第4讲：锅炉压力容器强度设计及制造要求

1、 张启波张启波 青岛理工大学青岛理工大学 锅炉压力容器安全 Boiler pressure container safety 第四章 锅炉压力容器强度设计及制造要求 o第1节 强度设计概述 o第2节 锅炉压力容器用钢材 o第3节 筒体与封头强度设计 o第4节 开孔补强 o第5节 锅炉压力容器结构设计的安全问题 o第6节 锅炉压力容器制造质量控制 o第7节 锅炉压力容器制造管理 第第1 1节节 强度设计概述强度设计概述 锅炉压力容器受压元件的“升压”与“承压能力” 是两回事，“升压”取决于介质获得能量与改变参数 的方式和途径，“承压能力”则取决于元件的质量和 性能。“升压、受压”的元件不一定具有

2、“承压能 力”。 锅炉压力容器受压元件的承压能力，是指元件承 受介质压力载荷而不破坏的能力，即元件的强度。可 用元件的许用压力p表示。 一、强度理论 一、强度理论 （一）锅炉压力容器的失效 构件失效：失去预定工作能力； 强度失效：因强度不足引起的失效。如：构件破 坏、破裂、断裂； 因刚度不足或稳定性不足：-过量的弹形变形或失 稳坍塌； 稳定性：细杆被压缩后弯曲，薄壁圆筒受内压变 为椭圆。 锅炉压力容器失效主要是强度失效，包括：静载 强度失效及交变载荷长期反复作用引起的疲劳强度失 效。 承受外压的锅炉压力容器部件及元件，即包括： 强度失效，也包括失稳失效。 一、强度理论 （二）强度设计的任务 设

3、计任务: 强度设计-强度计算-设计计算根据材料、 尺寸、T、P，计算壁厚； 核算计算核算元件所能承受的压力载荷p 。 一、强度理论 （三）强度理论及强度条件 强度理论失效判据研究构件在不同应力状态 下产生强度失效的共同原因的理论。 根据出现的先后次序，分为第一、第二、三、四 理论。锅炉压力容器强度设计常涉及的是：第一、三、 四理论。 这些理论的统一表达式为： Si；材料的许用应力；Si依据一 定强度理论得出的当量理论或应力强度。 一、强度理论 （三）强度理论及强度条件 第一强度理论：-最大拉应力强度理论。-无论 材料处于什么应力状态，只要发生脆性断裂，其共同 原因是由于构件的最大拉应力1达到了

4、极限。 S1=1； 第二强度理论：是根据变形极限确定的。 一、强度理论 （三）强度理论及强度条件 第三强度理论：-最大剪应力理论，-无论材料 处于什么应力状态，只要发生屈服失效，其共同原因 是由于构件的最大剪应力max达到了极限。 对于任意应力状态其：max=（1-3）/2； 在单向拉伸时，当拉应力达到极限s时，与轴向 成45度的斜截面上的相应的最大剪应力为 max=s/2，发生屈服。则准则应为： （1-3）/2=s/2；- （1-3）=s； S3=1-3； 一、强度理论 （三）强度理论及强度条件 第四强度理论：也叫歪形能强度理论。-无论材 料处于什么应力状态，只要发生屈服失效，其共同原 因是

5、由于构件的歪形能（形状变形比能）达到了极限。 产生变形所做的功全部转为变形能。 222 4122331 2 ()()() 2 S 二、设计准则 强度控制原则 （一）弹性失效准则-极限应力法 构件上应力最大点的当量应力达到材料的屈服点 时，整个构件丧失工作能力。一点失效即构件失效。 （二）塑性失效准则极限载荷法 一点的当量应力达到屈服点，整个结构并不失效。 只有当整个截面上各点当量应力均达到屈服点，结构 才失效。 对于拉伸杆件或薄壁园筒，其应力沿壁厚是均匀 分布的，一点失效与整个截面失效是相同的。而对于 厚壁圆筒则不同。 二、设计准则 强度控制原则 显然，采用弹性失效准则偏于安全与保守。但不 论

6、采取那种准则，都要选取安全系数。 我国锅炉强度控制采用塑性失效准则，一般压力 容器采用弹性失效准则。 二、设计准则 安全系数 材料许用应力一般由： b/nb；s/ns； b-常温下抗拉强度； s-常温或工作温度下的屈服点s； 当材料在高温工作时，还需考虑材料高温性能指 标-持久强度D，蠕变极限n。 取：b/nb；s/ns；D/nD；n/nn；最小值。 容器的各种承压部件，承载的应力： 1、内压引起的薄膜应力； 2、边界效应引起的不连续应力； 3、热膨胀受到约束而引起的热应力； 4、还包括：壳体开孔接管等产生的局部应力。 这些不同条件引起的、具有不同性质的各类应力， 在导致容器或其他部位发生破坏

7、所引起的作用是否完全 一致？ 有些应力分布在整个截面上，使部件发生整体变形， 随应力增大-变形也会毫无限制增加。当达到材料屈 服极限发生塑性变形栽菏继续增大断裂。因此是 最危险的一种。 三、应力分类 有些应力只作用在局部区域，也会引起壳体变形， -大于材料屈服极限时也会发生局部塑性变形。但这 种局部的塑性流动，或者可以使原来的变形不协调得到 缓解，或者受到相邻区域（应力较低，材料还处于弹性 状态）的限制而不能继续发展下去。且使应力重新分布。 如总体结构不连续处的弯曲应力。 还有些应力集中而产生的局部应力，只局限在一个 很小的区域范围内，而且迅速衰减，在他的周围附近很 块就消失。因受到相邻区域的

8、约束，这种局部应力基本 上不会使部件产生任何明显的变形。如小孔或缺口所产 生的应力。 三、应力分类 不同类型的应力由于变形情况不同在可能导 致容器破坏的过程中所引起的作用是不一样的。-也 就是说，不同类型的应力，在容器不同破裂模式中具有 不同程度的重要性。显然，如果要求把这些不同类型的 应力都控制在一个水平上，是不合理的。 为了保证压力容器在条件复杂的情况下安全运行 充分发挥材料的潜在能力有必要探索各种应力对容器 强度的影响和作用采用新的设计观点（应力分析设计 方法），进行压力容器的设计。 三、应力分类 应力分析设计方法：根据各类应力在导致容器破 坏中所起的作用，即按照应力不同性质，加以区别对

