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超超临界锅炉过热器管超温蠕变应力松弛规律研究

林齐叠 严祯荣 王化南 陈乐 卫荆涛

林齐叠, 严祯荣, 王化南, 陈乐, 卫荆涛. 超超临界锅炉过热器管超温蠕变应力松弛规律研究[J]. 上海工程技术大学学报, 2021, 35(4): 333-339.
引用本文: 林齐叠, 严祯荣, 王化南, 陈乐, 卫荆涛. 超超临界锅炉过热器管超温蠕变应力松弛规律研究[J]. 上海工程技术大学学报, 2021, 35(4): 333-339.
LIN Qidie, YAN Zhenrong, WANG Huanan, CHEN Le, WEI Jingtao. Study on relaxation rule of over temperature creep stress in superheater tube of ultra-supercritical boiler[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2021, 35(4): 333-339.
Citation: LIN Qidie, YAN Zhenrong, WANG Huanan, CHEN Le, WEI Jingtao. Study on relaxation rule of over temperature creep stress in superheater tube of ultra-supercritical boiler[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2021, 35(4): 333-339.

超超临界锅炉过热器管超温蠕变应力松弛规律研究

基金项目: 上海市市场监督管理局科技资助项目(NO:2021-27)
详细信息
    作者简介:

    林齐叠(1995−),男,在读硕士,研究方向为特种设备安全技术. E-mail:875557423@qq.com

    通讯作者:

    严祯荣(1972−),男,教授,博士,研究方向为能源清洁利用和设备安全技术. E-mail:yanzr2010@163.com

  • 中图分类号: X933

Study on relaxation rule of over temperature creep stress in superheater tube of ultra-supercritical boiler

  • 摘要: 超超临界锅炉高温过热器集箱出口区域的过热器管易处于超温运行的环境,产生蠕变应力松弛导致材料失效. 基于Norton蠕变模型,以烟气温度750℃、蒸汽温度600℃、蒸汽压力26 MPa的运行工况,模拟T91过热器管壁在长时间热诱导中产生的应力松弛行为及蠕变分布. 模拟结果显示,过热管应力松弛现象首先发生在管内壁面,随着时间累计沿着径向方向扩散;10000 h后内壁面出现应力松弛且松弛加速;同时管壁面在应力松弛的过程中发生高温蠕变行为,且蠕变行为首先出现在内壁面并沿着径向扩散,内壁面蠕变程度高于外壁面;10000 h后管壁面厚度开始减薄. 研究结果表明:超超临界锅炉过热器管超温运行10000 h是蠕变应力松弛到蠕变损伤的时间拐点.
  • 图  1  过热器管模型图

    Figure  1.  Superheater tube model diagram

    图  2  过热器管网格图

    Figure  2.  Superheater tube grid diagram

    图  3  过热器管壁温度场分布

    Figure  3.  Temperature field distribution of tube wall of superheater

    图  4  过热器管壁应力分布规律

    Figure  4.  Stress distribution law in tube wall

    图  5  管壁径向应力随时间变化

    Figure  5.  Variation of radial stress of tube wall with time

    图  6  不同时间壁面径向位置应力分布

    Figure  6.  Stress distribution in radial position of wall surface at different times

    图  7  过热器管壁蠕变分布图

    Figure  7.  Creep distribution of superheater tube wall

    图  8  不同时间过热器管壁径向蠕变分布

    Figure  8.  Radial creep distribution of superheater tube wall at different times

    图  9  壁厚随蠕变时间的变化

    Figure  9.  Variation of wall thickness with creep time

    表  1  T91物性参数

    Table  1.   Physical parameters of T91

    参数温度/℃
    500600700
    导热系数/(W·m−1·K−1) 29 29 29
    线膨胀系数/K−1 1.21×10−5 1.24×10−5 1.26×10−5
    比热容/
    (J·kg−1·K−1)
    630 800 860
    密度/(kg·m−3) 7770 7770 7770
    弹性模量/GPa 181 168 165
    泊松比 0.3 0.3 0.3
    屈服强度/MPa 410 326 158
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    表  2  烟气与蒸汽物理参数

    Table  2.   Physical parameters of flue gas and steam

    蒸汽压力/
    MPa
    蒸汽温度/
    烟气温度/
    蒸汽换热系数/
    (W·m−2·℃−1)
    烟气换热系数/
    (W·m−2·℃−1)
    26 600 750 2053.65 123.51
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    表  3  网格统计

    Table  3.   Grid statistics

    最小尺
    寸/mm
    平均尺
    寸/mm
    四面体
    数量/个
    三角形
    数量/个
    顶点数
    量/个
    边单元
    数量/个
    网格顶点
    数量/个
    0.19530.6586101952101721649619563
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    表  4  T91钢蠕变参数

    Table  4.   Creep parameters of T91 steel

    参数温度/℃
    600620625
    n 16.36 14.25 7.70
    B 1.259×10−40 7.409×10−35 3.786×10−19
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    表  5  T91过热器管壁面不同径向位置仿真与试验等效应力

    Table  5.   Simulation and experimental equivalent stress of T91 superheater tube wall at different radial positions

    过热器管壁径向位置/mm10.114.519.0
    10 h后应力仿真结果/MPa 62.3 30.1 18.2
    10 h后应力试验值/MPa 63.5 30.9 19.0
    104 h后应力仿真结果/MPa 58.7 31.2 18.2
    104 h后应力试验值/MPa 57.4 30.5 17.8
    105 h后应力仿真结果/MPa 51.0 32.1 18.7
    105 h后应力试验值/MPa 52.3 34.7 20.9
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    表  6  T91过热器管壁面厚度仿真与试验测量值

    Table  6.   Simulation and experimental measurements of tube wall thickness of T91 superheater

    参数仿真值试验测量值
    壁面厚度/mm8.9968.994
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  • 收稿日期:  2021-09-07
  • 刊出日期:  2022-02-23

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