杜偉光,宋鳳芹,李朝花,程豐淵

(1.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司,哈爾濱150046； 2.濟(jì)南鍋爐集團(tuán)有限公司,濟(jì)南250023)

生物質(zhì)鍋爐自承式結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

杜偉光1,宋鳳芹2,李朝花2,程豐淵1

(1.哈爾濱鍋爐廠有限責(zé)任公司,哈爾濱150046； 2.濟(jì)南鍋爐集團(tuán)有限公司,濟(jì)南250023)

以雙集中下降管支撐汽包的YG-130/9.8-T3生物質(zhì)鍋爐為例,說(shuō)明自承式生物質(zhì)鍋爐的幾個(gè)強(qiáng)度問(wèn)題。給出了水冷壁下集箱支承部位的強(qiáng)度計(jì)算與評(píng)定方法,集中下降管管接頭部位汽包的強(qiáng)度計(jì)算與評(píng)定方法,集中下降管的穩(wěn)定性計(jì)算方法,可供自承式生物質(zhì)鍋爐設(shè)計(jì)者參照使用。

自承式鍋爐；附加應(yīng)力；應(yīng)力分析評(píng)定；穩(wěn)定計(jì)算

生物質(zhì)鍋爐在某些特點(diǎn)上屬自承式鍋爐。最典型的自承式生物質(zhì)鍋爐是集中下降管和水冷壁下集箱作為鍋筒和鍋爐的支撐件。這種鍋爐除需進(jìn)行在內(nèi)壓作用下的強(qiáng)度計(jì)算之外,還要進(jìn)行在自重載荷作用下附加應(yīng)力計(jì)算和應(yīng)力分析評(píng)定。對(duì)受軸向壓力的部件則要進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算,必要時(shí)還要進(jìn)行受壓元件的抗震計(jì)算。對(duì)于復(fù)雜的結(jié)構(gòu)和受力狀態(tài),需要用專門的軟件進(jìn)行計(jì)算。因此,自承式鍋爐的強(qiáng)度設(shè)計(jì)比普通鍋爐要復(fù)雜得多,在水冷壁下集箱支撐點(diǎn)處和集中下降管管接頭處需進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析和強(qiáng)度評(píng)定,并對(duì)集中下降管進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算。

1 水冷壁下集箱支承點(diǎn)的強(qiáng)度計(jì)算與評(píng)定

在一個(gè)支座承受載荷的有效范圍情況下(見圖1),集箱的最大應(yīng)力在上部?jī)?nèi)壁。彎曲應(yīng)力按圓環(huán)受集中力計(jì)算：

圖1 水冷壁下集箱支承點(diǎn)形狀

最大應(yīng)力為：

整體薄膜應(yīng)力為：

強(qiáng)度評(píng)定按下式進(jìn)行：

式中：R為平均半徑；Ki為曲梁系數(shù)；Z為壁厚的斷面抗彎模數(shù)；η為管孔減弱系數(shù)；W 為每個(gè)支座的載荷；Wp為內(nèi)壓引起的上浮力；p為內(nèi)壓；Do為集箱外徑；Di為集箱內(nèi)徑；［σ］為許用應(yīng)力。

2 集中下降管支撐鍋筒的強(qiáng)度計(jì)算與評(píng)定

2.1 結(jié)構(gòu)布置

圖2為YG-130/9.8-T3鍋爐雙集中下降管支撐鍋筒的布置圖。

圖2 集中下降管支撐鍋筒布置圖(單位：mm)

圖3為集中下降管加強(qiáng)管接頭示意圖。

圖3 加強(qiáng)管接頭詳圖(單位：mm)

圖4為集中下降管導(dǎo)向裝置示意圖。

圖4 導(dǎo)向裝置詳圖(單位：mm)

圖5為集中下降管底端支撐裝置詳圖。

圖5 球形支座詳圖

2.2構(gòu)件參數(shù)

