CN106768562A - 一种锅炉水冷壁残余应力评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种锅炉水冷壁残余应力评估方法，它包括以下步骤：（a）在水冷壁管屏上布置多个残余应力测试点；（b）在所述残余应力测试点进行钻孔，随后在孔周围的区域上粘贴三个应变片使其相互之间形成夹角，测量水冷壁管屏的应力释放系数A和应力释放系数B；（2‑9）；式中，为钻孔后应变片的释放应变，为钻孔后应变片的释放应变，为轴向施加应力；（c）计算钻孔后测试点的应力状态；（2‑8）；式中，为钻孔后应变片的释放应变，为主应力方向与轴向的夹角。通过用小孔释放法测试残余应力，对锅炉水冷壁在安装、调试及投运初期的应力分布状况进行试验研究。

Description

一种锅炉水冷壁残余应力评估方法

技术领域

本发明属于锅炉水冷壁技术领域，具体涉及一种锅炉水冷壁残余应力评估方法。

背景技术

能源是国民经济赖以生存和发展的基础。随着世界经济的迅速发展，各国对能源的需求越来越大，能源短缺已成为制约经济持续快速发展的重要因素，已被列为世界性的三大问题之一。为有效解决能源短缺,能源利用效率的提升成为解决思路之一，为了实现能源利用效率的提升，火力发电持续向高参数、高容量发展。

1000MW超超临界塔式锅炉正是迎合这一技术发展潮流而出现的，然而，2010年国内第一批国产超超临界塔式锅炉相继投产后，相继发生水冷壁T23安装焊口早期频繁开裂泄漏，导致异常停机频繁，造成了巨大的经济损失。锅炉水冷壁本身存在着结构尺寸大，拘束度高等特点，随着机组参数和容量的提高，超超临界塔式锅炉水冷壁水冷壁材料也从原先的碳钢和低合金钢向以T23为代表的中高合金钢发展。材料等级的提高，使得水冷壁在安装过程中的焊接难度提高，同时对于亚临界锅炉水冷壁材料相对影响并不突出的应力分布及应力集中等问题，在超超临界塔式锅炉水冷壁的安装与运行过程中，其对锅炉可靠运行的影响凸现出来。残余应力是指没有外部因素作用时存在于构件内部并自相平衡的应力，又称初应力。金属构件焊接时在焊件上产生不均匀温度场，这种温度场在绝大多数情况下是非线性分布的。不均匀温度场使材料不均匀膨胀，处于高温区域的材料在加热过程中的膨胀量大，受到周围温度较低、膨胀量较小的材料的限制而不能自由地进行，于是焊件中出现内应力，使高温区的材料受到挤压，产生局部压缩塑性应变。在冷却过程中，已经经受压缩塑性应变的材料，由于不能自由收缩而受到拉伸，于是焊件中又出现一个与焊接加热时方向大致相反的内应力场。因此，为有效防治超超临界塔式锅炉水冷壁焊口早期频繁开裂失效，必须对超超临界塔式锅炉水冷壁安装和运行初期的水冷壁应力进行分析与研究，摸清超超临界塔式锅炉水冷壁应力分布规律，并针对性采取相应的技术措施，改善水冷壁应力分析状况。

发明内容

本发明目的是为了克服现有技术的不足而提供一种锅炉水冷壁残余应力评估方法。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种锅炉水冷壁残余应力评估方法，它包括以下步骤：

(a)在水冷壁管屏上布置多个残余应力测试点；

(b)在所述残余应力测试点进行钻孔，随后在孔周围的区域上粘贴三个应变片使其相互之间形成夹角，测量水冷壁管屏的应力释放系数A和应力释放系数B；

式中，ε₁为钻孔后应变片R₁的释放应变，ε₂为钻孔后应变片R₂的释放应变，σ为轴向施加应力；

(c)计算钻孔后测试点的应力状态；

式中，ε₃为钻孔后应变片R₃的释放应变，θ为主应力σ₁方向与R₁轴向的夹角。

优化地，所述步骤(b)中，采用三个高度可调节的制作安装在水冷壁管屏上，确保钻孔时钻杆垂直于被测表面。

进一步地，所述步骤(b)中，钻孔时先用略大于钻孔直径的端面铣刀插入导向套筒轻轻转动，将孔径部位的基底挖去；再用小直径短柄麻花钻钻中心孔，钻速应较低以减小切削引起的附加应变；最后用同孔径的麻花钻轻轻扩孔，孔深由塞块控制。

