影響鍋爐汽包低周疲勞壽命的因素分析

李 軍， 張 揚

(國家專利局材料工程發(fā)明審查部，北京 100088)

汽包是鍋爐中最關(guān)鍵的受壓元件，因此需要對汽包的壽命進行全過程規(guī)劃和控制。汽包的全壽命周期成本分析(Life Cycle Cost Analysis)是綜合了汽包材料選擇、汽包結(jié)構(gòu)設(shè)計和安全經(jīng)濟運行多方面因素來研究汽包壽命損耗的系統(tǒng)工程[1-3]，該壽命管理理念在國內(nèi)逐漸受到重視。汽包的材料、汽包結(jié)構(gòu)和動態(tài)過程中的升溫率是影響其壽命損耗最重要的3個因素，而這3個因素與汽包壽命損耗之間的函數(shù)關(guān)系是非線性的，因而目前國內(nèi)對上述3個因素的影響規(guī)律研究還較少。為了全面、科學(xué)、合理地為汽包全壽命成本管理提供參考依據(jù)，筆者從汽包全壽命周期成本最優(yōu)的角度出發(fā)，借助現(xiàn)有成熟的汽包應(yīng)力和壽命計算模型，通過計算研究汽包材料、汽包結(jié)構(gòu)和動態(tài)過程中的升溫率對汽包壽命損耗的影響，將計算得到的數(shù)據(jù)進行可視化處理并深入分析其變化趨勢，這對于采用汽包鍋爐的電廠在汽包選型和經(jīng)濟運行等方面具有現(xiàn)實意義和重要的參考價值。

1 汽包壽命損耗的計算

汽包壽命損耗的計算包括汽包應(yīng)力計算和汽包壽命損耗計算。

1.1 汽包應(yīng)力的計算

汽包應(yīng)力是汽包熱應(yīng)力與汽包機械應(yīng)力的合成應(yīng)力。在工程上，汽包應(yīng)力的計算步驟通常是先計算出汽包熱應(yīng)力，再計算出汽包機械應(yīng)力，然后將兩者按照一定的規(guī)則疊加成為合成應(yīng)力[4]。

根據(jù)美國機械工程師協(xié)會(ASME)規(guī)范，汽包的縱向截面與下降管接合處內(nèi)轉(zhuǎn)角具有最大的機械應(yīng)力集中系數(shù)，該點被認為是最危險工作點，也是汽包應(yīng)力的監(jiān)測點，在工程計算中，我國和美、英兩國都是根據(jù)最大剪應(yīng)力理論(第三強度理論)，采用應(yīng)力集中系數(shù)的方法來考慮該點的應(yīng)力數(shù)值。

該點的合成應(yīng)力σ為：

(1)

1.2 汽包壽命損耗的計算及統(tǒng)計

1.2.1 汽包壽命損耗的計算

首先求得在動態(tài)過程應(yīng)力循環(huán)中的最小合成應(yīng)力σmin和最大合成應(yīng)力σmax，則該循環(huán)的最大應(yīng)力幅σa為：

σa=(σmax-σmin)/2

(2)

然后根據(jù)BS5500設(shè)計疲勞曲線來查找鍋爐汽包壽命損耗。之前還需要依據(jù)材料的彈性模量對最大應(yīng)力幅進行修正處理。

(3)

式中：σd為修正應(yīng)力幅值，MPa；Ed為設(shè)計疲勞曲線中給定的彈性模量，Ed=2.068×105MPa；E為所分析材料的彈性模量，MPa。

根據(jù)σd值，在BS5500設(shè)計疲勞曲線上找出與這個應(yīng)力幅對應(yīng)的允許的循環(huán)次數(shù)N，而1/N就是循環(huán)一次汽包的壽命損耗。

1.2.2 汽包壽命損耗的統(tǒng)計

工程上通常采用雨流計數(shù)法對汽包的載荷歷程進行統(tǒng)計[5-6]。循環(huán)過程中汽包壽命損耗的統(tǒng)計公式為：

H=∑ni/Ni

(4)

