（材料加工工程專業(yè)論文）鍋爐集箱蝕疲勞開裂分析.pdf

摘要 鍋爐是在工業(yè)生產(chǎn)各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的特種設(shè)備 由于高參數(shù)的鍋爐可以 帶來高的能源轉(zhuǎn)換效率 所以愈來愈多的鍋爐被要求在高溫和高壓的環(huán)境下運 行 在這種環(huán)境下長時間運行 并非完全沒有風(fēng)險 隨著設(shè)備的腐蝕和疲勞 會 大幅降低了設(shè)備的安全性與可靠度 它的安全事關(guān)人們生命財產(chǎn)的安全 避免發(fā) 生事故是鍋爐正常使用的前提 本文進行了b g 3 5 5 4 一m 中型次高壓鍋爐集箱 外表面環(huán)向裂紋產(chǎn)生的機理研究 對鍋爐的設(shè)計 制造和運行具有一定的理論指 導(dǎo)意義和較高的實用價值 本文從實際工作中發(fā)現(xiàn)的鍋爐集箱本體環(huán)向裂紋分析入手 對集箱簡體的名 義應(yīng)力和溫度應(yīng)力分別用彈性力學(xué)分析的方法進行了計算 在彈性力學(xué)的方法中 分別計算溫度應(yīng)力和工質(zhì)內(nèi)壓然后進行疊加 而且按照鍋爐運行與停爐的周期 分析出拉壓應(yīng)力循環(huán)的次數(shù) 應(yīng)該是屬于低周應(yīng)力疲勞的范疇 對失效元件進行了化學(xué)成分和金相分析排除了集箱材質(zhì)劣化 在裂紋的電鏡 掃描分析中 在裂紋的內(nèi)部和邊緣發(fā)現(xiàn)了含有燦 s c l o n a 等元素的腐蝕 產(chǎn)物 通過腐蝕產(chǎn)物分析和集箱筒體的運行環(huán)境 認(rèn)定s o 的腐蝕是主要的因 素 在進行掃描電鏡和金相分析的裂紋邊緣形貌后 將裂紋從表面向深度擴展的 側(cè)面形貌和有關(guān)文獻比后認(rèn)為該裂紋是屬于疲勞裂紋的范疇 但也有其特殊型 裂紋尖端為沿晶擴展 裂紋斷面具有貝紋線 根據(jù)應(yīng)力分析 裂紋分析 腐蝕分析的結(jié)論 從材料的微觀角度 并結(jié)合金 相和電子顯微鏡圖片 提出了微觀的腐蝕與疲勞相互促進的作用機制 腐蝕造成 了表面的應(yīng)力集中 成為裂紋的起始點 在裂紋進展過程中 循環(huán)應(yīng)力造成了腐 蝕產(chǎn)物層的脫落 保證了致腐物質(zhì)的擴散通道 由于裂紋尖端的組織和晶粒位相 差異 也促進了裂紋尖端的塑性應(yīng)變差異和進一步腐蝕 最后得出的結(jié)論是 鍋爐集箱裂紋是腐蝕疲勞裂紋 關(guān)鍵詞 鍋爐集箱 腐蝕疲勞 環(huán)形裂紋 溫度應(yīng)力 a b s t r a c t b o i l e ri sw i d e l yu s e di i lv a r i o u s 丘e l d so fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o no f s p e c i a le q u i p m e n t et 0t h em g h p a r a m e t e r so ft h cb on c rc 鋤b r i i l gh i 曲e n e 瑪yc o n v c r s i o ne m c i e n c y m o r e 觚dm o r eo ft h eb o i l e r sa r er e q u i r e da t1 1 i g ht e m p e r a t u r ea n dh i g hp r e s s u 他 e n v i r o 姍e n tt 0m nl o n g 眥i nt b j 8e n v i r o 眥e n t te n t i r e l yw 砒1 0 u tr i s ka s e q u i p m 鈕tc o n 0 s i o na n d 讎i 粵舛e w i l ls i g l l i f i c 蛆t l y e d u c et h ed e v i c e s 鼢f c t y 舳d r e l i a b i h t y i t ss e c u r 時i sr e l a t e dt 0p e o p l e sl i v 懿肌dp r o p e n yo ft h eb o i l e rt 0a v o i d a c c i d e n t si st h cp r e n l i s eo fn o m a lu s e t l l i sa j t i c l ew a sb g 3 5 5 4 一mm e d i u mp l a y s l l i g h p r e s 踟r eb o i l e rh e a d e rt ot h eo u t 叮s u m c eo fr i i l gm e c h a n i s mo fc m c k so nt h e b o i l e rd 髂i g n m 肌f a c n 鵬鋤do p e r a t i o no fac e n a i nt h e o r e t i c a ls i g l l i f i c a n c e 蛆d p i a c t i c a lv a l u e t 墻a n i c l ef i n d 舶mt h ea 咖a lw o r ko fc r a c kb o d yo fb o i l e rh e a d e rs t a no nt h e t h i c kw a uc y l i i l d e rm b eh e a d c rm m e 鋤dt 印叩e 豫t i i r e 妣s s e sw e r ee l a s t i cm c c h a i l i c s 鋤a i y s i sm e t h o dw 鶴c a l c u l a t o 也i ne l a s t i c i t yt h em e t h o do fc a l c u l a t i o no ft h e r m l s t r e 豁 r e s p e c t i v e i y a n dt h c 血鋤lp r e s s u r er e 伍g 跏tt h 齜p e r i 皿i p l o s c d a n