9、待， 控制在不同的范围内。 长期以来，由于对各种应力的作用缺乏精确的了解， 加上计算困难。设计时仅考虑内压引起的元件大面积上 的平均应力进行强度设计。再采用一定安全系数。 1968年美国提出了应力分析设计方法。我国目前进行锅 炉压力容器的常规设计已考虑了应力分类的观点和原则， 从而减少了设计盲目性，增加可靠性，如：JB4732钢 制压力容器-分析设计标准。 三、应力分类 （一）一次应力（P）-又称基本应力 1）这类应力必须满足外载与内力的平衡关系，所 以可由静力平衡条件确定； 2）非自限性，随外载菏增加而增大。 包括以下几种： 1）一次总体薄膜应力（Pm）。-内压环向应力 和经向应力。厚壁圆筒

10、承压时引起的轴向应力等。 2）一次弯曲应力（Pb）-除Pm外，载器壁厚度方 向成线性分布的应力。如容器平板封头中央部分所产生 的弯曲应力。-应用极限设计的概念进行分析。 三、应力分类 （一）一次应力（P）-又称基本应力 3）局部薄膜应力（PL）。由压力或其他机械载荷 引起、并沿器壁厚度均匀分布、只产生载局部范围的薄 膜应力。 如：支座或接管与壳体的连接部位沿壳体壁厚平均 的周向及经向应力。 另外，筒体与封头连接处由于边界效应自由膨胀 或收缩受到限制而引起的周向应力-在沿器壁厚度方 向上的分布状态与总体薄膜应力是相同的只存在局部 区域应当属二次应力出于保守考虑仍按一次应力 考虑。 三、应力分类

11、（二）二次应力（Q）间接应力 是在外栽作用下，相邻部件的约束或构件自身约束 而产生的正应力或剪应力。 1）是满足构件的变形协调，而不是满足外载与内力 平衡引起的；是自限性的。 2）它在局部产生屈服或小量的塑性变形之后，由于 相邻部分的相互约束得到缓解-使变形趋于协调而不 是继续发展，应力就自动限制在一定范围内，不再增大。 三、应力分类 （二）二次应力（Q）间接应力 包括： 1）总体结构不连续处的弯曲应力，如圆筒和封头、 法兰连接处由弯矩引起的轴向或周向应力； 2）总体温度应力。如：轴向温度梯度在圆筒产生 的轴向应力，接管和容器本体存在温差而引起的应力等。 三、应力分类 （三）峰值应力 是由于局

12、部结构不连续（小孔、小的转角半径、焊 缝咬边等）引起的应力集中，使构件在原有应力（一次 或二次）的基础上再增高的那部分应力。 1）分布区域很小，区域范围与容器的壁厚同一个 数量级； 2）不会引起整个结构的任何明显的变形，而只有 可能成为容器产生疲劳破坏或脆性破坏的根源。-因 此在强度设计中不考虑，只在疲劳设计时加以限制。 三、应力分类 （三）峰值应力 包括： 1）局部结构不连续处的总应力中除去一、二次应 力后的剩余部分，如中间有一小孔； 2）两种钢（如碳钢与奥氏体钢）的复合制造的容 器部件，由于线膨胀系数不同而产生的热应力； 3）局部热应力。如器壁上存在一小热点引起的应 力。只产生在一个范围很

13、小的某一温度突变点（如：器 壁与一高温小管的连接处）附近。 三、应力分类 极限设计法：以塑性失效为准则的强度设计。 安定性概念：是指局部应力过高的区域，在反复载 荷的作用下，除在第一次加载时产生一定量的塑性变形 外，以后不再出现新的塑性变形，应力与变形保持弹性 循环状态。 各类应力的限制（ASME锅炉及压力容器规范中关于 应力分类限制的规定）。 1）一次总体薄膜应力（Pm、Sm），Pm； 2）一次局部薄膜应力（PL），PL1.5； 3）一次总体薄膜应力（Pm）或局部薄膜应力（PL） 和弯曲应力（Pb）之和的应力强度小于1.5 ； 四、设计中各类应力的限制 4）一次总体薄膜应力（Pm）或局部薄膜

14、应力（PL） 和弯曲应力（Pb）与二次应力Q之和的应力强度应小于 3； 5）一次应力（包括总体薄膜应力或局部薄膜应力与 弯曲应力）与二次应力Q及峰值应力F之和的应力强度不 能超过疲劳曲线所确定的许用应力幅Sa。 四、设计中各类应力的限制 四、设计中各类应力的限制 第第2 2节节 锅炉压力容器用钢材锅炉压力容器用钢材 （二）许用压力的主要影响因素 1.钢材 不同的钢材在相同的使用条件下体现不同 的强度、塑性、韧性及其他性能特点。材料强度是元 件强度的基础，用不同强度的材料制成相同形状与尺 寸的元件，其许用压力也不相同。 材料的抗拉强度及屈服点越高，材料的许用应力 越高，制成元件的许用压力也越高，

15、反之亦然。由于 锅炉压力容器使用条件恶劣，对钢材有特殊要求，在 锅炉压力容器的修理、改造中不得用普通钢材取代锅 炉压力容器钢材。 （二）许用压力的主要影响因素 2.使用温度 钢材的抗拉强度和屈服点随温度的升 高而下降，相应地，钢材的许用应力也随温度的升高 而下降，同样制成元件的强度及承压能力随温度的升 高而下降。因而不能将常温容器改作锅炉部件，也应 防止缺水、结垢及其他非正常工况使部件温度升 高。 3.结构形状和尺寸 不同形状的结构承受同样压力 后，其壁面内应力的大小和分布不同。在其他条件相 同时，球壳受压后应力最小，分布最均匀。因而球壳 强度最好，圆筒壳、椭球壳较好，而平封头较差。 （二）许

