循環(huán)流化床鍋爐高溫屏式過(guò)熱器變形原因分析

楊見(jiàn)森 楊必應(yīng) 鐘 旺 朱邦同

（1.安徽省特種設(shè)備檢測(cè)院 合肥 230051）

（2.西安電子科技大學(xué) 西安 710071）

近年來(lái)循環(huán)流化床鍋爐因?yàn)槠淞己玫娜剂线m應(yīng)性和環(huán)保特性等優(yōu)點(diǎn)在國(guó)內(nèi)得到廣泛應(yīng)用［1］，并且朝著大容量高參數(shù)方向發(fā)展，諸如T91（P91）、T92（P92）、TP347H等高合金耐熱鋼也逐步運(yùn)用到高參數(shù)循環(huán)流化床鍋爐高溫段及易腐蝕部件上。在循環(huán)流化床鍋爐內(nèi)部檢驗(yàn)中經(jīng)常發(fā)現(xiàn)鍋爐車小管容易產(chǎn)生磨損、變形、結(jié)渣和腐蝕等問(wèn)題，本文結(jié)合幾個(gè)內(nèi)部檢驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)所發(fā)現(xiàn)的高溫屏式過(guò)熱器變形問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行失效模式分析，以對(duì)今后該型號(hào)或類似結(jié)構(gòu)的循環(huán)流化床鍋爐的設(shè)計(jì)、安裝、使用環(huán)節(jié)提供一些參考。

1 案例介紹

某鍋爐型號(hào)為KG120－540/13.34－FSWZ1，采用循環(huán)流化床微正壓燃燒方式，平衡通風(fēng)，燃料為生物質(zhì)，露天布置。爐膛內(nèi)前墻水冷壁位置布置有6片高溫屏式過(guò)熱器（如圖1所示［2］）。檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同電廠此種型號(hào)鍋爐的高溫屏式過(guò)熱器均產(chǎn)生較大側(cè)向變形（見(jiàn)圖2～圖4），其中爐膛左數(shù)第1屏和右數(shù)第1屏過(guò)熱器彎曲變形量最大，最大值達(dá)到約800 mm，位于爐膛中間位置的屏式過(guò)熱器變形量相對(duì)較小。經(jīng)對(duì)產(chǎn)生變形位置的屏式過(guò)熱器進(jìn)行測(cè)厚、現(xiàn)場(chǎng)金相、硬度檢測(cè)分析，并未發(fā)現(xiàn)明顯異常。

圖1 高溫屏式過(guò)熱器布置示意圖

圖2 霍邱某電廠現(xiàn)場(chǎng)圖

圖3 南陵某電廠現(xiàn)場(chǎng)圖

圖4 霍山某電廠現(xiàn)場(chǎng)圖

該型號(hào)鍋爐采用蒸汽五級(jí)過(guò)熱系統(tǒng)，蒸汽依次通過(guò)包墻過(guò)熱器、低溫過(guò)熱器、低溫屏式過(guò)熱器、爐膛高溫屏式過(guò)熱器，最終進(jìn)入位于煙道內(nèi)的高溫過(guò)熱器。如圖1所示，6片高溫屏式過(guò)熱器在爐膛前墻水冷壁位置沿爐膛中心線向兩側(cè)均勻布置。高溫屏式過(guò)熱器為膜式結(jié)構(gòu)，由規(guī)格為φ42 mm×8 mm、材質(zhì)為TP347H的管子與扁鋼焊接而成。在屏式過(guò)熱器下部水平段、傾斜段及一部分垂直段敷設(shè)有耐磨材料，以防止?fàn)t內(nèi)灰粒子對(duì)屏過(guò)受熱面的磨損、沖蝕。屏式過(guò)熱器管屏進(jìn)口集箱位置采用密封盒與前墻水冷壁相連接，管屏進(jìn)口處可以通過(guò)和前墻水冷壁固定隨爐膛前墻水冷壁向下膨脹，出口處屏過(guò)分配集箱與混合集箱由吊桿懸吊于鋼架上。查詢圖紙，高溫屏式過(guò)熱器高度約為14 m，寬度約為2.5 m，水冷壁規(guī)格為φ60 mm×6.5 mm，材質(zhì)為20G。

2 變形原因分析

鍋爐運(yùn)行時(shí)受熱面管子會(huì)隨著溫度的升高而產(chǎn)生熱膨脹伸長(zhǎng)。假設(shè)鍋爐穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，受熱面管達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)近似平均溫度為T，受熱面管可以上下膨脹伸長(zhǎng)，管子的膨脹伸長(zhǎng)量用式（1）表示：