式中：Ni為汽包在i級幅值載荷下的疲勞壽命；ni為汽包在第i級幅值載荷下的工作循環(huán)次數(shù)。

2 汽包材料對汽包壽命的影響

2.1 汽包材料對啟動壽命的影響

對汽包應(yīng)力產(chǎn)生影響的材料因素有熱擴散率、線膨脹系數(shù)和彈性模量等。圖1給出了材料因素在冷態(tài)啟動過程中對汽包應(yīng)力和汽包壽命損耗的影響。從圖1可以看出，當(dāng)材料的熱擴散率增大時，汽包的應(yīng)力谷值上升，而應(yīng)力峰值與材料因素?zé)o關(guān)，所以應(yīng)力幅值及修正應(yīng)力幅值下降，汽包壽命損耗也相應(yīng)減??；當(dāng)材料的線膨脹系數(shù)增大時，應(yīng)力谷值降低，而應(yīng)力峰值保持不變，因而應(yīng)力幅值和修正應(yīng)力幅值上升，因而汽包壽命損耗增大；當(dāng)材料的彈性模量增大時，應(yīng)力谷值降低，應(yīng)力峰值不變，因此應(yīng)力幅值上升，但是修正應(yīng)力幅值受彈性模量增大的影響反而下降，因而汽包壽命損耗也相應(yīng)地減小。

2.2 汽包材料對調(diào)峰壽命的影響

在鍋爐從200 MW降負荷到120 MW，經(jīng)過一段時間后再升負荷到200 MW這個應(yīng)力循環(huán)中，只有機械應(yīng)力才會對汽包的低周疲勞壽命產(chǎn)生影響，因而在材料因素中只有材料的彈性模量能對汽包修正應(yīng)力和汽包壽命損耗產(chǎn)生影響。圖2給出了材料彈性模量在調(diào)峰過程中對汽包修正應(yīng)力幅值和汽包壽命損耗的影響。從圖2可以看出，隨著材料彈性模量的增大，修正應(yīng)力幅值降低，汽包壽命損耗不斷減小，因而選擇高彈性模量材料有利于汽包的安全運行。

2.3 3種常用汽包材料對汽包壽命損耗的影響

目前國內(nèi)在制造超高壓及臨界鍋爐汽包時使用的板材主要有19Mn5、SA299和BHW35[7-8]，表1給出了這3種常用高參數(shù)汽包材料的物理性能。

2.3.1 3種材料對冷態(tài)啟動過程中汽包壽命的影響

表2給出了3種材料在冷態(tài)啟動過程中對汽包應(yīng)力和汽包壽命損耗的影響。圖3給出了3種材料在冷態(tài)啟動過程中對汽包應(yīng)力的影響。

(a) 材料因素對冷態(tài)啟動過程中應(yīng)力谷值的影響

(b) 材料因素對冷態(tài)啟動過程中應(yīng)力幅值的影響

(c) 材料因素對冷態(tài)啟動過程中修正應(yīng)力幅值的影響

(d) 材料因素對冷態(tài)啟動過程中汽包壽命損耗的影響圖1 材料因素在冷態(tài)啟動過程中對汽包應(yīng)力和汽包壽命損耗的影響Fig.1 Influence of material factors on the stress and life loss of boiler drum in cold startup process

圖2 材料彈性模量在調(diào)峰過程中對汽包修正應(yīng)力幅值和汽包壽命損耗的影響

Fig.2 Influence of material's modulus of elasticity on the modified stress and life loss of boiler drum in peaking process

