CN105117529A - 一种低温再热器出口集箱管屏结构改进方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种低温再热器出口集箱管屏结构改进方法，包括以下步骤：1、根据锅炉设备的运行要求确定低温再热器出口集箱管屏结构的疲劳允许应力；2、通过有限元模型对低温再热器出口集箱管屏的结构进行有限元分析得到各管道的应力分布，并判断是否存在超出所述疲劳允许应力的应力；3、如果存在超出疲劳允许应力的应力，则选取管屏中该应力所在的管道，建立优化模型对该管道的走向进行优化设计，使得疲劳允许应力与该管道的最大应力之差最小；4、根据该管道的走向设计，对该管道进行现场改造。本发明方法改进低温再热器出口集箱管屏结构后，可降低其热应力，延长管屏的使用寿命，保证机组的安全稳定运行。
Description
技术领域
本发明属于锅炉设备，具体涉及一种低温再热器出口集箱管屏结构改进方法。
背景技术
再热器作为锅炉重要的组成部件，将汽轮机高压缸排气加热到与过热蒸汽温度相等或相近的再热温度，然后再送到中压缸及低压缸中膨胀做功，提高机组的热力效率。
在实际运行中，由于机组频繁启停、变负荷运行，使得低温再热器温度变化增大，产生较大的温度梯度，从而产生较大的交变热应力，导致部件产生低周疲劳损耗。
低温再热器出口集箱管屏为蛇形管屏，由于结构设计的不合理，使得出口集箱管座接头热应力水平较高，在管座初始缺陷和交变热应力综合作用下，容易引起管座焊缝开裂，造成泄漏。因此，有必要开发一种低温再热器出口集箱管屏走向结构改进方法，降低管屏的热应力，保证集箱的安全运行。
发明内容
本发明的目的是提供一种低温再热器出口集箱管屏结构改进方法，以降低其热应力，延长管屏的使用寿命，保证机组的安全稳定运行。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
低温再热器出口集箱管屏结构改进方法，包括以下步骤：
步骤一、根据锅炉设备的运行要求确定低温再热器出口集箱管屏结构的疲劳允许应力；
步骤二、通过有限元模型对低温再热器出口集箱管屏的结构进行有限元分析，计算管屏中各管道的应力分布，并判断是否存在超出所述疲劳允许应力的应力；
步骤三、如果存在超出疲劳允许应力的应力，则选取管屏中超出疲劳允许应力所在的管道，建立优化模型对该管道的走向进行优化设计，使得疲劳允许应力与该管道的最大应力之差最小，以满足锅炉设备的运行要求；
步骤四、根据该管道的走向设计，对该管道进行现场改造。
所述改进是调整高应力区域的管道走向和弯头的数量、形状尺寸和位置。
所述现场改造时，依据低温再热器出口集箱的材料制定该管道的焊缝焊接工艺，控制热处理温度，以消除焊接时产生的残余应力。
本发明的有益效果：
本发明方法简单实用，按该方法改进低温再热器出口集箱管屏结构后，可降低其热应力，延长管屏的使用寿命，保证机组的安全稳定运行。
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
附图说明
图1是原低温再热器出口集箱的直管管屏结构示意图。
图2是原低温再热器出口集箱的直管管屏的应力分布示意图。
图3改进后低温再热器出口集箱的直管管屏的应力分布示意图。
图4是原低温再热器出口集箱中应力最高的直管形状示意图。
图5是图4所示直管改进后的形状示意图。
具体实施方式
现以某电厂低温再热器出口集箱管屏的改进来说明本发明方法,如图1所示，低温再热器出口集箱包括再热器集箱1和垂直管屏2，垂直管屏2由管屏201——209组成，管屏材质为P12和12Cr1MoVG。
步骤1、根据锅炉设备的运行要求确定低温再热器出口集箱管屏结构的疲劳允许应力[△σ]，其计算公式为式（1）：
（1）
式中，n——应力循环次数，C和β——参数，σ——应力，根据规范规定采用。应力循环次数按机组年利用5000小时计算，应力循环频率为5.26Hz，由此可得应力循环次数n=9.47×107。参数C取1940×1012，β取4，可得管屏疲劳允许应力[△σ]为67.28MPa；
