锅筒壁上焊接大尺寸平板应力研究

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1、锅筒壁上焊接大尺寸平板应力研究摘要：锅筒壁上焊接大尺寸平板是锅炉本体中的一种特殊结构，平板和筒体连接处的应力状态比较复杂，在我国锅炉强度计算标准中没有相应的计算方法。本文采用有限元方法对该结构进行应力分析。根据计算结果，分析了应力分布特点，并通过应力分解对结构进行安全性评定。关键词：筒体；平板；应力分析；有限元；强度评定中图分类号：X92文献标识码：A1概述在锅筒筒体上焊接大尺寸平板，是国内的立式电热锅炉用以放置电加热元件的结构型式之一。如图1所示，将矩形平板的四个顶点分别加工为四分之一切圆过渡形状，

2、嵌入锅筒筒体，并与筒体采用全焊透的连接方式。平板上开孔，以插入电热管。图1锅筒筒体嵌入大平板示意图圆筒体与平板连接的结构形式在锅炉强度计算标准中未规定相应的计算方法。锅筒承受内压力时，在圆筒体与平板连接处的应力状态比较复杂。因此，采用常规的强度计算方法无法进行准确计算，需要通过应力分析对连接处的各项应力进行分类求解。本文采用有限元分析方法对圆筒体上焊接大平板的结构进行强度判定。2基本设计参数及分析条件锅炉工作压力为1.6MPa,计算金属壁温为202°C,筒体及平板的设计材料为Q245R,弹性模量为2X

3、105MPa,泊松比为0.3,筒体、平板的许用应力为131MPa。结构尺寸按以下选取：筒体直径取820mm,壁厚10mm,平板厚度取76mm,平板顶点圆弧半径取120mm。3分析模型的建立应力分析采用ANSYS通用分析软件。分析类型为静载分析，主要考察和评定大尺寸平板与锅筒筒体连接处的薄膜应力和弯曲应力（包括一次应力和二次应力）数值是否符合安全性要求。峰值应力一般用于元件的疲劳分析，在静载分析中可不考虑。由于平板厚度较大，其自身的强度有较大的安全余量，其上的开孔对平板边缘的应力状态影响很小，建模时忽略

4、开孔，按内壁面承受均压力考虑。为了减少计算量，取以上结构的四分之一建模。计算模型采用S0LID45A节点四面体等参数单元。整个模型共42682个单元，59048个节点。4施加约束条件和载荷4.1施加约束条件。在各个对称平面上施加对称约束,以消除刚体位移。5计算结果5.1应力及位移分布由应力强度分布及变形分布可知，应力强度最大点处于筒体外壁面与平板断面相交线上、平板圆弧线与长直边的交点附件。最大总应力为90.2MPa。平板圆弧面与筒体外壁面相交线为高应力区。5.2应力分解为了了解所考察区域的应力状况，在

5、平板与锅筒筒体相交处区域选取穿过壁厚的评定线（路径），利用应力线性化将应力分解为薄膜应力、弯曲应力、峰值应力和总应力。5.3结果分析与评定应力分类和评定按第三强度理论（最大剪应力理论）进行应力控制的原则如下：两者的控制原则是等效的。以下为应力分析结果分析。（1）厚壁平板对考察区域应力强度的影响。首先，在平板短边附近区域（即路径1〜3代表的区域）,应力值低于筒体总体应力，说明厚壁平板对于相邻区域的筒体强度有明显的补强作用，抵消了变形不连续所带来的应力集中和强度减弱。其次，相贯线处应力较大的位置均在相贯线

6、向外移1个单元处，即位于第一排单元的外侧。这也说明了厚壁平板产生的补强效果。(2)所考察区域中，应力最大区域在平板顶点附近，此处为强度最弱处，也是重点考察部位。(3)薄膜应力考察。应力最大点的薄膜应力为73.3MPa,低于材料的许用应力。而局部薄膜应力的允许值为许用应力的1.5倍，因此，该项应力的裕度较大。(4)弯曲应力考察。考察部位的弯曲应力是为了消除平板和筒体变形的不连续性而产生的，属于二次应力。安全限定值为：薄膜应力+弯曲应力＜3[?滓]=393Mpao由上可知，所有路径上的薄膜应力+弯曲应力数

7、值均低于安全限定值，且有较大裕度。经以上分析，在平板厚度足够的前提下，圆筒体上焊接大平板的结构在强度上是安全的。考虑到平板内外壁必须伸出相连筒体的内外壁，所以本身就需要具有足够的厚度，因此也确保了此类结构在强度上的安全性。结语(1)经应力分析表明，锅筒筒体上焊接大平板的结构在强度上是安全的。平板的4个顶点区域是高应力区，但是远小于应力控制的限制值。(2)ASME规范第VH1卷及我国的压力容器标准均包含了分析设计标准方法o2008版的《水管锅炉受压元件强度计算》标准，也规定了可采用有限元分析方法进行强度

8、判定的内容。当锅炉结构超出强度计算标准的范围时，采用有限元方法对结构进行应力分析，是确保其安全性的有效方法。参考文献[1]王泽军•锅炉结构有限元分析[M].北京：化学工业出版社，2005.[2]李之光•锅炉强度计算标准应用手册[M].北京：中国标准出版社，1999.