新型水火管锅壳锅炉应力应变测试实验

为了确保锅炉的安全运行，在设计过程中，应确保受压元件具有足够的强度，即在载荷作用下，于设计期限内不失效。从应力分析的角度判断锅炉受压元件的强度，主要是验证元件在载荷作用下产生的应力是否低于安全限制值。锅炉承压本体由各种不同形状的受压元件组成，各承压点的应力种类和应力值差别很大：在元件上未受到结构不连续影响的区域，属于低应力区，只存在一次应力，当量应力值应低于许用应力；在结构不连续区域，可能产生较高的应力，但由于影响范围小或具有自限性，所以当量应力的安全限制值可提高为许用应力的1.5倍或3倍。

高应力区属于强度减弱区域，在锅炉的设计、制造和检验等各环节，需要进行重点控制，以确保锅炉的整体安全性。可通过公式推导、应力分析和应力测试等途径确定锅炉高应力区。对于形状不规则的复杂元件，通常很难用公式法计算应力，而应力分析法和应力测试法是获得元件应力的有效方法。

本文通过对新型水火管锅壳锅炉的不同承压区域进行应力应变测试，找出高应力区，为锅炉制造和检验的重点控制提供参考。

测试件介绍

分析、测试选取的锅炉型号为WD。该型锅炉的受压元件主要由锅壳、烟管、水冷壁管、集箱和下降管组成。锅壳筒体和拱型管板采用Q245R钢板，烟管、水冷壁及集箱等管材采用20锅炉钢管。锅壳内径1800mm，壁厚16mm。在设计壁温下，材料的许用应力均为117MPa，弹性模量为2*10⁵MPa，泊松比为0.3。

测点的选取

根据上述应力分析结果，选取当量应力zui高点作为测试点。测点位置如下：

1. 拱形管板下拱区的人孔上方边缘角焊缝与管板对称轴面的交点设为测点1。贴片方向分别为环向和径向。

2. 主蒸汽管根部角焊缝与筒体顶端轮廓线的交点设为测点2，贴片方向分别为环向和轴向。

3. 选取下降管根部角焊缝与集箱顶部轮廓线的交点为测点3，贴片方向分别为环向和轴向。

另外，在筒体纵、环焊缝处各选一点作为测点4、5，贴片方向分别为环向和轴向。

作为参考点，在筒体未减弱区域选取一点测量其一次应力，设为测点6，贴片方向分别为环向和轴向。

应力测试方法

采用静态电阻应力应变测试方法，基本原理是将电阻应变片粘贴在被测构件表面某点处的一定方向上，利用电阻应变仪测量出构件受力后电阻应变片的阻值变化，然后经换算及计算后得出该处的应力大小。

仪器使用聚航科技生产的JHYC静态应变仪，仪器模块化设计，软件式操作，数据实时保存，可自动生成报表，精度高，测量结果准确。

测试采用两向应变片，沿设定位置外表面的两个方向粘贴，测得的就是两向主应变。

应力测试结果

锅炉设计压力为1.25MPa，应力测试在水压试验时进行，记录试验过程中应力变化情况。每隔0.5s记录一组数据，一次连续记录600组数据，取平均值。当试验压力为额定设计压力1.25MPa时，测得单向应力值为表1.

表1 各测点单向应力

测点6处于筒体未减弱区域，为了直观显示其他各点与该测点数值关系，绘制单向zui大应力对比曲线图，图中可知，测点1、2均有一项应力值明显高于筒体未减弱区域的同向应力。

图1 各测点单向zui大测试应力对比图

结论

通过应力测试找出了水火管锅炉本体结构中的几类应力较高区域，即强度薄弱点。一般情况下，开孔尺寸大，不同形状元件相连接、元件本身形状不规则或形状复杂的区域，元件强度易受到削弱。为了确保此类区域在将来的运行中不会出现安全问题，应将其列入制造、检验中的重要控制点，并严格工艺要求。