МЕМБРАННЫЙ ЭКРАН ПАРОВОГО КОТЛА
MEMBRANE SCREEN OF STEAM BOILER

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.
2
2
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/м, при этом масса поясов жесткости снижается от 200 до 80 кг/м.
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.