火電機(jī)組在深度調(diào)峰運(yùn)行時(shí)，其載荷會(huì)大幅變化，給機(jī)組的壽命、安全性、穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性帶來(lái)不利影響。由于載荷的頻繁波動(dòng)，因此機(jī)組的很多設(shè)備會(huì)產(chǎn)生裂紋，對(duì)于異種鋼焊縫，這種現(xiàn)象尤其明顯，這主要是因?yàn)楫惙N鋼的線膨脹系數(shù)差異大，熱應(yīng)力也大，容易損壞。一些小徑管發(fā)生了早期開裂，部分機(jī)組的大管道，如導(dǎo)汽管鎳基插管焊縫也出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。某600MW超臨界機(jī)組導(dǎo)汽管插管鎳基焊縫發(fā)生開裂，其宏觀形貌如圖1所示。李軍錄等研究人員對(duì)導(dǎo)汽管的應(yīng)力分布、疲勞壽命等方面進(jìn)行了研究。
一、調(diào)峰運(yùn)行時(shí)的主汽溫度、壓力的波動(dòng)
火電機(jī)組輸出載荷的高低，是通過(guò)調(diào)整蒸汽的溫度、壓力及流量來(lái)實(shí)現(xiàn)的。機(jī)組載荷的波動(dòng)主要涉及溫度、壓力的調(diào)節(jié)。變載荷調(diào)峰機(jī)組的運(yùn)行控制方式有：滑壓運(yùn)行、調(diào)溫控制以及聯(lián)合控制。滑壓運(yùn)行較多應(yīng)用在調(diào)峰幅度較小的情況，當(dāng)深度調(diào)峰時(shí)，則采用調(diào)溫控制以及聯(lián)合控制方式。
某亞臨界機(jī)組從滿載荷600MW深度調(diào)峰運(yùn)行到120MW的載荷變化如圖2所示，調(diào)峰時(shí)長(zhǎng)為127min。
圖3為與圖2對(duì)應(yīng)的調(diào)峰運(yùn)行過(guò)程的主蒸汽壓力變化，在127min內(nèi)，壓力從16.5MPa降到9.3MPa。前26min內(nèi)的壓力隨載荷的快速下降而下降，下降速率達(dá)到0.18MPa/min，在12MPa停留約40min后，再緩慢下降到9.3MPa。
圖4為深度調(diào)峰下主蒸汽的溫度變化，可見(jiàn)在載荷達(dá)到滿載荷的45%以上時(shí)，調(diào)峰運(yùn)行并不影響溫度，當(dāng)載荷下降到滿載荷的45%以下時(shí)，蒸汽溫度持續(xù)降低，可通過(guò)調(diào)溫、調(diào)壓的方式共同控制機(jī)組的功率。當(dāng)機(jī)組載荷降到滿負(fù)荷的20%時(shí)，溫度降到了504℃。
在調(diào)峰時(shí)，蒸汽的溫度、壓力波動(dòng)必然引起相關(guān)設(shè)備的應(yīng)力變化，從而對(duì)設(shè)備的安全運(yùn)行產(chǎn)生影響。
二、調(diào)峰運(yùn)行對(duì)設(shè)備應(yīng)力變化的影響
2.1 有限元建模及計(jì)算相關(guān)參數(shù)
為了研究調(diào)峰運(yùn)行對(duì)設(shè)備應(yīng)力的影響，以高壓導(dǎo)汽管為研究對(duì)象，采用ANSYS有限元軟件對(duì)不同情況下的應(yīng)力分布、應(yīng)力變化進(jìn)行了研究。導(dǎo)汽管的有限元模型如圖5所示。計(jì)算用基礎(chǔ)參數(shù)如表1所示。
2.2 不同狀態(tài)下的應(yīng)力分析
2.2.1 導(dǎo)汽管自重產(chǎn)生的應(yīng)力
停機(jī)時(shí)，環(huán)境溫度設(shè)為22℃，導(dǎo)汽管內(nèi)部壓力為0MPa，此時(shí)導(dǎo)汽管僅受重力作用。對(duì)主汽門進(jìn)行三向約束，并對(duì)模型整體施加-z方向的重力加速度9.8m/s2后進(jìn)行計(jì)算。導(dǎo)汽管的最大應(yīng)力約為5.6MPa，位于導(dǎo)汽管與閥門、汽缸的連接處。其他部位的應(yīng)力約為2MPa，因此自重引起的應(yīng)力很小。
2.2.2 內(nèi)部壓力對(duì)導(dǎo)汽管應(yīng)力的影響
為了分析導(dǎo)汽管內(nèi)主蒸汽對(duì)管應(yīng)力的影響，對(duì)模型施加如表2所示的計(jì)算條件。
施加上述邊界條件后，再進(jìn)行計(jì)算，分析靜壓狀態(tài)下的應(yīng)力分布。
設(shè)定主蒸汽壓力為16.50MPa，僅承受內(nèi)部壓力時(shí)導(dǎo)汽管外壁的應(yīng)力分布如圖7所示，可以看出導(dǎo)汽管外壁的最高應(yīng)力約為27MPa，遠(yuǎn)低于GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無(wú)縫鋼管》中的要求。
