锅炉压力容器强度分析

1、 5 锅炉压力容器强度设计锅炉压力容器强度设计本章重点本章重点:u掌握强度理论及强度条件掌握强度理论及强度条件u了解锅炉压力容器常用钢材了解锅炉压力容器常用钢材u掌握常见受压元件强度计算方法掌握常见受压元件强度计算方法u掌握壳体开孔补强措施掌握壳体开孔补强措施5.1 强度设计概述强度设计概述 5.1.1 受压元件的失效受压元件的失效 受压元件失去预定的工作能力，称受压元件失去预定的工作能力，称元件失效元件失效。因强度不足引起的失效，。因强度不足引起的失效，称称强度失效强度失效。元件破坏或破裂、断裂是典型的强度失效。另外因刚度不足引。元件破坏或破裂、断裂是典型的强度失效。另外因刚度不足引起的过量

2、弹性变形或失稳坍塌，称为起的过量弹性变形或失稳坍塌，称为刚度失效或失稳失效刚度失效或失稳失效。 锅炉压力容器的失效主要是强度失效。锅炉压力容器的失效主要是强度失效。5.1.2 强度设计的任务强度设计的任务（1）根据受压元件的载荷和工作条件，选用合适的材料；）根据受压元件的载荷和工作条件，选用合适的材料；（2）确定受压元件的壁厚；）确定受压元件的壁厚；（3）根据结构各处等强度的原则，进行结构强度设计（如焊缝布置，焊接）根据结构各处等强度的原则，进行结构强度设计（如焊缝布置，焊接接头，开孔布置等）；接头，开孔布置等）；（4）对设备制造质量及运行条件作出必要的规定。）对设备制造质量及运行条件作出必要

3、的规定。 强度设计也称为强度设计也称为强度计算强度计算，包括强度，包括强度设计计算设计计算和和校核计算校核计算。5.1.3 强度理论及强度条件强度理论及强度条件5.1.3.1 强度理论强度理论 强度理论也称为强度理论也称为失效判据失效判据，是研究构件在不同应力状态下产生强度失效的，是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。共同原因的理论。5.1.3.2 强度条件强度条件 强度条件依据一定的强度理论建立的强度设计准则或失效控制条件，强度强度条件依据一定的强度理论建立的强度设计准则或失效控制条件，强度条件通常表达为：条件通常表达为：其中：其中： 依据一定的强度理论得到的当量应力，依据

4、一定的强度理论得到的当量应力， 表示相应的强度理论；表示相应的强度理论； 材料的许用应力。材料的许用应力。1）第一强度理论）第一强度理论 第一强度理论也称为最大主应力理论，这一理论认为：无论材料处于什么第一强度理论也称为最大主应力理论，这一理论认为：无论材料处于什么样的应力状态，只要发生脆性断裂，都是由于构件内的最大拉应力达到了极样的应力状态，只要发生脆性断裂，都是由于构件内的最大拉应力达到了极限值，即：限值，即：其中，其中， 为三个主应力为三个主应力 、 、 中最大者。中最大者。 iSiSi 11S11232）第二强度理论）第二强度理论 第二强度理论又称为最大伸长线应变理论，因它是在最大主应

5、力理论后提出第二强度理论又称为最大伸长线应变理论，因它是在最大主应力理论后提出来的，故称为第二强度理论，这一理论认为：最大伸长线应变是引起材料脆性破来的，故称为第二强度理论，这一理论认为：最大伸长线应变是引起材料脆性破坏的因素，即不论应力状态如何复杂，只要构件内一处的最大伸长线应变达到材坏的因素，即不论应力状态如何复杂，只要构件内一处的最大伸长线应变达到材料在简单拉伸状态下的极限伸长值，材料即发生脆性断裂。料在简单拉伸状态下的极限伸长值，材料即发生脆性断裂。3）第三强度理论）第三强度理论 第三强度理论又称为最大剪应力理论，该理论认为：无论材料处于什么应力第三强度理论又称为最大剪应力理论，该理论

6、认为：无论材料处于什么应力状态，只要发生屈服失效，其共同原因都是因为构件内的最大剪应力达到极限值。状态，只要发生屈服失效，其共同原因都是因为构件内的最大剪应力达到极限值。 3212S 313S 该理论适用于塑性材料，与实验结果比较均合，我国及世界上除美国之外该理论适用于塑性材料，与实验结果比较均合，我国及世界上除美国之外的多数国家均采用这一理论。的多数国家均采用这一理论。4）第四强度理论）第四强度理论 第四强度理论又称为形状改变比能理论，它认为：形状改变比能第四强度理论又称为形状改变比能理论，它认为：形状改变比能是是引起材料屈服破坏的因素，即不论应力状态如何，主要构件内一处的形引起材料屈服破坏

7、的因素，即不论应力状态如何，主要构件内一处的形状改变比能达到材料在简单应力状态下的这一极限时，材料就会发生破状改变比能达到材料在简单应力状态下的这一极限时，材料就会发生破坏。坏。 该理论适用于塑性材料，并与实验结果吻合较好，但由于比较复杂，该理论适用于塑性材料，并与实验结果吻合较好，但由于比较复杂，故较少用。故较少用。5.1.4 强度控制准则强度控制准则1）弹性失效准则）弹性失效准则 该准则也常称为该准则也常称为极限应力法极限应力法，它认为构件上应力最大点的当量应力达到，它认为构件上应力最大点的当量应力达到材料的屈服点时，整个构件即丧失正常的工作能力（失效）。材料的屈服点时，整个构件即丧失正常

