票超临界锅炉减温管翘曲变形及开裂原因的有限元分析（电力）
邓玲惠，康豫军，王军民，程勇明，王必宁
（西安热工研究院有限公司，陕西西安 710032）
摘要：通过建立某超临界锅炉再热蒸汽减温管的三维有限元模型，以实际减温管工作中的温度分布和约束情况作为边界条件．模拟分析了某超临界锅炉再热蒸汽减温管的变形情况。研究结果表明，由于减温器喷水雾化不佳．使得部分喷水沉积在高温管道下部，引起该管道上下部温差较大，导致管道底部承受较大的轴向拉应力，管道上部承受较大的轴向压应力，此过程反复交替形成的交变应力是导致减温管疲劳开裂的主要原因。有限元分析计算结果与现场的实际变形情况基本吻合，误差约为8.3%。
关键词：超临界锅炉；再热蒸汽；减温水管道；疲劳；开裂；有限元分析
中图分类号：TM621：TB121 DOI: 10.11930/j.issn．1004-9649.2016.05.072.04
0引言
在火力发电厂巾，减温器用于将参数过高的蒸汽温度降至系统正常运行所需要的范围，是保证锅炉汽水系统安全运行的重要设备。减温器中的减温管要插入高温蒸汽管道中，通过喷水降低蒸汽的温度．在低温喷水和高温蒸汽反复剧烈的循环交替作用下．管道金属材料很容易发生疲劳失效．引起材料破坏．因而威胁到锅炉系统运行的安全。
目前对锅炉特别是超临界锅炉减温器的研究工作相对较少，对锅炉减温器破损和失效的研究丁作主要是针对喷水减温装置结构、总体受力和金属金相等的分析上，而对减温管由于喷水造成的管道上、下部温差大，引起管道热应力变化的有限元分析和研究工作比较少见。本文的研究工作以热态工作条件下的某超临界锅炉减温管为例，对其失效和产生裂纹原因进行分析，研究管道上下部出现温差时管道的翘曲变形和管道出现裂纹失效之间的力学关系，并通过有限元软件ANSYS进行力学分析且予以详细说明。
1 研究对象概况及简要分析
某电站减温管从备用状态到正常运行的过程中，管道中部部分滑动支架逐渐出现脱空现象，减温管呈翘曲状．机组长期运行后经检测发现，管道下部出现多道裂纹。根据系统运行状态和相关检查结果分析认为，减温管在备用状态时，管道下部存在一定量的积水，裂纹的产生可能与该冈素有关：此外，这些积水在阀门快速打开时极易造成水锤冲击，会导致弯头和三通等管道内流体方向变化处的个别管道支吊架和管道局部变形，严重时可能引发事故。
2减温管的有限元计算
2.1 计算模型的建立
为了分析减温管下部积水对管道热应力的影响，计算管道有无积水时管道热应力的变化情况。
根据某电厂出现裂纹的减温器管段所建立的有限元模型如图1所示。减温管长度L为6 000mm，管道外径D。为648 mm，内径D．为602 mm。根据现场实际测量结果．管道下部450圆弧内为积水区域，有积水时此部分温度约为400℃，未积水区域温度约为570℃，管道内部蒸汽压力p为5.98 M Pa。
计算时根据管道的具体特征做了如下假设：
(1)管道的材料为各向同性材料，材料的变形在弹性变形允许的范围内，材料的物性是温度的函数：
(2)不考虑管道在工作过程巾的热交换及热辐射，仅考虑热传导。
2.2材料参数及网格模型
减温管的材料为A335P91,其性能如表1所示。先在ANSYS软件中对减温管进行稳态热分析，分析求解完成后得到减温管的温度分布场。然后重新进入ANSYS前处理器，出于力学计算的需要，将热单元全部转换为相应的结构单元．并根据A335P91材料实际物性参数设置结构分析所需的材料弹性模量、线膨胀系数和泊松比等参数，之后读入最初计算得到的热分析结果，将其作为结构载荷，设置相关边界条件，最终进行热应力的求解，得到减温器管的应力和应变分布。
稳态热分析中采用3D热单元SOLID70,此单元仅有1个自由度，即温度，以8节点SOLID185作为相应的3D结构单元，单元每个节点的平动自由度均为x、y、23个方向，有限元计算的网格模型如图2所示。
2.3边界条件及约束
