锅壳锅炉讲义

1、GB/T16508.3锅壳锅炉第3部分：设计与强度计算目前我们需要掌握的主要内容：5.5许用应力（56页）5.6计算温度（57页）5.7工作压力和计算压力（58页）6.3锅壳和集箱筒体（59页）6.6减弱系数及焊接接头系数（60页）6.7附加厚度（65页）6.8厚度限制（66页）7.3圆筒形炉胆（69页）8.3椭球形和半球形元件（79页）8.5.2拱形管板（83页）9.3有拉撑的平板和烟管管束区以外的平板（85页）9.4烟管管束区以内的平板（88页）10.4拉撑件所支撑的面积（93页）10.5直拉杆和拉撑管（94页）10.6斜拉杆（96页）13.3筒体上孔的补强（103页）1、锅壳式锅壳的主要

2、结构型式锅壳式锅炉最早的名称是火管锅炉。与水管锅炉结构上的不同之处在于烟气在受热面管子内部流动，工质在受热面管子外部流动，而水管锅炉正与之相反。锅壳锅炉除了具有与水管锅炉相同的元件如集箱、封头，类似的元件如锅壳筒体，还有一些自己独有的元件，如烟管、炉胆、管板、拉撑件等。锅壳筒体、集箱、封头、开孔补强计算基本与水管锅炉相同，有些表述方式、有的符号、有的计算方法有所不同，炉胆、管板、拉撑的计算是水管锅炉没有的内容。为了更好的理解标准的内容，需要对锅壳锅炉的结构有一定的了解。1.1水火管锅炉水火管锅炉是我国独有的一种炉型，源自50年代上海工业锅炉厂。之所以叫水火管锅炉是因为兼有了水管和火管两种锅炉的

3、结构。水管部分是指炉膛中的水冷壁管，火管部分是指锅壳中的烟管。锅炉本体由水冷壁管、筒壳、集箱、管板、烟管、下降管组成。烟气行程：燃料燃烧形成的火焰、烟气在炉膛与水冷壁、锅壳底部组成的辐射受热面进行换热后，由前向后流动，在后部转向进入两侧翼型烟道，由后向前冲刷翼型烟道中的第一对流受热面，在前部转向进入由烟管组成的第二对流受热面，然后流出锅炉本体。这种烟气流动方式叫做烟气三回程。水循环系统：锅壳、下降管、集箱、水冷壁管组成循环回路。水在水冷壁管中被加热，一部分水变为蒸汽，管内工质形成汽水混合物，下降管不受热，管中工质是水，汽水混合物重度小于水的重度，因此下降管中的水向下流动，水冷壁管中的汽水混合物

4、向上流动，形成了自然循环。此外，由于锅壳底部受热以及锅壳中布置了大量的烟管，锅壳中的水被加热蒸发，在锅壳中也形成了冷水下降，热水和蒸汽上升的自然循环，只不过这个循环过程是在锅壳这个大水容积中进行的。水火管锅炉最早用于小容量产品，进些年来发展到较大容量。该炉型曾是我公司主导产品，90年代之前几乎是唯一的炉型。目前仍是我公司主要炉型之一，是20t/h以下产品的首选，在40t/h热水炉也曾生产过该产品。1.2卧式内燃锅炉卧式内燃锅炉用于燃油、燃气锅炉。锅炉本体由炉胆（锥形炉胆、波形炉胆）、锅壳、管板、回燃室（管板、筒体）、烟管、拉撑（直拉杆、斜拉杆）组成。烟气行程：燃烧机将油或气点燃并形成火焰喷入炉

