Analiza wytrzymałościowa pionowego kotła wodnego z wykorzystaniem MES

W urządzeniach ciśnieniowych pracujących w wymagających warunkach eksploatacyjnych nawet lokalne koncentracje naprężeń mogą prowadzić do przyspieszonego zużycia elementów, trudności montażowych lub uszkodzeń pojawiających się po latach eksploatacji. W takich przypadkach analizy numeryczne MES (Metoda Elementów Skończonych) pozwalają w takich przypadkach określić stan naprężeń w całej konstrukcji i wskazać obszary wymagające zmian projektowych — zanim problemy eskalują. 

Jednym z realizowanych projektów była analiza wytrzymałościowa pionowego kotła wodnego o mocy 12,8 MW, w którym gorące spaliny przepływają przez płomienicę oraz układ płomieniówek. Głównym celem obliczeń było sprawdzenie, czy obserwowane przez klienta problemy eksploatacyjne oraz trudności pojawiające się podczas podnoszenia i montażu urządzenia znajdują potwierdzenie w wynikach analiz MES. 

Zakres i metodologia

Obliczenia przeprowadzono zgodnie z normami EN 12953-3 oraz PN-EN 13445-3. Zakres analiz obejmował pracę kotła pod ciśnieniem roboczym oraz operacje podnoszenia i montażu — dwa scenariusze obciążeń, które generują zasadniczo różne rozkłady naprężeń.

Model numeryczny przygotowano w ANSYS Mechanical i SpaceClaim. Ze względu na geometrię urządzenia zdecydowano się na model powłokowy (shell) dla połowy kotła z warunkiem symetrii, co skróciło czas obliczeń bez utraty dokładności wyników. Wymagało to częściowej rekonstrukcji geometrii na potrzeby modelu. W modelu uwzględniono ciśnienie robocze, parcie hydrostatyczne, wpływ temperatury na właściwości materiałowe i sztywność wybranych elementów oraz przyspieszenia podczas podnoszenia.

 Wyniki analizy w warunkach pracy 

W analizie warunków eksploatacyjnych uzyskane mapy naprężeń wskazały miejsca koncentracji w płomieniówkach, kotwach płaskich, kotwach okrągłych mocujących płomienicę, dennicach oraz w połączeniach wybranych elementów. Lokalizacje te pokrywały się z obszarami, które klient wcześniej wskazywał jako potencjalnie problematyczne.

Obliczenia wykazały też wpływ elementów usztywniających na lokalne koncentracje naprężeń — ich geometria i rozmieszczenie wpływają na rozkład obciążeń w sposób, który klasyczne podejście obliczeniowe nie rejestruje z wystarczającą dokładnością.

Analiza podnoszenia i montażu 

Drugi etap dotyczył zachowania kotła podczas operacji montażowych. Uwzględniono przyspieszenia wynikające z procesu podnoszenia, warunki podparcia oraz masę własną konstrukcji. Obliczenia pozwoliły zidentyfikować obszary najbardziej narażone na przeciążenia i porównać ich zachowanie z wynikami analizy eksploatacyjnej. Na tej podstawie określono, które elementy wymagają dodatkowego usztywnienia.

Wyniki i rekomendacje

Analiza potwierdziła koncentracje naprężeń w miejscach wskazywanych przez klienta, dostarczyła numerycznych podstaw do oceny stanu konstrukcji i wskazała kierunki modyfikacji elementów usztywniających. Klient otrzymał dane, które pozwalają zaplanować zakres ewentualnej modernizacji bez działania „na wyczucie”.

W urządzeniach ciśnieniowych — narażonych na zmęczenie materiału, odkształcenia podczas transportu i lokalne przeciążenia wynikające z geometrii — klasyczne obliczenia analityczne często nie oddają rzeczywistego rozkładu naprężeń. Modele MES obejmują całą konstrukcję i pozwalają wykryć miejsca krytyczne, zanim doprowadzą do kosztownej awarii lub konieczności wyłączenia urządzenia z eksploatacji.