CFB锅炉屏式过热器变形分析.docx

文章编号：（） 锅炉屏式过热器变形分析江卫青，徐国强，胡玉林（中国石油大学（华东）， 山东 青岛）摘要： 锅炉 运行一个周期后屏式 过 热器产生 最 大 约 的 弯 曲 变 形 ，应 用 能 量 法 分 析 了产 生 变 形 的 原 因 ，结 果 表 明 ，由于两相邻管排间 距 偏 小 ，工 作 时 发 生 相 向 失 稳 变 形 导 致 相 互 约 束 引 起 过 热 器 变 形 。关键词：屏式过热器； 临界温度； 失稳； 塑性变形； 分析中图分类号：；文献标志码： ， ， （，）： ， ：；某 锅 炉 屏 式 过 热 器 炉 管 （图 ）尺 寸 ，工 作 介 质 为 蒸 汽，气 体 入 口 温 度 ，出口温度 ，入口压力 ，出口 压力 。 炉 管 材 质 钢，该 钢 是被广泛用于高压、超高压、亚临界电站锅炉过热器、集箱和主蒸汽 导 管 的 钢 种， 时 的 屈 服 应 力 为 。根炉管尺寸相同，管间用薄钢板联接 在同一平面内组成管排，管排宽 ，管排与 管排间距 。 运行 后个别管 排 发 生 垂 直于管排平面方向的弯曲，最大挠度约 ，发 生在竖直管中 部 附 近 （图 ）。 现 场 检 测 未 发 现 炉 管材料金相组织、硬度和壁厚有明显变化。管排变形分析图 锅炉屏式过热器炉管由屏式过热器结构可知，在其管排平面内难以产生 变形，而在垂直于管排平面内属于典型的细长杆结管排计算模型当温度升高时过热器要通过变形释放热应力。 收稿日期：基金项目： 山东省自然科学基金资助项目（）作者简介： 江卫青（），男，山东青岛人，助理工程师，在读硕士研究生，研究方向为结构强度及可靠性。第 期江卫青，等： 锅炉屏式过热器变形分析 构，在较小的轴向压力作用下就会失稳而产生弯曲变形。单管排的计算模型简化为两端固定，且只需考 虑根管（即管线）的情况，见图。 槡 （ ） 槡 （ ） （）式中，为横截面惯性半径，； 为柔度；为杆的相当长度， ，则最大挠度为： 槡 （）（）工程中实际杆件柔度，远大于 ，故当杆件失稳时，最大挠度可简化为： 槡将各参数带入式（），有 。管排间相互影响（）两管排间的距 离 只 有 ，而 单 管 排 在 工作温度 下 最 大 弯 曲 位 移 已 达 。 若 相 邻 两 管排产生 同 向 或 背 向 的 失 稳 弯 曲 变 形 时，各 自 互 不干扰（图、图 ）。 若 相 邻 两 管 排 产 生 对 向 变 形时，相邻两管排变形相 互 影 响（图 ），刚 度 小 的 管排的变 形 被 刚 度 大 的 管 排 所 限 制 或 排 斥，导 致 管内局部 应 力 超 过 材 料 的 屈 服 应 力，从 而 产 生 塑 性变形使其变形 不 能 恢 复。 若 两 相 邻 管 排 刚 度 相 同，则由式（）可以得到两相邻管排 刚 接触时的温 变 。图管排计算模型简化管排变形分析由于失稳时压 力 等 于 临 界 压 力 ，所 以 超 过 临 界温变时管线的变形可按图所示的几个过程来分 析。先设管线允许沿轴向伸长，则温度变化 时的 伸长 （图）为：（） 然后施加轴向压力，使管线产生缩短，其缩短量（图）为：（）（）式（）式（）中，为管线长度，； 为工作温度时的线胀 系 数，取； 为 温 度 变化，； 为 材 料 弹 性 模 量，； 为 管 线 横 截 面 面 积，。再 给 管 线 一 横 向 微 小 干 扰 力 使 其 产 生 弯 曲 变形，管线 在 轴 向 压 力 的 作 用 下 变 形，最 终 失 稳 后 管线直线长度等 于 管 线 原 长 （图 ）。 失 稳 过 程 中 临界压力 做的功为： （ ）失稳后管线的挠曲线方程为：（）（）（）（）图相邻两管排变形相互影响示图（）（）管排受力分析所以管线由于弯曲而储存的变形能为：（）管排变形可以分解成为两个过程： 中间产生 挠度的 失 稳 过 程，此 过 程 材 料 处 于 线 弹 性 阶段。两管排接触后的约束变形过程。（）式（） 式 （）中， 为 挠 度， 为 管 线 中 心 挠 度 的， 为与管线同向的坐标，； 为变形能，；为截面惯性矩，。根据功能原理， ，得：管排接触时最大受力（线弹性阶段）根据式（），第一个过程中最大失稳挠度 ，对 应 温 变 为 ，端 点 轴 向 力（ ） （ ）（为 管 排 刚 接触时基础对管线 （） 的压力）、弯矩 。 石 油 化工 设 备 年 第 卷管排约束变形时附加受力（约束变形阶段）第二个过程对应温变 ，对应无约强度分析若管排在整个温变过程中相互接触，其端点截面 最大应力 。若管排在整个温变过程中不相互接触，则其端点的 约 束 力 、 ，对应最 大 应 力 。 可 见 两 管 排 有 接 触 时 的 最 大 应力是无接 触 最 大 应 力 的 倍，是 使 用 温 度 （按 计算）下屈服应力的 倍，管排局部已产生 不可恢复的塑性变形。束时的轴向变形 。 该过程可视为小曲率杆在外力 作 用 下 产 生 轴 向 位 移，由 于 对 称，取一半作为研究对象。管排接触后受力见图。结语管 排 不 可 恢 复 的 弯 曲 变 形 是 由 于 管 排 间 距 偏小，失稳后两相邻管排发生相互靠近的弯曲变形，从 而导致相互约束引起的。为了避免不可恢复弯曲变 形的产 生，可 按 式 （）计 算 长 度 的 倍 设 计 管 排 间 距，或在施工时使管排具有同一方向的微小初曲率。图管排接触后受力分析图设该过程仍处于线弹性阶段，任意横截面上的弯矩、对各力的一次偏分分别为：（）（）参考文献：刘鸿 文高 等 材 料 力 学 北 京：高等教育出版社，（ ：，）孙训方材料力学（下册）北京：高等教育出版社，（ ：，）李玉民乙烯裂解炉管运行 中产生变形因素分析 乙烯工业，（）：（） （） （）（）根据卡氏定理：（） （） （）有 （）（ （ ）（ ） ，（）：）查日松脱氢加热炉炉管变形原因的分析化工装 备技术，（）：（ （） （ ）（ ） ，（）：）（） 王迎东，孙 勇，江建忠，等 循环流化床锅炉屏式过热器改造热力发电，（）：，（ ， ， ，（）：，）（）以上各式中， 为第二过程的弯矩，；