5、胆，火焰、烟气与炉胆组成的辐射受热面进行换热后，由前向后流动，在回燃室转向，由后向前冲刷第一对流管束烟管，在前部转向，由前向后冲刷第二对流管束烟管，然后流出锅炉本体。烟气流动同样是三回程方式。水循环：在锅壳这个大水容积中形成了冷水下降，热水和蒸汽上升的自然循环。上述的炉型是三回程湿背式卧式内燃锅炉。所谓湿背式，是指回燃室处于锅壳中，回燃室后管板（后背）与锅壳后管板之间存在水夹层，回燃室后管板（后背）被水冷却，称之为湿背式。与之相对应的是干背式，如果回燃室不处于锅壳中，回燃室后背一般是用耐火材料砌筑的，没有水冷却则成为干背。下图为三回程干背式锅炉示意图。1：锅壳 2：炉胆 3：前管板 4：后管板

6、 5：烟管 6：耐火砖干背式锅炉回燃室后背用耐火砖砌筑，在高温烟气冲刷下，很容易损坏，不得不经常停炉修理，因此只用于较小容量的产品。我公司生产的卧式内燃锅炉目前全部采用三回程湿背式结构。2、锅壳和集箱筒体计算厚度与水管锅炉锅筒和集箱筒体厚度计算公式相同。锅壳筒体计算厚度：集箱筒体计算厚度：计算厚度：计算压力：筒体内径：筒体外径：最小减弱系数：许用应力2.1计算压力 ：计算压力：工作压力：设计附加压力2.2工作压力：工作压力：额定压力：工质流动阻力，取最大流量时锅壳或集箱至锅炉出口之间的压力降：元件所受液柱静压力，不大于0.03时，取等于零。2.3设计附加压力标准第4条“符号和单位”中，给出“设

7、计附加压力（安全阀整定压力）”，标准的第1号勘误表改为设计附加压力（考虑安全阀整定压力）”。除此之外标准中再未给出的确定方法，经向标准编写人咨询，取为安全阀较低整定压力与额定压力之差，与GB/T16507.4的规定不一致。2.4最小减弱系数取纵向焊接接头系数、纵向孔桥减弱系数、两倍横向孔桥减弱系数（当1时，取）及斜向孔桥当量减弱系数（当1时，取=1.00）中的最小值。这些规定与GB/T16507.4无本质上的区别，在GB/T16507.4中，横向孔桥减弱系数已经包括了2倍，斜向孔桥减弱系数就是本标准的斜向孔桥当量减弱系数。2.5纵向焊接接头系数根据焊缝形式及无损检测比例，按GB/T16508.

8、1中的6.4.7选取。该条与GB/T16507.4表5略有区别，比GB/T16507.4表5叙述的更明确具体，此外有1个系数值不同。2.6孔桥减弱系数2.6.1可不考虑孔间影响的相邻两孔的最小节距在什么情况下需要计算孔桥减弱系数，本标准也有与GB/T16507.4相同的规定，相邻两孔的节距小于可不考虑孔间影响的相邻两孔的最小节距，且两孔直径均不大于未补强孔最大允许直径时，应计算孔桥减弱系数。可不考虑孔间影响的相邻两孔的最小节距，就是GB/T16507.4中的临界节距。：相邻两孔直径的平均值，：名义厚度2.6.2未补强孔最大允许直径未补强孔最大允许直径，按图50查取。与GB/T16507.4有所

9、不同，GB/T16507.4给出两种方法，计算和按图查取，我们一般用计算确定。本标准只按图50确定。在查图前需计算筒体的实际减弱系数，就是GB/T16507.4中的筒体结构特性系数，计算公式是相同的。对于锅壳筒体：对于集箱筒体：有效厚度当0.4时，需要补强的孔已得到自身补强，无需另行补强。当0.4时，未补强孔的直径不应大于按图50确定的未补强孔的最大允许直径，且最大为200mm。如为椭圆孔，取筒体纵截面上的尺寸。当未补强孔的直径大于按图50确定的未补强孔的最大允许直径时，应采取规定的补强结构予以补强。这些规定与GB/T16507.4基本相同，只是GB/T16507.4无“如为椭圆孔，取筒体纵截

