（热能工程专业论文）300mw自然循环锅炉汽包寿命的预测方法.pdf

摘要 摘要 近年来，随着我国国民经济的快速发展，用电的需求日益增加，电网容量 和峰谷差越来越大，就需要大容量机组参与调峰。在机组频繁启停和变负荷运 行中，锅炉汽包要承受由于压力变化引起的机械应力和剧烈的温度变化引起的 热应力，同时，在实际运行中，由于启动方式不能严格按启动规程所规定的启 动曲线运行，致使热应力超限，这些都必然加速汽包的疲劳寿命损耗。众所周 知，汽包是锅炉承压部件中最重要的部件之一，汽包中存储着几吨甚至几十吨 高温高压蒸汽和饱藕水，一旦汽包破裂发生爆炸后果将不堪设想。因此，对锅 炉汽包等受压部件寿命损耗进行估算在对于指导锅炉运行，提高火电机组的安 全性、经济性和现代化管理具有非常重要的意义。 本课题以3 0 0 m w 锅炉机组为例，采用三维有限元理论并利用国际大型通用 有限元计算软件a n s y s 9 0 ，对汽包的冷态启动、热态启动、快速冷态启动、正 常停机和锅炉灭火五种工况下的温度场、热应力场、机械应力场和总应力场进 行了计算与比较分析。在启停过程中，锅炉汽包金属壁内温度的变化和分布是 一个相当复杂的不稳定导热问题。因此，在对汽包进行三维有限元分析时，对 其模型进行简化假设，取1 4 汽包作为研究模型，在进行总应力计算时采用的是 熟一结构耦合的方法。本文通过计算分析得到了汽包所受机械应力和总应力的最 危险点是汽包与下降管联接的纵向截面内转角处，热应力最大值发生在汽水交 界面处。并将各工况下的温度场、应力场进行了分析比较，得出快速冷态启动 时的热应力、机械应力和总应力都是五种工况下最大的。 本文把应力计算得到的结果，根据美国a s m e 寿命估算方法和英国疲劳设计 瞌线进行寿命估算，得出：在冷态快速启停过程中，寿命损耗率是五种工况下最 大的，其次是热态启动，冷态启动，锅炉灭火，最小的是正常停机。因此，为 了减少汽包的疲劳损耗应尽量减少快速启停次数。 关键词：锅炉汽包；有限元；应力；疲劳寿命 东北电力大学硕十学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，a l o n gw i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to f o u rc o u n t r yn a t i o n a le c o n o m y , t h ed e m a n dw h i c hu s e de l e c t r i c i t yi n c r e a s e sd a yb yd a y , t h ee l e c t r i c a ln e t w o r k c a p a c i t ya n dt h ep e a kv a l l e yd i f f e r e n c ea r em o r ea n dm o r eb i g ，i tn e e d st h el a r g e c a p a c i t yu n i t st op a r t i c i p a t ea d j u s t i n gt h ep e a k i nt h ef r e q u e n ts t a r t sa n ds t o p sa n di n t h ec h a n g el o a dm o v e m e n t , t h eb o i l e rs t e a md r u mm u s tw i t h s t a n dt h em e c h a n i c a l s t r e s sc a u s e db yt h ep r e s s u r ev a r i a t i o na n dt h et h e r m a ls t r e s sc a u s e db yt h ef i e r c e t e m p e r a t u r ec h a n g e ，s i m u l t a n e o u s l y , i na c t u a lo p e r a t i o n ，b e c a u s et h e s t a r tw a yc a n n o t s t r i c t l ys t i p u l a t ea c c o r d i n gt ot h es t a r tc u r v er e g u l a t e db y t h es t a r tr u l e s ，u l t r ac a u s e s t h et h c r m a li o a dt oe x c e e dt h el i m i t , a l lo ft h e s ei n e v i t a b l ya c c e l e r a t et h ef a t i g u el i f e l o s so f s t e a md r u m ni sw e l lk n o w n t h es t e a md r u mi s t h em o s ti m p o r t a n to n eo f b o i l e rb e a r i n gp r e s s u r ep a r t