8、的工作能力（失效）。 2132322214)(21S2）塑性失效准则）塑性失效准则 该准则又称为该准则又称为极限载荷法极限载荷法，它认为，当应力沿截面分布不均匀，它认为，当应力沿截面分布不均匀时，一点的当量应力达到屈服点，整个结构并不失效，只有当整个时，一点的当量应力达到屈服点，整个结构并不失效，只有当整个截面上的当量应力均达到屈服点时，结构才算失效。截面上的当量应力均达到屈服点时，结构才算失效。 显然弹性失效准则偏于安全和保守，我国锅炉强度控制采用塑显然弹性失效准则偏于安全和保守，我国锅炉强度控制采用塑性失效原则，一般压力容器强度控制采用弹性失效准则。性失效原则，一般压力容器强度控制采用弹性

9、失效准则。5.1.5 安全系数安全系数 抗拉强度极限；安全系数：抗拉强度极限；安全系数：nb 屈服极限；屈服极限； 安全系数：安全系数：ns 持久强度极限（高温）；持久强度极限（高温）； 安全系数：安全系数：nD 蠕变极限；蠕变极限； 安全系数：安全系数：nn 强度条件中的强度条件中的 取取 ， ， ， 中的最小值。中的最小值。 bbnstDtnssnDtnDntnnb 安全系数反映构件安全裕度，选定原则是：在保证安全的前提下尽量经安全系数反映构件安全裕度，选定原则是：在保证安全的前提下尽量经济。我国锅炉压力容器强度设计采用的安全系数如下表所示。济。我国锅炉压力容器强度设计采用的安全系数如下表

10、所示。构件类别对常温下抗拉强度的安全系数nb对常温或工作温度下屈服点的安全系数ns对工作温度下持久强度的安全系数nD对工作温度下蠕变极限的安全系数nn锅壳锅炉部件2.71.5水管锅炉部件2.71.51.5碳素钢、低合金钢压力容器3.01.61.51.0高合金钢压力容器3.01.51.51.05.1.6 强度计算标准强度计算标准 由于锅炉压力容器潜在着一些不安全的因素，因此必须有一些标准、由于锅炉压力容器潜在着一些不安全的因素，因此必须有一些标准、规范来指导、规范压力容器的设计、制造、安装、检验、使用、维修、规范来指导、规范压力容器的设计、制造、安装、检验、使用、维修、退役。我国锅炉压力容器常规

11、的强度设计标准主要有三项：退役。我国锅炉压力容器常规的强度设计标准主要有三项：（1）GB/T 16508-1996 锅壳锅炉受压元件强度计算锅壳锅炉受压元件强度计算；（2）GB 9222-1998 水管锅炉受压元件强度计算水管锅炉受压元件强度计算；（3）GB 150-1998 钢制压力容器钢制压力容器。5.2 锅炉压力容器钢材锅炉压力容器钢材5.2.1 钢材的基本知识钢材的基本知识5.2.1.1 钢材的基本成分和组织钢材的基本成分和组织1）构成钢的主要元素及其作用）构成钢的主要元素及其作用 （1）基本元素）基本元素 指不可缺少的化学成分：指不可缺少的化学成分：Fe、 C (C含量在含量在0.0

12、22.06%为碳钢，为碳钢，2.06%为铸铁，含量为铸铁，含量0.02%的为纯铁的为纯铁)。 （2）残留元素）残留元素 它是在冶炼过程中残留下来，如它是在冶炼过程中残留下来，如Mn 、Si、S、P ，微量，微量O 、N、H 。其。其中有的是有利元素，可提高钢的品质或改善钢的性能，如中有的是有利元素，可提高钢的品质或改善钢的性能，如Mn 、Si；有；有的是有害的，如的是有害的，如O 、H 、P、 S（S有利于切削加工）。有利于切削加工）。 （3）添加元素）添加元素 为了获得或改善钢的某些特性而在炼钢时有意加入的元素，如为了获得或改善钢的某些特性而在炼钢时有意加入的元素，如Mn、Si、Cr、Ni、

13、Mo、Ti、Nb、B等（如不锈钢等（如不锈钢Cr、Ni）。）。2）组织）组织 含碳量不同的碳钢，在不同的温度下，形成不同的组织，其基本组成含碳量不同的碳钢，在不同的温度下，形成不同的组织，其基本组成物有下列几种：物有下列几种：（1）铁素体）铁素体 铁素体是指碳溶解于铁素体是指碳溶解于铁中所形成的固溶体。纯铁在铁中所形成的固溶体。纯铁在910以下呈体心以下呈体心立方晶格，碳原子嵌入此体心晶格的空隙中即形成铁素体。不过碳在立方晶格，碳原子嵌入此体心晶格的空隙中即形成铁素体。不过碳在铁中的溶解度极小（在室温下仅为铁中的溶解度极小（在室温下仅为0.006%），故铁素体的组织和性能），故铁素体的组织和性

14、能与纯铁相近。与纯铁相近。（2）奥氏体）奥氏体 奥氏体是指碳溶解于奥氏体是指碳溶解于铁中所形成的固溶体（纯铁在铁中所形成的固溶体（纯铁在9101390时呈时呈面心立方晶格，称为面心立方晶格，称为铁），碳在铁），碳在铁中的溶解度较大，在铁中的溶解度较大，在723 时为时为0.8%，到，到1147 时溶解度达时溶解度达2.06%，因，因铁是高温组织，当合金缓慢铁是高温组织，当合金缓慢冷却到温度低于冷却到温度低于723 时，奥氏体就不可能存在。时，奥氏体就不可能存在。（3）渗碳体）渗碳体 渗碳体是指铁和碳形成化合物渗碳体是指铁和碳形成化合物Fe3C，碳钢中的碳除了极微量溶解于铁素，碳钢中的碳除了极微