16、用压力的主要影响因素 对回转壳体，直径越小，壁厚越大，则承压能力 及强度越好，反之越差。在使用中需要关注壁厚因腐 蚀、磨损造成的减薄。 4.制造和安装质量 制造和安装质量不仅影响结构 的形状、尺寸，而且影响结构的组织和性能。特别是 焊接质量，在很大程度上影响焊接接头的结构、组织、 性能、应力水平与完好程度，从而影响元件及部件强 度。对锅炉压力容器结构的焊接，必须严格控制、严 格检验，防范和避免缺陷。 （二）许用压力的主要影响因素 5.开孔 由于开孔破坏了结构的连续，减少了结 构的承载面积，因而会降低部件结构强度，其降低程 度取决于开孔孔径、孔距及开孔数量。对锅炉压力容 器上开孔必须慎重处理。孔

17、径不应过大，开孔分布应 尽量均匀，不应在焊缝及结构形状变化部位开孔。 在修理、改造设备时不应随意在设备上添加开孔。 一、金属材料的常温力学性能 钢材在使用温度下的强度性能 （一）温度对钢材机械性能得影响 钢材的机械性能：（常温短时试验） b(Rm)：抗拉强度； s(ReL)：屈服点(屈服强度)； 5(A)：伸长率； (Z)：断面收缩率； Akv：常温冲击吸收功，冲击韧性是金属材料 抵抗冲击负荷的能力，采用用摆锤冲击试验机上测定。 二、温度对材料力学性能的影响 一、金属材料的常温力学性能 钢材在使用温度下的强度性能 温度对钢材性能有很大影响。 b在50-100度有所下降，在200-300度间出现

18、峰 值（250），继续增加温度，则b大大下降。与此相 应碳钢的塑性在250前后的趋势是先下降而后明显上升 蓝脆性：碳钢在200-250时抗拉强度增加、而塑性 下降的现象。 温度升高，s（屈服点）降低，当升高到一定温 度时，拉伸时的明显屈服现象消失，此时常用相当于 残余变形为0.2%时的应力作为钢材的屈服点，称为条 件屈服点（0.2）。 一、金属材料的常温力学性能 （二）蠕变及高温强度 蠕变在高温和一定应力作用下，材料的塑性变形随时间 逐渐增加的现象； 蠕变在一定温度时才出现，和材料熔点有关，蠕变温度约 为熔点的25-35%。 碳钢350度，合金钢400度。 塑料常温也会。 蠕变寿命材料开始蠕变

19、至蠕变破坏所持续的时间。 对于锅炉压力容器材料，常称： 高温材料开始出现明显蠕变现象； 中温未引起明显蠕变的100-350度； 热强度（高温强度）钢材抵抗蠕变破坏能力。 蠕变的快慢取决于材质、载荷、温度。 一、金属材料的常温力学性能 （二）蠕变及高温强度 D：持久强度在一定温度下，经过规定工作期限（我国 为1*105h）引起蠕变破坏的应力； n：蠕变极限在一定温度下，经过规定工作期限（我国 为1*105h）引起蠕变变形（1%）的应力； 松弛特定情况下的蠕变现象，如螺栓；弹形变形转变为 塑性变形，本来拉紧的螺栓或弹簧产生了松弛。 一、金属材料的常温力学性能 长期高温时的钢材组织变化 碳钢是指-含

20、碳量在0.02-2.06%的铁碳合金。 纯铁-含碳量小于0.02%； 铸铁-含碳量大于2.06%。 含碳量不同的碳钢，在不同温度下，形成不同的 组织，其基本组织包括： 1、铁素体：碳溶于铁中形成的固容体，纯铁在 910度以下呈体心立方晶格。碳在铁中溶解度极小 （在室温下小于0.006%），因而铁素体的组织和性能 与纯铁相似； 一、金属材料的常温力学性能 长期高温时的钢材组织变化 2、奥氏体：碳溶于铁中形成的固容体（纯铁在 910-1390度呈面心立方晶格）。碳在铁中溶解度较 大，在723度时为0.8%，到1147度为2.06%），因铁 为高温组织，合金小于723度，奥氏体不存在。 3、渗碳体：

21、指铁和碳形成Fe3C。碳钢中的碳除极 少数溶解于铁素体中以外，绝大多数与铁形成Fe3C， 所以含碳量越多，渗碳体越多。 4、珠光体：指铁素体和渗碳体所形成的机械混合 物。在珠光体中，指铁素体与渗碳体呈片状分布，紧 密结合，平均含碳量约为0.8%。 当超过0.8%时，其组织全部是珠光体。 一、金属材料的常温力学性能 长期高温时的钢材组织变化 常温下，钢材的金相组织是稳定的，除非荷腐蚀 介质接触； 高温下，钢材中原子的扩散能力增加，这种内部 原子扩散作用可能导致钢材组织的各种变化。 长期对锅炉压力容器通常指数万小时，即和其 工作期限可以比较的期限。 钢材的较为危险的组织变化是珠光体球化和石墨 化。

22、 一、金属材料的常温力学性能 长期高温时的钢材组织变化 （一）珠光体球化 在高温原子扩散能力强的条件下，片状渗碳体会 逐渐转化为球体，同时由于大球体比小球体有更小的 表面能，随着高温作用时间的加长，小球体又聚拢成 大球体，这种现象称珠光体球化。 珠光体球化-降低钢材的常温强度，明显加快- 蠕变速度，降低持久强度约降低40-50%。 对钢材作正火加回火的热处理，即使回火温度高 于钢材工作温度100度以上，可以得到比较稳定的珠 光体组织，在使用期限中不至于发生严重的的球化。 一、金属材料的常温力学性能 长期高温时的钢材组织变化 （二）石墨化钢材中的渗碳体在高温作用下自行 分解成石墨和铁的现象。 F

23、e3C-Fe+C（石墨）； 分解出的石墨呈点状分布在晶界上，石墨的强度、塑性和 韧性都很差，点状的石墨相当于点穴在铁素体中。 根据钢中石墨化的发展程度，分为四级：（P106） 一级轻度石墨化，其游离碳约为钢材总含碳量的20%左右； 二级明显石墨化，其游离碳约为钢材总含碳量的40%左右； 三级严重石墨化，其游离碳约为钢材总含碳量的60%左右； 四级很严重（危险的）石墨化，其游离碳约为钢材总含碳 量大于60%。 一、金属材料的常温力学性能 长期高温时的钢材组织变化 （二）石墨化钢材中的渗碳体在高温作用下自行 分解成石墨和铁的现象。 铬（Cr）能有效阻止石墨化现象发生，因Cr和C能生成稳定 的化合物

