机组变负荷对省煤器入口管道焊接结构疲劳寿命影响的分析.pdf
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1、第 卷 第期 年月P OWE RE QU I PME N TV o l ,N o J u l 收稿日期:;修回日期:作者简介:金传领(),男,工程师,从事工业设备结构分析工作.E m a i l:j i n c h u a n l c o m机组变负荷对省煤器入口管道焊接结构疲劳寿命影响的分析金传领,万瑜,徐家驹,林劭辰,石仁强,高严(江苏方天电力技术有限公司,南京 )摘要:研究某 MW火电机组负荷变化对省煤器入口管道结构疲劳寿命的影响,采用材料拉伸试验、疲劳试验及数值模拟种方法,分别得到应变与疲劳寿命之间的关系.结果表明:材料拉伸试验预测结构寿命与疲劳试验的偏差较大,而数值模拟结果与疲劳试验
2、结果较为吻合,数值模拟方法能够合理评估结构疲劳性能,并且结构疲劳损伤随机组负荷变化幅度的增大而明显增大.关键词:火电机组;锅炉;管道;变负荷;疲劳试验;寿命预测中图分类号:TM 文献标志码:A文章编号:X()D O I:/j c n k i f d s b A n a l y s i so f t h e I n f l u e n c eo fV a r i a b l eL o a do nF a t i g u eL i f eo fE c o n o m i z e rI n l e tP i p e l i n eS t r u c t u r e i naT h e r m a l
3、P o w e rU n i tJ i nC h u a n l i ng,W a nY u,X uJ i aju,L i nS h a o c h e n,S h iR e nqi a ng,G a oY a n(J i a ngs uF r o n t i e rE l e c t r i cT e c h n o l og yC o,L t d,N a nji ng ,C h i n a)A b s t r a c t:R e s e a r c h e sw e r ec o n d u c t e do nt h ei n f l u e n c eo ft h ev a r i a
4、 b l el o a do nt h ef a t igu el i f eo ft h ee c o n o m i z e r i n l e tpipe l i n es t r u c t u r ei na MWt h e r m a lpo w e ru n i t,t h er e l a t i o n s h ipb e t w e e ns t r a i na n df a t igu e l i f ew a so b t a i n e dt h r o ughf o l l o w i ngt h r e em e t h o d s,s u c ha sm a
5、t e r i a l t e n s i l et e s t,f a t igu et e s t,a n dn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o d R e s u l t ss h o wt h a t,t h ef a t igu el i f eo fm a t e r i a l t e n s i l et e s t i squ i t ed i f f e r e n tf r o mt h a to b t a i n e dbyf a t igu et e s t,w h i l et h ef a t igu e
6、l i f eo fn u m e r i c a l s i m u l a t i o nm e t h o di s i na c c o r d a n c ew i t ht h a t o f f a t igu e t e s t T h e f a t igu epe r f o r m a n c eo f t h e s t r u c t u r ec a nb e r e a s o n a b lye v a l u a t e dbyn u m e r i c a ls i m u l a t i o nm e t h o d,w h i l e t h e l i
7、 f e l o s so f t h e s t r u c t u r e s ign i f i c a n t lyi n c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo f t h ec h a nger a ngeo f t h eu n i t l o a d K e y w o r d s:t h e r m a lpo w e ru n i t;b o i l e r;pipe l i n e;v a r i a b l e l o a d;f a t igu et e s t;l i f epr e d i c t i o n燃煤机组参
8、与调峰时,机组负荷升降变化迅速且范围较大,尤其在涉及深度调峰时,机组需要在短时间内完成启停操作,如采用两班制运行方式调节电网负荷时,需要从正常运行到电网负荷低谷时的停机再到次日的热启动.在变负荷及启停过程中,承压设备需要承受剧烈的温度及压力变化,机组结构受到交变热应力及机械应力作用,在焊缝等应力集中区域可能会发生疲劳破坏,缩短设备使用寿命.近年来,许多研究认为机组快速负荷变化产生的交变应力对结构疲劳失效起到重要影响.赵雨兰研究了超临界锅炉汽水分离器在不同调峰深度下的应力分布,得出热启动时的应力要大于低负荷运行时的应力,并且建议机组调峰采用低负荷运行方式;易思泽针对 MW锅炉末级过热器出口联箱在
9、变负荷调峰运行时的疲劳损伤进行分析,但模型计算缺乏实时数据支撑,并且得到的结论偏保守.笔者以 MW超临界机组省煤器入口管道结构为对象,研究了机组调峰负荷引起的温度变化对省煤器结构产生的影响.采用种方式进行研究分析:通过材料试样的高温拉伸试验拟合应变寿命曲线;针对管材试样的多组高温低周疲劳试 验,拟合M a n s o n C o f f i n公式;基于数值模拟采用AN S Y S软件展开结构寿命预测分析,以评估结构疲劳性能.此外,根据机组第期金传领,等:机组变负荷对省煤器入口管道焊接结构疲劳寿命影响的分析负荷变化情况,结合上述方法综合预测结构疲劳寿命,分析负荷变化与结构疲劳寿命之间的关系,得
10、到调峰幅度对一次循环疲劳损伤的影响规律.疲劳评估理论弹塑性缺口应力应变法认为局部应力应变相同,则疲劳寿命相同 ,可以用应变寿命曲线进行计算,典型的方法有M a n s o n C o f f i n公式,其表达式见式(),该公式对金属材料循环次数小于 的疲劳寿命有较好的预测.tfE(Nf)bf(Nf)c()式中:t为总应变;f为疲劳强度系数,MP a;E为弹性模量,MP a;Nf为疲劳寿命;f为疲劳塑性系数;b为疲劳强度指数;c为疲劳塑性指数.在长寿命阶段,以弹性应变幅为主;在短寿命阶段,以塑性应变幅为主.为了简化疲劳试验,很多学者试图找出式()中各参数与材料拉伸性能之间的关系,通过总结数据后
11、给出:f b(b为抗拉强度),b ,ff(f为塑性应变),c.因此,根据材料的抗拉强度和断裂延性参数,结合式()即可求得材料的应变疲劳寿命曲线.材料试验与结构计算研究对象为某电厂 MW超临界机组,该机组为参与深度调峰的机组,省煤器入口集箱管道结构见图.结构外径为 mm,壁厚为 mm;连接支管外径为 mm,壁厚为 mm;管道内部压力为 MP a.图结构示意图省 煤 器 集 箱 及 连 接 管 道 所 用 材 料 为S A C,材料性能参数见表.表材料性能参数表温度/弹性模量/MP a线膨胀系数/K密度/(tm)已知结构运行工况,其中机组负荷变化时对应结构温度的变化见表.表省煤器入口及包墙温度随机
12、组负荷的变化工况机组负荷/MW省煤器入口温度/包墙温度/在结构应力分析及疲劳寿命初步计算的基础上,进行材料高温应变疲劳试验,拟合材料应变幅 疲劳寿命曲线,得到结构薄弱部位疲劳寿命;通过材料拉伸试验,得到疲劳寿命曲线来预测结构疲劳寿命;通过有限元数值模拟预测结构疲劳寿命,展开对比分析,综合评估结构疲劳性能.具体分析流程见图.图分析流程图 材料拉伸试验拉伸试验根据G B/T 的要求执行,试样的几何参数见图.第 卷图弧形拉伸试样采用电子万能试验机,在试验温度为 的条件下,得到组材 料拉伸试 验数据,分别 为:抗 拉 强 度 为 P a,断 后 伸 长 率 为 ;抗 拉 强 度 为 P a,断 后 伸
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