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鍋筒是增壓鍋爐的關鍵部件之一，其性能優(yōu)劣將直接影響人員及設備的安全。因此，研究鍋筒的溫度場和應力場，找出最大應力點的位置并對其進行有限元分析，對于鍋筒的合理設計以及鍋爐安全可靠運行是十分必要的。
針對電站鍋爐鍋筒溫度及應力場的研究開展較早，并取得了豐富的研究成果。但由于增壓鍋爐鍋筒的結構形式和換熱方式與電站鍋爐存在較大差異，因此這些研究成果所能提供的參考有限。近年來，針對增壓鍋爐鍋筒安全性的相關研究逐漸增多。文獻采用有限元分析軟件對增壓鍋爐鍋筒進行了應力分析，并利用計算結果對鍋筒進行了強度評定。但由于鍋筒受熱方式的復雜性及缺少實驗數(shù)據(jù)的積累，計算載荷的合理給定成為增壓鍋爐鍋筒應力有限元計算的難點之一。
為解決上述問題，本研究建立了小型增壓鍋爐鍋筒的實體模型，基于鍋筒結構及換熱方式，詳細劃分了計算區(qū)域，并利用實測內外壁溫度數(shù)據(jù)及理論計算，提供了一種增壓鍋爐鍋筒應力計算載荷的合理給定方法。進而利用ANSYS三維有限元計算軟件，對小型增壓鍋爐額定工況下鍋筒的應力進行了計算、分析與強度評定。
小型增壓鍋爐主要由鍋筒、水冷壁、下降管、對流蒸發(fā)管束、過熱器、經(jīng)濟器、燃燒器、爐墻、左右空氣夾層和保溫層等部件組成，其結構如圖1所示。
增壓鍋爐鍋筒在結構形式和換熱方式的特點導致其計算模型和熱載荷具有較高的復雜性。在結構形式上，大量的水冷壁、下降管、對流蒸發(fā)管束與鍋筒脹接而形成密排管束，導致管板相鄰管孔之間的距離小于不考慮孔排減弱的最小距離，從而使孔橋區(qū)域的應力疊加。因此，為了保證計算的正確性，不能采用簡單的鍋筒－單管模型，而必須建立完整的實體模型。在換熱方式方面，鍋筒外下壁部分區(qū)域受到火焰輻射和煙氣對流的作用，導致該區(qū)域外壁溫度高于內壁溫度，形成了徑向溫差。而在空氣夾層和保溫層區(qū)域，金屬筒壁被鍋筒內的水或水蒸氣加熱，熱量由內向外傳遞。因此，穩(wěn)態(tài)時鍋筒除內外壁溫差外，在圓周方向上也存在溫差。
考慮到上述鍋筒結構及換熱兩方面的特點，根據(jù)表1中小型增壓鍋爐鍋筒的結構尺寸建立了如圖2所示實體模型。建模時進行了一定程度上的簡化處理：(1)鍋筒筒體兩端與球形封頭連接處的應力水平比開孔接管區(qū)域要小很多，所以鍋筒模型中不考慮封頭；(2)不考慮管束在鍋筒內部的伸出部分，選取兩倍管束外徑的外部伸出長度；(3)將筒體與管束看做一個整體進行建模，并忽略兩者脹接后產生的殘余接觸應力；(4)忽略鍋筒自身及內部工質的重量。
鍋爐穩(wěn)態(tài)運行時鍋筒及與其連接的管束均受到內部介質和外部環(huán)境作用的機械載荷和熱載荷。本研究以實測數(shù)據(jù)為依據(jù)，確定了額定工況下鍋筒不同區(qū)域的計算載荷。此時鍋筒內飽和壓力為0.993MPa(絕壓)，飽和溫度為179.5℃。
鍋筒受到的機械載荷分為3個部分，即鍋筒和管束內壁受到的工質壓力，鍋筒和管束外壁受到的環(huán)境壓力，鍋筒兩端端面及接管管束端面的等效載荷。
對于筒壁和管壁受到的內外壓力，根據(jù)實際工況即可確定其數(shù)值大小。與內壁壓力相比，鍋筒和管束外壁受到的環(huán)境壓力的數(shù)值雖然偏小，但會對數(shù)值模擬的計算結果產生影響，因此不能忽略，而文獻中并沒有考慮這部分壓力，會導致應力計算結果偏大。
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