火電機組在深度調峰運行時，其載荷會大幅變化，給機組的壽命、安全性、穩定性及經濟性帶來不利影響。由于載荷的頻繁波動，因此機組的很多設備會產生裂紋，對于異種鋼焊縫，這種現象尤其明顯，這主要是因為異種鋼的線膨脹系數差異大，熱應力也大，容易損壞。一些小徑管發生了早期開裂，部分機組的大管道，如導汽管鎳基插管焊縫也出現開裂現象。某600MW超臨界機組導汽管插管鎳基焊縫發生開裂，其宏觀形貌如圖1所示。李軍錄等研究人員對導汽管的應力分布、疲勞壽命等方面進行了研究。
一、調峰運行時的主汽溫度、壓力的波動
火電機組輸出載荷的高低，是通過調整蒸汽的溫度、壓力及流量來實現的。機組載荷的波動主要涉及溫度、壓力的調節。變載荷調峰機組的運行控制方式有：滑壓運行、調溫控制以及聯合控制。滑壓運行較多應用在調峰幅度較小的情況，當深度調峰時，則采用調溫控制以及聯合控制方式。
某亞臨界機組從滿載荷600MW深度調峰運行到120MW的載荷變化如圖2所示，調峰時長為127min。
圖3為與圖2對應的調峰運行過程的主蒸汽壓力變化，在127min內，壓力從16.5MPa降到9.3MPa。前26min內的壓力隨載荷的快速下降而下降，下降速率達到0.18MPa/min，在12MPa停留約40min后，再緩慢下降到9.3MPa。
圖4為深度調峰下主蒸汽的溫度變化，可見在載荷達到滿載荷的45%以上時，調峰運行并不影響溫度，當載荷下降到滿載荷的45%以下時，蒸汽溫度持續降低，可通過調溫、調壓的方式共同控制機組的功率。當機組載荷降到滿負荷的20%時，溫度降到了504℃。
在調峰時，蒸汽的溫度、壓力波動必然引起相關設備的應力變化，從而對設備的安全運行產生影響。
二、調峰運行對設備應力變化的影響
2.1 有限元建模及計算相關參數
為了研究調峰運行對設備應力的影響，以高壓導汽管為研究對象，采用ANSYS有限元軟件對不同情況下的應力分布、應力變化進行了研究。導汽管的有限元模型如圖5所示。計算用基礎參數如表1所示。
2.2 不同狀態下的應力分析
2.2.1 導汽管自重產生的應力
停機時，環境溫度設為22℃，導汽管內部壓力為0MPa，此時導汽管僅受重力作用。對主汽門進行三向約束，并對模型整體施加-z方向的重力加速度9.8m/s2后進行計算。導汽管的最大應力約為5.6MPa，位于導汽管與閥門、汽缸的連接處。其他部位的應力約為2MPa，因此自重引起的應力很小。
2.2.2 內部壓力對導汽管應力的影響
為了分析導汽管內主蒸汽對管應力的影響，對模型施加如表2所示的計算條件。
施加上述邊界條件后，再進行計算，分析靜壓狀態下的應力分布。
設定主蒸汽壓力為16.50MPa，僅承受內部壓力時導汽管外壁的應力分布如圖7所示，可以看出導汽管外壁的最高應力約為27MPa，遠低于GB/T 5310—2017 《高壓鍋爐用無縫鋼管》中的要求。
為了分析導汽管內、外壁的應力差異，沿導汽管徑向路徑提取從內壁指向外壁的應力。在0時刻，內壁應力最大不到40MPa。導汽管沿壁厚方向的應力分布如圖8所示。
在ANSYS有限元軟件的經典界面中，提取導汽管外壁應力為27.25MPa時節點(編號為19792)的應力時程圖，結果如圖9a)所示。提取壓縮應力時程圖后，與主蒸汽壓力進行比較，結果如圖9b)所示。從圖9可以得出：導汽管外壁應力變化與主蒸汽壓力變化趨勢相似；管外壁應力比主蒸汽壓力變化平緩，且滯后于主蒸汽壓力的變化。
2.2.3 熱膨脹應力分析
以表1所示的線膨脹系數曲線替代2.2.2節中計算所用的線膨脹系數，熱傳導系數參考值為36W/(m·K)，考慮熱應力作用，再次進行計算。
計算完成后，提取0時刻19792節點的應力為62.16MPa，對應的內壁應力為98.73MPa。提取19792節點的應力時程圖。對圖10a)中的僅由主蒸汽壓力產生的外壁應力乘以系數2.28后，得到溫度、壓力共同作用下的節點應力時程圖，如圖10b)所示。
從圖10可以得出：施加溫度、壓力后，熱膨脹應力比內部壓應力大。兩者的應力比如圖11所示，隨著主蒸汽壓力的降低,產生的應力降低，其比值增加；在溫度、壓力的共同作用下，應力變化受溫度的影響較大。
此外，對于結構發生突變的導汽管與汽缸連接角焊縫處外壁，最大應力達到了129.4MPa。
三、應力波動對設備壽命的影響
20世紀50年代，英國的兩位工程師MATSUISHI和ENDO提出了雨流計數法。該計數法的主要功能是把實測載荷的歷程簡化為若干個載荷循環，供疲勞壽命估算和編制疲勞試驗載荷譜使用。該法以雙參數法為基礎，考慮了動強度(幅值)和靜強度(均值)兩個變量，符合疲勞載荷本
身固有的特性。雨流計數法主要用于工程界，特別在疲勞壽命計算中應用廣泛。
針對編號為19792的節點在深度調峰的降負荷過程中，使用MATLAB軟件對僅主蒸汽壓力產生的應力及溫度、壓力共同作用下產生的應力進行雨流分析，結果如圖12所示。
兩種應力引起的應力循環參數如表3所示。
兩種應力波動下管內壁的壽命如表4所示。
由此可見，溫度產生的熱膨脹應力大幅降低了導汽管的疲勞壽命。上述分析并未考慮支吊架、焊接殘余應力等其他應力。
四、結語
對機組在調峰降載荷過程中的導汽管應力進行了仿真模擬計算，利用計算結果對導汽管的疲勞壽命進行了評估。發現熱應力是導汽管疲勞壽命損耗的主要原因。介質內部壓力引起的管壁應力遠低于P91鋼105h的持久強度，且調峰時內部壓力波動對導汽管的疲勞損傷很小，但在熱應力疊加的情況下，導汽管壽命相對于僅內部壓力波動下的疲勞壽命減少了。為了提高深度調峰情況下機組的疲勞壽命，要注重熱應力的控制，并關注角焊縫結構突變處的應力情況，將該位置作為檢測重點。
