生物质锅炉自承式结构的强度设计

杜伟光,宋凤芹,李朝花,程丰渊

(1.哈尔滨锅炉厂有限责任公司,哈尔滨150046； 2.济南锅炉集团有限公司,济南250023)

生物质锅炉自承式结构的强度设计

杜伟光1,宋凤芹2,李朝花2,程丰渊1

(1.哈尔滨锅炉厂有限责任公司,哈尔滨150046； 2.济南锅炉集团有限公司,济南250023)

以双集中下降管支撑汽包的YG-130/9.8-T3生物质锅炉为例,说明自承式生物质锅炉的几个强度问题。给出了水冷壁下集箱支承部位的强度计算与评定方法,集中下降管管接头部位汽包的强度计算与评定方法,集中下降管的稳定性计算方法,可供自承式生物质锅炉设计者参照使用。

自承式锅炉；附加应力；应力分析评定；稳定计算

生物质锅炉在某些特点上属自承式锅炉。最典型的自承式生物质锅炉是集中下降管和水冷壁下集箱作为锅筒和锅炉的支撑件。这种锅炉除需进行在内压作用下的强度计算之外,还要进行在自重载荷作用下附加应力计算和应力分析评定。对受轴向压力的部件则要进行稳定性计算,必要时还要进行受压元件的抗震计算。对于复杂的结构和受力状态,需要用专门的软件进行计算。因此,自承式锅炉的强度设计比普通锅炉要复杂得多,在水冷壁下集箱支撑点处和集中下降管管接头处需进行详细的应力分析和强度评定,并对集中下降管进行稳定性计算。

1 水冷壁下集箱支承点的强度计算与评定

在一个支座承受载荷的有效范围情况下(见图1),集箱的最大应力在上部内壁。弯曲应力按圆环受集中力计算：

图1 水冷壁下集箱支承点形状

最大应力为：

整体薄膜应力为：

强度评定按下式进行：

式中：R为平均半径；Ki为曲梁系数；Z为壁厚的断面抗弯模数；η为管孔减弱系数；W 为每个支座的载荷；Wp为内压引起的上浮力；p为内压；Do为集箱外径；Di为集箱内径；［σ］为许用应力。

2 集中下降管支撑锅筒的强度计算与评定

2.1 结构布置

图2为YG-130/9.8-T3锅炉双集中下降管支撑锅筒的布置图。

图2 集中下降管支撑锅筒布置图(单位：mm)

图3为集中下降管加强管接头示意图。

图3 加强管接头详图(单位：mm)

图4为集中下降管导向装置示意图。

图4 导向装置详图(单位：mm)

图5为集中下降管底端支撑装置详图。

图5 球形支座详图

2.2构件参数

2.2.1 锅筒参数

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

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

(3)工作压力pg=11.4 MPa。

(4)工作温度t=324.61℃。

2.2.2 管接头参数

(1)d=618 mm,δ=85 mm。

(2)假定材料与锅筒相同或强于锅筒。

(3)工作压力和工作温度同锅筒。

2.2.3 集中下降管参数

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

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

(3)工作压力和工作温度同锅筒。

2.3 集中下降管的计算

2.3.1 载荷计算

当集中下降管作为锅筒的支座时,两个集中下降管要承受整个锅筒系统的全部载荷。在锅炉运行状态时,集中下降管还要承受内压所产生的力,称为伸胀力。伸胀力和重力压缩力的方向是相反的。集中下降管最后的受力状态决定于伸胀力和压缩力的大小：当压缩力大于伸胀力时,集中下降管受压；当伸胀力大于压缩力时,集中下降管受拉。

锅筒系统的重力载荷由以下7项组成：

(1)锅筒的金属质量Q1=6.6 t。

(2)锅筒的保温质量Q2=1.5 t。

(3)锅筒内部设备质量Q3=3.2 t。

(4)锅筒金属预埋件质量Q4=0.8 t。

(5)锅筒的满水质量Q5=30 t。

(6)作用在锅筒上的导汽管及其保温质量Q6=5.6 t。

(7)作用在锅筒上的给水管及其保温质量Q7=1 t。

锅筒系统的总质量为：

每个集中下降管承受的荷重为：

运行状态时,每个集中下降管的内压伸胀力为：

集中下降管在运行状态下受的总轴向力为Q-F。压力为正,拉力为负。

由计算结果可以看出：在运行状态下,集中下降管在轴向仍然是处于受拉状态,但拉力变小,因此不会由于下降管承受重力载荷而产生稳定问题和新的强度问题。需要计算的是刚刚停炉泄压后集中下降管的稳定问题。

