WNS冷凝式鍋爐支撐結(jié)構(gòu)研究

龐洪忠，曹鳳顯，周國(guó)棟，楊洪斌，劉培利，趙金峰，周 豐，王 釗

(山東圣奧化學(xué)科技有限公司，山東 菏澤 274000）

WNS冷凝式鍋爐為兩回程式結(jié)構(gòu)，燃燒機(jī)燃燒的高溫?zé)煔饨?jīng)波紋爐膽、回燃室回轉(zhuǎn)進(jìn)入螺紋煙管，再從螺紋煙管流出進(jìn)入鍋爐前煙箱，并從前煙箱頂部出煙口排出，經(jīng)轉(zhuǎn)彎煙道進(jìn)入節(jié)能器與冷凝器，最后排入大氣［1-4］。受該型鍋爐結(jié)構(gòu)形式的限制，前管板上只布置與回燃室管板連接并配合兩回程的螺紋煙管，后管板上只有直拉桿與回燃室后管板連接，這樣就造成管板兩端邊緣的空隙過大，管板強(qiáng)度不夠，需要增加鋼板厚度整體補(bǔ)強(qiáng)，導(dǎo)致管板與其連接的鍋殼筒體之間錯(cuò)邊量太大，必須削薄才能滿足焊接要求。目前解決此問題的方法是在鍋爐前后管板兩端邊緣的空隙上均勻布置一定數(shù)量的拉撐管［5-6］。但該此方法存在諸多弊端，一是拉撐管貫穿鍋爐前后管板連接，浪費(fèi)了大量鋼管。二是為防止煙氣流通短路，一般采用耐火水泥將拉撐管兩端封堵，但在鍋爐運(yùn)行過程中耐火水泥可能因?yàn)楦邷責(zé)煔廨椛浜湾仩t運(yùn)行振動(dòng)出現(xiàn)脫落，導(dǎo)致高溫?zé)煔鈴那盁熛浣?jīng)拉撐管流入后煙箱，煙氣聚集造成后煙箱溫度過高，形成安全隱患。

為此，文中提出了一種新的WNS冷凝式鍋爐支撐結(jié)構(gòu)，在拉撐管布置區(qū)域，采用斜拉桿連接管板與鍋殼筒體，起到鍋爐支撐的作用。斜拉桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、制造及安裝滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)鍋爐安全與節(jié)能的各項(xiàng)規(guī)定［7-8］，能大幅減少材料成本，降低制造難度，提高鍋爐安全性能。

1 WNS冷凝式鍋爐管板支撐原理

1.1 拉撐管強(qiáng)度計(jì)算

WNS冷凝式鍋爐本體管板上的拉撐件之間應(yīng)當(dāng)留有足夠的呼吸空位（即管板上溫度不同的相鄰元件之間的最小距離），以防止產(chǎn)生過大的溫差應(yīng)力［9］。鍋殼鍋爐系特種設(shè)備，其前、后管板為主要受壓部件，管板材質(zhì)與厚度的選取需滿足文獻(xiàn)［7］對(duì)呼吸空位的相關(guān)要求，并且經(jīng)過嚴(yán)格的強(qiáng)度計(jì)算。目前，解決鍋爐管板兩端邊緣空隙的方法大都是均勻布置一定數(shù)量的拉撐管，通過減小相鄰部件之間的呼吸空位來減小前、后管板的計(jì) 算厚 度［10-12］。

拉撐管的最小需要截面積Fmin為：

式中，p為計(jì)算壓力（鍋爐額定工作壓力與附加壓力之和），［σ］為拉撐管的許用應(yīng)力，MPa；A為拉撐管所支撐的面積，mm2。［σ］為計(jì)算溫度下對(duì)應(yīng)的基本許用應(yīng)力［σ］j與修正系數(shù)η的乘積，［σ］j與η可先在文獻(xiàn)［9］表中查尋，然后利用插值法進(jìn)行計(jì)算。

