火电调峰机组导汽管的疲劳损伤_李军录.pdf

：火电调峰机组导汽管的疲劳损伤李军录，刘长福，张达勋，王海峰，王占强，白泽红，赵奇（大唐国际发电股份有限公司 张家口发电厂，张家口 ；中国大唐集团科学技术研究总院有限公司 华北电力试验研究院，北京 ）摘要：为了研究火电机组调峰运行对设备的损伤情况，采用有限元软件对某导汽管在调峰运行工况下的应力变化进行分析，结合材料的疲劳寿命数据对设备的安全状况进行评估。结果表明：仅考虑内压应力时，导汽管内壁应力约为 ，外壁应力约为 ；考虑热膨胀后，导汽管同样位置的内、外壁应力分别达到了 ，；导汽管的应力受结构热膨胀应力的影响较大，但应力波动幅度降低；热膨胀应力对导汽管的疲劳寿命影响较大。关键词：导汽管；应力；疲劳寿命；热膨胀；有限元中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：李军录（），男，本科，高级工程师，主要从事火电机组安全运行的监督管理工作通信作者：刘长福，（，；，）：，：；火电机组在深度调峰运行时，其载荷会大幅变化，给机组的寿命、安全性、稳定性及经济性带来不利影响。由于载荷的频繁波动，因此机组的很多设备会产生裂纹，对于异种钢焊缝，这种现象尤其明显，这主要是因为异种钢的线膨胀系数差异大，热应力也大，容易损坏。一些小径管发生了早期开裂，部分机组的大管道，如导汽管镍基插管焊缝也出现开裂现象。某 超临界机组导汽管插管镍基焊缝发生开裂，其宏观形貌如图所示。笔者对导汽管的应力分布、疲劳寿命等方面进行了研究。调峰运行时的主汽温度、压力的波动火电机组输出载荷的高低，是通过调整蒸汽的温度、压力及流量来实现的。机组载荷的波动主要涉及温度、压力的调节。变载荷调峰机组的运行控制方式有：滑压运行、调温控制以及联合控制。滑压运行较多应用在调峰幅度较小的情况，当深度调李军录，等：火电调峰机组导汽管的疲劳损伤图某开裂的 超临界机组导汽管插管镍基焊缝宏观形貌峰时，则采用调温控制以及联合控制方式。某亚临界机组从满载荷 深度调峰运行到 的载荷变化如图所示，调峰时长为 。图深度调峰下的载荷变化图为与图对应的调峰运行过程的主蒸汽压力 变 化，在 内，压 力 从 降 到。前 内的压力随载荷的快速下降而下降，下降速率达到 ，在 停留约 后，再缓慢下降到。图深度调峰下的主蒸汽压力变化图为深度调峰下主蒸汽的温度变化，可见在载荷达到满载荷的 以上时，调峰运行并不影响温度，当载荷下降到满载荷的 以下时，蒸汽温度持续降低，可通过调温、调压的方式共同控制机组的功率。当机组载荷降到满负荷的 时，温度降到了 。在调峰时，蒸汽的温度、压力波动必然引起相关设备的应力变化，从而对设备的安全运行产生影响。图深度调峰下主蒸汽的温度变化调峰运行对设备应力变化的影响有限元建模及计算相关参数为了研究调峰运行对设备应力的影响，以高压导汽管为研究对象，采用 有限元软件对不同情况下的应力分布、应力变化进行了研究。导汽管的有限元模型如图所示。计算用基础参数如表所示。图导汽管的有限元模型表计算用基础参数约束或参数数值密度（）泊松比室温弹性模量 汽缸中心三向位移 不同状态下的应力分析导汽管自重产生的应力停机时，环境温度设为 ，导汽管内部压力为，此时导汽管仅受重力作用。