10、面上的尺寸”的规定，GB/T16507.4取的是长轴尺寸。2.6.3纵向孔桥减弱系数：纵向相邻两孔的节距2.6.4横向孔桥减弱系数：横向相邻两孔的节距，取筒体平均直径圆周上的弧长。2.6.5斜向孔桥当量减弱系数：斜向孔桥换算系数：斜向孔桥两孔间在筒体轴线方向上的距离：斜向孔桥两孔间在筒体平均直径圆周上的弧长：斜向孔桥减弱系数：斜向相邻两孔的节距，取筒体平均直径圆周上的弧长。对于凹座开孔、非径向开孔，公式中的以当量直径代入，其计算方法与GB/T16507.4相同，此处不再详述。2.7许用应力：为GB/T16508.2表2常用钢板的许用应力和表4常用钢管的许用应力相应材料的选取值。这两个表与GB/

11、T16507.2表2和表4不完全相同，尤其是表4，由于水管锅炉覆盖的产品更多，选用的材料更广，GB/T16507.2表4钢管品种更多。：修正系数，按表3选取。对锅壳和集箱筒体来说，表3与GB/T16507.4的表1是相同的。确定时，需首先确定计算温度，按表4选取，表中为介质额定平均温度。表4与GB/T16507.4对应的表2、表3、表4有所不同。上述的、查取步骤、方法与水管锅炉相同。3、锅壳和集箱筒体厚度附加量：腐蚀裕量，一般取=0.5，20mm时，取=0：制造减薄量，锅壳筒体：冷卷冷校时，=0；冷卷热校时，=1mm；热卷热校时，=2mm。钢管制成的直集箱筒体：=0：钢材厚度负偏差，锅壳筒体：

12、取钢板标准规定的厚度负偏差。按GB/T709热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差，规定为0.3 mm。钢管制成的直集箱筒体：，m：钢管厚度负偏差的百分比值，%，可查GB3087低中压锅炉用无缝钢管标准。从我公司进料情况看，一般外径108mm，是冷拔管，查表3，外径108mm，是热轧管，查表2。表2按钢管外径和管子壁厚与外径比值，分4档给出了偏差值。表3按管子壁厚分2档给出了偏差值。4、不绝热锅壳和集箱筒体最大允许厚度 4.1不绝热锅壳最大允许厚度不绝热锅壳最大允许厚度按表5查取，与GB/T16507.4表16相同。但GB/T16507.4表16有2.5MPa的限定，本标准无此限定。4.2

13、不绝热集箱最大允许厚度2.5MPa时，不绝热集箱最大允许厚度30mm，与GB/T16507.4表17有所不同，表17按温度分成2档，本标准只有1个规定值。2.5MPa时，不绝热集箱最大允许厚度按表6查取，与GB/T16507.4表18相同。5、卧式平直炉胆厚度计算炉胆是卧式内燃锅炉主要受压元件，锅炉燃烧和辐射换热过程在炉胆完成。炉胆有平直、锥形、波形3种。平直炉胆形状简单，易于制造，但炉胆承受高温，有较大的热膨胀量，而平直炉胆柔性较差，不能吸收较大的热变形，因此对其长度有限制，应用范围很小。波形炉胆在轴向能吸收较大热变形，而且径向刚性也比平直炉胆大，因此应用较广。锥形炉胆实质上与平直炉胆没有区

14、别，因结构设计上的需要而采用。（炉胆与管板连接处收缩，为的是管板上布置烟管的需要）与锅筒、锅壳等圆筒形元件不同，炉胆承受的是外压，而不是内压。因此平直炉胆的计算除了强度外还有稳定，用强度和稳定公式同时计算。取以下2式计算的和中的较大值。强度公式：稳定公式：设计厚度：炉胆平均直径：炉胆圆度百分率 ，一般取：炉胆外径：炉胆计算长度，有如下规定：（1）炉胆与平管板或凸形封头连接处，若是扳边对接焊时，以扳边起点作为的计算支点即的起算点。；若是坡口型角焊时，以角焊根部作为计算支点。（2）不应大于2000，如炉胆两端均为扳边连接，可放大至3000。：炉胆强度安全系数，按表8选取。：计算温度时的屈服强度，按