di n a c c o r d 肋c ew i t ht h eb o i l e ro p e r m i o na n d s h u t d o w no f t h ec y c l e a n a l y z et h e 丘e q u e n c y o ft e 璐i o na n dc o m p 陀s s i o ns t r c 鼴c y c l e s h o u l db e l o n gt 0 也e o p eo f1 0 wc y c l e f a t i g u es t r e s s o nt h e 伍i l r co fc o m p o n e n t s 南rt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n 觚dm j c r o s t 九l c t u r e 鋤a l y s i sr u l c do u t 也eh e a d e rm a t e 渤ld 曲 r i o r a t i o ni nt h ec m c ko ft h ee l o c t r o n m i c r o s c o p e i nt h ci m 鋤l 柚de d g ec r a c l c sf o u n dc o n t a i l l i n ga l s c l o n a 孤d o t h 盱e l e m e m so ft h ec o n l o s i o np r o d u c t s b yc 0 r r o s i o np r o d u c ta m l y s i sa n dc o n e c t i o n b o x e sc y l i i l d e ro p c r a t i n ge n v 打 衄e n t w ec o n c l u d e dt h a ts oi sam a j o r 份c t o ri n c o n d s i o n w bu s e de l o c t r o nm i c r o s c o p e 鋤dm e t a l l o g r a p h i ct 0 鋤a l y s i sc r a c l s s h a p e t h ec r a c k c x t 饑d c d 丘 0 mt h es u r f 如et 0t h ed 印t ho f t h es i d eo f t h em o 印h o l o g y 鋤dt h el i t c r a t u r e t h a tt h ec r a c kt h 觚t h el a t t e rb e l o n g st 0t h es c 0 p eo f t h ef a t i g u ec r l b u ta l s 0h 觴a s p e c i a l t y p e t h ec r a c kt i pa l o n gt h eg 豫i n c m c ks e c t i o nw i t hs h e l lr i d g e f i i l a l l y s t r e s s 孤a l y s i s c r a c k 柚a l y s i s c o n 0 s i o n a 聃l y s i s c o n c l u s i 0 瑪 o u r m i c r o s c o p i cp o 硫o fv i e w 董吣mt i 圯m a t 耐a l c o m b 試e dw i t hm e t a l l o g r a p h i c 鋤d e l c c t r o nm i c r o s c o p e i m a g e s m a d eb e t w nm i c r 0 c o r m s i o n 衄d p r o m o t et h e m e c h a n i s mo ff a t i g u e s t r e s sc o n o s i o nc a u s c db yt h e 叭r 白c ec o n c e n t r a t i o nb e c o m e t h es t a n i r 培p o 缸o ft h ec r a c l t h ec r a c ka d v a n c e si np r o c e s s t h ec y c l i cs t r e s sl e v e l r e s u h e di nl o s so fc o n 0 s i o np r o d u c t s g u a r a n t e e dr o tc a u s e db yt h ep r o l i 銜a t i o no f c h a 皿e l so fm a t e r i a i d u et ot h ec r a c kt i pp i l a s ed i a 研e n c eb e t w e t h eo 瑪a n 娩a t i o n a n dg r a i n b u ta l s 0t 0p r o m o t et h cc r a c kt i pp l a s t i cs t r a i nd i a 研e n c e s 鋤d 血r t h e r c o n d s i o i l f i n a l l yt h ec o n c l u s i o ni s b o n e rh e a d e r sc r a c ki sc 0 盯0 s i o nf a t 西i ec r a c k 1 e yw o r d s b o i l e rc o l l e c t 噸h e a d c o n d s i o nf a t i g l l e c i r c u l 盯c r a c k t h e r n 艙ls t r e 褐 第一章緒論 第一章緒論 1 1 課題的研究背景與意義 現(xiàn)代文明和工業(yè)的不斷發(fā)展造就了先進的生產(chǎn)要素和生產(chǎn)力 工業(yè)文明的來 臨對生產(chǎn)工具和設(shè)備的要求也是不斷的提高 現(xiàn)代工業(yè)的很多工藝過程都是在高 溫高壓進行的 為了實現(xiàn)這些工藝過程 需要各種承壓設(shè)備 例如化工設(shè)備中的 各種反應(yīng)器 