封头是火筒加热炉筒体上的重要部件。封头设计时,需按照相应的国家标准进行强度计算。由于结构需要,常要求在大直径封头上开设一个或几个大孔,如油田大功率火筒加热炉的锅壳封头上需开四个大孔的,其大孔直径最大达Φ824mm。这样的封头已无法用现行的强度计算标准对其进行设计计算了。为满足生产需要,本文采用电阻应变测量技术,对火筒加热炉大开孔封头进行应力应变测试试验,得出应力应变分布规律,确定该封头的允许工作压力。
大开孔封头结构及仪器
该封头是一标准旋转椭球面,其中心截面是一椭圆(长轴=1500mm,短轴=750mm),考虑到封头的刚度,在封头上焊接十字加强筋板,平分四个中心对称的大孔,孔内焊有 Φ824mm*12mm圆管,封头及筋板壁厚均为δ=12mm,材料均为20g。
仪器采用聚航科技JHYC静态应变测试系统,模块化设计,软件式操作,测试数据实时显示、实时保存、自动生成报告。测试导线用四芯屏蔽电缆,应变片用45°箔式应变花,粘贴剂用502胶水。
应力应变测试方案
测试目的:测量大开孔封头应变应力分布,获得封头允许工作压力。
测试布置:测点1-23沿十字加强筋方向分布在折线上,测点24在封头圆心处,测点25-30、31-36、37-42、43-48分别在不同直径的圆周上。
测试过程:用砂纸打磨待测部位,用钢板尺划线定出各测点的位置,用苯酮擦洗测点,按划线位置和方位要求贴片,用胶布做绝缘,线号和点号一一对应,应变仪机箱上测量通道号和测点线号一一对应,用焊锡焊好各节点,打开主机,扫描各通道,找出有问题的测点,分析原因及时处理,各测点全部正常后准备升压测试。
按0-0.205MPa-0.35MPa-0.51MPa-0.69MPa-0.72MPa-0.83MPa升压方案升压、保压、测试、记录,测试记录采用电脑数据采集和记录。
测试结果及分析
封头应变和应力的分布规律如图1-6所示;
从上图可知,折线处应变和应力均低于开孔附近圆周处的应变和应力,并且随着封头内压力的升高,应变和应力明显增大。对于相同压力,靠近开孔最近的圆周测点25-30发生的应变最大,承受的应力也最大。当压力为0.5MPa时,大孔与封头边缘间超规范区部位30点应力最大,达到123.53MPa,但没有超过材料的许用应力(【σ】=125MPa)。对应最大应变为0.46mm,变形不大。当压力超过0.51-0.83MPa时,圆周上一些测点的应力将超过许用应力,但没有超过材料的屈服极限σs=225MPa;最大变形可达到0.757mm。因此,封头允许工作压力为0.51MPa。
综上所述,距大开孔最近的圆周上承受较大应力,产生较大应变;在允许工作压力以内没有危险点出现,可以安全工作。十字加强筋附近测点应变和应力较小,说明十字加强筋不仅增加了封头的刚度,而且起到了一定的加强作用。
总结
1. 封头允许工作压力为0.51MPa。
2. 大开孔边缘圆周处当量应力较大,一般在大孔与封头边缘间靠近大孔处达到最大值。
3. 超过允许工作压力时,当量应力很容易超过材料的许用应力;在0.83MPa以内不超过材料的屈服极限。
4. 电阻应变测量技术可用于大开孔封头应力应变测试研究。
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