15、GB/T16508.2附录B表B.1：炉胆稳定安全系数，按表8。：材料的弹性模量，按表9。6、锥形炉胆厚度计算锥形炉胆实质上与平直炉胆没有区别，因此厚度计算方法与平直炉胆完全相同。见图13，图13画的是立式锅炉，标准用此图表示锥形炉胆。从图中可以看出，炉胆大端连接下脚圈，小端连接炉胆顶。厚度计算公式采用平直炉胆公式，按以下计算：小端内径：大端内径7、波形炉胆厚度计算波形炉胆在轴向能吸收较大热变形，而且径向刚性也比平直炉胆大，故其稳定性比平直炉胆大，在一定的波纹高度条件下，采用只考虑强度的简化计算公式。我公司卧式内燃锅炉采用波形与锥形组合炉胆，波形部分的设计厚度按上式计算，锥形部分的厚度按平直炉

16、胆厚度公式计算，其计算长度取最边缘一节波纹的中心线至计算支点之间的距离。（图16）同时，由于与锥形炉胆相邻一节的波纹受载荷较大，故要求最边缘一节波纹的惯性矩满足下式：常用波纹如图14所示，其惯性矩可查表10。：所需要的惯性矩：见图16，：波纹节距：波形炉胆平直部分的平均直径8、炉胆结构要求炉胆除了要求名义厚度不小于设计厚度，波形与平直组合炉胆最边缘一节波纹惯性矩不小于需要惯性矩外，结构上还有一些限制要求，例如：平直炉胆计算长度不应超过2000，如果两端均为扳边连接，则计算长度可放大至3000。超过上述规定时，应采用膨胀环或波形炉胆来提高柔性，此时，波纹部分的长度应不小于炉胆全长的1/3。炉胆名

17、义厚度不应小于8，且不应大于22。其它要求可见标准7.3.5条。例题：校核我公司生产的WNS10.7Y(Q)炉胆强度。一、波形炉胆计算：=0.70.7+0+0=0.7安全阀较低整定压力，按GB/T16508.5表3，+0.03=0.7+0.03=0.73=0.73-0.7=0.03工作压力下的饱和温度，按绝对压力0.83查表，饱和温度为171.90查表4，取171.90+90=261.90按波形炉胆图，炉胆材料Q345R ，按261.90 查GB/T16508.2表2，163.67查表3，163.67=98.20按波形炉胆图，=+1=3.30二、波纹与锥形组合炉胆计算1、锥形炉胆厚度计算按锥形

18、炉胆图， =550 =600=查表8，=2.5按锥形炉胆图，材料Q345R，按261.90查GB/T16508.2附录B表B.1，=245.24确定附图炉胆与回燃室前管板连接处炉胆与锅壳前管板连接处=2.05取=4.46查表8，=3.0按261.90查表9（GB/T16508.2附录B表B.11）186.81103=6.21取=4.46和中较大者，=6.212、惯性矩计算按波纹炉胆图， 41 610=按150 41查表10， =37.6104=4.95104三、结论：波纹炉胆2.05，且8；锥形炉胆6.21，且8；最边缘一节波纹=37.6104=4.95104 满足要求9、平管板厚度计算 平管

19、板在介质压力作用下将要弯曲，产生弯曲应力。为防止产生明显弯曲和过大的弯曲应力，平管板均用拉撑件予以加固，拉撑件有角撑板、拉杆等，烟管也起拉撑作用。如上图所示，管板上部有拉撑件（角撑板），中部有烟管。管板在介质压力作用下将产生弯曲变形，斜线所示为向外弯曲变形较大区域。其变形特点是具有几个不变形点（支撑点），斜线区域中心凸起相对最高。上图a表示的是管板一区域的变形状况，斜线所示为凸起部分，为通过拉撑件中心和虚线（支点线）三点画出的假想圆（当量圆）直径。上图b同样表示的是管板一区域的变形状况，斜线所示为凸起部分，为通过拉撑件中心和虚线（支点线）两点画出的假想圆（当量圆）直径。可以看出，假想圆（当量圆