15、量溶解于铁素体中以外，绝大部分都与铁形成化合物体中以外，绝大部分都与铁形成化合物Fe3C 。（4）珠光体）珠光体 珠光体是指由铁素体和渗碳体所形成的机械混合物，在珠光体中，铁素珠光体是指由铁素体和渗碳体所形成的机械混合物，在珠光体中，铁素体与渗碳体呈片状分布，紧密结合。在碳钢中的珠光体，平均含碳量约体与渗碳体呈片状分布，紧密结合。在碳钢中的珠光体，平均含碳量约为为0.8%。5.2.1.2 钢材的性能钢材的性能1）机械性能及其主要指标）机械性能及其主要指标 机械性能是指在外力作用下所表现出来的特性，钢材的机械性能主要包机械性能是指在外力作用下所表现出来的特性，钢材的机械性能主要包括强度、塑性、硬

16、度、冲击韧性等。括强度、塑性、硬度、冲击韧性等。 bs pesbk0低碳钢应力-应变曲线图 （1）强度）强度 它是指在外力作用下，对变形或断裂的抗它是指在外力作用下，对变形或断裂的抗力，力， 、 、 、 。 屈强比屈强比 ， 值小，材料可靠值小，材料可靠性高，因为一旦超载，也能由于塑性变形使金性高，因为一旦超载，也能由于塑性变形使金属强度提高而不致于破坏，若属强度提高而不致于破坏，若 大，则可靠性大，则可靠性不高，一般碳素钢在不高，一般碳素钢在0.6左右，低合金钢左右，低合金钢0.650.75，合金钢，合金钢0.85。（2）塑性）塑性pesb 它是指在断裂前，塑性变形的能力（永久变形）。它是指

17、在断裂前，塑性变形的能力（永久变形）。延伸率：延伸率： 试样断裂后的标距长度；试样断裂后的标距长度； 试样原始标距长度。试样原始标距长度。00lllk kl 0l断面收缩率：断面收缩率： 试样断裂后的最小截面积；试样断裂后的最小截面积； 试样原始横截面积。试样原始横截面积。 塑性良好的材料能顺利完成成型加工（冷冲压、冷弯曲），且万一塑性良好的材料能顺利完成成型加工（冷冲压、冷弯曲），且万一超载，材料不致突然断裂，如鼓包、变形；相反，塑性差易造成脆超载，材料不致突然断裂，如鼓包、变形；相反，塑性差易造成脆性破裂，造成严重的事故。性破裂，造成严重的事故。 （3）硬度）硬度 硬度是指抵抗压入物压陷能

18、力的大小，即对局部塑性变形的抗力。硬度是指抵抗压入物压陷能力的大小，即对局部塑性变形的抗力。 它与塑性不同，它是弹性、塑性、强度、韧性的综合指标，且易测，它与塑性不同，它是弹性、塑性、强度、韧性的综合指标，且易测，如压入法、刻画法。如压入法、刻画法。 （4）冲击韧性）冲击韧性 冲击韧性是指抵抗冲击负荷的能力，冲击韧性一般对缺陷比较敏感，冲击韧性是指抵抗冲击负荷的能力，冲击韧性一般对缺陷比较敏感，常以常以冲击功冲击功表示（在外力作用下，断裂时所消耗能量的大小）。表示（在外力作用下，断裂时所消耗能量的大小）。 00FFFk kF0F 2）合金元素对机械性能的影响合金元素对机械性能的影响 影响钢材的

19、机械性能主要的是它的化学成分、显微组织（渗碳体，珠光影响钢材的机械性能主要的是它的化学成分、显微组织（渗碳体，珠光体、铁素体），而变化最多的是化学成分，合金元素对机械性能的影响常体、铁素体），而变化最多的是化学成分，合金元素对机械性能的影响常用碳当量表示。用碳当量表示。碳当量：各种元素对机械性能的影响与钢中碳元素的影响进行比较，折算成碳当量：各种元素对机械性能的影响与钢中碳元素的影响进行比较，折算成碳含量碳含量.（1）屈服极限碳当量）屈服极限碳当量（2）强度极限碳当量）强度极限碳当量V1.1M21Ni201Cu71Si71Mn51CC0sMPa40168C375ssV21M21Cr91Ni20

20、1Cu71Si71Mn51CC0bMPa35243C610bb （3）延伸率的碳当量）延伸率的碳当量 3）制造工艺性能）制造工艺性能 它是指材料加工时所具有的特性。它是指材料加工时所具有的特性。 （1）焊接性能）焊接性能焊接性能焊接性能是指金属材料在规定的焊接工艺条件下，获得优良焊接接头的能是指金属材料在规定的焊接工艺条件下，获得优良焊接接头的能力。力。 钢的焊接性能与焊接方法、工艺、环境以及构件的复杂程度及刚性有钢的焊接性能与焊接方法、工艺、环境以及构件的复杂程度及刚性有关。但就钢本身而言，最主要的是化学成分，影响最大的的是碳，所关。但就钢本身而言，最主要的是化学成分，影响最大的的是碳，所以

21、用焊接碳当量的大小来评定钢的焊接性能。以用焊接碳当量的大小来评定钢的焊接性能。V54M52Cr41Ni201Cu101Si121Mn91CC04.5%C51.255.9 当当 时，可焊性良好；时，可焊性良好； 当当 时，可焊性一般；时，可焊性一般； 当当 时，可焊性不好。时，可焊性不好。（2）冷加工变形性能）冷加工变形性能 冷加工变形性能是指钢材经过冷加工后，产生塑性变形后的硬化程度。冷加工变形性能是指钢材经过冷加工后，产生塑性变形后的硬化程度。表现为强度、硬度提高，而塑性、冲击韧性下降。一般的合金元素都会表现为强度、硬度提高，而塑性、冲击韧性下降。一般的合金元素都会提高钢的加工硬化程度。提高

