基于有限元模拟的高温过热器弯管短期失效探析-1.doc

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1、基于有限元模拟的高温过热器弯管短期失效探析樊晓红0引言过热器是锅炉的主要组成部分，是锅炉中金属壁温战高的受热面，所处的T作环境最恶劣。TP347H(lCrl9NillNb)属于高碳含锯奥氏体不锈钢，锐与碳生成的碳化物可以产生沉淀强化作用，因而广泛用于超超临界电站锅炉高温过热器管道屮。弯头由于其在锅炉管道中所处位置及自身的弯制工艺，工作坏境比直管段更为恶劣，是整个管道系统屮最薄弱坏节。因此对弯管段的研究对于整个管道系统的安全有肴垂要的意义。文献以事实及试验为依据，对一些过热器失效个案进行分析,无损检测手段也能及时了解及判断管道各部位的损伤情况。本文

2、就某厂600MW超临界机组高温过热器弯头如图1所示，在运行数T小时发生开裂现彖，结合有限元模拟技术进行失效探析。♦4S-71图1600MW超临界机组高温过热器弯头1化学成分对过热器弯管段裂纹处截取试样进行化学成分分析，结果见表1。表1试样化学成分分析化学成分(重量百分比WT%)SiVoCrMnFeNiNbMo试样0.490」118.911.7468.079.820.730」32管材弯曲成形有限元模拟2.1管材弯曲成型方法：采用冋转式弯管机进行冷弯成形。根据实际模具，进行必要的简化处理，抽象出几何模型。如图2所示。采用CAD软件屮建立好装配关系，输

3、出s什格式，然示逐一导入有限元软件屮。图2管材弯曲成形工艺模拟原理简图2.2成形模拟各参数设at壁厚为3.9mm,设最小单元尺寸为1.3mm,节点总数为33039个，单元总数为141042个。采用冷弯成型，工作温度设为20度,管件材料为TP347H,选用材料库中力学性能与之相类似的奥氏体钢SUS304进行定性模拟。管材与压块、管材与弯曲模间摩擦系数为0.3,管材与导向滚轮间摩擦系数设为0,模具、压块、导向滚轮均设为刚性材料。具体模拟设为两大步，第一步，压块向下运动，移动速度为10mm/s,把管件压紧在弯Illi模上，以防上在弯管过稈屮钢管滑动冋缩

4、。第二步，弯Illi模与压块一起带着管件转动90度，转动角速度为0.5rad/s,进行绕弯成型。3弯曲成形中的应力分析弯头外弧面多发生蠕变裂纹，而应力腐蚀裂纹则起于中性区内壁。弯头裂纹的形成原因较为复杂,裂纹源点存在最大局部应力是导致弯头寿命远远低于直管的主要原因之一，因而研究弯头应力十分必要。弯管时，管道外侧减薄，内侧增厚、起皱和横截面变化过程是頼性加工学科的技术难题。弯头的应力构成较为复杂，文献通过理论计算及试验的方法对弯管应力进行了研究。而利用近年来发展迅速的有限元法，可以准确快捷地获得相关信息。图3管各截面内外弧面壁厚图4有限元模拟等效应

5、力分布图根据数值模拟结果测得弯头各截面处壁谆如图3所示（模具设计中已经增加了反变形轮，以减小弯曲过程屮的变形，提高弯管质量）。这是因为在弯曲过稈中，钢管经历了外侧壁厚减薄和内侧壁厚增厚。壁厚不均匀（如图4所示）造成了应力分布不均匀和应力集中。图4所示为弯曲成形90°时弯管表面等效应力的分布情况。由模拟结果不难看出，管头在弯制过稈屮，弯头上的应力不再均匀分布，等效应力值较大部位集屮在正在进行弯曲变形的终止端。最大等效应力分布在弯曲平面的内、外侧较小一段区域内。这与弯头上裂纹位置相吻合，正是前面实验取样部位。4裂纹处内外弧面金相组织图5外弧面显微组织

6、图6内弧面显微纽织图5和图6所示为弯头裂纹处内外弧面金相组织，由图5可以看出，弯头外弧面组织为弯晶，析出颗粒状物质是均匀分布，没有明显的偏聚晶界的现象，能谱分析结果表明颗粒状均为含Nb物质。晶内大量细小NbC析出，起到了固碳的作用，相对增加了晶界的稳定性。而图6所示内弧面显微组织表明:内弧面晶界附近有相对较为粗大的夹杂物W3C6（CiW%或（C、Fe）23CQ析出，析出物肓径为2.87nmo5结论与建议综合以上分析与讨论可以看出，木次TP347高温过热器弯头短期失效的主耍原因是弯头残余应力故大处（约70度角方向）内弧面存在较大的显微组织所造成的应

7、力集屮。