对主汽门进行三向约束，并对模型整体施加方向的重力加速度后 进 行 计 算。导 汽 管 的 最 大 应 力约为 ，位 于 导 汽 管 与 阀 门、汽 缸 的 连 接处。其他部 位 的 应 力 约 为 ，因 此 自 重 引起的应力很小。内部压力对导汽管应力的影响为了分析导汽管内主蒸汽对管应力的影响，对模型施加如表所示的计算条件。李军录，等：火电调峰机组导汽管的疲劳损伤表内部压力影响计算用的相关参数参数数值线膨胀系数随温度变化的弹性模量见图导汽管温度 导汽管的内壁压力见图主汽门模型较远端面位移约束，整体施加重力加速度（）施加上述边界条件后，再进行计算，分析静压状态下的应力分布。图 钢的弹性模量变化设定主蒸汽压力为 ，仅承受内部压力时导汽管外壁的应力分布如图所示，可以看出导汽管外壁的最高应力约为 ，远低于 高压锅炉用无缝钢管 中的要求。图仅承受内部压力时导汽管外壁的应力分布为了分析导汽管内、外壁的应力差异，沿导汽管径向路径提取从内壁指向外壁的应力。在时刻，内壁应力最大不到 。导汽管沿壁厚方向的应力分布如图所示。在 有限元软件的经典界面中，提取导汽管外壁应力为 时节点（编号为 ）的应力时程图，结果如图）所示。提取压缩应力时程图后，与主蒸汽压力进行比较，结果如图）所示。从图可以得出：导汽管外壁应力变化与主蒸汽压力变化趋势相似；管外壁应力比主蒸汽压力变化平缓，且滞后于主蒸汽压力的变化。图导汽管沿壁厚方向的应力分布图导汽管内部压力与外壁应力的变化热膨胀应力分析以表所示的线膨胀系数曲线替代节中计算所 用 的 线 膨 胀 系 数，热 传 导 系 数 参 考 值 为 （），考虑热应力作用，再次进行计算。计算完成后，提取时刻 节点的应力为 ，对应的内壁应力为 。提取 节点的应力时程图。对图 ）中的仅由主蒸汽压力产生的外壁应力乘以系数 后，得到温度、压力共同作用下的节点应力时程图，如图 ）所示。图 节点温度、内压应力及其与内部压力的变化从图 可以得出：施加温度、压力后，热膨胀应李军录，等：火电调峰机组导汽管的疲劳损伤力比内部压应力大。两者的应力比如图 所示，随着主蒸汽压力的降低，产生的应力降低，其比值增加；在温度、压力的共同作用下，应力变化受温度的影响较大。此外，对于结构发生突变的导汽管与汽缸连接角焊缝处外壁，最大应力达到了 。图 在温度、压力作用下的热膨胀应力与内压产生的应力比值应力波动对设备寿命的影响 世 纪 年 代，英 国 的 两 位 工 程 师 和 提出了雨流计数法。该计数法的主要功能是把实测载荷的历程简化为若干个载荷循环，供疲劳寿命估算和编制疲劳试验载荷谱使用。该法以双参数法为基础，考虑了动强度（幅值）和静强度（均值）两个变量，符合疲劳载荷本身固有的特性。雨流计数法主要用于工程界，特别在疲劳寿命计算中应用广泛。针对编号为 的节点在深度调峰的降负荷过程中，使用 软件对仅主蒸汽压力产生的应力及温度、压力共同作用下产生的应力进行雨流分析，结果如图 所示。两种应力引起的应力循环参数如表所示。表两种应力引起的应力循环参数应力原因完全循环编号均值 幅值 循环次数次 主蒸汽压力 温度、压力 两种应力波动下管内壁的寿命如表所示。表两种应力波动下管内壁的寿命 次评估位置仅压力作用下寿命温度、压力共同作用下寿命 节点处 节点对应的内壁 由此可见，温度产生的热膨胀应力大幅降低了导汽管的疲劳寿命。