火筒加热炉大开孔封头应力应变试验研究

火筒加热炉大开孔封头应力应变试验研究 第33卷第1期 2001年2月 哈尔滨工业大学学报 JOURNALOFHARBININSTITUTEOFTECHNOLOGY V33.No1 Feb..2O01 火筒加热炉大开孔封头应力应变试验研究 王怀彬,杜军,邢志东,张洪军,刘雪峰,黄波 (哈尔滨工业大学动力工程系.黑龙江哈尔滨150001) 摘要:油田火筒加热炉密集大开孔封头的计算,因投有相应的强度计算标准在一定程度 上限制了我 国油田火筒加热炉技术的发展.采用电阻应变测量技术,对新型火筒加热炉大开孔封头进行 了应力应变试验 研究,得到了封头的应变和应力分布规律,给出了大开孔封头允许的工作压力.试验结果表明. 大孔边缘圆周 处应力应变较大,十字筋板对封头有一定加强作用. 关蕾词:大开孔封头;加热炉;应力应变;试验研究 中圈分类号:TK225文献标识码:A文章埔号:0367-6234(2001)01-0045-03 Experimentalstudyonstainandstressofbig-holesealing headinfire?tubeheatingboiler WANGHuai—bin,DUJun,XINGZhi—dong,ZHANGHong-jun,LIUXue-feng,HUANGBo (DeptofPowerEngineering,HarbinInstituteofTechnology,Harbin150001,China) Abstract:Presenttheexperimentalresearchcarriedoutonstrainandstressbyapplyingtheresistancestrai n surveyingtechniquetothebigholesealedheadsinthenewfire-tubeheatingboilerswiththelawsofstraina nd stressdistributionobtainedandallowableworkingpressuregivenbecausethereisnoapplicablestandar dsOr specificationforcalculatingthestrengthofcrudeoilheatingboilerheadsperforatedbydenselydistribute dbig- holes,which,tOacertainextent,hamperedthefurtherdevelopmentofcrudeollhea~,SboilersinChina,and concludesfromexperimentalresultsthatstrainandthesnessofcireurdexencearefairlylargencA~t[“the edgeof big—hole,andthecrossribsenhancestrengthofsealedheadtoaceJt~ailldegree. Keywords:blg-bolesealedheM;heatingboiler;strainandstress;experimentalstudy 封头是各种锅炉锅筒,筒形压力容器及火筒 加热炉简体上的重要组成部分.在设计封头时,必 须按照相应的国家标准进行强度计算.由于结构 需要,往往要求在大直径封头上开设一个或几个 大孔.如大功率卧式燃油燃气锅炉的锅壳封头有 需开两个大孔的,油田大功率火筒加热炉的锅壳 封头上有需开四个大孔的;其大孔直径最大达 4~824mrs.这样的封头,用现行的强度计算标准已 无法对其进行设计计算.为满足生产需要.本文采 用电阻应变测量技术,对直径3000mm中心 收稿El期:1999一I2—22. 作者柚介:王怀彬(1953一),男,教授. 对称开设四个鳓24nlrs大孔封头;对其在不同压 力下的应力应变分布进行了实测,从而确定了该 封头的允许工作压力. 1电阻应变测量技术及大开孔封头 结构 电阻应变测量技术,是实验应力分析的一种 .其基本原理为:用一种称为电阻应变片的元 件,贴在试件测点上;试件由于受载而产生线应 变,应变片随着产生相同的线应变.线应变使应变 片的电阻值发生改变,测量这种与线应变有关的 电阻改变值.再换算为线应变值.最后根据相应公 式或定律,将线应变换算为应力. 