進(jìn)行拉撐管校核計(jì)算時(shí)，拉撐管的最高允許工作壓力為：

式中，F(xiàn)為所選取的拉撐管的截面積，mm2。校核結(jié)果應(yīng)滿足 F≥Fmin、［p］≥p。

拉撐管最大允許內(nèi)徑de為：

式中，d為所選取的拉撐管的公稱直徑，mm。

拉撐管設(shè)計(jì)厚度δs為：

拉撐管直徑與厚度的選取還必須滿足表1的要求。

表1 拉撐管直徑與厚度選取要求

與前、后管板焊接連接的拉撐管作為拉撐件用于煙氣溫度大于600℃的部位時(shí)，拉撐管管端超出焊縫的長(zhǎng)度L不應(yīng)大于1.5 mm；當(dāng)用于煙氣溫度不大于600℃的部位時(shí)，拉撐管管端超出焊縫的長(zhǎng)度L可放大至5 mm。拉撐管與管板焊接結(jié)構(gòu)見圖1，圖中δ為管板的厚度，δ1為拉撐管的名義厚度［13-16］。

圖1 拉撐管與管板焊接結(jié)構(gòu)

1.2 斜拉桿強(qiáng)度計(jì)算

斜拉桿的最小需要截面積Fmin1為：

式中，A1為斜拉桿所支撐的面積，mm2；［σ］1為斜拉桿的許用應(yīng)力，MPa；α為斜拉桿與管板的夾角，α應(yīng)不小于60°。［σ］1的計(jì)算方法與拉撐管［σ］的計(jì)算方法相同。

斜拉桿的轉(zhuǎn)角半徑r不應(yīng)小于斜拉桿直徑d1的2倍，斜拉桿的拉桿端頭與管板及鍋殼筒體的焊接結(jié)構(gòu)及要求見圖2。圖中Lw為斜拉桿與鍋殼筒體焊縫長(zhǎng)度，δw為焊縫厚度。

圖2 斜拉桿端頭與管板及鍋殼筒體的焊接結(jié)構(gòu)及要求

校核計(jì)算時(shí)，斜拉桿的最高允許工作壓力按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，F(xiàn)1為所選取的斜拉桿的截面積，mm2。

對(duì)于圖2中斜拉桿A向焊縫，焊縫厚度δw取為d1/4，所需焊縫長(zhǎng)度L1應(yīng)滿足：

校核結(jié)果應(yīng)滿足 F1≥Fmin1，［p］1≥p，Lw≥L1。

斜拉桿與鍋殼筒體連接部位的煙氣溫度不大于600℃，斜拉桿作為拉撐件均勻布置在前、后管板上，不直接受煙氣或火焰加熱。選取斜拉桿規(guī)格型號(hào)時(shí)，強(qiáng)度計(jì)算中的計(jì)算溫度即鍋殼鍋爐承裝介質(zhì)的最高溫度。而拉撐管因布置在對(duì)流受熱面內(nèi)，其計(jì)算溫度為鍋殼鍋爐承裝介質(zhì)的最高溫度再加上25℃［17］。根據(jù)受壓元件在不同溫度下對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力可知，溫度越高，許用應(yīng)力越小，因此所需拉撐件的最小截面積越大，即所需拉撐件的直徑越大。

2 WNS冷凝式鍋爐管板強(qiáng)度計(jì)算

有拉撐的管板和煙管管束區(qū)以外的管板厚度δ計(jì)算公式為：

式中，K為與鍋爐受壓元件類別和連接的焊接方式有關(guān)的系數(shù)；df為利用管板上支撐點(diǎn)所繪制的當(dāng)量圓的直徑，mm；［σ］2為管板的許用應(yīng)力，MPa。［σ］2的計(jì)算方法與拉撐管［σ］的計(jì)算方法相同。

