（轮机工程专业论文）碱回收锅炉受热排管应力分析与汽包寿命估算研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着人类文明的不断发展，现代社会对纸张的需求量越来越大。由造纸企业 所产生的黑液，如果不加处理就任意排放，势必会对江河湖泊造成严重的污染。 利用碱回收锅炉处理黑液，不仅可以充分回收黑液中的碱，而且可以利用黑液中 有机物的燃烧以产生工业用蒸汽，产生二次效益。因此碱回收锅炉不仅对提高造 纸过程的经济效益有重大作用，而且是改善和控制造纸厂污染必不可少的设备。 为了提高碱炉的关键部位高温过热器、省煤器管道运行的可靠性，准确 预测锅炉汽包的剩余寿命，以至最终指导碱回收炉的正常运行和维修，本文以 w g z 2 2 0 6 8 1 型碱回收锅炉受热排管为研究对象，在厂家设计数据和提供的初 步方案的基础上，对排管的温度场、应力场以及汽包的剩余寿命估算等方面进 行了多学科的交叉研究。文章主要从以下几个方面进行了探讨： 首先，通过设计8 种不同的尺寸方案，在锅炉机组热力计算标准方法( 7 3 年) 所推荐的壁温计算方法的基础上，运用a n s y s 软件编制了相应的a p d l 程序， 计算了各种不同方案下二维和三维受热排管的温度场，并找出了它们的分布规律。 其次，在温度场己知的基础上，运用间接法( 即指先进行热分析，然后将 求得的节点温度作为体载荷施加到结构应力分析中) 求解出受热排管在各种不 同设计方案下的应力场，对其第1 0 根和第l l 根管子上的各种应力进行了比较， 探讨了它们各自的分布规律，找出影响应力大小和分布规律的主要因素。然后 根据生产厂家的设计要求和实际制造的可行性，提出了去除中间大肋板的最优 设计方案。这与国外类似锅炉为降低热应力在各管间鳍片上开孔的方案对比， 效果相同，但工艺简单而且节省原材料。 最后，本文根据厂家所设计的工况要求，运用a n s y s 软件对碱回收锅炉汽 包应力进行了计算，预测了汽包使用寿命；依据各国不同疲劳设计曲线，对 a n s y s 计算结果进行了验证，并运用各国标准的设计曲线对汽包寿命进行了比 较。最后提出了四种提高汽包寿命的有效措施。 关键词：碱回收锅炉受热排管应力分析优化设计寿命 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ec o n s t a n td e v e l o p m e n to ft h eh u m a nc i v i l i z a t i o n ，t h em o d e ms o c i a l d e m a n df o rp a p e ri sb e c o m i n gl a r g e ra n dl a r g e r b l a c kl i q u i dp r o d u c e db yp a p e r m i l l ， i f n o t 幻b ed e a l tw i t ha n dd i s c h a r g e da tw i l l ，c e r t a i n l yw i l lc a u s es e r i o u sp o l l u t i o nt o t h er i v e r sa n dl a k e s a n da l k a l ir e c o v e r yb o i l e rd e a l i n gw i t ht h eb l a c kl i q u i dc l x t ln o t o n l yf u l l yr e c o v e rt h ea l k a l i n ei nt h eb l a c kl i q u i d ，b u ta l s ou t i t i z eb u r n i n go ft h e o r g a n i cm a t t e ri nb l a c kl i q u i di no r d e rt op r o d u c et h ei n d u s t r i a ls t e a m a n dg e tb e n e f i t t w ot i m e s t h e r e f o r ei ti sg r e a tb e n e f i c i a lt oi m p r o v et h ee c o n o m i cb e n e f i t so ft h e p a p e m a a k i n gc o u r s ea n dt h ee s s e n t i a le q u i p m e n to f p o l l u t i o n c o n t r o l l e do f p a p e rm i l l i no r d e rt oi m p r o v et h ed e p e n d a b i l i t yo ft h ek e yp o s i t i o no ft h ea l k a l ir e c o v e r y b o i l e r 一u - t h eo v e r h e a t e de v a p o r a t o ra n de x h