22、钢的加工硬化程度。5.2.2锅炉压力容器常用钢材锅炉压力容器常用钢材5.2.2.1锅炉压力容器钢材的基本要求锅炉压力容器钢材的基本要求1）使用性能要求）使用性能要求 （1）较高的强度）较高的强度 V51M51Cr51Ni151Cu151Mn61CC0d0.40%Cd0.60%0.40Cd0.60%Cd （2）良好的塑性、韧性和较低时效敏感性。）良好的塑性、韧性和较低时效敏感性。 材料在冷加工塑性变形后，长期放置，其强度上升，塑性、韧性下降，材料在冷加工塑性变形后，长期放置，其强度上升，塑性、韧性下降，冲击韧性明显降低，这就是应变时效。冲击韧性明显降低，这就是应变时效。 （3）较低的缺口敏感性）

23、较低的缺口敏感性 （4）良好的抗腐蚀性能及组织稳定性。）良好的抗腐蚀性能及组织稳定性。2）加工工艺性能要求）加工工艺性能要求 （1）良好的冲压性能（冷塑性形变能力）；）良好的冲压性能（冷塑性形变能力）； （2）较好的可焊性；）较好的可焊性； （3）适宜的热处理性能；）适宜的热处理性能； 清除加工过程冲产生的残余应力。清除加工过程冲产生的残余应力。5.2.2.2 低碳钢低碳钢 低碳钢中的含碳量在低碳钢中的含碳量在0.25%以下，它具有良好的塑性和韧性，可焊性以下，它具有良好的塑性和韧性，可焊性良好，低碳钢价格便宜，经济性好，是锅炉压力容器中使用最多的钢材。良好，低碳钢价格便宜，经济性好，是锅炉压

24、力容器中使用最多的钢材。尤以尤以20号钢板及钢管使用最为广泛。号钢板及钢管使用最为广泛。 碳素钢分为低碳钢（含碳碳素钢分为低碳钢（含碳0.60%）。）。优质碳素结构钢，含优质碳素结构钢，含P、S少，以平均含碳量万分之几表示，如少，以平均含碳量万分之几表示，如20号钢号钢5.2.2.3 低合金高强度钢低合金高强度钢 锅炉压力容器中使用的低合金高强度钢，主要是指钢板，用于制造高压锅炉压力容器中使用的低合金高强度钢，主要是指钢板，用于制造高压及超高压锅炉锅筒和容器。及超高压锅炉锅筒和容器。 低合金钢的含碳量一般都不大于低合金钢的含碳量一般都不大于0.25%，属低碳合金钢。主要依靠合金，属低碳合金钢。

25、主要依靠合金元素来强化钢材，提高和改善钢材性能。元素来强化钢材，提高和改善钢材性能。 合金钢分为低合金钢（合金元素的含量合金钢分为低合金钢（合金元素的含量5%）、中合金钢（合金元素的）、中合金钢（合金元素的含量含量510%）及高合金钢）及高合金钢 （合金元素的含量（合金元素的含量10%）。）。 合金钢的牌号是以钢中的含碳量加上合金元素名及其含量表示，牌号前合金钢的牌号是以钢中的含碳量加上合金元素名及其含量表示，牌号前面的数字表示平均含碳量万分之几，后接元素名及其百分含量。如合金元素面的数字表示平均含碳量万分之几，后接元素名及其百分含量。如合金元素少于少于1.5%，只标明元素，不标数字；含量在，

26、只标明元素，不标数字；含量在1.52.49%标标2，含量为，含量为2.53.49%标标3，如此类推。，如此类推。 16Mn、15MnV、18MnM0Nb等。等。5.2.2.4 耐热钢耐热钢 锅炉压力容器中采用的耐热钢，主要是钼钢、铬钼钢及铬钼钒钢，用于锅炉压力容器中采用的耐热钢，主要是钼钢、铬钼钢及铬钼钒钢，用于制造承受高温的过热器、蒸汽集箱、蒸汽管道等部件，因而主要是钢管。制造承受高温的过热器、蒸汽集箱、蒸汽管道等部件，因而主要是钢管。 如如12CrMo 、 15CrMo 、12CrMoV 、 12CrMo WVTiB等。等。5.2.2.5低温压力容器用钢低温压力容器用钢 工作温度工作温度-

27、20的压力容器属于低温容器，用作低温容器的钢材必须是的压力容器属于低温容器，用作低温容器的钢材必须是镇静钢（完全脱氧的钢）。镇静钢（完全脱氧的钢）。 如如 10MnDR 0.9Mn2VDR5.2.3 温度对钢材机械性能的影响温度对钢材机械性能的影响5.2.3.1 温度对钢材机械性能的影响温度对钢材机械性能的影响 钢材的机械性能随温度的变化而发生显著的变化，如下图所示。钢材的机械性能随温度的变化而发生显著的变化，如下图所示。 碳钢在碳钢在200250时抗拉强度上升而塑性下降的现象叫时抗拉强度上升而塑性下降的现象叫“蓝脆性蓝脆性”。因。因为此时碳钢通常呈蓝色。为此时碳钢通常呈蓝色。 温度对低碳钢机

28、械性能的影响温度对低碳钢机械性能的影响5.2.3.2 蠕变及高温强度蠕变及高温强度 1）蠕变）蠕变 在高温和一定应力的作用下，材料的塑性变形随着时间逐渐增加的在高温和一定应力的作用下，材料的塑性变形随着时间逐渐增加的现象称为材料的蠕变（现象称为材料的蠕变（应力不增加应力不增加）。）。 碳钢在约碳钢在约350时开始出现蠕变现象。合金钢出现蠕变的温度在时开始出现蠕变现象。合金钢出现蠕变的温度在400 以上。以上。 实验表明：蠕变的快慢取决于载荷、温度、材料等因素，对一定的材实验表明：蠕变的快慢取决于载荷、温度、材料等因素，对一定的材质，进入蠕变温度范围以后，载荷越大，温度越高，蠕变速度越快，至质，

