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摘要：本文以某锅炉水冷落渣管为研究对象，首先对其进行了传热分析，获得了既定条件下的冷却水的温升值，并研究了温度梯度以及内压等因素对落渣管强度的影响。
关键词：落渣管，传热，强度
1.前言
电站燃煤锅炉的炉渣若直接由排渣口排放，势必会造成部分能量的损失，使用水冷落渣管对炉渣进行部分冷却可在一定程度上提高能量的利用效率。然而受换热条件的限制，在落渣管的结构设计过程中应该避免出现局部的高温度梯度，以规避产生温度应力过高的风险。
本文选取了某一典型的落渣管结构，通过流固耦合分析取得了该落渣管的体温度场，并以此作为边界条件进一步对其强度进行了评估。
2.流固耦合传热分析
落渣管三维结构模型如图1所示，考虑到荷载与结构的对称性，取一半模型进行分析。为保守计算，本文中灰渣以及冷却水均考虑成连续介质。
图1 落渣管几何模型
2.1 外壁面对流换热
根据Dittus-Boelter公式[1]：
。当流体被加热时n=0.4，冷却流体时n=0.3，本计算流体被加热。式中
分别为流体的雷诺数、普朗特数、热传导系数以及管子的特征长度。落渣管最外侧受一次风的冷却作用，根据Dittus-Boelter公式可计算得到外壁面对流换热系数为2.311 W/（m2.K）。
2.2 流固耦合分析边界条件
灰渣与落渣管以及冷却水与落渣管的接触面设置成耦合壁面，落渣管顶部接触面可考虑成辐射换热边界，辐射源温度1153K，接触面黑度设置为0.95。落渣管外表面施加对流换热系数2.311 W/（m2.K）；外部环境风温设为493K。灰渣流体区域施加质量流量入口边界条件：0.103kg/s，入口渣温：1153K。冷却水流体区域施加质量流量入口边界条件：0.126kg/s，入口水温：614K，出口设置为压力出口边界条件，表压15.37MPa。
在以上边界条件作用下，冷却水的温升值约为：26℃。
3.落渣管强度有限元分析
3.1材料参数
本计算采用各向同性线弹性本构模型[2]。本构模型如下：
（1）
式（1）中有两个弹性常数，即杨氏模量E和泊松比
。本文中落渣管材质为12Cr1MoVG。
3.2单元选择
本计算采用Solid186三维实体单元以及Solid92四面体实体单元，单元总数1038846，节点总数2058370。
3.3荷载施加与约束
导入第2节流固体耦合分析结果得钢结构实体区温度场，并在套筒整个内表面处施加内压15.32MPa，两个管接头端部分别施加拉应力24.33MPa，对称面施加对称边界条件，套管底部限制y、z方向的位移。
3.4应力线性化评定
如图1所示，落渣管内外套筒的连接处，应力水平较高，在此处选取3条应力评定线。各评定线处的平均温度、12Cr1MoVG材料在此温度下的设计应力强度以及应力评定见表1所示。强度评定标准：GB/T 16507.4-2013。
根据GB/T 16507第12.7.3条规定的应力分量控制原则，结构不连续区域属于二次应力区域，在此区域内要求：
①截面平均当量应力PL应小于1.5倍许用应力，
②截面平均当量应力PL与弯曲应力Pb之和应小于3倍许用应力。
表1 应力评定结果（MPa）
本文中的水冷落渣管在温度以及内压作用下的应力强度是符合规范要求的，实际运行也证明如此。在落渣管的设计中应注意冷却水流量与落渣量的关系，防止温度梯度过大导致落渣管的内外套筒之间焊缝的破坏。
参考文献：
[1] 杨世铭、陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，2003，8.
[2] 王勖成.有限单元法[M].北京：清华大学出版社，2003，7.
论文作者:姜彬,吴岳胜,刘训志
论文发表刊物:《基层建设》2018年第23期
论文发表时间:2018/9/17
标签：应力论文; 冷却水论文; 边界论文; 强度论文; 流体论文; 条件论文; 温度论文; 《基层建设》2018年第23期论文;