喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請(qǐng)放心下載，，有疑問(wèn)咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請(qǐng)放心下載，，有疑問(wèn)咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 余熱回收鍋爐設(shè)計(jì)過(guò)程中熱約束的考慮 R. Caligiuri, J. Foulds* , R. Sire, S. Andrew Exponent Failure Analysis Associates, 149 Commonwealth Drive, Menlo Park, CA 94025, USA 2005年9月23號(hào)收到，2005年10月8號(hào)收入，2006年2月9號(hào)有效性入網(wǎng) 摘要 熱回收鍋爐設(shè)計(jì)通常符合ASME標(biāo)準(zhǔn)和壓力容器規(guī)范規(guī)則，見(jiàn)電力鍋爐第一節(jié)。然而非直接火焰加熱容器設(shè)計(jì)規(guī)則是ASME標(biāo)準(zhǔn)的第八節(jié)，標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)進(jìn)行改進(jìn)，使適應(yīng)容器的范圍更大和加載條件范圍也更大（包括系統(tǒng)熱負(fù)荷），第一部分的編排仍然是經(jīng)典而簡(jiǎn)單，只對(duì)主加載（主要的壓力）制定明確的規(guī)則?？偟膩?lái)說(shuō)，結(jié)合鍋爐制造廠經(jīng)驗(yàn)和ASME標(biāo)準(zhǔn)的第一部分可以做成一個(gè)很棒的鍋爐。但是，從傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)出發(fā)，雖然符合第一節(jié)明確的規(guī)則，但是肯定會(huì)在早期就失敗了。摘要中就描述了一個(gè)這樣設(shè)計(jì)的硬木牛皮紙漿廠的余熱回收鍋爐，因系統(tǒng)溫度應(yīng)力引起在過(guò)熱器中的管與管接頭焊縫溫度變高，導(dǎo)致焊腳裂紋和早期管泄漏。設(shè)計(jì)的有限元應(yīng)力分析表明，熱應(yīng)力是由于焊接帶的熱約束超過(guò)了材料的屈服強(qiáng)度，并且超過(guò)了設(shè)計(jì)規(guī)定的可以接受的等級(jí)。該分析強(qiáng)調(diào)需要考慮熱約束的影響，否則難以達(dá)到鍋爐基本規(guī)范要求的設(shè)計(jì)效果。 關(guān)鍵詞:熱回收鍋爐;焊接帶；過(guò)熱器;熱約束;設(shè)計(jì) 第一章 介紹和背景 熱回收鍋爐被用在很多過(guò)程中，其中包括燃燒過(guò)程和生產(chǎn)余熱過(guò)程。以燃?xì)廨啓C(jī)為基礎(chǔ)的聯(lián)合循環(huán)發(fā)電廠代表一個(gè)相對(duì)較新的形式，熱回收鍋爐廣泛使用（通常被稱為熱回收蒸汽發(fā)生器或余熱鍋爐），在化學(xué)和工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程使用余熱鍋爐生產(chǎn)蒸汽或電力已經(jīng)存在了超過(guò)50年。牛皮紙漿廠建立了一個(gè)工業(yè)生產(chǎn)方法來(lái)利用余熱鍋爐。牛皮紙制漿廠余熱鍋爐是本文的主題，但是經(jīng)驗(yàn)適用于任何應(yīng)用鍋爐。 圖1余熱鍋爐的示意圖顯示了立式布置的過(guò)熱器，它是此研究的重點(diǎn) 圖1是一個(gè)余熱回收鍋爐的原理圖，用來(lái)回收燃燒生產(chǎn)黑液過(guò)程產(chǎn)生的熱量，是硬木硫酸鹽法制漿過(guò)程中的一部分，立式過(guò)熱器是本研究的重點(diǎn)，過(guò)熱器由三個(gè)部分組成分別被定義為低溫部分,中間溫度部分,和高溫部分。