尤其是火力發(fā)電廠中的大型鍋爐系統(tǒng)的汽包 集箱 管道 受壓元 件內(nèi)部的使用壓力從幾兆帕到幾十兆帕甚至還要高到上百兆帕 內(nèi)部使用壓力的 日益增高 發(fā)生失效破壞時對人民的生命財產(chǎn)安全會造成了難以估量的災(zāi)難性后 果 所以從開始使用這些受壓元件開始 鍋爐受壓元件的安全運行使用 失效形 式成為人們?nèi)找骊P(guān)注的重要內(nèi)容 據(jù)記載 從工業(yè)革命開始的l8 7 0 年代到二十 世紀(jì)初的近4 0 年期間 僅美國 加拿大 墨西哥等北美洲地區(qū) 有記錄的鍋爐 爆炸事故就有一萬起n3 其它各類用途的壓力容器的各種爆炸事故更是層出不 窮 歷史的經(jīng)驗和教訓(xùn) 使人們早就對這類承受壓力的設(shè)備的安全問題倍加關(guān)注 近幾十年來 許多工業(yè)國家都把鍋爐和壓力容器作為一種特種設(shè)備 由政府設(shè)置 專門機構(gòu)進行安全監(jiān)督 最主要的原因就是因為鍋爐和壓力容器要比一般工業(yè)用 的機械設(shè)備更容易發(fā)生事故 而且事故的危害性往往又特別嚴(yán)重 對鍋爐失效的分析與研究對于避免事故 保障人民群眾的生命財產(chǎn)安全 具有非常大的意義 而且了解特種設(shè)備的失效方式 可以有的放矢的在使用過程 中對易于發(fā)生失效的部位加強監(jiān)察 及時對將要發(fā)生失效的元件進行修復(fù)和更 換 保障設(shè)備的可用率 避免非正常的停用 會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益 研究鍋爐 的各種失效機理以及防止發(fā)生被壞的措施和摸索它的安全運行規(guī)律 科學(xué)實驗和 分析研究是重要的方法之一 對于實際的生產(chǎn)過程中發(fā)生的鍋爐失效事故 是難 得的經(jīng)驗 研究鍋爐的失效形式和機理 對于摸索它的安全運行規(guī)律都是十分有 價值的 多年來的事故為人們積累了很多寶貴的經(jīng)驗 一般來說 鍋爐受壓元件 容易發(fā)生失效的主要部位在以下的各個部位眩 1 因機械應(yīng)力或熱應(yīng)力大幅度變動引起的低周疲勞破壞 發(fā)生在幾何形狀 突變 填角焊縫 缺陷等應(yīng)力集中部位或熱負(fù)荷過高并積存水垢導(dǎo)致壁溫差過大 部位 2 因交變熱應(yīng)力引起的高周疲勞破壞 發(fā)生在受熱面的汽水分界面 減溫 器噴水霧化區(qū)段等熱應(yīng)力變化頻率較大的部位 第一章緒論 3 因超壓引起的靼性破壞 發(fā)生在安全閥及燃燒自動控制設(shè)備同時失靈等 情況下 4 因超溫引起的塑性破壞 時問較短 或蠕變破壞 時間較長 發(fā)生在受熱面 冷卻條件遭受破壞情況下 5 因彈性變形過大或應(yīng)力松弛導(dǎo)致介質(zhì)向外泄漏 6 因腐蝕過大導(dǎo)致介質(zhì)向外泄漏 但是 有的時候?qū)Πl(fā)生的失效形式進行 準(zhǔn)確判斷 是十分困難的 因為實際發(fā)生的失效方式多是各種因素綜合作用的結(jié) 果 1 2 鍋爐受壓元件失效方式概述 受壓元件損壞形式分類方法有多種 按照破壞時宏觀變形量的大小可以分 為塑性破壞和脆性破壞兩大類 按破壞時材料的微觀斷裂機制分類可以分為韌窩 斷裂 解理斷裂 沿晶斷裂和疲勞斷裂 實際上 往往采用的是混合分類 以宏 觀分類為主 結(jié)合一些斷裂特征 通常分為 韌性破壞 脆性破壞 腐蝕破壞 疲勞破壞 蠕變破壞 其他形式破壞 1 2 1 韌性破壞 韌性破壞是元件在內(nèi)壓及其他載荷的作用下破壞 金屬材料的韌性破壞是顯微空洞形成和長大的過程 對碳鋼和低合金鋼 斷 裂時首先在塑性變形嚴(yán)重的地方形成顯微孔洞 夾雜物及其他缺陷往往是空洞成 核的所在 但空洞形成 長大 聚集過程總是伴隨著較大的塑性變形 金屬材料 韌性破壞的一般特征是 1 發(fā)生明顯的變形 管子周長伸長率有時可達1 0 以上 2 斷口檢查多數(shù)屬穿晶斷裂 斷口呈暗灰色纖維狀 無金屬光澤 斷口不 齊平 與主應(yīng)力方向成4 5 度角 3 一般不發(fā)生碎裂 塑性材料因其具有較好的塑性和韌性 因此一般不發(fā) 生碎裂 只裂開一個口 裂口大小與爆破時所釋放的能量有關(guān) 對常溫液體介質(zhì) 只裂一個小口 高壓飽和水或者氣體外泄時 因具有較大的膨脹能 往往有較大 的爆破 管壁常被展成平板而成刃狀 4 應(yīng)力水平較高 一般達到或接近材料的抗拉強度 超壓爆破 短期超溫 爆破 均勻腐蝕減薄爆破 管壁磨損減薄爆破等都常常具有韌性破壞的特征 2 第一章緒論 1 2 2 脆性破壞 脆性破壞又稱為低應(yīng)力破壞 元件在破壞時其應(yīng)力遠(yuǎn)末達到材料的強度極 限 甚至還低于屈服極限 其破裂現(xiàn)象和脆性材料破裂時相似 與韌性破壞相反 故稱為脆性破壞 其一般特征是 1 無明顯的塑性變形 2 裂口齊平 斷口呈金屬光澤齊平 并與主應(yīng)力方向垂直 3 往往有許多碎塊 片 飛出 發(fā)生脆性破壞時其材料韌性較差 因在碎裂 瞬間裂紋迅速擴展 即使較小的爆破能量 例如水壓試驗時脆性破壞 下 也形成 許多碎片 因此脆性破壞具有較嚴(yán)重的后果 4 多數(shù)發(fā)生在較低溫度下 因為金屬材料的斷裂韌性隨溫度降低而下降 5 破裂時部件的名義應(yīng)力一般低于材料的屈服極限 脆性破壞的主要因素 其一是部件存在缺陷 并形成應(yīng)力集中 其二是材料 韌性差 特別是低溫韌性差 電站鍋爐發(fā)生脆性破壞的情況經(jīng)常是 高合金鋼部 件水壓試驗時的冷脆 苛性脆化 n a o h 低碳鋼的應(yīng)力腐蝕 氫脆 奧氏體不 銹鋼的氯脆 鋼材石墨化后引起的高溫脆性斷裂 材料的劣化 等 1 2 3 蠕變破裂 金屬元件長期在一定的高溫條件下 受拉應(yīng)力的作用材料產(chǎn)生緩慢而連續(xù)的 塑性變形 以致發(fā)生的破裂被稱為蠕變破裂 各種材料產(chǎn)生蠕變破壞的溫度界限 互不相同 碳鋼和普通低合金鋼超過3 0 0 一4 0 0 就應(yīng)當(dāng)考慮蠕變破壞問題 c r n i 合金鋼具有較好的抗高溫蠕變性能 一般認(rèn)為 材料使用溫度不高于其 熔化溫度2 5 一3 5 