300MW锅炉汽包应力分析与裂纹计算

摘要

随着电网容量增大和用电结构的变化，电网峰谷差日益增加，一大批高参数、大容量的火力发电机组不得不参加变负荷甚至启停调峰运行。参与调峰的机组里面特别是高参数、大容量的锅炉汽包直径和壁厚都比较大，在机组启停和变负荷过程中，尤其是机组事故情况下，较快的升压、降压速度和温度变化会使汽包材料所承受的机械应力和热应力发生很大的变化，而频繁交变的机械应力和热应力将使金属材料产生的疲劳损伤增大，缩短锅炉汽包的使用寿命。为此，人们高度重视并积极开展了锅炉汽包的相关研究工作。其中，计算锅炉汽包的瞬态温度场和瞬态应力场分布，以及在此基础上进行汽包裂纹的扩展计算与预测，对于确保汽包的安全运行具有直接的指导意义。 本文以株洲电厂300MW锅炉汽包作为研究对象，在获得试验数据的基础上，对该汽包的瞬态温度场、瞬态应力场、强度计算和裂纹扩展预测等方面开展了多学科的交叉研究。文章主要从以下几个方面进行了探讨。 首先，本文建立了含下降管和封头的锅炉汽包的整体计算模型，并计算了汽包吊带和自重对汽包应力的影响。通过对计算结果进行对比分析以后确定了汽包的计算模型，然后利用采集的数据作为计算的边界条件，采用三维有限元理论，运用国际通用大型温度场、结构分析软件ANSYS，计算了该模型下汽包的瞬态温度场、热应力、机械应力、总应力(热和机械的耦合应力)。 其次，通过对计算结果的分析，找出了汽包应力最大值的位置，求出了危险点机械应力和总应力与蒸汽匝力的比例关系，并对各工况的应力进行了综合比较。 论文最后运用ANSYS计算的σeqv并结合断裂力学的半椭圆形表面裂纹公式和COD法计算了危险区域不同长度裂纹的断裂强度因子随时间的变化，并根据材料的断裂韧性确定了裂纹的临界尺寸。 本文创新点为：以现场试验数据和事故情况采集的数据作为汽包应力、裂纹计算的基础，特别是对汽包温度进行了准确测量，把汽包水位的变化也加以一并考虑，避免了以往因数学模型的边界条件失真而带来的计算结果的欠准确性；首次采用节点耦合模型计算了吊带对锅炉汽包机械应力和热应力的影响；计算了汽包运行时的温度场、应力场以及它们的变化规律；计算了汽包最危险点位置的总应力以及该点不同长度裂纹的年扩展量，并根据材料的断裂韧性确定了裂纹的临界尺寸，为汽包安全性周期检验和汽包出现裂纹后的处理提供了非常重要的指导意义。

目录

文摘

英文文摘

第1章引 言

1.1课题背景

1.2文献综述

1.2.1关于锅炉汽包温度场

1.2.2关于锅炉汽包应力场

1.2.3关于锅炉汽包裂纹

1.3本文工作

1.3.1汽包吊带与重力对应力的影响分析

1.3.2锅炉汽包瞬态温度场分析

1.3.3锅炉汽包瞬态应力场分析

1.3.4锅炉汽包裂纹分析

第2章锅炉汽包模型的力学分析

2.1汽包圆筒的力学理论

2.1.1带小孔平板受拉伸时的应力状态

2.1.2应力集中现象

2.1.3容器开孔问题

2.1.4内压作用下汽包圆筒的应力状态

2.2汽包压力容器失效准则

2.3汽包圆筒的热应力分析

2.3.1热应力问题的有限元方法

2.3.2汽包圆筒热应力的解析解

本章小节

第3章锅炉汽包的建模与瞬态温度场分析

3.1锅炉汽包的计算模型

3.1.1模型的简化

3.1.2考虑吊带模型

3.1.3不考虑吊带模型

3.2锅炉汽包的瞬态温度场分析

3.2.1锅炉汽包初始条件和边界条件的计算

3.2.2锅炉汽包瞬态温度场的ANSYS计算

3.2.3锅炉汽包瞬态温度场的计算结果与分析

本章小节

第4章锅炉汽包的瞬态应力场分析

4.1锅炉汽包的瞬态热应力分析

4.1.1瞬态热应力的ANSYS计算

4.1.2瞬态热应力的ANSYS计算结果分析

4.2锅炉汽包的瞬态机械应力分析

4.3锅炉汽包的瞬态总应力分析

4.4汽包各种工况的瞬态应力分析

本章小节

第5章锅炉汽包的裂纹分析及结构改进

5.1应力场强度因子断裂理论

5.1.1 I型裂纹应力场强度因子KI及其断裂韧性KIC

5.2 COD理论和J积分理论

5.2.1 COD定义及COD判据

5.2.2 J积分理论

5.3锅炉汽包裂纹失效判据

5.4锅炉汽包裂纹年扩展量计算理论

5.5汽包裂纹计算

5.5.1汽包裂纹临界尺寸的计算

5.5.2汽包裂纹年扩展量的计算

5.6汽包结构改进

本章小节

第6章结论与展望

致 谢

参考文献

攻读硕士学位期间参加的科研项目和发表的论文