燃煤电厂锅炉小径管焊口倾角对其应力集中的影响.pdf

第 2 7 卷第 7期 2 0 0 6年 7月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e l V o 】 ． 2 7 No ． 7 J ．2 006 文章编号 1 0 0 3 ． 0 r 7 9 4 2 0 0 6 } 0 7 ． 0 0 5 2 ． 0 2 燃煤电厂锅炉小径管焊口倾角对其应力集中的影响 刘超锋 。戚俊清 。许培援．刘亚莉 郑州轻工业学院 材料与化学工程学院，郑州 4 5 0 0 0 2 摘 要 结合某电厂锅炉再热嚣集箱小径管的焊 口， 将 实际问题理想化为符合 实际的力学模 型 ， 分析 了采用有 限元法来求解该力学模型的必要性。给出了有限元法计算模型， 研 究了焊口倾角 对焊 口应力集中系数 的影响。研究表明 。 取小的焊 口倾 角可减 小应力集中系数。 关键词 再热器小径管 ；焊 口；应力集中；数值分析 中图号 T G 4 4 ；0 2 4 2 文献标识码 A Ef f e c t 0 f Di f f e r e n t W e l d i n g S e a m An g l e o n S t r e s s I n t e n s i t y o f S m a l l Di a m e t e r Tu b e t o Re he a t e r i n Co a 1 ． ．b u r n i n g Th e r m o．． e l e c t ric Fa c t o r y wi t h 2 0 0 MW Po we r L I U C h a of e n g 。 QI J u nq i n g 。 x u P e i y nsn 。 L I U Y a u C o l l e g e o f Ma t e r i al a n d C h e m i c a l E n g i n e e r i n g 。 Z h e n g z h O U U n i v e r s i t y o f Ug h t I n d u s t r y ， Z h e n g z h O U 4 5 0 0 0 2 。 C h i n a } Ab s t r a c t T h e we l d i n g p a r t s o f o f s m a l l d i a me t e r t u b e o f r e h e a t e r i n a t h e r mo- - e l e c t ri c f a c t o r y W e l c a l c u l a t e d b y f i n i t e e l e me n t me t h o d s ． r h e f i n i t e e l e me n t a n a l y s i s mo d e l w a s p u t f o r w a r d．T h e a ff e c t i o n o f t i l t i n g a n g l e o f w e l d i n g p a r t s t o s t r e s B i n t e n s i t y f a c t o r s we r e r e s e a r c h e d．R e s a r c h r e s u l t t h a t s t r e s s i n t e n s i t y f a c t o r o f c alc u l a t e d o b j e c t i n c r e ase w i t h i n c re a s e o f t i l t i n g a n g l e o f w e l d i n g s e a m i s o b t a i n e d ． Ke y wo r d s s mall d i a me t e r t u b e o f r e h e a t e r ；w e l d i n g p a r t s ；s t res s i n t e n s i t y n u m e ri c a l analy s i s O 引言 电站锅炉体积大、 批量小、 可修复、 系统复杂、 昼 夜连续运行 ， 设备损坏后将造成 巨大的经济损失且 后果 严 重。因此 ， 必须 高度 重视 电站 锅炉设 备质 量⋯。