优化地，它还包括步骤(d)对锅炉水冷壁管屏应力分布规律数值进行仿真分析。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：本发明锅炉水冷壁残余应力评估方法，通过用小孔释放法测试残余应力，对锅炉水冷壁在安装、调试及投运初期的应力分布状况进行试验研究，从而可以根据应力分布状况，为开应力释放槽改善水冷壁应力分布提供了较为充分的技术依据，并为对水冷壁安装和预防水冷壁安装焊口早期纵向开裂失效提供了重要技术依据和理论指导。

附图说明

图1为本发明锅炉水冷壁残余应力评估方法中钻孔装置的示意图；

图2为本发明锅炉水冷壁残余应力评估方法中残余应力测试的原理示意图；

图3为本发明锅炉水冷壁残余应力评估方法中采用的等参单元模拟结构图：(a)八结点六面体等参单元；(b)六结点五面体等参单元模拟结构。

具体实施方式

下面将对本发明优选实施方案进行详细说明。

本发明锅炉水冷壁残余应力评估方法，它包括以下步骤：

(a)在水冷壁管屏上布置多个残余应力测试点；以某公司扩建工程#5锅炉为例(由德国ALSTOM公司提供技术支持，上海锅炉厂有限公司设计、制造的SG-3098/27.56-M53X型超超临界直流锅炉)，为单炉膛、塔式布置，采用循环泵启动系统、一次中间再热、切圆燃烧方式、变压运行。锅炉采用平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构，设计燃用烟煤。锅炉以最大连续负荷(B-MCR)工况为设计参数，最大连续蒸发量3098T/H，过热器蒸汽出口压力为27.56Mpa、温度为605℃，再热器蒸汽出口温度为603℃，给水温度299.6℃。锅炉水冷壁管屏按SGBZ100-2006标准要求进行制造和现场安装。管子设计压力为32.01～32.21MPa，而管子工作压力为30.29～30.44Mpa，水冷壁最上部材质为12Cr1MoV+F23，中间集箱向下为F23+T23，30米层向下为15CrMo。管屏按要求分片成屏后，再在工程现场实施焊接拼装，并进行现场检测和验收。残余应力测试具体为：水冷壁管屏89.5米标高Y型三通位置应力测试、水冷壁管屏89.5米标高取样位置应力测试、水冷壁管70.5米标高炉左对接焊缝及89.5米Y型三通取样后应力测试、水冷壁管70.5米标高开应力释放槽试验、水冷壁管屏50米标高炉转角对接位置应力测试、调试期水冷壁应力测试以及运行初期水冷壁应力测试。

(b)在所述残余应力测试点进行钻孔(通常在每个测试点选择多个残余应力测点)，随后在孔周围的区域上粘贴三个应变片使其相互之间形成夹角，测量水冷壁管屏的应力释放系数A和应力释放系数B；