為了分析導(dǎo)汽管內(nèi)、外壁的應(yīng)力差異，沿導(dǎo)汽管徑向路徑提取從內(nèi)壁指向外壁的應(yīng)力。在0時(shí)刻，內(nèi)壁應(yīng)力最大不到40MPa。導(dǎo)汽管沿壁厚方向的應(yīng)力分布如圖8所示。
在ANSYS有限元軟件的經(jīng)典界面中，提取導(dǎo)汽管外壁應(yīng)力為27.25MPa時(shí)節(jié)點(diǎn)(編號(hào)為19792)的應(yīng)力時(shí)程圖，結(jié)果如圖9a)所示。提取壓縮應(yīng)力時(shí)程圖后，與主蒸汽壓力進(jìn)行比較，結(jié)果如圖9b)所示。從圖9可以得出：導(dǎo)汽管外壁應(yīng)力變化與主蒸汽壓力變化趨勢(shì)相似；管外壁應(yīng)力比主蒸汽壓力變化平緩，且滯后于主蒸汽壓力的變化。
2.2.3 熱膨脹應(yīng)力分析
以表1所示的線膨脹系數(shù)曲線替代2.2.2節(jié)中計(jì)算所用的線膨脹系數(shù)，熱傳導(dǎo)系數(shù)參考值為36W/(m·K)，考慮熱應(yīng)力作用，再次進(jìn)行計(jì)算。
計(jì)算完成后，提取0時(shí)刻19792節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力為62.16MPa，對(duì)應(yīng)的內(nèi)壁應(yīng)力為98.73MPa。提取19792節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力時(shí)程圖。對(duì)圖10a)中的僅由主蒸汽壓力產(chǎn)生的外壁應(yīng)力乘以系數(shù)2.28后，得到溫度、壓力共同作用下的節(jié)點(diǎn)應(yīng)力時(shí)程圖，如圖10b)所示。
從圖10可以得出：施加溫度、壓力后，熱膨脹應(yīng)力比內(nèi)部壓應(yīng)力大。兩者的應(yīng)力比如圖11所示，隨著主蒸汽壓力的降低,產(chǎn)生的應(yīng)力降低，其比值增加；在溫度、壓力的共同作用下，應(yīng)力變化受溫度的影響較大。
此外，對(duì)于結(jié)構(gòu)發(fā)生突變的導(dǎo)汽管與汽缸連接角焊縫處外壁，最大應(yīng)力達(dá)到了129.4MPa。
三、應(yīng)力波動(dòng)對(duì)設(shè)備壽命的影響
20世紀(jì)50年代，英國(guó)的兩位工程師MATSUISHI和ENDO提出了雨流計(jì)數(shù)法。該計(jì)數(shù)法的主要功能是把實(shí)測(cè)載荷的歷程簡(jiǎn)化為若干個(gè)載荷循環(huán)，供疲勞壽命估算和編制疲勞試驗(yàn)載荷譜使用。該法以雙參數(shù)法為基礎(chǔ)，考慮了動(dòng)強(qiáng)度(幅值)和靜強(qiáng)度(均值)兩個(gè)變量，符合疲勞載荷本
身固有的特性。雨流計(jì)數(shù)法主要用于工程界，特別在疲勞壽命計(jì)算中應(yīng)用廣泛。
針對(duì)編號(hào)為19792的節(jié)點(diǎn)在深度調(diào)峰的降負(fù)荷過(guò)程中，使用MATLAB軟件對(duì)僅主蒸汽壓力產(chǎn)生的應(yīng)力及溫度、壓力共同作用下產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行雨流分析，結(jié)果如圖12所示。
兩種應(yīng)力引起的應(yīng)力循環(huán)參數(shù)如表3所示。
兩種應(yīng)力波動(dòng)下管內(nèi)壁的壽命如表4所示。
由此可見(jiàn)，溫度產(chǎn)生的熱膨脹應(yīng)力大幅降低了導(dǎo)汽管的疲勞壽命。上述分析并未考慮支吊架、焊接殘余應(yīng)力等其他應(yīng)力。
四、結(jié)語(yǔ)
對(duì)機(jī)組在調(diào)峰降載荷過(guò)程中的導(dǎo)汽管應(yīng)力進(jìn)行了仿真模擬計(jì)算，利用計(jì)算結(jié)果對(duì)導(dǎo)汽管的疲勞壽命進(jìn)行了評(píng)估。發(fā)現(xiàn)熱應(yīng)力是導(dǎo)汽管疲勞壽命損耗的主要原因。介質(zhì)內(nèi)部壓力引起的管壁應(yīng)力遠(yuǎn)低于P91鋼105h的持久強(qiáng)度，且調(diào)峰時(shí)內(nèi)部壓力波動(dòng)對(duì)導(dǎo)汽管的疲勞損傷很小，但在熱應(yīng)力疊加的情況下，導(dǎo)汽管壽命相對(duì)于僅內(nèi)部壓力波動(dòng)下的疲勞壽命減少了。為了提高深度調(diào)峰情況下機(jī)組的疲勞壽命，要注重?zé)釕?yīng)力的控制，并關(guān)注角焊縫結(jié)構(gòu)突變處的應(yīng)力情況，將該位置作為檢測(cè)重點(diǎn)。
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