郭娟麗
(華北電力設(shè)計(jì)院工程有限公司,北京 100120)
隨著機(jī)組容量的大型化,電廠煙風(fēng)道截面和重量都大幅增加,通常情況設(shè)計(jì)選用矩形截面,若能選用圓形截面煙風(fēng)道,相同截面積下,可減小煙風(fēng)道表面積,降低其重量,節(jié)省材料,近年來(lái)備受設(shè)計(jì)方及用戶青睞。
國(guó)內(nèi)《火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》DL/T5121—2000只給出了管徑φ1020~φ4020范圍內(nèi)橫向加固肋規(guī)格及間距。并沒有給出圓形煙風(fēng)道的設(shè)計(jì)計(jì)算方法,本文通過有限元計(jì)算方法對(duì)本單位自主編寫的圓形煙道計(jì)算方法進(jìn)行校核,選用該計(jì)算方法得到的多組煙風(fēng)道體設(shè)計(jì)尺寸進(jìn)行建模計(jì)算,驗(yàn)證多組煙道的強(qiáng)度及穩(wěn)定性,實(shí)現(xiàn)對(duì)該計(jì)算方法可靠性評(píng)定,同時(shí)提出結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議。
煙風(fēng)道設(shè)計(jì)中,根據(jù)工藝要求確定設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度,道體壁厚選擇4~6mm,道體尺寸根據(jù)煙風(fēng)流量、流速及空間位置確定,加固肋間距和型號(hào)分正壓和負(fù)壓兩種工況進(jìn)行確定。電廠大截面圓形煙風(fēng)道體的設(shè)計(jì)壓力一般不超過30 kPa,溫度不超過500℃。GB150—2011適用于壓力不大于35 MPa,溫度為-269℃~900℃的圓筒形容器,圓形煙風(fēng)道和圓筒形壓力容器形狀相似,受力相似,溫度壓力等參數(shù)差別不大,可將圓形煙風(fēng)道近似為壓力容器進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。
根據(jù)GB150—2011[2]中150.3內(nèi)壓圓筒最大允許工作壓力:
式中:[pw]為道體最大允許工作壓力(MPa);δe為道體有效厚度(mm);[σ]'為設(shè)計(jì)溫度下道體材料許用應(yīng)力(MPa) ;φ為焊縫系數(shù),Di為道體內(nèi)徑(mm)。
電廠中負(fù)壓工況道體很常見,引風(fēng)機(jī)、送風(fēng)機(jī)前等處均為負(fù)壓工況,即使微正壓工況的道體也可能出現(xiàn)局部負(fù)壓。因?yàn)榈荔w本身的重量、保溫重量、風(fēng)荷載、雪荷載、支吊架與管壁接觸處形成的荷載都可歸為負(fù)壓(外)荷載。負(fù)壓道體許用外壓力為:
式中:E為彈性模量;D0為道體外徑(mm);L為道體計(jì)算長(zhǎng)度。
正壓工況時(shí),當(dāng)組合計(jì)算壓力大于[pw],負(fù)壓工況時(shí),當(dāng)組合計(jì)算壓力大于[p],需要增大壁厚或增加加固肋。增大壁厚會(huì)造成材料浪費(fèi),道體笨重,增加加固肋即縮小計(jì)算長(zhǎng)度L是可行的方法。
為使加固肋起作用,加固肋的間距必須滿足一定要求,即
式中:pc為道體組合計(jì)算壓力。
加固肋的尺寸,必須確保加固肋與道體組合后的截面慣性矩足夠大,即必須要有足夠的剛性和慣性矩。
煙風(fēng)煤粉管道及其零部件和加固肋材料一般可采用Q235—A.F,Q235—A/B號(hào)鋼制作,部分高溫?zé)燂L(fēng)道可采用16Mn低合金鋼板或非金屬材料制作,本文材料選用Q235—A,根據(jù)上述計(jì)算方法,得出一組道體尺寸見表1。
表1 模型尺寸
根據(jù)上述數(shù)據(jù)搭建煙風(fēng)道模型,見圖1。
圖1 煙風(fēng)道模型
模型網(wǎng)格劃分可靈活設(shè)置,對(duì)重點(diǎn)關(guān)注區(qū)域加固肋處及支座附近加密網(wǎng)格,本模擬網(wǎng)格尺寸小到mm級(jí)別,從而得出計(jì)算結(jié)果無(wú)關(guān)化網(wǎng)格,即再細(xì)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果幾乎沒有影響。道體和加固肋連接處、靠近支座的加固肋都是結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域,同時(shí)也是應(yīng)力集中點(diǎn),設(shè)計(jì)不合理可能導(dǎo)致局部失效,ANSYS通過加密危險(xiǎn)區(qū)域的網(wǎng)格,準(zhǔn)確計(jì)算出每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變及安全系數(shù)。圖2為局部有限元模型。
圖2 煙風(fēng)道體有限元模型
道體承受的荷載主要有:內(nèi)壓、外壓、結(jié)構(gòu)自重、積灰、地震力、風(fēng)雪荷載,同時(shí)承受運(yùn)行溫度下的熱變形和熱應(yīng)力等。在ANSYS中自重和介質(zhì)壓力都可以直接加載;風(fēng)荷載和雪荷載選用軸承力,該荷載受力面積為與受力方向垂直的模型投影面積;保溫荷載選用壓力荷載,規(guī)定受力方向垂直向下;積灰荷載選用靜力學(xué)壓力,設(shè)定流體密度、流體自由面及慣性加速度方向。在模型的兩個(gè)支座處分別設(shè)置兩個(gè)固定約束作為邊界條件。荷載工況見表2。
