CN103698222A - 一种锅炉壁温、应力测量装置及锅炉疲劳寿命测定方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锅炉壁温、应力测量装置及锅炉疲劳寿命测定方法，锅炉上锅筒外壁和内壁粘贴有热电偶和应变片，热电偶经引线接温度数据采集仪，应变片经引线接应力仪，其特征在于：设有导管，导管两端分别设有法兰（1）和法兰（2），法兰（1）与锅炉上锅筒的连接法兰密封连接；还设有套筒，套筒的底端设有法兰（3），法兰（2）与法兰（3）连接；法兰（3）上开有小孔，上锅筒内壁的热电偶和应变片引线穿过小孔，将法兰（3）和热电偶金属外壳焊接成一体实现密封；套筒上方接接线盒，上锅筒内壁的热电偶和应变片引线经导管、套筒进入接线盒。

Description

一种锅炉壁温、应力测量装置及锅炉疲劳寿命测定方法

技术领域

本发明涉及一种锅炉壁温、应力测量装置及锅炉疲劳寿命测定方法。

背景技术

船舶优越的机动性能能够提高其在未来现代化战争中的生存率，优越的机动性能则来至于增压锅炉机组较快的启停及变负荷工作，较大的负荷波动会导致锅筒壁温及其所承受的介质压力的快速变化，从而会产生交变的热应力和机械应力，根据疲劳损伤理论，频繁的交变应力会使金属材料产生的疲劳损伤增大，缩短锅筒的使用寿命。因此，对船用增压锅炉锅筒疲劳寿命研究，监测其运行的安全性和可靠性，已成为一个重要的课题。

目前，国内外许多学者对电站锅炉锅筒的温度场、应力场、疲劳寿命在线监测与管理系统研究的比较多，而对船用增压锅炉锅筒在这些方面的研究尚属空白。船用锅炉与电站锅炉不同之处是，对外形、尺寸和重量有严格的限制。例如，某些船舶上宁可牺牲锅炉的热效率而不设置空气预热器,甚至也不设置省煤器。在结构上,锅炉应能适应船舶摇摆、倾侧和冲击等航行条件。船用锅炉要有一定的汽、水贮存容积，以适应蒸汽动力机械频繁和大幅度改变负荷的需要。由于结构以及工作条件的不同，对于船用锅炉的数据采集情况更加复杂多变，温度场的计算方法也相对不同，所以传统的电站锅炉的疲劳寿命监测系统不适用于船舶锅炉。

发明内容

本发明目的在于提供一种锅炉壁温、应力测量装置，能够对船舶锅炉壁温、应力进行有效测量；并利用该装置提供一种锅炉疲劳寿命测定方法。

本发明基于同一发明构思，具有两个独立的技术方案：

1、一种锅炉壁温、应力测量装置，锅炉上锅筒外壁和内壁粘贴有热电偶和应变片，热电偶经引线接温度数据采集仪，应变片经引线接应力仪，其特征在于：设有导管，导管两端分别设有法兰（1）和法兰（2），法兰（1）与锅炉上锅筒的连接法兰密封连接；还设有套筒，套筒的底端设有法兰（3），法兰（2）与法兰（3）连接；法兰（3）上开有小孔，上锅筒内壁的热电偶和应变片引线穿过小孔，将法兰（3）和热电偶金属外壳焊接成一体实现密封；套筒上方接接线盒，上锅筒内壁的热电偶和应变片引线经导管、套筒进入接线盒。

锅炉上锅筒上部外壁上，沿圆周方向均匀设有9个热电偶和9个应变片；锅炉上锅筒上部内壁上，沿圆周方向均匀设有12个热电偶和12个应变片，法兰3相应开有12个小孔，一个热电偶引线和一个应变片引线为一组引线，每组引线穿过1个小孔。

导管为半U形金属导管，套筒为金属套筒。

2、一种上述锅炉壁温、应力测量装置的锅炉疲劳寿命测定方法，其特征在于：温度数据采集仪采集锅炉上锅筒外壁和内壁热电偶的温度值，根据前述温度值计算上锅筒的温度场分布，计算方法如下：

锅筒上半部分120度不受热区域采取反推解法，下半部分240度复杂受热区域采用直接解法，对于两部分交接区域，将反推解法求解的边界温度值直接赋值给直接解法，作为锅筒下半部分240度区域直接解法的边界条件，继而求出整个锅筒的温度场分布；

