于雅澤，劉 巍，王 淮，趙惠中

(1.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司 第六設(shè)計(jì)研究院，天津 300381；2.中國市政工程華北設(shè)計(jì)研究總院有限公司，天津 300381)

1 概述

某工業(yè)鍋爐在運(yùn)行中煙道固定支架發(fā)生損壞。本文對高溫運(yùn)行條件下煙道固定支架進(jìn)行有限元模擬，分析發(fā)生損壞的原因，提出改進(jìn)措施。

2 研究對象

煙道布置簡圖見圖1。煙道(圓管)外直徑為1 020 mm，壁厚為12 mm，材質(zhì)為S30409不銹鋼，工作溫度500 ℃，工作壓力0.3 MPa。固定支架結(jié)構(gòu)見圖2。固定支架材質(zhì)同煙道，托架與煙道采用焊接連接。固定支座y軸負(fù)方向受力為63.4 kN，x軸方向受力為13.0 kN。

圖1 煙道布置簡圖

圖2 固定支架結(jié)構(gòu)

3 仿真結(jié)果與分析

采用ANSYS WORKBENCH自帶的DesignModeler建立固定支架模型，采用熱傳導(dǎo)計(jì)算模塊設(shè)置支架傳熱條件，與煙道接觸的托架處溫度為500 ℃，環(huán)境溫度為20 ℃，支架表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)設(shè)定為11.63 W/(m2·K)，固定支架底板底部設(shè)定為絕熱。固定支架溫度分布見圖3。由圖3可知，與煙道接觸的托架溫度最高，沿y軸負(fù)方向溫度下降。

圖3 固定支架溫度分布(軟件截圖)

將模擬得到的溫度分布作為條件輸入結(jié)構(gòu)分析模塊，固定支架底部設(shè)定為固定，施加受力后，模擬固定支座的應(yīng)力分布。固定支架應(yīng)力分布見圖4。由圖4可知，固定支架最大應(yīng)力為747 MPa，應(yīng)力集中位置在煙道與托架接觸部分以及托架支撐邊緣。根據(jù)GB/T 20801.2—2020《壓力管道規(guī)范 工業(yè)管道 第2部分：材料》附錄A，在40 ℃下304不銹鋼許用應(yīng)力為138 MPa，在500 ℃下許用應(yīng)力為99.1 MPa。應(yīng)力判斷采用安定性分析(最大應(yīng)力不超過3倍許用應(yīng)力)，即500 ℃下應(yīng)力不應(yīng)大于297.3 MPa。由仿真結(jié)果可知，固定支架最大應(yīng)力不滿足安定性條件，這是運(yùn)行中固定支架發(fā)生損壞的主要原因。

圖4 固定支架應(yīng)力分布(軟件截圖)

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 初步優(yōu)化

由上述仿真模擬結(jié)果可知，在高溫條件下，應(yīng)力集中在與煙道接觸的托架上，且托架應(yīng)力分布不均。為此，對固定支架的結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步優(yōu)化：在固定支架內(nèi)部增加1塊托架支撐(厚度為16 mm)，并增加4條托架肋板(厚度均為16 mm)，初步優(yōu)化后的固定支架結(jié)構(gòu)見圖5。初步優(yōu)化后的固定支架應(yīng)力分布見圖6。由圖6可知，托架的最大應(yīng)力未超過400 MPa，說明托架的應(yīng)力集中問題得到改善，但仍不滿足安定性條件。

圖5 初步優(yōu)化后的固定支架結(jié)構(gòu)(軟件截圖)

圖6 初步優(yōu)化后的固定支架應(yīng)力分布(軟件截圖)

4.2 進(jìn)一步優(yōu)化

在初步優(yōu)化結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，取消托架支撐，再增加1條托架肋板(厚度為16 mm)，肋板間距為100 mm，進(jìn)一步優(yōu)化后的固定支架結(jié)構(gòu)見圖7。進(jìn)一步優(yōu)化后的固定支架應(yīng)力分布見圖8。由圖8可知，應(yīng)力集中出現(xiàn)在托架中心區(qū)域，最大應(yīng)力為307.69 MPa，仍不滿足安定性條件。

圖7 進(jìn)一步優(yōu)化后的固定支架結(jié)構(gòu)(軟件截圖)

圖8 進(jìn)一步優(yōu)化后的固定支架應(yīng)力分布(軟件截圖)

圖9 最終優(yōu)化后的固定支架結(jié)構(gòu)

4.3 最終優(yōu)化

在進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，將托架肋板分成兩部分并對稱布置，最終優(yōu)化后的固定支架結(jié)構(gòu)見圖9。最終優(yōu)化后的固定支架應(yīng)力分布見圖10。由圖10可知，最終優(yōu)化后的固定支架最大應(yīng)力為222.52 MPa，不僅滿足安定性條件，而且未出現(xiàn)在托架上。最終結(jié)構(gòu)固定支架托架應(yīng)力分布見圖11。由圖11可知，最終結(jié)構(gòu)固定支架托架最大應(yīng)力僅為88.4 MPa，說明最終結(jié)構(gòu)理想。

圖10 最終優(yōu)化后的固定支架應(yīng)力分布(軟件截圖)

圖11 最終結(jié)構(gòu)固定支架托架應(yīng)力分布(軟件截圖)

5 結(jié)語

與高溫?zé)煔鉄煹乐苯咏佑|的固定支架，在支架材料和結(jié)構(gòu)上需要考慮高溫條件，以免造成結(jié)構(gòu)受損，進(jìn)而影響煙道和設(shè)備的運(yùn)行安全。