a u s tg a se c o n o m i z e r , p r e d i c t i n gt h e l i f e s p a n o ft h eb o i l e rd r u ma c c u r a t e l y , a n di n s t r u c t i n gt h en o r m a lr l l n u i n gm a d m a i n t a i n i n g o fa l k a l i r e c o v e r y b o i l e r f i n a l l y , m u l t i d i s c i p l i n a r y r e s e a r c ho n t e m p e r a t u r ef i e l d ，s f f e s sf i e l do fh e a t e dt u b es h e e t sa n dl i f e s p a no f b o i l e rd r u ma r e c a r r i e do u to nt h eb a s i so fp r o d u c e r sd e s i g nd a t aa n do r i 垂n a lp r o g r a mo f f e r e dw i t h t h em o d e lw g z 2 2 0 6 8 一ia l k a l ir e c o v e r yb o i l e r t h ea r t i c l eh a sp r o b e di n t os e v e r a l f o l l o w i n gr e s p e c t sm a i n l y ： f i r s to fa l l ，t h r o u g hd e s i g n i n g8k i n d so fd i f f e r e n ts i z es c h e m e s ，o nt h e f o u n d a t i o r ro fw a l t l lc o m p u t i n gt e c h n o l o g yo fw a l tr e c o m m e n d e d ”s t a n d a r dm e t h o d t oc a l c u l a t et h eb o i l e r sh e a t i n gp o w e r ”( y e a r1 9 7 3 ) ，w i t ha n s y ss o f t w a r et ow o r k o u tc o r r e s p o n d i n ga p d lc o m p u t i n gp r o c e d u r e ，h a sc a l c u l a t e dt e m p e r a t u r ef i e l di n t h r e e d i m e n s i o nh e a t e dt u b es h e e t si nd e t a i la c c o r d i n gt oa l lk i n d so fs c h e m e s ，a n d f i n do u t 也e i rd i s t r i b u t i o nl a w s e c o n d l o nt h eb a s i so fk n o w nt e m p e r a t u r ef i e l d ，t h es t r e s sf i e l di sc a l c u l a t e d t r a d e rt h ee i 曲td i f f e r e n ts c h e m ew i t ha ni n d i r e c tm e t h o d ( i e t h e r m a la n a l y s i si s c a r r i e do nf i r s t , t h e na p p l yt h ek n o w nn o d et e m p e r a t u r et ot h es t r u c t u r a la n a l y s i s ) ， c o m p a r i n gt h es t r e s sb e t w e e nlo t ht u b ea n d1lt ho n e ，f i n d i n go u tt h e i rd i s t r i b u t i o nl a w a n dm a i ni n f l u e n t i a lf a c t o r so nt h e i rs t r e s sa n dd i s t r i b t l t i o nl a w t h e na e c o r d i n gt o i i 武汉理工大学硕士学位论文 l a n x i a n gc o m p a n y sd e s i g n e dr e q u i r e m e n t a n d m a n u f a c t u r i n gf e a s i b i l i t y , t h e o p t i m m nd e