29、进入蠕变温度范围以后，载荷越大，温度越高，蠕变速度越快，至蠕变破坏所需要的时间越短。相对一定的温度和载荷，在钢材中增加钼、蠕变破坏所需要的时间越短。相对一定的温度和载荷，在钢材中增加钼、钨、钒、硼等合金元素，可以有效地降低蠕变速度，增加蠕变寿命。钨、钒、硼等合金元素，可以有效地降低蠕变速度，增加蠕变寿命。2）持久强度及蠕变极限）持久强度及蠕变极限 通常用持久强度及蠕变极限表示刚才的高温强度即抗蠕变能力。通常用持久强度及蠕变极限表示刚才的高温强度即抗蠕变能力。 （1）持久强度：）持久强度：是指在一定的温度下，经过规定的工作期限（我国是指在一定的温度下，经过规定的工作期限（我国为为1105h）引起

30、蠕变破坏的应力，通常以表示。）引起蠕变破坏的应力，通常以表示。tD（2）蠕变极限：）蠕变极限：是指在一定的温度下，在规定的工作期限是指在一定的温度下，在规定的工作期限（1105h）内引起规定蠕变变形（）内引起规定蠕变变形（1%）的应力，）的应力， 以表示。以表示。5.2.3.3 钢材脆性及脆化钢材脆性及脆化1）脆性和脆化）脆性和脆化 （1）脆性）脆性 指因工作条件（特别是工作温度）的变化而造成的钢材韧性的降指因工作条件（特别是工作温度）的变化而造成的钢材韧性的降低，它是外部原因造成的钢材性能变化，合金组织通常不发生变低，它是外部原因造成的钢材性能变化，合金组织通常不发生变化。化。 导致脆性产生

31、的外部原因消失，钢材的脆性也相应地消失，导致脆性产生的外部原因消失，钢材的脆性也相应地消失，而能全部或大部分恢复原有的韧性。而能全部或大部分恢复原有的韧性。 （2）脆化）脆化 指钢材组织变化而造成的韧性降低，是一种更指钢材组织变化而造成的韧性降低，是一种更 危险的脆性。钢危险的脆性。钢材发生脆化后，即使外部条件消失，钢材也难以恢复原有的组织材发生脆化后，即使外部条件消失，钢材也难以恢复原有的组织和原有的韧性。和原有的韧性。 tn2）冷脆性）冷脆性 对于低碳钢和低碳低合金钢，都是由体心立方晶格的对于低碳钢和低碳低合金钢，都是由体心立方晶格的铁构成。对铁构成。对具有体心立方晶格的金属来说，当温度降

32、低到一定程度时，其冲击具有体心立方晶格的金属来说，当温度降低到一定程度时，其冲击韧性明显下降，材料突然变脆的现象，叫韧性明显下降，材料突然变脆的现象，叫冷脆性冷脆性。 防止钢材出现冷脆性，有必要了解它的防止钢材出现冷脆性，有必要了解它的“韧脆性转变温度韧脆性转变温度”，以，以保证钢材在制造使用时及维护时温度高于这个温度。保证钢材在制造使用时及维护时温度高于这个温度。 所谓所谓“韧脆转变温度韧脆转变温度”是指钢材在低温时冲击韧性明显下降的相应是指钢材在低温时冲击韧性明显下降的相应温度。钢材韧脆转变温度的主要影响因素有：温度。钢材韧脆转变温度的主要影响因素有： （1）缺陷情况）缺陷情况：应力越集中

33、，韧脆转变温度越高；应力越集中，韧脆转变温度越高； （2）加载速度：）加载速度：加载越快，韧脆转变温度越高；加载越快，韧脆转变温度越高； （3）构件厚度：）构件厚度：构件越厚，韧脆转变温度越高；构件越厚，韧脆转变温度越高； （4）冶炼条件及杂质含量：）冶炼条件及杂质含量：沸腾钢及粗晶粒钢更易产生冷脆性，含沸腾钢及粗晶粒钢更易产生冷脆性，含磷也明显影响钢材的冷脆性。磷也明显影响钢材的冷脆性。5.2.4 钢材的腐蚀钢材的腐蚀 根据腐蚀的面积大小可分为均匀腐蚀（金属壁面普遍均匀产生的腐根据腐蚀的面积大小可分为均匀腐蚀（金属壁面普遍均匀产生的腐蚀）及局部腐蚀（金属壁面的局部区域在一定条件下产生的腐蚀）

34、。蚀）及局部腐蚀（金属壁面的局部区域在一定条件下产生的腐蚀）。 几种常见的几种常见的BPV腐蚀机理：腐蚀机理： 1） 氧腐蚀氧腐蚀 2）低温硫腐蚀）低温硫腐蚀 3）泄露潮湿部位的大气腐蚀）泄露潮湿部位的大气腐蚀 4）压力容器在特定介质作用下的腐蚀）压力容器在特定介质作用下的腐蚀 如酸、碱及各种具有腐蚀性的气体。如酸、碱及各种具有腐蚀性的气体。 腐蚀速度以每年腐蚀深度计算，单位为腐蚀速度以每年腐蚀深度计算，单位为mm/y。 耐蚀性良好：耐蚀性良好：1 mm/y ；5.3 常见受压元件强度计算常见受压元件强度计算5.3.1 承受内压薄壳的强度计算承受内压薄壳的强度计算5.3.1.1 设计参数的确定

35、设计参数的确定1）设计压力（或称为计算压力）设计压力（或称为计算压力） 设计压力是指在相应设计温度下，用来确定承压部件壁厚的压力，其设计压力是指在相应设计温度下，用来确定承压部件壁厚的压力，其值不低于工作压力。一般地，设计压力值不低于工作压力。一般地，设计压力p =1.01.1pw，pw为工作压力。为工作压力。 有关锅炉各承压部件及各类压力容器的设计压力具有规定如下：有关锅炉各承压部件及各类压力容器的设计压力具有规定如下： （1）锅筒的设计压力。）锅筒的设计压力。 取锅炉出口额定压力与最大流量时锅筒至锅炉出口压力降之和。若锅取锅炉出口额定压力与最大流量时锅筒至锅炉出口压力降之和。若锅炉出口安全

