票超臨界鍋爐減溫管翹曲變形及開裂原因的有限元分析（電力）

                  鄧玲惠，康豫軍，王軍民，程勇明，王必寧

                 （西安熱工研究院有限公司，陜西西安  710032）

摘要：通過建立某超臨界鍋爐再熱蒸汽減溫管的三維有限元模型，以實際減溫管工作中的溫度分布和約束情況作為邊界條件．模擬分析了某超臨界鍋爐再熱蒸汽減溫管的變形情況。研究結果表明，由于減溫器噴水霧化不佳．使得部分噴水沉積在高溫管道下部，引起該管道上下部溫差較大，導致管道底部承受較大的軸向拉應力，管道上部承受較大的軸向壓應力，此過程反復交替形成的交變應力是導致減溫管疲勞開裂的主要原因。有限元分析計算結果與現場的實際變形情況基本吻合，誤差約為8.3%。

關鍵詞：超臨界鍋爐；再熱蒸汽；減溫水管道；疲勞；開裂；有限元分析

中圖分類號：TM621：TB121  DOI: 10.11930/j.issn．1004-9649.2016.05.072.04

0引言

    在火力發電廠巾，減溫器用于將參數過高的蒸汽溫度降至系統正常運行所需要的范圍，是保證鍋爐汽水系統安全運行的重要設備。減溫器中的減溫管要插入高溫蒸汽管道中，通過噴水降低蒸汽的溫度．在低溫噴水和高溫蒸汽反復劇烈的循環交替作用下．管道金屬材料很容易發生疲勞失效．引起材料破壞．因而威脅到鍋爐系統運行的安全。

    目前對鍋爐特別是超臨界鍋爐減溫器的研究工作相對較少，對鍋爐減溫器破損和失效的研究丁作主要是針對噴水減溫裝置結構、總體受力和金屬金相等的分析上，而對減溫管由于噴水造成的管道上、下部溫差大，引起管道熱應力變化的有限元分析和研究工作比較少見。本文的研究工作以熱態工作條件下的某超臨界鍋爐減溫管為例，對其失效和產生裂紋原因進行分析，研究管道上下部出現溫差時管道的翹曲變形和管道出現裂紋失效之間的力學關系，并通過有限元軟件ANSYS進行力學分析且予以詳細說明。

1  研究對象概況及簡要分析

    某電站減溫管從備用狀態到正常運行的過程中，管道中部部分滑動支架逐漸出現脫空現象，減溫管呈翹曲狀．機組長期運行后經檢測發現，管道下部出現多道裂紋。根據系統運行狀態和相關檢查結果分析認為，減溫管在備用狀態時，管道下部存在一定量的積水，裂紋的產生可能與該岡素有關：此外，這些積水在閥門快速打開時極易造成水錘沖擊，會導致彎頭和三通等管道內流體方向變化處的個別管道支吊架和管道局部變形，嚴重時可能引發事故。

2減溫管的有限元計算

2.1  計算模型的建立

    為了分析減溫管下部積水對管道熱應力的影響，計算管道有無積水時管道熱應力的變化情況。

    根據某電廠出現裂紋的減溫器管段所建立的有限元模型如圖1所示。減溫管長度L為6 000mm，管道外徑D。為648 mm，內徑D．為602 mm。根據現場實際測量結果．管道下部45⁰圓弧內為積水區域，有積水時此部分溫度約為400℃，未積水區域溫度約為570℃，管道內部蒸汽壓力p為5.98 M Pa。

    計算時根據管道的具體特征做了如下假設：

    (1)管道的材料為各向同性材料，材料的變形在彈性變形允許的范圍內，材料的物性是溫度的函數：

    (2)不考慮管道在工作過程巾的熱交換及熱輻射，僅考慮熱傳導。

2.2材料參數及網格模型

    減溫管的材料為A335P91,其性能如表1所示。先在ANSYS軟件中對減溫管進行穩態熱分析，分析求解完成后得到減溫管的溫度分布場。然后重新進入ANSYS前處理器，出于力學計算的需要，將熱單元全部轉換為相應的結構單元．并根據A335P91材料實際物性參數設置結構分析所需的材料彈性模量、線膨脹系數和泊松比等參數，之后讀入最初計算得到的熱分析結果，將其作為結構載荷，設置相關邊界條件，最終進行熱應力的求解，得到減溫器管的應力和應變分布。

    穩態熱分析中采用3D熱單元SOLID70,此單元僅有1個自由度，即溫度，以8節點SOLID185作為相應的3D結構單元，單元每個節點的平動自由度均為x、y、23個方向，有限元計算的網格模型如圖2所示。

