蒸汽鍋爐給水管溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值分析

蒸汽鍋爐給水管溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值分析

闞一軍1,盛偉1，桑政軍2

(1.沈陽(yáng)工程學(xué)院 研究生部，遼寧 沈陽(yáng) 110136；

2.遼寧調(diào)兵山煤礦石發(fā)電有限責(zé)任公司 發(fā)電部，遼寧 鐵嶺 112700)

摘要：鍋爐汽包給水管附近產(chǎn)生的裂紋事故嚴(yán)重影響到了鍋爐的安全運(yùn)行。該問(wèn)題產(chǎn)生的原因主要是在給水的過(guò)程中，給水管與管板受到的熱應(yīng)力超過(guò)了材料的屈服極限。針對(duì)此類問(wèn)題，在連續(xù)給水和間斷給水兩種方式下，利用有限元分析軟件模擬給水管的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)，找出給水管的屈服區(qū)域，確定了給水過(guò)程中易發(fā)生危險(xiǎn)的具體位置。

關(guān)鍵詞：給水管；熱應(yīng)力；屈服極限；有限元分析

收稿日期：2015-07-14

作者簡(jiǎn)介：闞一軍(1992-)，女，遼寧鐵嶺人，碩士研究生。

通訊作者：盛偉(1964-)，男，烏魯木齊人，教授，碩士，主要從事熱力系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)方面的研究。

DOI：10.13888/j.cnki.jsie(ns).2015.04.006

中圖分類號(hào)：TM621

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1673-1603(2015)04-0319-05

Abstract：Cracks on the boiler feed pipe have a strong impact on the safety operation of boiler.The main cause is the feed water pipe and tube will be subjected to thermal stress exceeding the yield limit of the material during the water supply process.In this paper,the finite-element analysis software was used to simulate the temperature and stress field on the feed water pipe in continuous and intermittent water supply in order to find out the limit of field on the feed water pipe and the most dangerous part in the water supply process.

鍋爐在正常運(yùn)行過(guò)程中需要通過(guò)給水泵從除氧器輸送來(lái)一部分化學(xué)水，這部分化學(xué)水即為鍋爐給水。給水中含有一部分氧，是給水系統(tǒng)和鍋爐的主要腐蝕物質(zhì)，必須加以清除，否則會(huì)影響鍋爐的正常運(yùn)行。除此之外，在給水管和管板中，由于給水和飽和水之間存在的溫差會(huì)產(chǎn)生一部分熱應(yīng)力，當(dāng)熱應(yīng)力超過(guò)材料的屈服極限時(shí)，就會(huì)威脅到設(shè)備的安全性。因此，找出給水過(guò)程中給水管的應(yīng)力集中點(diǎn)，檢驗(yàn)最大應(yīng)力是否已超過(guò)了屈服極限，對(duì)鍋爐給水系統(tǒng)乃至整個(gè)鍋爐系統(tǒng)都是十分重要的。

1模型建立

1.1物理模型

某蒸發(fā)量為1 900 t/h、額定壓力為25.4 MPa的蒸汽鍋爐選取的給水管連接在汽包后管板上，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　給水管

1.2材料參數(shù)

給水管材料為20G碳素鋼，其材料參數(shù)隨溫度的變化而改變，如表1所示。

1.3網(wǎng)格劃分

有限元分析的準(zhǔn)確性與網(wǎng)格劃分的疏密程度有一定的關(guān)系，給水管和管板相連接部位的溫度梯度和熱應(yīng)力較大，所以網(wǎng)格劃分時(shí)應(yīng)相對(duì)緊密。但網(wǎng)格劃分的過(guò)于細(xì)致會(huì)引發(fā)誤差的疊加問(wèn)題，反而影響計(jì)算結(jié)果，給水管模型網(wǎng)格劃分如圖2所示。

表1　不同溫度下的參數(shù)

圖2　給水管的網(wǎng)格劃分

2模型分析

2.1初始溫度

熱應(yīng)力分析中，重要的初始條件為溫度和材料間的傳熱系數(shù)。給水管內(nèi)流過(guò)的給水溫度為272 ℃，鍋內(nèi)飽和水的溫度為327 ℃，間斷供水開(kāi)始時(shí)，金屬溫度和飽和水溫度相等，也取327 ℃。

