浅论CAD、CAE类软件在WNS型锅炉结构设计中的有效应用

The simple application of CAD、CAE software in boiler of WNS style in structure design

摘要：规则的、对称的锅炉、管板结构，在烟气循环、水循环，乃至承受锅筒内流动水介质一定工作压力时，不可避免地产生局部应力集中现象，而由此产生的应力腐蚀现象，在此类常规结构的锅炉中，更是普遍现象。利用当前先进的工业类CAD（计算机辅助设计）、CAE（计算机辅助分析）软件Dassault Catia、PTC ProE，从锅炉简单的造型设计，到锅炉数字机Von mises应力分析等过程，均比在耗费较大人力、物力、财力制造出试验机型之前，更加讯时、有效地处理好常规结构锅炉在实际应用当中出现的多数问题。

关键词：常规 造型设计 应力分析 讯时 有效

我单位检验工作人员，在修理监督检验一台WNS3.5-0.7/110/95-Q型锅炉管板裂纹时，发现诸多常见问题：该设备正常工作压力仅为0.4Mpa，进口水温、出口水温均略低设计值；锅筒内水介质未进行严格水处理工艺，导致垢渣堆积、结垢情况产生；司炉人员各项操作亦符合操作规程要求。该设备为常规结构设计：锅筒公称直径1500mm，由厚度10mm的Q245号钢板卷焊制造；炉胆为阻燃型波纹结构，中心轴线与锅筒轴线平行组焊；两侧管板近似平板，与锅筒对焊；烟管中心轴线水平排列，与管板胀焊。

该型类结构锅炉，造型设计简单：锅筒、炉胆中心轴线均为无坡度水平放置，两端垂直对齐；平板管板便于冲压制造，与锅筒、炉胆组焊仅受水平方位限制。烟管取材方便，与两侧管板胀焊，两端深处段不用做形状处理。因此工业平面CAD软件可有效设计、出图处理该型类设备，为大多数锅炉制造厂家常用。其结构图见下图

上图为WNS型常规结构锅炉，造型简单，采用简单的工业类CAD软件AutoCAD、CAXA即可设计出图。下图为其Von mises应力分析图，锅筒内壁受压1.0Mpa，图中右侧颜色带为其应力分布区。

依据上图，常规结构锅炉虽然设计简单、取材加工、组焊制造方便，但本身结构在实际应用中，如烟气流程、水循环及应力集中分布情况，存在诸多不利因素：燃烧介质在炉胆内喷射燃烧，产生的高温热量在炉胆内热传递于锅筒内水介质。由于炉胆水平放置，喷射的热能很大一部分会直接喷射集中于后管板回燃室，而不是经炉胆有效热传导；该热量虽于回燃室区集中，但不会经由附着保温材料的后管板热传导，而是通过锅筒内水平排列的烟管，集于前烟箱，由引风装置排于大气。对于此烟气流程，平板结构的回烟室后管板及水平布置的烟管，未能有效引导高温、高速烟气的回转流程，不可避免地承受高温烟气的直接冲刷；更在于管板耐火材料的附着能力差，若耐火材料脱落，该处管板水侧应力较为集中，很容易造成该处管端、管桥区金属疲劳、应力腐蚀的发生，本检验案例及常见管端裂纹即为此类特性。

依据上述问题及烟气流程原理，规则的、对称的锅炉、管板结构，在烟气循环、水循环，乃至承受锅筒内流动水介质一定工作压力时，不可避免地产生局部应力集中现象，而由此产生的应力腐蚀现象，在此类常规结构的锅炉中，更是普遍现象。利用当前先进的工业类CAD（计算机辅助设计）、CAE（计算机辅助分析）软件Dassault Catia、PTC ProE，从锅炉简单的造型设计，到锅炉数字机Von mises应力分析等过程，均比在耗费较大人力、物力、财力制造出试验机型之前，更加讯时、有效地处理好常规结构锅炉在实际应用当中出现的多数问题。

降低炉胆走向，并缩小其烟气出口口径，不仅相对增大了炉胆热传导面积，避免燃烧介质直接高温喷射出炉胆，使更多的燃烧热量在炉胆内热传导，更降低了高温烟气冲刷速度，抑制了高温烟气对管板的冲刷；

改变下两排烟管水平放置布局，回燃室管板处降低相对其开孔高度，顺应了烟气流程，避免了高温冲刷；锅筒内烟管段长度相对增加，加大了烟气热传导面积。

非规则、非对称的管板在炉胆口处内凹，烟管在管板处的均匀开孔布局结构，不仅适应加热上升的水介质在锅筒管板处循环，更巧妙处理了管板应力集中情况，降低了金属疲劳、应力腐蚀几率。下图为该结构锅炉管板应力分散情况进行的分析，较规则管板结构，应力集中进行了分散处理。

通过CATIA软件简单的改变管板造型、建立炉胆、烟管非中心轴线平行布局，并简单有效地VON MISES应力分析，设计人员不仅可对数字样机结构做简单的应力布局，避免应力集中，更可在烟气流程、水循环方面选择折中的结构造型，以此避免高温烟气冲刷、水循环不畅带来的金属疲劳、应力腐蚀等应用问题。

参考文献：

[1]《热水锅炉安全技术监察规程》（97修订版）

[2]GB/T 16508-1996 锅壳锅炉受压组件强度计算

[3]TSG G0001-2012 锅炉安全技术监察规程

[4]Dassault Systemes CATIA