鍋爐筒體上小間距大開(kāi)孔區(qū)域的應(yīng)力分析

王緒峰李廣文周冬雷馮立新

(1.泰山集團(tuán)股份有限公司，山東 泰安271025；2.煙臺(tái)市特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，山東煙臺(tái) 265400；3.山東省特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院有限公司，山東濟(jì)南250101)

0 引言

由于結(jié)構(gòu)需要，鍋爐筒體上經(jīng)常會(huì)布置大直徑接管。按照我國(guó)水管鍋爐強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定[1]，當(dāng)開(kāi)孔直徑超出未補(bǔ)強(qiáng)孔最大允許直徑(以下將此類(lèi)開(kāi)孔稱為“大孔”)時(shí)，由于孔邊緣處應(yīng)力集中過(guò)大，需進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)。在筒體和管接頭連接的縱截面上，有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)的補(bǔ)強(qiáng)面積應(yīng)大于或等于在筒體理論壁厚上開(kāi)孔去掉的面積[2]。標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)規(guī)定，上述補(bǔ)強(qiáng)方法僅適用于孤立的大孔，當(dāng)形成孔橋的2孔或多孔均為大孔時(shí)，前述的面積補(bǔ)強(qiáng)方法將不再適用。

因此，當(dāng)鍋筒上相鄰的接管距離較近時(shí)，盡可能只布置一個(gè)大管。如果2個(gè)均為大管，一般將節(jié)距加大，使其大于臨界節(jié)距，而不形成孔橋。這樣，可以按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對(duì)大孔進(jìn)行開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)。但是，如果因?yàn)樵O(shè)計(jì)需要，2個(gè)或多個(gè)大孔之間無(wú)法將間距拉大到臨界節(jié)距以上時(shí)，其強(qiáng)度判定就缺少了標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。此時(shí)，需要引入應(yīng)力分析方法。

目前在國(guó)內(nèi)鍋爐設(shè)計(jì)中，應(yīng)力分析方法主要用于對(duì)超出標(biāo)準(zhǔn)要求的非常規(guī)結(jié)構(gòu)或應(yīng)力狀態(tài)較復(fù)雜的受壓元件進(jìn)行強(qiáng)度分析和驗(yàn)證[3]。崔玉安等[4]利用應(yīng)力分析方法得出非徑向接管和封頭連接區(qū)域的應(yīng)力分布曲線，并按照需要進(jìn)行應(yīng)力分解，從而判定該結(jié)構(gòu)符合強(qiáng)度要求，解決了GB/T 16507.4—2013《水管鍋爐系列標(biāo)準(zhǔn) 第4部分:受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》沒(méi)有規(guī)定的凸型元件上開(kāi)孔的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算問(wèn)題；周冬雷[5]對(duì)標(biāo)準(zhǔn)未規(guī)定的設(shè)人孔加強(qiáng)圈的水管鍋爐有孔封頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，基于應(yīng)力場(chǎng)的分布情況，對(duì)封頭壁厚進(jìn)行了減薄，使結(jié)構(gòu)更加合理；徐超等[6]對(duì)火管鍋爐管板進(jìn)行熱應(yīng)力分析，得到管板整體結(jié)構(gòu)的溫度場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)，為鍋爐設(shè)計(jì)提供了依據(jù)；李之光等[7]對(duì)一種新型臥式內(nèi)燃鍋殼鍋爐的高溫管板進(jìn)行應(yīng)力分析，得到強(qiáng)度數(shù)據(jù)，并驗(yàn)證了其安全性；梁耀東等[8]對(duì)有關(guān)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)中開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)和應(yīng)力驗(yàn)證方法提出了修訂建議，使之更具實(shí)用性。

