鍋爐筒體上小間距大開孔區域的應力分析

王緒峰李廣文周冬雷馮立新

(1.泰山集團股份有限公司，山東 泰安271025；2.煙臺市特種設備檢驗研究院，山東煙臺 265400；3.山東省特種設備檢驗研究院有限公司，山東濟南250101)

0 引言

由于結構需要，鍋爐筒體上經常會布置大直徑接管。按照我國水管鍋爐強度計算標準規定[1]，當開孔直徑超出未補強孔最大允許直徑(以下將此類開孔稱為“大孔”)時，由于孔邊緣處應力集中過大，需進行開孔補強。在筒體和管接頭連接的縱截面上，有效補強范圍內的補強面積應大于或等于在筒體理論壁厚上開孔去掉的面積[2]。標準同時規定，上述補強方法僅適用于孤立的大孔，當形成孔橋的2孔或多孔均為大孔時，前述的面積補強方法將不再適用。

因此，當鍋筒上相鄰的接管距離較近時，盡可能只布置一個大管。如果2個均為大管，一般將節距加大，使其大于臨界節距，而不形成孔橋。這樣，可以按照標準規定對大孔進行開孔補強。但是，如果因為設計需要，2個或多個大孔之間無法將間距拉大到臨界節距以上時，其強度判定就缺少了標準依據。此時，需要引入應力分析方法。

目前在國內鍋爐設計中，應力分析方法主要用于對超出標準要求的非常規結構或應力狀態較復雜的受壓元件進行強度分析和驗證[3]。崔玉安等[4]利用應力分析方法得出非徑向接管和封頭連接區域的應力分布曲線，并按照需要進行應力分解，從而判定該結構符合強度要求，解決了GB/T 16507.4—2013《水管鍋爐系列標準 第4部分:受壓元件強度計算》沒有規定的凸型元件上開孔的補強計算問題；周冬雷[5]對標準未規定的設人孔加強圈的水管鍋爐有孔封頭結構進行有限元分析，基于應力場的分布情況，對封頭壁厚進行了減薄，使結構更加合理；徐超等[6]對火管鍋爐管板進行熱應力分析，得到管板整體結構的溫度場和應力場，為鍋爐設計提供了依據；李之光等[7]對一種新型臥式內燃鍋殼鍋爐的高溫管板進行應力分析，得到強度數據，并驗證了其安全性；梁耀東等[8]對有關強度標準中開孔補強和應力驗證方法提出了修訂建議，使之更具實用性。

應力分析方法是鍋爐標準計算方法的補充，對于鍋爐設計中出現的一些超出現行強度標準或者傳統理論分析方法的新結構，利用應力分析方法驗證強度，是一種有效的解決方法。為了解決85 t/h角管燃氣鍋爐鍋筒后部的4根小間距大直徑接管結構的強度判定問題，文章利用有限元分析軟件ANSYS 13.0對孔排高應力區進行建模和應力分析，為鍋爐整體設計提供可靠依據[9]。在連接焊縫模型的創建中，以角焊縫的輪廓線構建其外表面，再由外表面構建角焊縫實體，與同類的研究相比，通過“由下而上”的建模方法，使連接模型更加接近實際結構，分析結果的準確性得到充分保證。

1 研究方法

1.1 臨界節距計算方法

85 t/h角管燃氣鍋爐總圖如圖1所示。4個小間距大開孔是爐膛上升管和集汽集箱與鍋筒的連接開孔。

臨界節距是不考慮孔間影響的相鄰兩孔的最小節距，其可由式(1)表示為

式中:s0為臨界節距，mm；dm為相鄰兩孔的平均當量直徑，mm；Di為筒體內徑，mm；δ為筒體的名義壁厚，mm。

圖1 85 t/h角管燃氣鍋爐總圖

由于結構所限，無法將間距拉大，所以相互之間的節距均小于臨界節距。因此，強度計算標準規定的大孔補強公式將不再適用。為了驗證該結構的強度是否滿足要求，采用應力分析方法，考察應力分布情況和最大應力值，利用相關應力分類限制原則，進行強度判定，為鍋爐結構設計提供強度依據。

1.2 建模條件

鍋筒上4個大孔的橫向節距為449.2 mm、縱向節距為4 800 mm，而按照式(1)計算的臨界節距為653 mm。所以，該結構不適用標準給出的大孔補強方法，需要利用應力分析方法進行強度分析和判定。建模條件見表1。

表1 小間距大直徑管排的建模條件表

1.3 模型的簡化

筒體上管接頭與其他部件互不影響對方的應力情況，所以取筒體局部區域建模[10-11]。雖然該區域無法采用標準補強方法，但是，標準規定的有效補強范圍對于該問題是適用的。按照GB/T 16507.4—2013規定，開孔補強的有效范圍為孔直徑的2倍。因此，模型簡化截取的筒體邊緣距孔中心的距離為550 mm，大于開孔直徑的2倍，確保覆蓋有效補強范圍。由此建立小間距大直徑管排模型，如圖2所示。