時 可不考慮蠕變的影響 蠕變時鋼材珠光體球化 碳化物析出并聚集長大 合金元素緩慢地由固溶體 向碳化物轉(zhuǎn)移 蠕變后期 鐵素體內(nèi)合金元素嚴(yán)重貧化 鋼的熱強性能降低 晶 界間出現(xiàn)微孔 并逐漸發(fā)展為孔洞鏈 最終出現(xiàn)晶問型蠕變裂紋 蠕變斷裂部件 宏觀斷口具有明顯高溫氧化色并有眾多的蠕變裂紋 金屬發(fā)生塑性變形時 金屬組織品粒發(fā)生位移 在蠕變溫度以下 主要是晶 粒內(nèi)部滑移 形成穿晶破裂 在蠕變溫度以上主要是晶粒轉(zhuǎn)移 裂損沿晶界發(fā)生 形成晶界破裂 長期高溫作用下的蠕變破裂一般有明顯變形 但斷口呈脆性 壁 厚無明顯減薄 斷裂沿晶界發(fā)展 鍋爐過熱器 再熱器受熱面 主汽管道 再熱器管道長期超溫引起蠕變破壞 常具有晶界破裂形式 蒸發(fā)受熱面結(jié)垢 省煤器堵管引起傳熱惡化導(dǎo)致超溫爆管 3 第一章緒論 時 根據(jù)部件所在部位的煙溫 壁溫高低不同其破壞形式可分別為晶界破裂或穿 晶破裂 破裂形式 蒸發(fā)受熱面結(jié)垢 省煤器堵管引起傳熱惡化導(dǎo)致超溫爆管時 根據(jù)部件所在部位的煙溫 壁溫高低不同其破壞形式可分別為晶界破裂或穿晶破 裂 1 2 4 疲勞破壞與失效 疲勞損壞是指金屬部件在交變載荷作用下出現(xiàn)損傷以致破裂失效的現(xiàn)象 按部件失效前載荷交變次數(shù)的多少分為低周疲勞及高周疲勞m 疲勞損壞一般具有以下特征 1 沒有明顯的伸長 壁厚無顯著減薄 2 斷口存在兩個區(qū)域 即疲勞裂紋產(chǎn)生及擴展區(qū)和最后斷裂區(qū) 在第一區(qū) 可見以裂紋源為中心的弧形紋路 貝殼狀花樣 源發(fā)點常常在應(yīng)力集中的地方 最后斷裂區(qū)的形態(tài)與材料狀態(tài)有關(guān) 可呈韌性破壞與脆性破壞特征 3 疲勞破壞一般不形成碎片 4 疲勞損壞進展比較緩慢 必須經(jīng)過一定次數(shù)的交變載荷之后才發(fā)生 電站鍋爐和壓力管道發(fā)生的疲勞損壞情況有如噴水減溫器噴頭的機械振動 損壞 汽包 聯(lián)箱內(nèi)壁溫度交變引起的熱交變應(yīng)力裂紋 管道振動引起的損壞 水平受熱管汽水分層時發(fā)生的熱疲勞裂紋等 結(jié)構(gòu)材料承受交變載荷而產(chǎn)生的失 效是一種疲勞失效現(xiàn)象 發(fā)生疲勞失效時 一般沒有明顯的塑性變形 它是發(fā)生 在局部高應(yīng)變區(qū)內(nèi) 當(dāng)這種局部高應(yīng)變區(qū)中峰值應(yīng)力超過材料的屈服強度 r e i 時 晶粒之間發(fā)生了滑移和位錯 逐漸產(chǎn)生了微裂紋 這種微裂紋不斷擴展 形 成了一條宏觀的疲勞裂紋 最后導(dǎo)致疲勞斷裂 在鍋爐中的交變應(yīng)力常常是由以下幾個方面的原因引起的 1 頻繁的間斷操作和開 停工造成工作壓力和各種載荷的變化 2 運行時出現(xiàn)運行壓力波動 3 運行時出現(xiàn)的周期性溫度變化 4 在正常的溫度變化時受壓部件的膨脹和收縮受到了約束 5 外加載荷的反復(fù)交變和產(chǎn)生的強迫振動等 在過去相當(dāng)長的時期里 疲勞失效常常不是鍋爐和壓力容器譯計時必須考慮 的因素 主要是因為一般認(rèn)為它不像高速回轉(zhuǎn)機件那樣需要承受相當(dāng)高循環(huán)次數(shù) 的反復(fù)裁荷 同時 制造壓力容器和鍋爐的材料都有較高的塑性 能吸收較大的 應(yīng)變能而不致造成裂紋的擴展 發(fā)生疲勞失效 常常不會引起大家的重視 可是近年來 情況發(fā)生了變化 首先是隨著各同鍋爐和壓力容器設(shè)計規(guī)范的 4 第一章緒論 修訂 安全系數(shù)都有不同程度的下降 這樣 受壓部件中實際承受的應(yīng)力水平就 相對也提高了 同時 隨著鍋爐和壓力容器的不斷大型化 特厚材料的應(yīng)用也在 不斷增加 這種特厚材料在制作過程中更易產(chǎn)生缺陷 并且低合金高強度鋼的應(yīng) 用也日益廣泛 這種材料和它們的焊縫同樣也容易形成各種缺陷 這些都使得鍋 爐和壓力容器增加了疲勞失效的危險性 由于疲勞裂紋總是從高應(yīng)變區(qū)形成和發(fā)展的 而在鍋爐和壓力容器的受壓部 件中存在著各種型式的高應(yīng)變區(qū) 如在焊接接頭的附近 結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位以及有 開孔和接管的附近區(qū)域等等 這種高應(yīng)變區(qū)往往因為變形的不協(xié)調(diào)而形成或由原 來存在的缺口所造成 因此必須特別注意這些區(qū)域的受力狀況 在現(xiàn)代工程實踐中 絕大多數(shù)的工程項目都存在由交變應(yīng)力而引起的疲勞問 題 特別是隨著機械速度的提高 以及航空航天等現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展 許多構(gòu)件或 機械工作在更加惡劣的力學(xué)環(huán)境下 疲勞破壞導(dǎo)致的失效事故占總事故的比例約 占7 0 是相當(dāng)高的 因此 人們已將更多的注意力放在解決疲勞問題上 同 樣在特種設(shè)備的失效分析上也越來越注意疲勞因素的影響 在鍋爐和壓力容器高 應(yīng)變區(qū)內(nèi)的峰值應(yīng)力 如在容器的開孔接管附近 常常可以達到容器主體薄膜應(yīng) 力的2 4 倍 若簡體的許用應(yīng)力是以屈服限為基準(zhǔn)而取安全系數(shù)為1 6 目前的 強度計算標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 則這些峰值應(yīng)力就有可能達到材料屈服限的2 倍以上 這 樣高的峰值應(yīng)力所造成的疲勞失效現(xiàn)象與通常在高速回轉(zhuǎn)機件中所碰到的高周 疲勞不同 高速回轉(zhuǎn)機件在設(shè)計時 常以循環(huán)次數(shù)大于1 0 次所得的疲勞極限作 為設(shè)計依據(jù) 而一般材料的疲勞極限大體為材料強度限的4 0 一5 0 顯然在鍋 爐和壓力容器中是不能以此作為設(shè)計依據(jù)的 對于鋼爐和壓力容器所碰到的疲勞 