前苏联TΠ-170-2型锅炉汽包更换强度校核计算

代淑香

(黑龙江华电能源富拉尔基发电厂,黑龙江 齐齐哈尔 161041)



前苏联TΠ-170-2型锅炉汽包更换强度校核计算

代淑香

(黑龙江华电能源富拉尔基发电厂,黑龙江 齐齐哈尔 161041)

针对富拉尔基发电厂1号锅炉汽包吊装存在的厂房内空间狭小、汽包无法直接吊运、无升降口等问题,笔者根据该厂设计图纸及实际勘察,选择了吊装路径和吊装方案,校核计算了吊装中锅炉主要承重钢梁螺栓及新汽包吊耳强度应力,对强度校核计算不合格的锅炉部件采取了相应的补强改造措施。实践证明,母管式运行机组采用该种吊装路径、吊装程序和重点部件强度核算方法,能够保证老式小机组汽包安全更换,满足了吊装中材料强度要求。

前苏联生产的TΠ-170-2锅炉汽包吊装;强度核算;补强改造;吊装程序

富拉尔基发电厂1号锅炉为前苏联生产的TΠ-170-2型锅炉,目前该炉汽包内部件老化损坏严重,饱和蒸汽水质水量不合格,造成水系统结垢、汽轮机侧汽蚀,严重影响机组安全经济运行[1]。本文通过更换1号炉汽包工程实例,对更换汽包无法直接吊装的问题进行了分析,选择了相应的吊装路径及方案,校核计算了吊装中关键部件的强度应力,对核算结果不合格的部件采取了补强措施,保证了机组满负荷安全运行。

1　汽包更换吊装方案选择

1号锅炉汽包更换需要整体吊装,正常情况下应在1号炉直接吊到原汽包位置就位,因为该热电厂8炉9机采用母管式运行,1号炉无升降口,所以将2号3号炉之间作为升降口[2]。将1号锅炉汽包从0 m地面经2号3号炉之间的升降口,由QD-30桥式吊钩、HSZ-10t手拉葫芦合力使汽包在空中倾斜通过升降口吊至8 m平台。由于8 m平台以上存在锅炉设备、管道及辅机系统,没有直走路线，因此有两种起吊方式可供选择[3],一种起吊方式是用双钩吊汽包到就位平面,旋转90°就位;另一种起吊方式是在8 m运转层地面处用30 t钓钩单钩吊到支座处直接就位。经过综合分析,前一种起吊方式复杂、费用高,除要在汽包就位平面搭建旋转平台外,还要拆除和恢复更多的固定设施,操作复杂且部分特殊设施难以恢复,不宜采用。后一种起吊方式较之经济、简便,需要拆除和恢复的设施少。但是,8 m地面锅炉主要承重钢梁能否支撑汽包重量,需要对相应关键部件进行强度核算,这是后一种起吊方式得以采用的关键。

2　锅炉主要承重钢梁、螺栓强度校核

锅炉主要承重钢梁42号梁强度核算对汽包更换吊装完成具有重要意义。汽包吊到8 m平台,停放位置距汽包乙侧支座跨距1400 mm,大部分重量落到42号钢梁,下面重点对42号梁的强度进行分析计算[4]。

2.142号梁受力分析

当汽包落到8 m平台后,汽包及其内部装置总重G=26 634.8 kg(汽包重25 280 kg,汽水分离装置重1354.8 kg)。其重量由相距8500 mm两支座支撑,每个支座受力如图1所示。

图1　42号支撑钢梁受力图

P1=1.1G/2=143 560.2 N,此力由支座两支撑分别传到41号、42号梁上。42号梁受力为P=2×P1/L×915/1615=81 340 N

2.242号钢梁强度校核计算

42号钢梁受力P=81 340 N,42号梁全长L=7790 mm,受力P距A端距离a=1820 mm,受力P距B端距离b=5970 mm,水泥地面均布载荷q=531 748 Pa,钢梁扭转截面系数Wx=1.43×10-3m3,钢梁基本许用应力[σ]=156.8 MPa。