s i g np l a no fo m i t t m gt h em i d g ep l a t e sb e t w e e n1 2 t ht u b ea n d1 3 t ho n ei s p r o p o s e d c o m p a r e dw i t hs i m i l a rb o i l e r sa th o m ea n da b r o a dw h i c ht a k ea no p e n i n g l l l c l s l + o nm t h ef i ns h e e tb e t w e e ne a c hp i p et or e d u c et h e r m a ls t r e s so ft h eb o i l e r , t h i s a r t i c l ep r o p o s e sad e s i g nw h i c ha c h i e v e st h es a e a eg o a lw h i l eh a sas i m p l e r d e s i g na n d s a v e sm a t e r i a l s f i n a l l y , a c c o r d h i gt ot h eo p e r a t i n gm o d ed e s i g n e db yt h ep r o d u c e r , s t r e s s a n a l y s i so fi t sb o i l e rd r u mi sc a r r i e do u tw i t ha n s y ss o f t w a r e ，p r e d i c t i n gi t ss e r v i c e l i f e b a s e do nt h ed i f f e r e n tf a t i g u ed e s i g n e dc i l r v c s ，i th a sp r o v e dt oa n s y s c o m p u t i n gr e s u l t t h e nu s et h ed e s i g nc u r v eo ft h es t a n d a r d so fv a r i o u sc o u n t r i e st o c o m p a r el i f e s p a no ft h eb o i l e rd r u m a tl a s t , f o u rk i n d so fe f f e c t i v em e t h o d st o e x t e n dl i f e 。s p a no f t h eb o i l e rd r u mh a v ep u tf o r w a r da c c o r d i n gt op r o d u c e rd e s i g n e d o p e r a t i n gm o d e k e yw o r d s ：a l k a l ir e c o v e r yb o i l e r , h e a t e dt u b es h e e t s ，s t r e s sa n a l y s i s ，o p t i m u m d e s i g n ，l i f e s p a n 1 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 主要符号表 含义 压力，h j p a 时间，s 温度， 密度，k g m 3 比热容，j 0 噜) 热导率，w ( m ) 弹性模量，g p a 线膨胀系数，4 泊松比 运动粘度，m 2 s ； 强度极限，m p a 屈服极限，m p a t = - s d 的标准试样的延伸率， 普朗特( p m n d t l ) 数 对流换热系数，w ( m 2 1 介质速度，m s 当量直径，m 雷诺( r e y n o l d s ) 数 热流密度，w m 2 努塞尔( n u s s e l t ) 数 i v 含义 最大值 最小值 总应力，m p a 总应力第一主应力，m p a 总应力第二主应力，m p a 总应力第三主应力，m p a 总当量应力，m p a z 向正应力，m p a y 向正应力，m p a z 向正应力，m p a 热应力。m p a 热应力第一主应力，m p a 热应力当量应力，m p a 机械应力，m p a 机械应力第一主应力，m p a 机械应力第一主应力最大值，m p a 总当量应力最大值，m p a 热应力当量应力最大值，m p a 机械应力当量应力最大值，m p a 疲劳极限 州 帆 啦 眦 错腿心 盯 q 吒毋以吒q 吒 吼 民氏吒 弓 r r ! “ 触 p ， r p c 七 e 口 y 吼 吒 最厅 国 办胎 g m 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 本章将介绍碱回收锅炉受热排管以及汽包寿命研究的课题背景、与本课题 相关的国内外研究现状以及本文的研究工作。 