其 中再热器管子 中通过的是温度最高的工质 一 再热蒸汽 ， 还位 于高温烟汽区域[ 2 】 。所 以必须 采 用优质合金钢材 ， 如 1 2 C r l Mo V管材 。另外 ， 在 目 前单机大容量锅炉 中， 高温再热器集箱与管子的联 接普遍采用焊接结构， 焊区渗漏有较高的故障发生 率。由此可见 ， 再热器管焊口的渗漏问题值得研究 。 再热器管焊 口在工作过程中 。 在最不利的情况 下 ， 除了承受压力载荷之外 ， 还有外部轴力、 弯矩、 剪 力的联合作用。对于处于复杂应力状态[ 4 的再热器 管焊 口的应力分析计算 ， 古典弹性力 学是无能为力 的 ， 过去多依靠模型试验 ， 现在多采用有限单元法。 由于研究 目的 ， 开展了以下工作 将实际问题理想化 为符合实际的力学模型 ； 对 于结构进行详尽的分析 ， 进行三维有限元应力分 析 ； 计算不同载荷工况下的 应力场 ， 然后将结果整理成不同几何参数下 的应力 集 中系数。 1 计算模型 本文所研究的对象承受的形式及数值通过管系 有限元 计算确定 。在确定物理模 型时 ， 首先进 行 综合和简化。根据计算 结果 ， 最后简化成 2个力 和 - 5 2 1 个力偶作用的物理模型。如图 1 所示 ， 轴方 向的 分力 Ⅳ J 称为轴力工况； 绕 轴作用的力偶称为弯矩 工况 ； 沿 Y轴作用的力称为剪力 Q工况。 0 l ／ 图 1 计算 模型及 其 1 ／ 4 -1 Co mp u t in g mo d e l a n d i t s 1 ／ 4 再热器管的最大应力一般位于焊 口及其附近 。 板的刚度对于此处局部应力产生很大 的影 响， 故采 用了实际结构。再热器管为圆管、 焊 口、 板组成的焊 接结构 ， 管子与板 的连接采用了焊接结构。 研究方案 取 实际 焊 口的厚度 艿5 m m、 0 3 0 。 ， 4 5 。 ， 6 0 。 ， 对于轴力工况、 压力工况、 剪力工况 、 弯 矩工况分别进行有限元计算 ， 分析其变形及应力分 布规律 ； 找出其最大 V o na ri s e s 应力的最大值及其 所在位置 ； 研究焊 口处的应力分布情况 ； 探讨应力集 中系数随 0的变化规律。 采用 A L G O R F E A S程序 】 。材料 的性质如下 弹性模量 E2 ． 1 1 0 M P a ， 泊松 比 ／ z0 ． 3 。实际 维普资讯 第2 7 卷第7 期 燃煤电厂锅炉小径管焊口的倾角对其应力集中的影响刘塑笪， o l 1 2 7 N 0 ． 载荷工况 内压 P2 ． 3 MP a ， 轴力 Ⅳ J 1 5 2 ． 3 4 0 8 9 N ， 沿 ， ， 轴负方向的剪力 Q 5 6 8 5 4 3 9 N ， 沿 轴正 方向的弯矩 M， 2 5 ． 5 8 4 4 8 N m。管 的内半径为 0 ． 0 2 2 m 。 外半径为0 ． 0 2 5 5 m， 板的厚度为0 ． 0 2 5 n l ， 板 的外直径为 3 0 0 m m。板的外直径之所以取 3 0 0 m m， 是由于如下原因 模拟集箱的厚板上开孔“ 后 ， 孔边 缘产生应力集 中， 但离开孔稍远一点即衰减得很快， 根据工程实际情况 ， 在 1 ． 5 d 开孔直径 以外 ， 便可 忽略不 计 。而 再 热器 管 的 孔排 间的距 离 远大 于 21 ． 5 d， 故各孔 的应力集 中在板的外直径取为 3 0 0 m m时可以视为互不影 响。另外在计算 中发现再热 器管的长度的取值较小时， 再热器管的上端仍受到 下边缘的影响， 由计算经验对于模型中的管长度做 了相应的调整 ， 最后确定管的长度 f 2 7 ／ r t r为 管的中半径 ， t 为管的厚度 。 为了既保证精度 又尽量减少计算的工作量， 进 行离散化时在应力集 中区域加密网格， 远离应力集 中点逐渐变疏。计算中假定 不存在其它各种缺陷， 如裂纹、 气孔 、 咬边 、 残余应力等 。 2 结果与讨论 再热 器管焊 口在锅炉集箱管 系中应用十分广 泛 。由于形状复杂 ， 截面变化急剧 ， 包括内压、 轴力、 剪力、 弯矩在内的外力在其中传递时， 在焊口处引起 的应力集中十分严重 。因此， 探讨 其应力分布特别 是应力集 中随各种因素的变化规律 。本文只研究焊 V I 的倾角的影响， 焊 V I 的厚度对应力集中的影响另 文叙述。假定焊口处无过渡圆弧。结果汇总于表 1 表 6中。