根据减温管实际布置巾支吊架对管道的作用效果，对管道的对称截面施加对称约束，管道两端截面仅约束下部垂直方向的自由度，对管道温度不同部分设置不同的参数，即有积水部分取积水温度400℃，未积水部分取再热蒸汽温度570℃，管道内部承受再热蒸汽压力约6 M Pa。
3计算结果及分析
分析减温管的应力及变形时，分别计算管道在如下2种工况下的应力及变形情况。
工况1：管道按2.2及2.3节所述参数设置边界条件及约束，即管道下部有积水，此部分温度设置为400℃，其他部分温度设置为570℃．管道不同温度部分分别设置相应温度下的材料参数：
工况2：管道按2.2及2.3节所述参数设置约束及边界条件，但管道下部无积水区域，即管道所有部分温度均为570℃。
管道上布置的滑动支架出现脱空现象．说明该支点处有向上的位移，使吊架脱空失载：管道．E下存在较大温差时，对管道轴向应力的影响远大于对径向应力及环向应力的影响。为了说明此情况，在计算结果中仅提取管道的轴向应力分布图及上下方向的位移分布图。
管道截面上的温度分布如图3所示（图中MN、MX分别表示最小值点和最大值点，下同）。
3.1 轴向应力的计算结果
轴向应力分析结果如图4和图5所示。由图4可知，当管道下部有积水时，管道下部的积水区域存在较大的轴向拉应力，数值为262.1 M Pa,上部管道大部分区域为压应力区域数值约为58.6 M Pa，巾问部分区域为拉应力，数值约为48.3 M Pa。由图5可知，当管道下部无积水时．管道的轴向应力沿管道壁厚方向的分布．内壁为压应力．数值为0.38 M Pa,外壁的轴向应力为拉应力，数值为0.32 M Pa，其远远小于管道下部有积水时管道的轴向拉应力。
3.2上下方向位移的计算结果
管道上下方向的位移分布如图6和图7所示。由图6可知，当管道的下部有积水时，管道的最大变形为向上15.7 mm，现场实测管道中部最大向上“脱空”距离约为14.5 mm，计算误差约为8.3%．说明计算结果基本反映现场的实际变形情况．计算结果显示，最大变形点为中间对称截面的最上端，管道发生明显的弯曲变形，此时管道最下端的周线呈现为向上拱起的曲线，管道间布置的滑动支架将会出现脱空，当管道的长度加长时．此最大位移量将继续增加。由图7可知，当管道下部无积水时，管道的上下方向变形沿上下方向均匀分布，管道最下端的周线仍为直线，管道无弯曲变形现象，此时管道的上下方向的最大变形仅为4.8 mm,最大变形点为最上端的周线。
4分析、建议及措施
根据现场管道的变形及开裂情况及ANSYS的模拟计算结果可知，当喷水积聚在管道底部时，管道截面温度分布呈现上部和两侧温度高而底部温度低的特点，使得管道下部承受较大的轴向拉应力．管道上部承受较大的轴向压应力，温差引起管道上下部分变形的不一致，使管道中部凸起弯曲变形。
喷水减温时如果雾化不佳，部分水沉积在高温管道下部，会造成内表面短时高的热应力，反复热循环将使下部内壁产生龟裂纹，在下部整体较高拉应力作用下（如前计算的拉应力262.1 M Pa，材料在该温度的许用应力为153 M Pa，屈服强度为358 M Pa)．裂纹南内壁向外表面疲劳扩展，通常在管道的4点~8点范围发生疲劳开裂。经常变换工况形成的疲劳应力使减温管下部产生疲劳裂纹．是最终导致管道开裂的主要原因。
基于以上分析结果，建议在减温管底部设计合理的小流量常开型疏水管，以便及时排掉管道底部的凝结水。
根据本文的研究结果，某电厂利用停炉检修机会改善和优化了喷水减温器的结构和性能，并在减温管上、下部分别安装了温度测点，运行中发现积水时及时打开底部安装的小流量常开型疏水管，排掉管道底部的积水。采取上述措施后，减温管的疲劳开裂问题得以缓解。
5结语
本文研究结果表明，再热蒸汽减温器的喷水水量大和雾化效果不佳所引起的积水．是造成减温器减温管疲劳开裂的主要原因。采取相应措施后可使问题得以缓解：有限元分析法有助于此类问题的分析和研究。