20、）能近似表征管板变形的特点。水火管锅炉在90年代之前采用平管板，90年代之后，水火管锅炉采用椭球形管板、拱形管板取代了平管板。椭球形管板见图27，就是开有成排烟管管孔的椭球形封头，其计算与椭球形封头相同。管束区域开有成排管孔，但其受力情况与锅壳、锅筒上开有成排管孔不同，由于管束区域被烟管拉撑着，节距越小拉撑作用越大；而锅壳、锅筒上的成排管孔使承载面积减小，节距越小孔桥处的应力越大。因此管束区的强度裕度较大而无需进行计算。这种管板由于存在非径向开孔问题已经很少采用了。目前水火管锅炉都采用拱形管板，见图28，拱形管板由管板区和拱形区两部分组成，管板区是平板形，拱形区是椭球形。管板区按平管板计算方法

21、，拱形区按椭球形封头计算方法。卧式内燃锅炉采用平管板。平管板计算包括烟管管束区以外和烟管管束区以内两部分管板的计算。9.1烟管管束区以外的管板厚度计算计算公式：取相连元件的计算压力：计算方法同前：当量圆直径，当量圆是通过支撑点画出的假想圆：系数，通过3个支撑点画当量圆时，值按表14确定；通过4个或4个以上支撑点画当量圆时，值降低10%；通过2个支撑点画当量圆时，值增加10%；支撑点型式不同时，取各支撑点相应值的算数平均值。9.1.1支撑点的确定可以作为支撑点的有：拉撑杆或拉撑管中心；管束区边缘烟管中心；角撑板的中线；支点线上的各点。9.1.2支点线的确定见图29，图29a表示的是平管板与锅壳筒

22、体或炉胆筒体扳边对接焊时，支点线的确定。图29b表示的是平管板与锅壳筒体或炉胆筒体角焊连接时，支点线的确定。9.1.3当量圆的画法见图31，通过3个支撑点画圆时，支撑点不应都位于同一半圆周上；通过2个支撑点画圆时，支撑点应位于当量圆直径的两端。9.2烟管管束区以内的管板厚度计算9.2.1计算公式：、：与烟管管束区以外的管板厚度计算相同=0.47：烟管最大节距9.2.2结构要求（1）管板名义厚度不应小于8mm；如管板内径大于1000mm，管板名义厚度不应小于10mm。（2）扳边管板的扳边内半径不应小于2倍板厚，且至少应为38mm；扳边回燃室的扳边内半径不应小于板厚，且至少应为25mm。（3）管孔

23、相邻焊缝边缘距离不小于6 mm。（4）管孔焊缝边缘至扳边起点的距离不小于6 mm。（5）与600以上烟气接触的管板，烟管与管孔应采取消除间隙的措施，管端超出焊缝的长度不应大于1.5 mm。这条要求是为了消除锅壳式锅炉安全运行的隐患。锅壳式锅炉在运行中出现较多的问题是管板裂纹，这个问题一度使锅壳式锅炉的使用受到了限制。产生管板裂纹的主要原因是在高温烟气作用下，烟管与管孔的间隙中的水，周而复始地进行着受热汽化汽化后逸出低温水进入受热汽化汽化后逸出这样一个过程，在这个过程中，管孔处不断地被加热冷却加热冷却，在热应力的作用下，产生低周疲劳，进而产生裂纹。此外如果管端超出焊缝的长度过大，管端不能被冷却，

24、长期在高温烟气作用下管端产生裂纹，并由此发展到管板，管板也产生裂纹。采取消除间隙的措施，一般是在焊接烟管前进行预胀，通过预胀使管端膨胀贴紧管孔，消除间隙。控制管端超出焊缝长度，一般是在焊完烟管后，采用机械切削的方式，切去多余的长度，该工序称之为平头。例题：校核我公司生产的WNS151.25Q锅炉前管板强度。=1.251.25+0+0=1.25安全阀较低整定压力，按GB/T16508.5表3，=1.041.25=1.3=1.3-1.25=0.05计算压力下的饱和温度，按绝对压力1.4查表，饱和温度为195.04查表4，取195.04+50=245.04按前管板图，管板材料Q245R ，按245.