1 1问题的提出和研究意义 近几十年来，随着造纸工业的快速发展，造纸黑液已经成为我国工业水三 大污染源之- - ”。为此，国内许多锅炉企业( 如武汉锅炉集团公司、黑龙江省佳 木斯纸业集团有限公司等) 从构造节约型、环保型社会的角度出发，研制和生 产了各种不同型号的专门处理黑液的碱回收锅炉。它不仅可以充分回收黑液中 的碱，而且可以利用黑液中有机物在碱回收炉里的燃烧以产生工业用蒸汽，产生 二次效益。因此碱回收锅炉不仅对提高造纸过程的经济效益有重大作用，而且是 改善和控制造纸厂污染必不可少的设备。 但是，随着现代工业的快速发展和市场需求的急剧膨胀，原先设计的小型 碱回收锅炉已越来越不合时宜，整体设计生产发展趋势【2 】如下： ( 1 ) 生产能力趋向增大 随着碱法制浆造纸企业规模的扩大，碱回收炉的生产能力也不断增大。例 如：我国碱法制浆造纸厂在2 0 世纪6 0 年代末最大的碱回收炉生产能力为日处 理黑液固形物1 5 0 t d 。2 0 世纪8 0 年代初达到4 5 0t d ；2 0 世纪9 0 年代初达到1 0 0 0 伽。国外制浆造纸厂，如芬兰在2 0 世纪5 0 年代最大的碱回收炉生产能力为日 处理黑液固形物2 5 0t d 。2 0 世纪6 0 年代达到9 0 0t d ；2 0 世纪7 0 年代达到 1 2 0 0 1 5 0 0t d ；2 0 世纪9 0 年代达到2 7 0 0t d 。美国在2 0 世纪6 0 年代末最大的 碱回收炉生产能力为日处理黑液固形物1 0 0 0 , - 1 2 0 0 t d ：2 0 世纪7 0 年代达到1 7 0 0 t d ；2 0 世纪9 0 年代达到3 3 0 0t d 。 ( 2 ) 向高参数方向发展 由于碱法制浆造纸厂对动力的需要量越来越大，为了取得热电平衡，碱回 收炉就不断提高过热蒸汽参数和燃烧黑液浓度。这一趋势在能源不足的北欧国 家更为明显。我国在2 0 世纪6 0 年代末设计的碱回收炉过热蒸汽压力3 8 2 m p a ， 武汉理工大学硕士学位论文 过热蒸汽温度4 5 0 ，燃烧黑液浓度5 5 ；2 0 世纪9 0 年代达到6 7 m p a ，4 5 0 ， 燃烧黑液浓度6 5 0 o , - 6 8 。国外企业，例如芬兰在2 0 世纪7 0 年代设计的碱回收 炉过热蒸汽压力6 4 m p a ，过热蒸汽温度4 6 0 ，燃烧黑液浓度6 5 ；2 0 世纪9 0 年代达到8 5 m p a ，4 8 0 c ，燃烧黑液浓度7 5 。美国在2 0 世纪9 0 年代的碱回收 炉过热蒸汽压力8 5 m p a ，过热蒸汽温度4 8 0 ，燃烧黑液浓度7 5 。 ( 3 ) 趋向单汽包低臭型 碱回收锅炉不仅向大型化和高效化发展可获得更高的经济效益。为了安全 生产和符合环境保护的要求还趋向发展现代化的单汽包低臭型碱回收炉。这种 趋势要求改进碱回收炉的设计和制造。而作为碱回收炉的关键部件高温过 热器、再热器，它们管内流过的是锅炉各受热面中温度最高的介质，并且布置 于高温烟气区域，其金属的工作条件是整个锅炉受热面管中条件最恶劣的。 通常，研究受热面的壁温主要有实测和计算分析两种手段。在大容量电站 锅炉设计中，屏式过热器、高温对流过热器和高、低温再热器的炉外单管管壁 上，沿烟道宽度方向都装有一定数量的壁温测点，以便在运行中监视受热面金 属的工作可靠性。但这些壁温测点实际上测得的是过热器、再热器单管管圈的 炉外管壁温度，而炉内管的受热状态，温度水平远高于炉外管，这一偏差值与 受热面热负荷、管内蒸汽流量、换热状态等因素有很大关系，因此利用测量管 子炉外壁温来推算和判断炉内管壁温度状况会产生较大的偏差。同样地，由于 锅炉结构复杂，运转环境特殊，过热器、再热器的炉内壁温测点处于高温烟气 之中，换热条件复杂，安装困难，壁温测点极易损坏，难以长期可靠地工作， 测量误差较大且安装位置受到热电偶的引出方式的限制。因此炉内壁温最高、 运行工况最危险处的管壁温度是难以在线测量的，汽温最高的地方未必壁温也 最高。因此，如何准确的计算出炉内壁温是过热器和再热器超温爆管事故的分 析及改造的关键，同时，管壁温度的计算对实施锅炉高温受热面的状态检修， 防止长期超温爆管的发生，具有积极的指导作用，并且还可以为运行人员提供 有效的操作指导，及时调整运行方式，防止受热面超温，提高受熟面管束的使 用寿命。 锅炉蒸汽参数的提高，使得过热器和再热器系统成为大容量锅炉本体设计 中必不可少的受热面。这两部分受热面内工质的压力和温度都相当高，且大多 布置在烟温较高的区域，因而其工作条件在锅炉所有受热面中最为恶劣，受热 面温度接近管材的极限允许温度。在服役过程中会发生系列材料组织与性能 2 武汉理工大学硕士学位论文 的变化，这些变化涉及蠕变、疲劳、腐蚀、冲蚀等复杂的老化与失效机理，由 此造成的失效方式多达2 2 种，部件使用早期、中期、后期均可能出现严重的爆 管失效。根据国内外的租略统计，四管( 水冷壁管、过热器管、再热器管和省 煤器管) 事故占锅炉临检事故的2 3 左右1 3 】。 汽包作为锅炉中最重要的承压部件，在运行中处于复杂的载荷工况，但归纳 起来可分为工质压力、温差应力、附加载荷、工艺应力【4 】。这4 种载荷中，某些 载荷如集中外载、残余应力等由于与安装质量、材料焊接质量等因素有关，其 数值较小且不随运行循环而改变，从理论上也较难准确定量分析，因此，常常 在寿命评估过程中列入疲劳曲线的安全系数予以考虑。