Page 89 - 理化检验-物理分册2022年第六期
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张赞赞, 等: 超高压锅炉再热器集箱及疏水孔内壁裂纹形成原因
表 2 裂纹内部黑色填充物能谱分析结果 % 采用二维模型、 能量方程、 标准k-ε 湍流模型、
质量分数 mixture两相流模型、 蒸发冷凝模型等来模拟疏水
分析位置
O Cr Fe
管内存水的蒸发过程, 设置第一相为水蒸气, 第二相
图 8a ) 能谱 1 30.56 1.46 67.98
为水。
图 8b ) 能谱 1 41.10 - 58.90
几何尺寸及网格划分: 流体域几何尺寸与管道实
2 有限元分析 际尺寸一致, 热段管道内径为379mm , 疏水管内径为
根据前期的分析结果, 对产生裂纹的位置及裂 24mm , 网格划分采用自适应网格, 边界层划分为5层,
纹分布情况进行初步判断, 得出疏水管内的冷凝水 划分网格数共97464个单元, 99201个节点。
回流导 致 裂 纹 产 生。一 次 阀 内 的 疏 水 管 形 成 “ 盲 进口 采 用 压 力 进 口 边 界 条 件, 介 质 为 压 力
管”,“ 盲管” 远端的温度较低, 蒸汽冷凝成水, 当再热 3.6MPa 、 温度 470 ℃ 的水蒸气, 第一相体积分数为
器集箱内的蒸汽温度低于饱和蒸汽温度时, 冷凝水 100% , 出口采用压力出口边界条件, 热段管道壁面
为绝热边界, 疏水管壁面对流换热系数由大空间自
就会回流。
为了从理论上分析冷凝水回流时的温度场变化 然对流换热努赛尔数经验关联式计算获得; 同时将
及影响范围, 利用 Fluent软件按实际工况对再热器 疏水管下部区域初始化为第二相体积分数为 100%
集箱及疏水管进行建模, 对管内水的流动情况进行 的水空间, 水位线距管口 400 mm 。冷凝水回流有
有限元分析。 限元分析结果如图 9 所示。
图 9 冷凝水回流有限元分析结果
由图 9 可知: 冷凝水回流至管口和水蒸气体积 口上有疲劳弧线和疲劳台阶( 又称为疲劳勾线), 或
分数变化说明蒸发的混合物沿介质方向流出, 且贴 者微观断口上有疲劳条带, 就可以判定该断口为疲
近壁面[ 见图 9a )]; 管口附近的温度下降明显[ 见图 劳断口。图 10 为裂纹表面的微观形貌, 由图 10 可
9b )], 产生热应力, 经多次重复后易出现热疲劳。 以看出: 裂纹表面存在疲劳条带, 与分析结果吻合。
疲劳失效是最危险的失效形式之一, 构件在疲劳失
3 综合分析
效时一般没有宏观塑性变形, 可能造成灾难性后果。
实际温度测量数据证明了较长的盲管在一定条
件下会产生冷凝水 [ 6 ] 。研究表明, 即使压差波动很 4 结语和改进措施
小, 疏水管内的冷凝水也会部分蒸发回流到再热器 ( 1 )疏水管及疏水方式设置不合理, 管内蓄积
集箱。李勇军等 [ 7 ] 的研究表明, 疏水管中的冷凝水 大量冷凝水, 加上机组启停、 负荷波动导致疏水管内
在机组负荷变化时会回流, 母管疏水口附近的内表 冷凝水回流。再热器集箱疏水孔及内壁被强制冷
面被反复强制冷却, 形成较大的周期性热应力。 却, 承受了较大的交变应力。
该机组运行时间已经达到 7×10 h , 作为局域 ( 2 )调峰机组启停频繁、 负荷波动剧烈等特殊
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网的调峰机组, 该机组启停次数相对较多, 负荷波动 工况加速了热疲劳失效的进程。
较频繁, 冷凝水周期性回流, 在疏水孔及集箱内壁表 ( 3 )建议对发现疲劳裂纹的管段进行更换, 不
面形成周期性冷热交替, 部分集箱内壁表面形成海 能更换管段的集箱应整体更换。
滩状疲劳条带, 疏水孔内壁形成放射状裂纹。随着 ( 4 )建议对疏水系统进行改进, 改为连续疏水
时间的推移, 内表面的裂纹贯穿管壁。如果宏观断 或者将阀门的位置前移到疏水管座附近。
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