25、04 查GB/T16508.2表2，112.29查表3，112.29=95.45确定管板与筒壳扳边连接支点线，见下图：烟管管束区以外的管板厚度计算：（见计算附图）=287.6=275.3 =342.8=341.8取中较大者计算=143.56=143.56+1=17.75烟管管束区以内的管板厚度计算：=17.75 满足强度要求10、拉撑件本部分的内容包括拉撑件（直拉杆、斜拉杆、拉撑管）结构要求（拉撑件结构及与管板、锅壳连接结构），拉撑件强度计算。10.1呼吸空位锅壳锅炉的结构特点是将主要受热面炉胆、烟管置于锅壳以内，锅壳的端部采用管板将锅壳、炉胆、烟管连接在一起。锅炉运行时，炉胆的壁温高于锅壳，

26、若无管板约束时，二者轴向热膨胀量相差较大。以WNS151.25Q锅炉为例，额定工况时，在自由膨胀状态下，锅壳膨胀量约为11mm，炉胆膨胀量约为17 mm。由于管板连接的约束使炉胆不能得到充分伸长而产生压缩热应力，与此同时锅壳被拉伸长而产生拉伸热应力，管板必然因弯曲变形而产生弯曲热应力，热应力最大点为下图所示连接点B、A。降低上述热应力的有效措施是将平管板上温度不同的相邻元件之间的最小距离呼吸空位加大，下图中的即为呼吸空位，越大则热应力越小。标准对各种元件之间的呼吸空位做出了规定，可见10.3条及图36。10.2拉撑件所支撑的面积拉撑件所承担的力是介质压力作用于管板上并传递给它的，所以拉撑件应尽

27、量均匀布置，使每个拉撑件承担的作用力大致相同。拉撑件所分担的支撑面积应该是距离各支撑点等距离线中位线所包围的面积。如下图所示，角撑板与支点线之间的中位线为曲线，因为这条线上各点距角撑板与距支点线是相同的：，为了简化，可用直线代替曲线，二者偏差不大。基于以上简化，中位线可以近似地取为3个相邻支撑点切圆中心和2个相邻支撑点切圆中心之间的最近连线。因此拉撑件所分担的支撑面积就是3个相邻支撑点切圆中心和2个相邻支撑点切圆中心之间的最近连线所包围的面积。对于直拉杆、拉撑管、烟管应将上述所画面积减去这些元件所占面积作为支撑面积，对于斜拉杆、角撑板则不减去它们所占的面积。10.3直拉杆和拉撑管10.3.1直

28、拉杆和拉撑管的最小需要截面积：直拉杆和拉撑管的最小需要截面积：计算压力，取相连元件的计算压力：直拉杆和拉撑管所支撑的面积：许用应力，确定方法同前。计算温度按表4选取，直拉杆按不受热考虑。10.3.2直拉杆与平管板的连接结构直拉杆与平管板的连接结构见图38、39，常用结构是图39。该结构可用于烟温大于600的部位，用于烟温不大于于600的部位时，拉杆端头超出焊缝的长度可放大至5mm。直拉杆与平管板的连接采用图39c结构时，焊脚尺寸应满足下式要求：直拉杆直径直拉杆直径不宜小于25mm。长度大于4000 mm的直拉杆中间应加支撑，以防止产生过大的挠度。10.3.2拉撑管与平管板的连接结构拉撑管与平管板的连接结构见图40。用于烟温大于600的部位时，管端超出焊缝的长度不应大于1.5mm，用于烟温不大于600的部位时，管端超出焊缝的长度可放