應(yīng)力分析方法是鍋爐標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算方法的補(bǔ)充，對(duì)于鍋爐設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的一些超出現(xiàn)行強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)或者傳統(tǒng)理論分析方法的新結(jié)構(gòu)，利用應(yīng)力分析方法驗(yàn)證強(qiáng)度，是一種有效的解決方法。為了解決85 t/h角管燃?xì)忮仩t鍋筒后部的4根小間距大直徑接管結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度判定問(wèn)題，文章利用有限元分析軟件ANSYS 13.0對(duì)孔排高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行建模和應(yīng)力分析，為鍋爐整體設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)[9]。在連接焊縫模型的創(chuàng)建中，以角焊縫的輪廓線構(gòu)建其外表面，再由外表面構(gòu)建角焊縫實(shí)體，與同類(lèi)的研究相比，通過(guò)“由下而上”的建模方法，使連接模型更加接近實(shí)際結(jié)構(gòu)，分析結(jié)果的準(zhǔn)確性得到充分保證。

1 研究方法

1.1 臨界節(jié)距計(jì)算方法

85 t/h角管燃?xì)忮仩t總圖如圖1所示。4個(gè)小間距大開(kāi)孔是爐膛上升管和集汽集箱與鍋筒的連接開(kāi)孔。

臨界節(jié)距是不考慮孔間影響的相鄰兩孔的最小節(jié)距，其可由式(1)表示為

式中:s0為臨界節(jié)距，mm；dm為相鄰兩孔的平均當(dāng)量直徑，mm；Di為筒體內(nèi)徑，mm；δ為筒體的名義壁厚，mm。

圖1 85 t/h角管燃?xì)忮仩t總圖

由于結(jié)構(gòu)所限，無(wú)法將間距拉大，所以相互之間的節(jié)距均小于臨界節(jié)距。因此，強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的大孔補(bǔ)強(qiáng)公式將不再適用。為了驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是否滿足要求，采用應(yīng)力分析方法，考察應(yīng)力分布情況和最大應(yīng)力值，利用相關(guān)應(yīng)力分類(lèi)限制原則，進(jìn)行強(qiáng)度判定，為鍋爐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供強(qiáng)度依據(jù)。

1.2 建模條件

鍋筒上4個(gè)大孔的橫向節(jié)距為449.2 mm、縱向節(jié)距為4 800 mm，而按照式(1)計(jì)算的臨界節(jié)距為653 mm。所以，該結(jié)構(gòu)不適用標(biāo)準(zhǔn)給出的大孔補(bǔ)強(qiáng)方法，需要利用應(yīng)力分析方法進(jìn)行強(qiáng)度分析和判定。建模條件見(jiàn)表1。

表1 小間距大直徑管排的建模條件表

1.3 模型的簡(jiǎn)化

筒體上管接頭與其他部件互不影響對(duì)方的應(yīng)力情況，所以取筒體局部區(qū)域建模[10-11]。雖然該區(qū)域無(wú)法采用標(biāo)準(zhǔn)補(bǔ)強(qiáng)方法，但是，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的有效補(bǔ)強(qiáng)范圍對(duì)于該問(wèn)題是適用的。按照GB/T 16507.4—2013規(guī)定，開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的有效范圍為孔直徑的2倍。因此，模型簡(jiǎn)化截取的筒體邊緣距孔中心的距離為550 mm，大于開(kāi)孔直徑的2倍，確保覆蓋有效補(bǔ)強(qiáng)范圍。由此建立小間距大直徑管排模型，如圖2所示。

