郭娟麗

(華北電力設(shè)計院工程有限公司，北京 100120)

1 概述

隨著機組容量的大型化，電廠煙風(fēng)道截面和重量都大幅增加，通常情況設(shè)計選用矩形截面，若能選用圓形截面煙風(fēng)道，相同截面積下，可減小煙風(fēng)道表面積，降低其重量，節(jié)省材料，近年來備受設(shè)計方及用戶青睞。

國內(nèi)《火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計技術(shù)規(guī)程》DL/T5121—2000只給出了管徑φ1020～φ4020范圍內(nèi)橫向加固肋規(guī)格及間距。并沒有給出圓形煙風(fēng)道的設(shè)計計算方法，本文通過有限元計算方法對本單位自主編寫的圓形煙道計算方法進行校核，選用該計算方法得到的多組煙風(fēng)道體設(shè)計尺寸進行建模計算，驗證多組煙道的強度及穩(wěn)定性，實現(xiàn)對該計算方法可靠性評定，同時提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議。

2 煙風(fēng)道設(shè)計概述

煙風(fēng)道設(shè)計中，根據(jù)工藝要求確定設(shè)計壓力、設(shè)計溫度，道體壁厚選擇4～6mm，道體尺寸根據(jù)煙風(fēng)流量、流速及空間位置確定，加固肋間距和型號分正壓和負壓兩種工況進行確定。電廠大截面圓形煙風(fēng)道體的設(shè)計壓力一般不超過30 kPa，溫度不超過500℃。GB150—2011適用于壓力不大于35 MPa，溫度為-269℃～900℃的圓筒形容器，圓形煙風(fēng)道和圓筒形壓力容器形狀相似，受力相似，溫度壓力等參數(shù)差別不大，可將圓形煙風(fēng)道近似為壓力容器進行設(shè)計計算。

根據(jù)GB150—2011[2]中150.3內(nèi)壓圓筒最大允許工作壓力：

式中：[pw]為道體最大允許工作壓力(MPa)；δe為道體有效厚度(mm)；[σ]'為設(shè)計溫度下道體材料許用應(yīng)力(MPa) ；φ為焊縫系數(shù)，Di為道體內(nèi)徑(mm)。

電廠中負壓工況道體很常見，引風(fēng)機、送風(fēng)機前等處均為負壓工況，即使微正壓工況的道體也可能出現(xiàn)局部負壓。因為道體本身的重量、保溫重量、風(fēng)荷載、雪荷載、支吊架與管壁接觸處形成的荷載都可歸為負壓(外)荷載。負壓道體許用外壓力為：

式中：E為彈性模量；D0為道體外徑(mm)；L為道體計算長度。

正壓工況時，當(dāng)組合計算壓力大于[pw]，負壓工況時，當(dāng)組合計算壓力大于[p]，需要增大壁厚或增加加固肋。增大壁厚會造成材料浪費，道體笨重，增加加固肋即縮小計算長度L是可行的方法。

為使加固肋起作用，加固肋的間距必須滿足一定要求，即

式中：pc為道體組合計算壓力。

加固肋的尺寸，必須確保加固肋與道體組合后的截面慣性矩足夠大，即必須要有足夠的剛性和慣性矩。

3 建立模型

煙風(fēng)煤粉管道及其零部件和加固肋材料一般可采用Q235—A.F，Q235—A/B號鋼制作，部分高溫?zé)燂L(fēng)道可采用16Mn低合金鋼板或非金屬材料制作，本文材料選用Q235—A，根據(jù)上述計算方法，得出一組道體尺寸見表1。

表1 模型尺寸

根據(jù)上述數(shù)據(jù)搭建煙風(fēng)道模型，見圖1。

圖1 煙風(fēng)道模型

模型網(wǎng)格劃分可靈活設(shè)置，對重點關(guān)注區(qū)域加固肋處及支座附近加密網(wǎng)格，本模擬網(wǎng)格尺寸小到mm級別，從而得出計算結(jié)果無關(guān)化網(wǎng)格，即再細化網(wǎng)格對計算結(jié)果幾乎沒有影響。道體和加固肋連接處、靠近支座的加固肋都是結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域，同時也是應(yīng)力集中點，設(shè)計不合理可能導(dǎo)致局部失效，ANSYS通過加密危險區(qū)域的網(wǎng)格，準確計算出每一個節(jié)點的應(yīng)力應(yīng)變及安全系數(shù)。圖2為局部有限元模型。

圖2 煙風(fēng)道體有限元模型

4 施加荷載

道體承受的荷載主要有：內(nèi)壓、外壓、結(jié)構(gòu)自重、積灰、地震力、風(fēng)雪荷載，同時承受運行溫度下的熱變形和熱應(yīng)力等。在ANSYS中自重和介質(zhì)壓力都可以直接加載；風(fēng)荷載和雪荷載選用軸承力，該荷載受力面積為與受力方向垂直的模型投影面積；保溫荷載選用壓力荷載,規(guī)定受力方向垂直向下；積灰荷載選用靜力學(xué)壓力,設(shè)定流體密度、流體自由面及慣性加速度方向。在模型的兩個支座處分別設(shè)置兩個固定約束作為邊界條件。荷載工況見表2。