哈尔滨工业大学学报第33卷 封头结构如图1所示;该封头为一标准旋转 椭球面,其中心截面是一椭圆(长轴R= 1500mm,短轴h=750mm)考虑到封头的刚 度,在封头上焊有十字加强筋板,平分四个中心对 称的大孔,孔内焊有椰24mill×12mm圆管,封 头及筋板壁厚均为6=12l’larll,材料均为2og. 1 ].1- /卜一//fll:l上, f/1\t… 』.. , JI—— / /\竺 图1封头结构 Fig.1Sealingheadslxlleture 2大开孔封头实验 2.1测试目的,测点布置及测试过程 测试目的:测量大开孔封头应变应力分布,封 头允许工作压力. 试验测点布置如图2所示.测点1—23分布 在沿十字加强筋方向的折线上,测点24在封头圆 心处,测点25—3O,31—36,37—42,43—48分别 在不同直径的圆周上 匕 l一 ;17l8l9?加2_ 122_屯1. .. ./一2一=I-3800I // 卜 .n 寸 n / 图2测点布置 Fig2DistributionofdeteellngpointB 采用日本产150通道逐点扫描高精度应变测 量仪进行测试.测试导线用四芯屏蔽电缆,应变片 用45.箔式应变花,粘贴剂用502胶水 测试过程:用砂纸打磨待测部位,用钢板尺划 线定出各测点的位置,用苯酮擦洗测点,按划线位 置和方位要求贴片,用胶布做绝缘,线号和点号一 一 对应,应变仪机箱上测量通道号和测点线号一 一 对应,用焊锡焊好各结点,打开主机,扫描各通 道,找出有问题的测点,分析原因及时处理.各测 点全部正常后准备升压测试. 按0—0.205MPa一0.35Mpa一0.51MPa一 0.69blPa一0.72MPa一0.83blPa升压方案升压, 保压,测试,记录,测试记录采用电脑数据采集与 记录. 2.2数据处理 各点主应变主应力及主应力方向实验公式 为 iI)譬 ? : 土(+),i()’ : (旬+),i(旬’’ = 1—. 当量应力公式为 /7”= F可 图3为主应力计算示意图 / {// 一 图3主应力计算示意图 Fig.3C~afiortofmnstress 3试验结果及分析 (1) (2) (3) (4) (5) 封头应变和应力的分布规律如图4—9所示. 由图可见,折线处应变和应力均低于开孔附近圆 周处的应变和应力.随着封头所随内压力的升高, 应变和应力明显增加;对同一压力来讲,靠近开孔 最近的圆周测点25—3O发生的应变最大,承受的 第1期王怀稚,等:火倚加热炉大开孔封头应力应变试验研究 应力也最大.在压力0.5MPs时,大孔与封头边缘 间超规范区部位30点应力最大,达到123.53 MPa,但没有超过材料的许用应力([or]=125 MPa);相应最大应变为0.46nlm,变形不大. 压力超过0.51—0.83MPa时,圆周上一些测点的 应力将超过许用应力,但没有超过材料的屈服极 限or=225MPa;最大变形可达到0.757mm.因 此,封头允许工作压力为0.51MPa. 综上所述,距大开孔最近的圆周上承受较大 应力,产生较太应变;在允许工作压力以内没有危 险点出现,可以安全工作.十字加强筋附近测点应 变和应力较小,说明十字加强筋不仅增加了封头 的刚度,也起到了一定的加强作用. 160 120 E 80 40 0 .0主应变’90主应变,.一—L二 i59l3I721252933374l45 测点 图4测试应变分布图(p=0.205MPa) Flig.4Distribution0ft~tingstr~n(p=O.205?Pa) 测点 图5计算应力分布图(p=0.205MPa) 婆墼 罨 b 59131721252933374145 铡点 图7计算应力分布图(p=0,51MPa) Distribution0fcalculating日(pO.51MPa) 图8测试应变分布图(p=O.83MPa) 测点 图9计算应力分布图(p=0.83MPa) Fig.9Distributionofcalculatingstress(p=0.83MPa) 4结论 (1)封头允许工作压力为0.51MPa. (2)大开孔边缘圆周处当量应力较大,一般 在大孔与封头边缘间靠近大孔处达到最大值. (3)超过允许工作压力时,当量应力很容易 超过材料的许用应力;在0.83MPa以内不超过材 料的屈服极限. (4)电阻应变测量技术是研究大开孔封头应 变应力分布状况的有效测试手段. 参考文献: [1]扬德品.应用薄壳力学[M].长抄:湖南大学出版 社.1988. [2]沃诺克FV,本哈姆PP.材料力学手册[M]江 秉琛译北京:人民教育出版社.1982. [3]阿弗里尔J实验应力分析手册[M].陈椽华译.北 京:机械工业出版社.i985 (责任编辑闰彤)