該鍋爐包括許多這樣的重復(fù)單元或元素，所有的單元都連接到同一個(gè)的接口。從大小來(lái)看，中間部分是大約43英尺（13.1米）高。 熱傳遞是用逆流的形式從低溫到中間部分再到平行流部分最后到高溫部分。每個(gè)部分由四個(gè)以蛇形回路方式排列的換熱管從入口排到出口處。圖2是中間部分管子安排的示意圖。也可以看到在原理圖中用水平線來(lái)表示管與管的焊接帶的位置。 在運(yùn)行18個(gè)月之后，過(guò)熱器換熱管發(fā)生泄漏。鍋爐停機(jī)檢查發(fā)現(xiàn)管子泄漏是由于管與管焊接的焊腳出現(xiàn)裂紋影響了管子的材質(zhì)，破壞了管子。中溫和高溫部分都出現(xiàn)了裂紋。圖3展示出清潔后的典型管束焊縫的放大圖和一個(gè)出現(xiàn)裂紋的管子焊接帶的徑相橫截面圖。 第二章 設(shè)計(jì)和性能要求 該立式過(guò)熱器是按照ASME規(guī)則和壓力容器規(guī)范設(shè)計(jì)的，第一部分：鍋爐動(dòng)力[1]（ASME 1）。過(guò)熱器的標(biāo)稱性能說(shuō)明如下：蒸汽入口（低溫部分）壓力和溫度分別為712psig(4.9MPa)，和505℉(263℃)1，蒸汽出口（高溫部分）壓力和溫度分別為為 630 psig(4.3MPa)和752℉(400℃)。蒸汽溫度梯度是理論上是在溫度分別和83(46℃),15℉(64℃)和117℉(65℃)時(shí)分別通過(guò)低溫，中溫和高溫部分，交叉通過(guò)中溫和高溫部分過(guò)程時(shí)伴隨蒸汽的減溫過(guò)程。 圖2. 部分中間過(guò)熱器的示意圖顯示了管子的排列方式，水平線表示焊接帶的位置。 大多數(shù)立式過(guò)熱器管子的標(biāo)稱外徑是2英寸（50.8 mm）。管壁的厚度有很多種，如0.165英寸(4.2 mm)，0.180英寸（4.6 mm），0.220英寸（5.6mm）。管子的材料是按照ASME-I有SA-192(碳錳鋼),SA-209(錳鉬)還有SA–213(T11)(鉻鉬鋼)。3英寸（76 mm）長(zhǎng)的管與管的焊接帶是用氣體保護(hù)金屬極弧焊焊接的。設(shè)計(jì)溫度在所有情況下為800℉（427℃）。首先考慮SA-192，這是在設(shè)計(jì)溫度中強(qiáng)度最低的材料，這個(gè)管子代表了大多數(shù)的管子，最小的屈服強(qiáng)度范圍是在室溫下壓應(yīng)力為26ksi(179MPa)到在溫度為800℉(427℃)時(shí)壓應(yīng)力為14.5ksi（100MPa)。在應(yīng)用ASME-I的許用應(yīng)力在800℉（427℃）時(shí)壓應(yīng)力為9ksi（62MPa）。 第三章 有限元應(yīng)力分析 首先進(jìn)行詳細(xì)的三維（3D）有限元（FE）的應(yīng)力分析，一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的二維（2D）彈性分析旨在量化壓力和溫度梯度對(duì)管壁的影響。二維分析不能指出任何跡象表明溫度梯度沿單獨(dú)的管的長(zhǎng)度的影響。應(yīng)力分析的結(jié)果和結(jié)論在中溫部分和高溫部分產(chǎn)生。 圖3.是一張清洗過(guò)的焊接帶的照片和一張焊接帶裂紋的徑相橫截面的照片 3.1局部二維分析 圖4說(shuō)明了有限元模型用于傳熱和應(yīng)力分析。對(duì)公稱管尺寸為外徑為2英寸（50.8mm）壁厚為0.165英寸（4.2mm）的管子進(jìn)行分析。利用ANSYS軟件進(jìn)行二維平面應(yīng)變分析[2]。