水管锅炉受压元件强度计算2013版

1、水管锅炉受压元件强度计算GB/T 9222-2008目录 1.前言 2.与强度计算有关的参数 3.锅筒筒体强度计算 4.集箱筒体强度计算 5.管道强度计算 6.开孔补强1.前言 强度标准由简易计算公式和结构上的规定两部分组成。 本规程给出了最简易的计算公式。 载荷只计算介质压力，并用安全系数计入未考虑周全的其它各种影响强度的不利因素。 必须辅以一些结构上的限定，不至于使不利因素超出简易计算方法所控制的限度。因此，结构限定与计算公式同样重要。 理论计算壁厚基本公式：PPDnL2min 1锅筒：锅筒： mm； MPa； 2集箱：集箱： mm； MPa； 3管子及管道：管子及管道： mm； MPa；

2、 PPDnL2minynyjDP2yynDP 2)(PPDwL2minywyjDP2yywDP 2)(PPDwL2minywyhDP2 理论基础与实践经验对强度标准都非常重要。 强度标准不仅是建立在理论分析基础之上，而且包含在基础理论指导下的科学实验成果和经验累积的总结。 尽管强度标准中某些规定和个别计算方法至今尚无严格理论基础，但它们已沿用了几十年，实践证明它们是安全可靠的，可以信赖的。标准适用范围： 额定压力0.10MPa 固定式 水管蒸汽锅炉 水管热水锅炉 满足以上条件的受压元件强度计算蒸汽锅炉： 蒸汽锅炉是生产规定参数和品质的蒸汽的锅炉。 电站蒸汽锅炉是火力发电厂中的主要热力设备之一。

3、它的任务是使燃料通过燃烧将化学能转变为热能，并且以此热能加热水，使其成为一定数量和质量（压力和温度）的其成为一定数量和质量（压力和温度）的蒸汽，去驱动汽轮机旋转做功。热水锅炉 采暖和供热水的锅炉，有时也可作为热电站的高峰供热锅炉，以调节热网负荷。 热水锅炉内的水温低于饱和温度，与蒸汽锅炉相比，热水锅炉的烟气与水的温差较大,水垢少,传热情况较好。 出水温度在 130以上的称为高温热水锅炉，低于 130的称为低温热水锅炉。 目前引用文件的最新版本： GB 713-2008锅炉和压力容器用钢板 GB 3087-2008低中压锅炉用无缝钢管 GB 5310-2008高压锅炉用无缝钢管 GB/T 327

4、4-2007碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板和钢带 GB/T 8163-2008输送流体用无缝钢管 JB/T 6734-1993锅炉角焊缝强度计算方法 TSG G0001-2012锅炉安全技术监察规程规范性引用文件（标准） 文件中的条款通过本标准的引用而成为本标准的条款。 凡是注明日期的引用文件，其随后所有的修改单(不包括勘误的内容)或修订版均不适用于本标准。 凡是不注明日期的引用文件，其最新版本适用于本标准。 鼓励根据本标准达成协议的各方使用这些文件的最新版本。总则 按本标准计算的锅炉受压元件，应符合锅炉安全技术监察规程及有关锅炉制造技术条件及标准。 对于调峰负荷机组等参数波动较大的锅炉，

5、还应进行疲劳强度校核(锅筒疲 劳强度校核按附录A计算)。举例:锅规关于结构的有关规定 第3.4条 1各受压部件应有足够的强度; 2受压元、部件结构的形式、开孔和焊缝的布置应尽量避免或减少复合应力和应力集中; 3.保证各循环回路的水循环正常，所有受热面都应得到可靠的冷却； 4凡属非受热面的元件，如由于冷却不够，壁温可能超过该元件所用材料的许用温度时，应予绝热。 5. 各部分在运行时应能按设计预定方向自由膨胀。锅规关于结构的有关规定 第3.5条 对于水管锅炉，在任何情况下锅筒筒体的取用壁厚不得小于6mm;当受热面管与锅筒采用胀接连接时，锅筒筒体的取用壁厚不得小于12mm。 第3.7条 锅炉主要受压