36、阀的较低开启压力与额定压力之差为炉出口安全阀的较低开启压力与额定压力之差为pa，则计算压力应，则计算压力应加上此值，另外，若锅筒所受液柱静压力超过上述所得计算压力的加上此值，另外，若锅筒所受液柱静压力超过上述所得计算压力的3%时，则应加上液柱压力。时，则应加上液柱压力。 （2）集箱的设计压力）集箱的设计压力 取锅炉出口额定压力与最大流量时集箱至锅炉出口压力降之和。取锅炉出口额定压力与最大流量时集箱至锅炉出口压力降之和。另外也要考虑另外也要考虑pa ，同样液柱压力超过，同样液柱压力超过3%时，应加上液柱压力。时，应加上液柱压力。 （3）有安全阀的压力容器）有安全阀的压力容器 其设计压力应不小于安

37、全阀的开启压力；若液柱静压力达到上述计算压力其设计压力应不小于安全阀的开启压力；若液柱静压力达到上述计算压力的的5%时，则应加上此液柱静压力。时，则应加上此液柱静压力。 （4）装设爆破片的压力容器）装设爆破片的压力容器 其计算压力应不小于爆破片的设计爆破压力与爆破片制造范围正偏差之和。其计算压力应不小于爆破片的设计爆破压力与爆破片制造范围正偏差之和。若液柱静压力若液柱静压力5%时，应加上液柱静压力。时，应加上液柱静压力。 （5）盛装液化气体的容器）盛装液化气体的容器 其计算压力应为介质在最高温度下的饱和蒸汽压力。若液柱静压力超过此其计算压力应为介质在最高温度下的饱和蒸汽压力。若液柱静压力超过此

38、压力的压力的5%时，则应加上此静压力。时，则应加上此静压力。2）许用应力）许用应力 根据钢材种类，设备或部件的工作温度及其他工作条件，查有关手册。根据钢材种类，设备或部件的工作温度及其他工作条件，查有关手册。3）减弱系数）减弱系数 （1）焊缝减弱系数）焊缝减弱系数 锅炉压力容器的承压部件一般都是钢板焊接的，它的强度自然要受到锅炉压力容器的承压部件一般都是钢板焊接的，它的强度自然要受到焊接质量的影响，一般地将材料的原有强度打个折扣，这个折扣值称焊接质量的影响，一般地将材料的原有强度打个折扣，这个折扣值称为焊缝减弱系数。为焊缝减弱系数。 （2）孔桥减弱系数）孔桥减弱系数 相邻两孔间的金属部分称为孔

39、桥。孔桥部位被开孔削弱的程度用孔桥减相邻两孔间的金属部分称为孔桥。孔桥部位被开孔削弱的程度用孔桥减弱系数来表示。弱系数来表示。4）附加壁厚（）附加壁厚（C） 附加壁厚附加壁厚C应当包含三个部分：一是钢板或钢管负偏差应当包含三个部分：一是钢板或钢管负偏差C1 、腐蚀裕度、腐蚀裕度C2、加工减薄量加工减薄量C3。 （1） C1的选取的选取 可根据钢板和钢管标准规定的数据选用。可根据钢板和钢管标准规定的数据选用。 （2） C2的选取的选取 根据工作介质对部件材料的腐蚀速度及设备使用寿命而选，理论上为两根据工作介质对部件材料的腐蚀速度及设备使用寿命而选，理论上为两者的乘积。一般可按经验数据选用。者的乘

40、积。一般可按经验数据选用。 （3） C3的选取的选取 依据加工工艺和加工能力选取。依据加工工艺和加工能力选取。5.3.1.2 常见壳体的强度计算常见壳体的强度计算1）球壳）球壳由第三强度理论及强度条件知：由第三强度理论及强度条件知：对于焊接压力容器，对于焊接压力容器， ， 引入减弱系数及附加壁厚引入减弱系数及附加壁厚C,则：则：若球壳直径和壁厚已知，需要确定其许用应力，则：若球壳直径和壁厚已知，需要确定其许用应力，则：，221pR03 2313pRSigDD 2iDR CppDti4 CDCpit42）圆筒壳）圆筒壳故有：故有： 引入减弱系数及附加壁厚，则可得：引入减弱系数及附加壁厚，则可得：

41、pR103 pRS313 CppDti2 CDCpit23）椭球壳）椭球壳在极点处：在极点处：则由第三强度理论及强度条件知：则由第三强度理论及强度条件知：令令 ，并引入减弱系数及附加壁厚，则有：，并引入减弱系数及附加壁厚，则有：考虑椭球封头承受后的变形及与筒体连接的边界效应，引入形状系数考虑椭球封头承受后的变形及与筒体连接的边界效应，引入形状系数Y：03，bpa22122bpa，2iDa ihb ， ChDpDiiti2422261iihDY目前我国采用的计算公式为：目前我国采用的计算公式为：则：则：5.3.2 单层厚壁圆筒的强度计算单层厚壁圆筒的强度计算 锅炉中所有的圆筒形元件、中低压容器及

42、常用高压容器的圆筒元件锅炉中所有的圆筒形元件、中低压容器及常用高压容器的圆筒元件一般都是按薄壁圆筒进行强度计算。对于设计压力大于一般都是按薄壁圆筒进行强度计算。对于设计压力大于0.4时可用厚时可用厚壁计算公式进行计算，但目前我国尚没有这方面的规范。壁计算公式进行计算，但目前我国尚没有这方面的规范。 由第三强度理论及强度条件可知：由第三强度理论及强度条件可知：则：则： CpYpDti5 . 02 CYDCpit5 . 02 tpKKppKKS12112222313 CpRtti125.4 薄壳筒体开孔补强薄壳筒体开孔补强 壳体开孔对壳体的影响主要有以下三个方面：一是因开孔造成了承载材壳体开孔对壳

