超超临界锅炉水冷壁管传热恶化对横向裂纹影响的有限元分析

董永昌 梁松树 赵加星

摘 要：该研究通过利用ABAQUS10.0有限元软件进行模拟研究，构建了超超临界锅炉水冷壁管传热恶化前后的变化模型，并获得相应的管内传热系数与不同传热负荷下的温度与等效应力的变化，从而对超超临界锅炉水冷壁管传热恶化对横向裂纹的原因予以确定，并根据相应温度变化下的情况，明确热应力与受热点的关系，从而为超超临界锅炉稳定与安全运行，提供基础性的保障。

关键词：超超临界锅炉 水冷壁管 传热恶化 横向裂纹 有限元分析

中图分类号：TK223 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）02（a）-00-02

目前，随着科技水平的不断发展，超超临界发电机组锅炉被广泛应用于火力发电机组锅炉，现阶段下，超超临界锅炉技术与设计理念均处在领先位置，能够较好地保证锅炉水壁冷的安全与长周期下的运行[1，2]。相关研究显示[3]，尽管目前超超临界锅炉各方面技术与设计均处于比较先进的发展态势，但是其垂直管圈锅炉在实际投入运行后，仍然能够检修发现在水冷壁的某段标高区域内，存在较大面积的横向裂纹，从而对电厂的安全造成严重威胁。针对这一问题，该研究利用ABAQUS10.0有限元软件进行模拟研究，明确超超临界锅炉水冷壁管传热恶化对横向裂纹产生的影响，以及相应产生的机理，从而进一步保证超超临界锅炉的安全运行。

1 电厂锅炉用水冷壁管介绍

某火力电厂，自2010年投入运营至2018年10月（大修），累计运行约16000h，此次研究机组起停次数为71次，水冷壁管共计2186根，前墙1093根，后墙1093根，大修后采用水压实验，该试验过程中发现左侧水冷壁从前至后共计出现31根内螺纹管泄露。管材均为15CrMoG，節距为44.0mm，加焊处管子这间的尺寸为宽16.0mm、厚6mm，为了更好地消除上炉膛工质因吸热产生的温度偏差，则于上、下炉膛之间安装一圈混合集箱，以此达到前述目的。但在实际检查过程中，水冷壁传热侧出现大量横向裂纹，对锅炉的运行造成严重安全隐患，有待进一步处理。

2 横向裂纹产生的原因与热负荷及传热系数影响分析

2.1 向裂纹产生的原因

为了能够更为生动形象地还原水冷壁的裂纹产生原因与机理，此次研究采用ABAQUS10.0有限元软件，构建三维简化模型，从而获得更为准确的传热数值与力学特征。具体见图1所示。

在模拟2#炉水冷壁管的现场炉内情况来看，对于传热恶化前、后有限元模型构建结果显示，传热恶化前鳍片处温度最大，同时热应力也为最大，而沿侧顶点朝向位置温度与热应力次之，而发生传热恶化后，则是在向火侧顶点温度与热应力呈现最大发展趋势，此时鳍片处温度与热应力次之。另外，当传热恶化不发生时，同时热负荷极端高500kW/m2，位于鳍片处的温度与热应力最大，会产生屈服。而同样传热恶化时，则此时位于向火侧的顶点会发生屈服，此时的热负荷一般是在300kW/m2，同时传热系数低于2kW/（m2·k）。

2.2 热负荷及传热系数影响分析

通过ABAQUS10.0有限元软件得到热负荷及传热系数影响模拟数值，具体结果见表1所示。

此次研究结果发现传热恶化后，温度和热应力数值主要是受热负荷和传热系数影响所致，而此次所建模型中显示温度下的材料，已经达到屈服极限，也就是说在特定情况下关闭热负荷而管内传热系数变小时，则会发生上述向火侧屈服现象。当传热恶化时，我们能够发现传热恶化区域管子向火侧顶点处，温度会随即提升，而此时内外侧壁温差差异会随之增大，此时会在向火侧形成集中型压应力，并且在逐渐增大，也就是说应力的大小与向火侧热负荷及供给侧的传热系数密切相关，而在一定的条件下，材料许用温度被金属温度超出，以及在材料屈服的情况下会导致材料发生横向裂纹破坏，再加之超临界锅炉，其运行数在变负荷调峰的情况下，燃烧条件以及锅炉内工质的物性参数，此时均会处于动态调整的现实情况，而水冷壁的局部传热恶化，不会长时间地予以保持，若是在工质压力和温度分布特征均发生变化时，此时水冷壁的局部传热恶化便会消除，进而恢复正常传热，壁温也随之恢复正常。

