一种基于炉管氧化皮的有限元模拟的寿命预测方法与流程

本发明涉及一种寿命预测方法，尤其是涉及一种基于炉管氧化皮的有限元模拟的寿命预测方法。

背景技术：

随着电力行业的飞速发展，燃煤锅炉日益被建设和改造成为超临界机组和超(超)临界机组，这样不仅可以提升效率，扩大容量、还能大幅度的降低污染物的排放，从而更有效地节省资金成本、提高能源利用。而目前提高燃煤发电机组的发电效率主要通过改变参数的途径：如提升蒸汽的初始温度和压力、降低蒸汽在服役结束时的温度和压力、升高再热次数和回热次数等等。但是，随着机组蒸汽初始参数的提升，超临界机组和超(超)临界机组在服役过程中，机组的水冷壁管、省煤器管、再热器管和过热器管(简称“四管”)及其容易发生爆管、裂纹和砂眼。因此，“四管”的安全性成了高参数机组的重要影响因素。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于炉管氧化皮的有限元模拟的寿命预测方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于炉管氧化皮的有限元模拟的寿命预测方法，包括：

步骤s1：分别建立单侧和双侧氧化膜炉管模型；

步骤s2：针对不同层数的氧化膜结构，模拟得到钢化膜生长规律和温度场，并基于模拟得到的钢化膜模拟得到应力场；

步骤s3：针对不同物理性质的氧化膜，模拟得到钢化膜生长规律和温度场，并基于模拟得到的钢化膜模拟得到应力场；

步骤s4：基于应力场的模拟结果，得到含氧化膜炉管的寿命预测结果。

所述步骤s1中，单侧氧化膜模型为仅含有蒸汽侧氧化膜的炉管模型，双侧氧化膜模型为同时含有蒸汽侧氧化膜和烟气侧氧化膜的炉管模型。

所述步骤s2中氧化膜的结果至少包括两种：

单层结构；

三层结构，由内至外分别为氧化亚铁层、氧化铁层和四氧化三铁层。

所述步骤s3具体为：针对不同导热系数的的氧化膜，模拟得到钢化膜生长规律，以及温度场和应力场。

所述氧化膜的生长规律为：

其中：x为氧化膜厚度，p为lmp参数，t为管壁平均温度，c为材料系数，t为炉管运行时间。

所述炉管由用t22钢制成，材料系数为20。

所述步骤s4具体为：根据应力场的当量应力，得到不同时间的蠕变损伤：

其中：d为蠕变损伤，σeq为当量应力，m、φ、b、χ为材料的蠕变参数。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)考虑多层氧化膜的双侧炉管氧化膜有限元模型，并对炉管进行寿命预测和分析评估，可以得到更为准确的预测结果。

2)基于温度场和氧化膜厚度得到应力场，可以利用有限元分析软件实现，提高分析效率。

附图说明

图1为本发明的主要步骤流程示意图；

图2为单侧氧化膜模型的几何模型；

图3为双侧氧化膜模型的几何模型；

图4为氧化膜厚度随时间和温度关系的模拟技术路线示意图；

图5为炉管温度变化示意图；

图6为氧化膜厚度增长曲线示意图；

图7为等效应力示意图；

图8为单层氧化膜的炉管模型；

图9为三层氧化膜的炉管模型；

图10为不同氧化膜模型增长曲线；

图11为氧化膜为氧化亚铁时炉管的温度场模拟结果；

图12为氧化膜为四氧化三铁时炉管的温度场模拟结果；

图13为氧化膜为氧化铁时炉管的温度场模拟结果；

图14为氧化膜为三层时炉管的温度场；

图15为氧化膜为氧化亚铁时炉管的应力场模拟结果；

图16为氧化膜为四氧化三铁时炉管的应力场模拟结果；

图17为氧化膜为氧化铁时炉管的应力场模拟结果；

图18为氧化膜为三层时炉管的应力场模拟结果；

图19为氧化膜蒸汽侧温度示意图；

图20为氧化膜与炉管接触面温度示意图；

图21为炉管烟气侧温度示意图；

图22为炉管平均温度示意图；

图23为氧化膜蒸汽当量应力示意图；

图24为氧化膜与炉管接触面氧化膜当量应力示意图；

图25为：氧化膜与炉管接触面炉管当量应力示意图；

图26为炉管烟气侧当量应力示意图；

图27为炉管蠕变损伤示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种基于炉管氧化皮的有限元模拟的寿命预测方法，如图1所示，包括：