24、； 硅、铝能加快石墨化的速度，冶炼中应严格控制脱氧铝的加 入。 添加元素就是为了改善钢材的性能。 加入较多的铬（Cr）、钼或再加上少量的钨、钒、钛、硼- 提高钢材的热强性（足够高的持久强度合良好的抗氧化性能）； 一、金属材料的常温力学性能 长期高温时的钢材组织变化 （二）石墨化钢材中的渗碳体在高温作用下自行 分解成石墨和铁的现象。 加入较多的铬（Cr）、镍大大增强钢材的耐蚀性-不锈 钢。 锰、镍、铬可以改善钢在低温下的韧性，降低他的韧 脆性转变温度或无塑性温度，所以在低温容器用钢中，加入这 些元素。 中强度钢-锰、钼和少量的钒、硼； 高强度钢较多的铬、锰、钼或镍。 三、钢材的脆性与脆化 脆性：

25、是指在因工作条件（特别是工作温度）的 变化而造成的钢材韧性的降低，是外部原因造成的钢 材性能变化，金相组织通常不发生变化。一旦导致脆 性产生的外部原因消失，钢材的脆性也消失，恢复原 来的韧性。 脆化：是指钢材组织变化而造成的韧性降低，是 一种更危险的脆性。往往是钢材组织在外部条件长期 作用下形成的，即使外部条件消失，也很难恢复原有 的组织、原有的韧性。 三、钢材的脆性与脆化 脆性和脆化是难以严格区别的。通常将冷脆、蓝 脆及应变时效、红脆、热脆、回火脆性等看作钢材的 脆性。而将石墨化、苛性脆化、氢脆、热疲劳等归于 钢材的脆化。 （一）冷脆性 低碳钢和低碳低合金钢（体组织），当温度低到 一定温度下

26、，韧性明显下降，材料突然变脆的现象。 防范、避免冷脆破坏通过实验找到“韧脆转变温 度”不是一个具体的温度值，一个小的温度区间。 韧脆转变温度的影响因素：同一材料，热处理状态、晶粒 度、内部缺陷尖锐程度及板厚都有影响。可进行温度冲击试验 三、钢材的脆性与脆化 （二）篮脆性和应变时效 蓝脆性：碳钢在200-250时抗拉强度增加、而塑性 下降的现象。 应变时效：锅炉压力容器制造或修理中出现的一 种现象。钢材承受冷加工产生的塑性变形后，如果在 室温长期放置，或在较室温高的温度下短期放置，其 强度上升，塑性下降，冲击韧性显著下降的现象。 钢材的蓝脆性和应变时效是一致的，某种钢材蓝脆性 程度严重，则冷加工

27、后的应变时效也严重。 钢材的蓝脆性和应变时效依靠冶炼过程进行控制。 锅炉钢材标准中常对应变时效后冲击值作出规定 三、钢材的脆性与脆化 （三）苛性脆性 苛性脆性一种特殊的电化学腐蚀，属于应力腐 蚀。蒸汽锅炉的损坏常由于碱的脆化作用所致（往往 在应力集中处）-晶间腐蚀。 对于碳钢，碱液浓度在10%-75%之间容易发生裂纹 （在1%也会发生裂纹）。 碱引起的应力腐蚀裂纹在330以上高温，裂纹生长 速度加快。但在降到30度以下时，裂纹不会生长。 三、钢材的脆性与脆化 （三）苛性脆性 苛性脆化应具备两个条件： 1、局部应力达到或超过材料的屈服点；-在接管 边缘、焊缝等。 2、一定的游离碱。 GB1576

28、低压锅炉水质规定了：锅水的相对碱 度小于20%NaOH/锅水中溶解固形物（或含盐量） 0.2。 锅水中加入硝酸钠可防止苛性脆性的产生。 三、钢材的脆性与脆化 （四）氢脆 氢脆：氢在钢中富集导致钢材脆化的现象。氢扩 散到金属内部，使金属材料发生脆化的现象 根据氢脆的程度分：可逆氢脆和不可逆氢脆。 高温高压H2钢表面分解为H原子-经化学吸 附透过金属表面固溶体（降温后呈饱和状态）-残 留在钢材内部（位错处）-对位错起钉孔作用使滑 移难以进行呈现脆性。 或H原子在钢材内部空隙处结合H2随着聚集增 多形成很高的内应力形成脆性。 三、钢材的脆性与脆化 （四）氢脆 氢脆具有可逆性：在未脆断前在100-15

29、0度间适当 进行热处理，保温24小时可消除脆性。氢脆不同于应 力腐蚀，无须腐蚀环境，常温下也能发生氢脆。 不可逆氢脆或氢腐蚀： 4H+FeC-CH4+3Fe CH4比H2更难扩散，和H2一起产生更大的内部应力， 破坏内部组织，产生永久变形。不可逆氢脆或氢腐蚀。 合金钢碳含量组织状况对氢脆有很大影响：氢脆 开列程度： 三、钢材的脆性与脆化 （四）氢脆 奥氏体500度奥氏体粗层珠光体细层珠光体球状 珠光体。 合金强度级别越高，氢脆敏感性越大。 内部氢脆：钢在冶炼、锻造、焊接、热处理、电镀和酸洗 等过程中溶解或吸收的氢脆。 外部氢脆：在使用中接触含氢介质并在一定条件下吸收氢 而导致的氢脆。 焊接附近

30、金属表面的油污等高温下分解H2溶于焊缝 金属中。-因此焊接时需清除油污。 锅炉中： 2H2O+3Fe-（400度）-Fe3O4+8H。蒸汽腐蚀产生的 氢原子如不能及时带走-。锅水中O2、CO2。 四、钢材的腐蚀 化学腐蚀：钢材和介质发生化学反应； 电化学腐蚀：如果化学腐蚀伴随局部电流现象。 （一）氧腐蚀（吸氧腐蚀） 阳极： 2Fe-4e-2Fe 2+； 阴极： O2+2H2O+4e-4OH -； （二）析氢腐蚀 CO2+2H2O-H2CO3-H+ + HCO3- 阳极： Fe-2e-Fe 2+； 阴极： 2H+ +2e-2H2； 四、钢材的腐蚀 （三）锅炉烟气侧的低温硫腐蚀 燃料中的硫燃烧后形

