《锅炉压力容器强度分析.》由会员分享，可在线阅读，更多相关《锅炉压力容器强度分析.（49页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、5锅炉压力容器强度设计本章重点:u掌握强度理论及强度条件u了解锅炉压力容器常用钢材u掌握常见受压元件强度计算方法u掌握壳体开孔补强措施5.1强度设计概述5.1.1受压元件的失效受压元件失去预定的工作能力，称元件失效。因强度不足引起的失效，称强度失效。元件破坏或破裂、断裂是典型的强度失效。另外因刚度不足引起的过量弹性变形或失稳坍塌，称为刚度失效或失稳失效。锅炉压力容器的失效主要是强度失效。5.1.2强度设计的任务（1）根据受压元件的载荷和工作条件，选用合适的材料；（2）确定受压元件的壁厚；（3）根据结构各处等强度的原则，进行结构强度设计（如焊缝布置，焊接接头，开孔布置等）；（4）对设备制造质量及
2、运行条件作出必要的规定。强度设计也称为强度计算，包括强度设计计算和校核计算。5.1.3强度理论及强度条件5.1.3.1强度理论强度理论也称为失效判据，是研究构件在不同应力状态下产生强度失效的共同原因的理论。5.1.3.2强度条件强度条件依据一定的强度理论建立的强度设计准则或失效控制条件，强度条件通常表达为：其中：依据一定的强度理论得到的当量应力，表示相应的强度理论；材料的许用应力。1）第一强度理论第一强度理论也称为最大主应力理论，这一理论认为：无论材料处于什么样的应力状态，只要发生脆性断裂，都是由于构件内的最大拉应力达到了极限值，即：其中，为三个主应力、中最大者。2）第二强度理论第二强度理论又
3、称为最大伸长线应变理论，因它是在最大主应力理论后提出来的，故称为第二强度理论，这一理论认为：最大伸长线应变是引起材料脆性破坏的因素，即不论应力状态如何复杂，只要构件内一处的最大伸长线应变达到材料在简单拉伸状态下的极限伸长值，材料即发生脆性断裂。3）第三强度理论第三强度理论又称为最大剪应力理论，该理论认为：无论材料处于什么应力状态，只要发生屈服失效，其共同原因都是因为构件内的最大剪应力达到极限值。该理论适用于塑性材料，与实验结果比较均合，我国及世界上除美国之外的多数国家均采用这一理论。4）第四强度理论第四强度理论又称为形状改变比能理论，它认为：形状改变比能是引起材料屈服破坏的因素，即不论应力状态
4、如何，主要构件内一处的形状改变比能达到材料在简单应力状态下的这一极限时，材料就会发生破坏。该理论适用于塑性材料，并与实验结果吻合较好，但由于比较复杂，故较少用。5.1.4强度控制准则1）弹性失效准则该准则也常称为极限应力法，它认为构件上应力最大点的当量应力达到材料的屈服点时，整个构件即丧失正常的工作能力（失效）。2）塑性失效准则该准则又称为极限载荷法，它认为，当应力沿截面分布不均匀时，一点的当量应力达到屈服点，整个结构并不失效，只有当整个截面上的当量应力均达到屈服点时，结构才算失效。显然弹性失效准则偏于安全和保守，我国锅炉强度控制采用塑性失效原则，一般压力容器强度控制采用弹性失效准则。5.1.
