工业锅炉第6章受压元件强度计算课件.ppt

1、1第六章第六章 受压元件强度计算受压元件强度计算261 概述（概述（1）l受压元件受压元件 承受内压力（工质压力）以及附加载荷的汽水系统元件承受内压力（工质压力）以及附加载荷的汽水系统元件l工质压力工质压力 正常运行时稳定的工作压力正常运行时稳定的工作压力 锅炉启停过程中压力的升降锅炉启停过程中压力的升降 水压试验过程中压力的变化水压试验过程中压力的变化l附加载荷附加载荷 均匀外载（元件自重，工质重量）均匀外载（元件自重，工质重量） 局部集中外载（支撑，拉撑和悬挂）局部集中外载（支撑，拉撑和悬挂） 热应力和腐蚀介质热应力和腐蚀介质锅筒，集箱，管子锅筒，集箱，管子361 概述（概述（2）塑性，蠕

2、变，脆性，低周期疲劳极限、腐蚀塑性，蠕变，脆性，低周期疲劳极限、腐蚀l受压元件特点受压元件特点 经常处于高温高压经常处于高温高压l受压元件强度受压元件强度 受压元件寿命期内及正常工作条件下，不发生破坏（失效）能力受压元件寿命期内及正常工作条件下，不发生破坏（失效）能力l强度计算目的强度计算目的 合理选用钢材（保证安全节省钢材）合理选用钢材（保证安全节省钢材） 合理设计锅炉合理设计锅炉 合理运行方式合理运行方式l强度计算任务强度计算任务 设计计算：工作压力壁温钢材结构设计计算：工作压力壁温钢材结构 壁厚壁厚 校核计算：材料结构校核计算：材料结构 允许压力允许压力461 概述（概述（3）l强度计算

3、标准强度计算标准 GB922288水管锅炉受压元件强度计算水管锅炉受压元件强度计算JB362284锅壳式锅炉受压元件强度计算锅壳式锅炉受压元件强度计算蒸汽锅炉安装技术监察规程蒸汽锅炉安装技术监察规程中低压锅炉焊接管孔尺寸中低压锅炉焊接管孔尺寸l强度控制原则强度控制原则控制极限应力：内壁的最大应力（脆性材料）控制极限应力：内壁的最大应力（脆性材料）控制极限载荷：工作压力小于极限压力（塑性材料）控制极限载荷：工作压力小于极限压力（塑性材料）562 金属机械性能（金属机械性能（1）l材料强度材料强度 承受一定形式的外力作用而不被破坏的能力承受一定形式的外力作用而不被破坏的能力l金属机械性能金属机械性

4、能 承受某种形式的外力作用时所表现出的力学特性承受某种形式的外力作用时所表现出的力学特性l弹性变形弹性变形 载荷除去后即行消失的变形载荷除去后即行消失的变形l塑性变形塑性变形 载荷除去后并不消失而残留的变形载荷除去后并不消失而残留的变形662 金属机械性能（金属机械性能（2）冷态（冷态（1）l弹性极限弹性极限d 弹性变形的极限点弹性变形的极限点l屈服极限屈服极限s或或0.2 试件丧失抵抗变形的能力试件丧失抵抗变形的能力 开始发生塑性变形开始发生塑性变形l抗拉强度抗拉强度b 试件能承受的最大应力试件能承受的最大应力 最终拉断时的应力最终拉断时的应力 （出现缩颈现象）（出现缩颈现象）虎克定律虎克定

5、律EsE：材料弹性模数：材料弹性模数s：应变：应变762 金属机械性能（金属机械性能（3）冷态（冷态（2）l延伸率延伸率 拉伸试验中试件断裂时的相对伸长量与原始长度之比拉伸试验中试件断裂时的相对伸长量与原始长度之比 （产生塑性变形的能力）（产生塑性变形的能力）l断面收缩率断面收缩率 拉伸试验中试件断裂时断面缩小值与原有截面之比拉伸试验中试件断裂时断面缩小值与原有截面之比 （产生塑性变形的能力）（产生塑性变形的能力）l冲击值冲击值k 试件破坏时单位面积所需消耗的能量试件破坏时单位面积所需消耗的能量 （抵抗冲击载荷的能力，韧性或脆性）（抵抗冲击载荷的能力，韧性或脆性）862 金属机械性能（金属机械

6、性能（4）冷态（冷态（3）l应力集中应力集中 金属材料在断面突变的部位，局部区域的应力明显超过平均值金属材料在断面突变的部位，局部区域的应力明显超过平均值 l应力集中系数应力集中系数 最大应力最大应力max与平均应力与平均应力0之比之比 l局部屈服局部屈服 max大于大于s，最大应力点局部屈服，最大应力点局部屈服 （不会使材料破坏）（不会使材料破坏） 962 金属机械性能（金属机械性能（5）热态（热态（1）温度升高温度升高（低温区）（低温区）抗拉强度升高抗拉强度升高塑性下降塑性下降时效硬化时效硬化（蓝脆性）（蓝脆性）温度升高，温度升高，s降低降低高温没有屈服平台高温没有屈服平台1062 金属机