2.2.142号钢梁C截面下表面拉应力

42号梁C截面是梁承受的最大弯矩,此截面是梁的最危险点。

需计算σc=MC/Wx,如σc<[σ], 则合格。

MC为42号钢梁C点弯矩,其计算为

MC=abP/L+abq/2-a2bP/L2-(2ab3P-

ab2LP)/L3-qL2/12=42.62×103,N·m

σc=MC/Wx=29.792 MPa

可见σc≪[σ],合格。

2.2.242号钢梁A端连接

42号钢梁A端弯矩为

MA=-qL2/12-a2bP/L2=-53.4×103N·M

42号钢梁A端支座反力为

RA=qL/2+Pa/L+abP/L2-2ab2P/L3=31 957.8 N

2.2.342号钢梁B端强度

42号钢梁B端弯矩为

MB=-qL2/12-ab2P/L2=-11.3876×104N·M

42号钢梁B端支座反力为

RB=qL/2+Pa/L-abP/L2+2ab2P/L3=90 806.8 N2.342号钢梁A、B两端连接的螺栓强度校核计算

2.3.142号钢梁A端连接的螺栓强度

42号钢梁在MA、RA两个力作用下,与钢柱连接的10个螺栓受拉(压)力和剪切力。同42号梁A端连接的5个螺栓受剪切力(两个剪切面)。设螺栓距中性轴距离分别为r=70 mm,2r=140 mm,螺栓力为Px、Py。螺栓基本许用应力[σ]=209.916 MPa。螺栓受剪切力的基本许用应力[τ]=189.92 MPa, 螺栓直径d=20 mm。

根据内力平衡条件[5]:

4(2rPx+Pxr)+4(2rPx+Pxr)=MA

则PX=MA/24r=31 781.4 N

Py=RA/(10+2×5)=1597.4 N

42号梁A端连接的5个受剪螺栓最大合力为

Q=(PX2+Py2)0.5=31 820.6 N

其安全裕度为

η=πd2/4[τ]/Q=1.87,τ≪[τ],强度合格。

42号梁A端钢柱连接的10个螺栓属拉伸与剪切联合作用时,其应力为

拉伸应力σx=PX/(πd2/4)=101.234 MPa

剪切应力τa=Py/(πd2/4)=5.096 MPa

当量应力为

σ=(σx2+3τx2)0.5=101.626 MPa

其安全裕度为

η=[σ]/σ=2.07,σ≪[σ],强度合格。

2.3.242号钢梁B端螺栓强度校核

42号钢梁在MB、RB上述两个力作用下,与钢柱连接的10个螺栓受拉(压)力和剪切力,同42号梁B端连接的5个螺栓受剪切力(两个剪切面)。设螺栓距中性轴距离分别为r=70 mm,2r=140 mm,螺栓力为Px、Py。螺栓基本许用应力[σ]=209.916 MPa,螺栓受剪切力的基本许用应力[τ]=189.92 MPa,螺栓直径d=20 mm。

那么,按内力平衡条件[5],有

4(2rPx+Pxr)+4(2rPx+Pxr)=MB

PX=MB/24r=67 786.6 N

Py=RB/(10+2×5)=4537.4 N

42号梁连接的5个受剪螺栓最大合力为

Q=(PX2+Py2)0.5=67 933.6 N

其安全裕度

η=πd2/4[τ]/Q=0.87, 螺栓τ≫[τ],强度不合格。

与钢柱连接的10个螺栓属拉伸与剪切联合作用,其应力为

拉伸应力σx=PX/(πd2/4)=215.894 MPa

剪切应力τb=Py/(πd2/4)=14.406 MPa

当量应力为

σ=(σx2+3τb2)0.5=217.364 MPa

其安全裕度为

η=[σ]/σ=0.96,σ>[σ],强度不合格。

2.4新汽包吊耳强度校核

新汽包的吊耳为305 mm×170 mm×46 mm,是沿汽包环向焊接的,水平起吊强度足够。在吊装新汽包时,穿过8 m平台吊装口,靠乙侧单吊耳垂直起吊,强度是否合格应进行分析,不合格要进行适当补强。将汽包吊起离开地面后,汽包的重心应与吊绳在一条垂直线内,如图2所示。汽包的重心至吊点距离L=4635 mm,吊点至汽包外壁距离h=180 mm,汽包外壁半径R=740 mm。