式中：

LT——溫度為T時(shí)管子的膨脹伸長(zhǎng)量；

L——管子原長(zhǎng)度；

α——工作溫度時(shí)管子線性熱膨脹系數(shù)；

ΔT——管子從冷態(tài)至額定工況時(shí)的溫度變化量。

屏式過(guò)熱器隨溫升而膨脹伸長(zhǎng)，由式（1）得膨脹伸長(zhǎng)量為L(zhǎng)p，爐膛水冷壁隨著溫度升高向下膨脹，膨脹伸長(zhǎng)量為L(zhǎng)w。容易看出，由于TP347H的線性熱膨脹系數(shù)α要比20G大得多［3］，且由鍋爐熱力計(jì)算書得出屏式過(guò)熱器管子溫度變化量ΔT（從冷態(tài)至額定工況時(shí)的溫度變化量）也較水冷壁的溫度變化量高約150 ℃，因此屏式過(guò)熱器管屏相對(duì)于水冷壁將有更大的伸長(zhǎng)量即Lp－Lw＞0，這將導(dǎo)致屏式過(guò)熱器不僅僅隨著水冷壁向下膨脹，也會(huì)向上膨脹伸長(zhǎng)。一旦向上膨脹受阻則會(huì)在屏式過(guò)熱器管屏內(nèi)部產(chǎn)生壓應(yīng)力F,管子在受到壓應(yīng)力時(shí)首先會(huì)產(chǎn)生彈性變形，其應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系滿足楊氏模量表達(dá)式（2）。

式中：

E——楊氏模量；

F——管子膨脹受阻產(chǎn)生的壓應(yīng)力；

A——管的截面積。

隨著壓應(yīng)力的逐漸增大，當(dāng)F達(dá)到管屏失穩(wěn)所需應(yīng)力的臨界值Fcr時(shí)，管屏將會(huì)產(chǎn)生失穩(wěn)變形。由于管屏細(xì)長(zhǎng)可簡(jiǎn)化為細(xì)長(zhǎng)桿模型，其穩(wěn)定性滿足壓桿穩(wěn)定性的歐拉公式（3）。

式中：

Fcr——失穩(wěn)變形的臨界壓力；

μ——管屏長(zhǎng)度系數(shù)；

I——截面慣性矩。

管屏在臨界壓力下時(shí)壓縮變形量設(shè)為L(zhǎng)s，則由胡克定律彈性模量表達(dá)式得管子縮短量，見(jiàn)式（4）：

式中：

Ls——壓力作用下的管子縮短量。

可以得到在管子失穩(wěn)變形后臨界壓力Fcr做的功為W=Fcr(Lp－Ls)，管子變形儲(chǔ)存的變形能量用式（5）［4］表示：

式中：

B——管子最大撓度的1/2。

依據(jù)功能原理［4］有B2Fcr2(L＋Lw)/(4EI)=Fcr(Lp－Ls)，將式（4）以及臨界壓力條件下Fcr的歐拉公式（3）帶入上式得到關(guān)系式（6）：

式中：

λ——管屏的柔度。

從式（6）可以看出，管子變形的最大撓度與其溫度變化量、長(zhǎng)度、材料的熱膨脹系數(shù)成正相關(guān)。查詢鍋爐設(shè)計(jì)說(shuō)明書及熱力計(jì)算書，屏式過(guò)熱器入口蒸汽溫度為425 ℃，出口蒸汽溫度為523 ℃，而水冷壁的汽水混合物溫度為341.6 ℃，易得出屏式過(guò)熱器管子的溫度變化量（管子從冷態(tài)至額定工況時(shí)的溫度變化量）比水冷壁管子的溫度變化量大得多且TP347H材料比20G的線性熱膨脹系數(shù)更大，從而導(dǎo)致屏式過(guò)熱器管子產(chǎn)生較大變形。在內(nèi)部檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，某些鍋爐在爐膛前墻水冷壁相近位置布置類似結(jié)構(gòu)的水冷屏，水冷屏并未如屏式過(guò)熱器那樣產(chǎn)生較大變形，該現(xiàn)象也從側(cè)面證實(shí)了此種理論解釋。

3 數(shù)值模擬

采用有限元模擬的方式可以更直觀地得到屏式過(guò)熱器的失穩(wěn)變形狀態(tài)，以及臨界壓應(yīng)力大小。為此需要將屏式過(guò)熱器材料的物理參數(shù)導(dǎo)入有限元分析軟件材料庫(kù)中，材料物理性質(zhì)見(jiàn)表1［3］。

表1 TP347H物理參數(shù)

