失效20G高壓爐管熱應力數值模擬

謝莊元，蘇 輝，陳惠民，馬文濤

（遼寧石油化工大學， 撫順 遼寧 113001）

失效20G高壓爐管熱應力數值模擬

謝莊元，蘇 輝，陳惠民，馬文濤

（遼寧石油化工大學， 撫順 遼寧 113001）

爐管是注汽鍋爐重要的換熱元件，它的安全運行意義重大。由于爐膛內溫度分布不均勻，當瞬時溫差較大時爐管局部會產生較大熱應力。本文從熱應力的角度對高壓鍋爐管爆管原因進行分析。通過Ansys建立20G爐管裂紋模型，對50 ~ 350 ℃不同溫差產生的熱應力進行模擬。通過分析得出：熱應力會加劇材料局部損傷，并且是導致爆管的重要因素。

熱應力； 爆管； 數值模擬； Ansys

注汽鍋爐是油田熱采的重要設備，它安全穩定運行意義重大。某油田8個月內連續3次發生爆管事故，爐管的爆炸不僅會對油田的安全生產帶來隱患，并且會造成巨大的經濟損失。該爐管材質是20G，根據GB713-2008鍋爐和壓力容器用鋼板20G改成Q245R，20G高壓鍋爐管主要用來制造高壓和超高壓鍋爐的過熱器管、再熱器管、主蒸汽管等［1］。

韋麗娃，蘇輝等人在尋找采油注汽鍋爐爆管的原因時，對金相顯微組織進行分析。通過分析發現：珠光體嚴重球化，爐管曾在500 ℃以上溫度使用；根據鐵素體晶粒大小不均勻程度推出爐管曾在730~850 ℃之間工作［2］。譚瑩等提出長期過熱會導致鍋爐管脹粗，局部減薄，最終形成裂紋，爐管安全余量不足是導致爆管的重要原因［3］。此臺鍋爐爐管額定管壁溫度為350 ℃，內外壁最大溫差將近500 ℃。由于內外壁較大溫差的存在，勢必會導致爐管收縮不均與，從而產生較大熱應力，尤其是當爐管產生微裂紋后熱應力會更大。本文建立無裂紋和有裂紋兩種模型，通過Ansys軟件對50~350 ℃之間的不同溫差產生的熱應力進行模擬，從而從熱應力方面對20G爐管的爆裂原因進行分析。

1 爐管規格及工作條件

20G高壓鍋爐管常在高溫和高壓條件下工作，管子在高溫煙氣和水蒸氣的作用下易發生氧化和腐蝕。表1中給出了爐管規格尺寸及工作條件。

表1 爐管規格及工作條件Table 1 Tube specifications and working conditions

2 熱應力產生的原因

熱應力的產生是因為溫差的存在。鍋爐爐膛煤粉燃燒后產生高溫煙氣，高溫煙氣在鍋爐內流動時與爐管進行交換熱量，受熱面由很多并列的管子組成，高溫煙氣流動類型屬于湍流，分子運動形式錯綜復雜，爐管結構也不完全一樣，個別爐管的焓增會高于均焓增，從而產生熱偏差［4］。現代鍋爐尺寸一般比較大，煙氣分布很難均勻，煙氣溫度偏差可達200~300 ℃，甚至會更高，如此高的溫差勢必導致熱應力的產生。

3 模型建立以及網格劃分

由于爐管長期工作在環境比較惡劣，理想狀態下的爐管應當具有高的持久強度，高的抗氧化和腐蝕性能，并有良好的組織穩定性。但是經過較長時間的服役，爐管內長期高溫、高壓、高濕度，必定會受到腐蝕。另外，當煤粉顆粒過大燃燒不充分時，跟隨高溫煙氣流動，對爐管進行長期沖擊，也會導致爐管的微小損壞。冷拔過程中材料的加工硬化降低了塑性易產生缺陷，在表面易形成微細裂紋［5-6］。熱處理不當導致鐵素體沒有完全奧氏體化也易引起爐管的爆裂。在實驗室條件下，在自制拉伸平臺拉伸試驗產生的裂紋擴展方向和受力呈一定夾角，因此本文通過Ansys建立兩種模型，一種是斜裂紋模型，裂紋寬度為50 μm，斜邊最短長度60 μm，另一種是無裂紋模型。由于圓管的對稱性，在任意位置取寬度5 mm進行建模，外側假定為向火面。

本文首先采用Thermal solid、Quad4 node55單元進行傳熱分析，轉換單元類型后以溫度為載荷進行熱應力分析，即間接法進行數值模擬，并在內側施加21 MPa力進行耦合計算。模型以及網格劃分如圖1, 2所示。

圖1 無裂紋模型及網格Fig.1 No crack model and mesh

圖2 斜裂紋模型及網格Fig.2 Oblique crack model and mesh

4 邊界條件及計算結果

本文對兩種模型在50~350 ℃之間的不同溫差下分別進行模擬計算，由于熱管內部溫度額定溫度350 ℃，因此內部邊界條件溫度恒定350 ℃，壓力垂直壁面21 MPa。外側邊界值如表2所示。