根据温度场分布，求得应力场分布，进而测定锅炉疲劳寿命。

锅筒上半部分120度不受热区域采取反推解法时，对锅筒划分网格区域，根据锅筒外壁热电偶测点实时采集的温度值，采用控制容积的方法，选取微元控制体，通过热平衡法，将能量守恒原理和傅里叶导热定律应用于节点所代表的微元控制容积，列出各个节点的热平衡方程，形成封闭的能量方程组，从外壁节点逐层向内壁节点推算，计算出内壁各个节点的温度值，从而计算出不受热区域的温度场分布。

锅筒下半部分240度区域采用直接解法时，锅筒下半部分外壁不同区域施加不同的边界条件,

锅筒外壁附有保温层，外壁绝热，Q₁=0;

右、左侧空气夹层区，分别施加对流换热系数H₁和H₂;

锅筒外壁受烟气辐射热负荷q_f，有效辐射受热面的平均热负荷由下式炉膛热力计算获得：

式中：

—保热系数,

B_j—燃料消耗量，

Q_l—炉膛有效放热量，

I′′_l—炉膛出口处每公斤燃料的烟气焓，

A_yx—有效辐射受热面;

在炉膛高度上，某个区段有效辐射受热面的热负荷为：

q_fi=η_gq_f

式中：η_g—沿炉膛高度热负荷分布不均匀系数;

给定锅筒内壁温度初值TF=T₀,根据下面公式对该区域进行求解，求得耦合边界上的温度梯度或者热流密度，

T(I,M1)=T(I,M2)+Q·YDIF(M1)/GAM1

然后根据下面公式求解锅筒外壁区域，得出锅筒内壁耦合边界上的新温度分布，再以这个新的温度分布作为锅筒内壁的边界条件，重复计算直到收敛,将上述边界条件代入以下公式进行迭代计算,

GY=GAM1/YDIF(2)

T(I,1)=(HTC·TF+GY·T(I,2))/(HTC+GY)

式中：YDIF(M1)——节点M1与节点M2间的径向距离；

YDIF(2)——节点1与节点2间的周向距离；

GAM1——材料的热导率；

TF——锅筒内壁的初始温度;

通过以上的特设的正反耦合问题得到上锅筒温度场分布。

本发明具有的有益效果：

本发明锅炉上锅筒外壁和内壁粘贴有热电偶和应变片，其中内壁的热电偶和应变片引线穿过法兰上的小孔，将法兰和热电偶金属外壳焊接成一体实现密封，密封可靠、结构简单，热电偶经引线接温度数据采集仪，应变片经引线接应力仪，能够实现温度、应力的快速测量。本发明针对船舶锅炉的特点，对锅筒上半部分120度不受热区域采取反推解法，下半部分240度复杂受热区域采用直接解法，对于两部分交接区域，将反推解法求解的边界温度值直接赋值给直接解法，作为锅筒下半部分240度区域直接解法的边界条件，求出整个锅筒的温度场分布；根据温度场分布，求得应力场分布，进而测定锅炉疲劳寿命，锅炉疲劳寿命测定准确、快速。本发明不仅能够对锅筒温度、压力等参数进行实时监测，指导增压锅炉的运行，保护船舶动力装置的“心脏”，还能作为增压锅炉锅筒运行的“黑匣子”，记录完整的运行数据，为增压锅炉的优化设计提供了原始资料。

附图说明

图1为本发明锅炉壁温、应力及疲劳寿命测定原理框图；

图2为本发明锅炉壁温、应力测定装置密封部分的结构示意图；

图3为小型增压试验锅炉简化模型图；

图4为反推解法计算流程图；

图5为应力场计算流程图；

图6为应力场计算各子程序调用关系图；

图7为雨流法计数条件图。

具体实施方式

锅炉上锅筒内壁和外壁粘贴有热电偶和应变片，热电偶经引线接温度数据采集仪，应变片经引线接应力仪，如图2所示，设有半U形金属导管4，导管两端分别设有法兰1和法兰2，法兰1与锅炉上锅筒的连接法兰密封连接；还设有金属套筒5，金属套筒5的底端设有法兰3，法兰2与法兰3连接；法兰3上开有小孔，上锅筒内壁的热电偶和应变片引线穿过小孔，将法兰3和热电偶金属外壳焊接成一体实现密封；套筒上方接接线盒6，粘贴在上锅筒内壁的热电偶和应变片引线经导管、套筒进入接线盒。

