高温烟气烟道固定支架结构优化有限元分析

于雅泽，刘 巍，王 淮，赵惠中

(1.中国市政工程华北设计研究总院有限公司 第六设计研究院，天津 300381；2.中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300381)

1 概述

某工业锅炉在运行中烟道固定支架发生损坏。本文对高温运行条件下烟道固定支架进行有限元模拟，分析发生损坏的原因，提出改进措施。

2 研究对象

烟道布置简图见图1。烟道(圆管)外直径为1 020 mm，壁厚为12 mm，材质为S30409不锈钢，工作温度500 ℃，工作压力0.3 MPa。固定支架结构见图2。固定支架材质同烟道，托架与烟道采用焊接连接。固定支座y轴负方向受力为63.4 kN，x轴方向受力为13.0 kN。

图1 烟道布置简图

图2 固定支架结构

3 仿真结果与分析

采用ANSYS WORKBENCH自带的DesignModeler建立固定支架模型，采用热传导计算模块设置支架传热条件，与烟道接触的托架处温度为500 ℃，环境温度为20 ℃，支架表面传热系数设定为11.63 W/(m2·K)，固定支架底板底部设定为绝热。固定支架温度分布见图3。由图3可知，与烟道接触的托架温度最高，沿y轴负方向温度下降。

图3 固定支架温度分布(软件截图)

将模拟得到的温度分布作为条件输入结构分析模块，固定支架底部设定为固定，施加受力后，模拟固定支座的应力分布。固定支架应力分布见图4。由图4可知，固定支架最大应力为747 MPa，应力集中位置在烟道与托架接触部分以及托架支撑边缘。根据GB/T 20801.2—2020《压力管道规范 工业管道 第2部分：材料》附录A，在40 ℃下304不锈钢许用应力为138 MPa，在500 ℃下许用应力为99.1 MPa。应力判断采用安定性分析(最大应力不超过3倍许用应力)，即500 ℃下应力不应大于297.3 MPa。由仿真结果可知，固定支架最大应力不满足安定性条件，这是运行中固定支架发生损坏的主要原因。

图4 固定支架应力分布(软件截图)

4 结构优化

4.1 初步优化

由上述仿真模拟结果可知，在高温条件下，应力集中在与烟道接触的托架上，且托架应力分布不均。为此，对固定支架的结构进行初步优化：在固定支架内部增加1块托架支撑(厚度为16 mm)，并增加4条托架肋板(厚度均为16 mm)，初步优化后的固定支架结构见图5。初步优化后的固定支架应力分布见图6。由图6可知，托架的最大应力未超过400 MPa，说明托架的应力集中问题得到改善，但仍不满足安定性条件。

图5 初步优化后的固定支架结构(软件截图)

图6 初步优化后的固定支架应力分布(软件截图)

4.2 进一步优化

在初步优化结构基础上，取消托架支撑，再增加1条托架肋板(厚度为16 mm)，肋板间距为100 mm，进一步优化后的固定支架结构见图7。进一步优化后的固定支架应力分布见图8。由图8可知，应力集中出现在托架中心区域，最大应力为307.69 MPa，仍不满足安定性条件。

图7 进一步优化后的固定支架结构(软件截图)

图8 进一步优化后的固定支架应力分布(软件截图)

图9 最终优化后的固定支架结构

4.3 最终优化

在进一步优化结构基础上，将托架肋板分成两部分并对称布置，最终优化后的固定支架结构见图9。最终优化后的固定支架应力分布见图10。由图10可知，最终优化后的固定支架最大应力为222.52 MPa，不仅满足安定性条件，而且未出现在托架上。最终结构固定支架托架应力分布见图11。由图11可知，最终结构固定支架托架最大应力仅为88.4 MPa，说明最终结构理想。

图10 最终优化后的固定支架应力分布(软件截图)

图11 最终结构固定支架托架应力分布(软件截图)

5 结语

与高温烟气烟道直接接触的固定支架，在支架材料和结构上需要考虑高温条件，以免造成结构受损，进而影响烟道和设备的运行安全。