增压锅炉锅筒应力及疲劳寿命分析

摘要

锅筒是锅炉中重要的受压元件，它连接上升管与下降管组成自然循环回路，同时接受省煤器来的给水，向过热器输送饱和蒸汽，它是加热、蒸发、过热这三个过程的连接点。锅筒运行工况极其复杂，不仅要承受内部较高的压力，还要承受冷、热态启停及变负荷时的循环机械应力和热应力，这些交变应力很容易产生疲劳破坏。因此，对锅炉锅筒进行应力分析，得出增压锅炉锅筒稳态及启动工况下应力的变化规律，可为增压锅炉最优启动方案提供一定的理论支持。
　　 运用ANSYS软件建立了某增压锅炉锅筒的三维模型，对锅筒内压应力、热应力以及总应力分布进行三维有限元数值模拟分析。得出了6.5MPa压力下的稳态内压机械应力以及压力从常压增加到6.5MPa时的瞬态应力，按照第三类边界条件从常温增加到额定工况下的瞬态热应力。最后计算出压力以及温度共同作用下的稳态总应力和瞬态总应力。得到了锅筒的应力集中状况，并根据应力值和材料特性对锅筒进行了强度评定，为锅筒的安全运行和设计提供了依据。
　　 模拟结果表明：此型增压锅炉最大应力值在锅筒孔沿轴向截面的内点，与压力成正比；而热应力值分布相对复杂，水汽交接面处较大，与上下锅筒温差成正比。总应力是内压应力和热应力的矢量和，在A点总应力小于机械应力，说明适当大小的热应力对内压应力有削弱作用：而在孔区的锅筒外壁总应力增大，热应力对内压应力有叠加的作用。
　　 通过分析对比在不同标准下的锅筒低周期疲劳寿命，确定了最优的锅筒低周期疲劳寿命计算方法。为今后进行锅筒低周疲劳问题的研究打下了基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1增压锅炉概述

1.2锅炉锅筒应力场及温度场研究现状

1.2.1锅筒温度场

1.2.2锅筒应力场

1.3锅炉锅筒的低周疲劳寿命

1.4本文工作

第2章理论基础

2.1有限元法概述

2.1.1有限元程序内容

2.2强度理论

2.3应力分析的力学理论

2.3.1弹性力学基本方程

2.3.2热弹性力学理论基础

2.4热应力

2.5本章小结

第3章锅筒的力学分析和模型的建立

3.1内压作用下锅筒圆筒的应力状态

3.2锅筒圆筒热应力

3.3边界条件

3.4锅筒模型的建立

3.4.1结构和物性参数

3.4.2实体模型建立

3.5本章小结

第4章锅筒稳态应力场分析

4.1锅炉锅筒稳态机械应力计算

4.1.1锅炉锅筒边界条件

4.1.2锅炉锅筒稳态机械应力的计算

4.2锅筒稳态温度场与热应力场的计算

4.2.1锅筒的热应力

4.2.2边界条件

4.2.3锅筒稳态温度场

4.2.4锅筒稳态热应力场

4.3锅筒稳态总应力场的计算

4.3.1计算结果

4.3.2强度评定

4.4本章小结

第5章锅筒瞬态应力场分析

5.1瞬态分析

5.1.1完全法(Full Method)

5.2瞬态机械应力计算

5.2.1加载

5.2.2计算结果及分析

5.3瞬态热应力计算

5.4瞬态总应力计算

5.4.1最大应力点处三种应力的关系

5.5本章小结

第6章锅筒低周疲劳寿命计算方法研究

6.1锅筒疲劳寿命研究的发展

6.2锅筒疲劳寿命计算标准

6.2.1美国ASME标准

6.2.2英国BS5500标准

6.2.3德国TRD301标准

6.3循环应力幅的确定

6.3.1简化解法的特点和思路

6.3.2简化计算中危险点的选取

6.3.3锅筒壁内径向温差热应力和机械应力的计算

6.4疲劳寿命的计算

6.5本章小结

结论

参考文献

致谢