超超臨界鍋爐水冷壁管傳熱惡化對橫向裂紋影響的有限元分析

董永昌 梁松樹 趙加星

摘 要：該研究通過利用ABAQUS10.0有限元軟件進行模擬研究，構建了超超臨界鍋爐水冷壁管傳熱惡化前后的變化模型，并獲得相應的管內傳熱系數與不同傳熱負荷下的溫度與等效應力的變化，從而對超超臨界鍋爐水冷壁管傳熱惡化對橫向裂紋的原因予以確定，并根據相應溫度變化下的情況，明確熱應力與受熱點的關系，從而為超超臨界鍋爐穩定與安全運行，提供基礎性的保障。

關鍵詞：超超臨界鍋爐 水冷壁管 傳熱惡化 橫向裂紋 有限元分析

中圖分類號：TK223 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）02（a）-00-02

目前，隨著科技水平的不斷發展，超超臨界發電機組鍋爐被廣泛應用于火力發電機組鍋爐，現階段下，超超臨界鍋爐技術與設計理念均處在領先位置，能夠較好地保證鍋爐水壁冷的安全與長周期下的運行[1，2]。相關研究顯示[3]，盡管目前超超臨界鍋爐各方面技術與設計均處于比較先進的發展態勢，但是其垂直管圈鍋爐在實際投入運行后，仍然能夠檢修發現在水冷壁的某段標高區域內，存在較大面積的橫向裂紋，從而對電廠的安全造成嚴重威脅。針對這一問題，該研究利用ABAQUS10.0有限元軟件進行模擬研究，明確超超臨界鍋爐水冷壁管傳熱惡化對橫向裂紋產生的影響，以及相應產生的機理，從而進一步保證超超臨界鍋爐的安全運行。

1 電廠鍋爐用水冷壁管介紹

某火力電廠，自2010年投入運營至2018年10月（大修），累計運行約16000h，此次研究機組起停次數為71次，水冷壁管共計2186根，前墻1093根，后墻1093根，大修后采用水壓實驗，該試驗過程中發現左側水冷壁從前至后共計出現31根內螺紋管泄露。管材均為15CrMoG，節距為44.0mm，加焊處管子這間的尺寸為寬16.0mm、厚6mm，為了更好地消除上爐膛工質因吸熱產生的溫度偏差，則于上、下爐膛之間安裝一圈混合集箱，以此達到前述目的。但在實際檢查過程中，水冷壁傳熱側出現大量橫向裂紋，對鍋爐的運行造成嚴重安全隱患，有待進一步處理。

2 橫向裂紋產生的原因與熱負荷及傳熱系數影響分析

2.1 向裂紋產生的原因

為了能夠更為生動形象地還原水冷壁的裂紋產生原因與機理，此次研究采用ABAQUS10.0有限元軟件，構建三維簡化模型，從而獲得更為準確的傳熱數值與力學特征。具體見圖1所示。

在模擬2#爐水冷壁管的現場爐內情況來看，對于傳熱惡化前、后有限元模型構建結果顯示，傳熱惡化前鰭片處溫度最大，同時熱應力也為最大，而沿側頂點朝向位置溫度與熱應力次之，而發生傳熱惡化后，則是在向火側頂點溫度與熱應力呈現最大發展趨勢，此時鰭片處溫度與熱應力次之。另外，當傳熱惡化不發生時，同時熱負荷極端高500kW/m2，位于鰭片處的溫度與熱應力最大，會產生屈服。而同樣傳熱惡化時，則此時位于向火側的頂點會發生屈服，此時的熱負荷一般是在300kW/m2，同時傳熱系數低于2kW/（m2·k）。

2.2 熱負荷及傳熱系數影響分析

通過ABAQUS10.0有限元軟件得到熱負荷及傳熱系數影響模擬數值，具體結果見表1所示。

此次研究結果發現傳熱惡化后，溫度和熱應力數值主要是受熱負荷和傳熱系數影響所致，而此次所建模型中顯示溫度下的材料，已經達到屈服極限，也就是說在特定情況下關閉熱負荷而管內傳熱系數變小時，則會發生上述向火側屈服現象。當傳熱惡化時，我們能夠發現傳熱惡化區域管子向火側頂點處，溫度會隨即提升，而此時內外側壁溫差差異會隨之增大，此時會在向火側形成集中型壓應力，并且在逐漸增大，也就是說應力的大小與向火側熱負荷及供給側的傳熱系數密切相關，而在一定的條件下，材料許用溫度被金屬溫度超出，以及在材料屈服的情況下會導致材料發生橫向裂紋破壞，再加之超臨界鍋爐，其運行數在變負荷調峰的情況下，燃燒條件以及鍋爐內工質的物性參數，此時均會處于動態調整的現實情況，而水冷壁的局部傳熱惡化，不會長時間地予以保持，若是在工質壓力和溫度分布特征均發生變化時，此時水冷壁的局部傳熱惡化便會消除，進而恢復正常傳熱，壁溫也隨之恢復正常。