工质压力和温差应力是 整个应力幅变化的主要因素，对汽包的应力分析主要针对这两种载荷。任一时 刻实际承受的应力是由内压应力和由温差引起的热应力组成的复合交变应力。 汽包的工作温度一般在3 8 0 左右，蠕变损伤可忽略不训”，其主要的失效 方式为低周疲劳【6 】。其中由介质压力产生的内压应力和由温差产生的热应力是影 响汽包低周疲劳寿命的主要因素【”。 因此，掌握锅炉汽包在各种工况下的应力变化规律，进行低周疲劳寿命分 析，初步估算出汽包的疲劳寿命，指导锅炉的日常维护和正确操作，势必对提 高锅炉运行的经济性、安全性和可靠性具有非常重要的意义。 本论文中以碱回收锅炉为研究对象，以受热排管( 蒸发器和省煤器) 应力 分析和汽包疲劳寿命估算为两个研究问题。 该碱回收锅炉型号为：w g z 2 2 0 6 8 1 。单锅筒、自然循环、低臭型碱回收 类型，炉膛四周由膜式水冷壁组成，炉膛出口处布置汽冷屏，以后是级过热 器、级过热器、i 级过热器、蒸发管屏、尾部布置两级省煤器。锅炉采用全 钢材料，全悬吊、全密封式结构，全部负荷都通过吊杆挂在构架顶板上。 为了保证有足够的蒸发受热面，在i 级过热器后又布置了级蒸发受热面， 即蒸发管屏。蒸发管屏为膜式立式结构。每片屏由2 2 根毋4 2 x 5 管子与扁钢焊 制成膜式结构。管子之间节距为1 1 1 5 姗，上下两端分别与小集箱连接。这种 立式布置的膜式管屏结构有利减轻此区域的积灰。 受热排管的结构和碱回收炉基本参数分别见图1 - 1 和表1 1 。 武汉理工大学硕士学位论文 【lll -li 3 5 虫4 ，台， 、 。、 似d 2 6 1 i 。r 1 0 2 6 vf i l i i f 1 1 i i f f f 图1 1受热排管的基本结构及其布置 表卜1 碱回收锅炉基本参数 项目单位参数 汽包的结构和基本参数见图1 2 和表1 - 2 所示。 4 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 2 汽包的基本结构及其尺寸布置 表1 2 碱回收锅炉汽包基本参数 筒身外直径( m ) 2 0 1 2下降管内径( m )o 4 4 筒身内直径( m ) 1 7 9 2 热膨胀系数( ) 。 1 0 9 3 e - 6 封头外径( m ) 2 0 1 2 密度( 堙m 3 ) 7 8 1 8 e 3 封头内径( m ) 1 7 9 2 熟传导系数 3 9 4 筒身长度( m ) 1 4 5泊松比0 3 下降管外径( m ) 0 6 0 6 内部蒸汽压力( 砰：) 6 8 1 2 本课题的研究现状与发展 1 2 1高温对流受热面管壁温度计算的依据和问题 关于壁温计算，目前国内仍主要依据锅炉机组热力计算标准方法【明( 7 3 年) 所推荐的壁温计算方法。其主要是用来在设计受热面时进行单点强度校核， 5 武汉理工大学硕士学位论文 是在考虑了沿烟道断面和管子周界吸热量的不均匀性、沿管壁的热散漫性、水 力不均匀性以及蛇形管的结构不一致的情况下，计算得出的管壁温度的局部最 大值。因此，用“热力计算标准”算出的壁温是人为按经验事先选定的危险点， 但是由于实际运行的复杂性和负荷的多变性，此方法不能够正确而连续地反映 出屏中每根管子的壁温分布情况。 随着我国电力工业的发展，机组的容量越来越大，在实际的壁温计算中原来 的计算标准也逐渐暴露出一些问题，主要表现为： 计算中把热力、水力不均性叠加起来，认为蒸汽流量最小的地方正好热 负荷最大，而实际情况并非如此； 在统计计算点的平均汽温时，没有考虑到各管段吸热能力的不同，即取 传热系数为恒定值； 在确定计算点周向平均热负荷时，没有考虑到管束前烟气空间的影响。 对于这些问题。国内多家科研单位对上述算法进行了改进，将流量偏差和吸 热偏差分开考虑，并较细致地考虑了管子单位结构与辐射吸热的关系等，使在 原有的基础上建立的模型更趋合理。譬如原苏联的计算标准未考虑到同屏的流 量偏差对壁温计算的影响，现在则根据并联管组各根管子进、出口压力降之间 的关系，并考虑到分配集箱与汇集箱中流体的静压变化，建立了锅炉过热器、 再热器流量分配的非线形数学模型。由于过热器、再热器壁温分布由烟气入口 截面温度和受热面本身结构特点决定，但是限于测量方法的局限，炉膛出口烟 气温度分布一直难以测量，在壁温计算中通常按经验值假设烟道宽度方向的吸 热函数，这些函数一般为水平坐标的二次或三次函数。这种假设显然较为粗略， 难以更精确计算壁温分布。近年来已有用数值模拟方法计算炉膛温度场的相关 报道，通过考虑火焰辐射传热关系，给出炉膛内部及出口处烟气温度分布，其 结果较好地反映了炉膛中火焰分布对炉膛烟温的影响，结果准确性有很大的提 高。在以上研究的基础上再进行壁温计算，提高了结果的准确性。现在，已经 有人尝试用人工神经网络方法( 预测过热器和再热器壁温，认为过热器和再 热器某根管子的吸热量与其出入口处的壁温、出入口处的蒸汽温度以及蒸汽流 量存在着复杂的非线性函数关系，并利用人工神经网络作为这一非线性函数的 逼近器。这种方法的出现为我们提供了一种崭新的思路。