校核計(jì)算時(shí)，有拉撐的管板最高允許工作壓力［p］2為：

校核結(jié)果應(yīng)滿足［p］2≥p。

3 WNS冷凝式鍋爐支撐結(jié)構(gòu)計(jì)算實(shí)例

3.1 拉撐管支撐

某 WNS8-1.6-Y（Q）冷凝式鍋爐的直徑為2 400 mm，鍋殼筒體長(zhǎng)度5 090 mm，絕壓下的計(jì)算壓力1.664 MPa，該計(jì)算壓力對(duì)應(yīng)的飽和蒸汽溫度為206.11℃，則管板與拉撐管的計(jì)算溫度為206.11+25=231.11（℃），管板與鍋殼筒體材質(zhì)Q245R鋼板在該計(jì)算溫度下對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力為97.75 MPa。經(jīng)強(qiáng)度計(jì)算［7］，鍋殼筒體名義厚度為16 mm。

拉撐管在前、后管板兩側(cè)邊緣空隙位置均勻?qū)ΨQ布置情況見圖3。圖3中左半部分為前管板拉撐布置結(jié)構(gòu)，右半部分為后管板拉撐布置結(jié)構(gòu)。通過圖3可以看到，均勻布置的拉撐管滿足對(duì)鍋殼鍋爐相鄰部件之間呼吸空位的要求。利用管板上各支撐點(diǎn)繪制當(dāng)量圓，分別將每個(gè)當(dāng)量圓直徑 df尺寸代入式（8）、式（9）進(jìn)行校核計(jì)算，可得管板計(jì)算厚度為19.75 mm。若選取的管板厚度為20 mm，則管板與鍋殼筒體的錯(cuò)邊量為4 mm，根據(jù)焊接工藝要求，管板端部必須削薄，增加了施工難度。

圖3 拉撐管在前后管板均勻布置結(jié)構(gòu)

拉撐管在鍋爐管板上的最大支撐面積A=28 687.88 mm2，拉撐管選用20無縫鋼管，計(jì)算溫度下其對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力［σ］=70.2 MPa，將各數(shù)據(jù)代入式 （1）可以得到拉撐管的最小需要截面積Fmin=680.01 mm2。在拉撐管規(guī)格選取過程中，將拉撐管直徑d與對(duì)應(yīng)的截面積F分別代入式（2）～式（4）反復(fù)校核計(jì)算并進(jìn)行比較，當(dāng)拉撐管直徑為?63.5 mm時(shí)，設(shè)計(jì)厚度δs=3.63 mm?？紤]制造成本，拉撐管選取規(guī)格為?63.5 mm×4 mm的無縫鋼管，其滿足 F＞Fmin、［p］＞p 及表 1 中拉撐管最小厚度的要求。圖3中拉撐管共布置36根，所需管材總質(zhì)量為1 126.8 kg。

3.2 斜拉桿支撐

斜拉桿在前、后管板兩側(cè)邊緣空隙位置均勻?qū)ΨQ布置，見圖4。圖4中左半部分為前管板斜拉桿布置結(jié)構(gòu)，右半部分為后管板斜拉桿布置結(jié)構(gòu)，顏色較深的斜拉桿布置在了拉撐管不能布置的區(qū)域，該布置結(jié)構(gòu)滿足對(duì)鍋殼鍋爐相鄰部件之間呼吸空位的要求。斜拉桿與管板的夾角α=60°。斜拉桿的計(jì)算溫度為206.11℃，斜拉桿材質(zhì)20圓鋼在該溫度下對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力［σ］1=69 MPa。將利用管板上的各支撐點(diǎn)繪制的當(dāng)量圓直徑df分別代入式（8）、式（9）進(jìn)行校核計(jì)算，可以得到管板的計(jì)算厚度為16.81 mm。若選取的管板厚度δ=18 mm，則管板與鍋殼筒體的錯(cuò)邊量為2 mm，無需削薄即能滿足焊接工藝的要求，同時(shí)可節(jié)省管板材料142 kg。

圖4 斜拉桿在前后管板均勻布置結(jié)構(gòu)

