廉 平,馮婷婷
(黑龍江省林業(yè)設(shè)計(jì)研究院,哈爾濱 150080)
對(duì)鍋爐汽水管道應(yīng)力的計(jì)算研究
廉 平,馮婷婷
(黑龍江省林業(yè)設(shè)計(jì)研究院,哈爾濱 150080)
文章對(duì)鍋爐汽水管道的應(yīng)力進(jìn)行分析,對(duì)鍋爐汽水管道的應(yīng)力計(jì)算進(jìn)行了研究。
鍋爐汽水管道;應(yīng)立計(jì)算;研究
蒸汽管道的載荷作用力有多種多樣,可通過(guò)管道內(nèi)的介質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生力、通過(guò)各種管件重量而集中合成力、管道支吊架、來(lái)自外界的溫度環(huán)境所反應(yīng)出來(lái)的應(yīng)力,等等,這些力都可使管道的外表發(fā)生變形。
火力發(fā)電廠鍋爐汽水管道的工作環(huán)境要具備兩種條件:第一,有一定的壓力。第二,有適宜的溫度。以往的計(jì)算方法過(guò)于復(fù)雜,而且準(zhǔn)確度低,不能從整體看出管系的分布情況,于是,人們開(kāi)始利用ANSYS PIPING MODELS方法來(lái)進(jìn)行應(yīng)力分析。
1.1應(yīng)力限制的最大范圍及其分析
管道的一次應(yīng)力是受外部支吊架的力和自身產(chǎn)生的重量所影響,且內(nèi)力和外力必須保持平衡,若是它的重量無(wú)限的增加,超過(guò)所能承受的力度,則會(huì)破壞管道的形體。為了防止管道的承受力超過(guò)限度而破裂,要留出適宜的寬裕度。在承受力的同時(shí),或受外界的熱脹冷縮而發(fā)生的變形屬于二次應(yīng)力。它跟一次應(yīng)力有所差別,它是通過(guò)變形來(lái)適應(yīng)與外力的平衡。若是變形次數(shù)過(guò)多,也會(huì)對(duì)管道附件造成損害,因此,要注意應(yīng)力的循環(huán)次數(shù)及范圍。在我國(guó)規(guī)定的交變應(yīng)力的合理次數(shù)頻數(shù)應(yīng)該為7 000次,若超出這個(gè)范圍,會(huì)加重管道的勞損,甚至破裂。若管道的應(yīng)力、應(yīng)變達(dá)到或超出上線后,管道材料就有了可塑性。在超出變形范圍后,可以把超出的應(yīng)力作為經(jīng)過(guò)塑性變化后的量度。最大應(yīng)力的范圍只要在2倍以內(nèi),就可以得出管道的彈性變化。依據(jù)管道應(yīng)力所承受的應(yīng)力理論,管道材料在不斷循環(huán)中發(fā)生的變形,長(zhǎng)時(shí)間后會(huì)處于彈性狀態(tài)。管道的材料、結(jié)構(gòu)若遭到破壞,就可確定其超過(guò)自身所承受的兩倍的力。應(yīng)力應(yīng)變的最大范圍不能超過(guò)兩倍的極限力度,各鍋爐廠家在應(yīng)力計(jì)算中應(yīng)以此為依據(jù)。
1.2對(duì)管系設(shè)計(jì)參數(shù)及材料參數(shù)的分析
對(duì)機(jī)組的參數(shù)計(jì)算分析,可以火電廠鍋爐為英國(guó)撥伯葛動(dòng)力有限公司制造的亞臨界壓力自然循環(huán)汽包型鍋爐為例。該汽輪機(jī)型式為亞臨界、三缸雙排汽、單軸、一次中間再熱凝汽式,額定功率為362.5。管系有3個(gè)閥門,重量分別為21 500 N、20 000 N、18 000 N。管系共有8個(gè)支吊架,其中5處安裝彈簧吊架,3處為導(dǎo)向支架。保溫材料為硅酸鈣,密度220 kg/m3,厚度150 mm。各彈簧吊架所承受載荷、位移等不同數(shù)額會(huì)對(duì)應(yīng)不同的參數(shù)。在15節(jié)點(diǎn)時(shí),數(shù)量為1,計(jì)算位移的x、y、z數(shù)值都不同,熱態(tài)載荷、熱位移、剛度、最大載荷、安裝載荷參數(shù)也不一樣。
2.1一次應(yīng)力與二次應(yīng)力