失效現(xiàn)象實際上是一種高應(yīng)變低周疲勞 因此 低周疲勞失效已成為近年來各國注意的一個中心問題 許多國家均在 自己的鍋爐和壓力容器設(shè)計規(guī)范中制訂了相應(yīng)的條款 規(guī)定了疲勞設(shè)計準(zhǔn)則和方 法 如我國的j b 4 7 3 2 鋼制壓力容器一分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn) 美國機械工師協(xié)會的 a s m e 2 一壓力容器建造另一規(guī)則等 都明確了進行強度計算后應(yīng)該另外附加疲 勞計算的工況和算式 在我國的鍋爐強度計算標(biāo)準(zhǔn)g b 9 2 2 2 水管式鍋爐強度計 算標(biāo)準(zhǔn) 中明確規(guī)定 對于調(diào)峰負(fù)荷機組及其它頻繁啟動 參數(shù)波動較大的鍋爐 鍋筒 還應(yīng)按標(biāo)準(zhǔn)的附錄a 進行疲勞強度校核計算 并且在有關(guān)鍋爐和壓力容器 的研究發(fā)展計劃中也都提出了疲勞失效的近期和遠(yuǎn)期研究方向和要達到的目標(biāo) 疲勞斷裂的分析和研究主要在兩個方面分別進行 一方面是從用微觀分析的 手段了解疲勞的本質(zhì) 另一方面是從宏觀層面 對疲勞問題的宏觀力學(xué)特征進行 的分析 而且近年發(fā)展起來的斷裂力學(xué)的一些觀點 己取得了許多有實用價值的 成果 為提供了斷裂理論分析和基于安全性的強度設(shè)計方法 將宏觀與微觀分析 5 第一章緒論 有機的結(jié)合起來 綜合考慮分析疲勞斷裂問題 但是據(jù)筆者所查文獻 對于鍋爐受壓元件的疲勞分析研究主要集中在汽包的 壁溫差熱應(yīng)力 以及噴水減溫頭的機械振動損壞 聯(lián)箱內(nèi)部的汽水分層引起的溫 度交變進而引起熱交變應(yīng)力裂紋 管道振動引起的損壞 水平受熱面管汽水分層 引起的破壞等等 而且疲勞失效和其他失效因素結(jié)合得也很緊密 一些小于疲勞 失效的應(yīng)力門檻值的工況下也產(chǎn)生了疲勞裂紋 胡新芳b 1 等人對華能德州發(fā)電廠5 號爐低溫過熱器入口聯(lián)箱管座角焊縫在 管端熔合區(qū)處產(chǎn)生裂紋 通過有限元軟件進行應(yīng)力分析 對焊縫及熱影響區(qū)進行 了金相分析 綜合考慮認(rèn)為焊接工藝認(rèn)為焊接工藝不當(dāng)導(dǎo)致h a z 的組織產(chǎn)生淬硬 馬氏體導(dǎo)致和管系結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理造成的應(yīng)力集中是裂紋產(chǎn)生的主要原因 聯(lián)箱 由我國沿海城市制作 由于濕度比較大 且為冬季施工 管座角焊縫焊后 沒有進 行熱處理 另外 在焊接過程中若焊接線能量過大 焊接完成后 角焊縫外表面冷 卻速度較快 易形成馬氏體 在金相組織中發(fā)現(xiàn)管子外壁的焊縫熱影響區(qū)處 管子 外壁邊緣出現(xiàn)馬氏體組織 馬氏體的體容比較大 存在較高的殘余應(yīng)力 且脆性大 塑性低 抗變形能力差 塑性和抗變形能力降低 從而使管座角焊縫熱影響區(qū)的性 能下降 二者之間的溫差使集箱與管子的脹縮不一致 且膨脹和收縮量也不同 在管子與聯(lián)箱之間就會產(chǎn)生熱應(yīng)力 而由于管子與聯(lián)箱接頭處的應(yīng)力集中造成了 裂紋的產(chǎn)生 1 2 5 腐蝕破壞 設(shè)備受腐蝕介質(zhì)作用而產(chǎn)生元部件破裂稱為腐蝕破壞 按其損壞現(xiàn)象可分為 均勻腐蝕 點腐蝕 晶間腐蝕 應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞 1 均勻腐蝕使元部件厚度減薄并不影響金屬的機械性能 損壞時一般呈韌 性破壞 2 點腐蝕是表面局部腐蝕的結(jié)果 一般起因于電化學(xué)腐蝕 損壞時常造成 穿透性孔洞導(dǎo)致泄漏 只有出現(xiàn)大面積密集斑點腐蝕才影響部件強度而造成破 壞 其損壞形式也屬于韌性破壞 3 晶間腐蝕是指腐蝕性介質(zhì)滲入金屬組織內(nèi) 金屬晶粒之間結(jié)合力因腐蝕 而受到破壞 材料的強度與塑性幾乎完全喪失 經(jīng)受嚴(yán)重晶間腐蝕的奧氏體不銹 鋼 表面看來十分光亮 但只要用錘輕輕敲擊 它就會碎成粉末 因此 晶間腐 蝕是一種危險性很大的破壞形式 4 應(yīng)力腐蝕是金屬材料在腐蝕性介質(zhì)和拉應(yīng)力共同作用下 經(jīng)過一定時間 后而發(fā)生的開裂和斷裂現(xiàn)象 應(yīng)力腐蝕裂紋起源于表面缺陷 擦傷 加工紋路 6 第一章緒論 裂紋 夾層等 和局部應(yīng)力集中處 在腐蝕介質(zhì)的作用下初始裂紋兩側(cè)和尖端因 電化學(xué)的作用而發(fā)展 最終導(dǎo)致破壞 裂紋有穿晶的 也有沿晶的 其最后斷裂 形式是脆性斷裂 5 腐蝕疲勞 在交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生的應(yīng)力腐蝕 其破壞斷口出現(xiàn)兩個明 顯不同的區(qū)域 呈疲勞破壞特征則稱腐蝕疲勞損壞 氫脆 苛性脆化 氯脆也帶 有腐蝕破壞性質(zhì) 其斷口均屬脆性破壞 電站鍋爐的腐蝕破壞可分煙氣側(cè)和汽水側(cè)兩個方向 煙氣側(cè)腐蝕有低溫硫腐 蝕 硫腐蝕等 汽水側(cè)腐蝕如氧腐蝕 垢下腐蝕等 徐冬哺1 在對一臺熱水鍋爐管板裂紋的分析中認(rèn)為管板產(chǎn)生裂紋的原因主要 有熱流密度過大 水的p h 值較低和存在較多的鐵垢 熱水鍋爐要嚴(yán)格控制熱流密 度 防止產(chǎn)生過冷沸騰 翼形煙道式鍋爐的拱形管板處 由于煙氣溫度較高 加之煙 管入口處截面變化引起的煙氣擾動的增加 管板的熱流密度較大 當(dāng)煙氣溫度接 近8 0 0 時 而管板的水側(cè)擾動較小 過冷沸騰就難以避免 當(dāng)沸騰率較高時 在管 板上不僅產(chǎn)生c a c 0 3 水垢 有可能產(chǎn)生更為密實的硫酸鹽水垢c a s 0 4 等 一旦管 板上生成水垢 其表面粗糙度增加 粗糙表面和表面附近的高溫為水中鐵的腐蝕產(chǎn) 