綜合表1、表2和圖3可以看出，3種材料中19Mn5的熱擴散率最大，線膨脹系數(shù)和彈性模量居中，因而其應(yīng)力谷值最高，對應(yīng)的應(yīng)力峰值與其他2種材料相同，因而應(yīng)力幅值最低，修正應(yīng)力幅值也最低，在3種材料中，其冷態(tài)啟動過程中汽包壽命損耗最小。SA229的熱擴散率和線膨脹系數(shù)居中，彈性模量最小，因此這種材料的汽包應(yīng)力谷值居中，應(yīng)力幅值也居中，但是由于該材料的彈性模量小，故修正應(yīng)力幅值最高，在冷態(tài)啟動過程中汽包壽命損耗最大。BHW35的熱擴散率最小，線膨脹系數(shù)最大，彈性模量也最大，因而其應(yīng)力谷值最低，應(yīng)力幅值最高，但是由于其彈性模量最大，導(dǎo)致修正應(yīng)力幅值居中，因而在冷態(tài)啟動過程中使用該材料的汽包壽命損耗也居中。

表1 3種常用汽包材料的物理性能Tab.1 Physical performance of three commonly used materials

表23種材料在冷態(tài)啟動過程中對汽包應(yīng)力和汽包壽命損耗的影響

Tab.2Influenceofthreematerialsonthestressandlifelossofboilerdrumincoldstartupprocess

參數(shù)材料19Mn5SA299BHW35應(yīng)力谷值/MPa-20.556-22.293-24.907應(yīng)力峰值/MPa483.22483.22483.22應(yīng)力幅值/MPa251.89252.75254.06修正應(yīng)力幅值/MPa269.51279.82270.43汽包壽命損耗2.780 7×10-43.104 9×10-42.809 1×10-4

(a)(b)

圖3 3種材料在冷態(tài)啟動過程中對汽包應(yīng)力的影響

Fig.3 Influence of three materials on the stress of boiler drum in cold startup process

2.3.2 3種材料對調(diào)峰過程中汽包壽命的影響

表3給出了3種材料在調(diào)峰過程中對汽包應(yīng)力和汽包壽命損耗的影響。圖4給出了3種材料在調(diào)峰過程中對汽包應(yīng)力的影響。

表33種材料在調(diào)峰過程中對汽包應(yīng)力和汽包壽命損耗的影響

Tab.3Influenceofthreematerialsonthestressandlifelossofboilerdruminpeakingprocess

參數(shù)材料19Mn5SA299BHW35應(yīng)力谷值/MPa405.88405.88405.88應(yīng)力峰值/MPa480.24480.24480.24應(yīng)力幅值/MPa37.18037.18037.180修正應(yīng)力幅值/MPa39.78141.16139.576汽包壽命損耗2.248 2×10-62.310 1×10-62.239 1×10-6

綜合表3和圖4可以看出，在調(diào)峰過程中，材料因素對汽包應(yīng)力谷值、應(yīng)力峰值和應(yīng)力幅值都沒有影響，但材料的彈性模量卻直接影響修正應(yīng)力幅值，進而影響汽包壽命損耗。彈性模量越大，修正應(yīng)力幅值越高，汽包壽命損耗越小。3種材料中BHW35的彈性模量最大，因而在調(diào)峰過程中的汽包壽命損耗最??；SA229的彈性模量最小，因而在調(diào)峰過程中的汽包壽命損耗是最大的。

(a)(b)

圖4 3種材料在調(diào)峰過程中對汽包應(yīng)力的影響

Fig.4 Influence of three materials on the stress of boiler drum in peaking process

3 汽包結(jié)構(gòu)對汽包壽命的影響

汽包結(jié)構(gòu)對汽包壽命的影響主要是考慮汽包內(nèi)直徑和汽包厚度這2個重要因素的影響。

3.1 汽包結(jié)構(gòu)在冷態(tài)啟動過程中對汽包壽命的影響

圖5給出了結(jié)構(gòu)因素在冷態(tài)啟動過程中對汽包應(yīng)力和汽包壽命損耗的影響，其中Sy為汽包厚度。從圖5可以看出，在冷態(tài)啟動過程中，當(dāng)汽包內(nèi)直徑增大時，應(yīng)力谷值上升，但是應(yīng)力峰值上升得更多，因而應(yīng)力幅值和修正應(yīng)力幅值上升，汽包壽命損耗增大；而當(dāng)汽包厚度增加時，應(yīng)力谷值降低，但是應(yīng)力峰值降低得更多，因而應(yīng)力幅值和修正應(yīng)力幅值降低，汽包壽命損耗減小。