31、成大部分SO2，少量的SO3； SO3尽管少，但可显著提高烟气的露点温度-硫酸露。 常发生在省煤器、空气预热器及除尘器中。 措施：燃料脱硫，改善燃烧，减少SO3的生成。 （四）泄漏潮湿部位的大气腐蚀 空气中O2、CO2。 （五）压力容器在特定介质作用下的腐蚀 五、对锅炉压力容器用钢的要求 （一）冶金质量 钢制压力容器(GB150-1998)规定，压力容器 受压元件用钢应为平炉、电炉或氧化炉，钢材含碳量 不大于0.25%； 为了减少热脆和冷脆倾向，钢材中硫、磷的含量 应予控制； 具有良好的低倍组织和表面质量，分层、疏松、 非金属夹杂物、气孔等缺陷应尽可能少，不允许有裂 纹和白点。 五、对锅炉压力

32、容器用钢的要求 （二）力学性能 应具有适当的强度（主要是指屈服强度和抗拉强 度），以防止在承受压力时发生塑性变形甚至断裂。 对于锅炉和中、高温压力容器，还应考虑材料的 抗蠕变性能，测定材料的高温性能指标，即蠕变极限 和持久强度。 具有良好的塑性和韧性，塑性变形能缓和应力集 中，其次良好的塑形也是加工工艺的需要。 操作温度或环境温度较低的压力容器，更应考虑 材料的冲击韧性值，并对材料进行操作温度下的冲击 试验，以防止容器在运行中发生脆性破裂。 五、对锅炉压力容器用钢的要求 （三）具有良好的工艺性能。锅炉、压力容器的承压部 件，大都是用钢板滚卷或冲压成形的。 要求材料有良好的冷塑性变形能力，在加工

33、时容易成形且 不会产生裂纹等缺陷。 制造锅炉、压力容器的材料应具有较好的可焊性，以保证 材料在规定的焊接工艺条件下获得质量优良的焊接接头。可焊 性与钢材中碳含量有关。 Cd0.4%,可焊性好，焊接时可不预热，0.4%Cd0.6%，淬 硬倾向增大，焊接时需预热，当Cd 0.6%,可焊差，需预热和 严格工艺措施。 要求材料具有适宜的热处理性能，容易消除加工过程中产 生的残余应力，而且对焊后热处理裂纹不敏感。 6515 dd MnCrMoVNiCu CCC ，碳当量 五、对锅炉压力容器用钢的要求 （四）具有良好的耐腐蚀性能和抗氧化性能。 设计压力容器时，必须根据其使用条件，选择适 当的耐腐蚀钢材。

34、腐蚀速率0.1mm/a，为耐蚀；在0.11mm/a，为 耐蚀可用；1mm/a，为不耐蚀钢（不可用）。 常见腐蚀现象：点腐蚀、深坑腐蚀、晶间腐蚀和 应力腐蚀（危险性最大） 腐蚀不但和介质有关还和温度、压力等因素有关。 氢在常温、低压下无腐蚀，在高温高压下则产生氢腐 蚀。干燥的氯气对钢不腐蚀，含水则腐蚀大。因此应 综合考虑。 六、锅炉压力容器常用钢材 应根据压力、温度、介质特性选择钢材。 1、碳素钢，含碳量小于1.35%。 如20号钢，30，40，45，等是含碳量的0.2%,0.3%,0.4%,0.45%等相 近值，常用的20，30，45，60等，号越小钢硬度越小，强度越小，韧性 越好。反之脆性大

35、，强度高，硬度高。 2、低合金钢 3、高合金钢 4、热强钢 5、低温用钢 第第3 3节节 筒体与封头强度设计筒体与封头强度设计 一、主要设计参数 工作压力：工作压力：也称操作压力，是指容器顶部在正常工作过程 中可能产生的表压力； 2.2.最高工作压力：最高工作压力：工作过程中可能出现的最大表压力（不 包含液柱压力） 3.3.设计压力：设计压力：是指在相应设计温度下用以确定容器壳壁计 算壁厚及其元件尺寸的压力，不得小于最高工作压力。对于工 作压力小于0.1MPa，设计压力取0.1MPa 4.4.计算压力：计算压力：指在相应设计温度下用以确定元件厚度的压 力，包括液柱静压力（小于5%设计压力，忽略

36、不计）。 设计压力是确定壳体厚度的压力（考虑一定的安全裕量或考虑 安全泄压因素，只有一个）。计算压力是具体受压元件的计算 参考，一台设备的多个元件可能有各自的计算压力。 压力容器计算压力为最大工作压力的1.0-1,1。 锅炉计算压力取 p=ps+p ps-工作压力，p见表4-1。 一、主要设计参数 5.5.工作温度：工作温度：在正常工作情况下，其部件达到的最高在正常工作情况下，其部件达到的最高 温度。温度。 6.6.设计温度：设计温度：用于确定壳体厚度的温度（计算壁温）。用于确定壳体厚度的温度（计算壁温）。 在正常操作时，在相应的设计压力下，壳壁或元件金 属可能达到的最高或最低温度。 当壳壁或

37、元件金属的温度低于当壳壁或元件金属的温度低于-20，按最低温度确定设计温度，除此以外，按最低温度确定设计温度，除此以外， 按最高温度确定设计温度。按最高温度确定设计温度。 锅炉各元件计算壁温见锅炉各元件计算壁温见p110，表，表4-2 4-3 4-4. （二）安全系数与许用应力 材料许用应力是指在进行强度计算时实际材料所允许采用的最 高应力，是以材料的极限应力为依据，除以合理的安全系数得 到。 材料许用应力一般由： b/nb；s/ns； b-常温下抗拉强度； s-常温或工作温度下的屈服点s； 当材料在高温工作时，还需考虑材料高温性能指标-持 久强度D，蠕变极限n。 取：b/nb；s/ns；D/