式中，ε₁为钻孔后应变片R₁的释放应变，ε₂为钻孔后应变片R₂的释放应变，σ为轴向施加应力；释放系数A、B与应变花几何尺寸，所测构件材料的E、μ等参数及钻孔直径d和孔深h等因素有关。因此，用于释放系数标定的试件材料与测残余应力的结构材料相同，试件经退火处理，不存在初始应力。通常在已知的应力场中测定A，B，采用均匀的单向拉伸应力场最为简便。将试件材料加工成拉伸试件，轴向施加应力σ，应变花中应变敏感栅R₁与轴向重合。测试残余应力的应变花采用中航电测仪器股份有限公司制造的BE120-2CA-K型专用应变花。钻孔装置如图1所示，三个支座可调节高度，以保证钻孔时钻杆垂直于被测表面。显微镜中十字线由四个微调螺丝调节，对准应变花孔中心标志后锁紧，显微镜对中的精度±0.025mm以内，取出显微镜筒，装入钻杆，用手电钻传动钻杆钻孔。钻孔时可先用略大于钻孔直径的端面铣刀插入导向套筒轻轻转动，将孔径部位的基底挖去，再用小直径短柄麻花钻钻中心孔，钻速应较低以减小切削引起的附加应变，最后用同孔径的麻花钻轻轻扩孔，孔深由塞块控制。

(c)计算钻孔后测试点的应力状态；

式中，ε₃为钻孔后应变片R₃的释放应变，θ为主应力σ₁方向与R₁轴向的夹角；

这是因为如果一块各向同性的平板中存在某一残余应力σ_R，如图2所示。若钻一小孔，孔边的径向应力下降为零，孔区附近应力将重新分布，由粘贴在该区域上的应变计感受其变化，该应力变化称为释放应力。应变计离孔边愈近，则感受的应变愈大，灵敏度也愈高。通常表面残余应力是平面应力状态，两个主应力和主方向角共三个未知数，要求用三个应变敏感栅组成的应变花进行测量，每个敏感栅的中心布置在同一半径上，对于通孔情况，采用极座标r，θ。钻孔前，P点(r，θ)的应力状态为：

钻孔后P点的应力状态为：

式中r，θ和P点极坐标，a为钻孔的半径。钻孔前后应力变化即释放应力为：

由广义虎克定律(平面应力状态)

求得释放应变ε_r(应变计方向)

当

则得ε_r＝A(σ₁+σ₂)+B(σ₁-σ₂)cos2θ (2-6)

式中主应力σ₁、σ₂和主方向角θ为三个未知数，需要用三个方程式联立求得，通常采用径向排列的三个不同角度敏感栅组成的应变花，如θ₁＝θ，θ₂＝θ+90°，θ₃＝θ+225°，若敏感栅及R₁，R₂及R₃所感受的释放应变为ε₁、ε₂、ε₃，代入上式有

由此三式解得

式中A，B称为释放系数，θ为主应力σ₁方向与R₁轴向的夹角。实际上，一般被测构件的厚度尺寸常比孔径大很多，因此常钻成盲孔。对于盲孔，采用三维有限元计算，得到孔边附近应力分布与通孔时的应力分布形式类似，应力释放系数只在数值上有差别，因此盲孔时的σ₁、σ₂与ε₁、ε₂、ε₃的关系仍可用上式的形式，只是A、B不能由上述所列公式求得，需用步骤(b)中的实验方法确定。

(d)对锅炉水冷壁管屏应力分布规律数值进行仿真分析，研究其工作应力分布规律,与同类机组多发失效模式进行相互验证,综合分析防止失效的措施。采用八结点六面体等参单元与六结点五面体等参单元模拟结构，其单元结点编号与局部坐标系如图3所示。

等参单元的位移模式为

坐标变换式为

这里，n为单元结点数；分别为单元内任意一点的坐标以及该点的位移；分别为单元结点坐标列阵与单元结点位移列阵； 分别为单元结点i的坐标和位移；为等参单元的形函数矩阵，Ni为单元插值形函数，对不同的单元形式其形函数也不相同，有

八结点六面体单元

六结点五面体单元

这里，ξ_i＝±1，η_i＝±1，ζ_i＝±1为单元结点的局部坐标。

单元中任意一点的应变ε＝[ε_x ε_y ε_z γ_xy γ_yz γ_zx]^T，用单元结点位移表示为

ε＝Bδ^e (5-5)其中，B＝[B₁ B₂ … B_n]_6×(3n)为单元应变矩阵，其子矩阵为

这里，形函数对整体坐标的偏导数可通过复合函数的求导法则转换为对局部坐标的偏导数，即

式中J为雅可比矩阵

利用等参单元的坐标变换式(2.2.2)可得雅可比矩阵的计算式为

单元中任意一点的应力σ＝[σ_x σ_y σ_z τ_xy τ_yz τ_zx]^T与该点的应变以及单元结点位移之间的关系为

σ＝Dε＝DBδ^e (5-10)