2.3.2 集中下降管停炉泄压后的稳定计算

在刚刚停炉泄压后,锅筒内还充满水,温度仍是运行状态下的温度,在这个时刻,集中下降管处于最危险的受力状态,因此,需要计算这个特定时刻的稳定问题。强度问题是按瞬时考虑的,而不管时间长短,要按在锅炉整个服役时间里可能出现的最危险的状态进行计算。

受压杆临界载荷按下式计算：

式中：l为自然长度；μl为计算长度；μ为长度系数,根据不同的端部条件,μ在0.5～∞变化。

在受压构件的稳定计算中,计算长度的正确是最重要的一项内容。对于受压构件来说,首先应当考虑构造措施,使构件有明确的稳定计算边界条件；而图2所表示的集中下降管各个部位都不是完全明确的约束条件。锅筒虽然可以假定为一个刚体,但它的位移和转动都不是完全被阻止的；导向装置也不是完全紧密的插入式,而是在前后和左右方向分别有40 mm和30 mm的膨胀空隙,这个空隙不论是冷态还是热态都是存在的；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,在确定集中下降管的计算长度时,需要留有充分的余地。先假定一种可能是最弱的情况进行计算,如果基本上满足要求,再加上两道导向装置则可以下一个设计安全的结论。现假定锅筒既不能平移,也不能转动,而集中下降管底端完全自由,即可把集中下降管简化成一个理想的悬臂受压杆,计算长度为自然长度的2倍。

回转半径

中心受压的稳定性系数φ根据文献［1］中表C-1查取,但λ的值已经超出该表的范围,用外推办法得φ=0.120。

当然,这并不是最危险的力学模型,因为锅筒位移和转角并不是完全被阻止的。如果考虑到两道导向装置的作用,基本上可以认为稳定性是能保证的。通过几何计算可以证明,两导向装置使载荷只能产生200 mm的偏心,而形成200Q的弯矩。

集中下降管的抗弯模量为：

弯曲应力为：

所能形成的弯矩不大,即使实际计算长度再大一些,稳定性应力也不会太大。因此,集中下降管的稳定性是可以保证的。

3 锅筒附加应力的计算与评定

对运行状态而言,集中下降管支撑锅筒不论对集中下降管还是对锅筒都是有利的。因为在这种情况下,重力载荷使集中下降管对锅筒的拉力变小。就该实例而言,在运行状态下,集中下降管对锅筒的作用力最大,所以只对运行状态下的锅筒进行附加应力的计算与评定。

3.1 锅筒管接头连接处的承载有效尺寸

图6为锅筒管接头连接处的承载有效尺寸示意图。各国对在管接头处的承载有效尺寸的规定不尽相同,有的相差较大［2］。

图6 锅筒与管接头连接处承载有效范围

锅筒方向取［3］

式中：Rm为锅筒有效中半径。

在管接头方向按GB/T 9222的规定取

式中：dp为加强管接头的中径；sT为加强管接头的厚度。

在锅筒肩部形成的有效尺寸可以组成图7所示的截面,把力学模型简化为受集中荷载｜QF｜,截面为图7的圆环。

图7 锅筒有效承载截面尺寸(单位：mm)

3.2 承载有效截面抗弯模数的计算

根据文献［3］中图7的参数计算如下：

(1)中性轴坐标：

(2)对中性轴的惯性矩：

(3)抗弯模数：

(4)截面面积：

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 有效承载截面弯曲应力的计算

一个集中下降管对锅筒总的作用力为：

假设集中下降管内径范围内的力由锅筒腹部承受。

肩部承受的作用力为：

截面为图7的圆环半径为：

假定弯曲应力由加强管接头和锅筒共同承担。

3.4 有效承载截面薄膜应力的计算

扣除管接头承受内压所需的面积,管接头所需壁厚为：

承受内压有效截面积为：

内压所承受的载荷为：

3.5 薄膜应力+弯曲应力评定

按式(4)验算：

按式(5)验算：

从验算结果可以看出,式(4)比式(5)严格,但更合理。

4 结语

根据力学的基本原理,对自承式生物质锅炉的具体结构进行了分析,做了合理的力学模型简化,给出了具体的计算方法和评定标准。这些方法和评定标准可以直接用于设计计算。自承式生物质锅炉设计者可以在该基础上做进一步研究工作,使之系统化、完善化、标准化,并编成相应的程序,以方便更多的设计者使用。

［1］中华人民共和国建设部和中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.GB 50017-2003钢结构设计规范［S］.北京：中国计划出版社,2003.

［2］蒋智翔,杨小昭.锅炉及压力容器受压元件强度［M］.北京：机械工业出版社,1999.

［3］《建筑结构静力计算手册》编写组.建筑结构静力计算手册［M］.北京：中国建筑工业出版社,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

杜伟光(1980-),男,工程师,主要从事锅炉受热面和连接管道产品的工艺控制和制造工作。

E-mail：chengyu55675569@sina.com

材料技术