2.2傳熱系數(shù)的確定

傳熱系數(shù)的確定是熱分析的重要邊界條件之一。確定流速：首先要在式(1)中確定給水管內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)屬于層流還是湍流，計(jì)算雷諾數(shù)用到的流速取給水管橫截面的平均流速，可根據(jù)連續(xù)給水和間斷給水的各自給水流量求出給水流速。當(dāng)Re小于2 300時(shí)為層流，大于10 000時(shí)為旺盛湍流。

(1)

層流與湍流的努塞爾數(shù)計(jì)算公式有所不同，層流流動(dòng)常常處于入口段的范圍，其努塞爾數(shù)采用式(2)進(jìn)行計(jì)算，而湍流流動(dòng)狀態(tài)下的努塞爾數(shù)采用式(3)進(jìn)行計(jì)算。式(4)為普朗克數(shù)的計(jì)算公式，最后將努塞爾數(shù)帶入式(5)中即可求出給水管內(nèi)壁的對(duì)流換熱系數(shù)。

(2)

(3)

(4)

(5)

其中，式(3)中的n值與流體的冷熱程度有關(guān)，當(dāng)給水為冷卻流體時(shí)，n取0.3；h為對(duì)流換熱系數(shù)；λ為給水的導(dǎo)熱系數(shù)；Nu為努塞爾數(shù)；Re為雷諾數(shù)；u為給水流速；d為定型尺寸；v為給水的動(dòng)力粘度；cp為給水的定壓比熱；λf為給水管材料的導(dǎo)熱系數(shù)。

最終計(jì)算出連續(xù)給水時(shí)管內(nèi)的傳熱膜系數(shù)為2 289.5 W/(m2·℃)，間斷供水時(shí)管內(nèi)熱水傳熱膜系數(shù)為8 947.1 W/(m2·℃)，間斷供水時(shí)管內(nèi)冷水傳熱膜系數(shù)為5 513.6 W/(m2·℃)。給水管浸入飽和水表面的傳熱為自然對(duì)流，計(jì)算出的管外傳熱膜系數(shù)為1 792.4 W/(m2·℃)。

3結(jié)果分析

3.1連續(xù)給水時(shí)給水管的溫度場(chǎng)和熱應(yīng)力場(chǎng)

在連續(xù)給水方式下，給水流經(jīng)給水管時(shí)的穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)如圖3所示。由圖3可知，管板最大溫度約為317 ℃，其溫度場(chǎng)沿著靠近給水管方向逐漸減小，管板與給水管相連接處的溫度約為290 ℃。由于給水管內(nèi)一直流有272 ℃的給水，因此給水管溫度較低。

在連續(xù)給水方式下，給水流經(jīng)給水管產(chǎn)生的熱應(yīng)力場(chǎng)如圖4所示。由圖4可知，最大應(yīng)力發(fā)生在與管板相連的給水管內(nèi)壁，其最大應(yīng)力值達(dá)到了286 MPa，已經(jīng)超過(guò)了20G碳素鋼的屈服應(yīng)力(20G碳素鋼的屈服應(yīng)力為220 MPa)。超過(guò)屈服應(yīng)力的部位即為連續(xù)給水時(shí)的屈服區(qū)域，就是危險(xiǎn)區(qū)域。

3.2間斷給水時(shí)給水管的熱應(yīng)力場(chǎng)

間斷給水方式數(shù)值分析過(guò)程與連續(xù)給水的分析過(guò)程不同，應(yīng)選取瞬態(tài)分析的方式。假設(shè)給水以1.377 m/s的速度向前勻速流動(dòng)，給水流經(jīng)給水管的時(shí)間為0.3 s。為計(jì)算傳熱穩(wěn)定時(shí)的溫度場(chǎng)及應(yīng)力場(chǎng)，選取的計(jì)算時(shí)間為300 s。分析過(guò)程中采用18個(gè)載荷步，如表2所示。