2.3邊界條件及約束

    根據減溫管實際布置巾支吊架對管道的作用效果，對管道的對稱截面施加對稱約束，管道兩端截面僅約束下部垂直方向的自由度，對管道溫度不同部分設置不同的參數，即有積水部分取積水溫度400℃，未積水部分取再熱蒸汽溫度570℃，管道內部承受再熱蒸汽壓力約6 M Pa。

3計算結果及分析

    分析減溫管的應力及變形時，分別計算管道在如下2種工況下的應力及變形情況。

    工況1：管道按2.2及2.3節所述參數設置邊界條件及約束，即管道下部有積水，此部分溫度設置為400℃，其他部分溫度設置為570℃．管道不同溫度部分分別設置相應溫度下的材料參數：

    工況2：管道按2.2及2.3節所述參數設置約束及邊界條件，但管道下部無積水區域，即管道所有部分溫度均為570℃。

    管道上布置的滑動支架出現脫空現象．說明該支點處有向上的位移，使吊架脫空失載：管道．E下存在較大溫差時，對管道軸向應力的影響遠大于對徑向應力及環向應力的影響。為了說明此情況，在計算結果中僅提取管道的軸向應力分布圖及上下方向的位移分布圖。

    管道截面上的溫度分布如圖3所示（圖中MN、MX分別表示最小值點和最大值點，下同）。

3.1  軸向應力的計算結果

    軸向應力分析結果如圖4和圖5所示。由圖4可知，當管道下部有積水時，管道下部的積水區域存在較大的軸向拉應力，數值為262.1 M Pa,上部管道大部分區域為壓應力區域數值約為58.6 M Pa，巾問部分區域為拉應力，數值約為48.3 M Pa。由圖5可知，當管道下部無積水時．管道的軸向應力沿管道壁厚方向的分布．內壁為壓應力．數值為0.38 M Pa,外壁的軸向應力為拉應力，數值為0.32 M Pa，其遠遠小于管道下部有積水時管道的軸向拉應力。

3.2上下方向位移的計算結果

    管道上下方向的位移分布如圖6和圖7所示。由圖6可知，當管道的下部有積水時，管道的最大變形為向上15.7 mm，現場實測管道中部最大向上“脫空”距離約為14.5 mm，計算誤差約為8.3%．說明計算結果基本反映現場的實際變形情況．計算結果顯示，最大變形點為中間對稱截面的最上端，管道發生明顯的彎曲變形，此時管道最下端的周線呈現為向上拱起的曲線，管道間布置的滑動支架將會出現脫空，當管道的長度加長時．此最大位移量將繼續增加。由圖7可知，當管道下部無積水時，管道的上下方向變形沿上下方向均勻分布，管道最下端的周線仍為直線，管道無彎曲變形現象，此時管道的上下方向的最大變形僅為4.8 mm,最大變形點為最上端的周線。

4分析、建議及措施

    根據現場管道的變形及開裂情況及ANSYS的模擬計算結果可知，當噴水積聚在管道底部時，管道截面溫度分布呈現上部和兩側溫度高而底部溫度低的特點，使得管道下部承受較大的軸向拉應力．管道上部承受較大的軸向壓應力，溫差引起管道上下部分變形的不一致，使管道中部凸起彎曲變形。

    噴水減溫時如果霧化不佳，部分水沉積在高溫管道下部，會造成內表面短時高的熱應力，反復熱循環將使下部內壁產生龜裂紋，在下部整體較高拉應力作用下（如前計算的拉應力262.1 M Pa，材料在該溫度的許用應力為153 M Pa，屈服強度為358 M Pa)．裂紋南內壁向外表面疲勞擴展，通常在管道的4點~8點范圍發生疲勞開裂。經常變換工況形成的疲勞應力使減溫管下部產生疲勞裂紋．是最終導致管道開裂的主要原因。

    基于以上分析結果，建議在減溫管底部設計合理的小流量常開型疏水管，以便及時排掉管道底部的凝結水。

    根據本文的研究結果，某電廠利用停爐檢修機會改善和優化了噴水減溫器的結構和性能，并在減溫管上、下部分別安裝了溫度測點，運行中發現積水時及時打開底部安裝的小流量常開型疏水管，排掉管道底部的積水。采取上述措施后，減溫管的疲勞開裂問題得以緩解。

5結語

    本文研究結果表明，再熱蒸汽減溫器的噴水水量大和霧化效果不佳所引起的積水．是造成減溫器減溫管疲勞開裂的主要原因。采取相應措施后可使問題得以緩解：有限元分析法有助于此類問題的分析和研究。