超超臨界鍋爐螺旋爐膛剛性梁設(shè)計(jì)要點(diǎn)

王雪儀

(北京巴布科克·威爾科克斯有限公司， 北京 100043)

剛性梁部件懸掛在鍋爐本體管壁上，作為爐體管組側(cè)向支撐，同時(shí)承受鍋爐爐膛內(nèi)部靜態(tài)壓力和瞬態(tài)壓力。鍋爐本體地震荷載、風(fēng)荷載等水平荷載通過(guò)剛性梁傳遞到止晃裝置，由止晃裝置傳遞到鍋爐鋼結(jié)構(gòu)。

在常規(guī)亞臨界鍋爐垂直管組水冷壁中，由于水冷壁管垂直于地面，下部爐膛的自身重力荷載和灰渣重力荷載等可以通過(guò)管子自身向上傳遞至頂部集箱，再通過(guò)吊掛裝置傳遞至鍋爐鋼結(jié)構(gòu)頂板層。而超臨界及超超臨界鍋爐下部爐膛水冷壁為具有一定傾斜角度螺旋上升的內(nèi)螺紋管組，在燃燒器區(qū)域以上通過(guò)過(guò)渡管組與上部垂直管排相接[1-2]。下部螺旋爐膛管排不垂直于地面，并且其與上部垂直管排的連接較弱，使得該區(qū)域的管排不能直接承受下部爐膛的自身重力荷載。因此，設(shè)計(jì)該區(qū)域的剛性梁時(shí)，首先需要考慮如何實(shí)現(xiàn)將下部爐膛荷載能夠安全地傳遞到上部垂直管排，其次需要考慮如何實(shí)現(xiàn)傳力結(jié)構(gòu)與剛性梁系統(tǒng)的統(tǒng)一。

剛性梁設(shè)計(jì)的主要思路為：首先，需要通過(guò)管子的受力分析，確定合理的剛性梁層間距離以保證鍋爐本體管組的撓度及應(yīng)力低于許用值，滿足管子最小振動(dòng)頻率的要求；其次，核算剛性梁截面強(qiáng)度和剛度，保證剛性梁能夠承受爐膛內(nèi)部壓力，并且滿足剛性梁最小振動(dòng)頻率的要求；最后，考慮止晃層剛性梁還要承受鍋爐本體傳過(guò)來(lái)的地震荷載和風(fēng)荷載。在進(jìn)行剛性梁布置時(shí)，需要確保鍋爐膨脹系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求，從而保證鍋爐管子受力安全。

超超臨界鍋爐剛性梁設(shè)計(jì)內(nèi)容主要包括剛性梁的布置，以及管子和剛性梁的應(yīng)力分析。筆者對(duì)超超臨界鍋爐進(jìn)行下部螺旋爐膛管組傳力分析、綁帶受力分析和剛性梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面的研究。

1 下部螺旋爐膛管組傳力分析

超臨界、超超臨界鍋爐下部螺旋爐膛管組受力的情況復(fù)雜，分析時(shí)既要考慮爐膛內(nèi)壓力和管子內(nèi)介質(zhì)工作壓力的作用，又要考慮鋼管的重力荷載。因?yàn)橄虏柯菪隣t膛結(jié)構(gòu)不能直接實(shí)現(xiàn)管子軸向傳力，所以在設(shè)計(jì)該區(qū)域剛性梁時(shí)，保守考慮水冷壁管不承擔(dān)下部爐膛的自身重力荷載，由綁帶將重力荷載傳遞到上部垂直爐膛，爐膛壓力荷載通過(guò)綁帶傳到U形連接板再傳到小立柱，小立柱再將壓力荷載傳到水平剛性梁，具體見(jiàn)圖1。

圖1 水平剛性梁、綁帶、小立柱的結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)鍋爐荷載的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，一般下部螺旋爐膛的垂直荷載包括：管子金屬、水、保溫護(hù)板的重力荷載，燃燒器、風(fēng)箱的重力荷載，冷灰斗及灰渣的重力荷載，剛性梁自身重力荷載。1臺(tái)1 000 MW超超臨界鍋爐下部螺旋爐膛的總質(zhì)量達(dá)到4 000 t，剛性梁設(shè)計(jì)需要考慮將重力荷載向上傳遞至上部垂直爐膛。為保證傳力的合理、安全，下部螺旋爐膛與上部垂直爐膛通過(guò)綁帶傳力體系進(jìn)行連接，具體見(jiàn)圖2。