38、nD；n/nn；最小值。 中低压容器所用材料的安全系数见表4-4. 一、主要设计参数 （三）减弱系数 1、焊缝减弱系数：焊缝中可能存在的缺陷对结构 原有强度消弱的程度，其大小取决于施焊质量和无损 检测情况。见p113 表4-5、4-6、4-7 2、孔桥减弱系数： 一、主要设计参数 1 1 2 2 12 012 - 2 R = 2 + t =+R =2 2 pp p p d RDD d D dd RD 0 影响半径：，壳体直径；厚度 影响半径： 相邻两孔高应力影响取重叠的临界节距t 一、主要设计参数 1）两孔节距t0，两孔 的附加应力互不影响， 这样的孔称为单孔，按 单孔补强方式补强。 2）两孔

39、节距t0，表明 两孔周围高应力区相互 重叠。这样的孔称为孔 桥。 包括：横向孔桥、纵向 孔桥和斜向孔桥。 一、主要设计参数 一、主要设计参数 1 t-dt-d = tt t-dt-d = tt ）纵向孔桥减弱系数 （） 2）横向孔桥减弱系数 （） 一、主要设计参数 222 t-dt-d = tt t1n= /abanb a 3）斜向孔桥减弱系数 （） ， 一、主要设计参数 （四）附加厚度 1、钢板（管）负偏差：钢板（管）存在一定的负偏差， 负偏差会带来钢板（管）的事实减薄。 见表4-8. 2、腐蚀裕度C2：Y由介质对材料的均匀腐蚀速率与容 器的设计寿命决定。 C2=ksB，ks-腐蚀速率(mm

40、/s),B-设计寿命，通常为10-15年 当ks为0.05-0.1mm/a，单面腐蚀C2=1-2mm，双目腐蚀C2=2-4mm 当ks0.05mm/a，单面腐蚀C2=1mm，双目腐蚀C2=2mm 当介质对钢材的腐蚀极轻微时可以取C2=0 一、主要设计参数 （四）附加厚度 3、加工减薄量C3：根据部件的加工工艺条件，制造单 位依据加工工艺和加工能力自行选取，见表4-9. 钢制容器设计图样注明的厚度不包括加工减薄量。 一、主要设计参数 （五）厚度 1、计算厚度()：按强度理论计算公式计算得到的厚 度。 2、设计厚度(d)：计算厚度与腐蚀裕量C2之和。 3、名义厚度(n)：设计厚度加上钢材厚度负偏差

41、C1 后向上圆整至钢材标准规格的厚度，标注在图样上的 厚度。 4、有效厚度(e)：名义厚度减去钢材负偏差和腐蚀 裕量C2的厚度。 见p117 图4-8 二、内压筒体与封头设计 （一）圆筒与球壳强度设计 1、圆筒： 123 313 ci i 0 2 p D = 2 2 D () 2 t c t e e e ttt cie e pRpR S p p D w ， 强度条件： 计算厚度： 最大允许工作压力：p =，有效厚度 应力校核：，需满足 二、内压筒体与封头设计 （一）圆筒与球壳强度设计 2、球壳： 123 313 ci i =0 2 p D = 4 4 D () 4 t c t e e e tt

42、t cie e pR S p p D w ， 强度条件： 计算厚度： 最大允许工作压力：p =，有效厚度 应力校核：，需满足 二、内压筒体与封头设计 （一）圆筒与球壳强度设计 3、椭球形封头强度设计： 2 ci e e i Kp D1 =,2() 2 0.562 =2=1 2 0.15%0.3% 4 KD0.5 (0.5) 2 i t ci i i t e e e ttt cie e D K ph D K h p KD w 计算厚度： 对于标准椭球封头，则，且要求封头有效厚度不小于 封头内直径的，其它椭球封头不小于封头内直径的 最大允许工作压力：p =，有效厚度 应力校核：，需满足 二、内压筒

43、体与封头设计 分无折边锥形封头和有折边锥形封头 cos r Pr1 2cos Pr1 cos 薄膜应力随着薄膜应力随着r r的增大而增加，在锥的增大而增加，在锥 底处应力最大，而在锥顶处应力为零；底处应力最大，而在锥顶处应力为零； 因此如果在锥体上开孔，应开在锥顶因此如果在锥体上开孔，应开在锥顶 处；处； 薄膜应力随着锥角的增大而增大。薄膜应力随着锥角的增大而增大。 二、内压筒体与封头设计 二、内压筒体与封头设计 以无折边锥形封头为例： 1）按不加强时计算封头大端的计算壁厚 1 2 cos cc c t c p D p 2）判断大端是否需要加强。见图4-10，在上面无需补强 在曲线下面则需补强

44、，查图4-11得，增强系数Q，此时大端 的增强计算厚度。 2 cc c t c Qp D p 二、内压筒体与封头设计 3）按不加强时计算封头小端的计算壁厚 1 2 cos cis r t c p D p 4）判断小端是否需要加强。见图4-12，在上面无需补强 在曲线下面则需补强，查图4-13得，增强系数Q，此时小端 的增强计算厚度。 2 cis r t c Qp D p 5）取最大值。 第第4 4节节 开孔补强开孔补强 一、锅炉压力容器开孔与安全 （一） 开孔种类 开孔是锅炉压力容器工作的需要，各种结构的锅 炉压力容器，均有数量不等、大小不同、用处各异的 开孔，通常锅炉壳体上的开孔更多一些。从

45、结构上说， 锅炉压力容器上的开孔可分为两大类： 1、管孔 即以管子或管道连接的开孔，连接方式有焊接和 胀接两种。管孔又可分为： 1）工艺管孔 供介质流动和进出设备的开孔，是 锅炉压力容器上的主要开孔。 2）附件仪表讯号管孔 供显示和调整介质状态参 数之用。 一、锅炉压力容器开孔与安全 2、门孔 即各种检查孔，是以盖板（孔盖）封盖的开孔， 一般孔径较大，开孔数量较少。常见的有： 1）入孔：在大直径封闭壳体制造、检验、修理时，供人 进入施工或检查之用。有圆形和椭圆形两种，尺寸较大，尺寸 和结构均已标准化。 2）头孔：在直径较小的锅炉锅筒或锅壳上，需开设头孔， 供检验检查时人员伸入头部探视。 3）手