43、体的影响主要有以下三个方面：一是因开孔造成了承载材料的削弱；二是由于开孔而造成孔边的应力集中；三是接管和壳体的连料的削弱；二是由于开孔而造成孔边的应力集中；三是接管和壳体的连接构成了不连续结构，从而在接管的一定长度范围内和壳体的孔边附近接构成了不连续结构，从而在接管的一定长度范围内和壳体的孔边附近引起附加的边缘力。引起附加的边缘力。 为减弱或消除开孔对壳体的影响，通常采取的措施有：为减弱或消除开孔对壳体的影响，通常采取的措施有： （1）引进孔桥减弱系数，从整体上增强筒体的壁厚；）引进孔桥减弱系数，从整体上增强筒体的壁厚； （2）对大直径的单孔及过于密集的孔排，进行补强计算和补强处）对大直径的单

44、孔及过于密集的孔排，进行补强计算和补强处理。理。 所谓所谓补强补强是指在开孔边缘部位适当添加金属，以弥补开孔对筒体强是指在开孔边缘部位适当添加金属，以弥补开孔对筒体强度的减弱。度的减弱。 补强的主要对象是薄壁圆筒体，也有压力容器中球壳及凸形封头。补强的主要对象是薄壁圆筒体，也有压力容器中球壳及凸形封头。5.4.1 开孔应力集中开孔应力集中 应力集中系数应力集中系数=局部最大应力局部最大应力/壳体最大基本应力，即：壳体最大基本应力，即： 5.4.1.1 单向拉伸平板开圆孔单向拉伸平板开圆孔 当当Bd时，由弹性力学知：时，由弹性力学知：其中：其中：为截面上某点离孔中心的距离。为截面上某点离孔中心的

45、距离。则则Kt=3，随着距离的增加，随着距离的增加Kt迅速减小。迅速减小。同理，由弹性力学知：同理，由弹性力学知：孔边孔边b点应力最大：点应力最大： ， 为压应力。为压应力。4422aa16d34d223maxa2222bb4d4d312b/KmaxtdBaabb5.4.1.2双向拉伸平板开圆孔双向拉伸平板开圆孔1）双向应力相等）双向应力相等此时孔边最大应力为：此时孔边最大应力为：故故 Kt=22）一向应力是另一向的）一向应力是另一向的1/2此时孔边最大应力为：此时孔边最大应力为：故故 Kt=2.523max5 . 223max22 5.4.1.3 单向拉伸平板开椭圆孔单向拉伸平板开椭圆孔1）

46、长轴与应力方向垂直时）长轴与应力方向垂直时此时孔边最大应力为：此时孔边最大应力为：故故 Kt=1+2a/b在短轴两端处的应力则与圆形孔相同。在短轴两端处的应力则与圆形孔相同。2）长轴与应力方向平行时）长轴与应力方向平行时此时孔边最大应力为：此时孔边最大应力为：故故 Kt=1+2b/a在长轴两端处的应力则与圆形孔相同。在长轴两端处的应力则与圆形孔相同。abbaba21maxab21max22225.4.1.4 双向拉伸平板开椭圆孔双向拉伸平板开椭圆孔1）双向应力相等时）双向应力相等时此时孔边最大应力为：此时孔边最大应力为：故故 Kt=2a/b2）一向为另一向的）一向为另一向的1/2，且长轴垂直于

47、应力较大方向，且长轴垂直于应力较大方向此时孔边最大应力为：此时孔边最大应力为：故故 Kt=0.5+2a/b3）一向为另一向的）一向为另一向的1/2，且长轴平行于应力较大方向，且长轴平行于应力较大方向故故 Kt=a/b-0.5baba221max212221maxbaba212121maxbaba5.4.1.5 圆筒上开圆孔的应力集中圆筒上开圆孔的应力集中 圆筒体上开设圆孔，如孔径不太大，在圆筒体上开设圆孔，如孔径不太大，在 ，孔边的最大平均，孔边的最大平均周向应力为：周向应力为： 则：则： 对于一定内径对于一定内径Di、壁厚、壁厚的筒体及一定的开孔直径的筒体及一定的开孔直径d，存在一个确定的，

48、存在一个确定的孔距孔距t0：t0称为孔间互不影响的距离。称为孔间互不影响的距离。DdiDd1.1512.5i2maxDd1.1512.5Ki2t)（D2dti05.4.2 未加强单孔的最大允许直径未加强单孔的最大允许直径 圆筒体上未加强单孔的最大允许直径圆筒体上未加强单孔的最大允许直径d可按下式计算：可按下式计算：式中：式中： 有效壁厚，有效壁厚， 。 壁厚富裕程度的系数，壁厚富裕程度的系数， 。注；锅炉筒体上未加强单孔孔径最大不超过注；锅炉筒体上未加强单孔孔径最大不超过200mm。5.4.3 单孔补强单孔补强5.4.3.1 补强结构补强结构 当圆筒上单孔的孔径大小当圆筒上单孔的孔径大小d时，

49、就应补强。补强有两种措施，其一时，就应补强。补强有两种措施，其一是整体补强；其二是局部补强。显然整体补强是不合理的。壳体开是整体补强；其二是局部补强。显然整体补强是不合理的。壳体开孔一般均采用局部补强。补强件常用的有补强圈、厚壁接管及锻件孔一般均采用局部补强。补强件常用的有补强圈、厚壁接管及锻件等。等。 mmk1D8.1d3yiyk ytip2pDkCy1）补强圈）补强圈 补强圈是使用最为广泛的结构形式，如下图所示。它具有结构简单、补强圈是使用最为广泛的结构形式，如下图所示。它具有结构简单、制造方便、原材料易解决、安全、可靠等优点。在一般用途、条件不苛刻制造方便、原材料易解决、安全、可靠等优点

