КРЕПЛЕНИЕ ПОЯСА ЖЁСТКОСТИ К ЭКРАНУ КОТЛА

Полезная модель относится к области энергетического машиностроения и может быть использована в конструкциях паровых котлов.
В настоящее время в прямоточных и барабанных газоплотных паровых котлах стенки выполняются в виде мембранных трубных экранов, представляющих собой систему труб с перемычками (проставками) между ними и образующих газоплотную коробку котла. Для обеспечения прочности и жесткости мембранных экранов к ним крепятся пояса жесткости в виде балок или ферм. Основные крепления поясов жесткости к экранам располагают между самими экранами и поясами между концевыми участками поясов. Эти крепления передают усилия от экранов котла на пояса жесткости и от поясов жесткости на экраны котла, например, усилия от веса поясов. Крепления также обеспечивают компенсацию взаимных перемещений поясов и экранов при изменении температуры экранов в процессе эксплуатации, растопке и охлаждении котла.
Известна конструкция системы поясов жесткости с узлами крепления к мембранному экрану, включающая полосы, расположенные перпендикулярно трубам экранов и соединенные с ними с помощью скоб, приваренных к экранам, крепления поясов жесткости в виде пластин с прикрепленными к ним скобами, при этом пластины приварены к полосам, а полка пояса жесткости с одной стороны опирается на узкую грань пластины и с другой удерживается скобой крепления [US 5207184 A, МПК F22B 37/20, F22B 37/24, опубл. 04.05.1993]. Конструкция позволяет передавать усилия от экрана поясу жесткости и усилия от силы тяжести экрана и момента силы тяжести от пояса жесткости на крепление и далее на экран. Скобы, приваренные к экрану, позволяют перемещаться полосе относительно экрана и компенсировать разность температурных деформаций экрана и полосы при нагреве и охлаждении, а крепление пояса позволяет перемещаться поясу жесткости относительно крепления и компенсировать разность температурных деформаций полосы и пояса жесткости.
Недостатками данной конструкции являются ее относительная сложность, малая опорная поверхность узкой грани пластины крепления, что снижает ее надежность при «хлопке» в топке, низкая сопротивляемость пластины крепления усилию трения и моменту этой силы, которые возникают при взаимных перемещениях пояса жесткости и крепления при изменении режима работы котла.
Известна конструкция крепления пояса жесткости к мембранному экрану котла, включающая скобу, приваренную к экрану и имеющую отверстие на опорной поверхности, и болт с гайкой. Болт с гайкой соединяют скобу с полкой пояса жесткости, при этом в скобе выполнено круглое отверстие, а в полке пояса жесткости отверстие в виде паза продольного оси пояса [Патент KR 101687635, МПК F22B 37/20, F22B 37/24, опубл. 19.12.2016]. Конструкция проста в исполнении. Скоба имеет сечение в виде трапеции с достаточно длинной поверхностью контакта с полкой пояса жесткости, что обеспечивает достаточную надежность крепления при передаче нагрузки от экрана при «хлопке» газов в топочном пространстве котла. Продольный паз в полке пояса жесткости обеспечивает относительно свободное перемещение болта с гайкой при изменении относительного положения экрана и пояса при изменении теплового режима работы котла. Однако имеются недостатки, которые заключаются в малой площади контакта гайки крепления с поверхностью полки пояса жесткости, что значительно снижает прочность и надежность крепления при аварийном разрежении в топке котла, а также в длинной площадке контакта трапециевидной скобы с полкой пояса жесткости, что препятствует взаимному повороту скобы и полки пояса при изгибе последнего и вызывает дополнительные напряжения в скобе, экране и поясе жесткости. Кроме этого недостатком является наличие болтового соединения между креплением и полкой пояса жесткости, которое требует точного совмещения отверстий в креплении и поясе жесткости. Выполнить совмещение отверстий пояса и крепления в случае предварительной приварки креплений к экрану не представляется возможным, поэтому такие крепления можно приваривать только при монтаже котла, удерживая тяжелый и громоздкий пояс с креплениями навесу. Это усложняет монтаж котла и повышает его трудоемкость.