圖2 螺旋爐膛與垂直爐膛的連接示意圖

綁帶傳力體系為：

(1) 綁帶與下部螺旋爐膛管通過(guò)填板焊接在一起，前、后、側(cè)管墻的重力荷載通過(guò)綁帶與填板的連接焊縫傳遞給相應(yīng)的綁帶。冷灰斗前、后墻的重力荷載和爐膛壓力荷載通過(guò)前、后墻冷灰斗剛性梁及角部裝置傳遞到側(cè)墻綁帶，再由側(cè)墻綁帶向上傳遞，為防止膨脹差造成應(yīng)力破壞，綁帶僅單側(cè)焊接。

(2) 若干條綁帶在螺旋水冷壁頂部與傳力板焊接，將荷載匯集至傳力板。傳力板上焊有若干個(gè)指板，同時(shí)在螺旋水冷壁頂部也焊有若干個(gè)指板，指板另一端與上部垂直爐膛膜片焊接，將下部螺旋爐膛荷載傳遞至垂直爐膛。

(3) 為防止綁帶在爐膛正負(fù)壓力下發(fā)生損壞，綁帶與U形連接板連接，連接節(jié)點(diǎn)僅約束其平面外變形，不對(duì)其垂直受力和膨脹產(chǎn)生影響，爐膛的壓力最終通過(guò)小立柱傳遞給水平剛性梁。

該方案可以有效地將鍋爐下部螺旋爐膛的垂直荷載傳遞至上部垂直爐膛，進(jìn)而傳遞到鍋爐頂部吊掛裝置，同時(shí)也可解決爐膛內(nèi)部壓力荷載的傳遞問(wèn)題，保證鍋爐水冷壁管在爐膛壓力作用下不發(fā)生損壞，并且還可以保證水冷壁系統(tǒng)的自由膨脹。

2 下部螺旋爐膛綁帶受力分析

2.1 綁帶間距

綁帶是鍋爐下部螺旋爐膛重要的傳力部件，整個(gè)下部螺旋爐膛的垂直荷載都是通過(guò)綁帶傳到上部垂直爐膛[3]。

該電廠有2臺(tái)1 000 MW超超臨界機(jī)組，鍋爐爐膛的靜態(tài)壓力為6.5 kPa、瞬態(tài)壓力為9.8 kPa；下部螺旋爐膛內(nèi)螺紋管規(guī)格為Ф38×6.5(外徑為38 mm、壁厚為6.5 mm)，材質(zhì)為12Cr1MoVG，設(shè)計(jì)溫度為463 ℃，內(nèi)壓為35.51 MPa；扁鋼厚度為8 mm，材質(zhì)為12Cr1MoV。

為了保證下部螺旋爐膛管在爐膛壓力作用下不被破壞，同時(shí)保證在運(yùn)行時(shí)管子和剛性梁不發(fā)生共振，應(yīng)根據(jù)T/CEC 322—2020 《懸吊式鍋爐剛性梁技術(shù)規(guī)范》，按式(1)計(jì)算出滿足管子自振頻率≥6 Hz的最大間距，然后按式(2)計(jì)算出滿足管子強(qiáng)度的最大間距，取這2個(gè)最大間距中的較小值作為最終的綁帶間距。

Hmax=6.36(EgIg/Gg)0.25

(1)

Hmax=(10σgw,maxWg/q)0.25cosφ

(2)

q=pdtc×10-6

σgw,max=σz-σLP-σwt

σz=1.85[σ]gs-(1.8T-670)[0.2[σ]gt+

0.35(σLP+σwt)]/200

式中：Hmax為最大剛性梁間距，mm；Eg為爐墻管子在設(shè)計(jì)溫度下的彈性模量，N/mm2，按GB 150.2—2011 《壓力容器 第2部分：材料》取值；Ig為單根管子的慣性模量，mm4；Gg為單根管子的線重力(包括內(nèi)部介質(zhì)、保溫、護(hù)板的重力)，N/mm；σgw,max為管子最大彎曲應(yīng)力，N/mm2；Wg為管子抗彎截面模量(不計(jì)鰭片面積)，mm3；q為管子所受側(cè)向煙氣均布荷載，N/mm；φ為螺旋管角度，(°)；pd為爐膛瞬態(tài)壓力，Pa；tc為膜式壁管子中心距，mm；σz為管子組合許用應(yīng)力，N/mm2；[σ]gt為管子在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，N/mm2，按GB/T 16507.2—2013 《水管鍋爐 第2部分：材料》取值；σLP為管子內(nèi)壓引起的軸向應(yīng)力，N/mm2；σwt為管子軸向外荷載產(chǎn)生的軸向應(yīng)力，N/mm2；T為管子設(shè)計(jì)溫度，℃。