式中，D为应力应变关系矩阵。

这里，λ、G为拉密常数，它们用弹性常数E、μ表示为

利用虚功原理可得单元劲度矩阵为

写成分块形式

其中，各子矩阵为

上式一般采用高斯积分公式计算。

单元等效结点荷载列阵也可由虚功原理求得

式中，第一项为集中力P作用的等效结点荷载，由于集中力作用点通常取为结点，从而可以直接给出结点荷载，因此上式中第一项可以不必考虑。

第二项为分布体力p的等效结点荷载，有

第三项为分布面力的等效结点荷载，以ξ＝+1表面受分布压力为例，设该面上任一点的分布压力集度为方向余弦为l，m，n。则分布面力列阵为

代入式右端第三项，并将在ξ＝+1面内的面积分该为对局部坐标η，ζ的积分来表示，可得ξ＝+1表面分布压力的等效结点荷在列阵为

根据单元结点的平衡条件，将结构上各结点的平衡方程集合在一起，可得用有限元法求解结点位移的支配方程为：

[K]{δ}＝{R} (5-19)

其中，{δ}整体结点位移，是各单元结点位移的集合；{R}为整体结点荷载，可由各单元结点荷载组合而成；[K]为结构的整体劲度矩阵，可由各单元劲度矩阵组合而成。当求出了{δ}后，根据式(5-5)、(5-10)就可求出各单元任意点的位移、应变和应力，以整理成各种所需的成果。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种锅炉水冷壁残余应力评估方法，其特征在于，它包括以下步骤：

(a)在水冷壁管屏上布置多个残余应力测试点；

(b)在所述残余应力测试点进行钻孔，随后在孔周围的区域上粘贴三个应变片使其相互之间形成夹角，测量水冷壁管屏的应力释放系数A和应力释放系数B；

$A=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2}{2\mathrm{\σ}}$

$B=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2}{2\mathrm{\σ}}---(2-9);$

式中，ε₁为钻孔后应变片R₁的释放应变，ε₂为钻孔后应变片R₂的释放应变，σ为轴向施加应力；

(c)计算钻孔后测试点的应力状态；

$\begin{array}{c}{\mathrm{\σ}}_{1,2}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2}{4A}\±\frac{1}{4B}\sqrt{{\left({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2\right)}^2+{\[2{\mathrm{\ϵ}}_3-\left({\mathrm{\ϵ}}_1+{\mathrm{\ϵ}}_2\right)\]}^2}\\ tg2\mathrm{\θ}=\frac{2{\mathrm{\ϵ}}_3-{\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2}{{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_1}\end{array}---\left(2-8\right);$

式中，ε₃为钻孔后应变片R₃的释放应变，θ为主应力σ₁方向与R₁轴向的夹角。

2.根据权利要求1所述的锅炉水冷壁残余应力评估方法，其特征在于：所述步骤(b)中，采用三个高度可调节的制作安装在水冷壁管屏上，确保钻孔时钻杆垂直于被测表面。

3.根据权利要求2所述的锅炉水冷壁残余应力评估方法，其特征在于：所述步骤(b)中，钻孔时先用略大于钻孔直径的端面铣刀插入导向套筒轻轻转动，将孔径部位的基底挖去；再用小直径短柄麻花钻钻中心孔，钻速应较低以减小切削引起的附加应变；最后用同孔径的麻花钻轻轻扩孔，孔深由塞块控制。

4.根据权利要求1所述的锅炉水冷壁残余应力评估方法，其特征在于：它还包括步骤(d)对锅炉水冷壁管屏应力分布规律数值进行仿真分析。