廢熱鍋爐管板筒體應力場分析

廢熱鍋爐是主要的燃料擠出機裝置，具有一定的工作量和高差。此外，每個零件的材料都不同，其熱性能無法很好地調(diào)整。特別是29個熱管的更換和11個拉緊管的不對稱分布，這使得很難分析管道、筒體溫度場和應力場的問題。為此,筆者通過有限元分析方法,用美國結(jié)構(gòu)分析軟件SAP91對這一復雜空間殼體結(jié)構(gòu)進行了溫度場和應力場計算,為該設備的合理設計和安全評定提供了理論依據(jù)。設計條件和結(jié)構(gòu)參數(shù)廢熱鍋爐主要由筒體、管板、換熱管(拉撐管)、中心管、拉撐板和錐體等部件組成。1.施工條件設計壓力:管程0.1MPa,殼程1.02MPa;設計溫度:殼程入口110℃,出口183℃;管程入口1240℃,出口350℃。2.材料組成中拉撐板及保護板材料管板:計算厚度18mm,材料為0Cr19Ni9;筒體:計算厚度10mm,材料為20g;換熱管:《38mm×3.6mm,共29根,材料為0Cr18Ni9Ti;拉撐管:《38mm×5mm,共11根,材料為0Cr18Ni9Ti;中心管:《273mm×15mm,材料為0Cr18Ni9Ti;拉撐板:計算厚度16mm,材料為20g;錐體:計算厚度16mm,材料為Q235-A;耐熱襯里:厚度50mm,材料為磷酸耐火混凝土;外部保溫層:厚度100mm,材料為巖棉氈。溫度場的計算和分析1.換熱管軸對稱穩(wěn)態(tài)溫度場的分析廢熱鍋爐正常工作時,由一端輸入1240℃過程氣,經(jīng)換熱管(拉撐管)、中心管與筒體中的水(水蒸氣)換熱后,輸送另一端為350℃,筒體內(nèi)介質(zhì)的入口溫度為110℃,出口溫度為183℃,這顯然是一個穩(wěn)態(tài)溫度場問題。根據(jù)穩(wěn)態(tài)溫度場分析理論和設備結(jié)構(gòu),對管板、筒體、中心管、耐熱襯里和巖棉氈綜合考慮,建立了圖1所示的軸對稱穩(wěn)態(tài)溫度場分析模型。選取換熱管及部分管板和耐熱襯里,建立圖2所示的換熱管軸對稱穩(wěn)態(tài)溫度場分析模型。中心管內(nèi)過程氣溫度由1240℃到1000℃呈線性分布,換熱管內(nèi)過程氣溫度由1240℃到350℃呈線性分布,筒體內(nèi)介質(zhì)溫度為183℃,巖棉氈外側(cè)的室溫為20℃。2.維熱傳導單元把管板、中心管、筒體、錐體以及相應的磷酸混凝土和巖棉氈劃分為364個二維熱傳導單元和518個節(jié)點。把換熱管、部分管板和磷酸混凝土劃分為1029個二維熱傳導單元和1459個節(jié)點。換熱系數(shù)和導熱系數(shù)的選取參見文獻。3.筒體內(nèi)壁溫度分布熱端管板最大溫度值為218.0℃,在管板外側(cè)與中心管連接處。熱端管板的平均溫度為195.5℃,內(nèi)外壁溫差為16.9℃。冷端管板最大溫度值為208.0℃,在管板外側(cè)與中心管連接處。冷端管板的平均溫度為184.9℃,內(nèi)外壁溫差為2.5℃。筒體內(nèi)壁的溫度沿軸向分布都在182.98℃左右,外壁與內(nèi)壁的溫差比較小,一般都在0.02℃左右,平均溫度為183℃。換熱管內(nèi)外壁溫度和溫差沿著軸向由大到小變化,靠近熱端管板的換熱管平均溫度為193.9℃,溫差為6.7℃;靠近冷端管板的換熱管平均溫度為184.7℃,溫差為1.0℃;整個換熱管的平均溫度為189.8℃,溫差為1.0～6.7℃。