Мембранный экран парового котла
Владельцы патента RU 2668048:
Открытое акционерное общество "Таганрогский котлостроительный завод "Красный котельщик" (ОАО ТКЗ "Красный котельщик") (RU)
Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности - к конструкции паровых котлов. Технический результат заключается в повышении прочности и изгибной жесткости мембранных экранов и снижении напряжений, возникающих в этих экранах, а также уменьшении металлоемкости конструкции. Мембранный экран парового котла содержит параллельные трубы, соединенные с помощью перемычек-проставок или сваренных вместе боковых ребер-плавников. Перемычки между трубами снабжены дополнительными элементами плоского или фигурного сечения, присоединенными перпендикулярно осевой плоскости экрана и параллельно оси труб. Дополнительные элементы выполняются в виде пластин, перпендикулярных плоскости экрана, или фасонных профилей (Т-образных, с приваренным к пластине стержнем П-образного, U-образного или круглого сечения, трубой кольцевого или прямоугольного сечения или стержнем другого сечения). Дополнительные элементы привариваются к каждой перемычке трубного экрана, через один или несколько шагов перемычек в зависимости от изгибной жесткости экранов и расстояния между поясами жесткости. Дополнительные элементы, приваренные к перемычкам труб экрана, могут быть одновременно приварены и к креплениям поясов жесткости экранов. 9 з.п. ф-лы, 9 ил.
Изобретение относится к области энергетического машиностроения, в частности - к конструкции паровых котлов.
В настоящее время в прямоточных и барабанных паровых котлах стенки выполняются в виде мембранных трубных экранов, представляющих собой систему труб с перемычками (проставками) между ними. Для обеспечения прочности и жесткости экранов их снабжают горизонтальными поясами жесткости в виде балок, которые соединены с экранами с помощью элементов, позволяющих компенсировать температурные расширения экранов (Расчет и проектирование цельносварных экранов котельных агрегатов. - Л.: Энергия, 1975. - С. 229-231).
Известна конструкция мембранных экранов различных фирм, представляющая собой параллельные трубы, соединенные перемычками, формируемыми сваркой, соединенные с помощью плоских перемычек-проставок и сварных швов, а также трубы с боковыми ребрами - плавниками, соединенные сварными швами (Расчет и проектирование цельносварных экранов котельных агрегатов. - Л.: Энергия, 1975. - С. 22).
Недостатками данной конструкции являются низкая изгибная жесткость и прочность таких экранов. Низкая изгибная жесткость экранов приводит к большим прогибам экранов при аварийных ситуациях - прямой или обратный «хлопок» в топке котла, а также развитию высоких напряжений в трубах экранов и, соответственно, разрыву труб. Требуемая жесткость достигается за счет введения в конструкцию достаточно часто расположенных горизонтальных поясов жесткости, т.е. повышенной металлоемкости котла. Расстояние между поясами жесткости рассчитывают по известной методике (РТМ 108.031.108-78. Котлы стационарные паровые и водогрейные. Расчеты на прочность цельносварных газоплотных конструкций. - Л.: НПО ЦКТИ, 1985. - С. 55). Однако частая расстановка поясов приводит к резкому утяжелению конструкции, а, в ряде случаев, конструктивно выполнить рекомендованные расстояния между поясами не представляется возможным. В этом случае увеличивают расстояния между горизонтальными поясами жесткости и используют вертикальные пояса жесткости. Тогда возникает вероятность развития пластической деформации в экранах котла при развитии «хлопка» или аварийном разрежении в топке.
Также известна конструкция поверхности нагрева, содержащая трубы, расположенные в ряд, и выполненные с диаметрально противоположно направленными плавниками, каждый из которых скреплен с соответствующим плавником смежной трубы под углом относительно плавника смежной трубы (Авторское свидетельство СССР №1778441, МКИ F22B 37/10, опубл. 30.11.1992). Рекомендованный угол в соединении плавниковых труб находится в диапазоне 90°-180°. Такая конструкция экранов несколько повышает осевой момент инерции и момент сопротивления экрана изгибу. Повышение осевого момента инерции и момента сопротивления относительно этих же характеристик экрана с плавниками, соединенными в одной плоскости, колеблется от 0 (для угла 180°) до 7% (для углов близких к 90°). Это повышение недостаточно для существенного снижения металлоемкости конструкции котла.