步骤2、采用现有有限元分析软件（如ANSYS、ABAQUS、ADINA、MSC、LUSAS、Algor等），建立低温再热器出口集箱管屏有限元模型，对低温再热器出口集箱管屏的结构进行应力分析，得到原低温再热器出口集箱直管管屏应力分布示意图，如图2所示，应力单位为Pa，与块状的颜色相对应，颜色深代表应力大，直管201上t1、t2、t3、t4处的应力分别为69.2MPa、54.5MPa、44.7MPa、30.0MPa，发现管屏的最大应力在最外层的直管201与主管1的连接处t1为69.2MPa，大于管屏疲劳允许应力[△σ]67.28MPa，由此可判断最大应力发生在管屏最外层管；
如果存在超出疲劳允许应力的应力，则选取管屏中该应力所在的管道，通过建立优化模型对该管道的走向进行优化设计，使得疲劳允许应力与该管道的最大应力之差最小，以满足锅炉设备的运行要求；
步骤3、选取管屏中的直管201，209，因该直管应力水平较高，需要对其进行改进，建立优化模型（2）对该管道的走向进行优化设计，使其柔性增强，有效吸收热膨胀，减小热应力，优化模型如下
（2）
式中 x 为优化模型的设计变量，具体涉及到管屏走向及弯头数量、尺寸和位置，为管屏最大应力，通过步骤2的有限元计算得到。对于每一个 x ，存在一个最大应力。
见图4，改进前的直管201包括由4节直管段a、c、e、g和3节弯管段b、d、f组成，其中直管段a、c、e、g的长度分别为172.3mm、290.6mm、263.2mm、953.7mm，3节弯管段b、d、f的圆弧角和弧长分别为124o和213.3mm、61.9o和132.1mm、61.9o和132.1mm，直管段c与直管段g之间的距离为124mm；设计主要是调整该管道走向和该管道弯头的数量、形状尺寸和位置，根据设计改进后的直管201见图5，其由3节直管段h、j、l和2节弯管段i、k组成，其中直管段h、j、l的长度分别为265mm、390.9mm、1075.6mm，2节弯管段i、k的圆弧角和弧长分别为90o和282.7mm、34o和106.8mm，弯管段i与直管段l之间的距离为280.1mm；经计算得出直管201上t3、t4处的应力分别为33.9MPa和29.5MPa，改进后低温再热器出口集箱直管管屏应力分布如图3所示，图中右边数值为应力值，单位为Pa，与块状的颜色相对应，颜色深代表应力大，最大为45.0MPa，可以确定改进后的直管201的最大应力在直管201与主管1的连接处t3为33.9MPa，小于管屏疲劳允许应力[△σ]67.28MPa，同样地，对209进行了改进，改进后最大应力为45.0MPa。与改造前比较，管屏结构的应力水平得到了显著改善。
步骤4、根据该管道201，209的走向设计，对该管道进行现场改造，现场改进时，依据低温再热器出口集箱的材料制定该管道的焊缝焊接工艺，控制热处理温度，以消除焊接时产生的残余应力。
Claims (3)
1.一种低温再热器出口集箱管屏结构改进方法，其特征是包括以下步骤：
步骤一、根据锅炉设备的运行要求确定低温再热器出口集箱管屏结构的疲劳允许应力；
步骤二、通过有限元模型对低温再热器出口集箱管屏的结构进行有限元分析，计算管屏中各管道的应力分布，并判断是否存在超出所述疲劳允许应力的应力；
步骤三、如果存在超出疲劳允许应力的应力，则选取管屏中超出疲劳允许应力所在的管道，建立优化模型对该管道的走向进行优化设计，使得疲劳允许应力与该管道的最大应力之差最小，以满足锅炉设备的运行要求；
步骤四、根据该管道的走向设计，对该管道进行现场改造。
2.根据权利要求1所述的低温再热器出口集箱管屏结构改进方法，其特征是所述改进是调整高应力区域的管道走向和弯头的数量、形状尺寸和位置。
3.根据权利要求1所述的低温再热器出口集箱管屏结构改进方法，其特征是所述现场改造时，依据低温再热器出口集箱的材料制定该管道的焊缝焊接工艺，控制热处理温度，以消除焊接时产生的残余应力。
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