420t/h锅炉再热器外接管座温度测试及计算研究
摘要
在对420t／h锅炉的规范检查当中发现，再热器集汽箱管座及其附属管道外壁出现由内而外发散的放射状裂纹，并且有不断扩大的趋势。长期下去将会构成对再热器母管的威胁，成为锅炉安全运行的一大隐患。
据分析这是由于热应力引起的，为此本文对再热器集汽箱向空排汽管管座及三通管座的温度场及热应力进行了实验和数值计算分析研究。
实验中采用了现场管壁测温的手段。借助于高精度热电偶，测量事先布置在向空排汽管上的数十个特征点在锅炉启机和负荷变化时的温度，并用数字巡检仪自动记录下来。利用先进的绘图软件绘出了所有特征点处温度随着时间的变化图。通过图形的变化趋势和大小可以看出管壁裂纹和管壁的温度波动的确存在很大的关系，为以后的计算分析提供了实验根据。
借助于有限元分析程序工具ANSYS对三维管道实体模型进行了建模、加载、求解和后处理等工作。得到了三维温度场和应力场数据结果。在计算过程中采用了根据实测值反算的思路，使计算得到的温度场有可靠的实验依据。通过前人的一些经验公式得出假设的边界条件并算得初步温度场。具体方法是：比较特征点上的温度值与现场实测值，修改边界条件直到两者误差在控制范围内，最后得到典型工况下，再热器集汽箱管座及三通管连接附近的三维温度场和应力场的数值解。实际计算结果与实验结果温度值偏差不超过5％。根据得到的解，绘出了典型边界条件下三维管道的等温线、热流线、热梯度线及等应力线的各种云图。同时解释了温度、热流、热梯度及应力存在差异的具体原因，为计算出再热器钢管材料12CrlMoV的热疲劳寿命提供了有价值的数据。
通过研究国内外计算疲劳寿命的一些方法，给出了适合于本课题的解决方案，为计算热疲劳寿命提供了可以利用的公式。并估算了相应的热疲劳寿命。
文中最后介绍了根据研究结果，采用了加强放空管内滞留蒸汽流动，防止凝结水产生的措施。经实测管座温度场，热冲击大大减少，可望提高管座的可靠性。
In 420t/h boiler inspecting, the collecting-steam box of reheater and correlative pipelines are detected to appear diffuse crack, which has expansive trend. If to let this state go on, there will exist hidden-trouble for the reheater and safe running of the boiler.
This paper places emphasis on the reheater pipes' basement and wye pipe, which are studied through onsite experience and numerical calculating method.
Onsite pipes' temperature has been measured by high precise thermocouple. These temperature data are automatically recorded by recorder instruments and then been plotted into variation graphs. From the variety and size of these graphs we can find out that the relationship between the pipes' crack and the acutely fluctuant temperature of the pipes. These temperature data have given the warranty for the future calculation of temperature field.
With the aid of FEA software ANSYS, the numerical and soluble analyses can be gotten from the three dimension pipe model. First by estimative calculation the final boundary condition can be gained, then the accurate result of three-dimension temperature field and stress can be gotten through placing accurate boundary condition. In this paper the no. 50, 100,150,200 and 480 minute's pipes' temperature field and stress have been calculated with this method. Compared with the experimental result the temperature result is very accurate. The maximal error is no more than 5%.
