基于有限元分析的承压部件失效分析及应用

基于有限元分析的承压部件失效分析及应用

(广东红海湾发电有限公司广东汕尾516623)

摘要:针对超(超)临界大型锅炉承压部件泄漏后可能造成较大的危害,设备可靠性要求进一步提高,本文提出对设备的有限元分析方法,并通过分析寻找其薄弱环节,做好针对性检查维护,及时消除隐患,同时加以改进,防止出现泄漏爆管,造成机组非停或伤人事件。

关键词:有限元分析、承压部件、失效分析、超超临界锅炉

ABSTRACT:Inviewofthepotentialhazardscausedbytheleakageofpressurecomponentsoflargeultra(ultra)criticalboilerandthefurtherimprovementofequipmentreliabilityrequirements,thispaperpresentsafiniteelementanalysismethodforequipment,andfindsoutitsweaklinksthroughanalysis,soastodoagoodjoboftargetedinspectionandmaintenance,eliminatehiddendangersintime,andimproveittopreventleakageandtubebursting,Unitnon-stoporinjuryincidents.

Keywords:finiteelementanalysis,pressurecomponents,failureanalysis,ultra-supercriticalboiler

1.前言

目前,电厂机组装机容量为越越大,基本为超临界或超超临界机组,温度高、压力大,要求电厂承压部件的有更高的安全可靠性,且随着运行时间的越长,泄漏爆管的事件越多。除了要加强运行安全操作,检修的现场检查维护,加强设备的分析是不可缺少的一个环节。本文就对一些温度变化、非常规结构特征的承压部件进行分析,再进行现场检测,发现问题,有较好的针对性。

2.分析方法

分析承压部件可靠性,就是要分析对承压部件所能产生的力、持续时间、次数,再根据材料及结构特性,判断承压部件的可能失效方式,是塑性断裂还是疲劳断裂,特别是疲劳断裂,缺乏相关的数据,只能靠感觉和经验,不利于科学的分析。

有限元分析方法,首先要熟悉设备结构及运行状态,然后识别特征区域,一是结构特征异常,如突变,大小头、鳍片末端等区域,二是不同材料在一起的承压部件,如不同材料之间的焊接;三是温度差异的区域;其次对特征区域进行建模,确立边界条件,分析其受力情况;最后根据失效准则,进行评判,预测其失效方式及时间。

3.部件分析

本文以某厂超超临界锅炉为例,举例对减温器内件结构、水冷壁管与水封挂板焊接、水冷壁管与水平烟道包墙管鳍片末端为例进行分析。

3.1.减温器内套筒销钉焊接

3.1.1.减温器内套筒销钉结构及工作状态

再热器管段规格Ф711.2×32,材质12Cr1MoV;混合管尺寸Ф623.2×8,材质12Cr1MoVG;设计温度:528℃;最大允许工作压力:6.3MPa;如图1:

图1:减温器剖视图

固定销钉焊接至圆弧板上,圆弧板在焊接在减温器筒体上。固定共2个,水平均布。其中一销钉因结构原因,只能焊接前半部分。结构如图2:

图2:减温器固定销钉焊接图

3.1.2.受力分析

对减温器固定销钉采用SolidworKssimulation分析。固定销钉1为前半部全焊接。

图3:固定销钉1(前半部分焊)应力分布

固定销钉1(前半部分焊)应力结果分析:应力最大在焊缝与销钉焊接边界两侧及中间,应力大约248MPa。

3.1.3.状态评估及改进

应力最大在焊缝与销钉焊接边界两侧及中间,中间前侧为高应力水平。运行大概6万小时出现断裂(如图4)。断口表面,出现贝壳纹特征,符合疲劳断裂特征,与分析吻合。

图4:销钉断裂断面图

改进意见是减温器开孔固定方式,同时增加销钉的数量和直径,避免单个销钉受力过大。更换销钉后材质保持不变,具体结构(图5)如下:

图5:销钉改进布置结构图

3.2.水冷壁与挡水帘挂板焊接

3.2.1.水冷壁与挡水帘挂板结构及工作状态

水冷壁管及水封挂板材料规格及工作情况如下:

图6:水冷壁管-水封挂板温度场

图7:水冷壁管-水封挂板受力分析

图8:水冷壁管焊缝末端开裂

3.2.2.热力分析及受力分析

首先进行热力分析,得出此结构的温度场(如图7),将将温度场代入受力分析,发现水冷壁与水封挂板焊接末端应力水平较高(如图7),应加强检查。

3.2.3.状态评估及改进建议

对运行7万小时的水冷壁挂板与水冷壁焊接末端进行检查,发现水冷壁管裂纹(如图8),及时安排处理,消除裂纹缺陷,防止锅炉非停。同时对此结构进行改进,将水封挂板焊接至水冷壁鳍片上,避免与水冷壁管焊接,提高设备可靠性。建议承压管件不宜与不同材质直接焊接,特别是与不锈钢焊接,容量拉裂管子。

3.3.水冷壁与水平烟道包墙管鳍片末端

水冷壁管与过热器材料、规格及工作温度如下表:

图9:水冷壁水平烟道包墙-过热器水平烟道包墙管鳍片末端

图10:水冷壁水平烟道包墙-过热器水平烟道包墙管温度场

图11:水冷壁水平烟道包墙-过热器水平烟道包墙管温鳍片受力分析

结构图(图9),两根管子,虽然材质相同,但是运行中介质温度不同,特别是在锅炉启停阶段,温差更大。

3.3.1.热力分析及受力分析

首先进行热力分析,得出此结构的温度场,将将温度场代入受力分析,发现水冷壁管与过热器包墙管鳍片焊接末端应力水平较高(如图10)。

3.3.2.状态评估及改进建议

从现场检查,发现此处有裂纹(如图12)。此处应力较大,建议在此处对鳍片进行圆弧过渡,并定期检查。

图12:鳍片裂纹

4.结论及建议

为提高设备可靠性,通过对设备的运行状态应进行分析,寻找其薄弱环节,在检修维护中做好针对性检查维护,及时消除隐患,或再加以改进,防止出现泄漏爆管,造成机组非停或伤人事件。

通过此分析方法,还分析了在高温管座、储水罐顶部支吊处等复杂结构,发现应力较高处,并进行针对性检查,及时发现问题,消除隐患。同时通过此分析方法,改进不合理结构,降低部件应力水平,防止出现裂纹,了解设备的运行状态,提高设备部使用寿命,对同类型机组有一定的参考借鉴意义。

作者简介:廖伟辉,男,热能动力高级工程师,从事锅炉管理工作。

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