超超臨界鍋爐水冷壁管傳熱惡化對橫向裂紋影響的有限元分析

董永昌 梁松樹 趙加星

摘 要：該研究通過利用ABAQUS10.0有限元軟件進行模擬研究，構(gòu)建了超超臨界鍋爐水冷壁管傳熱惡化前后的變化模型，并獲得相應(yīng)的管內(nèi)傳熱系數(shù)與不同傳熱負荷下的溫度與等效應(yīng)力的變化，從而對超超臨界鍋爐水冷壁管傳熱惡化對橫向裂紋的原因予以確定，并根據(jù)相應(yīng)溫度變化下的情況，明確熱應(yīng)力與受熱點的關(guān)系，從而為超超臨界鍋爐穩(wěn)定與安全運行，提供基礎(chǔ)性的保障。

關(guān)鍵詞：超超臨界鍋爐 水冷壁管 傳熱惡化 橫向裂紋 有限元分析

中圖分類號：TK223 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）02（a）-00-02

目前，隨著科技水平的不斷發(fā)展，超超臨界發(fā)電機組鍋爐被廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電機組鍋爐，現(xiàn)階段下，超超臨界鍋爐技術(shù)與設(shè)計理念均處在領(lǐng)先位置，能夠較好地保證鍋爐水壁冷的安全與長周期下的運行[1，2]。相關(guān)研究顯示[3]，盡管目前超超臨界鍋爐各方面技術(shù)與設(shè)計均處于比較先進的發(fā)展態(tài)勢，但是其垂直管圈鍋爐在實際投入運行后，仍然能夠檢修發(fā)現(xiàn)在水冷壁的某段標高區(qū)域內(nèi)，存在較大面積的橫向裂紋，從而對電廠的安全造成嚴重威脅。針對這一問題，該研究利用ABAQUS10.0有限元軟件進行模擬研究，明確超超臨界鍋爐水冷壁管傳熱惡化對橫向裂紋產(chǎn)生的影響，以及相應(yīng)產(chǎn)生的機理，從而進一步保證超超臨界鍋爐的安全運行。

1 電廠鍋爐用水冷壁管介紹

某火力電廠，自2010年投入運營至2018年10月（大修），累計運行約16000h，此次研究機組起停次數(shù)為71次，水冷壁管共計2186根，前墻1093根，后墻1093根，大修后采用水壓實驗，該試驗過程中發(fā)現(xiàn)左側(cè)水冷壁從前至后共計出現(xiàn)31根內(nèi)螺紋管泄露。管材均為15CrMoG，節(jié)距為44.0mm，加焊處管子這間的尺寸為寬16.0mm、厚6mm，為了更好地消除上爐膛工質(zhì)因吸熱產(chǎn)生的溫度偏差，則于上、下爐膛之間安裝一圈混合集箱，以此達到前述目的。但在實際檢查過程中，水冷壁傳熱側(cè)出現(xiàn)大量橫向裂紋，對鍋爐的運行造成嚴重安全隱患，有待進一步處理。

2 橫向裂紋產(chǎn)生的原因與熱負荷及傳熱系數(shù)影響分析

2.1 向裂紋產(chǎn)生的原因

為了能夠更為生動形象地還原水冷壁的裂紋產(chǎn)生原因與機理，此次研究采用ABAQUS10.0有限元軟件，構(gòu)建三維簡化模型，從而獲得更為準確的傳熱數(shù)值與力學特征。具體見圖1所示。

在模擬2#爐水冷壁管的現(xiàn)場爐內(nèi)情況來看，對于傳熱惡化前、后有限元模型構(gòu)建結(jié)果顯示，傳熱惡化前鰭片處溫度最大，同時熱應(yīng)力也為最大，而沿側(cè)頂點朝向位置溫度與熱應(yīng)力次之，而發(fā)生傳熱惡化后，則是在向火側(cè)頂點溫度與熱應(yīng)力呈現(xiàn)最大發(fā)展趨勢，此時鰭片處溫度與熱應(yīng)力次之。另外，當傳熱惡化不發(fā)生時，同時熱負荷極端高500kW/m2，位于鰭片處的溫度與熱應(yīng)力最大，會產(chǎn)生屈服。而同樣傳熱惡化時，則此時位于向火側(cè)的頂點會發(fā)生屈服，此時的熱負荷一般是在300kW/m2，同時傳熱系數(shù)低于2kW/（m2·k）。