表2 爐管外側溫度邊界條件Table 2 Tube outer temperature boundary conditions

通常材料的裂紋擴展總會擇弱進行［7］，但當材料性能或斷裂韌性KIc值相差不大時，裂紋或損傷會產生于集中應力最大值處。通過16組模擬計算得出8種溫差下兩種模型應力最大值結果如圖3所示。

圖3 兩種模型在不同溫差下應力最大值Fig.3 The maximum stress of two models under different temperature differences

5 結果分析

通過計算結果分析可知，隨著溫差的增加，熱管內部熱應力也會隨之增加。當模型沒有裂紋存在時，溫差在接近150 ℃時，應力為約180 MPa，已超過20G爐管的屈服強度。當有裂紋存在時，溫差在80 ℃就接近爐管的屈服強度，當溫差更大時，材料損傷更為嚴重。雖然伴隨操作條件變化，溫差存在的時間極短，但大溫差足以造成材料塑性變形或者損壞。當溫差隨時間變化產生波動時，會產生波動的熱應力，從而造成材料疲勞破壞［8］。

為進一步研究爐管產生裂紋時應力場分布情況，以500 ℃為例進行分析。圖4所示，給出了裂紋存在時整個模型溫度分布以及應力場分布情況。

由圖5中應力場分布可以看到，接近內壁處應力平均值約為132 MPa，已經超過了20G在該溫度下GB150-2010鋼制壓力容器中規定的許用應力42 MPa［9］，這表明在靠近內壁處已經不安全。

圖4 溫差150 ℃溫度分布Fig.4 Temperature distribution under the temperature difference of 150 ℃

圖5 溫差150 ℃時應力分布Fig.5 The stress distribution under the temperature difference of 150 ℃

而在裂紋周圍的應力場平均值在300 MPa以上，以超出材料屈服強度172 MPa，即便溫差存在的時間極短，在局部區域仍然會造成材料損傷。裂紋的擴展會擇弱進行，爐管本身缺陷或者因高溫氧化脫碳的部位或其他損傷會成為裂紋的根源。爐管長時間在高溫高壓以及高濕度條件下服役過程中，工況不穩定產生熱應力一方面會加劇應力腐蝕。另一方面使靠近內壁邊緣處材料產生塑性變形或者損傷，在其附近有較大應力場存在時，會加劇塑性變形或裂紋的擴展。由于運行時間足夠長，不斷變化的熱應力使爐管產生疲勞載荷，加劇材料蠕變［10］。

在塑性變形或裂紋擴展到一定程度時，并且當溫差產生足夠大的應力時從而產生爆管。因此，降低熱應力是爐管安全運行的必要條件。

6 結 論

通過數值模擬計算可得出以下結論：

（1）溫差較大時會產生較大熱應力，從而導致材料塑性變形或損傷，加劇應力腐蝕并降低爐管壽命。

（2）20G爐管安全余量不足，壁面溫度超過額定溫度時大溫差產生的熱應力會加劇材料蠕變，熱應力是爐管爆管的重要因素。

（3）合理設計鍋爐結構，減少鍋爐熱偏差，并保持工況穩定能增加爐管使用壽命。

［1］GB713-2008 鍋爐和壓力容器用鋼板[S].

［2］韋麗娃,蘇輝,申龍涉. 采油注汽鍋爐爆管事故原因分析[J]. 壓力容器.2008,(03)25-28．

［3］譚瑩,曹標,等. 過熱器20G鋼管爆裂原因分析[J]. 金屬熱處理,2009（9）：105-107.

［4］崔艷華，鍋爐設備與運行[J].化學工業出版社,2009.

［5］黃瑚,胡奇美,朱銀花. 20G高壓鍋爐裂紋原因[J]. 物理測試,2002(6)：20-22.

［6］張才安. 無縫鋼管生產技術[M]. 重慶:重慶大學出版社,1997.

［7］蘇輝,呂柏林. Al-Si過共晶合金拉伸斷裂過程[J]. 材料開發與應用,2008（02）：22-23.

［8］李國成,王為良,等. 焦炭塔瞬態溫度場及熱應力分析[J]. 壓力容器,2010（09）：21-25.

［9］GB150-2010 鋼制壓力容器[S].

［10］Webster G A. Fracture mechanics in the creep range [J].Journal stain Analysis, 1994;29(3):215-223.

Numerical Simulations for Thermal-stress of Failure Tubes of High-pressure Boiler

XIE Zhuang-yuan，SU Hui，CHEN Hui-min，MA Wen-tao
（Liaoning Shihua University, Liaoning Fushun 113001，China）

Boiler tube is an important component of boiler furnaces. The temperature is not well-distributed in the furnace, which can cause bigger regional heat stress. In this paper, tubes explosion of boiler were analyzed from the angle of thermal stress. Cracks model of 20G tubes was established by Ansys. Thermal stress caused by temperature difference in the range of 50 ℃~350 ℃was numerically simulated. The results show that the thermal stress can aggravate local damage of tubes,and is the most important factor to cause tubes explosion.

Thermal stress; Tubes explosion; Numerical simulation; Ansys

TQ 018

A

1671-0460（2011）11-1205-03

2011-08-08

謝莊元（1984-），女，吉林舒蘭人，在讀碩士，主要從事石化設備安全評價、結構完整性及災害預防工作研究。E-mail：xiezhuangyuan315@126.com。