Наиболее близкой к заявляемой является конструкция мембранных экранов с опорной системой из поясов жесткости с креплениями их к экранам, содержащая параллельные трубы, соединенные сварными перемычками непосредственно, с помощью плоских перемычек-проставок и сварных швов или с помощью боковых ребер - плавников и сварных швов, и опорную систему в виде поясов жесткости, расположенных поперек труб, и связанных с экранами креплениями, приваренными к экранам и допускающими относительное перемещение экрана и пояса при их разном температурном расширении (Расчет и проектирование цельносварных экранов котельных агрегатов. - Л.: Энергия, 1975. - С. 237).
Недостатками данной конструкции являются низкая изгибная жесткость и прочность таких экранов, а также недостаточное местное увеличение изгибной жесткости и прочности экранов в местах приварки деталей крепления поясов жесткости. В такой конструкции «хлопок» или аварийное разрежение в топке котла приводит к большим прогибам экранов и высоким напряжениям в трубах. Требуемая жесткость и прочность экранных труб достигается за счет частого расположения поясов жесткости, т.е. повышенной металлоемкости котла. Частое расположение поясов жесткости приводит к утяжелению котла, а нагрузка от веса поясов жесткости передается на экраны, повышая напряжения в трубах. Соответственно, возникает необходимость еще более частого расположения поясов жесткости.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение надежности и долговечности конструкции парового котла.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, состоит в повышении прочности и изгибной жесткости мембранных экранов и снижении напряжений, возникающих в этих экранах, а также в снижении металлоемкости конструкции.
Технический результат достигается тем, что мембранный экран парового котла включает параллельно расположенные трубы, соединенные с помощью перемычек-проставок или сваренных вместе боковых ребер-плавников, опорную систему в виде поясов жесткости, опорных элементов и их креплений, приваренных к мембранному экрану, которые допускают относительное его перемещение и отличается тем, что перемычки между трубами снабжены дополнительными элементами плоского или фигурного сечения, присоединенными к перемычкам перпендикулярно осевой плоскости экрана и параллельно оси труб. Жесткое соединение обеспечивается преимущественно приваркой дополнительных элементов к трубным перемычкам экрана. Дополнительные элементы выполняются в виде пластин, перпендикулярных плоскости экрана, или фасонных профилей (Т-образных, с приваренным к пластине стержнем П-образного или круглого сечения, трубой кольцевого или прямоугольного сечения или стержнем другого сечения).
Дополнительные элементы привариваются к каждой перемычке (проставке) трубного экрана, через один или несколько шагов перемычек в зависимости от требуемой изгибной жесткости и прочности экранов и расстояния между поясами жесткости.
Дополнительные элементы, приваренные к перемычкам труб экрана, могут быть одновременно приварены и к креплениям поясов жесткости экранов.
Сущность изобретения поясняется следующими чертежами:
на фиг. 1 изображено поперечное сечение части мембранного экрана с поясом жесткости и двумя креплениями его к экрану и дополнительные элементы, приваренными к перемычкам труб;
на фиг. 2 - часть сечения экрана с трубами, соединенными сварной перемычкой, и приваренным к ней элементом Т-образной формы;
на фиг. 3 - часть сечения экрана с трубами, соединенными с помощью плоских перемычек-проставок и сварных швов, и приваренным к проставке элементом с полкой П-образной формы;
на фиг. 4 - часть сечения экрана с трубами, соединенными с помощью плоских перемычек-проставок и сварных швов, и приваренным к проставке элементом с полкой U-образной формы;
на фиг. 5 - часть сечения экрана с трубами, соединенными с помощью плоских перемычек-проставок и сварных швов, и приваренным к проставке элементом с полкой круглой формы;
на фиг. 6 - часть сечения экрана с плавниковыми трубами, соединенными по плавникам сварными швами, и приваренным к плавнику элементом с полкой в виде трубы цилиндрической формы;
на фиг. 7 - часть сечения экрана с плавниковыми трубами, соединенными по плавникам сварными швами, и приваренным к плавнику элементом с полкой в виде трубы прямоугольного сечения;
на фиг. 8 - часть сечения мембранного экрана с поясом жесткости и двумя креплениями пояса к экрану и элементами, приваренными к перемычкам труб с шагом равным трем шагам труб;
на фиг. 9 - часть мембранного экрана с двумя креплениями к поясу жесткости, плоскими элементами, одни из которых приварены только к проставкам, а другие приварены к проставкам и к пластинам креплений пояса жесткости.