s ，t h es t e a md r u md e p o i s i t ss e v e r a lt o n se v e ns e v e r a l d o z e n st o n so fh i g ht e m p e r a t u r e sa n dh i 曲p r e s s u r es t e a ma n ds a t u r a t e dw a t e r , o n c e t h es t e a md r u mw i l lb u r s tt h ed e t o n a t i o n ，t h ec o n s e q u e n c ec a n n o tb e a rc o n c e i v e t h e r e f o r e ，t oe s t i m a t et h el i f el o s so fb e a r i n gp r e s s u r ec o m p o n e n t sa sb o i l e rs t e a m d r u ma n ds oo n ，i nr e g a r d i n gt h ei n s t r u c t i n gb o i l e rm o v e m e n ta n de n h a n c i n gt h e t h e r m a lp o w e ru n i tt h es e c u r i t y , t h ee f f i c i e n c ya n dt h em o d e r nm a n a g e m e n ti sv e r y i m p o r t a n t t h i st o p i ct a k et h e3 0 0 m wb o i l e ru n i ta sa ne x a m p l e ，u s e st h et h r e ed i m e n s i o n a l f i n i t ee l e m e n tt h e o r ya n du s ei n t e r n a t i o n a l l a r g e - s c a l eg e n e r a l f i n i t ee l e m e n t c o m p u t a t i o ns o f t w a r ea n s y s 9 0 ，c a l c u l a t e st h et e m p e r a t u r ef i e l d s ，t h et h e r m a ls t r e s s f i e l d ，t h em e c h a n i c a ls t r e s sf i e l da n dt h et o t a ls t r e s sf i e l do ft h es t e a md n m ac o l d c o n d i t i o ns t a r t t 1 1 et h e r m a ls t a t es t a r t e d , t h ef a s tc o l d - c o n d i t i o ns t a r t ，也en o r m a l e n g i n es t o pa n dt h eb o i l e ro u tf l r e ，f i v ek i n d so fo p e r a t i n gm o d e s ，a n dh a sc a r r i e do n t h ec o m p u t a t i o na n da n a l y s i s i ns t a r ts t o p sp r o c e s s e s ，m e t a lw a l lt e m p e r a t u r ec h a n g e a n dt h ed i s t r i b u t i o ni nt h eb o i l e rs t e a md r u ma r eaq u i t ec o m p l e xu n s t a b l eh e a t c o n d u c t i o nq u e s t i o n t h e r e f o r e ，w h e nc a n i n go nt h et h r e ed i m e n s i o n a lf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i st ot h es t e a md r u m ，p r e d i g e s ta n dh y p o t h e s i z ei t sm o d e l ，t ot a k e 1 4s t e a m d r u ma st h er e s e a r c hm o d e l ，p u tt h et e s tt e m p e r a t u r ed a t aa st h eb o u n d a r yc o n d i t i o nt o c a r r yo nt h ec o m p u t a t i o n w h e nc a r r i n go nt h et o t a ls t