高温烟气烟道固定支架结构优化有限元分析_于雅泽.pdf

第一作者简介:于雅泽，女，高级工程师，硕士，主要从事供热行业规划和设计研究工作。收稿日期:2022 04 04;修回日期:2022 05 26高温烟气烟道固定支架结构优化有限元分析于雅泽1，刘巍1，王淮2，赵惠中1(1 中国市政工程华北设计研究总院有限公司 第六设计研究院，天津 300381;2 中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300381)摘要:某工业锅炉在运行中烟道固定支架发生损坏。对高温运行条件下烟道固定支架进行有限元模拟，分析发生损坏的原因，提出改进措施。固定支架最大应力不满足安定性条件是运行中发生损坏的主要原因。结构优化后固定支架最大应力为 222 52 MPa，满足安定性条件。关键词:高温烟气;烟道;固定支架;有限元分析中图分类号:TU995 7文献标志码:B文章编号:1000 4416(2023)02 0A13 031概述概述某工业锅炉在运行中烟道固定支架发生损坏。本文对高温运行条件下烟道固定支架进行有限元模拟，分析发生损坏的原因，提出改进措施。2研究对象研究对象烟道布置简图见图 1。烟道(圆管)外直径为1 020 mm，壁厚为 12 mm，材质为 S30409 不锈钢，工作温度 500，工作压力 0 3 MPa。固定支架结构见图 2。固定支架材质同烟道，托架与烟道采用焊接连接。固定支座 y 轴负方向受力为 63 4 kN，x 轴方向受力为 13 0 kN。18.0 m13.0 m锅炉Oxz8.2 m烟囱固定点滑动支架固定支架补偿器图 1烟道布置简图3仿真结果与分析仿真结果与分析采用 ANSYS WOKBENCH 自带的 DesignMod-660 mm托架肋板16 mm16 mm600 mm650 mm700 mm16 mm700 mm610 mm托架托架支撑固定支架底板预埋钢板托架托架支撑yxOa.主视图b.侧视图托架肋板图 2固定支架结构eler 建立固定支架模型，采用热传导计算模块设置支架传热条件，与烟道接触的托架处温度为500，环境温度为 20，支架表面传热系数设定为 11 63W/(m2K)，固定支架底板底部设定为绝热。固定支架温度分布见图 3。由图 3 可知，与烟道接触的托架温度最高，沿 y 轴负方向温度下降。31A第 43 卷第 2 期2023 年 2 月煤 气 与 热 力GAS HEATVol 43 No 2Feb 2023DOI:10.13608/ki.1000-4416.2023.02.004图 3固定支架温度分布(软件截图)将模拟得到的温度分布作为条件输入结构分析模块，固定支架底部设定为固定，施加受力后，模拟固定支座的应力分布。固定支架应力分布见图 4。由图 4 可知，固定支架最大应力为 747 MPa，应力集中位置在烟道与托架接触部分以及托架支撑边缘。根据 GB/T 20801 22020压力管道规范工业管道第 2 部分:材料 附录 A，在 40 下 304 不锈钢许用应力为 138 MPa，在 500 下许用应力为99 1 MPa。应力判断采用安定性分析(最大应力不超过 3 倍许用应力)，即 500 下应力不应大于297 3 MPa。由仿真结果可知，固定支架最大应力不满足安定性条件，这是运行中固定支架发生损坏的主要原因。图 4固定支架应力分布(软件截图)4结构优化结构优化4 1初步优化由上述仿真模拟结果可知，在高温条件下，应力集中在与烟道接触的托架上，且托架应力分布不均。为此，对固定支架的结构进行初步优化:在固定支架内部增加 1 块托架支撑(厚度为 16 mm)，并增加 4条托架肋板(厚度均为 16 mm)，初步优化后的固定支架结构见图 5。初步优化后的固定支架应力分布见图 6。由图 6 可知，托架的最大应力未超过 400MPa，说明托架的应力集中问题得到改善，但仍不满足安定性条件。图 5初步优化后的固定支架结构(软件截图)图 6初步优化后的固定支架应力分布(软件截图)4 2进一步优化在初步优化结构基础上，取消托架支撑，再增加1 条托架肋板(厚度为 16 mm)，肋板间距为 100mm，进一步优化后的固定支架结构见图 7。进一步优化后的固定支架应力分布见图 8。由图 8 可知，应力集中出现在托架中心区域，最大应力为 307 69MPa，仍不满足安定性条件。4 3最终优化在进一步优化结构基础上，将托架肋板分成两部分并对称布置，最终优化后的固定支架结构见图9。最终优化后的固定支架应力分布见图 10。由图10 可知，最终优化后的固定支架最大应力为 222 52MPa，不仅满足安定性条件，而且未出现在托架上。最终结构固定支架托架应力分布见图 11。由图 1141A第 43 卷第 2 期煤 气 与 热 力www gasheat cn图 7进一步优化后的固定支架结构(软件截图)图 8进一步优化后的固定支架应力分布(软件截图)78 mm200 mm图 9最终优化后的固定支架结构可知，最终结构固定支架托架最大应力仅为 88 4MPa，说明最终结构理想。5结语结语与高温烟气烟道直接接触的固定支架，在支架材料和结构上需要考虑高温条件，以免造成结构受损，进而影响烟道和设备的运行安全。图 10最终优化后的固定支架应力分布(软件截图)图 11最终结构固定支架托架应力分布(软件截图)Finite Element Analysis of StructuralOptimization of Fixed Support inHigh-temperature Flue Gas DuctYU Yaze，LIU Wei，WANG Huai，ZHAO HuizhongAbstract:The fixed support of flue gas duct ofan industrial boiler was damaged during operation Thefixed support of flue gas duct under high temperatureoperation is simulated by finite element method，thecauses of damage are analyzed，and the improvementmeasures are proposed The main reason for damage inoperation is that the maximum stress of the fixed sup-port does not meet the stability conditions After struc-tural optimization，the maximum stress of the fixed sup-port is 222 52 MPa，which meets the stability condi-tionsKey words:high-temperature flue gas;flue gasduct;fixed support;finite element analysis(本文责任编辑:贺明健)51Awww gasheat cn于雅泽，等:高温烟气烟道固定支架结构优化有限元分析第 43 卷第 2 期