实施时，锅炉上锅筒上部外壁上，沿圆周方向均匀设有9个热电偶和9个应变片；锅炉上锅筒上部内壁上，沿圆周方向均匀设有12个热电偶和12个应变片，法兰3相应开有12个小孔，一个热电偶引线和一个应变片引线为一组引线，每组引线穿过1个小孔。

温度数据采集仪采集各电偶输出的温度信号，应力仪采集各电偶输出的应力信号。

一、上锅筒的温度场计算：

如图3所示，小型增压试验锅炉简化模型，其锅筒外壁的受热情况与电站锅炉锅筒有着明显的区别。根据外壁受热情况及外壁热电偶测点的分布，将锅筒分为上下两部分：上半部分120度区域包有保温层，其外壁绝热；下半部分240度区域受热情况比较复杂，一部分外壁包有保温层不受热，夹层对应的外壁则与热空气进行对流换热，炉膛对应的外壁则受到炉膛烟气的辐射热。

根据锅筒的结构、受热特点及外壁热电偶布置的位置及数量，锅筒上半部分120度不受热区域采取反推解法，下半部分240度复杂受热区域采用直接解法，对于两部分交接区域，将反推解法求解的边界温度值直接赋值给直接解法，作为下半部分240度区域直接解法的边界条件，实现正反问题耦合，求解出整个锅筒的温度场分布。

如图4所示，利用导热反问题解法（反推解法）计算锅筒上半部分温度场，对所划分网格区域进行求解。根据锅筒外壁热电偶测点实时采集的温度值，采用控制容积的方法，选取微元控制体，通过热平衡法，将能量守恒原理和傅里叶导热定律应用于节点所代表的微元控制容积，列出各个节点的热平衡方程，形成封闭的能量方程组，从外壁节点逐层向内壁节点推算，可以计算出内壁各个节点的温度值，从而计算出不受热区域的温度场分布。

将反推解法网格交界处的温度赋值给直接算法。锅筒内壁与介质间的换热形式为自然对流换热。由于锅筒内部结构复杂，介质的流动没有定向性，金属内壁与介质间的换热系数不能套用传统的对流传热实验关联式计算。根据研究及大量程序调试的基础上，给定一个换热系数值，内壁与水的换热系数：1000～3000W/(m2·K)，内壁与蒸汽的换热系数：7000W/(m2·K)。

锅筒下半部分外壁不同区域施加不同的边界条件

锅筒外壁附有保温层，外壁绝热，Q₁=0。

右、左侧空气夹层区，分别施加对流换热系数H₁和H₂。

锅筒外壁受烟气辐射热负荷q_f，有效辐射受热面的平均热负荷由下式炉膛热力计算获得：

式中：——保热系数；

B_j——计算燃料消耗量，kg/s；

Q_l——炉膛有效放热量，kJ/kg；

I′′_l——炉膛出口处每公斤燃料的烟气焓，kJ/kg；

A_yx——有效辐射受热面，m²。

在炉膛高度上，某个区段有效辐射受热面的热负荷为：

q_fi=η_gq_f   (2)式中：η_g——沿炉膛高度热负荷分布不均匀系数。

给定锅筒内壁温度初值TF=T₀，即先假定锅筒内壁耦合边界上的温度分布，根据式（3）对该区域进行求解，可以求得耦合边界上的温度梯度或者热流密度，然后根据公式（4）求解锅筒外壁区域，可以得出锅筒内壁耦合边界上的新温度分布，再以这个新的温度分布作为锅筒内壁的边界条件，重复计算直到收敛。将上述边界条件代入以下公式进行迭代计算。

T(I,M1)=T(I,M2)+Q·YDIF(M1)/GAM1   (3)

GY=GAM1/YDIF(2)