r e s sc o m p u t a t i o n ，u s e st h eh o t s t r u c t u r ec o u p l i n gm e t h o d t h r o u g ht h e c o m p u t a t i o na n da n a l y s i st or e c e i v et h e m o s t d a n g e r o u sp o i n ti nt h em e c h a n i c a ls t r e s sa n dt h et o t a ls t r e s so f t h es t e a md r u mi st h e p l a c ej o i n e di nt h es t e a md r u ma n dt h eg a sd o w nt a k er e e n t r a n tc o m e rp l a c e ，t h em o s t t h e r m a ll o a dp l a c eo c c u r r e di nt h es t e a ma n dw a t e ri n t e r f a c ep l a c e a n da n a l y z ea n d c o m p a r et h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h es t r e s sf i e l do fv a r i o u so p e r a t i n gm o d e so b t a i n s t h et h e r m a ll o a d , t h em e c h a n i c a ls t r e s sa n dt h et o t a ls t r e s so ft h ef a s tc o l dc o n d i t i o n s t a l ta l ea l lb i g g e s tu n d e rf i v ek i n do f o p e r a t i n gm o d e s t h i sa r t i c l et h eo b t a i n e dt h es t r e s sr e s u l t s ，e s t i m a t et h el i f ea c c o r d i n gt ot h e a m e r i c a na s m el i f ee s t i m a t em e t h o da n dt h ee n g l i s hf a t i g u ed e s i g nc u r v et oo b t a i n ： i ne n i dc o n d i t i o nf a s ts t a r ts t o pp r o c e s s ，t h el i f ea t t r i t i o nr a t ei sb i g g e s tu n d e rf i v e k i n d o fo p e r a t i n gm o d e s ，t h en e x ti st h e r m a ls t a t e ，c o l dc o n d i t i o n , t h eb o i l e ro u t f t r e ， t h es m a l l e s ti si nt h en o r m a le n g i n eo f f t h e r e f o r e ，i no r d e rt or e d u c et h es t e a md r u m t h ef a t i g u el i f e ，t ob es u p p o s e dt or e d u c et h en u m b e r so ff a s ts t a r ts t o p sa sf a ra s p o s s i b l e k e y w o r d s ：b e ii e rs t e a md r u m ；f i n i t ee i e m e n t ；s t r e s s ：f a t i g u e ii f e i t i 论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。 文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法 律意义上己属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申 请的论文或成果。 本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果： i 交回学校授予的学位证书； 2 学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报； 3 本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害， 进行公开道歉； 4 本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。 