趙嘉煜 楊自春 曹躍云 李昆鋒 司亞軍(海軍工程大學(xué) 武漢 430033)
緊急啟動(dòng)及停爐后增壓鍋爐熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析
趙嘉煜 楊自春 曹躍云 李昆鋒 司亞軍
(海軍工程大學(xué) 武漢 430033)
針對(duì)船用增壓鍋爐在頻繁啟、停爐過程中,熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)中的耐火材料易出現(xiàn)的斷裂、脫落等問題,采用有限元分析法對(duì)熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)進(jìn)行強(qiáng)度校核,分析出現(xiàn)損傷的結(jié)構(gòu)部件及耐火材料發(fā)生斷裂的原因,對(duì)增壓鍋爐的安全使用與預(yù)防損壞具有一定的參考意義。
增壓鍋爐 熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu) 溫度場 應(yīng)力場 強(qiáng)度分析
增壓鍋爐依靠能建立高增壓的軸流式壓氣機(jī)向爐膛中連續(xù)輸送空氣,在減小體積的同時(shí),增大了爐膛內(nèi)的氣壓,使空氣與燃油燃燒更加充分,但這也使得增壓鍋爐爐膛內(nèi)的工作環(huán)境更加復(fù)雜。作為整個(gè)增壓鍋爐支撐部分的熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)要承受多種載荷作用,極易受復(fù)雜環(huán)境如超高溫反復(fù)作用的影響造成耐火材料熔融流淌,出現(xiàn)斷裂、脫落的情況,進(jìn)而導(dǎo)致熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)的垮塌,造成增壓鍋爐的損毀[1]。
導(dǎo)致熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂情況的原因有很多,其中由于高溫高壓煙氣的熱沖擊作用產(chǎn)生的熱應(yīng)力是最主要的原因。國內(nèi)外眾多學(xué)者針對(duì)各種耐火陶瓷材料的強(qiáng)度問題,尤其是碳化硅耐火磚進(jìn)行了大量研究,從其微觀結(jié)構(gòu)特征到宏觀物理性質(zhì)都做出了較為詳細(xì)的探索,取得了大量科研成果[2-4]。同時(shí),對(duì)于增壓鍋爐的各個(gè)組成部分,也有學(xué)者做了大量的研究工作[5-8]。增壓鍋爐中的熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)是由多材料多部件組成的一個(gè)整體,在工作時(shí)彼此間存在互相影響,任何一部分都有可能發(fā)生失效進(jìn)而導(dǎo)致增壓鍋爐的破壞。本文將熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)作為一個(gè)整體進(jìn)行熱結(jié)構(gòu)耦合分析,對(duì)其在緊急啟動(dòng)工況以及緊急停爐后降溫的過程中可能出現(xiàn)的不滿足強(qiáng)度要求的情況加以分析。
增壓鍋爐中的熱防護(hù)磚襯是由多種材料、多種部件組成的復(fù)合結(jié)構(gòu),如圖1所示,從迎火工作面由內(nèi)向外依次是SiC結(jié)合Si3N4的耐火磚、耐火可塑料、復(fù)合氧化鋁纖維絕熱板、14Cr23Ni18號(hào)耐熱鋼制成的內(nèi)爐板以及作為固定用的弓形夾和銷釘。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)示意圖
運(yùn)用CAD軟件建立熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)的三維模型,如圖2所示。
圖2 熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)三維簡化模型
熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)各組成材料的物理參數(shù)見表1、表
2[9-11]。
表1 材料屬性值
表2 碳化硅耐火磚部分材料屬性
溫度/°C 200 400 600 800 1200 1400熱膨脹系數(shù)°C-11.67E-064.47E-064.82E-065E-06- -熱導(dǎo)率/ (W/m·C) 19.8 17.31 15.75 15.72 14.85 14.81
本文通過有限元法,對(duì)熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)在緊急啟動(dòng)工況下的溫度場分布進(jìn)行分析,再將分析結(jié)果作為結(jié)構(gòu)分析的載荷施加到熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)上,分析由溫度變化引起的熱應(yīng)力。首先使得增壓鍋爐在室溫下緊急啟動(dòng),15min后達(dá)到穩(wěn)定工況,隨后工作1h停爐,經(jīng)過5000s自然冷卻降溫,分析流程如圖3所示。
圖3 熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)安全性分析流程
