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原文传递增压锅炉锅筒应力及疲劳寿命研究

论文题名：	增压锅炉锅筒应力及疲劳寿命研究
关键词：	船用增压锅炉;锅筒应力;疲劳寿命;筒壁温度;数值模拟
摘要：	船用增压锅炉启动、停炉及负荷大扰动等典型运行过程中，锅筒内工质的压力和温度在短时间内频繁波动，导致锅筒产生高水平和循环变化的热应力和机械应力，存在塑性破坏和疲劳失效的隐患，影响人员及设备的安全。因此，开展锅筒应力及疲劳寿命相关问题的研究工作，并在此基础上研制疲劳寿命在线监测系统，对于船用增压锅炉机组的安全运行具有实际的工程应用价值。　　与电站锅炉相比，增压锅炉锅筒应力及疲劳寿命的相关研究工作仍处于起步阶段，存在研究手段单一、研究内容匮乏以及研究结果可参考性较差等诸多缺点。同时，由于两种锅炉锅筒在结构形式和换热方式两方面存在较大差异，电站锅炉锅筒安全性相关研究工作取得的成果不能直接应用于增压锅炉。为此，本文对增压锅炉典型运行过程中锅筒应力及疲劳寿命的相关问题进行了研究。　　本文首先对增压锅炉锅筒温度场进行了实验研究。针对缺乏锅筒壁温变化规律的现状，利用改良后的温度采集系统，对冷态启动、保压停炉、泄压停炉和储汽筒充放汽4种增压锅炉典型运行过程中的锅筒壁温和压力数据进行了采集与分析，得到了筒壁温度随空间分布和时间发展的变化规律以及锅筒压力与筒壁温度变化规律之间的关系。研究结果表明，根据壁温曲线形状和拐点的特性，可以确定4个过程中温度随时间变化的基本曲线，结合周向和径向温差的数值范围，可以推导出锅筒不同区域的温度近似曲线；利用泄压停炉和充放汽过程中压力与温度变化规律之间的关系，可以利用压力数据定性推导出筒壁温度的近似曲线。　　其次，对增压锅炉锅筒应力场进行了数值模拟研究。以实验研究中得到的壁温规律为基础，结合传热学理论给出了稳态运行、冷态启动以及充放汽过程中锅筒应力场计算边界条件的确定方法，并通过数值模拟的手段得到了稳态及瞬态过程中锅筒应力的分布、大小、影响因素及随时间变化的曲线，以及机械应力、热应力与总应力三者之间的相互关系，指出了不同过程中锅筒的危险点，并对其安全性进行评估。研究结果表明，稳态运行与冷态启动过程中锅筒筒体、管板、下降管、水冷壁和对流蒸发管束的局部区域出现了较高数值的应力，虽然结构的强度评定结果合格，但是冷态启动过程中对流蒸发管束的应力值十分接近许用极限，安全裕度较低。冷态启停和充放汽过程中锅筒产生了循环应力，前者对锅筒造成了一定程度的疲劳损伤，而后者不会影响锅筒的安全性。　　在前面的研究基础上，对增压锅炉锅筒疲劳寿命在线监测系统进行了研制。为满足在线监测锅筒危险点温度、应力及疲劳寿命的需要，对各项参数的实时计算方法进行了研究并将其编制成计算程序，结合数据采集与通讯装置等硬件设备，建立了首个应用于增压锅炉锅筒的疲劳寿命在线监测系统。研究结果表明，经过冷态启动、充放汽和保压停炉过程中实测数据和数值模拟结果的校验，在线计算程序的精度满足工程应用要求。温度场程序计算结果的相对误差仅在锅筒个别区域的较短时间内出现了较大值（反推解法和正向解法的最大值分别为-8％和20%），而在其他时间内维持在±5%的范围内。将上述3种过程中锅筒各点应力的程序计算结果与ANSYS软件计算结果进行比较，结果表明两种计算方法得到的应力曲线在锅筒的保温层与夹层区域吻合度较高，在管束区域存在一定的偏差。建立的疲劳寿命在线监测系统具备数据的采集、计算、存储、实时显示和历史查询等功能。
作者：	邵亚西
专业：	动力机械及工程
导师：	马修真
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文