物的析出提供了條件 因此在白色水垢的表面形成大量的磚紅色鐵垢 隨著水垢 的密度和厚度的增加 垢下腐蝕隨之發(fā)生 隨著水垢厚度的增加 管板的壁溫升高 滲透到水垢下的爐水會發(fā)生強烈的蒸發(fā)和濃縮 當(dāng)爐水的p h 值較低且濃縮的爐水 中含有較多的m g c l 2 和c a c l 2 時 在水垢下將發(fā)生如下反應(yīng)哺 f e 3 c 2 h 2 3 f e c h 4 c a c l 2 2 h 2 0 c a o h 2 山 2 h c l 反應(yīng)生成的m g o h 2 和c a o h 是沉淀物 而h c l 是強酸 因此在水垢下會積累 起很高的h 濃度 發(fā)生酸對金屬的腐蝕哺1 陽極氧化反應(yīng) f c f e 2 2 e 陰極還原反應(yīng) 2 h 2 e 2 h 1 一h 個 由于陰極產(chǎn)生的氫氣h 2 在致密的水垢下面 不能很快擴散到水中 因此一部分氫 氣可能擴散到受熱面金屬的內(nèi)部和碳鋼中的滲碳體 f e 3 c 發(fā)生反應(yīng)哺3 f e 3 c 2 h 2 3 f e c h 4 從而造成碳鋼脫碳 使腐蝕部位的金相組織發(fā)生變化 同時反應(yīng)生成的甲烷c h 4 氣體在金屬內(nèi)部產(chǎn)生壓力 使金相組織中逐漸形成裂紋 以致開裂發(fā)生泄漏失效 四川大學(xué)黃瑩訂3 等人在對一起廢熱鍋爐產(chǎn)生裂紋的事故的分析過程中 運 用事故分析的排除方法 對發(fā)生事故的設(shè)備進行了應(yīng)力分析 材質(zhì)分析 運行方 法分析得出了造成事故的主要原因是由于實際的熱應(yīng)力造成的 上述失效形式都將造成經(jīng)濟損失并危害人身安全 如果導(dǎo)致爆炸 除設(shè)備毀 7 第一章緒論 壞 人身傷亡以外 還將因停電 停止供熱 停產(chǎn)而造成重大經(jīng)濟損失 特別是 而對于高參數(shù)大容量鍋爐受壓元件失效所造成的損失更大 1 3 目前中型次高壓鍋爐集箱發(fā)現(xiàn)的開裂問題 目前鍋爐受壓元件的設(shè)計周期對于以蠕變破壞為失效標(biāo)志的元件 已由過去 的1 0 萬小時向2 0 萬小時過渡 目前以低周疲勞破壞為失效標(biāo)志的元件壽命一般 按3 0 年考慮哺 但是 在近幾年的鍋爐檢驗工作中 發(fā)現(xiàn)多臺運行l(wèi) o 年左右的次高壓鍋爐 水冷壁下集箱外表面向火側(cè) 見圖1 1 發(fā)現(xiàn)環(huán)形裂紋 剖面檢查發(fā)現(xiàn)裂紋從外壁 開始向內(nèi)壁深入 尚未貫通造成嚴(yán)重的事故 內(nèi)壁無任何影響傳熱的水垢和附著 物 圖卜1開裂集箱在鍋爐中的位置及其裂紋區(qū)域示意圖 在鍋爐發(fā)生裂紋失效集箱在的外壁表面看到有氧化和腐蝕痕跡 表而隨機 均布腐蝕凹坑深0 5 衄左右 直徑約為巾0 5 一1 o 衄不等 數(shù)百道裂紋沿集箱 簡體環(huán)向分布 裂紋是從集箱簡體外側(cè)開裂向內(nèi)側(cè)擴展的 長短不一 裂紋張口 寬度不一 還沒有裂穿至內(nèi)壁 尚未發(fā)生泄漏 經(jīng)數(shù)據(jù)庫檢索 鍋爐集箱的這種失效方式到目前為止并沒有明確的論文給 出合理的解釋 而且并沒有被特種設(shè)備法規(guī) 9 1 列入內(nèi)部檢驗的重點檢查項目 現(xiàn)在 比較成熟的對集箱失效的認(rèn)識一般局限于集箱內(nèi)壁溫度交變引起的熱交變應(yīng)力 8 第一章緒論 裂紋 集箱表面的過熱和過燒等現(xiàn)象 0 1 現(xiàn)在國內(nèi)的科研力量主要集中在基于集 箱高溫材料時效變化的壽命評估分析以及集箱管接頭部位應(yīng)力和數(shù)值模擬計算 圖卜2 失效集箱零件圖 鍋爐廠家對于集箱的設(shè)計僅是按照強度計算中公式的要求進行壁厚計算 將 重點放在了結(jié)構(gòu)的布置和開孔的強度設(shè)計和校核 強度計算中規(guī)定了非絕熱的集 箱壁厚不應(yīng)大于3 0 衄 4 5 呦1 1 1 1 2 1 并未對要求其進行強度疲勞計算 而僅僅是在 強度計算的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計思路上認(rèn)為電站鍋爐集箱起停2 0 0 0 次 工業(yè)鍋爐集箱起停 次數(shù)1 0 0 0 0 次 l 引 默認(rèn)為對起停次數(shù)內(nèi)的集箱受壓元件無需進行疲勞計算 僅規(guī) 定了鍋筒的低周疲勞壽命計算 水管鍋爐強度計算標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范性附錄a 正是由于以上情況 以及發(fā)生開裂的鍋爐集箱比較特殊的開裂形式 凸現(xiàn)了 進行深入研究的重要性 可以為相關(guān)的鍋爐強度計算標(biāo)準(zhǔn)提供數(shù)據(jù)支持 可以為 類似工況的鍋爐集箱和壓力容器的厚壁圓筒檢驗工作重點提供理論和數(shù)據(jù)指導(dǎo) 保證設(shè)備的安全運行 1 4 本文的研究內(nèi)容和技術(shù)路線 從失效集箱的裂紋產(chǎn)生的要素一應(yīng)力入手 對集箱進行應(yīng)力計算和分析 由于鍋爐集箱運行環(huán)境的特殊性 充分的考慮環(huán)境因素的腐蝕 進行材質(zhì)的化學(xué) 成分檢測 此外 對裂紋的起裂面和側(cè)面進行金相分析和掃描電鏡分析 對裂紋 的內(nèi)部用壓力試驗機打開進行體視顯微鏡分析 確定裂紋的性質(zhì)和產(chǎn)生的機制 9 羚 熬v 一 一 r 第二章集箱受力分析 第二章集箱受力分析 對于鍋爐受壓元件的失效分析其中的重要內(nèi)容是分析使元件發(fā)生失效喪 失承載能力的應(yīng)力狀態(tài) 對于斷裂失效的研究更不能脫離開 與裂紋走向垂直 方向使裂紋發(fā)生 發(fā)展的應(yīng)力 對于本研究課題中失效的集箱 外徑為2 1 9 鋤 內(nèi)徑為1 6 9 衄 外徑與內(nèi)徑之比為1 2 9 5 大于厚壁圓筒型元件的判定標(biāo)準(zhǔn)n 4 3 1 1 一1 2 所以應(yīng)該對集箱按照厚壁圓筒進行分析 