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

廖伟辉

（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。