废热锅炉管板筒体应力场分析

废热锅炉管板筒体应力场分析

废热锅炉是主要的燃料挤出机装置，具有一定的工作量和高差。此外，每个零件的材料都不同，其热性能无法很好地调整。特别是29个热管的更换和11个拉紧管的不对称分布，这使得很难分析管道、筒体温度场和应力场的问题。为此,笔者通过有限元分析方法,用美国结构分析软件SAP91对这一复杂空间壳体结构进行了温度场和应力场计算,为该设备的合理设计和安全评定提供了理论依据。设计条件和结构参数废热锅炉主要由筒体、管板、换热管(拉撑管)、中心管、拉撑板和锥体等部件组成。1.施工条件设计压力:管程0.1MPa,壳程1.02MPa;设计温度:壳程入口110℃,出口183℃;管程入口1240℃,出口350℃。2.材料组成中拉撑板及保护板材料管板:计算厚度18mm,材料为0Cr19Ni9;筒体:计算厚度10mm,材料为20g;换热管:《38mm×3.6mm,共29根,材料为0Cr18Ni9Ti;拉撑管:《38mm×5mm,共11根,材料为0Cr18Ni9Ti;中心管:《273mm×15mm,材料为0Cr18Ni9Ti;拉撑板:计算厚度16mm,材料为20g;锥体:计算厚度16mm,材料为Q235-A;耐热衬里:厚度50mm,材料为磷酸耐火混凝土;外部保温层:厚度100mm,材料为岩棉毡。温度场的计算和分析1.换热管轴对称稳态温度场的分析废热锅炉正常工作时,由一端输入1240℃过程气,经换热管(拉撑管)、中心管与筒体中的水(水蒸气)换热后,输送另一端为350℃,筒体内介质的入口温度为110℃,出口温度为183℃,这显然是一个稳态温度场问题。根据稳态温度场分析理论和设备结构,对管板、筒体、中心管、耐热衬里和岩棉毡综合考虑,建立了图1所示的轴对称稳态温度场分析模型。选取换热管及部分管板和耐热衬里,建立图2所示的换热管轴对称稳态温度场分析模型。中心管内过程气温度由1240℃到1000℃呈线性分布,换热管内过程气温度由1240℃到350℃呈线性分布,筒体内介质温度为183℃,岩棉毡外侧的室温为20℃。2.维热传导单元把管板、中心管、筒体、锥体以及相应的磷酸混凝土和岩棉毡划分为364个二维热传导单元和518个节点。把换热管、部分管板和磷酸混凝土划分为1029个二维热传导单元和1459个节点。换热系数和导热系数的选取参见文献。3.筒体内壁温度分布热端管板最大温度值为218.0℃,在管板外侧与中心管连接处。热端管板的平均温度为195.5℃,内外壁温差为16.9℃。冷端管板最大温度值为208.0℃,在管板外侧与中心管连接处。冷端管板的平均温度为184.9℃,内外壁温差为2.5℃。筒体内壁的温度沿轴向分布都在182.98℃左右,外壁与内壁的温差比较小,一般都在0.02℃左右,平均温度为183℃。换热管内外壁温度和温差沿着轴向由大到小变化,靠近热端管板的换热管平均温度为193.9℃,温差为6.7℃;靠近冷端管板的换热管平均温度为184.7℃,温差为1.0℃;整个换热管的平均温度为189.8℃,温差为1.0～6.7℃。中心管的温度和温差沿着轴向由大到小变化,靠近热端管板的中心管平均温度为191.6℃,内外壁温差为11.1℃;靠近冷端管板的中心管平均温度为189.7℃,内外壁温差为8.7℃;中部的中心管平均温度为190.9℃,内外壁温差为10.3℃。锥体与筒体连接处的温度为183.0℃,而与法兰筒节连接处的温度为38℃。岩棉毡表面温度一般为40℃左右。力场计算和分析1.管板及管板的分布取废热锅炉的一半为研究对象,建立一个由板壳、杆单元组成的空间有限元分析模型,如图3所示。忽略磷酸混凝土的承载作用。管板有40个《38mm的圆孔,每个孔都和换热管焊接在一起,这些孔以边长为85mm的四边形分布,并位于管板的下部,呈阶梯形分布。根据文献,可以计算出开孔管板的当量弹性模量是原板弹性模量的0.7倍。2.计算噪声工况1:自重外载荷;工况2:自重、压力外载荷;工况3:自重、温度外载荷;工况4:自重、压力、温度外载荷。3.规范单元集认识废热锅炉结构被划分为1992个节点、1910个单元(5个单元集)。其中,管板、中心管、筒体、拉撑板为第一单元集(1594个板壳单元),两个支座为第二单元集(74个板壳单元),换热管(拉撑管)为第三单元集(29个杆单元),锥体与法兰筒节为第四单元集(165个板壳单元),法兰固定端部为第五单元集(48个边界元)。4.最大载荷的计算根据上述模型,计算了设计状态和危险状态下4种工况时的应力,表1列出各部件按第三强度理论计算的最大当量应力值Sr3。工况1的最大当量应力为4.3MPa,相对许用应力是一个小值,未列入表1。设计状态是指废热锅炉各部件腐蚀前,按设计载荷计算的受力状态。危险状态是指废热锅炉各部件腐蚀量达到最大值(一般取1.5mm),按最大载荷计算的受力状态。从表1可见,工况2时,各部件在危险状态下的当量应力大于设计状态,这是危险状态结构单薄和载荷大所致,这些应力为一次局部应力,满足文献的强度条件:Sr3<1.5[S]。工况3时,热端管板和锥体在两种状态下的当量应力相差较大,而且在设计状态下当量应力最大,这说明受热载荷作用的部件,腐蚀后截面尺寸虽然变小,但工作应力并不完全增大,有时会降低。工况4时,筒体、冷端管板、锥体和换热管在危险状态下的当量应力最大,而热端管板、中心管在设计状态下当量应力最大;整体废热锅炉的最大当量应力分布在锥体与筒体的连接部位,为二次局部应力,主要是由于筒体热胀受到锥体约束所致。另外,工况4是工况2和工况3的迭加,但是各部件的当量应力迭加后,有的增大(如热端管板),有的降低(如中心管),因此在废热锅炉应力分析中,必须对各种条件和各种载荷都进行应力分析和强度校核,方可对整体设备做安全评定。工况3和工况4的应力都为二次局部应力,最大应力满足文献中的强度条件:Sr3<3[S]。因此,废热锅炉各部件无论在设计状态,还是在危险状态,都能够安全工作。载荷作用的校核(1)废热锅炉各部件的温度分布比较合理,温度是引起废热锅炉工作应力的主要因素。(2)废热锅炉管板、筒体、换热管、中心管和锥体在不考虑腐蚀的设计状态下工作,各种载荷作用的最大当量应力都满足强度条件,能够安全工作。(3)废热锅炉管板、筒体、换热管、中心管、锥体腐蚀达到1.5mm的危险状态下,各种载荷作用的最大当量应力都满足强度条件,能够安全工作。