论文作者签名： 量豳盈 日期：立立一年l 月匕日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属东北电 力大学。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时， 署名单位仍然为东北电力大学j 论文作者签名：兰殛丝 锄签名：i 丑度 日期：塑2 年乙月上日 日期：幽年立月盟日 第l 章绪论 第1 章绪论 本章介绍本课题研究的背景和意义、与本课题相关的国内、国外文献综述 以及本文所做的工作。 1 1 课题的背景和意义 近十几年来，随着我国国民经济的快速发展，用电的需求日益增加，使得用 电结构发生了很大的变化。电网容量和峰谷差越来越大，就需要大容量机组参 与调峰。在机组频繁启停和变负荷运行中，锅炉汽包要承受由于压力变化弓f 起 的机械应力和剧烈的温度变化引起的热应力，同时，在实际运行中，由于启动 方式不能严格按启动规程所规定的启动曲线运行，致使热应力超限，这些都必 然加速汽包的疲劳寿命损耗。此外，由于高参数、大容量的锅炉汽包直径和壁 厚都比较大，在机组启停和变负荷过程中，特别是机组事故情况下，较快的升 压降压速度都会使汽包材料所承受的机械应力发生很大变化；同时，较快的升 温降温速度又会使汽包内外壁面、上下壁面产生较大的热应力，而且应力变化 幅度也较大，频繁交变的机械应力和热应力将使金属材料产生的疲劳损伤增大， 缩短锅炉汽包的使用寿命。 另外，汽包还存在各种形式的高应变区，如焊口部位、开孔或接管附近的 区域、焊缝存在缺陷的部位等，这些区域的应力集中系数较高，其峰值应力可 能达到屈服强度的两倍以上。 当前大型火电机组发展的两个重要方向是： 1 为了提高电站热效率，蒸汽参数往高温高压( 亚临界、超临界) 发展。 2 ，为了适应电网负荷调节的需要，所设计的大型机组和某些现役机组需要承担 中间负荷，因而锅炉启停频繁，负荷调节幅度大，负荷变化大“1 。 由于以上原因，导致锅炉受压部件壁厚增加，应力交变工作条件恶化，造 成低温区域厚壁元件的低周疲劳损伤和高温区域厚壁元件的蠕变损伤的重叠损 伤，造成材料的素性变形、组织恶化和机械性能降低而引起裂纹甚至导致破坏。 东北电力大学硕士学位论文 因为关系到安全运行和经济运行的问题，所以，我国对厚壁元件的寿命管理越 来越重视。众所周知，汽包是锅炉承压部件中最重要的部件之一，汽包中存储 着几吨甚至几十吨高温高压蒸汽和饱和水，一旦汽包破裂发生爆炸后果将不堪 设想。事实上，国外电站锅炉的汽包等厚壁部件中已出现过低周疲劳损伤的实 例。在我国同样存在这个闯题，许多火力发电机组都是2 0 世纪5 0 ，6 0 年代建成 投入运行的，这些老机组运行到今天，大部分都超过了它们的设计寿命，所以 锅炉承压部件的寿命问题在我国也较为突出。这一问题已引起了人们的高度重 视，并从不同的技术方面进行了大量的研究工作。其目的在于：通过对锅炉机 组的主要运行参数及必要的监控数据进行在线监测和对汽包等受压部件的实际 寿损耗进行在线分析计算，为电厂进行寿命损耗提供重要依据。因此i 对锅炉 汽包等受压部件寿命损耗进行估算在对于指导锅炉运行，提高火电机组的安全 性、经济性和现代化管理具有非常重要的意义。 1 2 文献综述 本文根据所做工作的需要，查阅了大量中外有关的文献和资料，下面按汽包 温度场、应力场和汽包寿命估算方法来介绍与汽包有关的中外文献。 1 2 1 关于汽包的温度场 在启停过程中，锅炉汽包金属壁内温度的变化和分布是一个相当复杂的不 稳定导热问题。温度沿汽包的径向、周向和轴向都具有随时间而改变的温度梯 度，内外壁面处的放熟过程是相当复杂而又不稳定的，而且汽包上的各种开孔 对传热的影响也很不一致。一维简化处理的方法是：假定汽包温度只沿径向变 化，沿周向和轴向的温度梯度为零。二维的简化处理的方法是：假定汽包壁内 的温度沿圆筒的轴线方向没有变化，即温度只沿圆筒的半径和圆周方向变化。 这样把一个三维的不稳定导热问题简化为一个二维问题。再将这个二维问题分 解成两个一维问题，即把汽包壁看作为温度只沿圆周方向变化的薄壁筒和只沿 半径方向变化的厚壁筒。 国内、外已有的研究结果在沿汽包周向和径向变化的温度分布对汽包壁热 第1 章绪论 应力的影响做出了贡献，并提出了不少计算温度场及应力场的模型，这些模型 不足的是把内外壁温差和上下壁温差产生的热应力孤立起来，分别按一维问题 计算，然后迭加。国内，杨百勋和李余德研究了二维瞬态温度场和应力场的计 算方法并将其结果与一维解进行了比较分析，得出二维非稳态温度场并非等于 径向和周向简单迭加，与一维相比，切向热应力最大高出3 0 6 5 。因此，使用 一维模型得到的结果评价汽包安全性是危险的。三维模型比二维模型更接近于 实际情况。余艳芝、陈汝庆利用有限元分析方法对h g 6 7 0 1 4 0 锅炉汽包壁三维温 度场应力场进行了计算分析，建立了三维非稳态温度场的模型用程序进行了计 算，并对不同工况进行了分析。 1 2 2 关于汽包的应力场 对于锅炉的部件，特别是锅炉汽包这类厚壁容器，在启停及变负荷运行等 不稳定工况下，由于汽包内外壁温度不同，会在汽包壁内部产生热应力。如锅 炉启动时，汽包内壁温度高于其外壁温度，内壁膨胀受到外壁的限制，因而产 生热应力( 称为径向温差热应力) 。