外加強(qiáng)鋼煙道動(dòng)力性能的試驗(yàn)與分析

程延峰 ， 李淮江

(河南能源化工集團(tuán)有限公司 義馬氣化廠 ， 河南 義馬472300)

摘要：近年來，鍋爐煙道振動(dòng)影響使用的案例時(shí)有發(fā)生。通過對煙道實(shí)際工程進(jìn)行振動(dòng)試驗(yàn)與有限元數(shù)值模擬計(jì)算，對鋼煙道常出現(xiàn)的振型進(jìn)行了總結(jié)，并通過數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的對比研究，對現(xiàn)有規(guī)程的設(shè)計(jì)方法提出了修正和改進(jìn)的意見。

關(guān)鍵詞：鋼煙道 ； 試驗(yàn)研究 ； 數(shù)值模擬 ； 動(dòng)力特性

中圖分類號：TQ050.2

收稿日期：2015-04-26

作者簡介：程延峰(1974-)，男，工程師，從事生產(chǎn)管理工作，電話：13903985231。

Experiment and Analysis of Dynanic Behavior of

External Strengthen Steel Flue Duct

CHENG Yanfeng , LI Huaijiang

(Henan Energy and Chemical Industry Group Yima Gasification Plant , Yima472300 , China)

Abstract:Recent years,the case that boiler flue vibrotion effect some times happens such things.Through of vibration test to flue practice engineering and finite element numerical simulation calculation,the common vibration mode of boiler flue duct are summarized,through compared the simulation value resules and test results,the correction and improvement suggestion for desigh inethod of existing regulation are put forward.

Key words:steel flue duct ; experiment research ; numerical simulotion ; dynamic behavior

鍋爐的煙風(fēng)道，是輸入燃燒用空氣和排放燃燒產(chǎn)生的煙氣，一般是用鋼板和加勁肋組成的矩形殼體。鍋爐煙道是受力復(fù)雜、安全性要求很高和尺寸龐大的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，煙道設(shè)計(jì)是鍋爐設(shè)計(jì)的重要組成部分[1]。

振動(dòng)是工程結(jié)構(gòu)經(jīng)常遇到的現(xiàn)象，鍋爐煙道的振動(dòng)是一個(gè)普遍存在的問題，從國內(nèi)自行設(shè)計(jì)制造的25 MW和50 MW中型鍋爐到引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)的300 MW大型鍋爐，均有過關(guān)于煙道振動(dòng)的報(bào)道[2]。特別是在脫硫系統(tǒng)煙道中，煙道需防腐，由于煙道內(nèi)壁涂刷了防腐內(nèi)襯，即使微小的振動(dòng)，時(shí)間久了也可能導(dǎo)致煙道內(nèi)壁內(nèi)襯的脫落，最終導(dǎo)致煙道腐蝕，煙道的振動(dòng)是必須重視的問題[3]。本文將通過試驗(yàn)分析和有限元數(shù)值模擬的方法，對煙道振動(dòng)特性展開較為系統(tǒng)的分析與研究。

1計(jì)算模型的工程背景

本論文所研究分析的鋼煙道主要以某化工廠配套鍋爐脫硫工程鋼煙道為背景，基于其中典型段煙道進(jìn)行動(dòng)力特性的試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算分析，見圖1。

圖1　試驗(yàn)測試煙道部分平面示意圖

所研究的煙道為薄壁鋼結(jié)構(gòu)，外表面分別設(shè)有H型鋼橫向加勁肋和扁鋼縱向加勁肋，其煙道面板厚度為6 mm，截面尺寸為4.67 m×6.3 m，內(nèi)壁壓力4 kPa，加勁肋規(guī)格見表1。煙道每隔0.9 m設(shè)置一道橫向加勁肋，底部縱向加勁肋間距約為0.7 m，頂部和側(cè)面縱向加勁肋間距約為0.8 m。

表1　加勁肋規(guī)格表

2鋼煙道振動(dòng)特性的試驗(yàn)研究

2.1試驗(yàn)研究方法

本煙道工程的振動(dòng)試驗(yàn)采用錘擊激振的試驗(yàn)方法，即用力錘定點(diǎn)敲擊煙道的某個(gè)部位，用壓電傳感器拾取煙道各測點(diǎn)的振動(dòng)響應(yīng)，經(jīng)過放大器的信號放大后由HP3562進(jìn)行動(dòng)態(tài)信號分析，得到結(jié)構(gòu)的各階頻率。具體的測試及量測記錄程序見圖2。

圖2　試驗(yàn)測試及量測記錄程序

2.2試驗(yàn)測點(diǎn)布置

結(jié)合本煙道振動(dòng)試驗(yàn)所測煙道的實(shí)際情況，試驗(yàn)測點(diǎn)的布置，主要布置原則以測試煙道四面板面垂直方向振動(dòng)為主；考慮現(xiàn)場分析設(shè)備的通道數(shù)量較少，采用將其中一點(diǎn)作為參考測點(diǎn)，移動(dòng)其他測點(diǎn)并都與其相比較；傳感器主要布置在橫向加勁肋和垂直于橫向加勁肋的縱向加勁肋的節(jié)點(diǎn)及煙道面板的中點(diǎn)。由于篇幅所限，本文中只列出煙道左壁內(nèi)側(cè)測點(diǎn)與左壁外側(cè)測點(diǎn)布置示意圖，見圖3。