Мембранный экран 1, содержащий параллельные трубы 2 с перемычками 3, соединен с поясом жесткости 4 креплениями 5 (фиг. 1). К перемычкам 3 приварены элементы 6 в виде пластин, перпендикулярно перемычкам и плоскости экрана. Трубы могут быть соединены сварными перемычками 7, к которым приварены элементы Т-образной формы 8 (фиг. 2). Также перемычки между труб могут быть в виде плоских проставок 9, к которым приварены элементы, например, с полками П-образной формы 10 (фиг. 3), U-образной формы 11 (фиг. 4) или в виде пластин с приваренной полкой круглого сечения 12 (фиг. 5). При использовании труб с плавниками 13 сваренные плавники составляют перемычки, к которым привариваются дополнительные элементы, например, в виде пластин (полос) с приваренной полкой в виде цилиндрической трубы 14 (фиг. 6) или трубы прямоугольного сечения 15 (фиг. 7). Элементы могут быть приварены к перемычкам с разным шагом, например, равным трем шагам труб (фиг. 8). Элементы также могут быть приварены одновременно к проставкам и креплениям экрана к поясу жесткости - вариант такой конструкции показан на фиг. 9, где элементы 16 приварены к проставкам 9 экрана, а элементы 17 одновременно приварены к проставкам 9 и боковым пластинам 18 креплений 5 пояса жесткости 4.
При работе парового котла в мембранном экране 1, состоящего из параллельных труб 2, соединенных перемычками 3, в результате действия силовых и температурных факторов возникают внутренние напряжения, которые часто близки к допускаемым напряжениям экранов. Пояса жесткости 4 воспринимают поперечную нагрузку на мембранный экран 1 и ограничивают его изгиб. Добавление в конструкцию мембранного экрана рассматриваемых дополнительных элементов, приваренных к перемычкам труб экрана или одновременно приваренных и к креплениям поясов жесткости, позволяет повысить его прочность и изгибную жесткость.
Использование дополнительных элементов с приваренными полками, позволяет значительно увеличить изгибную жесткость и прочность мембранных экранов и снизить толщину требующейся теплоизоляции экранов по сравнению с вариантом укрепления экранов дополнительными элементами в виде пластин. Полки из стандартных профилей в виде полос, профиля круглого сечения, трубы круглого или прямоугольного сечения или швеллера наиболее просты в технологическом плане и позволяют обеспечить требуемую жесткость экранов при относительно малой высоте дополнительных элементов. Полки прямоугольной формы или формы в виде швеллера позволяют обеспечить несколько меньшую металлоемкость экранов по сравнению с полками круглого или трубчатого сечения при одинаковой высоте дополнительных элементов.
При перпендикулярном расположении дополнительных элементов в виде пластин или стенок дополнительных элементов с фигурным сечением по отношению к осевой плоскости экрана достигаются максимальные значения момента сопротивления и осевого момента инерции экрана, что обеспечивает его наибольшую изгибную прочность и жесткость. Технологически допускается отклонение от перпендикулярности на малый угол не более 5 градусов. Такое отклонение не влечет за собой значительного снижения изгибной прочности и жесткости.
