高溫煙氣煙道固定支架結構優化有限元分析

于雅澤，劉 巍，王 淮，趙惠中

(1.中國市政工程華北設計研究總院有限公司 第六設計研究院，天津 300381；2.中國市政工程華北設計研究總院有限公司，天津 300381)

1 概述

某工業鍋爐在運行中煙道固定支架發生損壞。本文對高溫運行條件下煙道固定支架進行有限元模擬，分析發生損壞的原因，提出改進措施。

2 研究對象

煙道布置簡圖見圖1。煙道(圓管)外直徑為1 020 mm，壁厚為12 mm，材質為S30409不銹鋼，工作溫度500 ℃，工作壓力0.3 MPa。固定支架結構見圖2。固定支架材質同煙道，托架與煙道采用焊接連接。固定支座y軸負方向受力為63.4 kN，x軸方向受力為13.0 kN。

圖1 煙道布置簡圖

圖2 固定支架結構

3 仿真結果與分析

采用ANSYS WORKBENCH自帶的DesignModeler建立固定支架模型，采用熱傳導計算模塊設置支架傳熱條件，與煙道接觸的托架處溫度為500 ℃，環境溫度為20 ℃，支架表面傳熱系數設定為11.63 W/(m2·K)，固定支架底板底部設定為絕熱。固定支架溫度分布見圖3。由圖3可知，與煙道接觸的托架溫度最高，沿y軸負方向溫度下降。

圖3 固定支架溫度分布(軟件截圖)

將模擬得到的溫度分布作為條件輸入結構分析模塊，固定支架底部設定為固定，施加受力后，模擬固定支座的應力分布。固定支架應力分布見圖4。由圖4可知，固定支架最大應力為747 MPa，應力集中位置在煙道與托架接觸部分以及托架支撐邊緣。根據GB/T 20801.2—2020《壓力管道規范 工業管道 第2部分：材料》附錄A，在40 ℃下304不銹鋼許用應力為138 MPa，在500 ℃下許用應力為99.1 MPa。應力判斷采用安定性分析(最大應力不超過3倍許用應力)，即500 ℃下應力不應大于297.3 MPa。由仿真結果可知，固定支架最大應力不滿足安定性條件，這是運行中固定支架發生損壞的主要原因。

圖4 固定支架應力分布(軟件截圖)

4 結構優化

4.1 初步優化

由上述仿真模擬結果可知，在高溫條件下，應力集中在與煙道接觸的托架上，且托架應力分布不均。為此，對固定支架的結構進行初步優化：在固定支架內部增加1塊托架支撐(厚度為16 mm)，并增加4條托架肋板(厚度均為16 mm)，初步優化后的固定支架結構見圖5。初步優化后的固定支架應力分布見圖6。由圖6可知，托架的最大應力未超過400 MPa，說明托架的應力集中問題得到改善，但仍不滿足安定性條件。

圖5 初步優化后的固定支架結構(軟件截圖)

圖6 初步優化后的固定支架應力分布(軟件截圖)

4.2 進一步優化

在初步優化結構基礎上，取消托架支撐，再增加1條托架肋板(厚度為16 mm)，肋板間距為100 mm，進一步優化后的固定支架結構見圖7。進一步優化后的固定支架應力分布見圖8。由圖8可知，應力集中出現在托架中心區域，最大應力為307.69 MPa，仍不滿足安定性條件。

圖7 進一步優化后的固定支架結構(軟件截圖)

圖8 進一步優化后的固定支架應力分布(軟件截圖)

圖9 最終優化后的固定支架結構

4.3 最終優化

在進一步優化結構基礎上，將托架肋板分成兩部分并對稱布置，最終優化后的固定支架結構見圖9。最終優化后的固定支架應力分布見圖10。由圖10可知，最終優化后的固定支架最大應力為222.52 MPa，不僅滿足安定性條件，而且未出現在托架上。最終結構固定支架托架應力分布見圖11。由圖11可知，最終結構固定支架托架最大應力僅為88.4 MPa，說明最終結構理想。

圖10 最終優化后的固定支架應力分布(軟件截圖)

圖11 最終結構固定支架托架應力分布(軟件截圖)

5 結語

與高溫煙氣煙道直接接觸的固定支架，在支架材料和結構上需要考慮高溫條件，以免造成結構受損，進而影響煙道和設備的運行安全。