6、元件的主焊缝（锅筒、集箱的纵向和环向焊缝、封头、管板拼接焊缝等）应采用全焊透的对接焊接。l l钢管焊缝根部未焊透处裂纹材料： 材料应符合GB 713，GB 3087，GB5310, GB/T 3274,，GB/T 8163和锅炉行业有关材料采购规范的规定。 使用本标准中表1，表2未列入的材料应符合锅炉安全技术监察规程的有关规定。 用于制造锅炉受压元件的板材应具有良好的塑性，其伸长率(A)应不小于18%锅规关于材料的有关规定 第2.2条 制造锅炉受压元件的钢材必须是镇静钢。 对于板材其20时的伸长率(A)应不小于18。 钢材室温时的夏比冲击吸收能量(KV2)不低于27J。 第1.6条 采用新结构

7、、新工艺、新材料、新技术时，若与本规程不符，应将新钢号材料的技术资料提交国家质检总局特种设备安全技术委员会评审，报国家质检总局核准后，才能进行试制、试用。锅规关于材料的有关规定 第2.6条 锅炉受压元件采用国外钢材 : 应当是境外锅炉用材料标准中的牌号，或者化学成分、力学性能、工艺性能与国内锅炉用材料相类似的材料牌号，或者成熟的锅炉用材料牌号。 首次使用前，应当进行焊接工艺评定和成型工艺试验。 应当采用该材料的技术标准或者技术条件所规定的性能指标进行强度计算。2.2.与强度计算有关的参数与强度计算有关的参数 理论计算壁厚基本公式：PPDnL2min2.2.与强度计算有关的参数与强度计算有关的参

8、数许用应力：许用应力：计算公式：= j其中：许用应力 MPa j基本许用应力 Mpa 修正系数 基本许用应力：jj b/ n b j t s / n s j t D / n Dj取三者最小值其中：b 常温抗拉强度 Mpa t s 计算壁温下屈服强度 Mpa t D 计算壁温下持久强度 Mpa b和t s取最低保证值或实验值下限。 t D取大量试验结果的平均值。 常温强度： s、 b （Rel 、 Rm ） 高温强度：ts、tD （Rtel 、 RtD ） 塑性： 、（A、Z） 韧性： ： Ak 、 k (KU2、KV2)拉伸试验机屈服强度的确定:安全系数n b =2.7 n s =1.5 n

9、D =1.5 各国许用应力比较 nbntbnsntsntDntc(蠕变变形蠕变变形)备注备注GB92222.71.51.5(平均值平均值)锅炉锅炉GB1503.01.61.61.5(平均值平均值) 1.25(最小值最小值)压力容压力容器器ASME-441.51.51.5(平均值平均值)1.01.0(平均值平均值)美国美国ISO8312.71.61.6(平均值平均值) 1.25(最小值最小值)国际标准国际标准化组织化组织TRD3002.41.51.0(2105h平平均值均值) 德国德国日本基本参照美国日本基本参照美国关于基本许用应力的几点说明：1.常用锅炉钢材基本许用应力见表1、表2、表B12.

10、表中未列的材料如符合规程规定，基本许用应力按公式计算，并取最小值。3. 计算时b、t s和t D应取相应钢号的最低保证值。4.只有在没有保证值时，才可用钢材抽样试验。并将试验结果乘以0.9作为计算取用值。关于基本许用应力的几点说明：5. 低碳钢、低碳锰钢及低碳锰钒钢使用温度在350以下，其他低合金热强钢使用温度在400以下，其基本许用应力一般只需按式j b/ nb 和式j t s / ns计算， 不必考虑式j t D / nD。算数内插法：6.基本许用应力表中相邻计算壁温数值之间的j可用算术内插法确定，但需舍弃小数点后的数字。算术内插法基本公式： i是i1与i2之间的一个数，b1与b2是与i1

