摘要：针对超（超）临界大型锅炉承压部件泄漏后可能造成较大的危害，设备可靠性要求进一步提高，本文提出对设备的有限元分析方法，并通过分析寻找其薄弱环节，做好针对性检查维护，及时消除隐患，同时加以改进，防止出现泄漏爆管，造成机组非停或伤人事件。
关键词：有限元分析、承压部件、失效分析、超超临界锅炉
ABSTRACT: In view of the potential hazards caused by the leakage of pressure components of large ultra (ultra) critical boiler and the further improvement of equipment reliability requirements, this paper presents a finite element analysis method for equipment, and finds out its weak links through analysis, so as to do a good job of targeted inspection and maintenance , eliminate hidden dangers in time, and improve it to prevent leakage and tube bursting, Unit non-stop or injury incidents.
Key words: finite element analysis, pressure components, failure analysis, ultra-supercritical boiler
1.前言
目前，电厂机组装机容量为越越大，基本为超临界或超超临界机组，温度高、压力大，要求电厂承压部件的有更高的安全可靠性，且随着运行时间的越长，泄漏爆管的事件越多。除了要加强运行安全操作，检修的现场检查维护，加强设备的分析是不可缺少的一个环节。本文就对一些温度变化、非常规结构特征的承压部件进行分析，再进行现场检测，发现问题，有较好的针对性。
2.分析方法
分析承压部件可靠性，就是要分析对承压部件所能产生的力、持续时间、次数，再根据材料及结构特性，判断承压部件的可能失效方式，是塑性断裂还是疲劳断裂，特别是疲劳断裂，缺乏相关的数据，只能靠感觉和经验，不利于科学的分析。
有限元分析方法，首先要熟悉设备结构及运行状态，然后识别特征区域，一是结构特征异常，如突变，大小头、鳍片末端等区域，二是不同材料在一起的承压部件，如不同材料之间的焊接；三是温度差异的区域；其次对特征区域进行建模，确立边界条件，分析其受力情况；最后根据失效准则，进行评判，预测其失效方式及时间。
3.部件分析
本文以某厂超超临界锅炉为例，举例对减温器内件结构、水冷壁管与水封挂板焊接、水冷壁管与水平烟道包墙管鳍片末端为例进行分析。
3.1.减温器内套筒销钉焊接
3.1.1.减温器内套筒销钉结构及工作状态
再热器管段规格Ф711.2×32，材质12Cr1MoV；混合管尺寸Ф623.2×8，材质12Cr1MoVG；设计温度：528℃；最大允许工作压力：6.3MPa；如图1：
图1：减温器剖视图
固定销钉焊接至圆弧板上，圆弧板在焊接在减温器筒体上。固定共2个，水平均布。其中一销钉因结构原因，只能焊接前半部分。结构如图2：
图2：减温器固定销钉焊接图
3.1.2.受力分析
对减温器固定销钉采用SolidworKs simulation分析。固定销钉1为前半部全焊接。
图3：固定销钉1（前半部分焊）应力分布
固定销钉1（前半部分焊）应力结果分析：应力最大在焊缝与销钉焊接边界两侧及中间，应力大约248MPa。
3.1.3.状态评估及改进
应力最大在焊缝与销钉焊接边界两侧及中间，中间前侧为高应力水平。运行大概6万小时出现断裂（如图4）。断口表面，出现贝壳纹特征，符合疲劳断裂特征，与分析吻合。
图4：销钉断裂断面图
改进意见是减温器开孔固定方式，同时增加销钉的数量和直径，避免单个销钉受力过大。更换销钉后材质保持不变，具体结构（图5）如下：
图5：销钉改进布置结构图
3.2.水冷壁与挡水帘挂板焊接
3.2.1.水冷壁与挡水帘挂板结构及工作状态
水冷壁管及水封挂板材料规格及工作情况如下：
图6：水冷壁管-水封挂板温度场
图7：水冷壁管-水封挂板受力分析
图8：水冷壁管焊缝末端开裂
3.2.2.热力分析及受力分析
首先进行热力分析，得出此结构的温度场（如图7），将将温度场代入受力分析，发现水冷壁与水封挂板焊接末端应力水平较高（如图7），应加强检查。
3.2.3.状态评估及改进建议
对运行7万小时的水冷壁挂板与水冷壁焊接末端进行检查，发现水冷壁管裂纹（如图8），及时安排处理，消除裂纹缺陷，防止锅炉非停。同时对此结构进行改进，将水封挂板焊接至水冷壁鳍片上，避免与水冷壁管焊接，提高设备可靠性。建议承压管件不宜与不同材质直接焊接，特别是与不锈钢焊接，容量拉裂管子。
3.3.水冷壁与水平烟道包墙管鳍片末端
水冷壁管与过热器材料、规格及工作温度如下表：
图9：水冷壁水平烟道包墙-过热器水平烟道包墙管鳍片末端
图10：水冷壁水平烟道包墙-过热器水平烟道包墙管温度场
图11：水冷壁水平烟道包墙-过热器水平烟道包墙管温鳍片受力分析
结构图（图9），两根管子，虽然材质相同，但是运行中介质温度不同，特别是在锅炉启停阶段，温差更大。
3.3.1.热力分析及受力分析
首先进行热力分析，得出此结构的温度场，将将温度场代入受力分析，发现水冷壁管与过热器包墙管鳍片焊接末端应力水平较高（如图10）。
3.3.2.状态评估及改进建议
从现场检查，发现此处有裂纹（如图12）。此处应力较大，建议在此处对鳍片进行圆弧过渡，并定期检查。
图12：鳍片裂纹
4.结论及建议
为提高设备可靠性，通过对设备的运行状态应进行分析，寻找其薄弱环节，在检修维护中做好针对性检查维护，及时消除隐患，或再加以改进，防止出现泄漏爆管，造成机组非停或伤人事件。
通过此分析方法，还分析了在高温管座、储水罐顶部支吊处等复杂结构，发现应力较高处，并进行针对性检查，及时发现问题，消除隐患。同时通过此分析方法，改进不合理结构，降低部件应力水平，防止出现裂纹，了解设备的运行状态，提高设备部使用寿命，对同类型机组有一定的参考借鉴意义。
作者简介：廖伟辉，男，热能动力高级工程师，从事锅炉管理工作。
论文作者:廖伟辉
论文发表刊物:《电力设备》2019年第8期
论文发表时间:2019/9/19
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