结构疲劳损伤随机组负荷变化幅度的增大而明显增大.关键词:火电机组;锅炉;管道;变负荷;疲劳试验;寿命预测中图分类号:TM 文献标志码:A文章编号:X()D O I:/j c n k i f d s b A n a l y s i so f t h e I n f l u e n c eo fV a r i a b l eL o a do nF a t i g u eL i f eo fE c o n o m i z e rI n l e tP i p e l i n eS t r u c t u r e i naT h e r m a lP o w e rU n i tJ i nC h u a n l i ng,W a nY u,X uJ i aju,L i nS h a o c h e n,S h iR e nqi a ng,G a oY a n(J i a ngs uF r o n t i e rE l e c t r i cT e c h n o l og yC o,L t d,N a nji ng ,C h i n a)A b s t r a c t:R e s e a r c h e sw e r ec o n d u c t e do nt h ei n f l u e n c eo ft h ev a r i a b l el o a do nt h ef a t igu el i f eo ft h ee c o n o m i z e r i n l e tpipe l i n es t r u c t u r ei na MWt h e r m a lpo w e ru n i t,t h er e l a t i o n s h ipb e t w e e ns t r a i na n df a t igu e l i f ew a so b t a i n e dt h r o ughf o l l o w i ngt h r e em e t h o d s,s u c ha sm a t e r i a l t e n s i l et e s t,f a t igu et e s t,a n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d R e s u l t ss h o wt h a t,t h ef a t igu el i f eo fm a t e r i a l t e n s i l et e s t i squ i t ed i f f e r e n tf r o mt h a to b t a i n e dbyf a t igu et e s t,w h i l et h ef a t igu el i f eo fn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o di s i na c c o r d a n c ew i t ht h a t o f f a t igu e t e s t T h e f a t igu epe r f o r m a n c eo f t h e s t r u c t u r ec a nb e r e a s o n a b lye v a l u a t e dbyn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d,w h i l e t h e l i f e l o s so f t h e s t r u c t u r e s ign i f i c a n t lyi n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo f t h ec h a nger a ngeo f t h eu n i t l o a d K e y w o r d s:t h e r m a lpo w e ru n i t;b o i l e r;pipe l i n e;v a r i a b l e l o a d;f a t igu et e s t;l i f epr e d i c t i o n燃煤机组参与调峰时,机组负荷升降变化迅速且范围较大,尤其在涉及深度调峰时,机组需要在短时间内完成启停操作,如采用两班制运行方式调节电网负荷时,需要从正常运行到电网负荷低谷时的停机再到次日的热启动.在变负荷及启停过程中,承压设备需要承受剧烈的温度及压力变化,机组结构受到交变热应力及机械应力作用,在焊缝等应力集中区域可能会发生疲劳破坏,缩短设备使用寿命.近年来,许多研究认为机组快速负荷变化产生的交变应力对结构疲劳失效起到重要影响.赵雨兰研究了超临界锅炉汽水分离器在不同调峰深度下的应力分布,得出热启动时的应力要大于低负荷运行时的应力,并且建议机组调峰采用低负荷运行方式;易思泽针对 MW锅炉末级过热器出口联箱在变负荷调峰运行时的疲劳损伤进行分析,但模型计算缺乏实时数据支撑,并且得到的结论偏保守.笔者以 MW超临界机组省煤器入口管道结构为对象,研究了机组调峰负荷引起的温度变化对省煤器结构产生的影响.采用种方式进行研究分析:通过材料试样的高温拉伸试验拟合应变寿命曲线;针对管材试样的多组高温低周疲劳试 验,拟合M a n s o n C o f f i n公式;基于数值模拟采用AN S Y S软件展开结构寿命预测分析,以评估结构疲劳性能.