多工况条件下发电厂高压加热器应力分析与安全性研究

论文摘要

某大型电厂一台高压加热器筒体环焊缝下部位置自2001年2月以来多次发生泄漏，严重影响了电厂的安全生产，该电厂与其类似的泄漏事故也时有发生。分析泄漏的原因和防止措施已成为电厂安全生产的急需。本文通过试验测定和有限元模拟等研究，分析了该高压加热器的温度和应力变化情况，并对加热器的疲劳寿命与安全性进行了分析评估。本文主要研究内容和取得的成果如下：(1)通过在筒体外壁布置的热电偶测量和有限元模拟方法，对该高压加热器筒体泄漏部位截面附近的温度分布和变化规律进行了研究。测量和模拟计算结果表明，在所研究的筒体横截面上左右温度不对称，汽液交界面附近的温度分布不均匀，说明包壳存在蒸汽内泄漏，冷凝液的温度与蒸汽温度有一定的差值，使汽液交界面附近的筒体壁温存在明显的波动。(2)用高温应变片测量了筒体泄漏部位截面附近的应力分布。用有限元方法对不同工况(包括存在蒸汽内泄漏和不存在蒸汽内泄漏)下加热器筒体的应力场进行了分析计算。测量和模拟计算结果表明，7点钟位置存在最大交变应力幅，实测的交变应力幅为34MPa，对应模拟计算值为35MPa。若包壳内泄漏增大引起7点钟位置上面蒸汽的温度升至300℃，模拟计算所得的最大交变应力幅将升至52MPa。(3)在温度与应力的测量分析和焊缝区材料性能试验测定的基础上，对该高压加热器筒体泄漏的原因和疲劳寿命进行了分析和评估。包壳处蒸汽内泄漏、温度分布不均且交变产生较大的交变应力，引起疲劳裂纹扩展。按JB4732和GB／T19624对该高压加热器进行寿命评估。如果筒体无缺陷，则疲劳寿命将远高于10~6次循环，假设筒体中存在深1mm、长4mm的内表面缺陷，疲劳寿命经计算为1.37×10~6次循环，相当于41.5年；若筒体中存在深2mm、长8mm的内表面缺陷，疲劳寿命则为0.69×10~6次循环，相当于20.9年。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 某电厂#2机组#3高压加热器设备简介与泄漏情况
• 1.2.1 设备简介
• 1.2.2 泄漏情况
• 1.3 国内外研究进展
• 1.3.1 高压加热器泄漏原因分析
• 1.3.2 防止高压加热器泄漏的措施
• 1.3.3 压力容器应力分析现状
• 1.3.4 有限元法的应用
• 1.3.5 压力容器缺陷评定技术介绍
• 1.4 本文主要研究内容
• 第二章 加热器温度场测量研究
• 2.1 测量目的
• 2.2 温度测量点分布情况
• 2.3 温度测量方法
• 2.4 温度测量记录
• 2.5 结果与讨论
• 2.6 小结
• 第三章 加热器应力场测量研究
• 3.1 测量目的
• 3.2 应力测量点分布情况
• 3.3 应力测量方法
• 3.4 应变值与应力值的换算
• 3.5 测量记录——换算成应力
• 3.6 结果与讨论
• 3.7 小结
• 第四章 有限元模拟计算与分析
• 4.1 目的
• 4.2 壳体有限元模型的建立
• 4.2.1 几何模型与网格划分
• 4.2.2 边界条件设定
• 4.2.3 载荷条件
• 4.3 计算结果
• 4.3.1 热分析结果
• 4.3.2 受力分析
• 4.4 结果分析与比较
• 4.4.1 截面上实测温度与计算温度的对比
• 4.4.2 截面上实测应力与计算应力的对比
• 4.4.3 包壳的泄漏引起5区域中蒸汽温度升高对轴向应力的影响
• 4.4.4 不同液位下，轴向应力的分布情况
• 4.5 小结
• 第五章 #3高压加热器材料的力学性能试验研究
• 5.1 目的
• 5.2 材料的型号与化学成份
• 5.3 常温、高温的拉伸试验
• 5.3.1 试验试样
• 5.3.2 试验设备
• 5.3.3 试验过程
• 5.3.4 试验结果
• 5.3.5 试验值与ASME标准值的比较
• 5.4 疲劳裂纹扩展试验
• 5.4.1 试验试样
• 5.4.2 试验设备
• 5.4.3 预制疲劳裂纹参数
• 5.4.4 疲劳裂纹扩展速率试验中的试验条件
• 5.4.5 疲劳裂纹扩展速率测试结果的处理和计算
• 5.5 da/dN比较
• 5.6 小结
• 第六章 #3高压加热器的安全性分析
• 6.1 目的
• 6.2 按JB/T4732－1995的疲劳分析
• 6.2.1 温度波动
• 6.2.2 最大交变应力幅
• 6.2.3 疲劳评定
• 6.3 按GB/T19624－2004的疲劳分析
• 6.3.1 裂纹尺寸
• 6.3.2 疲劳载荷
• 6.3.3 临界裂纹尺寸
• 6.3.4 疲劳寿命估算
• 第七章 结论与建议
• 7.1 结论
• 7.2 建议
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文和参与科研项目