為了確保鍋爐的安全運(yùn)行，在設(shè)計過程中，應(yīng)確保受壓元件具有足夠的強(qiáng)度，即在載荷作用下，于設(shè)計期限內(nèi)不失效。從應(yīng)力分析的角度判斷鍋爐受壓元件的強(qiáng)度，主要是驗證元件在載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力是否低于安全限制值。鍋爐承壓本體由各種不同形狀的受壓元件組成，各承壓點的應(yīng)力種類和應(yīng)力值差別很大：在元件上未受到結(jié)構(gòu)不連續(xù)影響的區(qū)域，屬于低應(yīng)力區(qū)，只存在一次應(yīng)力，當(dāng)量應(yīng)力值應(yīng)低于許用應(yīng)力；在結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)域，可能產(chǎn)生較高的應(yīng)力，但由于影響范圍小或具有自限性，所以當(dāng)量應(yīng)力的安全限制值可提高為許用應(yīng)力的1.5倍或3倍。

高應(yīng)力區(qū)屬于強(qiáng)度減弱區(qū)域，在鍋爐的設(shè)計、制造和檢驗等各環(huán)節(jié)，需要進(jìn)行重點控制，以確保鍋爐的整體安全性。可通過公式推導(dǎo)、應(yīng)力分析和應(yīng)力測試等途徑確定鍋爐高應(yīng)力區(qū)。對于形狀不規(guī)則的復(fù)雜元件，通常很難用公式法計算應(yīng)力，而應(yīng)力分析法和應(yīng)力測試法是獲得元件應(yīng)力的有效方法。

本文通過對新型水火管鍋殼鍋爐的不同承壓區(qū)域進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變測試，找出高應(yīng)力區(qū)，為鍋爐制造和檢驗的重點控制提供參考。

測試件介紹

分析、測試選取的鍋爐型號為WD。該型鍋爐的受壓元件主要由鍋殼、煙管、水冷壁管、集箱和下降管組成。鍋殼筒體和拱型管板采用Q245R鋼板，煙管、水冷壁及集箱等管材采用20鍋爐鋼管。鍋殼內(nèi)徑1800mm，壁厚16mm。在設(shè)計壁溫下，材料的許用應(yīng)力均為117MPa，彈性模量為2*10⁵MPa，泊松比為0.3。

測點的選取

根據(jù)上述應(yīng)力分析結(jié)果，選取當(dāng)量應(yīng)力zui高點作為測試點。測點位置如下：

1. 拱形管板下拱區(qū)的人孔上方邊緣角焊縫與管板對稱軸面的交點設(shè)為測點1。貼片方向分別為環(huán)向和徑向。

2. 主蒸汽管根部角焊縫與筒體頂端輪廓線的交點設(shè)為測點2，貼片方向分別為環(huán)向和軸向。

3. 選取下降管根部角焊縫與集箱頂部輪廓線的交點為測點3，貼片方向分別為環(huán)向和軸向。

另外，在筒體縱、環(huán)焊縫處各選一點作為測點4、5，貼片方向分別為環(huán)向和軸向。

作為參考點，在筒體未減弱區(qū)域選取一點測量其一次應(yīng)力，設(shè)為測點6，貼片方向分別為環(huán)向和軸向。

應(yīng)力測試方法

采用靜態(tài)電阻應(yīng)力應(yīng)變測試方法，基本原理是將電阻應(yīng)變片粘貼在被測構(gòu)件表面某點處的一定方向上，利用電阻應(yīng)變儀測量出構(gòu)件受力后電阻應(yīng)變片的阻值變化，然后經(jīng)換算及計算后得出該處的應(yīng)力大小。

儀器使用聚航科技生產(chǎn)的JHYC靜態(tài)應(yīng)變儀，儀器模塊化設(shè)計，軟件式操作，數(shù)據(jù)實時保存，可自動生成報表，精度高，測量結(jié)果準(zhǔn)確。

測試采用兩向應(yīng)變片，沿設(shè)定位置外表面的兩個方向粘貼，測得的就是兩向主應(yīng)變。

應(yīng)力測試結(jié)果

鍋爐設(shè)計壓力為1.25MPa，應(yīng)力測試在水壓試驗時進(jìn)行，記錄試驗過程中應(yīng)力變化情況。每隔0.5s記錄一組數(shù)據(jù)，一次連續(xù)記錄600組數(shù)據(jù)，取平均值。當(dāng)試驗壓力為額定設(shè)計壓力1.25MPa時，測得單向應(yīng)力值為表1.

表1 各測點單向應(yīng)力

測點6處于筒體未減弱區(qū)域，為了直觀顯示其他各點與該測點數(shù)值關(guān)系，繪制單向zui大應(yīng)力對比曲線圖，圖中可知，測點1、2均有一項應(yīng)力值明顯高于筒體未減弱區(qū)域的同向應(yīng)力。

圖1 各測點單向zui大測試應(yīng)力對比圖

結(jié)論

通過應(yīng)力測試找出了水火管鍋爐本體結(jié)構(gòu)中的幾類應(yīng)力較高區(qū)域，即強(qiáng)度薄弱點。一般情況下，開孔尺寸大，不同形狀元件相連接、元件本身形狀不規(guī)則或形狀復(fù)雜的區(qū)域，元件強(qiáng)度易受到削弱。為了確保此類區(qū)域在將來的運(yùn)行中不會出現(xiàn)安全問題，應(yīng)將其列入制造、檢驗中的重要控制點，并嚴(yán)格工藝要求。