生物質(zhì)鍋爐自承式結(jié)構(gòu)的強度設(shè)計

杜偉光,宋鳳芹,李朝花,程豐淵

(1.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司,哈爾濱150046； 2.濟(jì)南鍋爐集團(tuán)有限公司,濟(jì)南250023)

生物質(zhì)鍋爐自承式結(jié)構(gòu)的強度設(shè)計

杜偉光1,宋鳳芹2,李朝花2,程豐淵1

(1.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司,哈爾濱150046； 2.濟(jì)南鍋爐集團(tuán)有限公司,濟(jì)南250023)

以雙集中下降管支撐汽包的YG-130/9.8-T3生物質(zhì)鍋爐為例,說明自承式生物質(zhì)鍋爐的幾個強度問題。給出了水冷壁下集箱支承部位的強度計算與評定方法,集中下降管管接頭部位汽包的強度計算與評定方法,集中下降管的穩(wěn)定性計算方法,可供自承式生物質(zhì)鍋爐設(shè)計者參照使用。

自承式鍋爐；附加應(yīng)力；應(yīng)力分析評定；穩(wěn)定計算

生物質(zhì)鍋爐在某些特點上屬自承式鍋爐。最典型的自承式生物質(zhì)鍋爐是集中下降管和水冷壁下集箱作為鍋筒和鍋爐的支撐件。這種鍋爐除需進(jìn)行在內(nèi)壓作用下的強度計算之外,還要進(jìn)行在自重載荷作用下附加應(yīng)力計算和應(yīng)力分析評定。對受軸向壓力的部件則要進(jìn)行穩(wěn)定性計算,必要時還要進(jìn)行受壓元件的抗震計算。對于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài),需要用專門的軟件進(jìn)行計算。因此,自承式鍋爐的強度設(shè)計比普通鍋爐要復(fù)雜得多,在水冷壁下集箱支撐點處和集中下降管管接頭處需進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析和強度評定,并對集中下降管進(jìn)行穩(wěn)定性計算。

1 水冷壁下集箱支承點的強度計算與評定

在一個支座承受載荷的有效范圍情況下(見圖1),集箱的最大應(yīng)力在上部內(nèi)壁。彎曲應(yīng)力按圓環(huán)受集中力計算：

圖1 水冷壁下集箱支承點形狀

最大應(yīng)力為：

整體薄膜應(yīng)力為：

強度評定按下式進(jìn)行：

式中：R為平均半徑；Ki為曲梁系數(shù)；Z為壁厚的斷面抗彎模數(shù)；η為管孔減弱系數(shù)；W 為每個支座的載荷；Wp為內(nèi)壓引起的上浮力；p為內(nèi)壓；Do為集箱外徑；Di為集箱內(nèi)徑；［σ］為許用應(yīng)力。

2 集中下降管支撐鍋筒的強度計算與評定

2.1 結(jié)構(gòu)布置

圖2為YG-130/9.8-T3鍋爐雙集中下降管支撐鍋筒的布置圖。

圖2 集中下降管支撐鍋筒布置圖(單位：mm)

圖3為集中下降管加強管接頭示意圖。

圖3 加強管接頭詳圖(單位：mm)

圖4為集中下降管導(dǎo)向裝置示意圖。

圖4 導(dǎo)向裝置詳圖(單位：mm)

圖5為集中下降管底端支撐裝置詳圖。

圖5 球形支座詳圖

2.2構(gòu)件參數(shù)

2.2.1 鍋筒參數(shù)

(1)DN=1 600 mm,S=100 mm,有效厚度Syg=96 mm。

(2)材料為P355GH,［σ］20=198 MPa,［σ］325=130 MPa。

(3)工作壓力pg=11.4 MPa。

(4)工作溫度t=324.61℃。

2.2.2 管接頭參數(shù)

(1)d=618 mm,δ=85 mm。

(2)假定材料與鍋筒相同或強于鍋筒。

(3)工作壓力和工作溫度同鍋筒。

2.2.3 集中下降管參數(shù)

(1)d=508 mm,δ=30 mm,有效壁厚Syj= 27.12 mm,dN=508-2×27.12=453.76 mm。

(2)材料為12Cr1MoVG,σs=225 MPa,［σ］20= 163 MPa,［σ］325=146 MPa。

(3)工作壓力和工作溫度同鍋筒。

2.3 集中下降管的計算

2.3.1 載荷計算

當(dāng)集中下降管作為鍋筒的支座時,兩個集中下降管要承受整個鍋筒系統(tǒng)的全部載荷。在鍋爐運行狀態(tài)時,集中下降管還要承受內(nèi)壓所產(chǎn)生的力,稱為伸脹力。伸脹力和重力壓縮力的方向是相反的。集中下降管最后的受力狀態(tài)決定于伸脹力和壓縮力的大小：當(dāng)壓縮力大于伸脹力時,集中下降管受壓；當(dāng)伸脹力大于壓縮力時,集中下降管受拉。