步骤s1：分别建立单侧和双侧氧化膜炉管模型，该步骤中，通过ansys软件建立了锅炉炉管及其氧化膜生长模型，在对炉管进行温度场和应力场的模拟时，为了方便计算做如下假设：

①热量的传递过程视为稳态导热；

②炉管在服役期间，没有缺陷和断裂；

③氧化膜的生长无剥落现象发生；

④管壁在初始时刻无氧化膜存在；

⑤在运行中炉管管内温度和压力条件保持不变；

⑥传热过程符合能量守恒定律；

⑦炉管自重对整个过程没有影响；

⑧只考虑蒸汽压力和热应力对炉管的影响。

如图2所示，单侧氧化膜模型为仅含有蒸汽侧氧化膜的炉管模型，作为模型1，如图3所示，双侧氧化膜模型为同时含有蒸汽侧氧化膜和烟气侧氧化膜的炉管模型，作为模型2。

研究对象为t22钢，设定氧化皮形成温度为520℃，将其设为计算参考温度。炉管的蒸汽侧氧化皮压力位高温蒸汽压力18mp，并定义结构边界条件。

对t22钢氧化膜厚度随时间和温度的关系用larson-miller公式表示：

其中：x为氧化膜厚度，p为lmp参数，t为管壁平均温度，c为材料系数，t为炉管运行时间，其中由于炉管由用t22钢制成，材料系数为20，具体技术路线如图4所示，

由下图5、6可以看出烟气侧氧化膜对蒸汽侧氧化膜的厚度没有影响，对整个炉管基体温度影响较大。且在运行过程中炉管烟气侧温度最高，因此该部位为最危险点。

应力场模拟过程如下：图7为等效应力图，由图7可以看出，炉管烟气侧和烟气侧氧化皮的温度和当量应力明显高于其他部位，导致在炉管服役过程中此处最危险。

烟气侧氧化膜对炉管蒸汽侧氧膜当量应力的影响几乎没有变化，对其它界面的当量应力影响很大。在锅炉运行的初始时刻，烟气氧化膜的生成对炉管及蒸汽侧氧化膜有一定的保护作用，但随着运行时间增加烟气氧化皮的生长会大幅度增加炉管基体的应力大小。

步骤s2：针对不同层数的氧化膜结构，模拟得到钢化膜生长规律和温度场，并基于模拟得到的钢化膜模拟得到应力场，

假设当炉管产生氧化膜为三层时，其从内至外分别是feo、氧化铁和四氧化三铁且其厚度比为95:4:1，利用有限元软件对t22钢进行建模分析与数值模拟。图8是把炉管氧化膜视为单层时的几何模型，图9为考虑炉管氧化膜为多层时的几何模型。

利用有限元软件和l-m公式，炉管不同层和不同材料的氧化膜厚度随时间的增长趋势见图10。由此图可知，导热系数的大小决定着氧化膜生长的厚度。其中当炉管氧化膜为单层，成分是氧化铁时，氧化膜厚度最大。

图11至13反映了不同材料的单层氧化膜对炉管温度分布的影响。图14为炉管蒸汽侧氧化膜为三层时炉管的温度分布示意图。通过炉管单层氧化膜和三层氧化膜模型的温度场模拟，可以发现当氧化膜为单层且材料是四氧化三铁时，炉管与氧化膜平均温度最高，因此氧化膜的导热系数在炉管温度分布中起着至关重要的做用。当氧化膜导热系数比较大时，热量传递快，温差小，温升低；当氧化膜导热系数比较小时，热量传递慢，温差大，温升高。

