特种设备安全第五章new

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1、5 锅炉压力容器强度设计,本章重点: 掌握强度理论及强度条件 了解锅炉压力容器常用钢材 掌握常见受压元件强度计算方法 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）；

2、 （4）对设备制造质量及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

3、力 、 、 中最大者。,2）第二强度理论第二强度理论又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

4、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

5、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 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。,5.1.6 强度计算标准由于锅炉压力容器潜在着一些不安全的因素，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）GB/T 16508-1996 锅

6、壳锅炉受压元件强度计算； （2）GB 9222-1998 水管锅炉受压元件强度计算； （3）GB 150-1998 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0.02%的为纯铁)。（2）残留元素它是在冶炼过程中残留下来，如Mn 、Si、S、P ，微量O 、N、H 。其中有的是有利元素，可提高钢的品质或改善钢的性能，如Mn 、Si；有的是有害的，如O 、H 、P、 S（S有利于切削加工）。（3）添加

7、元素为了获得或改善钢的某些特性而在炼钢时有意加入的元素，如Mn、Si、Cr、Ni、Mo、Ti、Nb、B等（如不锈钢Cr、Ni）。,2）组织含碳量不同的碳钢，在不同的温度下，形成不同的组织，其基本组成物有下列几种： （1）铁素体铁素体是指碳溶解于铁中所形成的固溶体。纯铁在910以下呈体心立方晶格，碳原子嵌入此体心晶格的空隙中即形成铁素体。不过碳在铁中的溶解度极小（在室温下仅为0.006%），故铁素体的组织和性能与纯铁相近。 （2）奥氏体奥氏体是指碳溶解于铁中所形成的固溶体（纯铁在9101390时呈面心立方晶格，称为铁），碳在铁中的溶解度较大，在723 时为0.8%，到1147 时溶解度达2.06

8、%，因铁是高温组织，当合金缓慢冷却到温度低于723 时，奥氏体就不可能存在。,（3）渗碳体渗碳体是指铁和碳形成化合物Fe3C，碳钢中的碳除了极微量溶解于铁素体中以外，绝大部分都与铁形成化合物Fe3C 。 （4）珠光体珠光体是指由铁素体和渗碳体所形成的机械混合物，在珠光体中，铁素体与渗碳体呈片状分布，紧密结合。在碳钢中的珠光体，平均含碳量约为0.8%。 5.2.1.2 钢材的性能 1）机械性能及其主要指标机械性能是指在外力作用下所表现出来的特性，钢材的机械性能主要包括强度、塑性、硬度、冲击韧性等。,低碳钢应力-应变曲线图,（1）强度它是指在外力作用下，对变形或断裂的抗力， 、 、 、 。屈强比

9、， 值小，材料可靠性高，因为一旦超载，也能由于塑性变形使金属强度提高而不致于破坏，若 大，则可靠性不高，一般碳素钢在0.6左右，低合金钢0.650.75，合金钢0.85。 （2）塑性,它是指在断裂前，塑性变形的能力（永久变形）。 延伸率：试样断裂后的标距长度；试样原始标距长度。,断面收缩率：试样断裂后的最小截面积；试样原始横截面积。塑性良好的材料能顺利完成成型加工（冷冲压、冷弯曲），且万一超载，材料不致突然断裂，如鼓包、变形；相反，塑性差易造成脆性破裂，造成严重的事故。（3）硬度硬度是指抵抗压入物压陷能力的大小，即对局部塑性变形的抗力。 它与塑性不同，它是弹性、塑性、强度、韧性的综合指标，且易

10、测，如压入法、刻画法。（4）冲击韧性冲击韧性是指抵抗冲击负荷的能力，冲击韧性一般对缺陷比较敏感，常以冲击功表示（在外力作用下，断裂时所消耗能量的大小）。,2）合金元素对机械性能的影响影响钢材的机械性能主要的是它的化学成分、显微组织（渗碳体，珠光体、铁素体），而变化最多的是化学成分，合金元素对机械性能的影响常用碳当量表示。 碳当量：各种元素对机械性能的影响与钢中碳元素的影响进行比较，折算成碳含量. （1）屈服极限碳当量（2）强度极限碳当量,（3）延伸率的碳当量 3）制造工艺性能它是指材料加工时所具有的特性。（1）焊接性能 焊接性能是指金属材料在规定的焊接工艺条件下，获得优良焊接接头的能力。钢的焊