11、、i2对应的已知数据，求b是多少？121121bbbbiiii112121bbbiiiib关于基本许用应力的几点说明： 7. 铸钢件的基本许用应力取表中数值的0.7倍。 8.锻钢件：型钢锻造取表中数值。 钢锭锻造取表中数值0.9倍。常用钢材的最高使用温度 序号 钢 号用于蒸汽管道用于受热面管道备 注120、20g425 450 215MoG、16Mo500530 312CrMoG、15CrMoG510 540 410CrMo910570 580 P22512Cr2MoWVTiB600 102钢6X20CrMoV121560 610(过)、650(再)F1271Cr18Ni9Ti610 18-8

12、钢8T91、P91600 625 (过)、650 (再)10Cr9Mo1VNb修正系数： 根据受压元件工作特点选取：P7表3。 一般情况不受热取1，受热取0.90.95 对于电站锅炉，一般取1。 额定压力16.7MPa的锅筒和封头，取0.95。计算壁温：tbi 定义： tbi：计算壁温，用于确定钢材基本许用应力的受压元件金属壁温。 tJ：介质额定平均温度。 tb：对应于计算压力下的介质饱和温度。 t：温度偏差。 X：介质混合程度系数。 计算壁温：tbi 确定基本许用应力J时，需要已知受压元件的计算壁温tbi 。 确定计算壁温时，锅炉出口过热蒸汽温度在允许范围内的波动不予考虑。 受压元件的计算壁

13、温可查表，也可按公式计算。关于计算壁温的几点说明 1.计算壁温取受压元件内外壁温算术平均值中的最大值。 2.若受压元件的计算壁温低于250时，取250。 3.受压元件的计算壁温可查表，也可按公式计算。 4.温度偏差 t在 任 何情况下不应小于10。 5.介质混合程度系数X ，对于集箱，一般可取0 .5 ， 当 介质从集箱端部进人时，允许取为0。 6. 对于不受热的过热蒸汽集箱，即使完全混合，也应取Xt=10 。 例1：用算数内插法计算基本许用应力 已知：12Cr1MoV钢过热器管 求：计算壁温为553时的基本许用应力J=？例2：确定汽包的许用应力已知：汽包材质BHW35(13MnNiMoNb5

14、) 常温性能指标：b =570740MPa 、=18% 、AK=31J s 高温性能：ts、tD Pe1时，取 1。 也可按线算图（图4）直接查取。ss abnd d几点说明：几点说明： 不等径孔桥不等径孔桥 的计算：若相邻两孔直径不的计算：若相邻两孔直径不同，计算孔桥减弱系数时，孔的直径同，计算孔桥减弱系数时，孔的直径d应以应以相邻两孔直径的平均值相邻两孔直径的平均值dp代入。代入。221dddp几点说明：几点说明： 椭圆孔计算孔桥减弱系数时，孔径d按该孔沿相应节距方向的尺寸确定。焊缝减弱：焊缝减弱： 一般与焊接方式、坡口形势、检测手段、残余应力消除手段和程度、工艺掌握及钢材类别等因素有关，

15、按P11表7取用。 孔桥开在焊缝上，该处减弱系数取孔桥减弱系数和焊缝减弱系数之积。校核计算： 校核计算时，锅筒筒体最高允许计算压力： 其中：p校核计算最高允许计算压力 J 校核部位的减弱系数 y 锅筒筒体有效厚度取值规定见规程P10。第6.2.3条 ynyJDp2水压试验：水压试验： 锅筒筒体的水压试验压力psw按有关锅炉制造技术条件取用，但应满足以下要求： 水压试验压力 Psw Psw Psw水压试验最高允许压力 其中12y/Dn 取值规定见P15第6.7条。ssw22sw145. 0psw关于水压试验的几点说明：关于水压试验的几点说明： 国内外锅炉安全规范一般均要求，水压试验时内壁当量应力