表 5 为考虑实际载荷叠加后的应力与焊 口的坡度角 0的关系。表 6为考虑实际载荷的应力 集中系数与 0的关 系。在这些表 中， 口1表示剪 力为 1 N， I V1表示弯矩为 1 N m， P1 表示介质压 力等于 1 P a ， N1表示轴力为 1 N； 点 1 、 点 2 、 点 3 依顺序指再热器管焊 13 外表面与 y o z面的交线上的 3 点 从上到下等距离的 3点 。 表 1 pl P a 时关键点的 V o n ra i s e s 应力 Ta b． 1 Vo nm i s e s s t r e s s o f k e y p o i n t wh e n p 1 P a 表 2 Ⅳ1 N时关键点的 V o n m i s e s 应力 Ta b． 2 Yo n ml s e s s t r e s s o t k e y p oi n t wh e n Ⅳ 1 N 表 3 Q1 N时关键点的 V o n m i s e s 应力 T a b ． 3 V o n I I l i 8 e B s 心e 鹳o f k e y p o i n t w h e n Q1 N 表 4 1 N m时关键点 的 V o n w ． i s e s 应力 T a b． 4 V o nI I l i 8 e s s t r e s s o f k e y wh e n 1 N m 从表 1 到表 4 来看 ， 3 个被研究 的关键点的 Y o n ra i s e s 应力皆以第 1 点的水平较高 ， 第 3点的应力 水平较低 ； 从载荷的性质来看 ， 小径管焊1 3 所受的载 荷以弯矩产生的应力较高， 然后依次是剪力、 轴力和 介质压力。 表 5 按实际载荷叠加后， 关键点 1的 V o n I I l i 8 e B 应力 nb． 5 Y o n I I l i 瞄 曲 鹧 o tl 【e y p 0 l m c o 瑚蚰e n g a d n ∞I l 瑚凼 袭B 按实际载荷叠加后， 关键点 1的应力集中系数 T a b ． 6 S e mI n t e n s i t y f a c t o r o f k e y p o h l t c 咖萄 d e r I n g a c e a l l ∞ I s 从表 5到表 6来看 ， 焊 口的倾角增大使焊缝 的 应力及应力集 中增大。焊 口处截 面发生突变 ， 且 越大截面变化越大， 因此焊口应力集中系数随 增 大而增大。 据本文研究结果 ， 并且综合考虑承载能力 ， 材料 消耗等因素 ， 合理的焊 口应具有尽可能小的焊 口倾 角。具体如下 1 焊缝的应力集中对于焊口倾角十分敏感 ； 2 设计中取尽可能小 的焊 口倾角 就本文所计 算的范围 。 参考文献 [ 1 ] 李之光。 等． 锅炉受压元件强度标准分析[ M] ． 北京 技术标准出 版社 ， 1 9 8 0 ． 【 2 ] 王丽英． 锅炉“ 四管” 爆漏的分析和综合防治措施[ J ] ． 锅炉技术。 1 9 9 8 2 2 2 2 6 ． [ 3 ] 刘宪金． 过热器集箱管座角焊缝裂纹的分析及处理[ J ] ． 内蒙古电 力技术 ， 2 0 0 3 ． 2 1 1 3 53 6 。 4 2 ． [ 4 ] 李鹤林． 失效分析的任务、 方法及其展望[ J ] ． 理化检验 一 物理分 册 ． 2 0 0 5 。 4 1 1 1 6 ． 【 5 ] 赵艳梅， 张文格， 王冰。 等． 压力管道应力分析的一般途径与可靠 性讨 论[ J ] ． 压力容器 ， 2 0 0 l ， 1 8 4 6 1 6 3 ． [ 6 ] 邹冰． A L c O R F E A s 及其在结构分析中的应用[ 】 ] ． 能源工程． 2 0 0 0 2 3 23 4 ． [ 7 ] 刘桂 兰， 陈济榕 ． 用等径孔桥 荣箱强度 计算程序 计算不 等径孔桥 【 J ] ． 锅炉制造， 2 0 0 5 1 1 1 1 4 ． 作者简介 刘超锋 1 9 6 9一 ， 河南郑州人 ， 硕士 ． 讲师 ， 浙江大学 工学硕士毕业 ， 从事材 料及化 学工 程技术 的过程 装备 与控制 工程 。 T e l 03 7 16 5 1 3 6 8 3 6，E ma il z h r y n 罢 y a l l∞ ． c o n 1 ． e n． 收稿 日期 2 0 0 5 ． 1 2 ． 1 3 5 3 维普资讯