2.2.1 鍋筒參數(shù)

(1)DN=1 600 mm,S=100 mm,有效厚度Syg=96 mm。

(2)材料為P355GH,［σ］20=198 MPa,［σ］325=130 MPa。

(3)工作壓力pg=11.4 MPa。

(4)工作溫度t=324.61℃。

2.2.2 管接頭參數(shù)

(1)d=618 mm,δ=85 mm。

(2)假定材料與鍋筒相同或強(qiáng)于鍋筒。

(3)工作壓力和工作溫度同鍋筒。

2.2.3 集中下降管參數(shù)

(1)d=508 mm,δ=30 mm,有效壁厚Syj= 27.12 mm,dN=508-2×27.12=453.76 mm。

(2)材料為12Cr1MoVG,σs=225 MPa,［σ］20= 163 MPa,［σ］325=146 MPa。

(3)工作壓力和工作溫度同鍋筒。

2.3 集中下降管的計(jì)算

2.3.1 載荷計(jì)算

當(dāng)集中下降管作為鍋筒的支座時(shí),兩個(gè)集中下降管要承受整個(gè)鍋筒系統(tǒng)的全部載荷。在鍋爐運(yùn)行狀態(tài)時(shí),集中下降管還要承受內(nèi)壓所產(chǎn)生的力,稱為伸脹力。伸脹力和重力壓縮力的方向是相反的。集中下降管最后的受力狀態(tài)決定于伸脹力和壓縮力的大?。寒?dāng)壓縮力大于伸脹力時(shí),集中下降管受壓；當(dāng)伸脹力大于壓縮力時(shí),集中下降管受拉。

鍋筒系統(tǒng)的重力載荷由以下7項(xiàng)組成：

(1)鍋筒的金屬質(zhì)量Q1=6.6 t。

(2)鍋筒的保溫質(zhì)量Q2=1.5 t。

(3)鍋筒內(nèi)部設(shè)備質(zhì)量Q3=3.2 t。

(4)鍋筒金屬預(yù)埋件質(zhì)量Q4=0.8 t。

(5)鍋筒的滿水質(zhì)量Q5=30 t。

(6)作用在鍋筒上的導(dǎo)汽管及其保溫質(zhì)量Q6=5.6 t。

(7)作用在鍋筒上的給水管及其保溫質(zhì)量Q7=1 t。

鍋筒系統(tǒng)的總質(zhì)量為：

每個(gè)集中下降管承受的荷重為：

運(yùn)行狀態(tài)時(shí),每個(gè)集中下降管的內(nèi)壓伸脹力為：

集中下降管在運(yùn)行狀態(tài)下受的總軸向力為Q-F。壓力為正,拉力為負(fù)。

由計(jì)算結(jié)果可以看出：在運(yùn)行狀態(tài)下,集中下降管在軸向仍然是處于受拉狀態(tài),但拉力變小,因此不會(huì)由于下降管承受重力載荷而產(chǎn)生穩(wěn)定問(wèn)題和新的強(qiáng)度問(wèn)題。需要計(jì)算的是剛剛停爐泄壓后集中下降管的穩(wěn)定問(wèn)題。

2.3.2 集中下降管停爐泄壓后的穩(wěn)定計(jì)算

在剛剛停爐泄壓后,鍋筒內(nèi)還充滿水,溫度仍是運(yùn)行狀態(tài)下的溫度,在這個(gè)時(shí)刻,集中下降管處于最危險(xiǎn)的受力狀態(tài),因此,需要計(jì)算這個(gè)特定時(shí)刻的穩(wěn)定問(wèn)題。強(qiáng)度問(wèn)題是按瞬時(shí)考慮的,而不管時(shí)間長(zhǎng)短,要按在鍋爐整個(gè)服役時(shí)間里可能出現(xiàn)的最危險(xiǎn)的狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算。