16、不超过屈服强度s的0.9倍。 只要满足公式 即可满足s的0.9倍要求。 我国水压试验压力一般为1.25倍工作压力，均能满足上式要求。 锅筒水压试验压力绝不能打1.5倍倍工作压力（不满足上述公式要求）。 水压试验属于最后一道工艺性试验，用以检验因工艺欠佳、钢材存在缺陷等引起的泄漏现象，不属于验证强度性质的试验。ssw22sw145. 0p弯曲应力校核：弯曲应力校核： 需进行弯曲校核的条件： 当锅筒筒体支点间距大于10m 或者 最小 或 时。 应进行重量载荷引起的弯曲应力校核。 最大弯曲应力按下式计算： 并满足下式要求：2dhwWM1000 yxynwDp4几点说明：几点说明： 锅筒上弯曲应力属于

17、轴向的，内压产生的轴向应力仅为环向应力的一半，因此即使存在一定弯曲应力一般也不会影响锅筒强度。 因此只有当筒体支点间距较大，使弯曲应力很大时，或者筒体环向减弱较严重，使轴向应力超过环向应力时，才要求进行弯曲应力校核计算。 减弱系数 为环向孔桥减弱系数或环向焊缝减弱系数。若重叠则两项相乘，若无孔桥和焊缝，则取 1xx 例9：锅筒内径Dn=1600mm，壁厚s=50mm，锅筒筒体材质13MnNiMoNbg，筒体计算压力P=15.9MPa。锅筒置于烟道外。 求：该锅筒的许用应力=？例7：汽包已知：Pe=13.7MPa、 P=15.89MPa 、 J=211MPa、 Dn=1600mm =1.0 经计

18、算，三组孔排的孔桥减弱系数为： A组： =0.864 =0.57 B组： =0.84 =0.8 C组： =0.865 =0.525 =0.824 =0.803求：理论计算壁厚L=？ 若钢板厚度负偏差是1.5，工艺减薄4mm，求取用厚度=？hd1d2d4.集箱筒体强度计算集箱筒体理论计算厚度计算公式：其中：p计算压力 MpaDw集箱筒体外径 mm 最小减弱系数 集箱筒体理论计算厚度 mm p 2pDminwLminL公式适用范围：L L按集箱筒体理论计 算 厚 度 算出的外径与内径的比值。 L Dw/(Dw-2L) 当L满足下列条件时，理论计算公式适用： 对于汽水混合物或饱和蒸汽集箱： L 1.

19、50 对于过热蒸汽集箱筒体： L 2.00直集箱筒体成品最小需要厚度： min =L +C1集箱筒体设计计算厚度： s =L +C集箱筒体取用厚度应满足： s计算压力：p集箱的压力计算与锅筒的计算方法相同。P=Pg+ PaPg =Pe+ Pz+ Psz其中： Pg 工作压力 MPaPa设计附加压力 MPa Pe锅炉额定压力 MPaPz 介质流动阻力附加压力 MPaPsz计算元件所受液柱静压力 Mpa 再热蒸汽集箱： 再热蒸汽集箱筒体，计算压力p取锅炉在额定压力时，再热蒸汽集箱中介质工作压力的1.15倍。 P=1.15Pg减弱系数： 集箱筒体的减弱系数 与锅筒的减弱系数计算方法相同。 minmi

20、n附加厚度：CC 集箱筒体附加厚度 C=C1+C2+C3 C1考虑腐蚀减薄的附加厚度C2考虑钢板工艺减薄的附加厚度C3考虑钢板厚度负偏差的附加厚度单位：mm取值规定：规程P19第7.5条。直筒集箱附加厚度的取值：直筒集箱附加厚度的取值： C1：一般取0.5mm，若集箱在设计运行期限内，腐蚀减薄值超过0.5mm，则取实际减薄值。 C2：钢管制成的直集箱筒体，C2=0。 C3：按下式计算 m：钢管厚度负偏差与取用厚度的百分比值： 13m-100mCCL%100m负偏差值圆弧集箱附加厚度取值： 对于由钢管弯成的圆弧形集箱筒体： C1：一般取0.5mm，腐蚀减薄值超过0.5mm，则取实际减薄值。 C2