此外,根据机组第期金传领,等:机组变负荷对省煤器入口管道焊接结构疲劳寿命影响的分析负荷变化情况,结合上述方法综合预测结构疲劳寿命,分析负荷变化与结构疲劳寿命之间的关系,得到调峰幅度对一次循环疲劳损伤的影响规律.疲劳评估理论弹塑性缺口应力应变法认为局部应力应变相同,则疲劳寿命相同 ,可以用应变寿命曲线进行计算,典型的方法有M a n s o n C o f f i n公式,其表达式见式(),该公式对金属材料循环次数小于 的疲劳寿命有较好的预测.tfE(Nf)bf(Nf)c()式中:t为总应变;f为疲劳强度系数,MP a;E为弹性模量,MP a;Nf为疲劳寿命;f为疲劳塑性系数;b为疲劳强度指数;c为疲劳塑性指数.在长寿命阶段,以弹性应变幅为主;在短寿命阶段,以塑性应变幅为主.为了简化疲劳试验,很多学者试图找出式()中各参数与材料拉伸性能之间的关系,通过总结数据后给出:f b(b为抗拉强度),b ,ff(f为塑性应变),c.因此,根据材料的抗拉强度和断裂延性参数,结合式()即可求得材料的应变疲劳寿命曲线.材料试验与结构计算研究对象为某电厂 MW超临界机组,该机组为参与深度调峰的机组,省煤器入口集箱管道结构见图.结构外径为 mm,壁厚为 mm;连接支管外径为 mm,壁厚为 mm;管道内部压力为 MP a.图结构示意图省 煤 器 集 箱 及 连 接 管 道 所 用 材 料 为S A C,材料性能参数见表.表材料性能参数表温度/弹性模量/MP a线膨胀系数/K密度/(tm)已知结构运行工况,其中机组负荷变化时对应结构温度的变化见表.表省煤器入口及包墙温度随机组负荷的变化工况机组负荷/MW省煤器入口温度/包墙温度/在结构应力分析及疲劳寿命初步计算的基础上,进行材料高温应变疲劳试验,拟合材料应变幅 疲劳寿命曲线,得到结构薄弱部位疲劳寿命;通过材料拉伸试验,得到疲劳寿命曲线来预测结构疲劳寿命;通过有限元数值模拟预测结构疲劳寿命,展开对比分析,综合评估结构疲劳性能.具体分析流程见图.图分析流程图 材料拉伸试验拉伸试验根据G B/T 的要求执行,试样的几何参数见图.第 卷图弧形拉伸试样采用电子万能试验机,在试验温度为 的条件下,得到组材 料拉伸试 验数据,分别 为:抗 拉 强 度 为 P a,断 后 伸 长 率 为 ;抗 拉 强 度 为 P a,断 后 伸 长 率 为 ;抗 拉 强 度 为 P a,断 后 伸 长 率 为 .根据式()及文献 中所列参数,计算出塑性应变f为 ,再根据文献 中考虑应变比 对应变幅与 疲劳寿命的 公式 进 行修正.可以得到:t/(Nf)(Nf)()因此,可以通过测量结构关键位置处的应变得到结构在不同工况下的应变,从而得到总应变,预测结构疲劳寿命,进而开展结构疲劳性能评估.疲劳试验 高 温 低 周 疲 劳 试 验 依 据G B/T 标准进行,试验采用电液伺服疲劳试验机.在试验温度为 的环境下进行,试样几何形状为弧形,加载波形为三角波,频率为 H z.试验获得的 组试样应变幅与疲劳寿命的试验数据见表,其中包括应变幅(t/)、弹性应变幅(e/)、塑 性 应 变 幅(p/)、应 力 幅(/)及反向失效次数(Nf).表S A C管材低周疲劳性能试验结果试样编号应变幅/弹性应变幅/塑性应变幅/应力幅/MP a反向失效次数 通过拟合得到材料M a n s o n C o f f i n公式:t/(Nf)(Nf)()将试验数据和拟合曲线进行整理,得到S A C管材低周疲劳应变幅与疲劳寿命的曲线见图.图S A C管低周疲劳应变幅与疲劳寿命的曲线 数值计算采用有限元软件对结构在表中对应的种工况进行数值模拟,由于管道热位移引起的工况和工况的省煤器管道结构应力分布情况分别见图、图.最大应力及应变位置为支管与主管道连接的焊缝根部.工况最大热位移处所产生的等效结构应力为 MP a,小于工况最大热位移处所产生的等效结构应力(MP a).图工况结构应力分布第期金传领,等:机组变负荷对省煤器入口管道焊接结构疲劳寿命影响的分析图工况结构应力分布此外,工况至工况结构所对应的应变与疲劳寿命关系见图.其中,工况至工况的最大 应 变 分 别 为 、,对应的疲劳寿命分别为 次、次、次和 次.随着结构应变幅的增加,结构局部劳寿命显著降低.图工况至工况结构所对应的应变与疲劳寿命的关系 对比分析采用上述种疲劳寿命预测方法,计算出结构在特定应变幅下的疲劳寿命,通过对比种方法得到的疲劳寿命,综合评估结构疲劳性能.采用材料拉伸试验得到材料抗拉强度和断裂韧性来预测结构寿命的方法,在很多情况下所得出到的结果与疲劳试验结果不是很吻合,如:在应变为 时,材料拉伸试验得到的疲劳寿命为 次,而疲劳试验得到的疲劳寿命为 次;在应变为 时,材料拉伸试验得到的疲劳寿命为 次,疲劳试验得到的疲劳寿命为 次.若采用材料拉伸试验,在低应变下预测的寿命太危险,而在高应变下预测的寿命太保守,因此不建议采用拉伸试验的方法预测结构疲劳寿命.采用应变疲劳试验与数值模拟计算的方法,得出的疲劳寿命最为接近,如:在应变为 时,疲劳试验得到的疲劳寿命为 次,数值模拟得到的疲劳寿命为 次;当应变为 时,疲劳试验得到的疲劳寿命为 次,数值模拟得到的疲劳寿命为 次.考虑试验条件及样本数量对试验结果的影响,可以认为数值模拟可以较为准确地评估结构疲劳性能.负荷变化对结构寿命的影响分析温度变化会对省煤器结构寿命产生影响,而温度变化速率与机组的运行负荷有关.根据表中机组负荷的变化,结合数值计算的结构疲劳寿命评估方法,得到省煤器在不同机组负荷变化幅度下的疲劳损伤见表.表省煤器在不同机组负荷变化幅度下的疲劳损伤机组负荷/MW开始结束允许循环次数一次循环疲劳损伤 对比机组负荷分别由 MW下降到 MW下降和由 MW下降到 MW情况下的相关数据,可以得出随着负荷变化幅度的增大,结构的疲劳损伤明显增大;同时,采用热态启停调峰则对结构的疲劳损伤最大.