火电厂主蒸汽管道的应力分析和寿命评估

摘要

火力发电厂中锅炉的主蒸汽管道受主蒸汽高温高压的影响，长期在高温引起的温度载荷和高压引起的压力载荷下工作，其失效形式主要有疲劳失效，蠕变失效以及疲劳蠕变交互作用下引起的管道材料失效。一般情况下，电厂锅炉高温金属部件的设计寿命在30年或者20万小时左右，国内某电厂2号机组自运行以来，机组累计运行已超20万小时。本文以国内某电厂主蒸汽管道为研究对象，对其进行应力分析和寿命评估，对电厂的安全运行有重要的参考价值。
　　本文基于CAESARII模拟了国内某电厂主蒸汽管的管道布置情况，并进行应力校核，对CAESARⅡ建立管道模型的过程和注意事项进行了详细描述，校核了主蒸汽管道的一次应力和二次应力，并找出了最大三维应力的位置。
　　本文选取国内某电厂主蒸汽管道三维应力最大处的弯头为研究对象，建立了其瞬态温度场、应力场的数学模型和有限元模型。通过建立弯头的几何模型，划分网格，根据主蒸汽管道弯头在机组启动时的设计参数（包括温度时间变化规律和压力时间变化规律）施加边界条件等步骤，计算了弯头的不同时刻的温度场和应力场。得到了弯头的不同时刻温度场分布，温度随时间变化规律，温度梯度分布规律和温度梯度随时间变化规律。计算得出了不同时刻机械应力场的分布云图和机械应力-时间变化曲线以及机械应力与蒸汽压力之间的对应关系。得到了弯头所受热应力的分布云图和热应力-时间变化曲线。模拟了主蒸汽管道弯头在温度和压力两种载荷同时作用下的总应力场，得到了总应力不同时刻的分布云图和总应力-时间变化曲线，找到了总应力最大值的位置，为主蒸汽管道的寿命评估提供了参考依据。
　　文章介绍了主蒸汽管道的三种主要失效形式，即疲劳失效、蠕变失效以及疲劳蠕变交互作用引起的失效以及三种失效形式下的寿命评估方法;考虑主蒸汽管道在机组稳定运行时失效主要由高温蠕变引起，利用高温蠕变的寿命评估方法对管道材料进行寿命评估。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．1．1 课题的研究背景

1．1．2 课题的研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国内外管道应力的研究

1．2．2 主蒸汽管道寿命评估研究现状

1．3 本论文的工作内容

第2章 管道应力分析相关理论

2．1 管道系统应力分析理论

2．1．1 管道系统应力分析的有关内容

2．1．2 管道所受应力分类

2．2 管道弯头应力分析相关理论

2．2．1 热应力

2．2．2 机械应力

2．3 本章小结

第3章 主蒸汽管道的管系应力分析

3．1 CAESARⅡ管道应力分析软件简介

3．1．1 CAESARⅡ软件的优缺点

3．1．2 CAESARⅡ应力分析方法

3．2 主蒸汽管道的建模

3．3 主蒸汽管系应力的计算

3．3．1 静力计算所需要输入的相关数据

3．3．2 CAESARⅡ输出文件工况的组合

3．3．3 静力计算结果和分析

3．4 本章小结

第4章 主蒸汽管道弯头温度场的数值模拟

4．1 有限元理论

4．1．1 温度场数学模型

4．2 瞬态温度场分析

4．2．1 研究对象

4．2．2 建立几何模型

4．2．3 网格划分

4．2．4 施加载荷

4．2．5 启动过程中蒸汽管道弯头的瞬态温度场结果

4．3 本章小结

第5章 主蒸汽管道弯头应力分析

5．1 机械应力分析基础

5．1．1 机械应力场数值模拟分析

5．1．2 机械应力计算模型

5．1．3 结果分析

5．2 热应力场分析

5．2．1 热应力场分析计算模型

5．2．2 结果分析

5．3 总应力场分析

5．3．1 有限元模型

5．3．2 结果分析

5．4 本章小结

第6章 主蒸汽管道的蠕变寿命评估

6．1 主蒸汽管道的主要失效形式

6．1．1 疲劳失效

6．1．2 蠕变失效

6．1．3 蠕变—疲劳交互作用失效

6．2 主蒸汽管道的寿命分析方法

6．2．1 疲劳寿命分析

6．2．2 蠕变寿命分析

6．2．3 蠕变—疲劳寿命分析

6．3 主蒸汽管道的寿命评估

6．3．1 等温线外推法

6．3．2 时间—温度外推法

6．4 本章小结

第7章 结论与展望

7．1 结论

7．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

致谢