經(jīng)計(jì)算得出支撐螺旋水冷壁管的最大綁帶間距為3 605 mm，該鍋爐的最大綁帶間距為3 500 mm。在滿足最大綁帶間距要求的情況下，綁帶布置可根據(jù)風(fēng)箱、燃燒器等設(shè)備的位置情況進(jìn)行靈活調(diào)整。

2.2 綁帶受力分析

根據(jù)下部螺旋爐膛的設(shè)備布置情況，爐膛前后墻和側(cè)墻的綁帶分布見(jiàn)圖3。

圖3 螺旋爐膛前后墻和側(cè)墻綁帶的布置

前后墻承受質(zhì)量均為1 394 160 kg的垂直荷載，兩面?zhèn)葔Τ惺苜|(zhì)量均為608 530 kg的垂直荷載，各綁帶按照均布荷載進(jìn)行承載分析。鍋爐下部螺旋爐膛前后墻的寬度均為33 128.7 mm，側(cè)墻的深度為16 308.7 mm。根據(jù)荷載和綁帶的布置情況，可算得前后墻和側(cè)墻綁帶承受的均布荷載。以該荷載工況和綁帶間距為條件，對(duì)剛性梁進(jìn)行校核計(jì)算。

3 剛性梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 綁帶設(shè)計(jì)

剛性梁綁帶、傳力板及指板是整個(gè)下部螺旋爐膛剛性梁的核心受力部件，需要根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)仔細(xì)分析其受力情況，并留有一定安全裕度，確保鍋爐運(yùn)行安全。筆者僅進(jìn)行了綁帶強(qiáng)度計(jì)算分析，傳力板及指板在設(shè)計(jì)過(guò)程中同樣需要進(jìn)行強(qiáng)度分析。

3.1.1 綁帶材料的選取

結(jié)合綁帶的受力和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，綁帶材料需要具有優(yōu)異的高溫下力學(xué)性能、較好的可焊性，并且與鋼管線膨脹系數(shù)相當(dāng)。

所選用綁帶最高設(shè)計(jì)溫度為431 ℃，綜合以上因素，綁帶材料選用ASTM SA387GR11CL2。該材料在431 ℃下具有較好的力學(xué)性能，其靜態(tài)抗拉強(qiáng)度為151 N/mm2，瞬態(tài)抗拉強(qiáng)度為186 N/mm2，屈服強(qiáng)度為228 N/mm2。該材料特性與12Cr1MoV相當(dāng)，具有較好的可焊性[4]。綁帶材料的線膨脹系數(shù)與鋼管極為接近。同時(shí)，該材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，國(guó)內(nèi)各大主流鋼廠均可生產(chǎn)。該材料能很好地滿足設(shè)計(jì)需要。

3.1.2 綁帶計(jì)算

以鍋爐前墻綁帶間距3 500 mm為例，其承受質(zhì)量為1 394 160 kg的垂直荷載，爐膛靜態(tài)壓力均布荷載為215 N/mm，瞬態(tài)壓力均布荷載為325 N/mm。為減小爐膛壓力對(duì)綁帶受力彎曲的影響，通過(guò)U形連接板每間隔500 mm將綁帶支撐在小立柱上。綁帶的受力情況見(jiàn)圖4。

圖4 綁帶的受力情況示意圖

綁帶受力情況為拉彎組合。綁帶共有11組，所有綁帶設(shè)計(jì)厚度均為26 mm，第1組和第11組均采用3條寬度為100 mm的綁帶，第2組和第10組均采用2條寬度為130 mm的綁帶，其余綁帶均采用3條寬度為130 mm的綁帶。按照GB/T 22395—2008 《鍋爐鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》中拉彎組合受力狀態(tài)計(jì)算方法校核綁帶的截面，結(jié)果表明在靜態(tài)壓力和瞬態(tài)壓力的作用下，截面均滿足承載要求。所有綁帶通過(guò)連續(xù)的單側(cè)6 mm角焊縫與爐膛水冷壁填板焊接連接，滿足爐膛荷載的傳遞要求。