斜拉桿在鍋爐管板上的最大支撐面積A1=39 954.3 mm2，將各數(shù)據(jù)代入式（5），可得斜拉桿的最小需要截面積Fmin1=1 222.071 mm2，對(duì)應(yīng)的斜拉桿最小直徑為?39.45 mm。將斜拉桿直徑與對(duì)應(yīng)的截面積分別代入式（5）～式（7），可得焊縫長(zhǎng)度L1=76.38 mm。故斜拉桿選用?40 mm的圓鋼，焊縫長(zhǎng)度 Lw=80 mm，并滿足 Lw＞L1、［p］1＞p1的要求。 圖4中的前、后管板斜拉桿共布置74根，所需圓鋼總質(zhì)量為470.6 kg，比采用拉撐管節(jié)省鋼材656.2 kg，且制造更為方便。斜拉桿在前、后管板均勻布置的實(shí)物圖分別見圖5、圖6。

圖5 斜拉桿在前管板均勻布置實(shí)物

圖6 斜拉桿在后管板均勻布置實(shí)物

3.3 對(duì)比分析

對(duì)比圖3可知，拉撐管作為支撐件時(shí)，均勻?qū)ΨQ布置在前、后管板兩側(cè)邊緣空隙上，貫穿于鍋殼鍋爐的前管板和后管板，其管端與前、后管板焊接需滿足圖1的要求。文獻(xiàn)［7］對(duì)鍋殼鍋爐內(nèi)部相鄰部件的受壓元件之間的呼吸空位大小有明確要求，將均勻布置的拉撐管作為拉撐件計(jì)算管板強(qiáng)度時(shí)，必須滿足該呼吸空位的要求，同時(shí)還不能與鍋殼筒體內(nèi)的其他零部件相沖突，這就限制了拉撐管布置的數(shù)量，使得強(qiáng)度計(jì)算得到的拉撐管直徑和厚度較大，導(dǎo)致管板的計(jì)算厚度結(jié)果偏大，從而使管板與連接鍋殼筒體之間錯(cuò)邊量增大，只能削薄管板端部才能滿足施焊要求，不但加大了施工難度，又浪費(fèi)了大量鋼材。

受冷凝式鍋爐結(jié)構(gòu)限制，為防止煙氣短路，避免高溫?zé)煔鈴那盁熛淞魍ㄟM(jìn)入后煙箱，拉撐管兩端必須完全封堵。為施工方便并節(jié)省成本，一般采用耐火水泥封堵拉撐管兩端。但隨著使用年限的延長(zhǎng)，鍋爐運(yùn)行過程中耐火水泥可能因煙氣輻射和鍋爐振動(dòng)出現(xiàn)脫落，導(dǎo)致煙氣進(jìn)入后煙箱聚集造成面板溫度過高。此外，觀火裝置與防爆門設(shè)置在后煙箱上，在操作人員觀火與檢修過程中可能會(huì)發(fā)生燙傷等安全事故，存在安全隱患。而斜拉桿是圓鋼結(jié)構(gòu)，采用焊接形式將前、后管板與鍋殼筒體連接起來，斜拉桿長(zhǎng)度有限，可節(jié)省大量鋼材，降低制造難度。采用斜拉桿結(jié)構(gòu)既無需考慮與鍋殼筒體內(nèi)其他零部件相沖突的問題，也不會(huì)因煙氣流通短路造成后煙箱溫度過高。斜拉桿一端加工有報(bào)警孔，當(dāng)鍋爐運(yùn)行過程中出現(xiàn)壓力異常時(shí)，還會(huì)發(fā)出報(bào)警的蜂鳴聲，提高安全運(yùn)行可靠性。

4 結(jié)語

WNS冷凝式鍋爐是一種特種設(shè)備，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)安全和節(jié)能方面的要求與規(guī)定。將WNS冷凝式鍋爐前、后管板上均勻布置的拉撐管改為斜拉桿，可降低制造難度，節(jié)省生產(chǎn)成本，方便吊裝與運(yùn)輸，同時(shí)減少鍋爐運(yùn)行時(shí)的安全隱患，提高安全性能。