5、5安全系数抗拉强度极限；安全系数：nb屈服极限；安全系数：ns持久强度极限（高温）；安全系数：nD蠕变极限；安全系数：nn强度条件中的取，中的最小值。安全系数反映构件安全裕度，选定原则是：在保证安全的前提下尽量经济。我国锅炉压力容器强度设计采用的安全系数如下表所示。构件类别对常温下抗拉强度的安全系数nb对常温或工作温度下屈服点的安全系数ns对工作温度下持久强度的安全系数nD对工作温度下蠕变极限的安全系数nn锅壳锅炉部件2.71.5水管锅炉部件2.71.51.5碳素钢、低合金钢压力容器3.01.61.51.0高合金钢压力容器3.01.51.51.05.1.6强度计算标准由于锅炉压力容器潜在着一些
6、不安全的因素，因此必须有一些标准、规范来指导、规范压力容器的设计、制造、安装、检验、使用、维修、退役。我国锅炉压力容器常规的强度设计标准主要有三项：（1）GBT16508-1996锅壳锅炉受压元件强度计算；（2）GB9222-1998水管锅炉受压元件强度计算；（3）GB150-1998钢制压力容器。5.2锅炉压力容器钢材5.2.1钢材的基本知识5.2.1.1钢材的基本成分和组织1）构成钢的主要元素及其作用（1）基本元素指不可缺少的化学成分：Fe、C(C含量在0.022.06%为碳钢，2.06%为铸铁，含量d时，由弹性力学知：其中：为截面上某点离孔中心的距离。则Kt=3，随着距离的增加Kt迅速减
7、小。同理，由弹性力学知：孔边b点应力最大：，为压应力。dBaabb5.4.1.2双向拉伸平板开圆孔1）双向应力相等此时孔边最大应力为：故Kt=22）一向应力是另一向的12此时孔边最大应力为：故Kt=2.55.4.1.3单向拉伸平板开椭圆孔1）长轴与应力方向垂直时此时孔边最大应力为：故Kt=1+2ab在短轴两端处的应力则与圆形孔相同。2）长轴与应力方向平行时此时孔边最大应力为：故Kt=1+2ba在长轴两端处的应力则与圆形孔相同。abba5.4.1.4双向拉伸平板开椭圆孔1）双向应力相等时此时孔边最大应力为：故Kt=2ab2）一向为另一向的12，且长轴垂直于应力较大方向此时孔边最大应力为：故Kt=
8、0.5+2ab3）一向为另一向的12，且长轴平行于应力较大方向故Kt=ab-0.55.4.1.5圆筒上开圆孔的应力集中圆筒体上开设圆孔，如孔径不太大，在，孔边的最大平均周向应力为：则：对于一定内径Di、壁厚的筒体及一定的开孔直径d，存在一个确定的孔距t0：t0称为孔间互不影响的距离。5.4.2未加强单孔的最大允许直径圆筒体上未加强单孔的最大允许直径d可按下式计算：式中：有效壁厚，。壁厚富裕程度的系数，。注；锅炉筒体上未加强单孔孔径最大不超过200mm。5.4.3单孔补强5.4.3.1补强结构当圆筒上单孔的孔径大小d时，就应补强。补强有两种措施，其一是整体补强；其二是局部补强。显然整体补强是不合
9、理的。壳体开孔一般均采用局部补强。补强件常用的有补强圈、厚壁接管及锻件等。1）补强圈补强圈是使用最为广泛的结构形式，如下图所示。它具有结构简单、制造方便、原材料易解决、安全、可靠等优点。在一般用途、条件不苛刻的情况下，可采用补强圈结构。但是该结构必须同时满足以下三个条件：（1）钢材的标准抗拉强度b540MPa；（2）补强圈厚度小于或等于补强壳体开孔处名义厚度的1.5倍；（3）被补强壳体名义厚度小于或等于38mm。补强圈补强示意图2）厚壁接管厚壁接管补强是在开孔处焊接较厚的接管，如下图所示。由于接管的加厚部分正处于最大应力分布区域，故能有效地降低开孔周围的应力集中系数。厚壁接管结构简单、焊缝少，
10、焊接质量容易检验，是一种较为合理、理想的补强结构。GB150中规定：“若条件许可，推荐以厚壁接管代替补强圈进行补强。”厚壁接管3）整体锻件与前两种结构相比，整体锻件补强是最为合理和有效的补强结构，如下图所示。其优点是补强金属集中于开孔应力最大的部位，应力集中系数最小，且与壳体采用对接焊缝，使焊缝及其热影响区离开最大应力点的位置，故抗疲劳性能好。缺点是该结构锻件尺寸较大，成本高，制造难度大，与壳体的对接焊接要求也高。故整体锻件补强一般用于有严格要求的设备。整体锻件如有下列情况之一时，应采用整体锻件补强。（1）高强度（b540MPa）钢和铬钼钢制造的容器；（2）补强圈厚度超过补强壳体名义厚度的1.