另外，汽包上半部金属与汽相接触，下半部 金属与水相接触，由于汽和水对汽包内壁的放热系数不同，所以造成汽包上下 壁之间温度分布不均匀，因而造成热应力，通常称作上下壁温差热应力。 在国内，赵铁成、沈月芬等以国产3 0 0 m w 机组为例采用三维有限元方法对 汽包及下降管三通的内压力进行了计算，得出了内压应力集中状况，对传统的 疲劳寿命计算方法中内压机械应力的计算方法提出了改进建议在影响锅炉汽包 壁内的应力水平的载荷中，内压是最主要的，并提出传统的方法对机械应力的 处理方法偏于保守。商福民等人选用长春第二热电厂2 号炉h g 1 3 7 - y m 9 为计算 模型进行了三维应力场的计算，利用二十节点等参单元法，计算了锅炉启停过 程中的热应力，得出有关上下壁温差理论；上下壁温差在锅炉启停过程中主要 产生轴向热应力；汽包的强度主要通过汽包内压所产生的机械应力反映等等。 但是他们是采用准稳态温度分布下的应力场来代替整个启停过程中的瞬态过 程，忽略其轴向温差，这就必然使计算结果与实际情况有较大偏差。 国外，t a l e r j 介绍了一种新的计算锅炉启动时的汽包瞬态热应力方法。这 种方法是需要通过测量得到汽包上的时空分布规律，然后利用有限元法来计算 出热应力的分布规律嘲。 在计算锅炉汽包的应力时，由于汽包总是处在复杂载荷交替的作用下，目 前通常是对汽包模型进行简化只考虑热应力和汽包的工作内压力综合作用下的 结果。汽包总应力并不是热应力和机械应力的简单迭加而应该是两者的矢量和。 1 2 3 关于汽包的疲劳寿命的估算方法 在校核的标准上，我国一直采用国外的标准，如美国a s m e 标准，德国 t r d 3 0 1 标准和英国b s 5 5 0 0 标准“1 。1 9 9 8 年7 月国家公布了“水管锅炉锅筒低 周疲劳寿命计算”的标准方法，列入国家标准g b 9 2 2 2 8 8 ，其计算方法的基本原 理与国外同类标准原理是一样的。 2 0 世纪五十年代中期，通过变控实验c o f f i n ”1 和m a n s o n 等人对低周疲劳进 行了广泛研究，建立了反应塑性应变幅。和疲劳寿命，关系的c o f f m - m a n s o n 公式：8 。n ，= c 。2 0 世纪5 0 年代出现了外推精度较高的时间一温度参数外推 法0 1 ，当时最著名的参数外推公式是：7 ( c + l g d = p ( o ) 。 近年来，高温构件寿命预测方法已由持久强度为主要指标的传统方法已经 转向以蠕变形变量为主要指标的方法。1 9 8 5 年，英国学者e v a n s 等人提出了一 种被称为0 法的蠕变数据处理方法，该方法基于蠕变过程的物理模型提出了描述 整个曲线的特征方程，这种方法精度较高。1 。疲劳和蠕变同时作用下的寿命估算， 最简单的方法是t a r i a 提出的简单求和法( 也称线形累加法) 即把疲劳和蠕变看 成是互不相关的两个独立因素分别求出其寿命损耗再简单相加，在此基础上各 国研究人员对其加以修正使之准确性明显提高。 2 0 世纪7 0 年代后期，随着损伤力学的发展人们开始重视使用金属材料损伤 模型进行寿命预测。k a c h a n o v 首先提出了“连续介质因子”和“有效应力”的 概念，经l e m a i 廿e ，c h a b o c h e 和k r a a j c i n o v i c 等发展成为连续介质损伤力学。 近年来，在这方面国内外学者进行了卓有成效的工作。西安交通大学能源 与动力工程学院热能工程系多年从事此项工作，还与华北电力大学吕邦泰老师 合编了锅炉承压部件强度及寿命教材“”，其主要内容是介绍锅炉壁厚承压 部件因疲劳和蠕变造成的寿命损耗的计算方法。 目前，评价汽包材料低周疲劳寿命的传统方法有两种；一种方法是在一系 第1 章绪论 列的循环载荷下，测得无裂纹光滑试件的相应的断裂循环次数，由此获得前述 的应力与寿命的关系曲线或应变与寿命曲线。只要计算或实验测出汽包上峰值 应力区的应力幅o 。( 或应变幅值2 ) ，就可以在已设计好的疲劳曲线上找出对 应的断裂循环周次。另一种方法是利用断裂力学的方法研究裂纹在循环应力 作用下的扩展速率d a a ，从而可以求得裂纹由原始尺寸龟扩展到临界尺寸 所经历的循环次数。该方法用于估算带裂纹部件的剩余寿命是相当有效的，但 由于该方法需要原始裂纹详细的几何数据、材料的断裂韧性等，而要精确地测 定这些数据，目前还较困难。因此，锅炉汽包寿命的校核计算，通常用前一种 方法。美国、英国、德国都有各自的疲劳校核计算标准方法。这些方法的原理 基本相同，主要区别是选用的强度理论不同，美国和英国采用的是最大剪应力 的第三强度理论，而德国的标准采用的是第一强度理论。本课题的疲劳寿命计 算方法选取的是美国a s m e 的疲劳寿命估算方法，即同时考虑接管纵向截面内转 角和其横向外转角两处的寿命。计算中不仅考虑了径向温差热应力，还考虑了 周向温差热应力。 近年来，在这方面国内外学者进行了卓有成效的工作。d o u g l u s j s m i t h ， t h o m a s c e l l i o t t 和r o b e r t s w a n e k a m p 建立了电站锅炉在线监测与诊断系统；盛 小红等开发了一套锅炉专家系统；袁镇福等研制了电站锅炉启动指导装置，这 些工作对于提高电站锅炉的安全管理和自动化水平具有重要作用“”。