Другим недостатком является то, что для приварки к экрану котла скоба крепления должна быть выполнена с большой точностью, а пояс иметь очень жесткие допуски на отклонения от прямолинейной формы полок, т.к. иначе невозможно будет выполнить соединение поясов жесткости с их креплениями при монтаже котла.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому техническому решению является конструкция узла крепления пояса жесткости к экрану котла, содержащая две параллельные гребенки, жестко соединенные с экраном, скобу, расположенную между гребенками и приваренную к ним, при этом вершина скобы примыкает к внешней плоскости полки балки пояса жесткости по всей ширине скобы, две боковые пластины, приваренные к скобе с двух сторон и два Г-образных стержня, приваренные к боковым пластинам и охватывающие полку балки пояса жесткости с двух сторон. [Патент RU 185458 U1, МПК F22B 37/20, F22B 37/24, опубл. 05.12.2018]. Конструкция относительно проста в исполнении, позволяет обеспечить передачу нагрузки от экрана поясу жесткости, как при эксплуатационных, так и при аварийных режимах, обеспечивает относительную легкость монтажа поясов жесткости на экранах. Недостатком данной конструкции является то, что крепление не позволяет в достаточной степени уменьшить напряжения в экране котла под поясом жесткости и вблизи него, в зоне, где действуют наибольшие напряжения изгиба. Кроме того, не всегда целесообразно применять данное крепление, например, в случае котлов малой мощности с мембранными экранами, образованными трубами диаметром 60 и более миллиметров.
Технической проблемой является устранение указанных недостатков, присущих аналогам данного технического решения и создание более надежной конструкции котла.
Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, состоит в повышении надежности котла при сохранении простоты крепления и с одновременным снижением металлоемкости котла.
Указанный технический результат достигается за счет того, что крепление пояса жесткости к экрану котла содержит две параллельные прямоугольные пластины, жестко соединенные с экраном вдоль труб, скобу, расположенную между пластинами и приваренную к ним, при этом вершина скобы примыкает к внешней плоскости полки балки пояса жесткости по всей ширине скобы, две боковые пластины, приваренные к скобе с двух сторон и два Г-образных стержня, приваренные к боковым пластинам и охватывающие полку балки пояса жесткости с двух сторон.
Две параллельные прямоугольные пластины могут быть выполнены с уменьшением высоты к их краям.
Две параллельные прямоугольные пластины могут быть приварены непосредственно к трубам экрана, к проставкам между трубами экрана или к плавникам труб.
Скоба крепления может быть выполнена V-образной, U-образной или V-образной формы с плоской площадкой при вершине.
Г-образные стержни могут иметь прямоугольное или круглое сечение.
Предлагаемая конструкция поясняется следующими чертежами, где:
на фиг. 1 изображено крепление с частью пояса жесткости и экрана котла (общий вид), при этом параллельные пластины приварены к проставкам между трубами экрана;
на фиг. 2 - часть поперечного сечения экрана с соединением труб проставками и приварки пластины к проставке;
на фиг. 3 - часть поперечного сечения экрана с приваркой пластины к плавникам труб экрана в месте их сварного соединения;
на фиг. 4 - часть поперечного сечения экрана с приваркой пластины к одному из плавников двух труб экрана;
на фиг. 5 - приварка пластины к трубе экрана;
на фиг. 6 - крепление с параллельными пластинами, у которых высота уменьшается к их краям.
Крепление соединяет мембранный экран 1 котла и балку 2 пояса жесткости. К экрану 1 приварены две параллельные прямоугольные пластины 3, к которым в свою очередь приварена скоба 4. Скоба 4 может быть V-образной (фиг. 1) или U-образной формы с радиусом гиба равным половине расстояния между двумя параллельными пластинами 3. V-образная скоба 4 может быть выполнена с плоской площадкой при вершине. Вершина скобы 4 контактирует с внешней плоскостью полки 5 балки 2 пояса жесткости по всей ширине скобы. К скобе 4 приварены с двух сторон боковые пластины 6. К боковым пластинам 6 приварены два Г-образных стержня 7, охватывающие полку 5 балки 2 пояса жесткости с двух сторон. Г-образные стержни 7 могут иметь прямоугольное или круглое сечение. Две параллельные прямоугольные пластины 3 могут быть приварены к проставкам 8 между трубами 9 экрана 1 (фиг. 2), к плавникам 10 плавниковых труб 11 экрана 1 над швом между плавниками 10 (фиг. 3) или к одному из плавников 10 (фиг. 4), а также непосредственно к самим трубам 9 (фиг. 5) экрана 1. Прямоугольные пластины 3 могут быть выполнены с уменьшением высоты к их краям (фиг. 6).
Нагрузка от мембранного экрана 1 передается через крепление на балку 2 пояса жесткости. Крепление образует с экраном коробчатую конструкцию, обеспечивает геометрическое замыкание полки пояса жесткости и возможность относительного перемещения экрана и пояса жесткости при изменениях температурного режима котла.