T(I,1)=(HTC·TF+GY·T(I,2))/(HTC+GY)   (4)式中：YDIF(M1)——节点M1与节点M2间的径向距离,m；

YDIF(2)——节点1与节点2间的周向距离,m；

GAM1——材料的热导率,W/(m·K)；

TF——锅筒内壁的初始温度,℃。

从而通过以上的特设的正反耦合问题得到上锅筒温度场分布。

二、上锅筒的应力场计算

如图5、图6所示，根据温度场分布，求得应力场分布，此为现有技术。其中CONROL是输入并打印控制数据的子程序；INPUT是输入约束信息、节点坐标、材料特性常数以及集中荷载信息的子程序；STDK20是计算等效节点载荷的子程序；STIF是形成单元劲度矩阵的子程序；RMSD是计算形函数对整体坐标的偏导数，并求得应变转换矩阵的子程序；FPJD是计算积分点的形函数值及积分点上形函数对局部坐标的偏导数值的子程序；SURFOR是计算积分点的分布力分量和单元节点载荷矩阵的子程序；SURTEM是将热应变转换成热应力的子程序；ASLOAD是将单元节点载荷矩阵累加到整体节点载荷矩阵的子程序；CBAND是形成整体劲度矩阵的主对角线元素序号指示向量的子程序；TREAT是处理单元刚度矩阵和整体节点载荷矩阵、引入非零已知节点位移的子程序；BANDV是求解大型对称变宽带方程组的子程序；STRESS是计算应力分量以及主应力、应力主向的子程序；NODSTR是得到角节点上的应力分量值的子程序。

三、疲劳寿命测定

根据应力场分布，测定疲劳寿命。

雨流计数法是根据材料的应力—应变迟滞回线循环而提出的一种双参数计数方法，从疲劳观点上看它比较能够反映随机载荷的全过程。锅筒承受的循环载荷实际上是一个连续的随机过程，在雨流计数法计数之前，需要对锅筒疲劳考核点的原始应力数据进行以下处理，以达到雨流计数的要求。

a)读入应力数据

读入原始应力数据，并进行等间隔采样，即对连续的应力时间历程进行离散。

b)峰谷值的检测

判断所有应力数据的最大值和最小值并且保存，其余非峰谷值数据则舍去。

c)去除等值点

必须是相邻的两个不相等的应力数据才能形成雨流，所以要去除等值点。在本程序中让后一个数据等于0，然后再把它除掉，也即是让它后面的所有应力数据往前顶一格，把它覆盖掉。

计数条件为判断子程序，由一系列判断不等式组成，是雨流计数法的核心部分。假定载荷时间历程是由T个峰谷值X₁,X₂,X₃,…X_T所组成，按着图7物理模型图解的计数原理，用计算机进行处理可分为两步进行。首先对依次相邻的峰谷值进行判断和计数处理。

若X_I<X_I+1

a)如果X_I≤X_I+2和X_I+1≤X_I+3，则

$\mathrm{SA}=\frac{1}{2}|X_{I+2}-X_{I+1}|$

$\mathrm{SM}=\frac{1}{2}(X_{I+2}+X_{I+1})$

N=1

b)如果X_I≤X_I+2和X_I+1>X_I+3，暂存X_I

c)否则I=I+1

若X_I>X_I+1

a)如果X_I≥X_I+2和X_I+1≥X_I+3，则

$\mathrm{SA}=\frac{1}{2}|X_{I+2}-X_{I+1}|$

$\mathrm{SM}=\frac{1}{2}(X_{I+2}+X_{I+1})$

N=1

b)如果X_I≥X_I+2和X_I+1<X_I+3，暂存X_I

c)否则I=I+1

式中：SA——应力幅；

SM——循环应力平均值；

N——循环次数。

统计完一次循环后，从计算机内存中抹去X_I+1和X_I+2二点，暂存X_I是指暂时去掉X_I点，由后面的一点来递补，判断后马上恢复X_I点，直至第一阶段计数完毕。

然后对剩余发散收敛的载荷历程进行处理，亦对剩余的H个峰谷值按着等效收敛发散载荷历程进行处理。

a)如果X_I>X_I+1和X_H-1>X_H或者X_I<X_I+1和X_H-1<X_H，抹去X_I和X_H二点；

b)如果H≤3，抹去X_H点；

c)如果不满足条件1和2，简单抹去X_H点。

无论去掉X_I还是去掉X_H，都要把剩余的峰谷点重新依次排列，重新排列的峰谷点一定为偶数，奇偶分开，峰值从小到大，谷值从大到小依次排列，如果峰值和谷值的个数各为U，则

N=1

式中X_I峰为I点的峰值，X_I谷为第I点的谷值。

综上所述，便得到具有二维变量为特征的变量循环次数N(SA,SM)。

根据计数条件，依次对每一个四峰谷值载荷循环进行统计计数，得出不同应力幅的大小SA及循环的应力平均值SM。

Claims (6)