3.2 汽包結(jié)構(gòu)在調(diào)峰過程中對汽包壽命的影響

圖6給出了結(jié)構(gòu)因素在調(diào)峰過程中對汽包應(yīng)力和汽包壽命損耗的影響。從圖6可以看出，汽包的內(nèi)直徑越小，汽包厚度越大，在調(diào)峰過程中汽包壽命損耗也越小。

4 升溫率在冷態(tài)啟動過程中對汽包壽命和冷態(tài)啟動過程總成本的影響

4.1 升溫率在冷態(tài)啟動過程中對汽包壽命的影響

在鍋爐的所有循環(huán)中，冷態(tài)啟動過程中的應(yīng)力幅值是最高的，該值與鍋爐啟動的升溫率有直接的關(guān)系。圖7給出了升溫率在冷態(tài)啟動過程中對汽包應(yīng)力和汽包壽命損耗的影響。

從圖7可以看出，隨著升溫率的提高，汽包的應(yīng)力谷值不斷降低，而應(yīng)力峰值維持不變，因而應(yīng)力幅值不斷上升，相應(yīng)的修正應(yīng)力幅值不斷上升，汽包壽命損耗也不斷增大。升溫率越高，汽包壽命損耗越大，這就是在冷態(tài)啟動過程中要嚴格控制升溫率的原因。工程上通常要求平均升溫率不應(yīng)高于2.0K/min，圖7中與該升溫率對應(yīng)的汽包壽命損耗為3.5×10-4。

(a) 結(jié)構(gòu)因素對冷態(tài)啟動過程中應(yīng)力谷值的影響

(b) 結(jié)構(gòu)因素對冷態(tài)啟動過程中應(yīng)力峰值的影響

(c) 結(jié)構(gòu)因素對冷態(tài)啟動過程中應(yīng)力幅值及修正應(yīng)力幅值的影響

(d) 結(jié)構(gòu)因素對冷態(tài)啟動過程中汽包壽命損耗的影響圖5 結(jié)構(gòu)因素在冷態(tài)啟動過程中對汽包應(yīng)力和汽包壽命損耗的影響Fig.5 Influence of structure factors on the stress and life loss of boiler drum in cold startup process

(a) 結(jié)構(gòu)因素對調(diào)峰過程中應(yīng)力峰值的影響

(b) 結(jié)構(gòu)因素對調(diào)峰過程中應(yīng)力峰值的影響

(c) 結(jié)構(gòu)因素對調(diào)峰過程中應(yīng)力幅值及修正應(yīng)力幅值的影響

(d) 結(jié)構(gòu)因素對調(diào)峰過程中汽包壽命損耗的影響圖6 結(jié)構(gòu)因素在調(diào)峰過程中對汽包應(yīng)力和汽包壽命損耗的影響Fig.6 Influence of structure factors on the stress and life loss in peaking process

4.2 升溫率在冷態(tài)啟動過程中對冷態(tài)啟動過程總成本的影響

計算對象為東方鍋爐股份有限公司生產(chǎn)的型號為DG670/140-5的汽包鍋爐，該鍋爐汽包的具體參數(shù)如下：汽包內(nèi)直徑D1=1 600 mm，外直徑D2=1 780 mm，設(shè)計壁厚S=90 mm，下降管內(nèi)直徑d1=336 mm，汽包額定壓力pe=15.596 MPa(表壓)。水壓試驗壓力為19.62 MPa，線膨脹系數(shù)a1=1.277 6×10-5K-1，熱擴散率a=519.8 mm2/min，泊松比v=0.3，最小屈服極限σS=340 MPa，強度極限σb=580 MPa。

(a)

(b)

圖7 升溫率在冷態(tài)啟動過程中對汽包應(yīng)力和汽包壽命損耗的影響

Fig.7 Influence of heating rate on the stress and life loss of boiler drum in cold startup process