11、5倍或超过max（碳钢为32mm，16MnR为30mm）的；（3）设计压力大于或等于4MPa；（4）设计温度大于350；（5）壳体名义厚度大于或等于38mm；（6）极度、高度危害介质的压力容器；（7）疲劳压力容器。5.4.3.2补强计算方法压力容器开孔补强的计算方法有多种，如等面积法、压力面积法等，这里主要介绍国际上工程设计中最常使用且为我国国家标准GB150所采用的等面积补强方法。1）补强准则等面积法就是壳体截面因开孔被削弱的承载面积，必须由补强材料予以等面积的补偿。其实质是指壳体截面因开孔丧失的强度，即被削弱的承载面积与壳体材料在设计温度下的许用应力的乘积，应由补强材料予以补偿。当补强材料
12、与被削弱壳体的材料相同时，则补强面积等于削弱的面积，故称为等面积法。2）有效补强范围壳体开孔后，在开孔边缘产生局部高应力。根据局部应力的分布衰减规律，在距开孔边缘较远处其应力便恢复到正常水平。补强材料应设置在开孔附近的高应力区域，即有效补强范围内。有效补强范围包括开孔壳体和接管两个部分：对锅炉：有效宽度：b=2di（di为厚壁接管内径）有效高度：当1di0.19时，取h1=2.51h1=2.5（为圆筒的厚度1为接管的厚度）中较小者；当1di0.19时，取h1=(di+1)10.5对压力容器：（1）开孔壳体上的有效补强范围，是以受拉伸开孔大平板孔边应力的衰减范围进行考虑的，即补强范围取2倍的开孔
13、直径；（2）接管上的有效补强范围，是以端部受均布载荷的圆柱壳的环向薄膜应力的衰减范围进行考虑的，补强范围取，为接管名义厚度。3）补强计算式由于开孔而减少的面积为A。补强面积包括：（1）焊缝面积A1；（2）接管多余面积A2；（3）有效补强范围内垫板的有效面积A3；（4）有效补强范围内筒体多余面积A4。则由等面积补强原则可知，补强面积应大于等于A，即：A1+A2+A3+A4A5.5锅炉压力容器结构设计要求5.4.1结构设计总体要求（1）避免形状突变，使其平滑过度；（2）能引起应力集中或削弱强度的结构应相互错开；（3）避免产生较大的焊接应力或附加应力的刚性焊接结构；（4）受热系统及部件的胀缩不要受限
14、制；（5）对锅炉受热系统，要保证适当的水位和可靠的水循环，合理调节过热蒸汽温度，使受热面得到可靠冷却。5.4.2对封头结构的要求（1）对于凸形封头最好采用椭球封头，并选用标准形式；（2）尽量少采用碟形封头；（3）无折边的球形封头只适用于直径较小，压力较低的容器；（4）锥形封头只在容器的生产工艺确需时才采用；（5）除锅炉集箱采用合理的平端盖外，平板角焊封头一般不宜用压力容器；（6）用多块扇形板组拼的凸形封头，必须具有中心圆板，且不小于封头直径的12。5.4.3对焊接接头的要求焊接接头的基本形式有三种，一是对接接头；二是搭接接头；三是角接接头。其中对接接头是最完善的结构形式，锅炉承压部件及压力容器
15、中大部分承压元件焊缝是对接接头，尽量避免角接接头及搭接接头。5.4.4对减弱环节的要求5.4.4.1对开设检查孔的要求（1）对于直径大于800mm的锅筒、容器都应在筒体或封头上开设人孔，椭圆形人孔的尺寸不应小于280mm380mm。（2）直径较小的容器应开设检查用的手孔，手孔短轴不得小于80mm。5.4.4.2开孔位置与尺寸要求（1）容器壳体（包括圆筒体与封头）上所开的孔一般应为圆形、椭圆形或长圆形。在壳体上开椭圆形或长圆形孔时，孔的长径与短径之比应不大于2。（2）在圆筒体上开椭圆形或长圆形孔时，为了减小开孔对筒体强度的削弱，孔的短径一般应设在筒体的轴向。（3）壳体上的所有开孔宜避开焊缝。胀接
16、管孔中心与焊缝边缘的距离应不小于0.8d（d为管孔直径），且不小于0.5d+12mm。锅炉集中下降管孔不得开在焊缝上。其他焊接管孔也应避免开在焊缝上及其热影响区。（4）在圆筒体上开孔，对于内径不大于1500mm的圆筒，最大孔径不应超过筒体内径的12，且不大于520mm；对于内径大于1500mm的圆筒，最大孔径不应超过筒体内径的13，且不大于1000mm；开孔之间应有一定距离，开孔过大、过密应按规定进行补强处理。（5）凸形封头或球形容器开孔，最大孔径应不大于壳体内直径的12；锥形封头的开孔最大直径应不大于孔中心处锥体内径的13；平端盖开孔时，中心孔的直径与端盖内直径之比不应大于0.8，平端盖上任意两孔的间距不得小于其中小孔的直径，孔边缘与平端盖边缘之间的距离不应小于平端盖厚度的2倍，孔不得开在内转角过渡圆弧上。5.4.4.3对焊缝的要求（1）焊缝不得十字交叉；（2）在承压部件主要焊缝上及其邻近区域，应避免焊接零件；（3）管子对接焊缝与相邻焊缝及弯头弯曲起点之间应有一定的距离。5.4.4.4其他要求开