鍋筒系統(tǒng)的重力載荷由以下7項組成：

(1)鍋筒的金屬質(zhì)量Q1=6.6 t。

(2)鍋筒的保溫質(zhì)量Q2=1.5 t。

(3)鍋筒內(nèi)部設(shè)備質(zhì)量Q3=3.2 t。

(4)鍋筒金屬預(yù)埋件質(zhì)量Q4=0.8 t。

(5)鍋筒的滿水質(zhì)量Q5=30 t。

(6)作用在鍋筒上的導(dǎo)汽管及其保溫質(zhì)量Q6=5.6 t。

(7)作用在鍋筒上的給水管及其保溫質(zhì)量Q7=1 t。

鍋筒系統(tǒng)的總質(zhì)量為：

每個集中下降管承受的荷重為：

運行狀態(tài)時,每個集中下降管的內(nèi)壓伸脹力為：

集中下降管在運行狀態(tài)下受的總軸向力為Q-F。壓力為正,拉力為負(fù)。

由計算結(jié)果可以看出：在運行狀態(tài)下,集中下降管在軸向仍然是處于受拉狀態(tài),但拉力變小,因此不會由于下降管承受重力載荷而產(chǎn)生穩(wěn)定問題和新的強度問題。需要計算的是剛剛停爐泄壓后集中下降管的穩(wěn)定問題。

2.3.2 集中下降管停爐泄壓后的穩(wěn)定計算

在剛剛停爐泄壓后,鍋筒內(nèi)還充滿水,溫度仍是運行狀態(tài)下的溫度,在這個時刻,集中下降管處于最危險的受力狀態(tài),因此,需要計算這個特定時刻的穩(wěn)定問題。強度問題是按瞬時考慮的,而不管時間長短,要按在鍋爐整個服役時間里可能出現(xiàn)的最危險的狀態(tài)進(jìn)行計算。

受壓桿臨界載荷按下式計算：

式中：l為自然長度；μl為計算長度；μ為長度系數(shù),根據(jù)不同的端部條件,μ在0.5～∞變化。

在受壓構(gòu)件的穩(wěn)定計算中,計算長度的正確是最重要的一項內(nèi)容。對于受壓構(gòu)件來說,首先應(yīng)當(dāng)考慮構(gòu)造措施,使構(gòu)件有明確的穩(wěn)定計算邊界條件；而圖2所表示的集中下降管各個部位都不是完全明確的約束條件。鍋筒雖然可以假定為一個剛體,但它的位移和轉(zhuǎn)動都不是完全被阻止的；導(dǎo)向裝置也不是完全緊密的插入式,而是在前后和左右方向分別有40 mm和30 mm的膨脹空隙,這個空隙不論是冷態(tài)還是熱態(tài)都是存在的；底端支座,水平位移既不是完全自由也不是完全被阻止。因此,在確定集中下降管的計算長度時,需要留有充分的余地。先假定一種可能是最弱的情況進(jìn)行計算,如果基本上滿足要求,再加上兩道導(dǎo)向裝置則可以下一個設(shè)計安全的結(jié)論。現(xiàn)假定鍋筒既不能平移,也不能轉(zhuǎn)動,而集中下降管底端完全自由,即可把集中下降管簡化成一個理想的懸臂受壓桿,計算長度為自然長度的2倍。

回轉(zhuǎn)半徑

中心受壓的穩(wěn)定性系數(shù)φ根據(jù)文獻(xiàn)［1］中表C-1查取,但λ的值已經(jīng)超出該表的范圍,用外推辦法得φ=0.120。

當(dāng)然,這并不是最危險的力學(xué)模型,因為鍋筒位移和轉(zhuǎn)角并不是完全被阻止的。如果考慮到兩道導(dǎo)向裝置的作用,基本上可以認(rèn)為穩(wěn)定性是能保證的。通過幾何計算可以證明,兩導(dǎo)向裝置使載荷只能產(chǎn)生200 mm的偏心,而形成200Q的彎矩。

