电站锅炉高温再热器倒“U”型弯管设计应力分析

2018-04-25赵加星

中国特种设备安全 2018年3期

赵加星

（中国特种设备检测研究院北京 100029）

火力发电是我国当前最重要的电力能源获得方式，目前国内火力发电厂多以超（超）临界锅炉机组为主。为提高机组循环效率，从经济性考虑，超（超）临界锅炉均设置了再热器。其作用把从汽轮机高压缸抽出的蒸汽再次加热，送到汽轮机的中压缸继续膨胀做功。高温再热器作为锅炉重要的高温部件按照蒸汽与高温烟气的流动方向，分为顺流布置（介质与高温烟气流动方向相同）、逆流布置（介质与高温烟气流动方向相反）和混流布置（介质与高温烟气流动方向部分相同、部分相反的组合）三种方式（见图1）。

近年来，一种新型高温再热器布置形式的应用成了各方研究的热点。为了节省材料，减少制造、安装成本，个别锅炉厂超（超）临界锅炉高温再热器设计采用了布置如图2的混流布置结构形式。该结构形式取消了低温再热器出口集箱和高温再热器进口集箱，将低温再热器出口受热面管直接连接高温再热器。该结构形式再热器系统跨度较大，受热面管子长度较长，柔性较大，故设计中为了保持管排的平整，在受热面管之间，除了加装管卡、梳形板，还在图2中A位置，示意图见图3位置管子间焊接定位块。锅炉内部检验发现，采用此结构形式的高温再热器在运行中经常出现定位块焊缝撕裂脱开现象，个别电厂甚至发生由于焊缝撕裂引起高温再热器爆管泄漏停机事故（见图4、图5）。

图1 不同介质流程高温再热器布置图

图2 无进口集箱混流结构示意图

图3 倒“U”型管屏定位块示意图

图4 高温再热器爆管照片

图5 高温再热器爆管照片

针对此类缺陷，笔者运用ANSYS有限元分析软件，建立等效模型，分析了倒“U”型区域定位块的应力分布。

1 实验参数及分析

1.1 实验参数及计算

高温过热器倒“U”型结构位置管材材料为SA-213T91，化学成分见表1，热导率为29.2W/（m·℃），定位块材质为1Cr18Ni9Ti，化学成分见表2，热导率为16.3W/（m·℃）。下向上数第一个定位块（下数第1、2根管之间，记为A1，依此类推）尺寸为75×20×6mm，A2尺寸为145×20×6mm，A3尺寸为220×20×6mm，采用不锈钢焊材焊接于高温再热器管子上。

表1 高温再热器管化学成分

表2 定位块化学成分

采用ANSYS有限元模拟软件，建立模型，见图6。通过模拟计算，现有的采用此种1Cr18Ni9Ti尺寸规格作为管子之间定位块，在定位块与下侧管子相连接的位置，等效应力达到了221MPa，如图7中标记位置。

图6 有限元模型

通过有限元计算和实际情况，采用此尺寸的定位块会造成此处等效应力非常高。若将A1尺寸设置成与A2尺寸一样，即为145×20×6mm，建立有限元模型如图8所示。通过延长A1定位块尺寸，计算发现等效应力大幅降低，从221MPa下降到28.5MPa，大大降低了定位块发生撕裂的安全隐患。

图7 等效应力最高位置示意图

图8 改变定位块尺寸后等效应力示意图

1.2 结果分析

超临界直流锅炉各系统内管子间固定块的缺陷损伤多是由材料屈服引起的。高温再热器管子间固定块的有限元计算结果表明，加大定位块的尺寸可以有效降低固定块内的应力。在相同的载荷工况下，固定块长度的增加可以大大增加固定块受力横截面的面积从而有效减小固定块内的等效应力。另一方面，受力横截面面积的增加亦可有效减少应力集中的发生，从而有效减少因应力集中引起的材料屈服导致的缺陷的发生。