11、接性能与焊接方法、工艺、环境以及构件的复杂程度及刚性有关。但就钢本身而言，最主要的是化学成分，影响最大的的是碳，所以用焊接碳当量的大小来评定钢的焊接性能。,当 时，可焊性良好；当 时，可焊性一般；当 时，可焊性不好。 （2）冷加工变形性能冷加工变形性能是指钢材经过冷加工后，产生塑性变形后的硬化程度。表现为强度、硬度提高，而塑性、冲击韧性下降。一般的合金元素都会提高钢的加工硬化程度。 5.2.2锅炉压力容器常用钢材 5.2.2.1锅炉压力容器钢材的基本要求 1）使用性能要求（1）较高的强度,（2）良好的塑性、韧性和较低时效敏感性。材料在冷加工塑性变形后，长期放置，其强度上升，塑性、韧性下降，冲击

12、韧性明显降低，这就是应变时效。（3）较低的缺口敏感性（4）良好的抗腐蚀性能及组织稳定性。 2）加工工艺性能要求（1）良好的冲压性能（冷塑性形变能力）；（2）较好的可焊性；（3）适宜的热处理性能；清除加工过程冲产生的残余应力。 5.2.2.2 低碳钢 低碳钢中的含碳量在0.25%以下，它具有良好的塑性和韧性，可焊性良好，低碳钢价格便宜，经济性好，是锅炉压力容器中使用最多的钢材。尤以20号钢板及钢管使用最为广泛。,碳素钢分为低碳钢（含碳0.60%）。 优质碳素结构钢，含P、S少，以平均含碳量万分之几表示，如20号钢 5.2.2.3 低合金高强度钢锅炉压力容器中使用的低合金高强度钢，主要是指钢板，用

13、于制造高压及超高压锅炉锅筒和容器。低合金钢的含碳量一般都不大于0.25%，属低碳合金钢。主要依靠合金元素来强化钢材，提高和改善钢材性能。合金钢分为低合金钢（合金元素的含量5%）、中合金钢（合金元素的含量510%）及高合金钢 （合金元素的含量10%）。合金钢的牌号是以钢中的含碳量加上合金元素名及其含量表示，牌号前面的数字表示平均含碳量万分之几，后接元素名及其百分含量。如合金元素少于1.5%，只标明元素，不标数字；含量在1.52.49%标2，含量为2.53.49%标3，如此类推。16Mn、15MnV、18MnM0Nb等。,5.2.2.4 耐热钢锅炉压力容器中采用的耐热钢，主要是钼钢、铬钼钢及铬钼钒

14、钢，用于制造承受高温的过热器、蒸汽集箱、蒸汽管道等部件，因而主要是钢管。如12CrMo 、 15CrMo 、12CrMoV 、 12CrMo WVTiB等。 5.2.2.5低温压力容器用钢工作温度-20的压力容器属于低温容器，用作低温容器的钢材必须是镇静钢（完全脱氧的钢）。如 10MnDR 0.9Mn2VDR 5.2.3 温度对钢材机械性能的影响 5.2.3.1 温度对钢材机械性能的影响钢材的机械性能随温度的变化而发生显著的变化，如下图所示。碳钢在200250时抗拉强度上升而塑性下降的现象叫“蓝脆性”。因为此时碳钢通常呈蓝色。,温度对低碳钢机械性能的影响,5.2.3.2 蠕变及高温强度1）蠕变

15、在高温和一定应力的作用下，材料的塑性变形随着时间逐渐增加的现象称为材料的蠕变（应力不增加）。碳钢在约350时开始出现蠕变现象。合金钢出现蠕变的温度在400 以上。实验表明：蠕变的快慢取决于载荷、温度、材料等因素，对一定的材质，进入蠕变温度范围以后，载荷越大，温度越高，蠕变速度越快，至蠕变破坏所需要的时间越短。相对一定的温度和载荷，在钢材中增加钼、钨、钒、硼等合金元素，可以有效地降低蠕变速度，增加蠕变寿命。 2）持久强度及蠕变极限通常用持久强度及蠕变极限表示刚才的高温强度即抗蠕变能力。（1）持久强度：是指在一定的温度下，经过规定的工作期限（我国为1105h）引起蠕变破坏的应力，通常以 表示。,（2）蠕变极限：是指在一定的温度下，在规定的工作期限（1105h）内引起规定蠕变变形（1%）的应力， 以表示。 5.2.3.3 钢材脆性及脆化 1）脆性和脆化（1）脆性指因工作条件（特别是工作温度）的变化而造成的钢材韧性的降低，它是外部原因造成的钢材性能变化，合金组织通常不发生变化。 导致脆性产生的外部原因消失，钢材的脆性也相应地消失，而能全部或大部分恢复原有的韧性。（2）脆化指钢材组织变化而造成的韧性降低，是一种更 危险的脆性。钢材发生脆化后，即使外部条件消失，钢材也难以恢复原有的组织和原有的韧性。,