表2 施加荷載

5 微正壓道體應(yīng)力應(yīng)變分布分析

當(dāng)?shù)荔w工作壓力為≥0 kPa時，0 kPa為穩(wěn)定性最危險工況；選用工況1和表3中的模型尺寸進行模擬，得出道體應(yīng)力應(yīng)變分布，見圖3、圖4。

圖3 煙風(fēng)道體應(yīng)力分布云圖

圖4 煙風(fēng)道體應(yīng)變分布云圖

從圖3可以看出加固肋處應(yīng)力相對集中，最大應(yīng)力發(fā)生在支座附近處的加固肋區(qū)域，最大應(yīng)力見表3。

表3 正壓道體最大應(yīng)力

從表3可以看出最大應(yīng)力均不超過材料Q235A在400℃以下的許用應(yīng)力，因此三組道體在微正壓工況安全，但應(yīng)力分布不均勻，需要對應(yīng)力集中處結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，本文調(diào)整鞍座包角，模型其他參數(shù)不變，分析鞍座包角對局部最大應(yīng)力的影響，分析發(fā)現(xiàn)增大鞍座包角(≤180°)對降低局部最大應(yīng)力有明顯影響。

去掉其他荷載，逐項分析每項荷載對道體應(yīng)力分布的影響，發(fā)現(xiàn)積灰荷載影響系數(shù)最大，因此可通過優(yōu)化工藝使灰量減少從而使道體結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化。

從圖4看出該工況下，道體變形由下往上逐漸變大，但最大變形量不超過10 mm。

6 負壓道體屈曲分析

煙風(fēng)道截面大、壁板薄，易發(fā)生局部失穩(wěn)，ANSYS中線性(特征值)屈曲計算可用于分析煙風(fēng)道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。做屈曲分析時忽略初始缺陷對結(jié)構(gòu)的影響。ANSYS中屈曲分析的原理是給模型結(jié)構(gòu)施加載荷直到結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性，此時計算機會算出失穩(wěn)載荷和實際載荷的比值，即載荷因子，其實質(zhì)為安全系數(shù)，該值必須大于1，否則結(jié)構(gòu)有失穩(wěn)的危險。

選用表1中的道體尺寸，表2中的工況2進行模擬計算，得出煙風(fēng)道失穩(wěn)云圖見圖5，同時比較三組模型荷載因子見圖6。

圖5 煙風(fēng)道失穩(wěn)云圖

圖6 負壓道體荷載因子

從圖5可以看出最大變形量出現(xiàn)在道體頂部，失穩(wěn)嚴重區(qū)域位于加固肋之間中間部分，因此道體頂部加固肋中間區(qū)域為失穩(wěn)薄弱點，可通過減小加固肋間距降低失穩(wěn)風(fēng)險。

從圖6可以看出負壓道體壓力下降，道體直徑增大，荷載因子變小，當(dāng)荷載因子接近1時，需要采取措施防止道體失穩(wěn)，本模擬中荷載因子均大于1，三組道體均不會失穩(wěn)。

7 支座包角對支座承受最大荷載影響

選表1中模型1，即道體尺寸為4220×5，加固肋型號，加固肋間距為3000，選表2中的工況3，將模型支座包角分別設(shè)計為120°和135°進行計算，計算結(jié)果見表4。

表4 支座能承受最大荷載

從表4可以看出，在保證道體局部應(yīng)力不超過許用應(yīng)力的前提下，增大支座包角可以大幅提高支座能承受的最大荷載。

8 結(jié)語

采用ANSYS有限元分析軟件，對國內(nèi)典型電廠百萬機組煙道進行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析和屈曲分析研究，通過數(shù)值計算結(jié)果可知：

(1) 灰荷載對道體結(jié)構(gòu)強度影響最大，施加灰荷載時選用靜力學(xué)壓力,規(guī)定流體密度和流體自由面，優(yōu)化工藝減小積灰對道體結(jié)構(gòu)優(yōu)化非常有效。

(2) 微正壓工況支座附近處的加固肋應(yīng)力最大，增大鞍座包角(不大于180°)可優(yōu)化道體的應(yīng)力分布，同時可大幅提高支座能承受的最大荷載。

(3) 負壓道體失穩(wěn)區(qū)域主要集中在道體頂部加固肋之間中部區(qū)域，隨著負壓降低，道體尺寸增大，荷載因子變小。

[1]DLT 5121—2000，火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S]．

[2]GB150．1～150．4—2011，壓力容器[S]．

[3]DLT 5121—2000，火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計技術(shù)規(guī)程配套設(shè)計計算方法[S]．

[4]侯慶偉，祁金勝．基于ANSYS 的大風(fēng)箱結(jié)構(gòu)有限元設(shè)計分析[J]．鍋爐技術(shù)，2010，(6)．