Например, дополнительные элементы 8, приваренные к перемычкам 7 параллельных труб 2 позволяют повысить изгибную жесткость и прочность мембранного экрана 1 более чем на порядок. Для экранов из труб диаметром 32 мм и толщиной стенки 6 мм и с проставками толщиной 6 мм и шириной 18 мм, соответственно, с шагом труб 50 мм, при приварке с шагом 300 мм Т-образных дополнительных элементов со стенкой толщиной 6 мм и высотой 74 мм и полкой толщиной 12 мм и шириной 35 мм момент сопротивления изгибу для ребра (дополнительного элемента) возрастает относительно момент сопротивления изгибу экрана без ребер в 14 раз, момент сопротивления изгибу для трубы экрана возрастает в 39 раз, а осевой момент инерции экрана с ребрами возрастает в 64 раза. Для такого же экрана при шаге приварки 600 мм Т-образных дополнительных элементов со стенкой толщиной 6 мм и высотой 105 мм и полкой толщиной 12 мм и шириной 40 мм момент сопротивления изгибу для полки дополнительного элемента возрастает в 28 раз, момент сопротивления изгибу для трубы возрастает в 113 раз, а осевой момент инерции возрастает в 189 раз. Так как напряжения изгиба и прогибы экрана обратно пропорциональны, соответственно, моментам сопротивления и осевому моменту инерции, то во столько же раз, при прочих равных условиях, снижаются напряжения изгиба и прогибы. Растет и поперечное сечение экрана, что снижает напряжения растяжения от веса расположенных ниже частей котла.
Кроме того, дополнительные элементы экранов позволяют увеличить шаг поясов жесткости и уменьшить их сечение без снижения прочности и надежности экранов и котла в целом. Для описанных выше примеров упрочнения экранов масса экранов растет, соответственно, на 20,7 и 14,5 кг/м2, при этом масса поясов жесткости снижается от 200 до 80 кг/м2.
Таким образом, дополнительные элементы, приваренные к перемычкам мембранного экрана, позволяют уменьшить суммарные напряжения в трубах и снижают вес системы «мембранный экран - пояс жесткости», дополнительно снизив металлоемкость и вес опорных конструкций улучшив тем самым надежность конструкции и котла в целом. Использование варианта приварки дополнительных элементов к креплениям поясов жесткости (фиг. 9) еще более снижает металлоемкость конструкции, так как уменьшает длину привариваемых ребер и дополнительно уменьшают напряжения в экранах за счет снижения концентрации напряжений в перемычках у краев креплений поясов жесткости.
1. Мембранный экран парового котла, включающий параллельно расположенные трубы, соединенные с помощью перемычек-проставок или сваренных вместе боковых ребер-плавников, опорную систему в виде поясов жесткости, опорных элементов и их креплений, приваренных к мембранному экрану, которые допускают относительное его перемещение, отличающийся тем, что перемычки между трубами снабжены дополнительными элементами плоского или фигурного сечения, присоединенными к перемычкам перпендикулярно осевой плоскости экрана и параллельно оси труб.
2. Мембранный экран парового котла по п. 1, отличающийся тем, что дополнительные элементы выполнены в виде пластины.
3. Мембранный экран парового котла по п. 1, отличающийся тем, что дополнительные элементы выполнены в виде Т-образных профилей.
4. Мембранный экран парового котла по п. 1, отличающийся тем, что дополнительные элементы выполнены в виде пластины с полкой П-образного сечения.
5. Мембранный экран парового котла по п. 1, отличающийся тем, что дополнительные элементы выполнены в виде пластины с полкой U-образной формы.
6. Мембранный экран парового котла по п. 1, отличающийся тем, что дополнительные элементы выполнены в виде пластины с полкой круглого сечения.
7. Мембранный экран парового котла по п. 1, отличающийся тем, что дополнительные элементы выполнены в виде пластины с трубой круглого сечения.
8. Мембранный экран парового котла по п. 1, отличающийся тем, что дополнительные элементы выполнены в виде пластины с трубой прямоугольного сечения.
9. Мембранный экран парового котла по п. 1, отличающийся тем, что дополнительные элементы жестко присоединены к каждой перемычке трубного экрана либо через один шаг, либо через несколько шагов перемычек.
10. Мембранный экран парового котла по п. 1, отличающийся тем, что, по крайней мере, часть дополнительных элементов жестко присоединены к перемычкам труб и в то же время жестко присоединены к креплениям поясов жесткости к экранам.