圖2 小間距大直徑管排模型圖

1.4 邊界條件

(1)根據(jù)筒體橫斷面面積和封頭投影面積的比值，計(jì)算端面載荷為-35 MPa，施加在筒體橫斷面上；

(2)在筒體的縱斷面分別施加x、y向位移約束；

(3)在承受內(nèi)壓的所有面上施加內(nèi)壓力4.2 MPa；

(4)根據(jù)管接頭橫斷面與管子內(nèi)截面面積的比值，計(jì)算出端面載荷為-8.42 MPa，施加在管子橫斷面上。

2 結(jié)果與分析

2.1 應(yīng)力最大點(diǎn)位置及最大應(yīng)力值

利用ANSYS計(jì)算的應(yīng)力分布情況如圖3所示。根據(jù)的應(yīng)力分布情況，模型存在2個(gè)高應(yīng)力區(qū)。

(1)接管和筒體連接區(qū)的管端內(nèi)壁 筒體上所開(kāi)的4個(gè)大直徑管孔邊緣存在較大的應(yīng)力集中，削弱了開(kāi)孔區(qū)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，需要利用接管下端的金屬壁厚進(jìn)行補(bǔ)償，使接管的該區(qū)域成為高應(yīng)力區(qū)。同時(shí)，在承受內(nèi)壓的圓筒體上，整體應(yīng)力分布的特點(diǎn)是縱向孔橋的強(qiáng)度弱于橫向孔橋的強(qiáng)度，因此應(yīng)力最高點(diǎn)位于縱向孔橋的根部。

(2)縱向孔橋區(qū) 筒體上管孔縱向孔橋區(qū)是模型中另一個(gè)高應(yīng)力區(qū)，因?yàn)橥搀w壁厚除了用于自身承壓的需要之外，還用于補(bǔ)償開(kāi)大孔所引起的應(yīng)力集中。計(jì)算結(jié)果可知，縱向孔橋2個(gè)頂點(diǎn)(即管外壁根部位置)是孔橋區(qū)應(yīng)力最大位置，其最大應(yīng)力值為213 MPa，遠(yuǎn)離了管孔區(qū)，應(yīng)力將會(huì)逐漸減小。

圖3 高應(yīng)力區(qū)及應(yīng)力最大點(diǎn)位置圖

2.2 高應(yīng)力區(qū)應(yīng)力分布

2.2.1 下管端內(nèi)壁圓周方向的應(yīng)力分布

管區(qū)最大應(yīng)力點(diǎn)位于縱向孔橋根部對(duì)應(yīng)的管端內(nèi)壁頂點(diǎn)，并沿兩側(cè)圓周方向遞減。在兩側(cè)各＞45°范圍之后，應(yīng)力值已下降到接管材料的許用應(yīng)力以下。因此，在圓周方向上只需考察應(yīng)力最大點(diǎn)兩側(cè)各45°范圍內(nèi)的應(yīng)力分布。

受壓元件的應(yīng)力狀態(tài)，由不同性質(zhì)的應(yīng)力成分構(gòu)成。對(duì)各類(lèi)應(yīng)力成分的控制原則是不同的，每種應(yīng)力均應(yīng)低于各自的限定值[12]。為此，對(duì)整個(gè)高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行應(yīng)力分解，得到薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、薄膜+彎曲應(yīng)力、峰值應(yīng)力和總應(yīng)力沿圓周的分布情況，如圖4所示。與承壓強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)的4個(gè)指標(biāo)(薄膜應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、薄膜+彎曲應(yīng)力和總應(yīng)力)遵循相似的分布規(guī)律，峰值點(diǎn)位置與圖3中未分解應(yīng)力時(shí)的應(yīng)力最大點(diǎn)位置重合，然后沿兩側(cè)方向遞減。因此，只要在應(yīng)力最大點(diǎn)的各項(xiàng)分解應(yīng)力值低于相應(yīng)的限制值，即說(shuō)明開(kāi)孔得到有效補(bǔ)強(qiáng)，結(jié)構(gòu)就是安全的。圖4中的峰值應(yīng)力值較低，且波動(dòng)不大。該指標(biāo)主要對(duì)低周疲勞或脆斷失效模式起作用，所以僅在考慮疲勞損壞或防止斷裂時(shí)才加以限制，而在承壓強(qiáng)度分析時(shí)可不予考慮。

圖4 最大應(yīng)力點(diǎn)兩側(cè)各45°范圍內(nèi)圓周上的應(yīng)力分布圖

2.2.2 縱向孔橋應(yīng)力分布

鍋筒筒體上應(yīng)力較高的區(qū)域處于2孔之間的縱向孔橋區(qū)。經(jīng)應(yīng)力分解，得到應(yīng)力分布曲線，如圖5所示。鍋筒縱向孔橋方向上，在靠近管外壁的頂點(diǎn)焊縫處，各項(xiàng)分解應(yīng)力最高，遠(yuǎn)離接管后，應(yīng)力逐漸降低，至孔橋中點(diǎn)應(yīng)力降至最低，此時(shí)總應(yīng)力值已降至鍋筒材料的許用應(yīng)力以下。