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 锅炉汽包寿命研究的发展 锅炉高温部件寿命的研究方法经历了以下两个发展阶段【1 0 】： i 寿命研究的第一阶段 寿命研究的第一阶段是寿命估算阶段。我国的第一阶段主要是指上世纪六、 七十年代针对运行l o 万小时的1 2 c r m o ，1 5 c r m o ，1 2 c r l m o v 钢制汽包的寿命评 估技术开展的较详细的研究，取得了一批有价值的成果，主要包括以下几种分 析方法： 显微组织球化分析方法 在研究中发现，材料在运行过程中显微组织的变化是有规律的，组织变化反 映了材料的老化过程。尤其是显微组织中珠光体( 碳化物) 形态逐渐发生的变化， 称之为球化。球化过程与材料的使用性能下降有联系，可通过定量的评级方法 确定其变化程度。这一时期提出了1 5 c r m o 、碳钢、1 2 c r l m o v 等材料的球化评 级方法，按照其球化程度分为五到六级。可对照图片、组织特性和强度对材料 进行分级，由过去的不能对材料老化进行评定发展为可半定量评定。 持久强度综合寿命分析方法 寿命研究中借鉴电厂设备设计时采用的一些持久强度考核方法，即按照对使 用后部件进行再设计的观点，割取运行后的管段进行持久强度和蠕变试验，按 照设计准则校核材料的持久强度是否仍能满足一定的安全系数，若满足则认为 仍可运行一定的时间。这一方法以材料的实际性能水平为依据，重新核查部件 的设计使用寿命，被广泛应用于国内老化机组部件的寿命评估工作中。寿命研 究第一阶段虽然取得了很大成绩，但基本上停留在简单部件材质鉴定水平上， 停留在寿命估算的初级阶段，尚不能进行确切的寿命评估，存在的明显不足主 要有： a 、显微组织球化评定方法不适用于近几年采用的贝氏体钢，人为影响因素 也较大； b 、持久强度外推的方法误差很大，安全系数选取不合理； c 、无论是蠕变还是疲劳寿命评估，都仅考虑单一的损伤机理，而电厂部件 损伤大多数是几种机理共同作用的结果。 寿命研究的第二阶段 从8 0 年代中期起，美、英、德、日等国家的一些先进研究成果和方法逐渐 7 武汉理工大学硕士学位论文 引入国内，促使国内对部件寿命的研究由寿命估算向寿命研究的第二阶段：寿 命精算转变。主要内容包括以下几种： 锅炉管寿命评估技术 由于锅炉管的运行环境较主蒸汽管道更恶劣，其使用条件如温度、应力等均 在运行中发生变化，其寿命评估难度较大。以往的持久强度外推方法显得过于 粗糙而不适用于锅炉管，为此美国开发了一系列锅炉管金属温度评估技术，解 决了锅炉管寿命评估的关键技术，使之能达到寿命精算程度。从8 0 年代末起， 国内的一些研究机构开始消化吸收国外先进技术，结合我国机组和用钢特点， 重点对1 2 c r l m o v 、6 1 0 2 等锅炉钢管的寿命评估进行了探讨，取得了一批成果。 口预测法研究 以往的蠕变计算采用外推方法，不能真实掌握蠕变后期，尤其是蠕变第三阶 段的变化状况。采用口预测法则可以更精确地描述材料的蠕变过程，从而可以更 精确地外推蠕变寿命。 交互作用的研究 分别对蠕变一疲劳交互作用、蠕变一腐蚀交互作用、腐蚀一疲劳交互作用等 机理、特征、寿命评估方法进行了研究，使目前调峰机组的寿命评估准确性提 、 高了一步。 显微组织老化研究 较系统地对显微组织的老化本质开展研究，不仅仅是显微组织球化( 碳化物 形态变化) ，而且对显微组织结构中同样重要的碳化物相成分、碳化物相结构、 碳化物粒子尺寸等老化特性进行了研究，形成组织老化定量评定技术。不仅提 高了分析精度，更重要的是与使用寿命相联系，与材料宏观性能相联系，建立 了较完整的老化分析与寿命评估模型。另一方面，对蠕变损伤特征的定量研究， 开发出使用显微组织评定寿命的技术，丰富了寿命评估技术的内容。 寿命精算技术的不断完善，不仅给设备的安全运行提供了保障，也给设备管 理工作提供了准确的设备状况信息和维修依据，其在设备管理中可供借鉴的重 要性逐渐突出。 1 2 3 锅炉汽包疲劳寿命估算 目前，评价汽包材料低周疲劳寿命的传统方法有两种。一种方法是在一系列 8 武汉理工大学硕士学位论文 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，由此获得应力与 寿命的关系曲线( 仃一n ) 或应变与寿命( 一n ) 曲线。只要计算或实验测出 汽包上峰值应力区的应力幅皖( 或应变幅值a e l 2 ) ，就可以在己设计好的疲劳 曲线上找出对应的断裂循环周次n 。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 d n ，从而可以求得裂纹由原始尺寸扩展到 临界尺寸以所经历的循环次数。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【i “。 在国内，裴玉刚【1 2 】等采用修正的美国a s m e 疲劳寿命计算方法，制作了锅 炉汽包疲劳寿命管理系统软件，安装在渭河电厂3 号锅炉上，可实时计算出锅 炉汽包的疲劳寿命。李晓刚【1 3 】等利用红外热像评估系统来预测加热炉管的剩余 寿命，可以对加热炉的工作状态进行在线评估与诊断。在国外，h a y a k a w a 等口4 】 利用“应变范围分割法”研究高温锅炉汽包蠕变一疲劳寿命的预报。