首先根據(jù)該機組的年發(fā)電量，將汽包壽命損耗換算成該機組的發(fā)電量損失，進而得到汽包的壽命成本。

Cpd=Qa×C0/La

(5)

Cdrum=Cpd×Lcold

(6)

式中：Qa為年平均發(fā)電量，kW·h；C0為平均每kW·h電的利潤，元/(kW·h)；La為每年汽包的壽命損耗；Cpd為每損耗一個單位的汽包壽命使得機組提前報廢造成相應(yīng)電廠的利潤損失，元；Lcold為汽包冷態(tài)啟動一次的壽命損耗；Cdrum為鍋爐冷態(tài)啟動一次汽包的壽命成本，元。

根據(jù)汽包全壽命周期成本(LCC)最優(yōu)理論，鍋爐的冷態(tài)啟動過程總成本不僅包含所消耗的燃料成本，還包括由不同升溫率決定的汽包壽命成本：

Ctotal=Cfuel+Cdrum

(7)

式中：Cfuel為冷態(tài)啟動過程中的燃料成本，元；Ctotal為冷態(tài)啟動過程總成本，元。

圖8給出了升溫率對冷態(tài)啟動過程中鍋爐各項成本的影響。從圖8可以看出，隨著升溫率的提高，Cfuel不斷降低，但Cdrum不斷上升，而Ctotal經(jīng)歷了一個由大到小，再由小到大的變化過程。當(dāng)升溫率在0.8～1 K/min內(nèi)，Ctotal最小，采用這種升溫率啟動鍋爐能夠使總成本最低，從而使總的經(jīng)濟效益達到最優(yōu)。在調(diào)峰期間升溫率對冷態(tài)啟動過程總成本的影響規(guī)律與啟動期間類似，故不再贅述。

圖8 冷態(tài)啟動過程中升溫率對鍋爐成本的影響

Fig.8 Influence of heating rate on the boiler cost in cold startup process

如果要在保持鍋爐汽包壽命成本不變的同時，減少燃料的消耗從而節(jié)約鍋爐燃料成本，可以在啟動期間和調(diào)峰期間采取變升溫率的調(diào)節(jié)方式，能夠取得更加優(yōu)異的經(jīng)濟效益[9-12]。

5 結(jié) 論

(1)汽包的材料、結(jié)構(gòu)和升溫率都會對汽包壽命產(chǎn)生影響，其中材料因素和結(jié)構(gòu)因素是設(shè)計階段最重要的因素，應(yīng)當(dāng)根據(jù)汽包所承擔(dān)的負荷類型進行優(yōu)選，而升溫率是運行階段影響汽包壽命損耗的直接因素。

(2)材料因素中，較大的熱擴散率和較小的線膨脹系數(shù)對減小冷態(tài)啟動過程中汽包壽命損耗是有利的。在應(yīng)變較大的冷態(tài)啟動過程中，塑性較好的19Mn5鋼板的汽包壽命損耗??；在應(yīng)變相對較小的調(diào)峰過程中，強度較高的BHW35鋼板的汽包壽命損耗小。19Mn5更適合作為兩班制調(diào)峰機組鍋爐汽包的材料，而BHW35更適合作為低負荷調(diào)峰機組鍋爐汽包的材料。

(3)結(jié)構(gòu)因素中，汽包內(nèi)直徑和汽包厚度對應(yīng)力峰值的影響比其對應(yīng)力谷值的影響大得多。較小的汽包內(nèi)直徑和較大的汽包厚度對減小冷態(tài)啟動過程和調(diào)峰過程中汽包壽命損耗是非常有利的。SA229這種汽包材料的最大優(yōu)點是容易加工，板材可以做得很厚，可以有效降低應(yīng)力峰值，達到減小汽包壽命損耗的目的。

(4)對于已經(jīng)投運的鍋爐，其汽包的材料和結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定，確定最優(yōu)的升溫率對減小汽包壽命消耗、減少冷態(tài)啟動過程總成本，以達到最佳的經(jīng)濟效益具有現(xiàn)實意義。