電站鍋爐高溫再熱器倒“U”型彎管設(shè)計(jì)應(yīng)力分析

趙加星

（中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院 北京 100029）

火力發(fā)電是我國(guó)當(dāng)前最重要的電力能源獲得方式，目前國(guó)內(nèi)火力發(fā)電廠多以超（超）臨界鍋爐機(jī)組為主。為提高機(jī)組循環(huán)效率，從經(jīng)濟(jì)性考慮，超（超）臨界鍋爐均設(shè)置了再熱器。其作用把從汽輪機(jī)高壓缸抽出的蒸汽再次加熱，送到汽輪機(jī)的中壓缸繼續(xù)膨脹做功。高溫再熱器作為鍋爐重要的高溫部件按照蒸汽與高溫?zé)煔獾牧鲃?dòng)方向，分為順流布置（介質(zhì)與高溫?zé)煔饬鲃?dòng)方向相同）、逆流布置（介質(zhì)與高溫?zé)煔饬鲃?dòng)方向相反）和混流布置（介質(zhì)與高溫?zé)煔饬鲃?dòng)方向部分相同、部分相反的組合）三種方式（見圖1）。

近年來，一種新型高溫再熱器布置形式的應(yīng)用成了各方研究的熱點(diǎn)。為了節(jié)省材料，減少制造、安裝成本，個(gè)別鍋爐廠超（超）臨界鍋爐高溫再熱器設(shè)計(jì)采用了布置如圖2的混流布置結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)形式取消了低溫再熱器出口集箱和高溫再熱器進(jìn)口集箱，將低溫再熱器出口受熱面管直接連接高溫再熱器。該結(jié)構(gòu)形式再熱器系統(tǒng)跨度較大，受熱面管子長(zhǎng)度較長(zhǎng)，柔性較大，故設(shè)計(jì)中為了保持管排的平整，在受熱面管之間，除了加裝管卡、梳形板，還在圖2中A位置，示意圖見圖3位置管子間焊接定位塊。鍋爐內(nèi)部檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用此結(jié)構(gòu)形式的高溫再熱器在運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)定位塊焊縫撕裂脫開現(xiàn)象，個(gè)別電廠甚至發(fā)生由于焊縫撕裂引起高溫再熱器爆管泄漏停機(jī)事故（見圖4、圖5）。

圖1 不同介質(zhì)流程高溫再熱器布置圖

圖2 無進(jìn)口集箱混流結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 倒“U”型管屏定位塊示意圖

圖4 高溫再熱器爆管照片

圖5 高溫再熱器爆管照片

針對(duì)此類缺陷，筆者運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件，建立等效模型，分析了倒“U”型區(qū)域定位塊的應(yīng)力分布。

1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)及分析

1.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)及計(jì)算

高溫過熱器倒“U”型結(jié)構(gòu)位置管材材料為SA-213T91，化學(xué)成分見表1，熱導(dǎo)率為29.2W/（m·℃），定位塊材質(zhì)為1Cr18Ni9Ti，化學(xué)成分見表2，熱導(dǎo)率為16.3W/（m·℃）。下向上數(shù)第一個(gè)定位塊（下數(shù)第1、2根管之間，記為A1，依此類推）尺寸為75×20×6mm，A2尺寸為145×20×6mm，A3尺寸為220×20×6mm，采用不銹鋼焊材焊接于高溫再熱器管子上。

表1 高溫再熱器管化學(xué)成分

表2 定位塊化學(xué)成分

采用ANSYS有限元模擬軟件，建立模型，見圖6。通過模擬計(jì)算，現(xiàn)有的采用此種1Cr18Ni9Ti尺寸規(guī)格作為管子之間定位塊，在定位塊與下側(cè)管子相連接的位置，等效應(yīng)力達(dá)到了221MPa，如圖7中標(biāo)記位置。

圖6 有限元模型

通過有限元計(jì)算和實(shí)際情況，采用此尺寸的定位塊會(huì)造成此處等效應(yīng)力非常高。若將A1尺寸設(shè)置成與A2尺寸一樣，即為145×20×6mm，建立有限元模型如圖8所示。通過延長(zhǎng)A1定位塊尺寸，計(jì)算發(fā)現(xiàn)等效應(yīng)力大幅降低，從221MPa下降到28.5MPa，大大降低了定位塊發(fā)生撕裂的安全隱患。

圖7 等效應(yīng)力最高位置示意圖

圖8 改變定位塊尺寸后等效應(yīng)力示意圖

1.2 結(jié)果分析

超臨界直流鍋爐各系統(tǒng)內(nèi)管子間固定塊的缺陷損傷多是由材料屈服引起的。高溫再熱器管子間固定塊的有限元計(jì)算結(jié)果表明，加大定位塊的尺寸可以有效降低固定塊內(nèi)的應(yīng)力。在相同的載荷工況下，固定塊長(zhǎng)度的增加可以大大增加固定塊受力橫截面的面積從而有效減小固定塊內(nèi)的等效應(yīng)力。另一方面，受力橫截面面積的增加亦可有效減少應(yīng)力集中的發(fā)生，從而有效減少因應(yīng)力集中引起的材料屈服導(dǎo)致的缺陷的發(fā)生。

2 結(jié)論

1）高溫再熱器倒“U”型設(shè)計(jì)中焊接的定位塊會(huì)大大增加管排的等效應(yīng)力，尤其是下向上數(shù)第1個(gè)定位塊焊縫位置；

2）更改下向上數(shù)第1個(gè)定位塊尺寸，如變更成145×20×6mm尺寸，大大降低等效應(yīng)力。

[1] 張力.電站鍋爐原理[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，2009.

[2] 張彥華.焊接力學(xué)與結(jié)構(gòu)完整性原理[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.