3.1 鍋爐爐膛中熱交換的物理模型
鍋爐爐膛中的溫度很高:燃燒基點(diǎn)的火焰溫度高達(dá)1800~1900℃,出口處煙氣溫度達(dá)1200~1500℃,而煙氣的運(yùn)動(dòng)速度不高,因此輻射熱交換起著主導(dǎo)作用[1]??梢园褷t膛看成兩個(gè)進(jìn)行輻射熱交換的物體,分別是外表面等于爐膛壁表面的火焰與熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)。為了簡化分析的過程,筆者做出以下兩點(diǎn)假設(shè):
1)火焰將整個(gè)爐膛的空間占滿,火焰和高溫?zé)煔獾妮椛浞艧峋哂幸粋€(gè)平均溫度Thy。
2)輻射通量在計(jì)算表面上的照射是均勻分布的。
基于上述條件下,得出增壓鍋爐爐膛內(nèi)的熱輻射傳熱數(shù)量,見式(1):式中:αT——推算出的爐膛黑度;
σ0——斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù);
Ffs——輻射受熱面積;
Thv——火焰即煙氣的溫度;
Tzb——耐火磚磚壁的溫度。
則得到輻射熱量趨勢圖如圖4所示。
圖4 耐火磚迎火面輻射換熱量
3.2 邊界條件、初始條件及約束的確定
根據(jù)式(1)計(jì)算得出的輻射熱交換量得出溫度上升趨勢,可大致得出耐火磚表面的升溫情況,如圖5所示:
圖5 耐火磚磚壁溫度
同時(shí),在熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)背部鋼板處,快速通過受到預(yù)加熱處理的空氣,其溫度為100℃,實(shí)現(xiàn)與熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)的熱交換,根據(jù)外掠平壁層流強(qiáng)迫對(duì)流換熱近似解可得到對(duì)流換熱系數(shù)見式(2):
式中:Rex——以x為特征長度的雷諾數(shù);
Pr——普朗特?cái)?shù);λ——流體導(dǎo)熱系數(shù)。
根據(jù)上式及操作手冊(cè)可得到對(duì)流換熱系數(shù)約為100W/m2·K。
在增壓鍋爐停止工作后,一般情況下通過自然冷卻。分析在溫度下降過程中所產(chǎn)生的應(yīng)力對(duì)于整個(gè)熱防護(hù)磚襯的影響,方式為輻射換熱,發(fā)射率為0.8。而在背部內(nèi)爐板處,也停止通入預(yù)熱空氣,同樣通過輻射換熱的方式使內(nèi)爐板溫度降低,發(fā)射率為0.7。
第一類邊界條件:物體邊界上的溫度已知,用式(3)表示為:
第三類邊界條件:與物體相接觸的流體介質(zhì)的溫度和換熱系數(shù)已知,用式(4)表示:
式中:fT——流體介質(zhì)的溫度;α——換熱系數(shù)。
初始條件是指傳熱過程開始時(shí),物體在整個(gè)區(qū)域中所具有的溫度為已知值,用式(5)表示:
式中: ),( yx? ——已知溫度函數(shù)。在本文中,將初始溫度設(shè)為室溫22℃。
在結(jié)構(gòu)分析中,還需要對(duì)熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)添加約束,首先需要對(duì)固定整個(gè)結(jié)構(gòu)的螺栓施加螺栓預(yù)緊力,由于材料采用鎳鉻合金鋼,所以其強(qiáng)度等級(jí)為12.9級(jí),通過實(shí)驗(yàn)可測得螺栓預(yù)緊力約為100N。
由于熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)的背部鋼板是通過焊接的方式固定在墻上,所以對(duì)鋼板的四周假設(shè)固定邊界條件約束,同時(shí)對(duì)通過螺栓及銷釘?shù)目资┘庸潭s束,如圖6,圖7所示,
圖6 螺栓預(yù)緊力
圖7 內(nèi)爐板四周固定邊界約束
3.3 熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)溫度場分析
對(duì)上述確定的邊界條件進(jìn)行分析,首先將熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分如下,為了減小計(jì)算量,對(duì)于重點(diǎn)分析的部件如耐火磚采用六面體網(wǎng)格,而對(duì)分析結(jié)果過影響不大的部件如耐火泥則采用四面體網(wǎng)格,具體結(jié)果如圖8所示。
圖8 熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格劃分
緊急啟動(dòng)工況下熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果如圖9~圖12所示:
圖9 t=300s時(shí)溫度場分布
圖10 t=900s時(shí)溫度場分布
圖11 t=2000s時(shí)溫度場分布
圖12 t=4500s時(shí)溫度場分布