3 预防措施

通过有限元软件的分析，能够得到横向裂纹的主要原因，针对获得的主要原因提出相应的优化方案，从而解决水冷壁横向裂纹[4]。在实际锅炉运行过程中，需要定时查看相应温度变化，包括发热量、挥发份、灰份、含硫量等，并做好严格的含量控制，进行合理分配，从而减少使用中的高硫煤产生的化学成分不利因素[5]。另外，需要加强运行优化调整，包括风管的均线调整，从而使燃烧器热负荷均匀，并将煤粉吸入进行有效调整，使煤粉均匀性在合理范围内得到控制，并针对不同煤质以及不符合工况下锅炉水冷壁的贴壁氛围进行定期测试，根据测试结果及时调整锅炉的燃烧温度，从而减少锅炉高温对水冷壁管的影响，进一步防范腐蚀现象与横向裂纹的产生。另外，水冷壁管应定期进行维护，并刷涂防腐材料，并保证管壁厚度、强度计算满足运行与规范要求，从而保证水冷壁管表面的材质达标。通过多项措施，真正提升锅炉的安全运行。

4 结论

此次研究通过采用有限元软件分析，结果表明垂直管圈的超超临界锅炉的传热恶化，对水冷壁管的温度和热应力有着非常重要的影响。此次研究得到结论如下。

第一，当传热正常时，管内鳍片位置温度，比水冷壁管子向火侧顶点温度测定高，并且热应力和极端高负荷情况下，管子受多种作用下必然会产生屈服，因此，管材很容易遭受破坏，出现横向裂纹，因此，能够确定出现鳍片温度与热应力产生时，是水冷壁管传热恶化横向裂纹的主要原因。

第二，当传热恶化时，水冷壁管子向火侧顶点温度以及热应力，处于比鳍片处温度与热应力高时，并且在一定的条件下，使用材料的许用温度会超出金属温度，与此同时材料出现屈服的情况，会进一步导致材料出现破坏。

第三，在相應温度下，材料未达到屈服温度与热应力会呈现线性发展趋势时，水冷壁温度越高则热应力越大。

综上所述，超超临界锅炉水冷壁管传热恶化对横向裂纹影响的有限元分析，通过科学的系统模型建立，以及相应数值的获得，能够求得不同温度下的热应力与变负荷的变化，从而达到既定的效果，帮助技术人员快速定点温度破坏点，从而避免出现进一步的恶化，并且根据横向裂纹产生的原因，进一步采取相应的对策，保证超超临界锅炉的稳定与安全运行。未来，需要逐步加强有限元软件的分析，利用有限软件，构建不同温度对水冷壁的影响，从而保证水冷壁管的质量达标，进一步降低安全隐患的产生。有限软件能够通过形象与生动化的三维模型，将真实的情景还原，从而更利于我们捕捉问题产生的原因与过程，从而达到既定的效果，真正解决横向裂缝的影响。

参考文献

[1] 汪华剑，梁学东，任锐，等.焊接工艺对1000MW超临界锅炉水冷壁鳍片温度分布的影响[J].铸造技术，2017（5）： 198-202.

[2] 刘进峰.660MW超超临界直流锅水冷壁横向裂纹原因分析及处理方法[J].锅炉制造，2017（4）：17-19.

[3] 葛学利，张忠孝，范浩杰，等.热偏差和流量偏差对1000MW超超临界锅炉水冷壁壁温影响的研究[J].中国电机工程学报，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.

本文由： 科学技术创新杂志社编辑部整理发布，如需转载，请注明来源。

科学技术创新杂志社

2020-05-04