圖2 小間距大直徑管排模型圖

1.4 邊界條件

(1)根據筒體橫斷面面積和封頭投影面積的比值，計算端面載荷為-35 MPa，施加在筒體橫斷面上；

(2)在筒體的縱斷面分別施加x、y向位移約束；

(3)在承受內壓的所有面上施加內壓力4.2 MPa；

(4)根據管接頭橫斷面與管子內截面面積的比值，計算出端面載荷為-8.42 MPa，施加在管子橫斷面上。

2 結果與分析

2.1 應力最大點位置及最大應力值

利用ANSYS計算的應力分布情況如圖3所示。根據的應力分布情況，模型存在2個高應力區。

(1)接管和筒體連接區的管端內壁 筒體上所開的4個大直徑管孔邊緣存在較大的應力集中，削弱了開孔區的結構強度，需要利用接管下端的金屬壁厚進行補償，使接管的該區域成為高應力區。同時，在承受內壓的圓筒體上，整體應力分布的特點是縱向孔橋的強度弱于橫向孔橋的強度，因此應力最高點位于縱向孔橋的根部。

(2)縱向孔橋區 筒體上管孔縱向孔橋區是模型中另一個高應力區，因為筒體壁厚除了用于自身承壓的需要之外，還用于補償開大孔所引起的應力集中。計算結果可知，縱向孔橋2個頂點(即管外壁根部位置)是孔橋區應力最大位置，其最大應力值為213 MPa，遠離了管孔區，應力將會逐漸減小。

圖3 高應力區及應力最大點位置圖

2.2 高應力區應力分布

2.2.1 下管端內壁圓周方向的應力分布

管區最大應力點位于縱向孔橋根部對應的管端內壁頂點，并沿兩側圓周方向遞減。在兩側各＞45°范圍之后，應力值已下降到接管材料的許用應力以下。因此，在圓周方向上只需考察應力最大點兩側各45°范圍內的應力分布。

受壓元件的應力狀態，由不同性質的應力成分構成。對各類應力成分的控制原則是不同的，每種應力均應低于各自的限定值[12]。為此，對整個高應力區進行應力分解，得到薄膜應力、彎曲應力、薄膜+彎曲應力、峰值應力和總應力沿圓周的分布情況，如圖4所示。與承壓強度相關聯的4個指標(薄膜應力、彎曲應力、薄膜+彎曲應力和總應力)遵循相似的分布規律，峰值點位置與圖3中未分解應力時的應力最大點位置重合，然后沿兩側方向遞減。因此，只要在應力最大點的各項分解應力值低于相應的限制值，即說明開孔得到有效補強，結構就是安全的。圖4中的峰值應力值較低，且波動不大。該指標主要對低周疲勞或脆斷失效模式起作用，所以僅在考慮疲勞損壞或防止斷裂時才加以限制，而在承壓強度分析時可不予考慮。

圖4 最大應力點兩側各45°范圍內圓周上的應力分布圖

2.2.2 縱向孔橋應力分布

鍋筒筒體上應力較高的區域處于2孔之間的縱向孔橋區。經應力分解，得到應力分布曲線，如圖5所示。鍋筒縱向孔橋方向上，在靠近管外壁的頂點焊縫處，各項分解應力最高，遠離接管后，應力逐漸降低，至孔橋中點應力降至最低，此時總應力值已降至鍋筒材料的許用應力以下。

圖5 縱向孔橋方向上的應力分布圖

2.3 強度判定依據與結果

2.3.1 強度判定依據

按照GB/T 16507.4—2013中應力驗證法的規定，對于高應力區(二次應力區)的強度判定有以下要求:最大內外壁平均應力(局部薄膜應力)≤1.5倍許用應力[σ]，最大當量應力(“薄膜+彎曲應力”)≤3[σ]。按美國機械工程師協會 ASME(American Society of Mechanical Engineers)標準應力分類控制原則的規定，判定強度主要是依據各項應力與材料許用應力[σ]的對比結果。安全條件為:膜應力≤[σ]、局部膜應力≤1.5[σ]、“薄膜+彎曲應力”≤3[σ]。我國和美國相關標準的應力分類控制原則是相同的。

由于分析區域為二次應力較高的區域[13]，同時，此處的薄膜應力為局部膜應力，所以強度判定依據如下[14-15]:

(1)對于筒體，局部膜應力≤1.5[σ]，即233.85 MPa；薄膜+彎曲應力≤3[σ]，即467.7 MPa；

(2)對于管接頭，局部膜應力≤1.5[σ]，即167.85 MPa；薄膜+彎曲應力≤3[σ]，即335.7 MPa。

2.3.2 強度判定結果

根據以上判定原則以及應力的計算結果，對小間距大開孔區域進行強度判定。

(1)接管應力最大點的局部薄膜應力為159.6 MPa，薄膜+彎曲應力為214.5 MPa。2項指標均小于安全限制值，因此，接管的承壓強度是安全的；

(2)鍋筒筒體應力最大點的局部薄膜應力為158.4 MPa，薄膜+彎曲應力為210.8 MPa。2項指標均小于安全限制值。因此，鍋筒筒體的承壓強度是安全的。

3 結論

針對85 t/h角管燃氣鍋爐筒體上小間距大開孔結構，文章利用有限元分析軟件ANSYS對孔排高應力區進行建模和應力分析，主要結論如下:

(1)高應力區位于接管和筒體連接區的管端內壁以及縱向孔橋區，應力最大點位于縱向孔橋端部對應的管端內壁圓弧頂點，并沿其兩側方向遞減，最大應力值為213 MPa。

(2)在選取筒體壁厚為32 mm、接管壁厚為25 mm時，該區域因開孔應力集中而導致的強度減弱可以得到有效補強，強度判定結果表明筒體和接管的承壓強度符合要求。