2 1 厚壁圓筒的受力理論分析 如圖2 1 所示厚壁圓柱形筒體的內(nèi)半徑為r 外半徑為r 承受內(nèi)壓為鼻 外壓為 2 1 1 厚壁圓筒的基本方程 圖2 1 厚壁圓筒受力示意圖 由于應(yīng)力分析的復(fù)雜性 如果完全精確的考慮所有方面的因素 則列出的方 程肯定會十分的復(fù)雜 而且也不會得出結(jié)果 考慮了問題的主要方面 采用 了彈性力學(xué)的分析方法進行計算 彈性力學(xué)作了如下的假定 假定物質(zhì)是連續(xù)的 物體是完全彈性的 假定物體是均勻的 假定物體是各向同性的 假定位移和形 l o 第二章集箱受力分析 l l l 一 變是微小的 在滿足彈性力學(xué)假定的前提下 通過對筒壁內(nèi)任意位置的微元體進 行受力平衡分析 幾何變形分析 應(yīng)力與應(yīng)變的分析分別列出了平衡方程 幾何 變形方程 物理方程來進行求解 1 平衡萬槿 q 徑向應(yīng)力 q 環(huán)向應(yīng)力 y o j r 一 缸 誓a r x r d 力捌z 一緲刪z 一訓(xùn)比如竽 億 魯a z 妒a r a p 一 脅d 日 k r a 捌枷 2 山 只 o c 吒 魯 舢d r 州眥 魯州 a 棚似卅眥嘶a a 眥一 2 2 z o 圖2 2 微元體受力示意圖 因為加值很小 可取s i i l 棚 2 卯 2 化簡并略去高階微量 得 一口 j 1 f 戤 方r 百m y 牟咖 第二章集箱受力分析 一 i l l l l 一 孽 車 蛆 墨 o 甜 a zr l 彗 蓽 奠 足 o d zc f rr 2 3 2 幾何方程 在r z 平面內(nèi) 沿r 和z 方向取微小長度p a d r p c d z 假設(shè)變形后p a c 分別移動到p a c i 廣睜 一 磬打卜 t 一 娑士 矗f 易 z 下一 貯 0 一 爭 p pm1 j 墮 r 爭 lk 工 o 一 平面 一口平面 圖2 3 厚壁中的微元體位移圖 由幾何變形關(guān)系 可求得線段p a 的正應(yīng)變 為 p 一絲 二絲 竺二 二妾 二二竺二竺 塑 礦 弋f 一2 面 線段p c 的正應(yīng)變 為 p c 一p c w 筆d z w d z a w 礦 f 一 i p a 和p c 間的直角變化 即剪應(yīng)變?yōu)?2 4 2 5 艫臥反 等 警 2 6 oroz 在r e 的平面內(nèi) 沿r 和e 方向取微元線段p a dr p b r d e 變形后 p a b 分別移動到p 7 a b 由于對稱性 p 點和b 點移到p 7 點和b 7 的位移分量均 1 2 第二章集箱受力分析 而 為u a 點移到a 點的位移分量為 搴d r d r p b 一p b 島 葡 由此 空間軸對稱的幾何方程為 3 物理方程 a r 萬 d p 島 一 廠 a w s z i o 廠 a wa 面 瓦o rd z 吉 q p t 島 吉 一肛 q 吼 乞 吉 t p q 托 三掣勺 n r e 2 r 1 3 2 7 7 2 8 2 9 2 1 0 第二章集箱受力分析 一 一 吒 南 南g 吒2 而似 高 鏟南 南e 2 而 一 高e 吒 南幢 南d吒2 而似z 高 e t 2 而 2 1 1 具體的對于承受均勻內(nèi) 外壓的厚壁圓筒 若簡體的幾何形狀 載荷 支承 情況沿z 軸沒有變化 所有垂直于軸線的橫截面在變形后仍保持為平面 則 勺 o o 即u 只決定于r w 只決定于z 則各個方程簡化為以下 形式 平衡方程 不計體力 幾何方程 變形協(xié)調(diào)方程 物理方程 堅 二亟 o d r 墮 o d z 2 一1 2 驢等 鏟等 鏟警 孕 三 粵一蘭 一島 2 d d 圭 q p 以 島 圭 一肛 町十仃 丟 吼一p q 嘞 1 4 2 1 5 第二章集箱受力分析 今 q 2 南 南e q 2 而 s 南e 南 口 南g 2 而 口 南g 吼2 南 南p 仃 一i 一p l 雎 1 2 7 由式 2 1 5 得 一島 半 q 一 魯 吉c 魯一盧爭 矗re a r 7 a r 魯一 魯 半 q 一 d 廠 d 7 97 2 1 2 厚壁圓筒的應(yīng)力和位移解 2 1 6 2 1 7 2 一1 8 采用位移法求解在均勻內(nèi) 外壓作用下的厚壁圓筒 將幾何方程式代入物理 方程式 得出用位移分量表示的物理方程 q 南c 詈 南力 q 2 而 石 高力 三攔 j l p 2 面 7 高p 吼 南毫 南d 仃 二一p l d z1 2 雎7 將式 2 1 9 帶入平衡方程式 得 軎七軎號 o出2 d r 2 粵 o d z 2 2 1 9 2 2 0 第二章集箱受力分析 它的通解為 q 爭 2 2 1 式 2 2 1 中c 1 c 2 為積分常數(shù) 2 2 1 代入 2 1 9 得 式 2 2 2 中 q c 3 一號 巳 爭 o 2 弘c 3 e z 2 2 2 2 2 3 當(dāng)厚壁圓筒同時承受均勻內(nèi)壓a 和均勻外壓見時 其邊界條件 足 q 鴨i 2 2 4 r q 一p o j 將邊界條件式 2 2 4 代入式 2 2 2 得 白 摯 q 罐掣 將c 3 c 4 值代入式 2 2 2 得 2 2 5 c r r 背一繁鏟 協(xié)2 6 摯 辮j 由軸向平衡條件萬 尺 一群 仃 萬砰p f 一萬群凡 1 6 塑舡 墮卜 乞 旦 而 i i 哆 吖 第二章集箱受力分析 l 一 求得 吼 摯 島 砥一璉 3 由式 2 2 2 的第三式 式 2 2 3 并代入c 3 值 得 p 半q 半 摯 c l 業(yè)厶 垃壁旦 笠絲 c 彳鏟子 與產(chǎn) 己 坐c 坐壁笠 旦 2 鏟彳鏟彳 帶 將c l c 2 值代入式 2 2 1 得兩端封閉的厚壁圓筒的位移表達式 2 e 一肆 2 2 厚壁圓筒溫差應(yīng)力分析 2 2 7 2 2 8 半雩掣 2 2 9 e 一群 圖2 4 厚壁圓筒中的溫度分布圖 取基準(zhǔn)溫度為0 c 若彈性體的微單元體積加熱到t c 且允許自由膨脹 1 7 第二章集箱受力分析 則此單元體在各個方向產(chǎn)生的熱應(yīng)變?yōu)?t 含t 嘗t 0 ct 式中0 為彈性體的線膨脹系數(shù) l o c t 為溫度差 若彈性體受到約束 則在彈性體內(nèi)引起熱應(yīng)力 