受壓桿臨界載荷按下式計(jì)算：

式中：l為自然長(zhǎng)度；μl為計(jì)算長(zhǎng)度；μ為長(zhǎng)度系數(shù),根據(jù)不同的端部條件,μ在0.5～∞變化。

在受壓構(gòu)件的穩(wěn)定計(jì)算中,計(jì)算長(zhǎng)度的正確是最重要的一項(xiàng)內(nèi)容。對(duì)于受壓構(gòu)件來(lái)說(shuō),首先應(yīng)當(dāng)考慮構(gòu)造措施,使構(gòu)件有明確的穩(wěn)定計(jì)算邊界條件；而圖2所表示的集中下降管各個(gè)部位都不是完全明確的約束條件。鍋筒雖然可以假定為一個(gè)剛體,但它的位移和轉(zhuǎn)動(dòng)都不是完全被阻止的；導(dǎo)向裝置也不是完全緊密的插入式,而是在前后和左右方向分別有40 mm和30 mm的膨脹空隙,這個(gè)空隙不論是冷態(tài)還是熱態(tài)都是存在的；底端支座,水平位移既不是完全自由也不是完全被阻止。因此,在確定集中下降管的計(jì)算長(zhǎng)度時(shí),需要留有充分的余地。先假定一種可能是最弱的情況進(jìn)行計(jì)算,如果基本上滿足要求,再加上兩道導(dǎo)向裝置則可以下一個(gè)設(shè)計(jì)安全的結(jié)論?，F(xiàn)假定鍋筒既不能平移,也不能轉(zhuǎn)動(dòng),而集中下降管底端完全自由,即可把集中下降管簡(jiǎn)化成一個(gè)理想的懸臂受壓桿,計(jì)算長(zhǎng)度為自然長(zhǎng)度的2倍。

回轉(zhuǎn)半徑

中心受壓的穩(wěn)定性系數(shù)φ根據(jù)文獻(xiàn)［1］中表C-1查取,但λ的值已經(jīng)超出該表的范圍,用外推辦法得φ=0.120。

當(dāng)然,這并不是最危險(xiǎn)的力學(xué)模型,因?yàn)殄佂参灰坪娃D(zhuǎn)角并不是完全被阻止的。如果考慮到兩道導(dǎo)向裝置的作用,基本上可以認(rèn)為穩(wěn)定性是能保證的。通過(guò)幾何計(jì)算可以證明,兩導(dǎo)向裝置使載荷只能產(chǎn)生200 mm的偏心,而形成200Q的彎矩。

集中下降管的抗彎模量為：

彎曲應(yīng)力為：

所能形成的彎矩不大,即使實(shí)際計(jì)算長(zhǎng)度再大一些,穩(wěn)定性應(yīng)力也不會(huì)太大。因此,集中下降管的穩(wěn)定性是可以保證的。

3 鍋筒附加應(yīng)力的計(jì)算與評(píng)定

對(duì)運(yùn)行狀態(tài)而言,集中下降管支撐鍋筒不論對(duì)集中下降管還是對(duì)鍋筒都是有利的。因?yàn)樵谶@種情況下,重力載荷使集中下降管對(duì)鍋筒的拉力變小。就該實(shí)例而言,在運(yùn)行狀態(tài)下,集中下降管對(duì)鍋筒的作用力最大,所以只對(duì)運(yùn)行狀態(tài)下的鍋筒進(jìn)行附加應(yīng)力的計(jì)算與評(píng)定。

3.1 鍋筒管接頭連接處的承載有效尺寸

圖6為鍋筒管接頭連接處的承載有效尺寸示意圖。各國(guó)對(duì)在管接頭處的承載有效尺寸的規(guī)定不盡相同,有的相差較大［2］。

圖6 鍋筒與管接頭連接處承載有效范圍

鍋筒方向?。?］

式中：Rm為鍋筒有效中半徑。

在管接頭方向按GB/T 9222的規(guī)定取

式中：dp為加強(qiáng)管接頭的中徑；sT為加強(qiáng)管接頭的厚度。

在鍋筒肩部形成的有效尺寸可以組成圖7所示的截面,把力學(xué)模型簡(jiǎn)化為受集中荷載｜QF｜,截面為圖7的圓環(huán)。

圖7 鍋筒有效承載截面尺寸(單位：mm)