假設(shè)條件為：內(nèi)部蒸汽 圖4焊接帶的二維應(yīng)力分析模型 壓力為630psig（4.3MPa）蒸汽溫度為700℉（371℃），煙氣溫度為1425℉(774℃)，煙氣側(cè)和蒸汽側(cè)的對(duì)流換熱系數(shù)分別為1.93E-05BTU/s/in2/℉(0.057KJ/s/m2/℃)和4.07E-04BTU/s/in2/℉(1.2KJ/s/m2/℃)。該系數(shù)采用Ref的計(jì)算方法。[3],輸入流體的的速度取決于設(shè)備的性能與規(guī)格。 分析表明在最大穿透梯度在5℉(3℃)時(shí)金屬的溫度在721℉(383℃)和739℉(393℃)之間變化。壓力分析的結(jié)果表明在管子焊接帶表面只有4ksi（27.6MP）的壓力，但是SAME-I中允許的低壓力是在溫度為800℉(427℃)時(shí)壓力為9ksi（62MP）。穿墻溫度梯度導(dǎo)致壓力在管子焊接表面產(chǎn)生壓縮力（由于管子外邊面溫度更高）。在最壞的情況下，溫度下降使張力在外表面，熱梯度的貢獻(xiàn)估計(jì)不超過(guò)0.5ksi（3.4MP）。實(shí)際上，壓力和熱梯度應(yīng)力決定了較低的工作溫度，增加了設(shè)計(jì)的顧慮。這個(gè)發(fā)現(xiàn)并不令人驚訝，直到鍋爐熱管的設(shè)計(jì)符合ASME-I中規(guī)定的設(shè)計(jì)預(yù)期可接受的壓應(yīng)力。三維分析試圖量化這種影響。 3.2全方位三維分析 全方位的三維分析被用來(lái)獲得整個(gè)換熱器的壓力等級(jí)，并且用來(lái)定位焊接帶的位置，展示整個(gè)系統(tǒng)的最高壓力。另外，有限元應(yīng)力分析程序[2]被應(yīng)用。參考圖2是整個(gè)模型的原理圖。該模型主要由管道和梁?jiǎn)卧M成。這個(gè)管子是用ANSYS規(guī)定的16號(hào)管件制成的模型，一個(gè)特定的梁?jiǎn)卧m用于建造管狀的幾何模型。U型彎頭制模采用ANSYS中彎曲的管道元件，類型18，焊接帶采用梁?jiǎn)卧?，類?。典型的焊點(diǎn)大小被用來(lái)計(jì)算梁的剖面幾何特性。在頂端，桁架桿元素，類型18，被用來(lái)模擬鍋爐頂部滲透現(xiàn)象。還有就是用來(lái)分配溫度,使模型可以自由的膨脹。雖然這里使用的元素是能夠描述出平面負(fù)載，但是對(duì)于實(shí)際情況這種形式的載荷被認(rèn)為是次要的，排除在分析之外。 全方位模型載荷包括壓力，靜負(fù)載，還有每根管子的溫度梯度線，在出口和入口處的金屬溫度相同，蒸汽溫度滿足性能規(guī)格。根據(jù)位置，蛇形管排列(圖2)導(dǎo)致相鄰管之間存在溫度差異。外循環(huán)位置一如預(yù)期存在最嚴(yán)重的管與管溫度梯度，分析發(fā)現(xiàn)了這個(gè)問(wèn)題。 輸出量的首要研究對(duì)象是焊接帶的力與力矩。這些力與力矩在焊接帶上作為三維模型的邊界，以獲得焊接帶周圍詳細(xì)的壓力分布。 3.3局部三維分析 局部三維分析（也可以使用ANSYS程序[2]）用于獲得在穿透應(yīng)力分布在焊接帶上的位置。環(huán)向應(yīng)力是重要的一個(gè)量，因?yàn)橹饕牧鸦较蚴谴怪庇诃h(huán)箍方向。 廣義方法用于局部分析的結(jié)果，可用于計(jì)算在任意的焊接帶位置的應(yīng)力，而不必對(duì)每個(gè)位置進(jìn)行重復(fù)的有限元分析。全方位分析力與力矩應(yīng)用于三管模型建立24個(gè)“廣義自由度”由圖5展示。 廣義的方法需要分析每一個(gè)獨(dú)立的自由度，方法是開放一個(gè)方向上的自由度而限制該位置所有其他方向上的廣義自由度 圖5 三管模型顯示了廣義的自由度應(yīng)用在力與力矩上來(lái)自全方位模型。 這適當(dāng)?shù)窒朔醋饔昧Γ灾劣诜治鲞@24個(gè)自由度的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)了力和位移之間的相互依存關(guān)系： （1） F是24×1的廣義力矩陣；K是分析每個(gè)自由度的反作用力構(gòu)成的24×24的剛度矩陣；U是24×1的廣義位移矩陣。 