3.2 小立柱設(shè)計(jì)

小立柱在剛性梁系統(tǒng)中的作用是將綁帶承受的爐膛壓力傳遞給外圍的水平剛性梁，因此需要重點(diǎn)考慮其與綁帶的有效傳力和小立柱自身的承載能力。

3.2.1 小立柱與綁帶的傳力方案

小立柱每間隔500 mm對(duì)綁帶進(jìn)行支撐，支撐零件需要考慮傳遞荷載，并且避免約束管子的膨脹，可采用T/CEC 322—2020中給出的結(jié)構(gòu)。U形連接板能夠?qū)t膛壓力由綁帶傳遞到小立柱，并且在管子受熱向下膨脹時(shí)，確保其可以自由膨脹。綁帶支撐零件見(jiàn)圖5。

圖5 綁帶支撐零件

3.2.2 小立柱受力分析

綁帶將爐膛壓力荷載通過(guò)綁帶支撐零件傳向外側(cè)的小立柱，再由小立柱傳至上下兩層水平剛性梁。根據(jù)受力情況，可將小立柱簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁進(jìn)行分析計(jì)算。

通過(guò)計(jì)算得到對(duì)于水平剛性梁層間距為5 060 mm的小立柱，其主軸平面內(nèi)的最大彎距為113.06 kN·m?？紤]到連接構(gòu)造等，第1組和第11組綁帶對(duì)應(yīng)的小立柱選用軋制H型鋼HW200×200，第2組和第10組綁帶對(duì)應(yīng)的小立柱選用軋制H型鋼HW300×300，其余綁帶對(duì)應(yīng)的小立柱選用板拼H型鋼300×370(300)×10/16(高度×內(nèi)翼緣寬度(外翼緣寬度)×腹板厚度/翼緣厚度)，材質(zhì)為Q355B。經(jīng)過(guò)強(qiáng)度和剛度計(jì)算，應(yīng)力比和撓度均滿足要求。

3.3 水平剛性梁構(gòu)件設(shè)計(jì)

下部螺旋爐膛的爐膛壓力荷載按照爐膛、水冷壁管組、綁帶、U形連接板、剛性梁小立柱、外側(cè)水平剛性梁的順序傳遞到外側(cè)水平剛性梁，外側(cè)水平剛性梁的反力通過(guò)角部裝置傳遞到角板，并最終傳遞到管墻。對(duì)于僅承受小立柱傳來(lái)的爐膛壓力荷載的水平剛性梁，其計(jì)算按照簡(jiǎn)支梁來(lái)考慮；對(duì)于既承受爐膛壓力荷載又承受水平荷載(地震荷載或風(fēng)荷載)的水平剛性梁，其計(jì)算按照壓彎組合構(gòu)件來(lái)考慮。水平剛性梁構(gòu)件的自振頻率還應(yīng)滿足T/CEC 322—2020中的要求。因?yàn)榇蟛糠炙絼傂粤簝H承受爐膛壓力荷載，所以進(jìn)行分析時(shí)僅考慮承受爐膛壓力荷載的側(cè)墻和前后墻的水平剛性梁的設(shè)計(jì)實(shí)例。

3.3.1 側(cè)墻剛性梁設(shè)計(jì)

側(cè)墻水平剛性梁采用板拼H型鋼，長(zhǎng)度為16.308 7 m。以剛性梁計(jì)算間距為3.555 m為例，設(shè)有6個(gè)間距為2.400～3.200 m的小立柱(標(biāo)號(hào)分別為P1～P6)，其端反力傳遞至水平剛性梁。小立柱端的反力和位置見(jiàn)表1，計(jì)算荷載均為爐膛瞬態(tài)壓力荷載。

表1 小立柱端的反力和位置

通過(guò)計(jì)算得到平面內(nèi)的最大彎距為1 076.5 kN·m，剛性梁端反力為262.26 kN。選用材質(zhì)為Q355B的焊接H型鋼900×300×12/20作為校核構(gòu)件，計(jì)算得到應(yīng)力比為0.90，滿足要求。

3.3.2 前后墻剛性梁設(shè)計(jì)