3.2 承載有效截面抗彎模數(shù)的計(jì)算

根據(jù)文獻(xiàn)［3］中圖7的參數(shù)計(jì)算如下：

(1)中性軸坐標(biāo)：

(2)對(duì)中性軸的慣性矩：

(3)抗彎模數(shù)：

(4)截面面積：

其中,B=615 mm,H=309 mm,Syg=96 mm, h=213 mm,c=170 mm。代入以上各式得：y1= 107 mm；y2=202 mm；Ix0=718 006 170 mm4；Wxoy1=6 710 338 mm3。

3.3 有效承載截面彎曲應(yīng)力的計(jì)算

一個(gè)集中下降管對(duì)鍋筒總的作用力為：

假設(shè)集中下降管內(nèi)徑范圍內(nèi)的力由鍋筒腹部承受。

肩部承受的作用力為：

截面為圖7的圓環(huán)半徑為：

假定彎曲應(yīng)力由加強(qiáng)管接頭和鍋筒共同承擔(dān)。

3.4 有效承載截面薄膜應(yīng)力的計(jì)算

扣除管接頭承受內(nèi)壓所需的面積,管接頭所需壁厚為：

承受內(nèi)壓有效截面積為：

內(nèi)壓所承受的載荷為：

3.5 薄膜應(yīng)力+彎曲應(yīng)力評(píng)定

按式(4)驗(yàn)算：

按式(5)驗(yàn)算：

從驗(yàn)算結(jié)果可以看出,式(4)比式(5)嚴(yán)格,但更合理。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)力學(xué)的基本原理,對(duì)自承式生物質(zhì)鍋爐的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析,做了合理的力學(xué)模型簡(jiǎn)化,給出了具體的計(jì)算方法和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。這些方法和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)可以直接用于設(shè)計(jì)計(jì)算。自承式生物質(zhì)鍋爐設(shè)計(jì)者可以在該基礎(chǔ)上做進(jìn)一步研究工作,使之系統(tǒng)化、完善化、標(biāo)準(zhǔn)化,并編成相應(yīng)的程序,以方便更多的設(shè)計(jì)者使用。

［1］中華人民共和國(guó)建設(shè)部和中華人民共和國(guó)國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 50017-2003鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)計(jì)劃出版社,2003.

［2］蔣智翔,楊小昭.鍋爐及壓力容器受壓元件強(qiáng)度［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1999.

［3］《建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊(cè)》編寫組.建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊(cè)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1998.

Structural Strength Design of a Self-sustaining Biomass Boiler

Du Weiguang1,Song Fengqin2,Li Chaohua2,Cheng Fengyuan1
(1.Harbin Boiler Co.,Ltd.,Harbin 150046,China；2.Jinan Boiler Group Co.,Ltd.,Jinan 250023,China)

Focused on the strength design,an introduction is being presented to the YG-130/9.8-T3 self-sustaining biomass boiler with its drum supported by two downcomers.The strength calculation and assessment method are proposed for the supports of lower water wall header and for the drum at downcomer nozzle area,while the stability calculation method suggested for the downcomer,which may serve as a reference for the design of similar self-sustaining biomass boilers.

self-sustaining boiler；additional stress；stress analysis and assessment；stability calculation

TK229

A

1671-086X(2015)03-0184-04

2014-07-14

杜偉光(1980-),男,工程師,主要從事鍋爐受熱面和連接管道產(chǎn)品的工藝控制和制造工作。

E-mail：chengyu55675569@sina.com

材料技術(shù)