文档介绍：第 9 章锅炉受压元件的强度计算
本章将介绍水管锅炉主要受压元件的强度
计算方法。
第一节锅炉受压元件强度计算的规定
一、安全系数与许用应力
当材料标准试件通过高温和高温下的拉伸试验,
以及高温下的持久强度试验而使试件横截面上的应
力达到任何一个极限应力-在温度为 tc 时的抗压强
t t
度σ b 、屈服限或条件屈服限σ s ,以及在某个工作期限
t
内的持久强度σ D 时,就会发生较大的塑性变形或断
裂。锅炉受压元件工作时,不允许发生这种情况。
蠕变: 材料在高温及恒定的应力作用下,随着时间
的延长,塑性变形不断增加的情况称为的现象。
t
持久强度σ D :指在温度 t℃时在设计寿命期限内(一
般取 10 小时)不引起蠕变破坏的最大应力。
许用应力:为了确保受压元件安全、耐久地运行,
就必须使元件截面上的最大工作应力比极限应力小
很多,并规定不得超过材料的某一应力的许可值,
用符号[σ]表示。
GB 9222-88 规定,对于水管锅炉受压元件,材料
的许用应力可按下式计算:
[σ] =η[σ] j (9-1)
式中基本许用应力[σ] j 按下列公式计算,并取其中的
最小值:
20
σ b
[σ] j ≤(9-2a)材料在 20C 时的抗拉强度,MPa;
nb
t
σ s
[σ] j ≤(9-2b)在计算壁温时的屈服限或条件屈服限(残
ns
余变形为 %),MPa
t
σ D
[σ] j ≤(9-2c)在计算壁温时 10000 小时的持久强度,MPa;
nD
nb,ns,nD 分别为对应不同强度特性的安全系数。
规定:锅炉低碳钢、低碳锰钢及低碳锰钒钢在 350℃
以下,其它低合金热强钢在 400℃以下,其基本许
用应力一般只需按式(9-2a)和(9-2b)计算,不
必考虑式(9-2c)。
表 9-1 列出了供热锅炉常用钢材在不同计算壁
温下的基本许用应力。
式( 9-1)中η为基本许用应力的修正系数,根
据受压元件结构特点和工作条件,按表 9-2 选用。
二、计算壁温
确定基本许用应力[σ]时,需要已知受压元件的
计算壁温。用于强度计算时的计算壁温,取元件温
度最高部位内外壁温的算术平均值,不考虑锅炉出
口的过热蒸汽温度在允许范围内的波动值。但在任
何情况下,锅炉受压元件的计算壁温不应取得低于
250℃。
锅炉筒体、集箱筒体及管子的计算壁温应按表
9-3 至表 9-5 确定。
三、计算压力
锅筒、集箱和管子的计算压力可按下式计算:
P = Pg + ∆Pa 9-3
Pg--工作压力(表压),MPa;
∆Pa --锅炉出口安全阀较低启始压力与额定压力之
差值,MPa;
工作压力按下式计算:
Pg = Pl + ∆Pz + ∆Psz (9-4)
Pl --锅炉额定压力(表压),MPa;
∆Pz --最大流量时计算元件至锅炉出口之间的压力
降,MPa;
∆Psz --计算元件所受液柱静压力值,MPa。
当计算元件所受液柱静压力值不大于
P + ∆P + ∆P
( l z sz )的 3%时,则取∆Psz 等于零。
第二节未减弱圆筒形元件的强度计算
锅炉中的大部分受压元件都是圆筒形的。因此,在
强度计算中,需先确定圆筒形元件壁厚的计算方法。
一、圆筒形元件的应力分析
圆筒形元件在受内压力 P 的作用下主要产生二种形
变,即轴向伸长和径向胀大。壁上的任意一点将产
生三个方向的主应力:沿圆筒切线方向的切向应
力,沿圆筒轴线方向的轴向应力及沿圆筒直径方
向的径向应力,如图 9-1 所示。
由于元件的壁厚相对于筒体的直径要小的多,可
按薄壁圆筒体作分析,即近似地认为切向应力沿壁
厚均匀分布。
P • Dn
切向应力:σ 1 = (9-5)
2S
式中 S---圆筒形元件的壁厚,mm;
P---介质的表压力,MPa;
Dn---圆筒形元件的内径,mm。
轴向应力:假想用一个横截面将圆筒形元件截开,
如图 9-3 所示。所截取的分离体将在介质压力所组
成的内力作用下平衡,即:
P • D
σ= n
2 4S 9-6
径向应力: 由于圆筒形元件仅受到内部介质压力 P
的作用,故内壁径向应力和 P 相等,作用与外壁的
压力为零,故外壁的径向应力亦为零。径向应力应
取内、外壁径向应力的平均值,即:
P
σ= −
3 2 9-7
式中的负号表示为压应力。
三者间关系式:
σ 1 >σ 2 >