而熱膨脹不影響剪應(yīng)變 不 產(chǎn)生剪應(yīng)力 因此 彈性體中每個單元體的應(yīng)變?yōu)闊釕?yīng)變與熱應(yīng)力引起的彈性應(yīng) 變所組成 卯 即 式 2 3 1 中 去 畔一 u p 口f 去 一p 口f 去 一 啡 口f z 駕旦 瑙 南p 一卷倒 跏 南口一尚叫 瑙繾 南p 一尚叫 t g 心 2 1 p s 半 一 3 口f p s 一 i 一 q 吒 g 3 口f 不計體力分量 溫差應(yīng)力問題的平衡方程 望 絲 基 o a razr 望 絲 生 o azarr 2 3 0 2 3 1 2 3 2 第二章集箱受力分析 二 二 一 幾何方程 a 2 弋一 aw 2 o l z 2 3 3 由于本課題厚壁圓筒發(fā)生裂紋的部位不在端部 而在中間部位 所以可以認(rèn) 為不記邊緣效應(yīng)影響 在熱應(yīng)力狀態(tài)下 所有垂直于軸線的斷面變形相同 且保 持平面 則 杉8 杉8 z o 7 日 吒 o 且 為常量 徑向位移u 只決定于r 軸向位移w 只決定于z 沒有 方向的 位移 則方程簡化為式 平衡方程 幾何方程 物理方程 式中 垡 垡二當(dāng) o d 垡 o d z 仁警 等 警 石 7 g i 一劃等 尚g(shù) 一尚 一瑙 等 南p 一尚引 2 g 南滬卷訓(xùn) p 嬰 蘭 p 一十一十e rr 將物理方程代到平衡方程 有 1 9 2 3 4 2 3 5 2 3 6 2 3 7 一z a a等孝 爵 杉 f 一 d d a 業(yè)w 一一 一2 一 一 一打 o p一2 旦戶壘兒爭等 第二章集箱受力分析 l l 一 上式中第一式可寫成 船扣 等b石l 7 石似o j 苛j a 盂 對上式積分兩次 得 等盼 即爭 將上式代入幾何方程式 得 乒警2 斟黟a 口 卜爭 弘等2 等琦m 腳爭 掣 常數(shù) 了一 常效 d z 將式 2 3 3 代入式 2 3 1 得溫差應(yīng)力表達式 一南卜吩等彰 一百j 萬7 打辦 c 3 一尹 啡2 南p 一囂腳筍 啡2 百i 了7 辦一主蓋 c 3 尹 一罷 2 c 3 蹦 一一 2 正正g e 窖 j 一 c 墨 芻 絲曼 式中 3 1 1 2 c 4 魯 c 3 c 4 由應(yīng)力邊界條件決定 2 3 8 2 3 9 2 4 0 2 4 1 本研究課題中由于失效集箱的裂紋為外壁環(huán)向裂紋 從外壁向內(nèi)壁深入 只關(guān)心與垂直于裂紋方向的外壁面的應(yīng)力狀態(tài) 所以先認(rèn)為 僅沿簡體壁厚方向 存在溫度差 不承受其它載荷 則邊界條件為 第二章集箱受力分析 i 一焉籬鬈 一番 e 聯(lián)立求解上述方程 護d c 3 護d c 3 c 32 而罱麗e 脅 一正面兩j 焉 吖 c 4 砰c 3 再景麗e 護d 廠 掣g 最r 脅 e r 一r jj 一 2 4 2 2 4 3 圓簡體在穩(wěn)定傳熱情況下 沿壁厚上任意一點距離圓心r 處的溫度t 的分布為 將式 2 一 代入計算式中的積分式 伽 2 毒陋扣l n 魯 竽h 專一竿 由此 肛 壺n 墨 h 等一華h 砰b 魯一竽 f i 將式 2 4 6 代入式 2 4 3 得 2 1 2 4 4 l 6 2 4 5 2 4 6 o o 卸卸 卸伊 伊 吼航叫 州艫撕 0忙忙r 0 o q一砰q一 一 一 d e q 肛 一 絲唧 譬 歌 得 之 l l r 組 h 一 掣 第二章集箱受力分析 g 2 南嶺掣h 咖等掣 f 1 q 砰g 掣g 丘 將式 2 4 5 的表達式為 2 4 7 式 2 4 7 代入式 2 4 1 經(jīng)化簡整理得厚壁圓筒溫差應(yīng)力 群一繁魯 哪 一籌魯 以一繁魯 1 1 1 盈翼一l 匕一匕 h 等冬一 專 霎蘭i l h 等 籌一 i 專事 h 魯 幕一 令k 2 魯 墨 爭一硝嘞c 籌魯則式像4 8 變?yōu)?c 普 蠱i 西 e 等一豁l 毋 等一擊l 2 4 8 2 4 9 式 2 4 9 是厚壁圓簡僅存在徑向溫差時的應(yīng)力表達式 溫差應(yīng)力沿簡壁厚度的 分布如圖2 5 所示 第二章集箱受力分析 廣礦 i l 2 弘 n 犬 r j 一 r 如 f 礦 強 l 叭 冠 p 一 氣 矗 i 弛 曩 山氈 圖2 5 厚壁圓筒中的應(yīng)力分布圖 厚壁圓筒中 溫差應(yīng)力與溫度差 t 成正比 而與溫度本身的絕對數(shù)值無關(guān) 因此在圓筒內(nèi)壁或外壁進行保溫 以減小內(nèi) 外壁的溫度差 可以降低厚壁圓筒 的溫差應(yīng)力 三向應(yīng)力沿壁厚均為非均勻分布 其中 軸向應(yīng)力是環(huán) 周 向應(yīng) 力與徑向應(yīng)力之和 即 哦 在內(nèi) 外壁面處 徑向應(yīng)力為零 軸向應(yīng) 力和環(huán) 周 向應(yīng)力分別相等 且最大應(yīng)力發(fā)生在外壁面處 溫差應(yīng)力是由于各 部分變形相互約束而產(chǎn)生的 因此應(yīng)力達到屈服極限而發(fā)生屈服時 溫差應(yīng)力不 但不會繼續(xù)增加 而且在很大程度上會得到緩和 這就是溫差應(yīng)力的自限性 它 屬于二次應(yīng)力 2 3 失效鍋爐的基本情況及計算結(jié)果 2 3 1 鍋爐的基本情況 表2 1 鍋爐的主要規(guī)范 堡 旦一 單位 額定值 額定蒸發(fā)量 t h3 5 汽包工作汽壓力肝a 5 8 2 過熱器出口壓力肝a 5 3 過熱蒸汽溫度 4 8 5 高溫過熱器介質(zhì)進口溫度 4 0 8 2 3 第二章集箱受力分析 項目單位額定值 低溫過熱器介質(zhì)出口溫度 省煤器進口給水溫度 爐水飽和溫度 空氣預(yù)熱器進口風(fēng)溫 空氣預(yù)熱器出口風(fēng)溫 燃燒室理論燃燒溫度 燃燒室出口煙溫 冷渣管出口煙溫 高溫過熱器出口煙溫 低溫過熱器出口煙溫 省煤器出口煙溫 空氣預(yù)熱器出口煙溫 給水壓力肝a 水冷壁下集箱 發(fā)生失效 工作壓力 歸a 注 燃燒方式為鏈條爐排層燃 設(shè)計的燃料為開灤煙煤 4 4 0 1 0 4 2 7 8 2 0 3 0 1 3 0 1 6 5 0 9 9 3 9 6 0 8 7 0 6 3 7 2 4 0 1 5 4 8 7 5 6 0 表