图2　汽包吊耳受力图

吊离地面后,汽包轴线与垂线夹角为：

β=arctg(R+h)/L=11.2°

汽包轴线与地面夹角为：α=90°-β=78.8°

2.4.1吊耳根部受力

汽包壳体重量G1=25 280 kg,分离装置重G2=1354.8 kg。

吊装系数f=1.1,则

吊耳根部受力G=f(G1+G2)=29 298 kg,F=G。

该力对吊耳根部产生一个使其上部受压、下部受拉的弯矩为

M=F·hcosβ=29 298×18.0×cos 11.2=

50 697.36 N·M

2.4.2吊耳截面积Ω和惯性矩J

吊耳宽H=170 mm, 厚度δ=46 mm,则

吊耳截面积Ω=H·δ=17.0×4.6=78.2 cm2

惯性矩J=H·δ3/12=138 cm4

2.4.3吊耳受的内应力

取y=0.5δ,则

正应力σ=M·y/J=517 320×2.3/138=844.956 MPa

剪应力τ=F/Ω=29 298/78.2=36.75 MPa

2.4.4强度校核

当量应力为

σd=(σ2+3τ2)0.5=(86222+3×3752)0.5=847.308 MPa

20号钢板常温下的许用应力[σ]=156.8 MPa,显然σd≫[σ],故强度不合格,需进行补强处理。

3　锅炉汽包吊运核算不合格项补强方法及应用

3.142号钢梁B端补强

通过上述计算分析,42号梁本身强度足够,A端(与85号梁相连的立柱连接端)连接结构也满足强度要求,唯独B端(与88号梁相连的立柱连接端)连接结构不能满足强度要求,为使新汽包安全吊运,该端必须进行补强。42号钢梁B端连接结构改造焊接补强如图3所示。

图3　42号钢梁B端连接结构改造焊接图

在图3中,用E5015φ3.2 mm焊条对角铁四周进行填角焊接,焊角高度不得小于10 mm,焊后经过厂方验收合格后,才可以进行汽包吊装工作。

3.2吊耳补强

3.2.1吊耳补强核算

从吊耳强度分析可知,剪应力对当量应力影响很小,可忽略不计,只要正应力满足强度要求即可。δ′为补强板尺寸,有

My/J≤[σ],y=0.5δ′

M·0.5δ′/(H·δ3/12)≤[σ]

δ′≥(6M/H·[σ])0.5=(6×517 320/17·

1600)0.5=107 mm

3.2.2乙侧吊耳补强焊接

汽包吊耳补强板设计图如图4所示。将补强板设计成在乙侧吊耳两侧贴补形式,按等强度理论,补强板应是有斜度的,用20号钢板加工成如图4所示结构,即宽为170 mm,高为140 mm的楔形件两块。先用J422φ3.2焊条,使焊接补强板与耳板相连。注意图4中10 mm部分暂不焊,当两个补强板均与耳板焊接后,这时耳板部位的汽包壁有一定的温度,借助该温度用万能303焊条把补强板与汽包焊接。同时将剩余的10 mm长补焊好。焊好后,用MT进行探伤,表面不得有裂纹和咬边。

图4　汽包吊耳补强板设计图

4　汽包吊装程序

在汽包吊装前,先进行模拟汽包吊装,即制造一个外形尺寸完全相同的模型汽包,根据模拟吊运中遇到问题及解决办法完善吊装方案,最后进行真实汽包吊装[6]。

4.1吊装准备

在新汽包向上吊装过程中,厂房内有些附属设备、部件及走梯平台限制了汽包上行空间,需要临时拆除。原则上在焊接或法兰处解列,对拆移的设备做好记录及连接划线,以备恢复。对割除的承重钢梁所承担的部分要设立临时支撑。对所有移动设备位置需设围栏、悬挂警示牌,夜间还需红灯警示。

1) 在8 m地面铺设汽包支承,即36号及86号钢梁上布置汽包支撑面。支撑地面铺输煤皮带和12 mm厚的钢板1 m×3.6 m各两块(防滑和增大接触面),工字钢搭接处用J422焊条焊固,并用10号槽钢与附近钢柱、横梁等相连牢固,防止支撑倾倒。