集中下降管的抗彎模量為：

彎曲應(yīng)力為：

所能形成的彎矩不大,即使實際計算長度再大一些,穩(wěn)定性應(yīng)力也不會太大。因此,集中下降管的穩(wěn)定性是可以保證的。

3 鍋筒附加應(yīng)力的計算與評定

對運行狀態(tài)而言,集中下降管支撐鍋筒不論對集中下降管還是對鍋筒都是有利的。因為在這種情況下,重力載荷使集中下降管對鍋筒的拉力變小。就該實例而言,在運行狀態(tài)下,集中下降管對鍋筒的作用力最大,所以只對運行狀態(tài)下的鍋筒進(jìn)行附加應(yīng)力的計算與評定。

3.1 鍋筒管接頭連接處的承載有效尺寸

圖6為鍋筒管接頭連接處的承載有效尺寸示意圖。各國對在管接頭處的承載有效尺寸的規(guī)定不盡相同,有的相差較大［2］。

圖6 鍋筒與管接頭連接處承載有效范圍

鍋筒方向取［3］

式中：Rm為鍋筒有效中半徑。

在管接頭方向按GB/T 9222的規(guī)定取

式中：dp為加強管接頭的中徑；sT為加強管接頭的厚度。

在鍋筒肩部形成的有效尺寸可以組成圖7所示的截面,把力學(xué)模型簡化為受集中荷載｜QF｜,截面為圖7的圓環(huán)。

圖7 鍋筒有效承載截面尺寸(單位：mm)

3.2 承載有效截面抗彎模數(shù)的計算

根據(jù)文獻(xiàn)［3］中圖7的參數(shù)計算如下：

(1)中性軸坐標(biāo)：

(2)對中性軸的慣性矩：

(3)抗彎模數(shù)：

(4)截面面積：

其中,B=615 mm,H=309 mm,Syg=96 mm, h=213 mm,c=170 mm。代入以上各式得：y1= 107 mm；y2=202 mm；Ix0=718 006 170 mm4；Wxoy1=6 710 338 mm3。

3.3 有效承載截面彎曲應(yīng)力的計算

一個集中下降管對鍋筒總的作用力為：

假設(shè)集中下降管內(nèi)徑范圍內(nèi)的力由鍋筒腹部承受。

肩部承受的作用力為：

截面為圖7的圓環(huán)半徑為：

假定彎曲應(yīng)力由加強管接頭和鍋筒共同承擔(dān)。

3.4 有效承載截面薄膜應(yīng)力的計算

扣除管接頭承受內(nèi)壓所需的面積,管接頭所需壁厚為：

承受內(nèi)壓有效截面積為：

內(nèi)壓所承受的載荷為：

3.5 薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力評定

按式(4)驗算：

按式(5)驗算：

從驗算結(jié)果可以看出,式(4)比式(5)嚴(yán)格,但更合理。

4 結(jié)語

根據(jù)力學(xué)的基本原理,對自承式生物質(zhì)鍋爐的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,做了合理的力學(xué)模型簡化,給出了具體的計算方法和評定標(biāo)準(zhǔn)。這些方法和評定標(biāo)準(zhǔn)可以直接用于設(shè)計計算。自承式生物質(zhì)鍋爐設(shè)計者可以在該基礎(chǔ)上做進(jìn)一步研究工作,使之系統(tǒng)化、完善化、標(biāo)準(zhǔn)化,并編成相應(yīng)的程序,以方便更多的設(shè)計者使用。

［1］中華人民共和國建設(shè)部和中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國計劃出版社,2003.

［2］蔣智翔,楊小昭.鍋爐及壓力容器受壓元件強度［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1999.

［3］《建筑結(jié)構(gòu)靜力計算手冊》編寫組.建筑結(jié)構(gòu)靜力計算手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社,1998.

Structural Strength Design of a Self-sustaining Biomass Boiler

Du Weiguang1,Song Fengqin2,Li Chaohua2,Cheng Fengyuan1
(1.Harbin Boiler Co.,Ltd.,Harbin 150046,China；2.Jinan Boiler Group Co.,Ltd.,Jinan 250023,China)

Focused on the strength design,an introduction is being presented to the YG-130/9.8-T3 self-sustaining biomass boiler with its drum supported by two downcomers.The strength calculation and assessment method are proposed for the supports of lower water wall header and for the drum at downcomer nozzle area,while the stability calculation method suggested for the downcomer,which may serve as a reference for the design of similar self-sustaining biomass boilers.

self-sustaining boiler；additional stress；stress analysis and assessment；stability calculation

TK229

A

1671-086X(2015)03-0184-04

2014-07-14

杜偉光(1980-),男,工程師,主要從事鍋爐受熱面和連接管道產(chǎn)品的工藝控制和制造工作。

E-mail：chengyu55675569@sina.com

材料技術(shù)