烟气轮机平台板螺栓孔口开裂成因分析及加强筋布置的优化

论文总字数：22004字

摘 要

烟气轮机是炼油厂回收能量的重要组件，而烟气轮机底部平台的裂纹会对烟气轮机的正常使用产生影响。本文对于某大型烟气轮机底板螺栓孔口的开裂成因进行了分析探讨，并进行了加强筋的优化布置研究。

首先利用商用软件ABAQUS对烟气轮机平台进行有限元建模，通过研究荷载作用下底板螺孔处的应力分布验证裂纹的产生原因。结果显示，通过应力分析模拟得到的裂纹与实际的裂纹分布一致。然后，在不完全改变平台基础设计的前提下，应用ABAQUS改变加强筋的布置方式，建立新的模型。以应力大小作为优化目标，以加强筋的截面面积、加强筋的间距以及环向纵向的数量作为优化参数，对模型加强筋进行优化布置研究。结果表明，增大加强筋的横截面积可以降低最大切应力，但是效果并不是特别明显；将加强筋的位置向顶部移动，有助于减小局部的高切应力；环向加强筋的数量对最大切应力的影响是比较微小的；而对于轴向加强筋，它越往应力集中区域分布，减少局部切应力效果越明显。本文的研究结果对于烟气轮机的改造加固具有一定的参考价值。

关键词：裂纹、拉应力、加强筋、钢筋混凝土板

ABSTRACT

As an important component of energy recovery in the refinery ,the research of flue gas turbine is not only beneficial to the production of refineries, but also important for the road of sustainable development.

First, we used ABAQUS to perform 3D modeling, and applied load, and the cause of the crack is verified by studying the stress distribution of the bottom hole under the load. And the results show that the main cause of the crack is the tensile stress around the screw hole.

Then, under the premise of not changing the basic design of the platform, applying ABAQUS to change the arrangement of the ribs and establish a new model. Taking the size of the stress as the optimization target, and change the area of the stiffened ribs, the spacing of the ribs and the number of the circumferential longitudinals to research on optimizing arrangement of model reinforcement. The results show that increasing the cross-sectional area of the ribs can reduce the maximum shear stress, but the effect is not particularly obvious. Moving the position of the ribs to the top helps to reduce the local high shear stress. The effect of the maximum shear stress is relatively small, and for the axial reinforcement, it is more concentrated to the stress distribution area, reducing the local shear stress effect is more obvious. At last, the results of this text have some reference value for the reconstruction of flue gas turbine.

KEY WORDS: Crack, tensile stress, reinforcing bar , reinforced concrete slab.

目 录

摘要…………………………………………………………………………………Ⅰ

Abstract………………………………………………………………………………Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1选题背景和意义 1

1.2混凝土开裂原因 1

1.3裂缝处理措施 3

1.4加强筋作用及拓扑优化理论 4

1.5本文的研究内容 5

第二章 孔口裂纹成因分析中的相关理论以及拓扑优化理论 7

2.1有限元基本原理 7

2.2势能极小原理 9

2.3拓扑优化理论 10

2.4本章小结 11

第三章 平台底板螺栓孔口开裂成因与应力分析 12

3.1大型烟气轮机平台实况 12

3.2烟气轮机平台底板有限元分析模型 14

3.3平台底板螺栓孔口应力分析 16

3.4本章小结 19

第四章 平台底板螺栓孔口螺栓加强筋布置的优化 21

4.1平台底板螺栓孔口加强筋布置方案设计 21

4.2加强筋的截面面积影响 22

4.3加强筋间距离影响 24

4.4环向与纵向加强筋数量影响 26

4.5本章小结 27

第五章 结论与展望 29

5.1结论 29

5.2展望 29

参考文献…………………………………………………………………………… 31

致谢………………………………………………………………………………… 32

第一章 绪论

1.1 选题背景和意义

烟气轮机是炼油厂中常见的设备，它的主要功能是通过烟气收集发散出去的热量，达到能源循环利用的目的。我国的第一台烟气轮机是在1974年研制的，并且在1981年我国独立研制双级烟气轮机获得成功，使得烟气轮机在实际石油提炼领域中得到了广泛地使用。

类似于现在的火力发电原理，烟气轮机收集分解石油所产生的高温热量，然后将其转化为可用的能源储存起来，然后运用于其他方面，以避免浪费能源，但是烟气轮机目前还是只能应用于炼油厂，应用范围较小。

在实际某台大型烟机运行过程中，板底螺栓孔洞处出现混凝土裂纹，并在烟机运行中传递给平台板的震动持续作用下，导致裂缝不断延伸，这种现象可能会减少烟气轮机的使用寿命，甚至影响它的正常使用。

一般情况下，混凝土开裂是一种无法规避的自然病害，但是在混凝土出现裂纹后，如果及时使用一些方法进行弥补，一般都不会发生重大事故。但是这并不代表研究裂缝就失去了意义，因为裂缝的出现不仅使得房屋不再美观，也会影响房屋的正常居住，而且过大的裂纹会削弱房屋结构整体抵抗变形和断裂的能力，减少建筑的可居住年限。Vecchio等提出开裂钢筋混凝土受压相对于单轴受压混凝土，具有极低的强度和刚度[^[1]]。因此类似的，对于大型烟轮机底板出现的裂纹，我们也必须控制其大小，以增加烟轮机的耐久性，延长其使用寿命。

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