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鍋筒是增壓鍋爐的關(guān)鍵部件之一，其性能優(yōu)劣將直接影響人員及設(shè)備的安全。因此，研究鍋筒的溫度場和應(yīng)力場，找出最大應(yīng)力點的位置并對其進行有限元分析，對于鍋筒的合理設(shè)計以及鍋爐安全可靠運行是十分必要的。
針對電站鍋爐鍋筒溫度及應(yīng)力場的研究開展較早，并取得了豐富的研究成果。但由于增壓鍋爐鍋筒的結(jié)構(gòu)形式和換熱方式與電站鍋爐存在較大差異，因此這些研究成果所能提供的參考有限。近年來，針對增壓鍋爐鍋筒安全性的相關(guān)研究逐漸增多。文獻采用有限元分析軟件對增壓鍋爐鍋筒進行了應(yīng)力分析，并利用計算結(jié)果對鍋筒進行了強度評定。但由于鍋筒受熱方式的復雜性及缺少實驗數(shù)據(jù)的積累，計算載荷的合理給定成為增壓鍋爐鍋筒應(yīng)力有限元計算的難點之一。
為解決上述問題，本研究建立了小型增壓鍋爐鍋筒的實體模型，基于鍋筒結(jié)構(gòu)及換熱方式，詳細劃分了計算區(qū)域，并利用實測內(nèi)外壁溫度數(shù)據(jù)及理論計算，提供了一種增壓鍋爐鍋筒應(yīng)力計算載荷的合理給定方法。進而利用ANSYS三維有限元計算軟件，對小型增壓鍋爐額定工況下鍋筒的應(yīng)力進行了計算、分析與強度評定。
小型增壓鍋爐主要由鍋筒、水冷壁、下降管、對流蒸發(fā)管束、過熱器、經(jīng)濟器、燃燒器、爐墻、左右空氣夾層和保溫層等部件組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。
增壓鍋爐鍋筒在結(jié)構(gòu)形式和換熱方式的特點導致其計算模型和熱載荷具有較高的復雜性。在結(jié)構(gòu)形式上，大量的水冷壁、下降管、對流蒸發(fā)管束與鍋筒脹接而形成密排管束，導致管板相鄰管孔之間的距離小于不考慮孔排減弱的最小距離，從而使孔橋區(qū)域的應(yīng)力疊加。因此，為了保證計算的正確性，不能采用簡單的鍋筒－單管模型，而必須建立完整的實體模型。在換熱方式方面，鍋筒外下壁部分區(qū)域受到火焰輻射和煙氣對流的作用，導致該區(qū)域外壁溫度高于內(nèi)壁溫度，形成了徑向溫差。而在空氣夾層和保溫層區(qū)域，金屬筒壁被鍋筒內(nèi)的水或水蒸氣加熱，熱量由內(nèi)向外傳遞。因此，穩(wěn)態(tài)時鍋筒除內(nèi)外壁溫差外，在圓周方向上也存在溫差。
考慮到上述鍋筒結(jié)構(gòu)及換熱兩方面的特點，根據(jù)表1中小型增壓鍋爐鍋筒的結(jié)構(gòu)尺寸建立了如圖2所示實體模型。建模時進行了一定程度上的簡化處理：(1)鍋筒筒體兩端與球形封頭連接處的應(yīng)力水平比開孔接管區(qū)域要小很多，所以鍋筒模型中不考慮封頭；(2)不考慮管束在鍋筒內(nèi)部的伸出部分，選取兩倍管束外徑的外部伸出長度；(3)將筒體與管束看做一個整體進行建模，并忽略兩者脹接后產(chǎn)生的殘余接觸應(yīng)力；(4)忽略鍋筒自身及內(nèi)部工質(zhì)的重量。
鍋爐穩(wěn)態(tài)運行時鍋筒及與其連接的管束均受到內(nèi)部介質(zhì)和外部環(huán)境作用的機械載荷和熱載荷。本研究以實測數(shù)據(jù)為依據(jù)，確定了額定工況下鍋筒不同區(qū)域的計算載荷。此時鍋筒內(nèi)飽和壓力為0.993MPa(絕壓)，飽和溫度為179.5℃。
鍋筒受到的機械載荷分為3個部分，即鍋筒和管束內(nèi)壁受到的工質(zhì)壓力，鍋筒和管束外壁受到的環(huán)境壓力，鍋筒兩端端面及接管管束端面的等效載荷。
對于筒壁和管壁受到的內(nèi)外壓力，根據(jù)實際工況即可確定其數(shù)值大小。與內(nèi)壁壓力相比，鍋筒和管束外壁受到的環(huán)境壓力的數(shù)值雖然偏小，但會對數(shù)值模擬的計算結(jié)果產(chǎn)生影響，因此不能忽略，而文獻中并沒有考慮這部分壓力，會導致應(yīng)力計算結(jié)果偏大。
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