2) 在41号、42号钢梁上布置汽包支撑面。支撑地面铺输煤皮带和12 mm厚的钢板1 m×2.5 m两块(防滑和增大接触面),工字钢搭接处用J422焊条焊固,并用10号槽钢与附近钢柱、钢梁连上斜支撑,防止倾倒。

3) 将1台JJM—5卷扬机、两台HSZ-10t手拉链条葫芦安装就位。

4.2模拟汽包吊装方法及实际应用

按吊装方案步骤实际预演,记录有关监测数据(吊车梁挠度监测)。

1) 将模拟汽包运到6号炉,用卷扬机将汽包沿通道拖运至2号3号炉间吊装口处。

2) 模拟汽包吊耳位置与新汽包相同,安装封头保护装置。解开固定用手拉葫芦缓缓吊起,观察汽包及铁车的移动方向和距离。

3) 随汽包与水平面倾斜角度的增大,铁车逐渐向3号炉方向移动,当角度达到80.9°时,模拟汽包离开铁车。检查吊装口,吊钩找正垂直起吊,将模拟汽包吊过8 m地面1 m高[7]。

4) 在汽包正上方应没有妨碍垂直起吊设备、管路,如有割除。将模拟汽包下侧封头转90°,对准8 m地面西侧支撑,移动汽包,使夹具底板中心对准胶板十字中心,然后缓慢下落。当触到胶板后,吊钩再反向移动且慢慢下落0.2 m,落实不滑动后,停止下落。检查支座状态后继续缓慢下落,直至模拟汽包完全落实。

5)将模拟汽包呈水平状态,垂直缓慢起吊直至最高点,观察此时汽包能否旋转90°,最低点是否高于2号炉主蒸汽管和安全排气管道最高点[8]。将甲侧封头旋转90°,使模拟汽包纵向线与2号炉汽包纵向线平行。将模拟汽包吊至1号炉前,适当降低高度,查看就位有无障碍。

模拟就位后,将模拟汽包按上述程序逆向吊运到厂房外指定地点存放。

4.3旧汽包拆除和新汽包吊装就位

拆除旧汽包时,在拆除1号炉汽包的顶护板、保温及与其连接的管路后,测量原旧汽包的安装位置,按照切割线分三段切割拆除旧汽包。旧汽包支座需要拆除、加工、回装。

按照模拟吊装步骤对新汽包进行真实吊装,监测吊装数据及计算数据,数据分析结果表明真实吊装结果与模拟吊装符合。

5　结　论

1) 老式小机组锅炉汽包吊装中危险点主要是承重钢梁、螺栓及汽包吊耳,其强度核算不合格的需要采取补强改造措施。

2) 富拉尔基发电厂1号锅炉汽包吊装时选择的吊装路径和吊装方案实用合理,便于吊装,采用的锅炉承重钢梁的螺栓及新汽包吊耳强度核算方法正确,提出的补强措施与实际应用相符合,制造模型试吊为真实吊装安全可靠创造了必要条件。

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(责任编辑侯世春)

Calculation of drum replacement strength check for TΠ-170-2 boiler manufactured by the former Soviet Union

DAI Shuxiang

(Heilongjiang Huadian Energy Fulaerji Power Plant, QiqiHar 161041, China)

Aiming at the problems found in the factory for No.1 boiler drum hoisting in Fulaerji Power Plant, such as narrow space, failure in directly hoisting and no hatchway, the author selected the path and plan of hoisting according to the design drawing and reconnaissance of this plant, checked the strength stress of the bolt of main bearing beam and the new drum hoisting lug, and made the reinforcement and reconstruction of the unqualified boiler components. The practice proves that the strength check mentioned, for hoisting path, process and important components, adopted in main pipe unit, can guarantee the safe replacement of drum for old type units, which meets the requirements of material strength.

drum hoisting of TΠ-170-2 boiler manufactured by the former Soviet Union; strength check; reinforcement and reconstruction; hoisting process

2015-09-25;

2016-03-16。

代淑香(1963—),女,工程师,从事电厂动力设备检修工作。

TK223.1

A

2095-6843(2016)03-0253-04