圖5 縱向孔橋方向上的應(yīng)力分布圖

2.3 強(qiáng)度判定依據(jù)與結(jié)果

2.3.1 強(qiáng)度判定依據(jù)

按照GB/T 16507.4—2013中應(yīng)力驗(yàn)證法的規(guī)定，對(duì)于高應(yīng)力區(qū)(二次應(yīng)力區(qū))的強(qiáng)度判定有以下要求:最大內(nèi)外壁平均應(yīng)力(局部薄膜應(yīng)力)≤1.5倍許用應(yīng)力[σ]，最大當(dāng)量應(yīng)力(“薄膜+彎曲應(yīng)力”)≤3[σ]。按美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì) ASME(American Society of Mechanical Engineers)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力分類(lèi)控制原則的規(guī)定，判定強(qiáng)度主要是依據(jù)各項(xiàng)應(yīng)力與材料許用應(yīng)力[σ]的對(duì)比結(jié)果。安全條件為:膜應(yīng)力≤[σ]、局部膜應(yīng)力≤1.5[σ]、“薄膜+彎曲應(yīng)力”≤3[σ]。我國(guó)和美國(guó)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)力分類(lèi)控制原則是相同的。

由于分析區(qū)域?yàn)槎螒?yīng)力較高的區(qū)域[13]，同時(shí)，此處的薄膜應(yīng)力為局部膜應(yīng)力，所以強(qiáng)度判定依據(jù)如下[14-15]:

(1)對(duì)于筒體，局部膜應(yīng)力≤1.5[σ]，即233.85 MPa；薄膜+彎曲應(yīng)力≤3[σ]，即467.7 MPa；

(2)對(duì)于管接頭，局部膜應(yīng)力≤1.5[σ]，即167.85 MPa；薄膜+彎曲應(yīng)力≤3[σ]，即335.7 MPa。

2.3.2 強(qiáng)度判定結(jié)果

根據(jù)以上判定原則以及應(yīng)力的計(jì)算結(jié)果，對(duì)小間距大開(kāi)孔區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)度判定。

(1)接管應(yīng)力最大點(diǎn)的局部薄膜應(yīng)力為159.6 MPa，薄膜+彎曲應(yīng)力為214.5 MPa。2項(xiàng)指標(biāo)均小于安全限制值，因此，接管的承壓強(qiáng)度是安全的；

(2)鍋筒筒體應(yīng)力最大點(diǎn)的局部薄膜應(yīng)力為158.4 MPa，薄膜+彎曲應(yīng)力為210.8 MPa。2項(xiàng)指標(biāo)均小于安全限制值。因此，鍋筒筒體的承壓強(qiáng)度是安全的。

3 結(jié)論

針對(duì)85 t/h角管燃?xì)忮仩t筒體上小間距大開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，文章利用有限元分析軟件ANSYS對(duì)孔排高應(yīng)力區(qū)進(jìn)行建模和應(yīng)力分析，主要結(jié)論如下:

(1)高應(yīng)力區(qū)位于接管和筒體連接區(qū)的管端內(nèi)壁以及縱向孔橋區(qū)，應(yīng)力最大點(diǎn)位于縱向孔橋端部對(duì)應(yīng)的管端內(nèi)壁圓弧頂點(diǎn)，并沿其兩側(cè)方向遞減，最大應(yīng)力值為213 MPa。

(2)在選取筒體壁厚為32 mm、接管壁厚為25 mm時(shí)，該區(qū)域因開(kāi)孔應(yīng)力集中而導(dǎo)致的強(qiáng)度減弱可以得到有效補(bǔ)強(qiáng)，強(qiáng)度判定結(jié)果表明筒體和接管的承壓強(qiáng)度符合要求。