7、械性能（金属机械性能（6）热态（热态（2）l蠕变蠕变 塑性变形随时间延长而不断加大塑性变形随时间延长而不断加大高温高温应力应力弹性变形期弹性变形期oa蠕变减速期蠕变减速期ab蠕变等速期蠕变等速期bc蠕变加速期蠕变加速期cd室温下也会有蠕变室温下也会有蠕变不同材料蠕变曲线不同不同材料蠕变曲线不同同材料不同温度和应力蠕变曲线不同同材料不同温度和应力蠕变曲线不同1162 金属机械性能（金属机械性能（7）热态（热态（3）l蠕变极限蠕变极限 某温度下在指定工作期间内引起允许总应变的应力某温度下在指定工作期间内引起允许总应变的应力 l持久强度持久强度D 某温度下经历指定工作期限后不引起蠕变破断的最大应力某

8、温度下经历指定工作期限后不引起蠕变破断的最大应力 考虑变形考虑变形考虑破坏，与抗拉强度和屈服极限组成基本指标考虑破坏，与抗拉强度和屈服极限组成基本指标l疲劳疲劳 承受周期重复应力时在低于抗拉强度甚至屈服极限载荷下损坏承受周期重复应力时在低于抗拉强度甚至屈服极限载荷下损坏l疲劳极限疲劳极限p 允许的一定次数重复应力循环作用下不使金属破坏的最大应力允许的一定次数重复应力循环作用下不使金属破坏的最大应力1262 金属机械性能（金属机械性能（8）强度理论（强度理论（1）l强度理论强度理论 脆性断裂理论脆性断裂理论 最大拉应力理论最大拉应力理论 （第一强度理论）（第一强度理论） 最大伸长线应变理论（第二

9、强度理论）最大伸长线应变理论（第二强度理论） 塑性屈服理论塑性屈服理论 最大剪应力理论（第三强度理论）最大剪应力理论（第三强度理论） 形状改变比能理论（第四强度理论）形状改变比能理论（第四强度理论）l破坏形式破坏形式 脆性断裂脆性断裂 塑性屈服塑性屈服1362 金属机械性能（金属机械性能（9）强度理论（强度理论（2）最大拉应力理论最大拉应力理论 只要最大拉应力达到极限值，就会发生脆性断裂只要最大拉应力达到极限值，就会发生脆性断裂最大伸长线应变理论最大伸长线应变理论（用于混凝土）（用于混凝土） 只要最大伸长线应变达到极限值，就会发生脆性断裂只要最大伸长线应变达到极限值，就会发生脆性断裂最大剪应力

10、理论最大剪应力理论 只要最大剪应力达到极限值，就发生屈服破坏只要最大剪应力达到极限值，就发生屈服破坏形状改变比能理论形状改变比能理论 只要形状改变比能达到极限值，就发生屈服破坏只要形状改变比能达到极限值，就发生屈服破坏无论材料处于什么应力状态无论材料处于什么应力状态锅筒，集箱，管子，管道锅筒，集箱，管子，管道1463 安全系数与许用应力安全系数与许用应力l许用应力许用应力 = j ：基本许用应力修正系数基本许用应力修正系数j ：基本许用应力基本许用应力l基本许用应力基本许用应力jbt&nb：抗拉强度及其安全系数（抗拉强度及其安全系数（2.7）st&ns：屈服强度及其安全系数（屈服强度及其安全系

11、数（1.5）Dt&nD：持久强度及其安全系数（持久强度及其安全系数（1.5） （P121更正为更正为105小时）小时） DtDstsbtbjnnn,min1564 圆筒形元件强度计算（圆筒形元件强度计算（1）l应力分析条件应力分析条件两端封闭的没有减弱的薄壁容器（两端封闭的没有减弱的薄壁容器（S2 31664 圆筒形元件强度计算（圆筒形元件强度计算（2）l强度条件强度条件 21max2)(2131minmaxmax231受力分析受力分析许用剪应力与单向拉伸的许用拉应力许用剪应力与单向拉伸的许用拉应力 SpDp21764 圆筒形元件强度计算（圆筒形元件强度计算（3）21最小需要壁厚最小需要壁厚S

12、min SminSlc （c:附加壁厚）附加壁厚）实际选用壁厚实际选用壁厚S Smin附加壁厚附加壁厚cc1c2c3l壁厚计算（设计计算）壁厚计算（设计计算）理论计算壁厚理论计算壁厚 Sl PPDSnl 2PPDSwl 2以内径表示以内径表示以外径表示以外径表示c1：腐蚀减薄的附件壁厚：腐蚀减薄的附件壁厚c2：钢板或钢管的壁厚负偏差：钢板或钢管的壁厚负偏差c3：卷板的工艺减薄值：卷板的工艺减薄值1864 圆筒形元件强度计算（圆筒形元件强度计算（4）l壁厚计算使用范围壁厚计算使用范围对筒体外径和内径比值的限制对筒体外径和内径比值的限制对筒体椭圆度的限制对筒体椭圆度的限制对不等壁厚筒体联接过渡段梯

13、度的限制对不等壁厚筒体联接过渡段梯度的限制1964 圆筒形元件强度计算（圆筒形元件强度计算（5）21有效壁厚有效壁厚SyScl允许压力计算（校核计算）允许压力计算（校核计算）以内径表示以内径表示以外径表示以外径表示ynySDSP 2ywySDSP 22065 锅筒、集箱及管子的强度计算（锅筒、集箱及管子的强度计算（1）l结构特点结构特点锅筒等开设孔排（密集）或孤立孔锅筒等开设孔排（密集）或孤立孔有效承载截面积减小有效承载截面积减小筒体强度降低筒体强度降低2165 锅筒、集箱及管子的强度计算（锅筒、集箱及管子的强度计算（2）l壁厚计算（设计计算）壁厚计算（设计计算）最小减弱系数最小减弱系数min

14、焊缝减弱系数焊缝减弱系数h焊缝处开孔焊缝处开孔minh PPDSnl2minPPDSwl2minPPDShwl22265 锅筒、集箱及管子的强度计算（锅筒、集箱及管子的强度计算（3）21有效壁厚有效壁厚SyScl允许压力计算（校核计算）允许压力计算（校核计算）以内径表示以内径表示以外径表示以外径表示ynySDSP2minywySDSP2min2365 锅筒、集箱及管子的强度计算（锅筒、集箱及管子的强度计算（4）l使用范围使用范围相邻两孔节距较近（排列密集）相邻两孔节距较近（排列密集）孤立孔采用孔加强孤立孔采用孔加强中部不受影响中部不受影响2465 锅筒、集箱及管子的强度计算（锅筒、集箱及管子的

15、强度计算（5）l最大最小壁厚最大最小壁厚薄：局部塌陷，变形过大（不小于薄：局部塌陷，变形过大（不小于6mm或或12mm）厚：热应力，低周疲劳厚：热应力，低周疲劳2566 封头的强度计算（封头的强度计算（1）l封头分类封头分类类别类别受力受力壁厚壁厚凸形封头凸形封头（椭球椭球，球形球形）张力张力沿壁厚均匀沿壁厚均匀与与筒体基本相同筒体基本相同平平封头封头弯曲弯曲力力沿壁厚不均匀沿壁厚不均匀大于筒体壁厚大于筒体壁厚2666 封头的强度计算（封头的强度计算（2）l计算特点计算特点类别类别无孔无孔有孔有孔凸形封头凸形封头（椭球椭球，球形球形）形状系数形状系数减弱系数减弱系数增大封头厚度增大封头厚度平平

16、封头封头结构系数结构系数结构系数结构系数2767 孔的加强（孔的加强（1）l背景及必要性背景及必要性开孔开孔 应力集中应力集中孔径孔径 应力集中系数应力集中系数 （开孔直径大于最大允许开孔直径）（开孔直径大于最大允许开孔直径）增加壁厚或孔加强增加壁厚或孔加强2867 孔的加强（孔的加强（2）l未加强孔未加强孔种类种类 胀接孔、螺栓孔、手孔等机械加工开孔胀接孔、螺栓孔、手孔等机械加工开孔 接头与筒体、集箱箱体和封头的连接是单面填角焊缝接头与筒体、集箱箱体和封头的连接是单面填角焊缝 采用加强结构的孔的加强但不能满足条件的孔采用加强结构的孔的加强但不能满足条件的孔未加强孔的最大允许开孔直径未加强孔的

17、最大允许开孔直径 （不影响筒体强度的最大开孔直径，最大限度（不影响筒体强度的最大开孔直径，最大限度200mm）2967 孔的加强（孔的加强（3）l孔加强计算原则孔加强计算原则等面积加强法等面积加强法 加强面积不少于加强所需要的面积（由于开孔减少的面积）加强面积不少于加强所需要的面积（由于开孔减少的面积）F1+F2+F3+F4大于或等于大于或等于F F：加强所需要面积：加强所需要面积 F1：起加强作用的焊缝面积：起加强作用的焊缝面积 F2：起加强作用的管接头多余面积：起加强作用的管接头多余面积 F3：起加强作用的垫板面积：起加强作用的垫板面积 F4：起加强作用的锅筒筒体、集箱筒体的多余面：起加强作用的锅筒筒体、集箱筒体的多余面 积积孔加强的有效范围孔加强的有效范围加强材料的分布加强材料的分布3067 孔的加强（孔的加强（4）l孔桥加强计算孔桥加强计算等面积加强法等面积加强法管接头加强管接头加强加强至对应于整个筒体加强至对应于整个筒体 允许最小的减弱系数的当量直径允许最小的减弱系数的当量直径