因此,在调峰过程中,在时间允许的情况下,应尽量降低温升速率,减小因负荷变化引起的结构温度差,从而降低应力,减少调峰过程中结构的疲劳损伤.结语根据机组负荷及结构温度变化,结合疲劳分析理论,并且对比采用种疲劳预测方法,对省煤器结构进行疲劳性能评估,得到如下结论:()采用拉伸试验得到材料抗拉强度和断裂韧性来预测结构寿命的方法,在很多情况下与疲劳试验结果的偏差较大,因此不宜采用该方法.疲劳试验能够较好地反映结构实际疲劳性能,其拟合曲线与试验条件及样本数量有关.()数值模拟结果与疲劳试验结果比较吻合,数值模拟方法能够在结构低周疲劳寿命预测方面给出较为准确的评估.()结构疲劳损伤随机组负荷幅度的变大而明显增大,机组启停对结构的疲劳损伤最大.建议在调峰过程时间允许情况下,通过降低温升速率来减少调峰过程中结构的疲劳损伤.其他因素第 卷(如机组初始运行负荷及负荷变化速率)对结构寿命的影响更有待得到进一步的研究.参考文献:陈鑫,蔡文河,董树青,等机组调峰对汽轮机导汽管焊缝开裂的影响及 动态应力测试 技术初探J热加 工工艺,():赵雨兰调峰对锅炉寿命影响分析D北京:华北电力大学,易思泽灵活性运行下锅炉关键承压部件应力和寿命分析D北京:华北电力大学,张 彦 华焊 接 结 构 疲 劳 分 析 M北 京:化 学 工 业 出 版社,姚 卫 星结 构 疲 劳 寿 命 分 析 M北 京:国 防 工 业 出 版社,MAN S ONSS F a t i g u e:a c o m p l e xs u b j e c ts o m e s i m p l e a p p r o x i m a t i o n sJE x p e r i m e n t a l M e c h a n i c s,():中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会金属材料拉伸试验第部分:高温试验方法:G B/T S北京:中国标准出版社,国家市场监督管理总局,国家标准化管理委员会金属材料疲劳试验轴向应变控制 方 法:G B/T S北京:中国标准出版社,(上接第 页)WE IB,WAN GXB,T ANHZ,e t a l E f f e c t o f s i l i c o n a l u m i n u ma d d i t i v e so na s hf u s i o na n da s hm i n e r a l c o n v e r s i o no fX i n j i a n gh i g h s o d i u mc o a lJ F u e l,:常明,张守玉,黄小河,等高钠煤煤灰对N a C l蒸气捕获性能分析J中国电机工程学报,():YU Y,XU M H,YA O H,e ta l C h a rc h a r a c t e r i s t i c sa n dp a r t i c u l a t em a t t e r f o r m a t i o nd u r i n gC h i n e s eb i t u m i n o u sc o a lc o m b u s t i o nJP r o c e e d i n g so ft h eC o m b u s t i o nI n s t i t u t e,():何翔,施鸿飞,周文台,等添加剂对准东煤结渣和沾污特性影响 的 研 究 J动 力 工 程 学 报,():,Z HANZ H,F R Y A R,WE N D TJOLR e l a t i o n s h i pb e t w e e ns u b m i c r o na s ha e r o s o lc h a r a c t e r i s t i c sa n da s hd e p o s i tc o m p o s i t i o n sa n df o r m a t i o nr a t e sd u r i n ga i r a n do x y c o a lc o m b u s t i o nJ F u e l,:WUJQ,YUDX,L I UFQ,e t a l I m p a c t o f o x y f u e l c o m b u s t i o no na s hp r o p e r t i e s a n ds i n t e r i n gs t r e n g t hd e v e l o p m e n tJ E n e r g y&F u e l s,():F R E NK E LJ V i s c o u s f l o wo f c r y s t a l l i n eb o d i e sJ J o u r n a lo fE x p e r i m e n t a l a n dT h e o r e t i c a l P h y s i c s,:WAN GXB,RUANRH,YAN GT,e t a l S u l f a t e r e m o v a lb yk a o l i na d d i t i o nt oa d d r e s sf o u l i n gi naf u l l s c a l ef u r n a c eb u r n i n gh i g h a l k a l i n eZ h u n d o n gc o a lJ E n e r g y&F u e l s,():