由圖9~圖12可看出,在增壓鍋爐緊急啟動(dòng)時(shí),爐膛內(nèi)溫度迅速升高,由于耐火磚與銷釘、弓形夾等導(dǎo)熱系數(shù)較大,而耐火泥與絕熱板導(dǎo)熱系數(shù)較小,所以隨著時(shí)間的推移逐漸形成溫度梯度,耐火磚與銷釘、弓形夾溫度升高較快,而耐火泥與絕熱板溫度升高較慢。由于絕熱板的隔熱效果良好,所以熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)背部的鋼板受到很好的保護(hù),其溫度由圖中可以看出約為115℃,與實(shí)際工作中所測得的110℃基本相符,滿足安全性需要。對(duì)于銷釘及弓形夾,當(dāng)熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)達(dá)到穩(wěn)定時(shí),其溫度如圖13所示,
圖13 鉚固件溫度分布
從圖13可以看出最高溫度為680℃左右銷釘,由于部件材料為鎳鉻合金耐熱鋼,其最高可承受約900℃的高溫,所以在此工況下不會(huì)引起金屬材料受高溫而發(fā)生的蠕變行為,對(duì)于熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)是安全的。
對(duì)于增壓鍋爐停爐后的冷卻情況,根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況,需要大約24h可恢復(fù)至室溫狀態(tài)。在降溫的初始階段熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力最大,也最容易對(duì)其造成破壞,應(yīng)該重點(diǎn)分析。下面是停爐后前5000s熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)的溫度分布,如圖14~圖17所示。
圖14 t=500s時(shí)溫度場分布
圖15 t=1800s時(shí)溫度場分布
圖16 t=4000s時(shí)溫度場分布
圖17 t=5000s時(shí)溫度場分布
由圖14~圖17可看出,在停爐后,由于增壓鍋爐爐膛內(nèi)仍存在大量高溫?zé)煔?,影響耐火磚對(duì)外輻射,使得熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)的冷卻過程是一個(gè)相對(duì)漫長的過程,但是背部內(nèi)爐板由于停止通過預(yù)熱空氣后,環(huán)境溫度下降迅速,所以冷卻速度相對(duì)較快。
3.4 熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)應(yīng)力場分析
將溫度場的分布結(jié)果導(dǎo)入結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析模塊中,得到熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)在升溫與降溫過程中的應(yīng)力分布情況。因?yàn)槟突鸫u是直接承受熱沖擊的部件,所以重點(diǎn)分析耐火磚與鉚固件的應(yīng)力情況。
首先是升溫過程,當(dāng)耐火磚受熱時(shí),由于熱傳導(dǎo)的原因,表面與內(nèi)部溫度并不相同,造成溫度梯度,溫度高的部分會(huì)有膨脹的趨勢,但是內(nèi)部溫度低的部分會(huì)產(chǎn)生一種相對(duì)力阻止這種膨脹趨勢,所以耐火磚的受熱表面在升溫過程中受到的是壓應(yīng)力的作用,不會(huì)對(duì)其產(chǎn)生損壞。對(duì)于背部鋼板,由于磚襯結(jié)構(gòu)受熱產(chǎn)生向外膨脹的趨勢,在螺栓預(yù)緊力的作用下,會(huì)在螺母與鋼板接觸處產(chǎn)生應(yīng)力集中,需要對(duì)其應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度校核,根據(jù)計(jì)算可知,在熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)溫度達(dá)到穩(wěn)定時(shí)所產(chǎn)生的拉應(yīng)力最大,如圖18所示,
圖18 內(nèi)爐板所受應(yīng)力分布
其最大應(yīng)力可達(dá)410MPa,接近其屈服極限約480MPa,雖然仍在許用范圍內(nèi),但極有可能發(fā)生塑形變形情況,造成對(duì)磚襯結(jié)構(gòu)的破壞,在實(shí)際運(yùn)行增壓鍋爐時(shí)應(yīng)注意避免出現(xiàn)這種狀況。對(duì)于弓形夾部分,所受的拉應(yīng)力很小,遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到屈服極限,屬于安全范圍內(nèi)。對(duì)于銷釘,由于在升溫過程中,銷釘?shù)臒崤蛎浵禂?shù)大于耐火泥的熱膨脹系數(shù),所以銷釘受熱膨脹時(shí)受到周圍耐火泥的約束,使得銷釘沿軸向受到壓應(yīng)力,同時(shí)由于耐火磚的受熱變形,也會(huì)使得銷釘在徑向產(chǎn)生一定的剪應(yīng)力,其大小如圖19~圖20所示。
圖19 銷釘所受壓應(yīng)力
圖20 銷釘所受剪應(yīng)力
其所受壓應(yīng)力與剪應(yīng)力都很小,遠(yuǎn)低于其屈服極限,符合強(qiáng)度要求。
在增壓鍋爐停爐后的降溫過程中,由于耐火磚表面溫度下降快,而內(nèi)部溫度下降慢。會(huì)導(dǎo)致耐火磚外表面受到拉力作用,容易產(chǎn)生裂紋,甚至出現(xiàn)脆性斷裂情況,分析結(jié)果如圖21所示,
