加压煤气发生炉灰锁应力分布浅析

　　煤气发生炉是工程应用上较为常见的压力容器。它的强度、刚度及稳定问题是压力容器设计师们最为关心的问题。其中,大量的是强度问题。传统的设计法中,对于特定条件下的柱形壳、椭球封头、球封头等有应力精确解。当这几种结构连接为一体或在其上开孔时,仅靠有关手册上能够查到的数据是远远不够的。它只能粗略地估计出容器的最大应力,而不能反映整个容器应力分布的全貌。同时,由于种种应用条件的限制和所设计容器的特殊性,往往找不到准确的依据,只能根据经验去比较、对照。在实际应用中,容器筒壁几乎不可避免地要开孔,与其它连管相连。如进料口、出灰口以及连接管等。这些连接部位的应力分布远比正常部位复杂得多,靠传统的设计方法很难准确地确定连接部位的实际应力分布和应力集中状况,估算出它对容器应力分布的影响。而这些部位正是设计师们所关心的。本次计算的Φ2.8m加压煤气发生炉灰锁进灰口与精球上封头偏心连接,中部柱形壳壁上接有45 角冷凝器连管。对于这种结构,用传统设计法很难确定它的应力分布。为了解决这个问题,计算中应用有限单元法通过大量数据分析,进行了较为深入的探索。

　　1　力学模型的建立

　　灰锁是煤气发生炉的几个主要部件之一。燃料经上煤锁进入炉体,并在炉体中充分燃烧后,需经灰锁卸灰。灰锁的工作过程为:每隔一定时间,给灰锁加压至其内部压力为炉体工作压力。排灰时,打开炉体排灰装置,使灰由炉体进入灰锁;然后关闭炉体排灰装置,使灰锁卸压、降温,至常压时打开灰锁出灰口将灰排出。从结构上讲,灰锁由椭球封头(长轴:短轴=2:1)、中间筒体以及半球形下封头三部分焊接而成。炉壁上还焊有轴封接管及冷凝器接管等。其结构简图如图1所示。

　　针对灰锁属于空间封端筒壳结构这一特点,对灰锁力学模型作了如下处理:

　　1)对灰锁炉壁及连接管,选用SAP5结构分析程序中的空间板壳单元;

　　2)用边界刚度单元模拟灰锁上法兰处的边界支承,约束灰锁边界位移。灰锁的单元网格划分参见图2

　　为了提高计算精度,计算分整体计算及局部细化计算两步进行:

　　1)取灰锁整体结构为力学模型,求解其整体结构的应力变形;

　　2)根据已解出的灰锁整体结构计算结果,分别对(1)椭球封头(取整体结构)、(2)下封头(取1/4结构)、(3)中间筒体开孔附近进行局部细化分析,以求解其应力集中系数。由于灰锁下法兰处过盈配合,因而存在着一定的装配应力。在给定过盈量Δ的前提下,下封头与套筒之间由于过盈配合而产生一定的压力p。这里,配合压力p用下述方法求得: