南师大锅炉原理课件15 strength calculation of boiler pressurized parts

PrinciplesofBoilerChap15strengthcalculationofpressurizedparts

第十五章锅炉受压元件强度计算（专题）卢平

博士、教授Email:luping@

SchoolofEnergy&MechanicalEngineering,NNU南京师范大学能源与机械工程学院2025/6/221教学要求基本要求了解锅炉受压元件的种类和特点。掌握圆筒形受压元件的应力型式和计算方法掌握减弱系数和附加壁厚的计算方法和选取原则了解锅筒、集箱、管子、封头及平端盖的强度计算方法了解孔加强度计算的基本原则和方法重点和难点锅筒、集箱、管子、凸形封头及平端盖的强度计算方法阅读材料教材：pp.249-2602025/6/222Contents15.1Stressanalysisandmaximumshearstresstheory第一节圆筒形元件的应力分析及第三理论简介15.2Strengthcalculationofcylindricalvessels第二节锅筒，集箱，管子的强度计算15.3Strengthcalculationofspherical(ellipsoidal,conical)vessels第三节承受内压力的凸形封头及平端盖的强度计算15.4strengtheningofboresincylindricalvessels第四节孔的加强度计算Summary本章小结2025/6/22315.1Basicconceptionofboilerpressurecomponents

§15.1锅炉受压元件计算的基本概念1.WhatistheBoiler

pressurizedcomponents？ 什么是锅炉受压元件？Thepressurizedcomponentsofwater-steamsysteminboilerproper在锅炉本体中承受内压力的汽水系统元件Steamdrum锅筒Header集箱Water-coolingwall水冷壁Down-comer下降管Screen&tubebanker对流管束凝渣管Superheater&reheater过热器与再热器Economizer省煤器andvalves,

etc阀门附件等2025/6/22415.1Basicconceptionofboilerpressurecomponents

§15.1锅炉受压元件计算的基本概念Theworkingconditionisverybad受压元件工作条件恶劣Theoutsideofpressurizedcomponentsareradiatedanderodedbyhightemperaturefluegasinthefurnace外部受到炉内强烈的辐射和高温烟气的冲刷.Theinsideofpressurizedcomponentsarebyhigh-pressurewaterandsteam内部受到高压水或水蒸气作用.Duetosomedeformationofcomponents,brokenandexplosionwillbehappened.在高温、高压和腐蚀的作用下，由于加工变形或钢材不合格，导致受压元件的破裂，甚至引起爆炸事故。2025/6/2252.StrengthofPressureparts受压元件强度锅炉在受压元件寿命期内及正常工作条件下，不发生塑性、蠕变、脆性、低周期疲劳极限的破裂及各种类型的腐蚀破坏的能力。Plasticity塑性：与弹性相比，不能恢复倒原始尺寸Creep蠕变：在长期的恒定温度及压力作用下发生缓慢塑性变形的现象Brittle脆性：冷脆、热脆、苛性脆化等LowCycleFatigue低周期疲劳：应力等于或高于材料屈服极限时的疲劳Erosion腐蚀：拉应力和腐蚀介质联合作用（应力腐蚀）、化学腐蚀15.1Basicconceptionofboilerpressurecomponents

§15.1锅炉受压元件计算的基本概念2025/6/226钢材在常温静荷下的机械性能的基本指标一般以：Strengthindex强度指标：由单向拉伸试验测定Plasticindex塑性指标：由单向拉伸试验测定Toughnessindex韧性指标：材料破坏前所能吸收塑性变形的能力弹性阶段：流动阶段：屈服极限强化阶段：强度极限颈缩断裂塑性阶段不同成分的钢材，其弹性变形能力基本是相同的，强度指标和塑性指标有很大差别。高温性能：蠕变、应力松弛、疲劳15.1Basicconceptionofboilerpressurecomponents

§15.1锅炉受压元件计算的基本概念2025/6/22715.1Basicconceptionofboilerpressurecomponents

§15.1锅炉受压元件计算的基本概念3.NationalStandard我国强度计算标准及规定“Strengthcalculationofpressurepartsofwater-tubeboiler”《水管锅炉受压元件强度计算》GB9222规定了水管锅炉用材料及其许用应力规定了有关受压元件的强度计算方法及决定最高允许计算压力的验证实验方法“Strengthcalculationofpressurepartsofshellboiler”《锅壳式锅炉受压元件强度计算》GB/T16508-1996规定了由低碳钢和低碳锰钢有烟管和炉胆的固定式锅壳锅炉受压元件的有关结构和计算方法铸铁锅炉受压元件的有关结构和计算方法2025/6/2284.Safetyfactorandallowablestress安全系数与许用应力

由材料力学可知，当钢材应力达到屈服极限或强度极限时，材料就要永久变形或破坏锅炉受压元件是长时受压，应考虑长期强度特性——蠕变极限或持久强度极限。蠕变——材料在高温及恒压下随时间的延长，其塑性变形不断增加的现象持久强度极限——材料在一定温度下，在规定的时间内（设计寿命期内，105h)不发生蠕变破裂的最大应力。15.1Basicconceptionofboilerpressurecomponents

§15.1锅炉受压元件计算的基本概念2025/6/2294.Safetyfactorandallowablestress安全系数与许用应力

我国锅炉受压元件强度指标规定为：计算温度时的屈服限常温(20)时的抗拉强度计算温度时的持久强度，寿命一般取105h在选取锅炉受压元件安全系数时，应考虑：保证锅炉运行安全可靠一定的经济性，节约钢材15.1Basicconceptionofboilerpressurecomponents

§15.1锅炉受压元件计算的基本概念2025/6/22104.Safetyfactorandallowablestress安全系数与许用应力

安全系数为了使锅炉安全工作，元件应力应远小于引入安全系数的概念来反映远小于的程度材料特性与实际元件真实的强度特性之间的差异制造工艺水平应留的余地计算公式中未反映出的力和力矩及计算公式所用的强度理论与真实情况之间的差异基本许用应力：将原材料考虑了安全系数后的应力表9-9，pp.251nb＝2.7ns＝1.5nD＝1.515.1Basicconceptionofboilerpressurecomponents

§15.1锅炉受压元件计算的基本概念2025/6/22114.Safetyfactorandallowablestress安全系数与许用应力

许用应力实际锅炉受压元件，规定不得超过材料的某一应力的许可值，即在基本许用应力的基础上，采用系数修正，所得到的为许用应力修正系数查表9-10，pp.25115.1Basicconceptionofboilerpressurecomponents

§15.1锅炉受压元件计算的基本概念2025/6/22125.Calculationwalltemperature计算壁温

壁温对材料的强度影响很大任何情况下，锅炉受压元件计算壁温不应低于250ºC详细查表9-11～表9-13Drum锅筒筒体计算壁温Header集箱和防焦箱筒体计算壁温Tubes管子和管道的计算壁温15.1Basicconceptionofboilerpressurecomponents

§15.1锅炉受压元件计算的基本概念2025/6/22136.Calculationpressure计算压力

锅炉受压元件强度计算时所取用的压力值，以表压为准对锅筒、一般集箱筒体、管子及管道

Pg——锅炉工作压力；ΔPa——锅炉出口安全阀较低始启压力与锅炉额定压力的差值Pe——锅炉额定压力ΔPz——最大流量时计算元件至锅炉出口之间的压力降，0.1PeΔPs——计算元件所受液柱静压力值，<Pg的3％时可忽略15.1Basicconceptionofboilerpressurecomponents

§15.1锅炉受压元件计算的基本概念2025/6/2214Strengthreductioncylinder减弱：指由于受压元件壁面开孔或焊缝的存在，使该处应力水平提高，对构件强度的不利影响。NoStrengthreductioncylinder未减弱圆筒元件：是指不存在壁面开孔和焊缝的承压元件，如：无缝钢管或管道等。15.2Strengthcalculationofcylindricalvessels

第二节锅筒，集箱，管子的强度计算2025/6/22151.Stressanalysisofcylinder圆筒形元件应力分析

1)condition分析条件两端封闭的没有减弱的薄壁容器，S<<D承受内压力的作用且主要产生轴向伸长和径向胀大的变形破坏变形主要以塑性流动和剪切的破坏以切向、轴向和径向三种应力进行分析15.2Strengthcalculationofcylindricalvessels

第二节锅筒，集箱，管子的强度计算2025/6/22162)Stressanalysis应力分析圆筒形元件在受内压力P的作用下主要产生两种变形：轴向伸长径向长大壁面上的任意一点将产生三个方向的主应力：切向应力轴向应力径向应力

15.2Strengthcalculationofcylindricalvessels

第二节锅筒，集箱，管子的强度计算2025/6/2217Tangential切向应力

15.2Strengthcalculationofcylindricalvessels

第二节锅筒，集箱，管子的强度计算2025/6/2218Axialstress轴向应力

15.2Strengthcalculationofcylindricalvessels

第二节锅筒，集箱，管子的强度计算2025/6/2219Radialstress径向应力内壁：

外壁负号表示为压应力15.2Strengthcalculationofcylindricalvessels

第二节锅筒，集箱，管子的强度计算2025/6/22203)Discussion分析与讨论均为拉应力，而为压应力存在为沿壁厚的变量，且在内壁上最大，为常量内壁应力状态最为严重，运行时应特别注意内壁的应力集中状态。15.2Strengthcalculationofcylindricalvessels

