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《哈尔滨工业大学》 2011年
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锅壳锅炉下脚圈和椭球封头及三通应力分析计算

刘元春  
【摘要】:锅炉是一种直接用燃烧产生热水和蒸汽的特种受压容器,对设计、选材、制造都有特殊的要求,要同时考虑其安全性和经济性。锅炉受压元件强度计算标准与其他锅炉标准,如热力计算、空气动力计算、水动力计算等标准相比,具有更强的强制性和法律约束力。当对锅炉进行设计和对已有锅炉进行校核安全性时,必须进行锅炉受压元件的强度计算。 随着技术的发展,锅壳锅炉的压力已达到3.8MPa,而现行的锅壳锅炉受压元件强度计算标准GB/T 16508-1996已经使用14年,其中的某些规定已经不尽合理。因此,2008年开始对标准进行修订,本文就其中的若干问题进行有限元分析,为标准的修订提供依据。 本文依据弹性力学理论,对受压元件进行理论分析,推导出在内压作用下脚圈、封头和三通的应力分布。然后,使用有限元软件ANSYS?12.1对受压元件进行应力分析,分别得到了这些模型的应力强度分布结果,选取了沿厚度路径进行应力分类,将应力的计算结果通过线性化处理分解为:薄膜应力、弯曲应力和峰值应力,得到应力强度分布结果,进行强度评定。 采用有限元法分别对不同型式、不同支撑的下脚圈进行理论分析和强度评定,结果表明,在内压作用下,外侧支撑的U型下脚圈的应力最大,S型下脚圈的受力情况最好。当锅炉有冲天管、喉口圈、加煤孔和出渣口等结构时,下脚圈的应力状况得到改善。同时,立式无冲天管锅炉U型下脚圈厚度可按最小厚度公式计算,取厚度系数β= 1.0是可行的,如计算所得最小需要厚度小于炉胆厚度,则取炉胆厚度。有冲天管、喉口圈、加煤孔和出渣口等结构的锅炉S型、U型下脚圈厚度无需计算,取炉胆厚度。 采用有限元法分别对不同人孔直径和椭球形封头直径比的封头进行理论分析和强度评定,结果表明在内压作用下,翻边封头的最大应力点为长轴面的翻边处,将限制条件d / D_n≤0.6扩大为d / D_n≤0.7是可行的。 采用有限元法分别对不同压力、不同直径的等径三通和异径三通进行理论分析和强度评定,结果表明,在内压作用下,三通肩部的应力比腹部的应力大,应力的最大点发生在三通肩部的内侧。当主管直径相同时,等径三通比异径三通的应力大。通过有限元分析可得,对于额定压力不大于3.8MPa的锅炉钢制无缝焊制三通,当主管外径D_w≤273mm时,可用厚度补强型式计算;对于额定压力不大于2.5MPa的锅炉钢制无缝焊制三通,当主管外径D_w≤426mm时,可用厚度补强型式计算。
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