基于ANSYS进行的锅炉锅筒暂态应力分析--鹿高明.doc

中国仿真科技论坛电子期刊 NO.9基于ANSYS进行的锅炉锅筒暂态应力分析鹿高明，郝振华（哈尔滨工业大学能源科学与工程学院，哈尔滨 150001）摘 要：本文利用有限元方法对某国产300MW亚临界机组的锅炉锅筒(包括下降管接头)的应力状态进行了分析计算。在计算中考虑了内外壁温差引起的热应力、工质内压引起的机械应力。根据计算的结果，分析了产生应力集中的区域，并根据分析的结果提出了延长锅筒寿命的方法。关键词 ：有限元分析 锅炉锅筒 应力场Study of Boiler Drum transient Stress Based on ANSYSLu gao-ming, Hao zhen-hua(Energy Science and Engineering College, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001,China)Abstract: In this paper, the stress conditions of a 300MW units boiler drum and itt downcomer tee were analyzed by Finite Element Method. The study of stress comprehended both mechanical stress by internal pressure and thermal stress by the wall temperature change. Simultaneously, the stress concentration conditions were analyzed. A suggestion on how to prolong life of boiler drum was given in this paper. key words: finite element analysis; boiler drum; stress field1 前言锅筒是锅炉重要承压部件。正常运行时锅筒主要承受恒定载荷作用，而在锅炉启停阶段或变负荷运行时，锅筒将承受交变载荷的作用，其中包括内压及各种温差应力。锅筒承受的应力主要有锅筒内工质压力引起的机械应力和壁面温度变化引起的热应力。锅筒内工质压力产生的机械应力有环向、轴向和径向应力。在锅炉启动和停炉过程中，锅筒壁内的温度和传热条件不断变化，锅筒筒体存在3种温差:内外壁温差(沿壁厚方向存在温度梯度)、上下壁温差(圆周方向的温度不均匀)、纵向温差(长度方向的温度不均匀)。因锅筒在纵向可以自由膨胀，故可以略去纵向温差的影响1。本文讨论的热应力仅仅考虑了内外壁温差所引起的。2 问题描述及模型的建立本文算例为某国产300MW亚临界机组的锅炉锅筒，其计算的相关参数如下表1所示。表1 锅筒计算的相关参数（启动到400min）锅筒筒体外径 2149 mm泊松比 0.3锅筒筒体内径 1743 mm热传导系数 39.4E-3 W/(mm)下降管座筒体外径 720 mm弹性模量 2.07E5 MPa下降管座筒体内径 420 mm热膨胀系数 10.93E-6 mm/(mm)工质压力 11.0 MPa内壁平均温度 341 外壁平均温度 311 计算工具采用了大型通用有限元分析软件ANSYS8.0。需要注意的是，为了使ANSYS输出的应力单位为MPa，物性参数中的长度都要采用毫米制。2.1 未开孔圆筒内压应力分析设锅筒圆筒的内半径为a，外半径为b，令半径比K=b/a，则内压P作用下锅筒圆筒的应力分布根据拉梅公式2有：9 (1) 图1 圆筒有限元模型据此公式按表1相关参数可以计算出未开孔圆筒内压应力的解析解。应用ANSYS建立如图1的模型进行有限元计算，将有限元计算的结果与解析解进行比较，可得到如下的对比图。图2 未开孔圆筒机械应力从图中可以看出内压作用下的（环向应力）与（径向应力），ANSYS解与解析解还是比较接近的，误差最大的值不会超过5。同时可见圆筒壁中应力有如下性质3：(1) (由于很小，而没有计算),它们即为主应力， 为主方向；(2) 、沿壁厚分布均匀，内壁处应力（绝对值）最大；为拉应力，为压应力。为此，需要特别注意容器的纵焊缝的强度；(3) K值越大应力分布越不均匀，说明材料利用不充分2.2 未开孔圆筒热应力分析由于锅炉锅筒工作时处于一定的温度环境下，温度的变化导致材料的膨胀或收缩，若外部的约束或内部的变形协调要求而使膨胀或收缩不能自由发生时，结构中就会出现附加的应力。这种因温度的变化而引起的应力称为热应力。对于内半径为a，外半径为b的厚壁圆筒，当两端自由且绝热，筒内无热源，内壁温度为Ta，外壁温度为Tb，可求得容器壁内任一半径r处的温度分布为4： （2）然后利用平面轴对称热应力问题的一般解可求得厚壁圆筒的热应力分布为： （3）式中：热膨胀系数；弹性模量；泊松比.这样根据表1中的相关参数就可以计算出热应力的解析解。同样用有限元计算的方法（图1），可以得出对应的环向应力和径向应力。两种方法的结果作图比较如下：图3 未开孔圆筒热应力对比这两种方法可以发现，ANSYS解与解析解能较好的吻合，为后面建立开孔锅筒模型进行应力分析打下了基础。