方程（1）可以寫成： （2） 定義每個(gè)方向上的自由度貢獻(xiàn)的負(fù)載。 圖6顯示了局部FE模型用于分析24個(gè)廣義自由度的結(jié)果。這個(gè)FE模型被看成代表性的部分，圖5展示的只是三管幾何結(jié)構(gòu)的八分之一。進(jìn)一步減小模型的大小用切片的方式從前到后進(jìn)行，模型的幾何結(jié)構(gòu)將會(huì)減半。 注意在焊接帶區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，需要更加靠近焊點(diǎn)。對(duì)稱或反對(duì)稱位移邊界條件適用于幾何對(duì)稱平面，適當(dāng)?shù)啬M應(yīng)對(duì)各種機(jī)組的負(fù)荷情況。管子內(nèi)部壓力的負(fù)載情況分析是單獨(dú)進(jìn)行的 3.4分析結(jié)果 局部的三維分析給出詳細(xì)的說(shuō)明，穿透環(huán)向應(yīng)力估計(jì)分布在中溫部分和高溫?fù)Q熱器的焊接帶的截面上。 圖6 展示了八分之一三管結(jié)構(gòu)的對(duì)稱有限元模型內(nèi)表面和外表面圖 最大的環(huán)向應(yīng)力隨位置的變化而變化。壓力的峰值在55-66ksi（379-414MPa）之間一般在焊接帶的最上面（圖2 A級(jí)）或者管子的外表面，這些地方管與管的溫度差最高。另外峰值壓力還發(fā)生在焊腳的表面。圖7顯示了典型的環(huán)向應(yīng)力等高線在焊接帶表面。預(yù)測(cè)所有位置的最大環(huán)向應(yīng)力（A級(jí)，外環(huán)）和焊件部分位置的壓力（焊點(diǎn)），觀察到裂紋的區(qū)域重合。 圖8是用圖解法表示彈性計(jì)算分布于高溫過(guò)熱器部分的最高負(fù)荷焊接帶位置的穿透應(yīng)力。 環(huán)向應(yīng)力分布進(jìn)行線性化分析，以消除焊腳位置幾何形狀的影響，評(píng)估所有位置的環(huán)向應(yīng)力分布情況，滿足材料的屈服強(qiáng)度和ASME規(guī)范容許的材料應(yīng)力。薄膜應(yīng)力是11.3ksi（81.4MPa），在外徑表面線性化的最大彎曲應(yīng)力為30.8ksi（212MPa），產(chǎn)生表面壓力42.1ksi(290MPa)不包括焊腳幾何形狀的影響。 圖.7 典型的局部分析結(jié)果顯示在焊接帶附近的環(huán)向應(yīng)力相等。單位是ksi最大值為56ksi（386MPa）最小值為-20ksi（-138MPa）。 穿過(guò)管壁到外壁的距離 圖8 彈性地計(jì)算分布在最高熱負(fù)荷高溫段過(guò)熱器管子焊接帶上的穿透應(yīng)力；環(huán)向應(yīng)力的線性化分析，以去除焊腳的幾何影響。 第四章 討論與結(jié)論 一些可以從圖8中看出的環(huán)向應(yīng)力的情況 預(yù)測(cè)峰值應(yīng)力在管子的外表面，即使沒(méi)有焊腳的幾何影響，大約是42 ksi（290MPa）大約是SA-192管材的三倍屈服強(qiáng)度。 在峰值時(shí)線性應(yīng)力超過(guò)ASME-I允許的SA-192在800 ℉（427℃）時(shí)的4.5倍，甚至是室溫下允許的4倍。 管壁材料的環(huán)向應(yīng)力的線性化分析顯示超過(guò)ASME-I規(guī)定的在800℉（427℃）時(shí)允許的一半以上，而且管壁材料的屈服強(qiáng)度也超過(guò)了三分之一。 雖然未在圖8中明確地示出。但是人們可以很容易推斷出環(huán)向應(yīng)力的主要原因是因?yàn)橛袩峒s束的存在，鑒于主要壓力，由于壓力大約是4 ksi（27.6MPa），只有在峰值時(shí)壓力的10%左右。