This paper also gives some methods applied for estimating the fatigue life and discusses the domestic and foreign developing state. Finally the fatigue life solution of the project has been presented
据分析这是由于热应力引起的，为此本文对再热器集汽箱向空排汽管管座及三通管座的温度场及热应力进行了实验和数值计算分析研究。
实验中采用了现场管壁测温的手段。借助于高精度热电偶，测量事先布置在向空排汽管上的数十个特征点在锅炉启机和负荷变化时的温度，并用数字巡检仪自动记录下来。利用先进的绘图软件绘出了所有特征点处温度随着时间的变化图。通过图形的变化趋势和大小可以看出管壁裂纹和管壁的温度波动的确存在很大的关系，为以后的计算分析提供了实验根据。
借助于有限元分析程序工具ANSYS对三维管道实体模型进行了建模、加载、求解和后处理等工作。得到了三维温度场和应力场数据结果。在计算过程中采用了根据实测值反算的思路，使计算得到的温度场有可靠的实验依据。通过前人的一些经验公式得出假设的边界条件并算得初步温度场。具体方法是：比较特征点上的温度值与现场实测值，修改边界条件直到两者误差在控制范围内，最后得到典型工况下，再热器集汽箱管座及三通管连接附近的三维温度场和应力场的数值解。实际计算结果与实验结果温度值偏差不超过5％。根据得到的解，绘出了典型边界条件下三维管道的等温线、热流线、热梯度线及等应力线的各种云图。同时解释了温度、热流、热梯度及应力存在差异的具体原因，为计算出再热器钢管材料12CrlMoV的热疲劳寿命提供了有价值的数据。
通过研究国内外计算疲劳寿命的一些方法，给出了适合于本课题的解决方案，为计算热疲劳寿命提供了可以利用的公式。并估算了相应的热疲劳寿命。
文中最后介绍了根据研究结果，采用了加强放空管内滞留蒸汽流动，防止凝结水产生的措施。经实测管座温度场，热冲击大大减少，可望提高管座的可靠性。
In 420t/h boiler inspecting, the collecting-steam box of reheater and correlative pipelines are detected to appear diffuse crack, which has expansive trend. If to let this state go on, there will exist hidden-trouble for the reheater and safe running of the boiler.
This paper places emphasis on the reheater pipes' basement and wye pipe, which are studied through onsite experience and numerical calculating method.
Onsite pipes' temperature has been measured by high precise thermocouple. These temperature data are automatically recorded by recorder instruments and then been plotted into variation graphs. From the variety and size of these graphs we can find out that the relationship between the pipes' crack and the acutely fluctuant temperature of the pipes. These temperature data have given the warranty for the future calculation of temperature field.
With the aid of FEA software ANSYS, the numerical and soluble analyses can be gotten from the three dimension pipe model. First by estimative calculation the final boundary condition can be gained, then the accurate result of three-dimension temperature field and stress can be gotten through placing accurate boundary condition. In this paper the no. 50, 100,150,200 and 480 minute's pipes' temperature field and stress have been calculated with this method. Compared with the experimental result the temperature result is very accurate. The maximal error is no more than 5%.
This paper also gives some methods applied for estimating the fatigue life and discusses the domestic and foreign developing state. Finally the fatigue life solution of the project has been presented
引文
[1]．南京工学院热能动力教研室，电厂锅炉原理，电力工业出版社，1980
[2]．陈学俊，陈听宽，锅炉原理，机械工业出版社，1990
[3]．严宗达，王洪礼，热应力，高等教育出版社，1993
[4]．顾泽同等，工程热应力，国防工业出版社，1987
[5]．杜新明，秦岭发电厂近10年锅炉四管爆漏情况分析及对策，西北电力技术，1997，10
[6]．王丽英，锅炉四管爆漏的分析和综合防治措施，锅炉技术，1998，2
[7]．王丽英，周光华等，锅炉四管爆漏及其预防措施，电站系统工程，1997，3
[8]．许定一，锅炉爆管的原因分析及其措施，锅炉技术，1993，6