圖3　煙道測點(diǎn)布置立面圖

2.3試驗(yàn)結(jié)果列示

通過錘擊激振試驗(yàn)，得到本次試驗(yàn)鋼煙道前5階自振頻率，整理如表2所示。

2.4試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

對于鋼煙道在錘擊激振下的實(shí)測各頻率值，得到如下結(jié)論：①在煙道不通煙氣的工況條件下，6.0 Hz為結(jié)構(gòu)整體彈性變形的第一階頻率，包含支座剛度對上部煙道整體的影響，而結(jié)構(gòu)的16.7 Hz振動(dòng)與6.0 Hz類似，為結(jié)構(gòu)整體彈性變形；②19.6 Hz僅在煙道內(nèi)部錘擊激振測試工況出現(xiàn)，且各測點(diǎn)之間相干較好，為結(jié)構(gòu)整體彈性變形的較高階頻率；③24.1 Hz為實(shí)測所得的煙道內(nèi)部左側(cè)的局部振動(dòng)頻率。

表2　試驗(yàn)測試煙道前5階頻率匯總表　　　　　　　　　　　　　　Hz

3鋼煙道振動(dòng)特性有限元分析

3.1有限元計(jì)算模型的建立

本文研究的脫硫工程中的煙道為薄壁鋼結(jié)構(gòu)，并設(shè)有環(huán)向型鋼加勁肋約束，應(yīng)對不同構(gòu)件選用不同單元進(jìn)行模擬。對于煙道面板來說，其承受的荷載主要為自重和內(nèi)壁壓力，其受力較為復(fù)雜，同時(shí)承受彎矩、剪力、軸力的復(fù)合作用，故選用殼體單元進(jìn)行模擬。而加勁肋與煙道壁為焊接，它們共同承擔(dān)內(nèi)壁傳來的荷載及自重，其承受荷載類型為彎矩、軸力、剪力，選擇梁單元進(jìn)行模擬。

圖4　有限元計(jì)算模型

數(shù)值模擬分析中，邊界條件的正確與否直接影響到有限元分析結(jié)果，本文建立的模型與實(shí)際煙道工程相近，在兩端設(shè)3個(gè)不動(dòng)鉸支座，下部支承于地面，上端支承于端部加勁肋。建立的有限元模型如圖4所示。

3.2有限元計(jì)算結(jié)果

通過ANSYS軟件進(jìn)行模態(tài)分析，采用SHELL63模擬殼單元[4]，BEAM4模擬梁單元，用 BlockLanczos特征值求解法提取模態(tài)，計(jì)算得到了煙道前30階固有頻率和振型，由于篇幅所限，選取了較有代表性的幾個(gè)振型進(jìn)行了列示，如圖5所示。

圖5　模態(tài)分析各主要振型圖

通過計(jì)算結(jié)果可以看出，第1階振型是煙道上部整體彈性變形；第2階至第9階振型也是整體振動(dòng)，具體表現(xiàn)為兩側(cè)鋼板和加勁肋不同部位的凹凸變形，隨著階數(shù)的提高凹凸波數(shù)增多；從第10階和第11階為頂板和底板的上下振動(dòng)；第14階和第15階振型發(fā)生鋼板局部突鼓和加勁肋局部振動(dòng)；16階出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)振型；第26階以后即振動(dòng)頻率高于54.928Hz以后的振型是以鋼板的局部振動(dòng)為主。

3.3有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較

根據(jù)試驗(yàn)和有限元計(jì)算的結(jié)果，表3、圖6對各振型的頻率進(jìn)行了對比。

表3　試驗(yàn)結(jié)果與有限元計(jì)算結(jié)果對比

不難看出，有限元計(jì)算的結(jié)果與試驗(yàn)測得的結(jié)果吻合的非常好，能夠很好地反映各振型頻率的變化趨勢，可以利用有限元計(jì)算的結(jié)果對現(xiàn)有的簡化計(jì)算方法進(jìn)行校核。

從試驗(yàn)和有限元分析可知，隨著振型階數(shù)的增大，煙道由整體平動(dòng)逐漸過渡到煙道整體的左右、上下振動(dòng)和煙道加勁肋、道體鋼板的局部振動(dòng)。隨著振型階數(shù)的增大，振動(dòng)頻率增高，除一階和二階頻率相差較大外，二階以后的兩鄰兩階振型頻率相差較小，頻率變化曲線趨于平緩。

此外，本文還增大跨度建立了7 m和14 m跨煙道截面為4 m×9 m的煙道模型進(jìn)行振動(dòng)模態(tài)分析，各階振型的頻率如圖6所示。隨著煙道跨度增大，煙道上下振動(dòng)振型滯后，這是由于側(cè)向剛度相對于豎向剛度更弱，導(dǎo)致前幾階振動(dòng)頻率降低。