一次應(yīng)力是指正應(yīng)力,屬于非自限性,在內(nèi)壓和機(jī)械器具的重量之間進(jìn)行平衡控制。一次應(yīng)力的管道材料要達(dá)到火力發(fā)電廠汽水管道應(yīng)力技術(shù)規(guī)程和美國(guó)ASME標(biāo)準(zhǔn)的彈性要求,均非自限性規(guī)定管道工作狀態(tài)。表現(xiàn)在管道上即由內(nèi)壓、自重等承受的重量都屬于這一類。當(dāng)管道材料的承受范圍達(dá)到極限后,會(huì)發(fā)生一系列情況,即產(chǎn)生塑性變形,嚴(yán)重時(shí)直接破壞管道。管道計(jì)算完成后可以進(jìn)行驗(yàn)算,確保其安全性和可靠性,一般情況下不會(huì)對(duì)其驗(yàn)算,只有在特殊的情況下,才會(huì)驗(yàn)算。如遭遇8級(jí)地震的部位或是周邊需要建設(shè)廠房時(shí)才需要驗(yàn)算。在驗(yàn)算期間,地震所產(chǎn)生的力度不能完全驗(yàn)算在內(nèi),取其中的1/2即可。二次應(yīng)力是指剪應(yīng)力,結(jié)構(gòu)自身的形體變化和外界的壓力連續(xù)產(chǎn)生的力的作用,它屬于自限性。通常表現(xiàn)為在管道上即由熱脹冷縮及位移受約束時(shí)所產(chǎn)生的應(yīng)力,這類應(yīng)力不會(huì)直接破壞管道,但是,可使管道的材料塑性變形、屈服,導(dǎo)致管道的不穩(wěn)定,從而發(fā)生突發(fā)的情況。管道的熱脹情況發(fā)生后,管道的材質(zhì)受熱會(huì)出現(xiàn)初始的熱應(yīng)力,當(dāng)這種應(yīng)力過(guò)高,超出它所承受的范圍,就會(huì)使管道發(fā)生蠕變屈服;另一方面,管道若是處于冷縮的狀態(tài)下往往會(huì)像反方向發(fā)展。這是管道的自彈現(xiàn)象,也被稱為管道冷緊度的自拉模式。由于在自拉的過(guò)程中,它的量度很難把握,它會(huì)時(shí)而松時(shí)而緊,管系在冷縮熱脹交替的循環(huán)中,它的總量是不會(huì)出現(xiàn)太大變化的。在管道應(yīng)力的計(jì)算過(guò)程中,往往會(huì)發(fā)生意想不到的突發(fā)情況,因此維持平衡最為重要。
2.2管系應(yīng)力的計(jì)算
管系的應(yīng)力分析采用ANSYS PIPING MODELSo的方法,管系計(jì)算模型的兩端分別為汽缸出口、除氧器進(jìn)汽口,其中包括直管段、閥門、支管段、支吊架包括彈簧吊架和導(dǎo)向支架處理。坐標(biāo)系的設(shè)置為X軸正方向,Y軸正方向?yàn)樨Q直向上,Z軸正方向?yàn)殄仩t側(cè)指向汽機(jī)房側(cè)。按鋼材在計(jì)算溫度下的彈性模量計(jì)算,根據(jù)管道運(yùn)行時(shí)不同工況分別有按熱脹、端點(diǎn)附加位移、熱脹冷縮的緊度狀況、自身產(chǎn)生的重量和外界連續(xù)的荷載力及支吊架對(duì)機(jī)器的反作用力。
分析并研究鍋爐廠管道的一次與二次應(yīng)力的參數(shù)分析計(jì)算,及對(duì)所要計(jì)算的應(yīng)力范圍進(jìn)行控制,避免導(dǎo)致管道的破裂。其結(jié)果可為我國(guó)鍋爐汽水管道的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)的理論與實(shí)踐基礎(chǔ)。
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Research on Stress Calculation of the Boiler Steam Pipe
LIANPing,F(xiàn)ENGTing-ting
(Heilongjiang Forestry Designing Institute,Harbin 150080,China)
This paper analyzes the stress ofthe boiler and steampipe,the stress calculation ofthe boiler and steampipe is studied. Key words:Boiler steampipe;Stress calculation;Research
TM621.2
B
1674-8646(2015)07-0089-01