46、孔：在锅炉集箱、下脚圈等小尺寸受压部件及小型压 力容器上，需开设手孔，供检验检查时人员伸手进入，触摸表 面情况及清理污物。有圆形和椭圆形两种。 4）其他检查孔、观察孔及清洗孔 根据设备工作或维护需 要酌情开设。 一、锅炉压力容器开孔与安全 （二） 开孔对强度的影响 开孔是减弱壳体强度（承压能力）的主要因素之 一。开孔不仅沿整个壳体厚度挖去了面积大小不等的 承载金属，减小了壳体的承载面积，而且破坏了结构 的连续，从而造成开孔边缘区域的应力增大和强度降 低。开孔最大或最密的部位往往是整个壳体强度最低 的部位，而强度最低部位的承压能力即代表整个壳体 的承压能力。 一、锅炉压力容器开孔与安全 （二）

47、开孔对强度的影响 开孔越大，孔边应力集中越严重，对容器强度的 减弱越厉害。经常可以看到，开孔壳体的承压能力比 未开孔同厚度壳体的承压能力降低一半甚至更多。 设计制造时，对开孔造成的强度降低必须进行弥 补。 对大面积上的密集孔排，用增大整个壳体厚度的 方式进行整体补强； 对大口径的稀疏开孔，用在开孔边缘添加金属的 方式进行开孔补强。 二、不需补强的最大直径 开孔越大，孔边应力集中越严重，对容器强度的 减弱越厉害。 容器厚度设计有一定安全裕量，因此根据安全裕 量，在一定孔径范围内，开孔减弱正好由厚度裕量补 偿，则不需要补强。 P127，列出无需补强的基本原则。 单孔无需补强的经验公式（最大不能超过

48、200mm)： 3 0 8.1(1), (2 ) i ci cee dDKmm p D K p 未减弱筒体的理论计算壁厚 有效壁厚 三、补强的有关要求 （一）有效补强范围 强度消弱和应力集中都在开孔边缘的一定范围内， 因此补强也应在一定范围内有效。 1）有效宽度，取二者较大值 2）有效高度，取较小值 2 2,- nntnnt Bd Bd 名义厚度，接管名义厚度 1 1 2 2 22 nt nnt nt hd hd hd h 外侧高度： 内侧高度： 接管实际内伸高度 三、补强的有关要求 （二）等面积补强原则 在过壳体轴线及开孔中心线的纵截面中，在有效 补强范围内，壳体及补强结构除了自身承受内压所

49、需 的面积外，多余的富裕金属面积（Ae）应不小于筒体 因开孔所减少的承受基本膜应力面积（A），即： AeA 三、补强的有关要求 （三）开孔所需补强面积（A） 1）圆筒和球体 =- - A=2(1) et r etr f df计算厚度，接管有效厚度 计算厚度 附加厚度 强度消弱系数，壳体和接管材料一致或比值大于1时，取1。 ， 2）锥壳开孔补强面积，采用上式计算时，取开孔 中心处壳内直径确定的锥壳厚度。 3）椭球开孔补强面积，采用上式计算。 三、补强的有关要求 四、补强面积（Ae） Ae=A1+A2+A3 A1-壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积。 A2-接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面

50、积 A3-焊缝金属截面积 若AeA，需要补强，补强材料已报需与壳体材料 相同。A4=A-Ae 1 -()()2()()(1) ntenter ABdCf接管名义厚度， 2122 2 ()2() ettrettr AhfhCf 22 33 2 - AeAe e （单面焊），（双面焊） 焊脚高度 五、补强形式与结构 1、整体补强 五、补强形式与结构 2、补强圈补强 遵循规定：钢材的标准抗拉强度Rm540MPa；补 强圈厚度1.5n；名义厚度n 38mm。 若条件许可，推荐以厚壁接管代替补强圈进行补 强； 补强圈的结构尺寸见JB/T 4736-2002或HG 21506- 1992 六、补强面积分布

51、 1）等面积补强是一种近似方法，计算简单，能够保 证壳体开孔及接管的安全； 2）根据开孔周围峰值应力衰减特征，即使在补强范 围内 富裕面积，对补强的贡献是不一致的； 3）当/e=0.5(计算厚度/有效厚度)时；按等面积 补强考虑不合理。 1 1 1 ()()2()()(1) B=2=2()()(1) =1= enter nter r ABdCf dA dCf fA A ，则： 接管与壳体材料一致，即。 即，不论开多大孔，筒体本身多余面积足以补偿，不合理，这 是因为没有考虑Ae在有效补强范围内的分布 。没考虑Ae的实 际补强效果。 第第5 5节节 锅炉压力容器结构锅炉压力容器结构 设计的安全问题

52、设计的安全问题 一、结构设计应遵循的原则 1、结构不连续处平滑过渡 几何形状突变或其它结构不连续，都会产生较高 的不连续应力。应采用平滑过渡形式，防止突变。 2、引起应力集中或消弱强度的结构相互错开 结构设计中，应力集中的部位，如开孔、转角、 焊缝等，设计时应相互错开，防止应力叠加。 3、避免采用刚性过大的焊接结构 刚性大得焊接结构不仅会使焊接构件因施焊时的 膨胀收缩受到约束而产生较大的焊接应力，而且使壳 体在操作条件波动时的变形受到约束而产生附加弯曲 应力。应采取措施予以避免。 一、结构设计应遵循的原则 4、受热系统及部件的胀缩不要受到限制 5、合理地布置锅炉受热面，保证适当的水位和良好 的

53、水循环，使受热面得到可靠冷却。 6、对锅炉压力容器结构设计的其他要求 1）各部件在运行时能按设计预定方向自由膨胀； 2）受压部件应有足够的强度，刚度、稳定性及防 腐蚀性。并有可靠的安全保护设施，防止超压； 二、对封头及法兰结构的要求 结构形状和尺寸 不同形状的结构承受同样压力后， 其壁面内应力的大小和分布不同。在其他条件相同时， 球壳受压后应力最小，分布最均匀。因而球壳强度最 好，圆筒壳、椭球壳较好，而平封头较差。 1）椭球封头：由于椭球环向应力为压应力，为了 使这部分壳体不至于失稳，对于标准椭圆封头，规定 其有效厚度封头内直径的0.15%，其它椭圆封头有 效厚度封头内直径的0.30%。 2）