21、： C3： n：圆弧集箱中心线的半径R与集箱筒体外径DW的比值。n=R/DW1n21-n42LC213m-100mCCCL校核计算： 校核计算时，集箱筒体最高允许计算压力： 其中：p校核计算最高允许计算压力 J 校核部位的减弱系数 y 集箱筒体有效厚度取值规定见规程P18。第7.2.3条 yyJDp-2w取值规定： 有效厚度： 校核部位减弱系数： 校核计算时的附加厚度C按P19第7.6条选取。C-yminJ321CCCC 由钢管制成的直集箱筒体： C1：一般取0.5mm，若集箱在设计运行期限内，腐蚀减薄值超过0.5mm，则取实际减薄值。 =0。 ：按下式计算 m：钢管厚度负偏差与取用厚度的百分

22、比值： 2C3C100m3C%100m负偏差值 由钢管弯成的圆弧形集箱筒体： C1：一般取0.5mm，若集箱在设计运行期限内，腐蚀减薄值超过0.5mm，则取实际减薄值。 按下式计算 按下式计算 n：圆弧集箱中心线的半径R与集箱筒体外径DW的比值。 n=R/DW1n4n2312CCC2C3C100m3C 例3：省煤器集箱 已知：材料20G，规格159 使用温度230，负偏差 m=10% 计算压力P=15MPa 求：计算壁温tbi=？ 许用应力=？ 取用厚度=？ 例4：省煤器进口联箱腐蚀减薄时，校核过热器出口联箱的新额定压力是多少？ 已知：联箱规格15912mm，材质20G。 Pe=10MPa，m

23、in=0.75 tbi=250, =125MPa 实测联箱壁厚9.1mm且均衡。 求：如果不更换联箱，当过热器总阻力1.2MPa，省煤器总阻力0.6MPa，省煤器联箱的静压=0。 则过热器出口联箱的新Pe=？5.管道强度计算直管道理论计算厚度公式：其中： p计算压力 Mpa Dw管道外径 mm 焊缝减弱系数L 直管道理论计算厚度 mm p 2pDhwLh公式适用范围：L L按管子或管道理论计 算 厚 度 算出的外径与内径的比值。 L Dw/(Dw-2L) 当L满足L 2.00条件时，理论计算公式适用。 直管道：直管成品最小需要厚度： min =L +C1直管设计计算厚度： s =L +C直管取

24、用厚度应满足： s弯管： 由钢管弯成的弯管： 弯管外弧侧理论计算厚度： wL =KL K弯管形状系数 R弯管中心线的半径 mmww244DRDRK由钢管弯成的弯管：弯管成品外弧侧最小需要厚度： wmin =wL +C1弯管设计计算厚度： ws =wL +C弯管取用厚度应满足： ws焊接弯管和铸造弯管： 由钢板压制的焊接弯管（R/Dw 3.5）和铸造弯管的厚度按直管计算。 但是： 焊接弯管的附加厚度C=C1+C2+C3 铸造弯管的附加厚度C=A1L+2 A1系数2)/(41w1DRA 计算压力：p管子的压力计算与锅筒的计算方法相同。P=Pg+ PaPg =Pe+ Pz+ Psz其中：Pg 工作压

25、力 MPaPa设计附加压力 MPaPe锅炉额定压力 MPaPz 介质流动阻力附加压力 MPaPsz计算元件所受液柱静压力 Mpa 再热蒸汽管子计算压力p取锅炉在额定压力时再热蒸汽管子中介质工作压力的1.15倍。焊缝减弱系数： 对于无缝钢管 对于由钢板压制的焊接弯管，焊缝减弱系数与锅筒取值相同。P11，表7。h1h附加厚度：C 1.直管附加厚度C=C1+C3 2.由钢管弯成的弯管和钢板压制的焊接弯管附加厚度C=C1+C2+C3 3.铸造弯管附加厚度C=A1L+2C1考虑腐蚀减薄的附加厚度C2考虑钢板工艺减薄的附加厚度C3考虑钢板厚度负偏差的附加厚度单位：mm取值规定：规程P22第8.5条。 直管