a j r a m 0 8 等【l5 】通过观测锅炉汽包状况建立了一种可用的锅炉设备寿命评估系统。 b b k e r e z s i 【1 6 】以实验装置对压力容器进行热疲劳的研究，得到了对锅炉汽包寿 命进行评估的一些有用结论。 1 3 本文的研究内容和主要工作 锅炉高温对流过热器和汽包能否安全稳定运行直接关系到整个碱回收锅炉 的安危，爆漏轻则引起效率下降，重则被迫停机，严重的甚至造成灾难性后果， 造成人员的伤亡，影响企业经济效益和社会效益。 针对以上情况，为了提高管道运行的可靠性，准确预测汽包的疲劳寿命，最 终指导锅炉的运行和维修。本文按研究问题可以分为传热分析、应力分析和疲 劳分析；按研究对象可以分为碱回收锅炉受热排管、汽包；按研究方法可以分 为解析计算和数值计算。具体内容可分为以下几个方面： 根据碱回收锅炉受热排管设计参数，首先确定了其计算边界条件。通过 设计不同的开孔尺寸方案，在锅炉机组热力计算标准方法( 7 3 年) 所推荐的 9 武汉理工大学硕士学位论文 壁温计算方法的基础上，运用a n s y s 软件编制了相应的a p d l 程序，计算了各 种不同方案下二维和三维受热排管的温度场，并找出了它们的分布规律。 在温度场己知的基础上，运用间接法( 即指先进行热分析，然后将求得的 节点温度作为体载荷施加到结构应力分析中) 求解出受热排管在8 种不同设计 方案下的应力场，对其第1 0 根和第1 l 根管子上的各种应力进行了比较，探讨 了它们各自的分布规律，找出影响应力大小和分布规律的主要因素。然后运用 a n s y s 的优化设计模块，对两种模型进行了优化设计计算。最后根据生产厂家 的设计要求和实际制造的可行性，提出了去除中间大肋板的最优设计方案。这 与国外类似锅炉为降低热应力在各管间鳍片上开孔的方案对比，效果相同，但 工艺简单而且节省原材料。 本文根据厂家所设计的工况要求，运用a n s y s 软件对碱回收锅炉汽包应 力进行了计算，预测了汽包使用寿命；依据各国不同疲劳设计曲线，对a n s y s 计算结果进行了验证，并运用各国标准的设计曲线对汽包寿命进行了比较。最 后提出了四种提高汽包寿命的有效措施。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章结构分析理论与优化设计 本章介绍了分析锅炉受热排管的应力分布规律时所要用到的热传导、热弹 性力学基本方程，以便计算排管的当量热应力、当量机械应力和当量总应力； 运用2 种模型，分别对其进行了a n s y s 优化设计计算。最后通过比较分析，选 出了最优设计方案。 2 1 热传导理论 2 1 1 热传导微分方程 压力容器温度场以某一时刻在一定空间内所有点上的温度值来描述。在直 角坐标系中，可用方程表述为r = f ( x ，y ，z ，f ) 的形式。利用傅里叶热传导定律和 能量守恒定律，可以导出具有内热源、瞬态温度场和变物性参数的固体导热微 分方程式m 。在直角坐标系下，热传导方程的一般形式为 未i 警 + 专一考 + 未i 警 + 吼= 立 i t c r ， c z 山 式中，丁为物体瞬态温度，；f 为过程进行的时间，s ；p 为材料的密度， k g m 3 ；k 为材料的热导率，w ( m ) ；c 为材料的比热容，j ( k g ) ；吼为材料 的内热源强度，w m 3 ；x 、y 、z 为空间坐标。 着无内热源，式( 2 1 ) 中的吼取为0 即可。式( 2 1 ) 是传热方程的一般形式， 根据所描述的物理过程，上式可以有很多退化形式。 对于平面问题，并认为热导率具有相同性，将比热容看成常量，方程( 2 一1 ) 的形式为 七( 警+ 斋】+ q ，训t 打i t ( 2 - 2 )七i 丽+ 萨j + v 邓。 对于轴对称闯题，如以z 轴为对称轴，则方程的形式为 武汉理工大学硕士学位论文 懵+ 7 1i a t + 硎a 2 t 、圯训百a t ( 2 - ，) 在本课题温度场的计算中，采用的是稳态分析，即t 不随时间f 变化。故在 式( 2 3 ) 的右侧，相当于为0 。 2 1 2 边界条件 压力容器传热分析主要有三类边界条件，如图2 - 1 所示。 ( 1 ) 第一类边界条件。指物体上的温度函数已经知道，用公式表示为 州，器y 圳t ( 2 4 ) 州，= k 石) pv 式中，f 为物体边界；l 为己知壁面温度( 常数) ，；f ( x ，y ，z ，f ) 为已知壁面温 度函数( 随时间而变) 。 文中在计算受热排管温度场和应力场时施加的温度边界条件就是采用的第 一类边界条件，即设计所要求的外壁面和内壁面温度。 = - k 替墨， ， 酬， 剽= g k 乃) 式中，以为物体边界的外法线方向；g ：表示热流率为一已知常数，w 1 1 1 2 1 武汉理工大学硕士学位论文 q ( x ，y ，z ，f ) 表示热流率为一已知函数，在数值计算中经常分段取其平均值作为常 数 式( 2 5 ) 中q 的方向与边界外法线以的方向相同，若q ：是从物体内部向外流 出，则取正；若q ：从外部流入物体则取负。 ( 3 ) 第三类边界条件。