進(jìn)一步說(shuō)在設(shè)計(jì)允許的范圍內(nèi)，有時(shí)候熱約束產(chǎn)生的壓力是有益的。 從前面的討論中可以知道這是顯而易見(jiàn)的，管子的壓力是由于熱約束在管與管的焊接帶上持續(xù)升高并處于高位引起的，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)壓應(yīng)力和ASME規(guī)范允許的水平，在管壁的重要位置上持續(xù)很高。這些條件很明顯的指出了失敗原因，且指出了顯著的設(shè)計(jì)缺陷。這強(qiáng)調(diào)了一個(gè)事實(shí)，熱約束在應(yīng)用ASME-I是被忽略的，有缺陷的設(shè)計(jì)可能看起來(lái)是代碼標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題。這是因?yàn)锳SME I雖然他有規(guī)則(PW-43)用來(lái)限制負(fù)載和剛性附件（一般用來(lái)容納主負(fù)載），但是他沒(méi)有明確的規(guī)則使設(shè)計(jì)適應(yīng)重要部分的溫度和系統(tǒng)負(fù)載。這里有個(gè)簡(jiǎn)單的例子，引用ASME規(guī)范的前言：該代碼不是一本手冊(cè)，不能代替教育，經(jīng)驗(yàn)，使用工程判斷。 可盡管如此，人們建立了熱設(shè)計(jì)方法，用于有效的容納系統(tǒng)負(fù)載，這樣的一個(gè)方法符合ASME中的鍋爐規(guī)則和壓力容器規(guī)范，第八節(jié)的一部分：壓力容器[4]（ASME-VIII）。 第八節(jié)，守則第2部，《替換和建設(shè)壓力容器的規(guī)則》，提供意見(jiàn)使制造商能夠展示細(xì)節(jié)“是否按規(guī)則守則作為安全指標(biāo)”雖然燒鍋爐的燃燒過(guò)程不在第八節(jié)的范圍之內(nèi)，但是第八部分的分析方法和許用應(yīng)力可被用來(lái)在設(shè)計(jì)中提供合適的指定量。 在這種情況下，預(yù)測(cè)的最大應(yīng)力強(qiáng)度（定義為最大和最小主應(yīng)力之間的差）是40ksi(276MPa)。把3倍容許應(yīng)力的操作循環(huán)溫度極值的平均值與給出的代碼指定的允許應(yīng)力強(qiáng)度進(jìn)行比較，后者相當(dāng)于預(yù)估的3倍。在室溫時(shí)平均為11.8ksi在800℉時(shí)為9 ksi）或者31.2ksi（215MPa）。實(shí)際上，峰值應(yīng)力在過(guò)熱器焊接帶位置超過(guò)ASME-VIII限定值的30%。這項(xiàng)工作證實(shí)了過(guò)熱器的設(shè)計(jì)缺陷是由于管與管焊接帶約束太強(qiáng)。實(shí)際開裂的經(jīng)歷與這種分析的結(jié)果完全一致，鑒于這項(xiàng)工作并不足為奇。 參考文獻(xiàn) [1] ASME boiler and pressure vessel code, Section I: Power boilers. New York (NY), American Society of Mechanical Engineers, 1983. [2] ANSYS engineering analysis system users manual, Revision 4.4. Houston (PA), Swanson Analysis Systems Inc., 1990. [3] Chapman AJ. Heat transfer. 3rd ed. New York: MacMillan; 1974. [4] ASME boiler and pressure vessel code, Section VIII: Pressure vessels. New York (NY), American Society of Mechanical Engineers, 1983.