26、附加厚度的取值： C1：一般取0.5mm，若集箱在设计运行期限内，腐蚀减薄值超过0.5mm，则取实际减薄值。 C2 =0 C3 ：13m-100mCCL 钢管弯成的弯管附加厚度的取值： C1：一般取0.5mm，若集箱在设计运行期限内，腐蚀减薄值超过0.5mm，则取实际减薄值。 C2 ： 弯管工艺系数a： C3 ：12a-100aCCWLRDW25a 213m-100mCCCWL 由钢板压制的焊接弯管附加厚度的取值： 条件限制：当R/DW3.5时 C1：一般取0.5mm，若集箱在设计运行期限内，腐蚀减薄值超过0.5mm，则取实际减薄值。 C2：取钢板压制时的实际工艺减薄值。 C3：与锅筒取值相同

27、，即当20mm时，取钢板标准规定负偏差；当20mm时，可不考虑；如钢板厚度负偏差超过0.5mm，则在附加厚度中应加上此超出值。校核计算： 校核计算时，直管最高允许计算压力： 其中：p直管校核计算最高允许计算压力 h 焊缝减弱系数 y 直管有效厚度 Dw 管子外径取值规定见规程P23第8.6条。 ywyhDp-2弯管校核计算： 校核计算时，弯管最高允许计算压力： 其中：pw弯管校核计算最高允许计算压力 h 焊缝减弱系数 wy 弯管外弧侧的有效厚度 K 弯管形状系数取值规定见规程P23第8.6条。 ywwywhwKDp-2特别注意：特别注意： 带弯管的管子或管道的最高允许计算压力应取直管和弯管计算

28、结果中较小值。 即 和 两公式计算结果中较小值。 y =wy = -C 。 y也可取实际最小厚度减去腐蚀减薄值。 ywyhDp-2 ywwywhwKDp-2 校核计算时的附加厚度： 1. 直管： 2. 钢管弯制的弯管和钢板压制的焊接弯管（当R/DW3.5时）： 3. 铸造弯管： 其中31CCC321CCCC1112AAC2/411WDRA C1：一般取0.5mm，若管道在设计运行期限内，腐蚀减薄值超过0.5mm，则取实际减薄值。 由钢板压制的焊接弯管（当R/DW3.5时）， 取钢板的实际工艺减薄值。 取实际钢板厚度负偏差。32-100aCC100m3C2C3C 例6：省煤器管的校核计算 已知：

29、材料20G，规格1598mm 计算壁温tbi=250 负偏差 m=10% 求：有效厚度y=？ 直管校核计算最高允许压力P=?强度计算公式汇总：强度计算公式汇总： 锅筒、集箱、管子都是承受内压力两端封闭受焊缝、开孔锅筒、集箱、管子都是承受内压力两端封闭受焊缝、开孔减弱的厚壁圆筒，其强度计算应考虑减弱等的影响减弱的厚壁圆筒，其强度计算应考虑减弱等的影响 1锅筒：锅筒： mm； MPa； 2集箱集箱由无缝钢管制成，其规格一般采用外径表示由无缝钢管制成，其规格一般采用外径表示 mm； MPa； 3管子及管道管子及管道 mm； MPa； PPDnL2minynyjDP2yynDP 2)(PPDwL2minywyjDP2yywDP 2)(PPDwL2minywyhDP26.开孔补强 1.开孔补强适用条件： d/Dn 0.8，且d130103mm2时， 按Dny 130103mm2查取；.当d 200mm时， 取d200mm。 即：未加强孔的最大允许直径按图表 查取，但最大200mm。6.孔的补强结构：当锅炉额定压力pe 2.5MPa时，允许使用以下方式补强：6.孔的补强结构：当锅炉额