指与物体相接触的流体介质的温度乃和对流换热系 数h 为已知值，用公式表示为 一嘲，嘶诎 ( 2 - 6 ) 式中，h 和乃可以是已知的常数，也可以是己知的某种分布函数；可以随时间变 化，也可以不随时间变化。如果是变量，则在数值计算中经常分段取其平均值 作为常量。在锅炉受热排管计算中，已知水和烟气的对流换热系数h ，放用第三 类边界条件。 2 1 3 初始条件 初始条件是过程开始时物体整个区域中所具有的温度为己知值，用公式表 示为 卅，奠惹y 力 卅，i o = 妒( 五，z ) ”v 式中，瓦为一已知常数，表示物体初始温度均匀，；以x ，y ，z ) 为一已知函数， 表示初温不均匀，。初始条件在文中锅炉受热排管传热和应力分析中用来定 义模型的初始温度( 环境温度) 。 2 1 4 求解方法 对于工程实际问题，即使有理论上很完善的微分方程组和给定的边界、初 始条件，大多数仍无法得到精确的解析解，必须采用近似的有限元数值方法。 现在，有限元应力分析技术在压力容器分析设计、特殊和复杂结构的分析评定、 设备强度校核、设备结构静载强度分析、循环载荷作用下的疲劳分析、静态瞬 态温度和应力场以及动态响应分析等方面应用越来越广泛。文中除在部分内容 上使用数学方法得出数值解外，其他均使用有限元方法求解。 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 热弹性理论 2 2 1 基本方程 通过应力、应变分析和应力一应变关系分析司以得到弹性力学的平衡万程、 几何方程及物理方程，把它们组合在一起，即构成了求解弹性力学问题的基本 方程组。 ( i ) 平衡方程 孥+ 鲁+ 等+ x = 。 孥+ 鲁+ 誓+ 鎏+ + 婆+ z ：o( 2 8 ) 出 a y d z ( 2 ) 几何方程 a u a v孤 巳2 面勺2 面一= 。瓦 岛= 熹+ 罢，= 老+ 等，如= 警+ 考 g 一缈 岛5 面+ 磊。西+ 面如。面+ 瓦 p w ( 3 ) 物理万栏 幺= p ，一p ，+ 吒) 十砑 ，= 去p ，一弘p 。+ 吼) 1 十砑 乞= 喜k 一p ，+ 仃，) 】十砑 = 吉勺，如= 吉，比= 否1 气( 2 - 1 0 )2 否勺如2 石比2 否7 “ 式中，o x ，o y ，o z 为沿相应坐标上的正应力；墨r , z 为体积力；，岛，勺 为切应力，其第一个下标表示切应力的指向，第二下标表示作用力的方向；“，v ，w 分别为沿3 个坐标的位移分量；岛，岛分别为在正应力下的正应变；，如 相应下标示意的坐标轴之间的剪应变；e 为弹性模量；为泊松比；g 为剪切弹 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 性模量；妫线膨胀系数：r 为温度。 在上述各方程组中，三个平衡方程联系着六个应力分量 吒，q ，吒，f 五，乞，六个几何方程联系着三个位移分量，h ，m 和六个应变分 量岛，如，毛，乞，而六个物理方程则联系着六个应力分量 吒，q ，吒，f 声，乞和六个应变分量岛，坛，氏，勺，：。将它们合在一起有十 五个独立的方程联系着十五个未知数，这一组方程就是求解弹性力学问题的基 本方程组。 2 2 2 边界条件 弹性力学的边界条件是指在物体边界上( 即表面上) 给定的外力和位移的情 况。按给定边界条件的性质，也有三种类型的边界条件。 ( 1 ) 应力边界条件。它给出了物体全部边界上的面力分布，即给出了物体 表面上每一点处的三个面力分量，如 则外力与物体中的应力关系为 或记为 吒，+ 珑+ n = e t 0 七。严七= fp ，+ 肌+ 吒再= e ( 2 - 1 2 ) 吒以，2 f ( 2 1 3 ) 这类边界条件即称为第一类边界条件。 ( 2 ) 位移边界条件。若物体表面上的位移为已知，如 砧l = 仍g ，y ，z ) l ，l = 仍g ，y ，z ) w l = 仍0 ，y ，z ) ( 2 1 4 ) d 0 q 力力力儿弘一 k k k 只0 t = i i = 只0 e 武汉理工大学硕士学位论文 即物体边界上任点的位移可用u l * v 1 ，w l 描述，这类问题称为位移边界条件，也 称为第二类边界条件。 ( 3 ) 混合边界条件。若在物体的部分边界上给定应力，另一部分边界上给 定位移，则称为混合边界条件。 2 2 3 求解方法 若已知物体的力学性质( 如弹性模量e 、泊松比) ，几何形状、给定的外 力和位移约束条件，则弹性力学问题的求解就是要求出应力、应变及位移的1 5 个未知函数并使其满足1 5 个偏微分 方程及给出的边界条件。若这1 5 个函 数求出，则物体中任意点处的应力、 应变及位移均可求出。 实际上求解弹性力学问题并不需 要同时求出1 5 个未知量，在求解过程 中可以将其中某些未知量先行求出， 再根据它们求出其他的未知量。例如： 从1 5 个方程中先消去一些未知数使 其简化为仅含部分未知数函数的方程 组，这在许多情况下会给实际求解带 来很大的方便。 2 3 管壁应力分析 图2 2 管子承受内压时的应力状态 当管子内存在均匀分布的应力时，在管壁上任何一点的应力状态，是由作 用于该点上三个互相垂直的主应力决定的( 如图2 - 2 所示) ，其中一个主应力沿管 壁圆周的切线方向，通常称为内压周向应力( 呢) ；第二个主应力平行于管予轴 线方