上述分析并未考虑支吊架、焊图 应力的雨流分析接残余应力等其他应力。结语对机组在调峰降载荷过程中的导汽管应力进行了仿真模拟计算，利用计算结果对导汽管的疲劳寿命进行了评估。发现热应力是导汽管疲劳寿命损耗的主要原因。介质内部压力引起的管壁应力远低于 钢 的持久强度，且调峰时内部压力波动对导汽管的疲劳损伤很小，但在热应力叠加的情况下，导汽管寿命相对于仅内部压力波动下的疲劳寿命减少了 。为了提高深度调峰情况下机组的疲劳寿命，要注重热应力的控制，并关注角焊缝结构突变处的应力情况，将该位置作为检测重点。参考文献：张立新 调峰火电机组金属监督关键问题 山东电力技术，（）：陈鑫，蔡文河，张坤，等 火电厂异种钢焊接接头早期失效研究现状 焊接，（）：，张桂燕 火电调峰机组运行问题的研究保定：华北电力大学（河北），周京，徐滨士，王海斗，等有限元法在疲劳分析中的应用及发展理化检验（物理分册），（）：，宿修平，苏德瑞 钢焊缝缺陷检测及原因探讨华北电力技术，（）：李彬 雨流计数法在结构疲劳损伤计算中的应用科技视界，（）：，（下转第 页）卢雪梅，等：锅炉给水预热器管箱高温段环焊缝开裂原因图环焊缝断面的 形貌现与其使用环境有关。该预热器管箱材料为 、管板材料为 ，属于低合金高强度钢，所选焊材 钢的化学成分与母材一致。当设备长期处于高温环境时，焊缝中的杂质元素会逐步向原奥氏体晶界富集，大大降低晶界的塑性变形能力，沉淀相在晶界的析出也为裂纹的萌生提供了条件，裂纹起始于焊缝和热影响区的粗晶区域，终止于热影响区和母材细晶区，符合厚板焊缝结构再热裂纹的开裂特征。结论及建议（）由于焊后热处理不符合要求，在焊缝区形成了马氏体，且晶间存在较多颗粒状的析出相，导致晶界的蠕变强度下降，塑性变形能力降低，设备在高温服役时形成了沿晶开裂的再热裂纹，以及长期高温环境下产生的热应力促进了裂纹的扩展，导致管箱环焊缝开裂。（）建议选择纯净度高的材料，避免杂质元素在晶界处富集；改进产品结构，降低产品自身的刚性；改进焊接工艺，控制预热及后热温度、热处理工艺；使用过程中避免超温、超压运行。参考文献：袁文君高压锅炉给水预热器管箱筒体裂纹修复设备管理与维修，（）：金永祥 耐热钢管超期服役的寿命估 算理化检验（物理分册），（）：刘宗昌，计云萍马氏体组织形貌形成机理热处理技术与装备，（）：张益铭，韩军，张乐某油田锅炉给水预热器开裂失效分析理化检验（物理分册），（）：甘美露，张强，王书强，等 钢蜗杆开裂原因分析理化检验（物理分册），（）：罗纯东 奥氏体不锈钢炉体应力腐蚀破裂失效分析石油化工设备，（）：櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥櫥（上接第 页）李天亮，邹仕军，孙冬，等 飞机疲劳载荷谱分析的一种新方法机械科学与技术，（）：，郭小鹏，沙云东，张军 基于雨流计数法的随机声疲劳寿命估算方法研究沈阳航空工业学院学报，（）：张雨车辆总成性能检测技术北京：国防工业出版社，刘广兴，龚巍，王兆民 锅炉水冷壁内螺纹管泄漏原因分析理化检验（物理分册），（）：李如源 某核电厂主辅给水系统连接管座流固耦合分析与疲劳寿命评估 理化检验（物理分册），（）：，孙明成，李宏强，张艳红，等 热电厂锅炉屏式再热器管开裂原因分析理化检验（物理分册），（）：