1.一种锅炉壁温、应力测量装置，锅炉上锅筒外壁和内壁粘贴有热电偶和应变片，热电偶经引线接温度数据采集仪，应变片经引线接应力仪，其特征在于：设有导管，导管两端分别设有法兰（1）和法兰（2），法兰（1）与锅炉上锅筒的连接法兰密封连接；还设有套筒，套筒的底端设有法兰（3），法兰（2）与法兰（3）连接；法兰（3）上开有小孔，上锅筒内壁的热电偶和应变片引线穿过小孔，将法兰（3）和热电偶金属外壳焊接成一体实现密封；套筒上方接接线盒，上锅筒内壁的热电偶和应变片引线经导管、套筒进入接线盒。

2.根据权利要求1所述的锅炉壁温、应力测量装置，其特征在于：锅炉上锅筒上部外壁上，沿圆周方向均匀设有9个热电偶和9个应变片；锅炉上锅筒上部内壁上，沿圆周方向均匀设有12个热电偶和12个应变片，法兰3相应开有12个小孔，一个热电偶引线和一个应变片引线为一组引线，每组引线穿过1个小孔。

3.根据权利要求2所述的锅炉壁温、应力测量装置，其特征在于：导管为半U形金属导管，套筒为金属套筒。

4.一种利用权利要求1所述锅炉壁温、应力测量装置的锅炉疲劳寿命测定方法，其特征在于：温度数据采集仪采集锅炉上锅筒外壁和内壁热电偶的温度值，根据前述温度值计算上锅筒的温度场分布，计算方法如下：

锅筒上半部分120度不受热区域采取反推解法，下半部分240度复杂受热区域采用直接解法，对于两部分交接区域，将反推解法求解的边界温度值直接赋值给直接解法，作为锅筒下半部分240度区域直接解法的边界条件，继而求出整个锅筒的温度场分布；

根据温度场分布，求得应力场分布，进而测定锅炉疲劳寿命。

5.根据权利要求4所述的锅炉疲劳寿命测定方法，其特征在于：锅筒上半部分120度不受热区域采取反推解法时，对锅筒划分网格区域，根据锅筒外壁热电偶测点实时采集的温度值，采用控制容积的方法，选取微元控制体，通过热平衡法，将能量守恒原理和傅里叶导热定律应用于节点所代表的微元控制容积，列出各个节点的热平衡方程，形成封闭的能量方程组，从外壁节点逐层向内壁节点推算，计算出内壁各个节点的温度值，从而计算出不受热区域的温度场分布。

6.根据权利要求5所述的锅炉疲劳寿命测定方法，其特征在于：锅筒下半部分240度区域采用直接解法时，锅筒下半部分外壁不同区域施加不同的边界条件,

锅筒外壁附有保温层，外壁绝热，Q₁=0;

右、左侧空气夹层区，分别施加对流换热系数H₁和H₂;

锅筒外壁受烟气辐射热负荷q_f，有效辐射受热面的平均热负荷由下式炉膛热力计算获得：

式中：

—保热系数,

B_j—燃料消耗量，

Q_l—炉膛有效放热量，

I′′_l—炉膛出口处每公斤燃料的烟气焓，

A_yx—有效辐射受热面;

在炉膛高度上，某个区段有效辐射受热面的热负荷为：

q_fi=η_gq_f

式中：η_g—沿炉膛高度热负荷分布不均匀系数;

给定锅筒内壁温度初值TF=T₀,根据下面公式对该区域进行求解，求得耦合边界上的温度梯度或者热流密度，

T(I,M1)=T(I,M2)+Q·YDIF(M1)/GAM1

然后根据下面公式求解锅筒外壁区域，得出锅筒内壁耦合边界上的新温度分布，再以这个新的温度分布作为锅筒内壁的边界条件，重复计算直到收敛,将上述边界条件代入以下公式进行迭代计算,

GY=GAM1/YDIF(2)

T(I,1)=(HTC·TF+GY·T(I,2))/(HTC+GY)

式中：YDIF(M1)——节点M1与节点M2间的径向距离；

YDIF(2)——节点1与节点2间的周向距离；

GAM1——材料的热导率；

TF——锅筒内壁的初始温度;

通过以上的特设的正反耦合问题得到上锅筒温度场分布。

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