图15至17是单层氧化膜炉管模型的当量应力分布示意图。氧化膜材料分别为feo、四氧化三铁和氧化铁。当氧化膜为三层时的炉管各个界面当量应力随时间变化的趋势示意图见图18。

通过对图13至图16的比较，三层氧化膜的最危险界面的当量应力大于单层时的当量应力，因此研究三层氧化膜是非常必要且有意义的。而且炉管氧化膜为三层时，最外两层氧化膜即fe3o4和fe2o3更容易剥落；当氧化膜为单层，成分是fe2o3时，更容易剥落。

步骤s3：针对不同物理性质的氧化膜，模拟得到钢化膜生长规律和温度场，并基于模拟得到的钢化膜模拟得到应力场，具体为：针对不同导热系数的的氧化膜，模拟得到钢化膜生长规律，以及温度场和应力场。

不同金属在不同温度下的导热系数不同，假设导热系数不随炉管服役时间和温度的变化而变化。分别定义氧化膜的导热系数为0.5、1、2、4、6、8和10。蒸汽温度为540℃，烟气温度为750℃，炉管导热系数和对流换热系数分别为34.606w/m·℃和2053.65w·m^-2·℃^-1。假设炉管初始温度为520℃，蒸汽压力恒定为18mpa。

炉管及氧化膜各个界面温度随时间变化而变化的曲面示意图见图19至22，导热系数的大小影响了炉管的整体温度。导热系数越大，炉管平均温度越低；导热系数越小，炉管平均温度越高。利用有限元软件对不同导热系数的氧化膜炉管模型的实际应力场进行模拟，氧化膜和炉管的当量应力见图23至26。炉管热应力和当量应力的大小会随着氧化膜导热系数的增大而减小，当氧化膜导热系数小于2w/m·℃的时候，其数值对炉管温度和应力影响最明显。

步骤s4：基于应力场的模拟结果，得到含氧化膜炉管的寿命预测结果。

首先由于k-r模型可以很好的计算炉管随时间的蠕变损伤，因此基于k-r模型的基础上对双侧氧化膜的炉管进行寿命预测。

其中蠕变损伤和炉管运行时间的关系如式：

把d对t进行积分，得到d的表达式如下：

式中d表示蠕变损伤；t表示炉管工作时间；σeq表示当量应力，由有限元模拟得到，具体数值见下表；m、φ、b、χ为材料母材的蠕变参数

然后对有蒸汽侧和烟气侧氧化膜的模型的寿命预测

以0h—1300h为例，对模型2(含有蒸汽侧氧化膜和烟气侧氧化膜)炉管基体—烟气侧氧化膜界面的蠕变损伤进行计算，结果见表1：

表1锅炉炉管蠕变损伤计算结果

图27为锅炉炉管在蒸汽侧和烟气侧氧化膜的作用下的蠕变损伤示意图。

由图27可以看出，当炉管工作1300h时模型1氧化膜-基体界面最危险，蠕变损伤达到了0.51，且从图形趋势来看，d的增长速率会大幅度增加。从图中可以看到，在短时间内，模型2的蠕变损伤远小于模型1的蠕变损伤。

故烟气侧氧化膜在锅炉服役初始阶段，可以保护炉管，延缓损伤；在服役时间大于7000h后，其当量应力大幅度增加，加快蠕变损伤，从而缩短炉管使用寿命。但是由于文中采用的是工作温度为600℃时的材料蠕变参数，而文中建立的炉管模型的最高温度为570℃，故在实际工况下，炉管的寿命会更长。

由图7等效应力图可以看出，当炉管服役时间大于7000h左右时，模型2基体-烟气侧氧化膜界面当量应力大于模型1，而且增长速率更大。因此，可以认为炉管在实际工况下，在初始服役阶段，烟气侧氧化膜对炉管起到保护作用，但7000h之后，烟气侧氧化膜当量应力迅速增加，增大了材料的蠕变损伤，降低了炉管的使用寿命。