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设计计算,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
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
方法.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,
均为2og.
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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
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寸
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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,
,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)