電站鍋爐高溫再熱器倒“U”型彎管設計應力分析

趙加星

（中國特種設備檢測研究院 北京 100029）

火力發(fā)電是我國當前最重要的電力能源獲得方式，目前國內(nèi)火力發(fā)電廠多以超（超）臨界鍋爐機組為主。為提高機組循環(huán)效率，從經(jīng)濟性考慮，超（超）臨界鍋爐均設置了再熱器。其作用把從汽輪機高壓缸抽出的蒸汽再次加熱，送到汽輪機的中壓缸繼續(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煙氣的流動方向，分為順流布置（介質與高溫煙氣流動方向相同）、逆流布置（介質與高溫煙氣流動方向相反）和混流布置（介質與高溫煙氣流動方向部分相同、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用成了各方研究的熱點。為了節(jié)省材料，減少制造、安裝成本，個別鍋爐廠超（超）臨界鍋爐高溫再熱器設計采用了布置如圖2的混流布置結構形式。該結構形式取消了低溫再熱器出口集箱和高溫再熱器進口集箱，將低溫再熱器出口受熱面管直接連接高溫再熱器。該結構形式再熱器系統(tǒng)跨度較大，受熱面管子長度較長，柔性較大，故設計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)部檢驗發(fā)現(xiàn)，采用此結構形式的高溫再熱器在運行中經(jīng)常出現(xiàn)定位塊焊縫撕裂脫開現(xiàn)象，個別電廠甚至發(fā)生由于焊縫撕裂引起高溫再熱器爆管泄漏停機事故（見圖4、圖5）。

圖1 不同介質流程高溫再熱器布置圖

圖2 無進口集箱混流結構示意圖

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

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

1 實驗參數(shù)及分析

1.1 實驗參數(shù)及計算

高溫過熱器倒“U”型結構位置管材材料為SA-213T91，化學成分見表1，熱導率為29.2W/（m·℃），定位塊材質為1Cr18Ni9Ti，化學成分見表2，熱導率為16.3W/（m·℃）。下向上數(shù)第一個定位塊（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 高溫再熱器管化學成分

表2 定位塊化學成分

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

圖6 有限元模型

通過有限元計算和實際情況，采用此尺寸的定位塊會造成此處等效應力非常高。若將A1尺寸設置成與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A1定位塊尺寸，計算發(fā)現(xiàn)等效應力大幅降低，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 等效應力最高位置示意圖

圖8 改變定位塊尺寸后等效應力示意圖

1.2 結果分析

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算結果表明，加大定位塊的尺寸可以有效降低固定塊內(nèi)的應力。在相同的載荷工況下，固定塊長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)的等效應力。另一方面，受力橫截面面積的增加亦可有效減少應力集中的發(fā)生，從而有效減少因應力集中引起的材料屈服導致的缺陷的發(fā)生。

2 結論

1）高溫再熱器倒“U”型設計中焊接的定位塊會大大增加管排的等效應力，尤其是下向上數(shù)第1個定位塊焊縫位置；

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

[1] 張力.電站鍋爐原理[M].重慶：重慶大學出版社，2009.

[2] 張彥華.焊接力學與結構完整性原理[M].北京：北京航空航天大學出版社，2010.