李斌、陈 听宽、沈月芬针对电站仿真机与实际参比机组在系统及显示参数方面一致的特 点，利用仿真机的运行参数对汽包在锅炉热态启动过程中应力随时间变化和应 力分布进行了仿真研究并编制了汽包应力分布的在线监测系统。杨百勋、李余 德针对现有温度场及应力场的模型的不足将复杂的三维非稳态导热问题简化为 二维问题并与一维结果进行了比较“”。 1 2 4 汽包寿命方法存在的问题 以上文献中所介绍的计算方法都是建立在一个理想的启停过程和运行假设 成分，而在实际的启停过程和运行过程中，锅炉汽包内的换热情况和温度变化 情况很复杂，仅仅通过上述文献中的假设计算方法很难使计算结果达到较高的 精度。因此使用这些方法只能大概估算锅炉汽包的疲劳寿命损耗趋势，而却不 东北电力大学硕七学位论文 能很好地准确地反映锅炉汽包寿命损耗情况。寿命监测与控制方面代表着一个 主流方向。但是这个主流方向已取得的成果，还并不能说完全能满足工业上的 需要。 首先是疲劳强度基本理论的不完善。目前广泛采用的基于应力一应变循环 和损伤的线性累加原则的各国工业标准虽然经过长期的生产实践表明可以保障 机组安全性，但是精确性方面还大有潜力可挖。要从根本上实现寿命的监测与 控制，疲劳破坏理论的进一步完善是十分必要的。鉴于新的疲劳破坏理论和模 型还不能为工业界和政府安全管理部门所接受，目前的寿命监控仍然只是在现 行工业标准下挖掘有限的潜力，所产生的阶段性成果主要来源于原有的设计和 运行方式过分追求安全面对现行工业标准应用不足。探索更科学的强度理论并 改进现有的工业标准中的设计曲线是一个需要长期工作的任务。 其次是用于在线监测的模型精度问题。精确的寿命监测对设备的状态维修 具有关键性的意义。疲劳的在线监测目前并没有直接的传感器，而是通过对部 件危险点的应力历程的测量来间接实现的。由于火电厂大型动力机械的部件的 运行环境恶劣，普通应变片无法长期运行，所以应力的测量一般也是间接的。 于汽轮机转子和锅炉这样的部件一般都是采用温度传感器来测量温度场的变 化，进而根据一定的模型推测热应力，再加上其他方法获得的机械应力，得出 整体的应力水平。整个过程的中间环节很多，每个环节的精度都需要得到保证。 一般工业标准对于应力，尤其是热应力的计算方法并没有强制的规定，所建议 的算法只是为了方便工程人员的使用，精度也不高。所以，目前研究工作的一 个方面就是提高所用应力模型的精度“。 1 3 本文所做的工作 本课题以3 0 0 m w 锅炉机组为例，取1 4 汽包作为研究模型，采用三维有限元 理论并利用有限元计算软件a n s y s 9 0 ，对汽包的冷态启动、热态启动、快速热 态启动、正常停机和锅炉灭火五种工况下的温度场、应力场进行了计算。再把 应力计算得到的结果根据英国疲劳设计曲线，用累积损伤法进行寿命估算。 1 建立模型 在建立1 4 汽包实体模型之后，由于本课题所进行的是热应力计算，确定了相对 第1 章绪论 应合适的单元类型八节点六面体单元s o l i d 7 0 ，再对材料参数及属性进行了设 置，并对模型进行网格划分。 2 温度场分析 本文是采用第一类边界条件将实际测得的温度施加于l 4 汽包壁上，用有限元分 析软件a n s y s 对其进行温度场的计算，并对五种工况下的湿度场的分布情况进 行了分析比较。 3 应力场分析 在进行完温度场分析后，将单元类型转换为结构单元s o l i d 4 5 ，旌加完位移约束 后再将前面温度场计算的结果作为载荷施加在模型上，并计算出各个工况的热 应力场。机械应力场是只在汽包内壁上施加实测的压力进行计算。总应力场是 在机械应力的基础上施加温度载荷得到的。 4 寿命估算 将计算得到的结果按美国a s m e 方法和英国疲劳设计曲线对汽包寿命进行估算， 得到五种工况下的疲劳寿命损耗，并对它们进行分析比较。 第2 章锅炉汽包温度场和应力场模型的建立 2 1 建立温度场的模型 本文以3 0 0 m w 锅炉机组为例，对其汽包的温度场、应力场和危险点处的总 应力进行了计算。 圆筒形部件可分为薄壁和厚壁来计算，当内外径之比b 1 2 时则属于薄壁 圆筒，对于锅炉汽包来说，b 一般都小于1 2 ，但是在进行疲劳计算时关键是最 危险点处的应力值，如果最危险点安全了那整个汽包就处于安全状态，因此锅 炉汽包应按厚壁圆筒来计算“4 。 在启停过程中，锅炉汽包金属壁内温度的变化和分布是一个相当复杂的不 稳定导热问题。温度沿汽包的径向、周向和轴向都具有随时间而改变的温度梯 度，内外壁面处的放热过程是相当复杂又不稳定的。而且，汽包上的各种开孔 对传热的影响也很不一致。要精确地求解出汽包壁内的不稳定导热方程，目前 国内外都是从不同角度首先进行简化处理，然后再完成计算过程。所以，建立 正确的数学模型，同时进行适当的简化处理，就显得尤为重要。 因此在对汽包进行三维有限元分析时，对其模型进行简化假设如下“”： 1 根据汽包的对称性结构，取1 4 进行分析，并在对称面上施加相应的位移约束 条件； 2 筒身除了下降管开孔以外其它开孔不予考虑； 3 汽包内壁只受均匀压力不考虑其它载荷影响。 