火筒加热炉大开孔封头应力应变试验研究

　　封头是各种锅炉锅筒、筒形压力容器及火筒加热炉筒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Φ824 mm.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Φ3 000 mm中心对称开设四个Φ824 mm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.

　　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=1 500 mm,短轴h=750 mm).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Φ824 mm×12 mm圆管,封头及筋板壁厚均为δ=12 mm,材料均为20 g.

　　2　大开孔封头实验方案

　　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25~30、31~36、37~42、43~48分别在不同直径的圆周上.

　　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0-0.205 MPa-0.35 Mpa-0.51 MPa-0.69 MPa-0.72 MPa-0.83 MPa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[1]

　　3　试验结果及分析

　　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25~30发生的应变最大,承受的应力也最大.在压力0.5 MPa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([σ]=125 MPa)[2,3];相应最大应变为0.46 mm,变形不大.压力超过0.51~0.83 MPa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σs=225MPa;最大变形可达到0.757 mm.因此,封头允许工作压力为0.51 MPa.