3 預防措施

通過有限元軟件的分析，能夠得到橫向裂紋的主要原因，針對獲得的主要原因提出相應的優化方案，從而解決水冷壁橫向裂紋[4]。在實際鍋爐運行過程中，需要定時查看相應溫度變化，包括發熱量、揮發份、灰份、含硫量等，并做好嚴格的含量控制，進行合理分配，從而減少使用中的高硫煤產生的化學成分不利因素[5]。另外，需要加強運行優化調整，包括風管的均線調整，從而使燃燒器熱負荷均勻，并將煤粉吸入進行有效調整，使煤粉均勻性在合理范圍內得到控制，并針對不同煤質以及不符合工況下鍋爐水冷壁的貼壁氛圍進行定期測試，根據測試結果及時調整鍋爐的燃燒溫度，從而減少鍋爐高溫對水冷壁管的影響，進一步防范腐蝕現象與橫向裂紋的產生。另外，水冷壁管應定期進行維護，并刷涂防腐材料，并保證管壁厚度、強度計算滿足運行與規范要求，從而保證水冷壁管表面的材質達標。通過多項措施，真正提升鍋爐的安全運行。

4 結論

此次研究通過采用有限元軟件分析，結果表明垂直管圈的超超臨界鍋爐的傳熱惡化，對水冷壁管的溫度和熱應力有著非常重要的影響。此次研究得到結論如下。

第一，當傳熱正常時，管內鰭片位置溫度，比水冷壁管子向火側頂點溫度測定高，并且熱應力和極端高負荷情況下，管子受多種作用下必然會產生屈服，因此，管材很容易遭受破壞，出現橫向裂紋，因此，能夠確定出現鰭片溫度與熱應力產生時，是水冷壁管傳熱惡化橫向裂紋的主要原因。

第二，當傳熱惡化時，水冷壁管子向火側頂點溫度以及熱應力，處于比鰭片處溫度與熱應力高時，并且在一定的條件下，使用材料的許用溫度會超出金屬溫度，與此同時材料出現屈服的情況，會進一步導致材料出現破壞。

第三，在相應溫度下，材料未達到屈服溫度與熱應力會呈現線性發展趨勢時，水冷壁溫度越高則熱應力越大。

綜上所述，超超臨界鍋爐水冷壁管傳熱惡化對橫向裂紋影響的有限元分析，通過科學的系統模型建立，以及相應數值的獲得，能夠求得不同溫度下的熱應力與變負荷的變化，從而達到既定的效果，幫助技術人員快速定點溫度破壞點，從而避免出現進一步的惡化，并且根據橫向裂紋產生的原因，進一步采取相應的對策，保證超超臨界鍋爐的穩定與安全運行。未來，需要逐步加強有限元軟件的分析，利用有限軟件，構建不同溫度對水冷壁的影響，從而保證水冷壁管的質量達標，進一步降低安全隱患的產生。有限軟件能夠通過形象與生動化的三維模型，將真實的情景還原，從而更利于我們捕捉問題產生的原因與過程，從而達到既定的效果，真正解決橫向裂縫的影響。

參考文獻

[1] 汪華劍，梁學東，任銳，等.焊接工藝對1000MW超臨界鍋爐水冷壁鰭片溫度分布的影響[J].鑄造技術，2017（5）： 198-202.

[2] 劉進峰.660MW超超臨界直流鍋水冷壁橫向裂紋原因分析及處理方法[J].鍋爐制造，2017（4）：17-19.

[3] 葛學利，張忠孝，范浩杰，等.熱偏差和流量偏差對1000MW超超臨界鍋爐水冷壁壁溫影響的研究[J].中國電機工程學報，2018（8）：2348-2357.

[4] Bovard S，Abdi M，Nikou M R K，et al.Numerical investigation of heat transfer in supercritical CO 2， and water turbulent flow in circular tubes[J].Journal of Supercritical Fluids， 2017（119）：88-103.

[5] Li Z，Zhai Y，Li K，et al.A quantitative study on the interaction between curvature and buoyancy effects in helically coiled heat exchangers of supercritical CO2 Rankine cycles[J].Energy，2016（116）：661-676.