表2 施加荷載
當(dāng)?shù)荔w工作壓力為≥0 kPa時(shí),0 kPa為穩(wěn)定性最危險(xiǎn)工況;選用工況1和表3中的模型尺寸進(jìn)行模擬,得出道體應(yīng)力應(yīng)變分布,見圖3、圖4。
圖3 煙風(fēng)道體應(yīng)力分布云圖
圖4 煙風(fēng)道體應(yīng)變分布云圖
從圖3可以看出加固肋處應(yīng)力相對(duì)集中,最大應(yīng)力發(fā)生在支座附近處的加固肋區(qū)域,最大應(yīng)力見表3。
表3 正壓道體最大應(yīng)力
從表3可以看出最大應(yīng)力均不超過材料Q235A在400℃以下的許用應(yīng)力,因此三組道體在微正壓工況安全,但應(yīng)力分布不均勻,需要對(duì)應(yīng)力集中處結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,本文調(diào)整鞍座包角,模型其他參數(shù)不變,分析鞍座包角對(duì)局部最大應(yīng)力的影響,分析發(fā)現(xiàn)增大鞍座包角(≤180°)對(duì)降低局部最大應(yīng)力有明顯影響。
去掉其他荷載,逐項(xiàng)分析每項(xiàng)荷載對(duì)道體應(yīng)力分布的影響,發(fā)現(xiàn)積灰荷載影響系數(shù)最大,因此可通過優(yōu)化工藝使灰量減少?gòu)亩沟荔w結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化。
從圖4看出該工況下,道體變形由下往上逐漸變大,但最大變形量不超過10 mm。
煙風(fēng)道截面大、壁板薄,易發(fā)生局部失穩(wěn),ANSYS中線性(特征值)屈曲計(jì)算可用于分析煙風(fēng)道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。做屈曲分析時(shí)忽略初始缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。ANSYS中屈曲分析的原理是給模型結(jié)構(gòu)施加載荷直到結(jié)構(gòu)失去穩(wěn)定性,此時(shí)計(jì)算機(jī)會(huì)算出失穩(wěn)載荷和實(shí)際載荷的比值,即載荷因子,其實(shí)質(zhì)為安全系數(shù),該值必須大于1,否則結(jié)構(gòu)有失穩(wěn)的危險(xiǎn)。
選用表1中的道體尺寸,表2中的工況2進(jìn)行模擬計(jì)算,得出煙風(fēng)道失穩(wěn)云圖見圖5,同時(shí)比較三組模型荷載因子見圖6。
圖5 煙風(fēng)道失穩(wěn)云圖
圖6 負(fù)壓道體荷載因子
從圖5可以看出最大變形量出現(xiàn)在道體頂部,失穩(wěn)嚴(yán)重區(qū)域位于加固肋之間中間部分,因此道體頂部加固肋中間區(qū)域?yàn)槭Х€(wěn)薄弱點(diǎn),可通過減小加固肋間距降低失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)。
從圖6可以看出負(fù)壓道體壓力下降,道體直徑增大,荷載因子變小,當(dāng)荷載因子接近1時(shí),需要采取措施防止道體失穩(wěn),本模擬中荷載因子均大于1,三組道體均不會(huì)失穩(wěn)。
選表1中模型1,即道體尺寸為4220×5,加固肋型號(hào),加固肋間距為3000,選表2中的工況3,將模型支座包角分別設(shè)計(jì)為120°和135°進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果見表4。
表4 支座能承受最大荷載
從表4可以看出,在保證道體局部應(yīng)力不超過許用應(yīng)力的前提下,增大支座包角可以大幅提高支座能承受的最大荷載。
采用ANSYS有限元分析軟件,對(duì)國(guó)內(nèi)典型電廠百萬(wàn)機(jī)組煙道進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析和屈曲分析研究,通過數(shù)值計(jì)算結(jié)果可知:
(1) 灰荷載對(duì)道體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度影響最大,施加灰荷載時(shí)選用靜力學(xué)壓力,規(guī)定流體密度和流體自由面,優(yōu)化工藝減小積灰對(duì)道體結(jié)構(gòu)優(yōu)化非常有效。
(2) 微正壓工況支座附近處的加固肋應(yīng)力最大,增大鞍座包角(不大于180°)可優(yōu)化道體的應(yīng)力分布,同時(shí)可大幅提高支座能承受的最大荷載。
(3) 負(fù)壓道體失穩(wěn)區(qū)域主要集中在道體頂部加固肋之間中部區(qū)域,隨著負(fù)壓降低,道體尺寸增大,荷載因子變小。
[1]DLT 5121—2000,火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程[S].
[2]GB150.1~150.4—2011,壓力容器[S].
[3]DLT 5121—2000,火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程配套設(shè)計(jì)計(jì)算方法[S].
[4]侯慶偉,祁金勝.基于ANSYS 的大風(fēng)箱結(jié)構(gòu)有限元設(shè)計(jì)分析[J].鍋爐技術(shù),2010,(6).