圖21 耐火磚表面拉應(yīng)力
圖21 中所示最大主應(yīng)力方向?yàn)閆向,其大小約為50MPa,接近耐火磚高溫平均抗折強(qiáng)度45MPa,即產(chǎn)生裂紋的主要原因,如果增壓鍋爐反復(fù)啟動(dòng)停爐的話,耐火磚表面由于受到循環(huán)載荷的作用,極易出現(xiàn)裂紋萌生甚至裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展的情況,導(dǎo)致耐火磚斷裂脫落,進(jìn)而使得熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)安全性降低。斷裂強(qiáng)度是陶瓷本身的重要特征參數(shù)[12],主要取決于原子間的結(jié)合力:
式中,σth——理論斷裂強(qiáng)度;
——表面能。
想要得到高強(qiáng)度的固體,要求E和Sγ大,0a小,表面能Sγ可近似表示為
可得σth≈0.1E。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知耐火磚所受應(yīng)力遠(yuǎn)小于其斷裂應(yīng)力,所以在緊急工況下或停爐降溫降時(shí)不會(huì)發(fā)生脆性斷裂,滿足結(jié)構(gòu)安全性要求。
本文通過對(duì)增壓鍋爐爐膛內(nèi)的熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)在緊急啟動(dòng)工況下及迅速冷卻情況下的熱-結(jié)構(gòu)耦合分析,得出溫度場與應(yīng)力場的分布,對(duì)影響結(jié)構(gòu)安全性的重點(diǎn)部位進(jìn)行分析,得出在此工況下熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)的整體安全性符合使用需要,但局部仍存在一定風(fēng)險(xiǎn),可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效,是在以后的使用過程中應(yīng)當(dāng)盡量避免的問題。
同時(shí),在對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行模擬時(shí)采取了許多簡化方法,可能導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況有一定出入,但是計(jì)算時(shí)的假定情況相較于實(shí)際對(duì)其安全性要求更高,所以可以作為實(shí)際工作中結(jié)構(gòu)安全性的參照。
另外,由于熱防護(hù)磚襯結(jié)構(gòu)涉及到多材料多物體的組成,其中一些細(xì)節(jié)如接觸面間的熱傳導(dǎo)率、剛度函數(shù)等因素沒有過多考慮,但是他們也會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)整體的溫度場分布與應(yīng)力變化產(chǎn)生影響,是以后應(yīng)研究分析的重點(diǎn)。
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Strength Analysis of Thermal-protective Tiles Lining in the Supercharged Boiler under an Emergency Running and Stopping Condition
Zhao Jiayu Yang Zichun Cao Yueyun Li Kunfeng Si Yajun
(Naval University of Engineering Wuhan 430033 )
To solve problems like fracture and drop of the thermal-protective materials in the thermal-protective tiles lining when the suoercharged boiler runs and stops repeatedly.This paper uses the fi nite element method to check the strength of the thermal-protective tiles lining,finding out the components that may appear destruction and their reasons of the fracture.We can offer the guide how to run a suoercharged boiler safely and predict destructions.
Supercharged boiler Thermal-protective tiles lining Temperature field Stress field Strength analysis
X933
B
1673-257X(2014)10-48-07
10.3969/j.issn.1673-257X.2014.10.013
趙嘉煜(1989~),男,碩士,主要研究方向?yàn)閯?dòng)力及熱力系統(tǒng)的科學(xué)管理。
2014-05-15)