2.2 熱負荷及傳熱系數(shù)影響分析

通過ABAQUS10.0有限元軟件得到熱負荷及傳熱系數(shù)影響模擬數(shù)值，具體結(jié)果見表1所示。

此次研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)傳熱惡化后，溫度和熱應(yīng)力數(shù)值主要是受熱負荷和傳熱系數(shù)影響所致，而此次所建模型中顯示溫度下的材料，已經(jīng)達到屈服極限，也就是說在特定情況下關(guān)閉熱負荷而管內(nèi)傳熱系數(shù)變小時，則會發(fā)生上述向火側(cè)屈服現(xiàn)象。當傳熱惡化時，我們能夠發(fā)現(xiàn)傳熱惡化區(qū)域管子向火側(cè)頂點處，溫度會隨即提升，而此時內(nèi)外側(cè)壁溫差差異會隨之增大，此時會在向火側(cè)形成集中型壓應(yīng)力，并且在逐漸增大，也就是說應(yīng)力的大小與向火側(cè)熱負荷及供給側(cè)的傳熱系數(shù)密切相關(guān)，而在一定的條件下，材料許用溫度被金屬溫度超出，以及在材料屈服的情況下會導(dǎo)致材料發(fā)生橫向裂紋破壞，再加之超臨界鍋爐，其運行數(shù)在變負荷調(diào)峰的情況下，燃燒條件以及鍋爐內(nèi)工質(zhì)的物性參數(shù)，此時均會處于動態(tài)調(diào)整的現(xiàn)實情況，而水冷壁的局部傳熱惡化，不會長時間地予以保持，若是在工質(zhì)壓力和溫度分布特征均發(fā)生變化時，此時水冷壁的局部傳熱惡化便會消除，進而恢復(fù)正常傳熱，壁溫也隨之恢復(fù)正常。

3 預(yù)防措施

通過有限元軟件的分析，能夠得到橫向裂紋的主要原因，針對獲得的主要原因提出相應(yīng)的優(yōu)化方案，從而解決水冷壁橫向裂紋[4]。在實際鍋爐運行過程中，需要定時查看相應(yīng)溫度變化，包括發(fā)熱量、揮發(fā)份、灰份、含硫量等，并做好嚴格的含量控制，進行合理分配，從而減少使用中的高硫煤產(chǎn)生的化學成分不利因素[5]。另外，需要加強運行優(yōu)化調(diào)整，包括風管的均線調(diào)整，從而使燃燒器熱負荷均勻，并將煤粉吸入進行有效調(diào)整，使煤粉均勻性在合理范圍內(nèi)得到控制，并針對不同煤質(zhì)以及不符合工況下鍋爐水冷壁的貼壁氛圍進行定期測試，根據(jù)測試結(jié)果及時調(diào)整鍋爐的燃燒溫度，從而減少鍋爐高溫對水冷壁管的影響，進一步防范腐蝕現(xiàn)象與橫向裂紋的產(chǎn)生。另外，水冷壁管應(yīng)定期進行維護，并刷涂防腐材料，并保證管壁厚度、強度計算滿足運行與規(guī)范要求，從而保證水冷壁管表面的材質(zhì)達標。通過多項措施，真正提升鍋爐的安全運行。

4 結(jié)論

此次研究通過采用有限元軟件分析，結(jié)果表明垂直管圈的超超臨界鍋爐的傳熱惡化，對水冷壁管的溫度和熱應(yīng)力有著非常重要的影響。此次研究得到結(jié)論如下。

第一，當傳熱正常時，管內(nèi)鰭片位置溫度，比水冷壁管子向火側(cè)頂點溫度測定高，并且熱應(yīng)力和極端高負荷情況下，管子受多種作用下必然會產(chǎn)生屈服，因此，管材很容易遭受破壞，出現(xiàn)橫向裂紋，因此，能夠確定出現(xiàn)鰭片溫度與熱應(yīng)力產(chǎn)生時，是水冷壁管傳熱惡化橫向裂紋的主要原因。

第二，當傳熱惡化時，水冷壁管子向火側(cè)頂點溫度以及熱應(yīng)力，處于比鰭片處溫度與熱應(yīng)力高時，并且在一定的條件下，使用材料的許用溫度會超出金屬溫度，與此同時材料出現(xiàn)屈服的情況，會進一步導(dǎo)致材料出現(xiàn)破壞。

第三，在相應(yīng)溫度下，材料未達到屈服溫度與熱應(yīng)力會呈現(xiàn)線性發(fā)展趨勢時，水冷壁溫度越高則熱應(yīng)力越大。

綜上所述，超超臨界鍋爐水冷壁管傳熱惡化對橫向裂紋影響的有限元分析，通過科學的系統(tǒng)模型建立，以及相應(yīng)數(shù)值的獲得，能夠求得不同溫度下的熱應(yīng)力與變負荷的變化，從而達到既定的效果，幫助技術(shù)人員快速定點溫度破壞點，從而避免出現(xiàn)進一步的惡化，并且根據(jù)橫向裂紋產(chǎn)生的原因，進一步采取相應(yīng)的對策，保證超超臨界鍋爐的穩(wěn)定與安全運行。未來，需要逐步加強有限元軟件的分析，利用有限軟件，構(gòu)建不同溫度對水冷壁的影響，從而保證水冷壁管的質(zhì)量達標，進一步降低安全隱患的產(chǎn)生。有限軟件能夠通過形象與生動化的三維模型，將真實的情景還原，從而更利于我們捕捉問題產(chǎn)生的原因與過程，從而達到既定的效果，真正解決橫向裂縫的影響。

參考文獻

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