采用跟實(shí)際屏式過(guò)熱器一樣的尺寸建模，生成網(wǎng)格文件如圖5所示，網(wǎng)格單元數(shù)約710 000個(gè)。由結(jié)構(gòu)力學(xué)可以知道屈曲載荷F=nFcr，其中F值是多解的，但是使壓桿發(fā)生彎曲的最小壓力才是臨界失穩(wěn)壓力，因此這里取n=1。為了方便簡(jiǎn)化，將屏式過(guò)熱器的下端設(shè)置為固定端（實(shí)際情況是下端隨水冷壁向下膨脹，上端膨脹受阻），將其上端設(shè)置為受壓端，壓應(yīng)力預(yù)設(shè)置為1 MPa，運(yùn)用屈曲求解模塊求解，得到的屏式過(guò)熱器變形形態(tài)如圖6所示，由于邊界條件壓應(yīng)力預(yù)設(shè)置為1 MPa，第一模態(tài)的線性屈曲因子為1.178 4，因此得出失穩(wěn)應(yīng)力為1.178 4 MPa。

圖5 屏式過(guò)熱器網(wǎng)格圖

圖6 屏式過(guò)熱器失穩(wěn)變形圖

假設(shè)屏式過(guò)熱器向上方向完全受阻，向下可以隨水冷壁按照設(shè)計(jì)預(yù)定方向自由膨脹，那么運(yùn)用胡克定律的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系求出壓應(yīng)力σ約為885 MPa，已經(jīng)超過(guò)了TP347H的屈服強(qiáng)度，且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了模擬出的最小失穩(wěn)臨界壓應(yīng)力值1.178 4 MPa。由此可以看出，長(zhǎng)達(dá)14 m的屏式過(guò)熱器穩(wěn)定性較差，一旦膨脹受阻產(chǎn)生壓應(yīng)力，導(dǎo)致失穩(wěn)變形是非常容易的，僅僅需要1.178 4 MPa的內(nèi)應(yīng)力即可。如圖6所示，模擬得出管屏最大變形量約為0.89 m，實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得最大變形值約為0.8 m，模擬值相比實(shí)際變形數(shù)值略大，但誤差符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)情況?？紤]實(shí)際上向上方向并不完全受阻，可能是部分受阻，因此實(shí)際壓應(yīng)力要比885 MPa小得多，且變形量比模擬值更小，但也足以使過(guò)熱器管屏產(chǎn)生失穩(wěn)變形，在鍋爐停爐后管屏無(wú)法恢復(fù)到正常狀態(tài)。

4 結(jié)論

通過(guò)運(yùn)用材料力學(xué)細(xì)長(zhǎng)桿壓桿失穩(wěn)的理論分析和推導(dǎo)以及屏式過(guò)熱器全尺寸有限元線性屈曲的模擬，可以得出以下結(jié)論：

1）較小的壓應(yīng)力即可使細(xì)長(zhǎng)的屏式過(guò)熱器產(chǎn)生失穩(wěn)變形。屏式過(guò)熱器下部集箱采用密封盒與前墻水冷壁固定，能夠按照設(shè)計(jì)預(yù)定方向自由膨脹，但出口分配集箱穿墻處未采用高溫膨脹節(jié)，與出口分配集箱相連的混合集箱采用普通吊桿的懸吊方式，限制了屏式過(guò)熱器的向上膨脹過(guò)程，因此可以得出，過(guò)熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不夠合理導(dǎo)致其無(wú)法自由膨脹是其產(chǎn)生彎曲變形的主要原因；

2）爐膛的溫度場(chǎng)不均等因素可導(dǎo)致屏式過(guò)熱器管屏管壁溫度變得更高［5］，產(chǎn)生更大的線性膨脹受阻內(nèi)應(yīng)力，從而使其產(chǎn)生失穩(wěn)變形。

5 對(duì)策

1）改進(jìn)屏式過(guò)熱器的設(shè)計(jì)如采用自然懸吊結(jié)構(gòu)，管子能夠按照設(shè)計(jì)預(yù)定方向自由膨脹；采用線性膨脹系數(shù)較小的材料如12Cr1MoVG；縮短管屏長(zhǎng)度，增加管屏數(shù)量以及增大管子直徑以此增加管屏的剛度；

2）在屏式過(guò)熱器出口穿頂棚管處，可以采用高溫膨脹節(jié)的方式或采用彈簧吊桿的懸吊方式，使其在向上的方向有一定的膨脹余量；

3）從過(guò)熱器管屏最外側(cè)引出一根管子作為夾持，加大管屏的穩(wěn)定性；

4）加強(qiáng)鍋爐運(yùn)行和啟爐的操作規(guī)范性，嚴(yán)格控制管壁溫度和煙氣溫度，做到管壁不超溫，降低材料熱應(yīng)力。