增壓鍋爐鍋筒應力及疲勞壽命研究.pdf

1、船用增壓鍋爐啟動、停爐及負荷大擾動等典型運行過程中，鍋筒內工質的壓力和溫度在短時間內頻繁波動，導致鍋筒產生高水平和循環(huán)變化的熱應力和機械應力，存在塑性破壞和疲勞失效的隱患，影響人員及設備的安全。因此，開展鍋筒應力及疲勞壽命相關問題的研究工作，并在此基礎上研制疲勞壽命在線監(jiān)測系統(tǒng)，對于船用增壓鍋爐機組的安全運行具有實際的工程應用價值。
　　與電站鍋爐相比，增壓鍋爐鍋筒應力及疲勞壽命的相關研究工作仍處于起步階段，存在研究手段單一、研究

2、內容匱乏以及研究結果可參考性較差等諸多缺點。同時，由于兩種鍋爐鍋筒在結構形式和換熱方式兩方面存在較大差異，電站鍋爐鍋筒安全性相關研究工作取得的成果不能直接應用于增壓鍋爐。為此，本文對增壓鍋爐典型運行過程中鍋筒應力及疲勞壽命的相關問題進行了研究。
　　本文首先對增壓鍋爐鍋筒溫度場進行了實驗研究。針對缺乏鍋筒壁溫變化規(guī)律的現(xiàn)狀，利用改良后的溫度采集系統(tǒng)，對冷態(tài)啟動、保壓停爐、泄壓停爐和儲汽筒充放汽4種增壓鍋爐典型運行過程中的鍋筒壁溫和

3、壓力數(shù)據(jù)進行了采集與分析，得到了筒壁溫度隨空間分布和時間發(fā)展的變化規(guī)律以及鍋筒壓力與筒壁溫度變化規(guī)律之間的關系。研究結果表明，根據(jù)壁溫曲線形狀和拐點的特性，可以確定4個過程中溫度隨時間變化的基本曲線，結合周向和徑向溫差的數(shù)值范圍，可以推導出鍋筒不同區(qū)域的溫度近似曲線；利用泄壓停爐和充放汽過程中壓力與溫度變化規(guī)律之間的關系，可以利用壓力數(shù)據(jù)定性推導出筒壁溫度的近似曲線。
　　其次，對增壓鍋爐鍋筒應力場進行了數(shù)值模擬研究。以實驗研究中

4、得到的壁溫規(guī)律為基礎，結合傳熱學理論給出了穩(wěn)態(tài)運行、冷態(tài)啟動以及充放汽過程中鍋筒應力場計算邊界條件的確定方法，并通過數(shù)值模擬的手段得到了穩(wěn)態(tài)及瞬態(tài)過程中鍋筒應力的分布、大小、影響因素及隨時間變化的曲線，以及機械應力、熱應力與總應力三者之間的相互關系，指出了不同過程中鍋筒的危險點，并對其安全性進行評估。研究結果表明，穩(wěn)態(tài)運行與冷態(tài)啟動過程中鍋筒筒體、管板、下降管、水冷壁和對流蒸發(fā)管束的局部區(qū)域出現(xiàn)了較高數(shù)值的應力，雖然結構的強度評定結果合

5、格，但是冷態(tài)啟動過程中對流蒸發(fā)管束的應力值十分接近許用極限，安全裕度較低。冷態(tài)啟停和充放汽過程中鍋筒產生了循環(huán)應力，前者對鍋筒造成了一定程度的疲勞損傷，而后者不會影響鍋筒的安全性。
　　在前面的研究基礎上，對增壓鍋爐鍋筒疲勞壽命在線監(jiān)測系統(tǒng)進行了研制。為滿足在線監(jiān)測鍋筒危險點溫度、應力及疲勞壽命的需要，對各項參數(shù)的實時計算方法進行了研究并將其編制成計算程序，結合數(shù)據(jù)采集與通訊裝置等硬件設備，建立了首個應用于增壓鍋爐鍋筒的疲勞壽命在

6、線監(jiān)測系統(tǒng)。研究結果表明，經過冷態(tài)啟動、充放汽和保壓停爐過程中實測數(shù)據(jù)和數(shù)值模擬結果的校驗，在線計算程序的精度滿足工程應用要求。溫度場程序計算結果的相對誤差僅在鍋筒個別區(qū)域的較短時間內出現(xiàn)了較大值（反推解法和正向解法的最大值分別為-8％和20%），而在其他時間內維持在±5%的范圍內。將上述3種過程中鍋筒各點應力的程序計算結果與ANSYS軟件計算結果進行比較，結果表明兩種計算方法得到的應力曲線在鍋筒的保溫層與夾層區(qū)域吻合度較高，在管束區(qū)域