增壓鍋爐鍋筒應(yīng)力及疲勞壽命研究.pdf

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

2、內(nèi)容匱乏以及研究結(jié)果可參考性較差等諸多缺點。同時，由于兩種鍋爐鍋筒在結(jié)構(gòu)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(guān)研究工作取得的成果不能直接應(yīng)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(yīng)力及疲勞壽命的相關(guān)問題進(jìn)行了研究。
　　本文首先對增壓鍋爐鍋筒溫度場進(jìn)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(jìn)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(guān)系。研究結(jié)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(jié)合周向和徑向溫差的數(shù)值范圍，可以推導(dǎo)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(guān)系，可以利用壓力數(shù)據(jù)定性推導(dǎo)出筒壁溫度的近似曲線。
　　其次，對增壓鍋爐鍋筒應(yīng)力場進(jìn)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(chǔ)，結(jié)合傳熱學(xué)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(yīng)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(yīng)力的分布、大小、影響因素及隨時間變化的曲線，以及機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力與總應(yīng)力三者之間的相互關(guān)系，指出了不同過程中鍋筒的危險點，并對其安全性進(jìn)行評估。研究結(jié)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(yīng)力，雖然結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度評定結(jié)果合

5、格，但是冷態(tài)啟動過程中對流蒸發(fā)管束的應(yīng)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(chǎn)生了循環(huán)應(yīng)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(chǔ)上，對增壓鍋爐鍋筒疲勞壽命在線監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了研制。為滿足在線監(jiān)測鍋筒危險點溫度、應(yīng)力及疲勞壽命的需要，對各項參數(shù)的實時計算方法進(jìn)行了研究并將其編制成計算程序，結(jié)合數(shù)據(jù)采集與通訊裝置等硬件設(shè)備，建立了首個應(yīng)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(jié)果表明，經(jīng)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(jié)果的校驗，在線計算程序的精度滿足工程應(yīng)用要求。溫度場程序計算結(jié)果的相對誤差僅在鍋筒個別區(qū)域的較短時間內(nèi)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(nèi)維持在±5%的范圍內(nèi)。將上述3種過程中鍋筒各點應(yīng)力的程序計算結(jié)果與ANSYS軟件計算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明兩種計算方法得到的應(yīng)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