圖6　7 m和14 m跨煙道有限元計(jì)算振型頻率對比圖

4對《煙規(guī)計(jì)算方法》的討論

目前我國煙道設(shè)計(jì)中煙道加勁肋和道體面板的振動(dòng)驗(yàn)算都是依據(jù)《火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》[5]和《火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程配套設(shè)計(jì)計(jì)算方法》簡稱《煙規(guī)計(jì)算方法》[6]進(jìn)行。一般按強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性初選截面后，再驗(yàn)算是否滿足防振要求：離心風(fēng)機(jī)的出口段煙道及流速大于25 m/s的煙道，按振動(dòng)等級設(shè)計(jì)，加勁肋和面板振動(dòng)頻率≥40 Hz；其它位置煙道按常規(guī)等級設(shè)計(jì)，加勁肋和面板振動(dòng)頻率≥20 Hz。

4.1道體面板自振頻率現(xiàn)行計(jì)算方法

對于煙道道體面板，文獻(xiàn)[6]假定為四邊固定板和兩邊固定板。但沒有指出何種情況為四邊固定板，何種情況為兩邊固定板。加勁肋間道體面板自振頻率計(jì)算公式為：

①四邊固定板：

(1)

②兩邊固定板：

(2)

式中，f為計(jì)算煙道面板單元的自振頻率，S、W為計(jì)算煙道面板單元的邊長，δ為煙道面板厚度，E為鋼材彈性模量，ρ為鋼材密度。

4.2加勁肋自振頻率現(xiàn)有計(jì)算方法

對于橫向加勁肋的計(jì)算，根據(jù)兩端連接型式的不同，文獻(xiàn)[6]中分為兩端固支梁或兩端簡支梁，如圖7所示。

圖7　橫向加勁肋端部連接型式

一階頻率計(jì)算公式為：

① 簡支情況：

(3)

②固支情況：

(4)

其中，f為加勁肋的自振頻率，L為加勁肋的長度，I為加勁肋的截面慣性矩，E為鋼材彈性模量，G為加勁肋每米長質(zhì)量。

4.3《煙規(guī)計(jì)算方法》的比較分析

本工程煙道設(shè)置有縱向加勁肋，煙道面板邊界條件假定為四邊固定；橫向加勁肋假定為兩端固支。

表4　煙規(guī)計(jì)算方法與試驗(yàn)結(jié)果及有限元計(jì)算結(jié)果對比

從表4可以看出：①對于側(cè)面加勁肋，文獻(xiàn)[6]與有限元計(jì)算和試驗(yàn)測得的結(jié)果吻合較好；而對于底部加勁肋和頂部加勁肋，文獻(xiàn)[6]與有限元計(jì)算結(jié)果差別較大。原因是頂部和底部加勁肋兩端假定為固支，實(shí)際兩端支承方式介于簡支和固支之間。特別是底部加勁肋線剛度遠(yuǎn)大于側(cè)面加勁肋，側(cè)面加勁肋難以對底部加勁肋形成固支約束。②對于加勁肋的自振頻率計(jì)算不僅考慮節(jié)點(diǎn)的連接方式，而且要根據(jù)底部和側(cè)面、側(cè)面和頂部相鄰加勁肋的線剛度比值確定加勁肋兩端約束方式是簡支還是固支。如果是介于簡支和固支之間的彈性支座時(shí)，可假定兩端簡支，結(jié)果偏于安全。③對于面板的自振頻率的計(jì)算，當(dāng)同時(shí)設(shè)置橫向和縱向加勁肋支承面板時(shí)，可假定為四邊支承板；不設(shè)縱向加勁肋時(shí)為兩邊支承板。從比較結(jié)果來看，文獻(xiàn)[6]與有限元計(jì)算的結(jié)果比較接近。④規(guī)程規(guī)定對一般煙道段要求按常規(guī)振動(dòng)考慮，振動(dòng)頻率大于20 Hz。文獻(xiàn)[6]中計(jì)算只考慮了鋼板和加勁肋的局部振動(dòng)，而沒有考慮煙道的整體振動(dòng)。從試驗(yàn)和ANSYS模態(tài)分析結(jié)果看，鋼板和加勁肋的局部振動(dòng)頻率大于20Hz，滿足煙規(guī)要求，但前2階振型整體振動(dòng)頻率低于煙規(guī)規(guī)定，需進(jìn)一步考慮整體防振措施。

5結(jié)語

通過與試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果對比發(fā)現(xiàn)，有限元計(jì)算分析的方法精確度較高，是研究鋼煙道振動(dòng)特性較為經(jīng)濟(jì)有效的方法；《煙規(guī)計(jì)算方法》與有限元計(jì)算和試驗(yàn)測得的結(jié)果對比表明，加勁肋兩端約束條件假定不僅與連接方式有關(guān)，還與相鄰加勁肋的線剛度比值有關(guān)。對于面板的自振頻率的計(jì)算，當(dāng)同時(shí)設(shè)置橫向和縱向加勁肋支承面板時(shí)，應(yīng)假定為四邊支承板；不設(shè)縱向加勁肋時(shí)為兩邊支承板。明確了文獻(xiàn)[6]中公式應(yīng)用范圍。

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