前后墻剛性梁的設(shè)計(jì)與側(cè)墻剛性梁不同，主要原因是前后墻爐膛較寬，如果仍采用側(cè)墻剛性梁的截面形式，經(jīng)濟(jì)性較差。因此，推薦采用經(jīng)濟(jì)性較好的平面桁架結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)承載能力強(qiáng)、質(zhì)量輕，在大跨度結(jié)構(gòu)中應(yīng)用廣泛。桁架結(jié)構(gòu)剛性梁見(jiàn)圖6，其力學(xué)模型見(jiàn)圖7。

圖6 桁架結(jié)構(gòu)剛性梁

圖7 桁架結(jié)構(gòu)剛性梁的力學(xué)模型

根據(jù)該計(jì)算模型，可以計(jì)算出所有構(gòu)件的內(nèi)應(yīng)力，并可根據(jù)內(nèi)應(yīng)力計(jì)算出對(duì)應(yīng)的構(gòu)件截面參數(shù)。圖8為桁架結(jié)構(gòu)剛性梁的構(gòu)件和內(nèi)應(yīng)力，表2為構(gòu)件對(duì)應(yīng)的截面型號(hào)。相關(guān)的連接設(shè)計(jì)應(yīng)符合GB 50017—2017 《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定。

圖8 桁架結(jié)構(gòu)剛性梁構(gòu)件及內(nèi)應(yīng)力

表2 桁架結(jié)構(gòu)剛性梁每組構(gòu)件對(duì)應(yīng)的截面型號(hào)

前后墻剛性梁通過(guò)剛性梁小立柱傳力，采用桁架式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以很好地實(shí)現(xiàn)爐膛壓力的傳遞，經(jīng)濟(jì)性較好。

4 結(jié)語(yǔ)

大型電站鍋爐下部螺旋爐膛剛性梁設(shè)計(jì)通過(guò)設(shè)置綁帶、小立柱等很好地解決了爐膛垂直荷載和爐膛壓力荷載共同傳遞的問(wèn)題，將復(fù)雜問(wèn)題回歸到成熟的剛性梁設(shè)計(jì)方法上，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)的典型化。所采用的結(jié)構(gòu)安全性高，受力分析明確，為復(fù)雜水冷壁結(jié)構(gòu)的剛性梁設(shè)計(jì)提供了解決方案，保證了鍋爐運(yùn)行的安全性，具有較好的參考價(jià)值。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際工程提出以下設(shè)計(jì)建議：

(1) 綁帶是重要的傳力構(gòu)件，超超臨界鍋爐下部螺旋爐膛的高度約為45 m，使用綁帶必定存在現(xiàn)場(chǎng)安裝拼接的問(wèn)題，在拼接過(guò)程中往往會(huì)由于存在制造和安裝偏差而產(chǎn)生錯(cuò)邊。因此，在計(jì)算綁帶構(gòu)件時(shí)應(yīng)留有一定的安全裕度，同時(shí)應(yīng)對(duì)拼接的尺寸公差和焊縫質(zhì)量提出要求。

(2) 鍋爐運(yùn)行時(shí)會(huì)存在反復(fù)啟停和不同負(fù)荷變化的情況，鍋爐水冷壁的溫度會(huì)有較大和頻繁的波動(dòng)。因此，在選取綁帶、傳力板、指板等部件的板厚和板寬時(shí)，不宜采用太厚和太寬的截面，以避免產(chǎn)生交變應(yīng)力。推薦綁帶厚度不超過(guò)26 mm，單根綁帶寬度不超過(guò)130 mm，同時(shí)應(yīng)注意采用單面角焊縫連接。

(3) 在設(shè)計(jì)剛性梁小立柱時(shí)，不僅要滿足強(qiáng)度要求，還應(yīng)結(jié)合綁帶寬度和連接件設(shè)計(jì)考慮必要的構(gòu)造措施，滿足結(jié)構(gòu)在爐膛正負(fù)壓力條件下均能正常工作。

(4) 下部螺旋爐膛采用綁帶加小立柱結(jié)構(gòu)后，水平剛性梁層間距將不再受水冷壁管的承載制約，可以根據(jù)結(jié)構(gòu)需要調(diào)整，在計(jì)算時(shí)除滿足強(qiáng)度和撓度外，還應(yīng)注意結(jié)構(gòu)自振頻率的要求，避免出現(xiàn)共振。前后墻剛性梁一般為大跨度、大荷載，可考慮采用桁架結(jié)構(gòu)，在保證承載的情況下，經(jīng)濟(jì)性更好。