2.3 开孔锅筒应力分析模型经过研究，人们已经知道，交变应力的最大值发生在下降管与锅筒筒体交接的几何不连续应力集中区。由于理论应力集中系数与结构几何尺寸有关。因此，针对具体锅筒采用有关标准统一给出的理论应力集中系数，有时会得到偏于危险的结果。所以，分析具体锅炉锅筒结构的应力场，对于锅筒疲劳寿命计算是十分重要的5。在温度场的计算中本文采用的是SOLID90单元，计算热应力时应先将其转换为所对应的结构单元SOLID95。在对锅筒结构进行有限元应力分析时,作出以下简化假定:筒身除下降管以外的其它开孔均忽略不计;下降管与筒体连接处焊缝结构较大,焊缝建模按实际结构尺寸,一般焊缝对整体结构影响不大,不作考虑;只研究筒体受均匀内压作用以及内外壁温差作用,不分析其它载荷的影响。锅炉锅筒下降管三通结构的几何形状和边界条件是对称的，取其四分之一进行网格划分，并在对称面上施加相应的位移约束。结构的有限元网格划分如图6所示。在锅筒壁厚方向上取5层单元，下降管壁厚方向取3层单元，采用的单元为6面体20节点等参单元。单元总数为896个，节点总数为4641个。说明：A点(纵向截面内转角)、点(横向截面外转角)图4 锅筒三维有限元计算模型3. 有限元计算结果及分析3.1 锅筒内压机械应力分析开孔状况下内压机械应力场在两个对称面上的分布如图5所示。图5 启动400min时的机械当量应力场内压机械应力当量值沿典型线路6分布(启动400min时)如图6、7所示。图6为两个对称面上沿内外壁的路径上的应力曲线；图7为下降管与锅筒圆管相贯线上的应力曲线。 图6 对称面上的机械应力分布从以上的图中可以看出：(1) 远离下降管接头处与无限长厚壁圆筒的应力分布相似，即当量应力(-)内壁大，外壁小。(2) A、B两点附近的应力变化梯度较大，说明该处有应力集中。虽然B点的应力集中使其应力水平较高，但是在整个区域中并不十分突出。内压机械应力的最大点始终在纵向截面内转角A点。 图7 相贯线上机械应力分布工程上把最大局部应力与危险截面上平均应力之比称为应力集中系数。A、B两点的内压机械应力的集中系数与工况无关，内压的大小只是使计算区域内的各点应力成比例地增加或减小。本例中A、B两点的内压机械应力集中系数见表2。表2 A、B两点的内压机械应力集中系数数据来源位置 （当量应力）有限元计算值(假设边界条件)A -0.1673.034 -0.103 3.170B 0.345 1.509 0.939 1.244ASME推荐值7A -0.233 3.1 -0.2 3.3B 0 2.6 2.1 2.6 3.2 锅筒热应力分析开孔状况下的锅筒在内外壁的平均温差作用下产生的热应力沿着典型路线的分布图如8所示： 图8 对称面上的热应力分布根据以上几张图的热应力分布可以得出以下结论：(1) 在内外壁温差作用下，远离管接头处的主管部分的应力分布规律与厚壁圆筒的分布规律相似，当量应力始终内大外小。(2) 在A、B两点集中的趋势比较轻,虽然热应力最大点仍靠近接头附近,但整个内壁的应力水平相差不大。(3) 对比图7和9，虽然在相贯线上两者的内外壁应力都有一个交变过程，但是变化的方向却不同。这是由于机械应力与热应力产生的机理不同所致。图9 相贯线上热应力分布3.3 锅筒总应力分析锅炉锅筒运行时实际上受到的应力应该为热应力与机械应力共同作用的总应力。总应力沿典型路线分布情况如图10所示。根据应力分布图可以得出如下结论：(1) 400 min时主管部分出现等效应力内小外大的分布形式，这是由热应力与机械应力相互抵消造成的，最大应力仍出现在A,B两点，且有较明显的应力集中，但相对于单独的内压机械应力，应力集中已有所缓解。(2) 在由内压机械应力、热应力组合而成的总应力中，机械应力占主要地位。比较A,B两点的应力情况，A点的应力比B点大很多，即B点的疲劳寿命远大于A点。建议在进行锅筒低周疲劳寿命计算时，不必考虑B点的疲劳寿命。3 结论(1) 计算得到的锅筒纵向截面内转角A点处的机械应力集中系数比ASME推荐的数值略小一些；而B点处的机械应力集中系数比推荐值小得多。所以说，传统方法中对B点处机械应力的处理方法偏于保守。(2) 计算结果还说明热应力集中的机理与机械应力不同。如果结构热膨胀时，未遇到约束的阻挡，它的热应力与结构形状关系不大。筒体开孔处内表面是自由的，热膨胀不受约束，热应力集中现象就不明显。(3) 在筒体开口连接处，产生明显的应力集中，是筒体及管道容易发生破裂失效的区域。锅筒下降管与筒体接头处的纵向截面内转角处(即A点)的总应力最大，在焊缝上其余点的应力均要小于A点的应力。所以需要对下降管进行内倒角，以降低应力集中水平。(4) 当筒内压力较大时，机械应力远远大于热应力，热应力对锅筒总应力的影响很小，热应力的增大不一定会使总应力值增大，有时候热应力可以降低总应力的水平。 图10 沿典型线路的当量总应力参 考 文 献1 王国友，李海峰，李拥新.电站锅炉汽包热应力的产生及控制.黑龙江电力，2005，27(5)：368369.2 徐秉业，刘信声.应用弹塑性力学.北京:清华大学出版社，2003.188191.3 江爱林.300MW锅炉汽包应力分析与裂纹计算.武汉理工大学, 2005.4 Isreb M. Superheater minimum stress unit start-up optio