中心管的溫度和溫差沿著軸向由大到小變化,靠近熱端管板的中心管平均溫度為191.6℃,內(nèi)外壁溫差為11.1℃;靠近冷端管板的中心管平均溫度為189.7℃,內(nèi)外壁溫差為8.7℃;中部的中心管平均溫度為190.9℃,內(nèi)外壁溫差為10.3℃。錐體與筒體連接處的溫度為183.0℃,而與法蘭筒節(jié)連接處的溫度為38℃。巖棉氈表面溫度一般為40℃左右。力場計算和分析1.管板及管板的分布取廢熱鍋爐的一半為研究對象,建立一個由板殼、桿單元組成的空間有限元分析模型,如圖3所示。忽略磷酸混凝土的承載作用。管板有40個《38mm的圓孔,每個孔都和換熱管焊接在一起,這些孔以邊長為85mm的四邊形分布,并位于管板的下部,呈階梯形分布。根據(jù)文獻,可以計算出開孔管板的當量彈性模量是原板彈性模量的0.7倍。2.計算噪聲工況1:自重外載荷;工況2:自重、壓力外載荷;工況3:自重、溫度外載荷;工況4:自重、壓力、溫度外載荷。3.規(guī)范單元集認識廢熱鍋爐結(jié)構(gòu)被劃分為1992個節(jié)點、1910個單元(5個單元集)。其中,管板、中心管、筒體、拉撐板為第一單元集(1594個板殼單元),兩個支座為第二單元集(74個板殼單元),換熱管(拉撐管)為第三單元集(29個桿單元),錐體與法蘭筒節(jié)為第四單元集(165個板殼單元),法蘭固定端部為第五單元集(48個邊界元)。4.最大載荷的計算根據(jù)上述模型,計算了設計狀態(tài)和危險狀態(tài)下4種工況時的應力,表1列出各部件按第三強度理論計算的最大當量應力值Sr3。工況1的最大當量應力為4.3MPa,相對許用應力是一個小值,未列入表1。設計狀態(tài)是指廢熱鍋爐各部件腐蝕前,按設計載荷計算的受力狀態(tài)。危險狀態(tài)是指廢熱鍋爐各部件腐蝕量達到最大值(一般取1.5mm),按最大載荷計算的受力狀態(tài)。從表1可見,工況2時,各部件在危險狀態(tài)下的當量應力大于設計狀態(tài),這是危險狀態(tài)結(jié)構(gòu)單薄和載荷大所致,這些應力為一次局部應力,滿足文獻的強度條件:Sr3<1.5[S]。工況3時,熱端管板和錐體在兩種狀態(tài)下的當量應力相差較大,而且在設計狀態(tài)下當量應力最大,這說明受熱載荷作用的部件,腐蝕后截面尺寸雖然變小,但工作應力并不完全增大,有時會降低。工況4時,筒體、冷端管板、錐體和換熱管在危險狀態(tài)下的當量應力最大,而熱端管板、中心管在設計狀態(tài)下當量應力最大;整體廢熱鍋爐的最大當量應力分布在錐體與筒體的連接部位,為二次局部應力,主要是由于筒體熱脹受到錐體約束所致。另外,工況4是工況2和工況3的迭加,但是各部件的當量應力迭加后,有的增大(如熱端管板),有的降低(如中心管),因此在廢熱鍋爐應力分析中,必須對各種條件和各種載荷都進行應力分析和強度校核,方可對整體設備做安全評定。工況3和工況4的應力都為二次局部應力,最大應力滿足文獻中的強度條件:Sr3<3[S]。因此,廢熱鍋爐各部件無論在設計狀態(tài),還是在危險狀態(tài),都能夠安全工作。載荷作用的校核(1)廢熱鍋爐各部件的溫度分布比較合理,溫度是引起廢熱鍋爐工作應力的主要因素。(2)廢熱鍋爐管板、筒體、換熱管、中心管和錐體在不考慮腐蝕的設計狀態(tài)下工作,各種載荷作用的最大當量應力都滿足強度條件,能夠安全工作。(3)廢熱鍋爐管板、筒體、換熱管、中心管、錐體腐蝕達到1.5mm的危險狀態(tài)下,各種載荷作用的最大當量應力都滿足強度條件,能夠安全工作。