第二节锅筒，集箱，管子的强度计算2025/6/22212.第三强度理论（最大剪应力强度理论）

材料发生塑性流动或剪断破坏时，是由于载荷在任意一点(最危险点)的最大剪切应力达到单向拉伸时材料的最大剪应力极限值，强度条件为：

：材料在单向拉伸时的许用剪应力，它与单向拉伸的许用拉应力关系为：最大剪切应力:由上述三式分析可得：

15.2Strengthcalculationofcylindricalvessels

第二节锅筒，集箱，管子的强度计算2025/6/22223.强度计算公式对于未减弱圆筒形元件，其理论计算壁厚计算公式：mmmm以内径表示：以外径表示：筒体的最小壁厚为：取用壁厚为：公式适用范围pp.252-25315.2Strengthcalculationofcylindricalvessels

第二节锅筒，集箱，管子的强度计算2025/6/22234.锅筒、集箱、管子的强度计算锅筒、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，这类焊缝和孔都使筒壁的内应力增加，使元件的强度减弱，其强度计算应考虑减弱等的影响。通常采用简化办法，对焊缝和开孔减弱的元件引入一个小于1.0的系数，称为最小减弱系数。修正许用应力，相当于在无减弱的情况下打个折扣。锅筒集箱管子和管道15.2Strengthcalculationofcylindricalvessels

第二节锅筒，集箱，管子的强度计算2025/6/2224校核计算时，各受压元件的允许最小减弱系数核允许工作压力由下式计算：1．锅筒2．集箱3．管子和管道校核部位的减弱系数各元件的有效壁厚，Sy

=S–C，实测壁厚15.2Strengthcalculationofcylindricalvessels

第二节锅筒，集箱，管子的强度计算2025/6/22255.Reductionfactor减弱系数1)孔桥减弱孔桥——是指相邻两孔间的最小的金属截面区，有纵向、横向核斜向，分别以表示不考虑孔间减弱影响的最小节距为：当相邻两孔间的节距大于或等于计算值t0时，该孔桥的减弱可不考虑。15.2Strengthcalculationofcylindricalvessels

第二节锅筒，集箱，管子的强度计算2025/6/22261)孔桥减弱纵向孔桥减弱系数：表示开孔后金属有效截面与未开孔时有效截面的比值15.2Strengthcalculationofcylindricalvessels

第二节锅筒，集箱，管子的强度计算2025/6/22271)孔桥减弱横向孔桥减弱系数：表示开孔后金属有效截面与未开孔时有效截面的比值，对于等直径横向相邻两孔有：15.2Strengthcalculationofcylindricalvessels

第二节锅筒，集箱，管子的强度计算2025/6/22281)孔桥减弱斜向孔桥减弱系数：由于三个主应力不在斜向，作适当换算，对于等直径斜向相邻两孔有：15.2Strengthcalculationofcylindricalvessels

第二节锅筒，集箱，管子的强度计算2025/6/22291)孔桥减弱不等径孔桥的计算采用（pp.225)具有凹形管座的开孔孔桥的计算采用采用非径向孔孔桥的计算采用（pp.226)对横向孔桥

对斜向孔桥

15.2Strengthcalculationofcylindricalvessels

第二节锅筒，集箱，管子的强度计算2025/6/22302)焊缝减弱表示对焊接工艺（焊接强度）的不信任程度。一般与焊接方式、坡口形势、检测手段、残余应力消除手段程度、工艺掌握及钢材类别等因素有关，按表3-24(pp.222)取用。3)最小减弱系数的确定强度计算时的最小减弱系数为下述四项减弱系数的最小值，即：15.2Strengthcalculationofcylindricalvessels

第二节锅筒，集箱，管子的强度计算2025/6/22316.附加壁厚C附加壁厚主要考虑：钢板或管子的下偏差元件在使用期间的腐蚀减薄量钢板卷制时的工艺减薄弯管时的工艺减薄及弯管应力所产生的影响锅筒筒体直集箱及直管段环形集箱和弯头15.2Strengthcalculationofcylindricalvessels

第二节锅筒，集箱，管子的强度计算2025/6/22321.凸形封头强度计算条件：15.3Strengthcalculationofsphericalvesselhead

15.3承受内压力的凸形封头及平端盖的强度计算2025/6/22332.平端盖强度计算

取用壁厚：15.3Strengthcalculationofsphericalvesselhead

15.3承受内压力的凸形封头及平端盖的强度计算2025/6/22341.未加强孔的最大允许