2 1 1 不稳定导热方程 在直角坐标系中，汽包三维非稳态温度场的有限元方程“”： ( 丽a 2 t 芬+ 争叩c ，詈 ， 初始条件：t ( x ，y ，z ，t o ) = 兀以弘z ) 第2 章锅炉汽包温度场和戍力场模型的建屯 边界条件： 7 1 r i = 乃( f ) 一九竽l r = g ( 力 - x 面a t i r | = a i t ( f ) 一髟) 】 式中九一导热系数, k j l ( r a ) 5 p 一金属材料的密度，k g t y t 3 ； c ，一比热，i d ( i g ) ； a 一热扩散率； r 。，r 2 ，l 三类边界条件。 前面导出的f o u r i e r 方程式是支配导热现象的一种数学表达式。这个方程式指 出了存在于物体的各种导热现象必须遵循的客观规律。然而它不可能告诉我们 各种具体条件下物体的温度分布，只有具备了传热学中的单值性条件或定解条 件后，物体内的温度分布才能被唯一地确定下来。 单值性条件一般指几何条件、物性条件、时间条件和边界条件。几何条件 即物体的形状和尺寸。原则上有两种：一种是有规则的，如平板、圆柱、圆筒 和球等；另一种是无规则的，即不能用简单的数学形式予以表示。物性条件即 材料的热物理性能，也可分为两类：一类是常物性，即物性参数与物体的温度 和取向无关：另一类是交物性的，即物性参数随温度和材料的取向不同而不同。 时间条件又称初始条件，是指某一时刻物体内的温度分布。时间条件有两种给 定方法：一种是温度场不随时间而变化( 或近似地不随时间而变化) ，整个导热 问题退化为求稳定温度场的问题，这时时间条件自行消失：另一种是温度场随时 间而变化，但给出某一时刻物体内各点的温度。 边界条件即物体边界上的换热条件。在实际的换热问题中可分为四类边界 条件： 第一类边界条件是给出了导热物体边界上各点的温度值，即 tw=(2-2) 第二类边界条件是给出了物体边界上各点温度沿边界法向的导数，即 宴i 。：p ： ( 2 _ 3 ) = 一w = p 2 t j z jj 第三类边界条件是给出了物体边界上各点温度与沿边界法向导数的线性组 合，即 a 。o + a ：罢i 。：p ：( t ) ( 2 - 4 ) 第四类边界条件是给出了物体表面与周围介质按照导热规律进行热交换或 者相互间有接触( 接触表面温度相同) 的物体内的热交换，即 九，嚎沪k 白。 ( 2 - s ) 式中九，九。为介质和物体的导热系数。 2 1 2 汽包温度场的有限元方法 在给出了上述单值性条件后，物体内部的温度场就被唯一地确定了下来， 下面的问题是如何求解这个温度场。 有限元方法的整个结构的温度方程o ”： 【k 】 t ) = 只 ( 2 6 ) 式中， t = 互，五，五， 7 ，称为节点温度列阵；t p , ) = b ) 8 ，称为 与温度有关的总右端列阵；【墨 = 七 。，称为结构的总温度刚度矩阵 f 2 2 汽包的力学理论 在材料力学中，应力产生的根本原因通常只考虑外力的作用。然而，对于 锅炉、汽轮机、化工设备及其它热力机械的许多零部件，都是在一定的温度条 件下工作的，这些部件的变形不仅仅是由外力引起的，而且也可能由于温度变 化或温度分布不均引起。所以，在这些部件内部，除了有由于外力作用引起的 机械应力外，还有由于温度分布不均或者膨胀、收缩不均引起的热应力。2 4 1 。 第2 章锅炉汽包温度场和应力场模型的建屯 2 2 1 应力集中 对于锅炉的承压部件，在它们的寿命期限内，必定有多次的冷态启停、热 态启停及变负荷运行等不稳定工况。这时，锅炉承压部件不但要承受稳定不变 的载荷( 额定工作压力玎) 所引起的稳定不变的机械应力的作用，而且还要承受循 环内压和温度所引起的循环机械应力和热应力的作用，即锅炉的承压部件是在 循环应力下工作的，只不过应力循环的频率比大多数机械零件应力循环的频率 低得多。对于塑性较好的钢材制成的锅炉承压部件，如果只是承受稳定不变的 应力作用，则部件上局部地区的应力集中对部件的强度影响不大。但是，在循 环应力的作用下，则会在部件的应力集中区萌生疲劳裂纹，随后裂纹不断扩展， 最终导致部件泄漏或疲劳破坏。对于调蜂的锅炉机组，由于启停快速而频繁， 部件将承受幅度更大、频率更高的循环应力作用，所以疲劳破坏已经成为调峰 机组部件失效的主要原因之一1 。 应力集中的程度取决于部件的受力状态和孔的形状。计算和整理各种形状 的孔在不同受力状态下的应力集中系数，采取行之有效且简单易行的措施，会 使部件的应力集中得到缓和( 即降低应力集中系数) ，这对锅炉承压部件的设计、 疲劳寿命的估算、制造以及在使用过程中可能出现的问题进行改进，都具有十 分重要的意义。 在锅炉汽包与下降管的结合处，由于几何形状的突变以及焊接的影响，在 结合处形成二次应力，某些地方的应力较汽包筒体本身的应力要大得多。该地 方是复杂的三维应力状态，一方面边界条件较难确定，另一方面几何结构较复 杂，理论上的求解比较困难。给出了一种汽包筒体与接管相贯处的应力、位移 场的近似求解方法。筒体与接管的应力、位移场是以含待定常数的无穷级数描 述的。在满足工程精度的前提下，可适当截取一定的级数项，在相贯线上选取 适当数量的点，在这些点上满足边界条件，以此求得有限个待定常数及相应的 近似解。尽管这个方法理论上较为完美，但在求解上比较麻烦，同时这种理论 上的求解没有考虑焊接的影响，不太适合实际的情况。为安全起见，仍然采用 工程中常用的应力集中系数来考虑危险点的应力值。 