Прямоугольные пластины 3 распределяют передаваемые усилия вдоль сварного шва между экраном и пластиной, что обеспечивает снижение напряжений в экране и в месте приварки пластин. Пластины 3 увеличивают осевой момент инерции экрана в месте расположения пояса жесткости и тем самым снижают напряжения изгиба экрана в зоне расположения пояса, при этом при необходимости длина пластин может быть увеличена для увеличения зоны снижения напряжений изгиба в экране (фиг. 6). Так как напряжения изгиба экрана снижаются по мере удаления от оси пояса жесткости, то высота пластин 3, то есть размер, перпендикулярный экрану, в местах, выступающих за длину скобы 4, может выполняться уменьшающейся по мере удаления от пояса жесткости 2 или скобы 4 (фиг. 6). Это позволяет снизить металлоемкость крепления без снижения его прочности и надежности, в тоже время снизить напряжения изгиба в экране котла и, соответственно, повысить его надежность. Кроме этого варьирование размерами пластин 3 - длиной, высотой и толщиной, позволяет до нужного уровня снизить напряжения изгиба в экране котла. Размеры пластин 3 крепления и, в первую очередь, их длина назначаются достаточной для обеспечения высокой прочности, жесткости и надежности крепления. Таким образом, обеспечивается высокая надежность конструкции крепления, как отдельного узла, так и котла в целом. Варианты приварки пластины 3 к экрану 1 мало влияют на напряженное состояние пластин 3 и экрана 1. Однако при промышленном производстве креплений скоба 4 выполняется гибкой в штампе, поэтому возможность варьирования мест приварки пластин 3 позволяет существенно сократить номенклатуру штампов для изготовления экранов с разной шириной проставок 8 или плавников 10 труб. Приварка пластин 3 к трубам 9 позволяет несколько уменьшить высоту пластин 3 по отношению к высоте пластин 3 при приварке их к проставкам 8 или плавникам 10 при одинаковой толщине теплоизоляции экрана 1, соответственно, уменьшить металлоемкость крепления.
Г-образные стержни 7 воспринимают силу тяжести пояса жесткости и усилия, вызываемые моментом силы тяжести пояса жесткости. Г-образные стержни 7 также имеют достаточно высокую прочность и жесткость при небольшой массе. Кроме этого, стержни 7 воспринимают усилия, вызванные разрежением в топке котла при эксплуатационных режимах, аварийном разрежении в топке котла, и передают их балке 2 пояса жесткости. Стержни 7 привариваются к креплениям во время монтажа котла с малым зазором по отношению к полке пояса жесткости и обеспечивают после приварки геометрическое замыкание полки пояса жесткости. Малый зазор обеспечивает возможность относительного перемещения экрана и пояса жесткости при изменениях температурного режима котла.
Усилия, вызванные избыточным давлением в топке котла при наддуве в эксплуатационных режимах и «хлопке» газов в топке котла, передаются поясу жесткости через контактную поверхность на вершине скобы 4 крепления. Контактная поверхность между полкой 5 балки 2 пояса жесткости и креплением захватывает всю ширину полки 5 балки 2 пояса жесткости, что обеспечивает относительно малые напряжения в контактной зоне, высокую нагрузочную способность крепления и его высокую надежность. Выбор формы скобы V-образной, U-образной или V-образной с плоской площадкой при вершине мало влияет на нагрузочную способность крепления в целом, но позволяет выбрать удобную технологию гибки скобы в зависимости от ее конкретной толщины и ширины, а также имеющегося на предприятии оборудования.
Введение в конструкцию параллельных пластин 3, привариваемых к экрану позволяет нивелировать неточности изготовления деталей крепления и компенсировать погрешности при сварке, снизить требования к допускам на длину и высоту пластин 3, допускам на размеры скобы 6 и допускам на изготовление экранов по их плоскостности, что снижает трудоемкость их изготовления, обеспечивает простоту сборки и сварки экранов с креплениями на предприятии и при монтаже котла на площадке строительства.
Крепление монтируется на экране в условиях производственного предприятия, и только Г-образные стержни привариваются в условиях монтажа котла. Это снижает трудоемкость производства и монтажа котла, повышает удобство и точность монтажа креплений, что в свою очередь повышает надежность котла.
Применение предложенной конструкции позволяет снизить металлоемкость креплений поясов жесткости в 1,7-4,2 раза и повысить надежность котла в целом. Например, по одному котлу типа 1111-1900-25,8-568/568КТ применение данной конструкции крепления поясов жесткости позволило снизить металлоемкость более чем на 24 тонны при увеличении несущей способности креплений в 2-3 раза.