[9]．李玉刚，李文艳等，三管漏泄原因分析及防范措施，东北电力技术，2000，7
[10]．曾凡林，起停过程中锅炉汽包及管接头的温度场和应力分析，动力工程，1986
[11]．郑思定，准定常温度分布下长圆筒体的热应力计算，动力工程，1986
[12]．杨百勋，李余德，锅炉汽包的温度场及应力场的计算分析，中国电机工程学报，1989．7
[13]．杨自春等，某船用锅炉联箱在复杂换热条件下的瞬态温度场有限元分析，热能动力工程，1995．11
[14]．陈国定，李剑新等，斜齿轮非定常温度的计算，西北工业大学学报 2000．2
[15]．曹国宣，水内冷汽轮机发电机转子温度场计算，电工技术学报，1993，2
[16]．祁智明，捷制500MW汽轮机高压转子温度、热应力场计算及优化运行分析，山西电力技术，1997，8
[17]．葛晓霞，汽轮机启动过程转子温度的计算分析，热力发电，1997，5
[18]．张伟，王志群等残余应力下厚壁筒表面裂纹的应力强度因子计算，计算力学学报，2000，8
[19].Elvin B.Shields,Fracture prediction of hole patterns with multiple cracks using the finite element method,international Journal of Fatigue 23(2001)
[20]．李峰，包钢3号高炉冷却壁破损分析及其应力场计算，包头钢铁学院学报，1998，4
[21]．王金龙，地上敷设钢管的热应力计算，油气储运，1992，6
[22]．夏同棠，汽轮机转子热疲劳的计算方法，1992，5
[23]．成建国，高温高压蒸汽分支管线的变幅值热疲劳裂纹扩展寿命研究，化工机械，1996
[24].Merkle JG,ORNL-TM3938 OAK Ridge National lab,1973
[25].S.Kwofie,H.D.Chandler,low cycle fatigue under tensile mean stresses where cyclic life extension occurs,international Journal of fatigue 23(2001)
[26]．D．R．克罗夫特，传热的有限差分方程计算，冶金工业出版社，1982
[27]．孔祥谦，有限单元法在传热学中的应用(第二版)，科学出版社，1986
[28]．王国强，实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践，西北工业大学出版社，1999，8
[29]．张国瑞，有限元法，机械工业出版社，1991
[30]．应隆安，有限元方法讲义，北大出版社，1988
[31]．S．S劳尔，工程中的有限元法，科学出版社，1991
[32]．郭宽良，计算传热学，中国科技大学出版社，1988
[33]．高德平，机械工程中的有限元法基础，西北工业大学出版社，1993
[34]．谢贻权等，弹性和塑性力学中的有限单元法，机械工业出版社
[35]．卓家寿，弹性力学中的有限元法，高等教育出版社，1987
[36]．ANSYS公司，ANSYS基本过程手册，2000，1
[37]．ANSYS公司，ANSYS入门手册(上)，2000，1
[38]．ANSYS公司，ANSYS入门手册(下)，2000，1
[39]．ANSYS公司，ANSYS建模及分网指南，2000，1
[40]．ANSYS公司，ANSYS耦合场分析指南，2000，1
[41]．杨泽宽，王魁汉，热工测试技术，东北工学院出版社，1987
[42]．杨世铭，陶文铨，传热学(第三版)，高等教育出版社，1998，8
[43]．谭建松，高强化柴油机活塞的热负荷及结构改进，浙江大学硕士论文，2000
[44]．第一机械工业部，上海发电设备成套设计研究所，锅炉钢的性能和应用，上海科学技术出版社，1979，12
[45]．蒋智翔，杨小昭，锅炉及压力容器受压元件强度，机械工业出版社，1999
[46]．张文孝，多维应力高温低周疲劳与热疲劳特性的研究及应用，大连理工大学博士论文，1995
[47]．黄鹤，贵州省电站锅炉四管爆漏情况与原因分析，贵州电力技术，2000，4
[48]．周顺深，用持久强度计算高温部件剩余寿命的不可靠性，华东电力，1995
[49]．沈鸿声，10CrMo910主汽管运行14万小时后的性能研究，华东电力，1993
[50]．金丸修(日本)，超期使用的锅炉钢管的内压蠕变断裂强度和等应力法的寿命预测，火力原子发电，1990，3
[51].Engelmaier W, Fatigue life of leadless chip carrier solder joint during power cycling, IEEE Transitions on Compoments,Hybrids and Manufacturing Technology,1983,6(3)
[52]．刘常康，PBG小焊点的热疲劳寿命分析，机械强度，1999，9
[53].Tso-Liang, Chin-Ping Fung, Analysis of residual stresses and distortions in T-joint fillet welds, International Journal of Pressure Vessels and Piping 78(2001)
[54].Aleksandar Petrovic, Stress analysis in cylindrical pressure vessels with loads applied to the free end of a nozzle, International Journal of Pressure Vessels and Piping 78(2001)
[55]．胡亚才，随机热传导理论研究，浙江大学博士论文，1998
[2]．陈学俊，陈听宽，锅炉原理，机械工业出版社，1990
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[54].Aleksandar Petrovic, Stress analysis in cylindrical pressure vessels with loads applied to the free end of a nozzle, International Journal of Pressure Vessels and Piping 78(2001)
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