另外，在汽包的下降管接头处会存在焊接残余应力，此应力是自平衡力系， 东北电力大学硕士学位论文 对于交变载荷来说，焊接残余应力是一种平均应力，而平均应力在低周疲劳寿 命计算中是不起作用的，而且，焊接残余应力会随着运行时间的增加而逐渐松 弛。水压试验对焊接残余应力的松弛也是有利的。从焊接残余应力的性质来分 析，其对汽包整体韵强度和低周疲劳的影响不会太大。而在脆断过程中将起着 比较重要的作用删。 2 2 2 在内压作用下汽包所受的应力 在机组运行时，汽包压力会随着机组负荷的变化而变化。在负荷变动过程 中，当蒸汽流量大于蒸发区的产汽量时，汽包压力下降，蒸发区中饱和水温度 和焓下降，金属温度也下降，从而放出一些热量使一部分饱和水蒸发，这部分 蒸汽是由蒸发区蓄热量变化而产生的，即对汽包压力的影响除燃烧和汽水工质 方面的原因外，还与汽水系统的金属蓄热情况有关。因此，对汽包压力动态特 性的分析要综合个方面的因素，来较全面地反映汽包压力的变化规律内压作用 下汽包的应力。 设汽包的内半径为a ，外半径为b ，令半径比k = b a ，则内压尸作用下的 应力分布根据拉梅公式： 上式中o ，a 。，a ；分别为径向，周向和轴向的应力，m p a 。 ( 2 - 8 ) 酽，酽， 去击击 q 吒 第2 章锅炉汽包温度场和应力场模型的建屯 下式为应变一位移方程。”： 主应力的矩阵方程： t o b o f 0 ： ： 墨! ! 二出 ( 1 + t t x l 一2 山 l “ 1 一“ l l l 一“ 0 c 3 u o r ” ， a v o z o uo v 一一 o zo r o r , o e ，o ：一是径向，环向，和轴向的应力，m p a ： e 一弹性模量，m p a ； p 一泊松比。 表2 一l 汽包内外壁所受应力表 ( 2 - 9 ) ( 2 - 1 0 ) 应力内壁处外壁处 任一半径处 p0 南怍 o 。 尸塑 p 王 丙i h _ j 7 b 2 ) k 2 一l k 2 一l a z p 土p 土 尸西1k 2 1k 2 1 - 1 3 - o o 寺专 上， 。器 1 o卫h 。 东北电力大学硕士学位论文 2 3 建立应力场的模型 汽包最危险点的三个主应力，环向应力o 。、轴向应力o ：、径向应力a ，： 圣擎- 02 咿 m a ：=2 6 神 ( 2 1 1 ) o r = 一pl 2 3 1 汽包的热应力 汽包由于来自省煤器的给水温度与从上升管进入汽包的汽水混合物温度的 差异以及水空间与汽空间的放热系数和温度不同，造成沿汽包环向温度分布的 差异，从而在汽包内引起热应力。汽包的约束条件可以认为，在上下母线之间 产生温差时，汽包沿轴向是自由的，而弯曲则受连接在汽包简体上的管子的限 制，但是，这个限制是比较小的。上下壁温差在汽包筒体部分所造成的热应力， 主要是轴向应力，而切向应力和径向应力都比轴向应力低一个数量级，因此， 可以忽略不计。求取轴向热应力时，首先假定汽包两端是固定的，即汽包的伸 长和弯曲是完全被限制的，则在汽包内将产生轴向热应力。 但实际上汽包两端是自由的，在温度分布的作用下，将由于各纵向纤维之 间的膨胀不均匀性而产生热应力，但在汽包的两端应该是没有热应力的。由温 差引起的热应力，对应力变化幅值影响较大。在点炉过程中，汽包壁为升温过 程，汽包壁内外温差是由内壁向外壁按抛物线形逐步降低，而导致汽包壁上下 壁温差的主要原因为在升压过程中汽包上半部的饱和蒸汽对汽包壁进行凝结放 热，汽包下半部的炉水对汽包壁进行对流放热所致。但凝结放热系数比炉水的 对流放热系数大2 3 倍。因此，汽包上半部受热强烈，温度高；汽包下半部受 热相对较小，金属温度较低。由此而产生的热应力，在汽包上半部为压缩应力， 在汽包下半部为拉伸应力。停炉时，汽包壁是降温过程，汽包的冷却主要靠水 循环带出热量，汽包上半部由于降压后的凝结放热，降温较慢，造成上下部温 窿的不均匀，使温差增大。此外，谷值应力出现在启动初期温差最大时，而峰 值应力则出现在停炉或降负荷期间温差最大时嘲1 。这种峰谷值应力产生的热交 变应力范围和内压力产生的应力范围会导致汽包的疲劳损伤，是计算寿命损耗 第2 章锅炉汽包温度场和应力场模型的建立 值的主要依据。 2 3 1 1 汽包轴向热应力 汽包所受的轴向热应力公式如下啪1 ； t = a , e - t ( 0 ) + b o + 馋c o s o 】 ( 2 1 2 ) 甘由 2 妻，( o ) 磊d 其中 冗； 岛2 詈，( o ) c o s o d 。 o 【，热膨胀系数，l ，5 e 一弹性模量，m p a ； y 一弯曲受阻系数； 2 ，3 1 2 汽包径向温差热应力 由于可将汽包看作一个长圆筒体，其温度分布对称于圆筒的轴线z 轴，且只 是半径，的函数，即t = f ( ，) 。因此，热应力也是轴对称的，即环向应力a 。，轴向 应力o ：及径向应力a ，都与坐标0 和z 无关，只与坐标，有关。并设轴向应变：o 即平面应变问题。 求解厚壁长圆筒热应力的方法很多，最方便的方法是以位移作为未知量， 建立微分方程，求出位移函数，再由几何方程求得各应力分量，然后利用应力 应变关系的物性方程求解应力分量。最终求得的热应力的表达式为； q = 错吣疹b 切 o 。一羔等删+ 等沁旷z 灯朋( 2 -