圖4　連續(xù)給水時(shí)給水管的熱應(yīng)力場(chǎng)

時(shí)間/s流體交界面位置/mm載荷步子步數(shù)00120.1137.7220.15206.55320.2275.4430.21289.17530.215296.055630.22302.94730.225309.825830.23316.71930.235323.5951030.24330.481130.245337.3651230.25344.251320.26358.021420.27371.791520.285392.44516220-1750300-18100

圖5為給水管內(nèi)表面不同時(shí)間的溫度分布。橫坐標(biāo)為到零時(shí)刻流體交界面的距離。顯然，0.2 s、0.5 s、1 s這3個(gè)時(shí)刻的溫度曲線明顯呈臺(tái)階狀。其原因是熱分析的邊界條件采用與時(shí)間步對(duì)應(yīng)的階躍施加方式，若時(shí)間步選取足夠小的話，就沒(méi)有臺(tái)階，但計(jì)算過(guò)程會(huì)十分復(fù)雜，并增加了誤差，臺(tái)階隨著時(shí)間的推移而消失。圖5中2 s、5 s、10 s和40 s的溫度曲線在與管板連接區(qū)域存在著凸起的部位，其原因是熱量不斷地從管板傳遞到給水管上。

圖5　給水管內(nèi)側(cè)溫度分布曲線

圖2中，在給水管內(nèi)壁選擇了6個(gè)點(diǎn)，它們的熱應(yīng)力隨時(shí)間的變化曲線如圖6所示。由圖6可以看出，在40 s后，6個(gè)點(diǎn)的熱應(yīng)力基本穩(wěn)定。其中，4點(diǎn)的熱應(yīng)力最大，接近330 MPa；1點(diǎn)及6點(diǎn)由于距給水管與管板相連接的位置較遠(yuǎn)，因此熱應(yīng)力相對(duì)較小，約為100 MPa。

在40 s后，間斷給水方式模型的熱應(yīng)力變化已達(dá)穩(wěn)定，如圖7所示。與圖4相比，最大熱應(yīng)力增加到了326 MPa，最大熱應(yīng)力的位置與連續(xù)給水時(shí)的最大應(yīng)力位置相同。屈服區(qū)域有了明顯的擴(kuò)大，除了給水管內(nèi)側(cè)，在給水管與管板相連接的外側(cè)也有了一部分的屈服區(qū)域。因此，間斷給水方式下，材料受到的熱應(yīng)力較連續(xù)給水方式更大，材料的屈服區(qū)域更大，更為危險(xiǎn)。

圖6　不同節(jié)點(diǎn)熱應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線

圖7　40 s時(shí)熱應(yīng)力分布

4結(jié)論

經(jīng)過(guò)對(duì)給水管與管板在兩種給水方式下受到的溫度場(chǎng)及熱應(yīng)力場(chǎng)的數(shù)值模擬，得出以下結(jié)論：

1)兩種給水方式下，給水管內(nèi)側(cè)受到的熱應(yīng)力都是整個(gè)模型中最大的，而且都超過(guò)了材料的屈服應(yīng)力。但間斷給水比連續(xù)給水的屈服區(qū)域更大，甚至擴(kuò)展到了給水管與管板連接處。

2)間斷給水方式下，最大熱應(yīng)力約為332 MPa，比連續(xù)給水方式下最大熱應(yīng)力286 MPa高出了16個(gè)百分點(diǎn)。因此，間斷給水方式下給水管更易受損，受損部位主要在管內(nèi)側(cè)。

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Numerical Analysis on Temperature Field and

Stress Field of Steam Boiler Feed Pipe

KAN Yi-jun1,SHENG Wei1,SANG Zheng-jun2

(1.Graduate Department,Shenyang Institute of Engineering,Shenyang 110136,Liaoning Province;

2.Generating Department,iaoning DiaoBingshen Coal Gangue Power Plant Co.,Ltd,Tieling 112700,Liaoning Province)

Key words： feed water pipe;thermal stress;limit of yielding;finite-element analysis

(責(zé)任編輯張凱校對(duì)佟金鍇)