54、球形封头：受力情况最好，但成型困难，焊缝 较多，一般较少采用。 二、对封头及法兰结构的要求 3）蝶形封头：其球面部分与过渡区、过渡区与直边段 得曲率半径不同，造成结构不连续，会引起连接处得局部高应 力，因此规定：蝶形封头球面部分直径小于筒体内径，取0.9 倍筒体内径，转角内半径应筒体内径的10%。 4）锥形封头：分无折边锥形封头和有折边锥形封头 对锥体大端：当30。时，可以采用无折边结构，否则 应采用带过渡段折边结构。 对锥体小端：当45。时，可以采用无折边结构，否则 应采用带过渡段折边结构。 对60。时，其厚度可按平盖计算，也可用应力分析确 定。 二、对封头及法兰结构的要求 5）平盖：结构最

55、简单，受力情况最差，在相同受压条 件下，平盖的厚度比其它结构厚的多。 在压力不高、直径小得容器，采用平板封头比较经济简便； 高压容器中，平板封头使用很普遍，这是因为圆筒形高压 容器，内径小，厚度大，使用凸形封头制造困难。 低压容器中，人孔、手孔等采用平板结构。 6）凸形封头的拼接：用多块扇形板组拼的凸形封头需 采用中心圆板，中心圆板的直径应不小于封头直径的1/2. 二、对封头及法兰结构的要求 2、对法兰的要求 是一种可拆卸结构，实际应用中，由于法兰密封不良而造 成泄漏现象较为常见。 常见密封结构：平面、凹凸面、榫槽面和梯形槽等； 平面性，适用p2.5MPa,密封性差、结构简单、加工方便。 凹凸

56、面，适用中压及温度较高的场合，密封性好，垫片易于 对中，压紧时能防止垫片被挤出。 榫槽面,适用易燃、易爆和有毒介质的密封，密封性能可靠， 但更换垫片较困难。 梯形槽，压紧面通常和椭球垫和八角垫配合，形成较好的密 封效果，此种结构常在压力p6.4MPa、温度350时采用。 （三）开孔布置原则 开孔布置基本原则是避开焊缝转角，尽量使之在 壳体上分布均匀。 1.设备壳体（包括圆筒体和封头）上所开的孔一般 应为圆形、椭圆形或长圆形。在壳体上开椭圆形或长 圆形孔时，孔的长径与短径之比应不大于2。 2.在圆筒体上开椭圆形或长圆形孔时，为了减小开 孔对筒体强度的削弱，孔的短径一般应设在筒体的轴 向。 3.壳

57、体上的所有开孔宜避开焊缝。因为焊缝也是壳 体上的薄弱环节，再在其上开孔将造成壳体强度的双 重减弱。 三、对开孔的要求 （三）开孔布置原则 4.壳体上的开孔不允许布置在转角处或不同形状 结构的交接处。 5.壳体上的最大开孔孔径应不超过壳体内径的1 2（球形壳体、凸形封头、内径1500毫米的圆筒） 或13（锥形封头、内径1500毫米的圆筒）。 三、对开孔的要求 （四）门孔盖板 锅炉和工作介质为高温或有毒气体的容器，为了 避免介质喷出伤人，承压壳体的人孔盖、头孔盖、手 孔盖均应采用“内闭式”，即由壳体内封盖在内伸的 孔圈上。孔盖是受压元件之一，盖的结构应保证密封 垫圈不会被气体吹出。 三、对开孔的要

58、求 （五）使用中的注意事项 1.开孔部位是设备使用中检查维护的重点，要防 止开孔部位渗漏、腐蚀、开裂及产生其他缺陷。 2.锅炉和受热的压力容器，在冷态旋紧的孔盖螺 栓，受热后需带压继续紧固时，应按操作规程进行并 采用有效的防护措施。作业人员应经培训持证操作， 并经单位技术负责人批准。 3.锅炉压力容器停炉及停用后，需等内部介质压 力降低为0、温度降低到70以下将介质排放后，方 可松动孔盖螺栓开启孔盖。 4.在修理、改造锅炉压力容器时，不得随便在受 压壳体上添加开孔。 三、对开孔的要求 （六）快开门式压力容器 快开门式压力容器是装置活动端盖且活动端盖 可快速启闭的压力容器，压力锅就是快开门式压力

59、容 器最简单的实例。这类容器的端盖可以快速启闭，器 内物料可以快速装卸，有利于提高生产效率。 快开门一般较大，容器上可以不开人孔等检查 孔。 三、对开孔的要求 （六）快开门式压力容器 但快开门盖是在容器外部封盖并锁紧在容器端 部的，对锁紧和密封的要求很高。如设计、制造或使 用不当，快开门盖在承压时飞脱，会造成非常严重的 事故；由于频繁启闭门盖，如果在器未完全卸压时开 盖，或在门盖未完全闭合及锁紧时给容器加压，都可 能导致爆炸事故。 快开门式压力容器应设置能控制门盖启闭动作的 安全联锁装置，使之在门盖未完全闭合之前，容器内 不能增压；在容器内压力未完全泄放时，门盖锁紧装 置不能松开。 三、对开孔

60、的要求 四、对焊接结构的要求 1、焊接接头形式，包括对接接头、搭接接头、角接接头。 对接焊缝是常用的接缝形式，接头处母材受力较均匀 ，筒体纵焊缝、筒体与封头的环向接头，封头和管板 的拼接，须采用全焊透的对接形式。 四、对焊接结构的要求 1、焊接接头形式，包括对接接头、搭接接头、角接接头。 角焊缝：焊缝所连接的两部分钢板不在同一平面或曲 面上。受力时应力集中较严重，除拉伸、压缩应力外 ，还有剪切应力和弯曲应力。 角焊缝是不可避免的。有些平管板、平封头与筒体及 炉胆的连接，管接头与筒体等。 四、对焊接结构的要求 2、等厚度钢板的对接焊缝 采用等厚度对接焊缝，有较小的残余应力。 当厚度6mm时，可不