50、。在一般用途、条件不苛刻的情况下，可采用补强圈结构。但是该结构必须同时满足以下三个条件：的情况下，可采用补强圈结构。但是该结构必须同时满足以下三个条件：（1）钢材的标准抗拉强度）钢材的标准抗拉强度b540MPa；（2）补强圈厚度小于或等于补强壳体开孔处名义厚度的）补强圈厚度小于或等于补强壳体开孔处名义厚度的1.5倍；倍；（3）被补强壳体名义厚度小于或等于）被补强壳体名义厚度小于或等于38mm。补强圈补强示意图2）厚壁接管）厚壁接管 厚壁接管补强是在开孔处焊接较厚的接管，如下图所示。由于接管厚壁接管补强是在开孔处焊接较厚的接管，如下图所示。由于接管的加厚部分正处于最大应力分布区域，故能有效地降低

51、开孔周围的应力的加厚部分正处于最大应力分布区域，故能有效地降低开孔周围的应力集中系数。集中系数。 厚壁接管结构简单、焊缝少，焊接质量容易检验，是一种较为合理、厚壁接管结构简单、焊缝少，焊接质量容易检验，是一种较为合理、理想的补强结构。理想的补强结构。GB150中规定：中规定：“若条件许可，推荐以厚壁接管代替若条件许可，推荐以厚壁接管代替补强圈进行补强。补强圈进行补强。”厚壁接管 3）整体锻件）整体锻件 与前两种结构相比，整体锻件补强是最为合理和有效的补强结构，如下与前两种结构相比，整体锻件补强是最为合理和有效的补强结构，如下图所示。其优点是补强金属集中于开孔应力最大的部位，应力集中系数最小，图

52、所示。其优点是补强金属集中于开孔应力最大的部位，应力集中系数最小，且与壳体采用对接焊缝，使焊缝及其热影响区离开最大应力点的位置，故抗且与壳体采用对接焊缝，使焊缝及其热影响区离开最大应力点的位置，故抗疲劳性能好。缺点是该结构锻件尺寸较大，成本高，制造难度大，与壳体的疲劳性能好。缺点是该结构锻件尺寸较大，成本高，制造难度大，与壳体的对接焊接要求也高。故整体锻件补强一般用于有严格要求的设备。对接焊接要求也高。故整体锻件补强一般用于有严格要求的设备。 整体锻件如有下列情况之一时，应采用整体锻件补强。如有下列情况之一时，应采用整体锻件补强。 （1）高强度（）高强度（b540MPa）钢和铬钼钢制造的容器；

53、）钢和铬钼钢制造的容器； （2）补强圈厚度超过补强壳体名义厚度的）补强圈厚度超过补强壳体名义厚度的1.5倍或超过倍或超过max（碳钢为（碳钢为32mm，16MnR为为30mm）的；）的； （3）设计压力大于或等于）设计压力大于或等于4MPa； （4）设计温度大于）设计温度大于350； （5）壳体名义厚度大于或等于）壳体名义厚度大于或等于38mm； （6）极度、高度危害介质的压力容器；）极度、高度危害介质的压力容器； （7）疲劳压力容器。）疲劳压力容器。5.4.3.2 补强计算方法补强计算方法 压力容器开孔补强的计算方法有多种，如等面积法、压力面积法等，这压力容器开孔补强的计算方法有多种，如等面

54、积法、压力面积法等，这里主要介绍国际上工程设计中最常使用且为我国国家标准里主要介绍国际上工程设计中最常使用且为我国国家标准 GB 150 所采用的所采用的等面积补强方法。等面积补强方法。1）补强准则）补强准则 等面积法等面积法就是壳体截面因开孔被削弱的承载面积，必须由补强材料予以就是壳体截面因开孔被削弱的承载面积，必须由补强材料予以等面积的补偿。其实质是指壳体截面因开孔丧失的强度，即被削弱的承载面等面积的补偿。其实质是指壳体截面因开孔丧失的强度，即被削弱的承载面积与壳体材料在设计温度下的许用应力的乘积，应由补强材料予以补偿。当积与壳体材料在设计温度下的许用应力的乘积，应由补强材料予以补偿。当补

55、强材料与被削弱壳体的材料相同时，则补强面积等于削弱的面积，故称为补强材料与被削弱壳体的材料相同时，则补强面积等于削弱的面积，故称为等面积法等面积法。2）有效补强范围）有效补强范围 壳体开孔后，在开孔边缘产生局部高应力。根据局部应力的分布衰减规壳体开孔后，在开孔边缘产生局部高应力。根据局部应力的分布衰减规律，在距开孔边缘较远处其应力便恢复到正常水平。补强材料应设置在开孔律，在距开孔边缘较远处其应力便恢复到正常水平。补强材料应设置在开孔附近的高应力区域，即有效补强范围内。附近的高应力区域，即有效补强范围内。 有效补强范围包括开孔壳体和接管两个部分：有效补强范围包括开孔壳体和接管两个部分：对锅炉：对

56、锅炉： 有效宽度：有效宽度： b=2di （di 为厚壁接管内径）为厚壁接管内径） 有效高度：当有效高度：当1/di0.19时，取时，取h1=2.51,h1=2.5（为圆筒的厚度为圆筒的厚度, 1为接管的厚度）中较小者；当为接管的厚度）中较小者；当1/di0.19时，取时，取h1=(di+1) 10.5对压力容器：对压力容器： （1）开孔壳体上的有效补强范围，是以受拉伸开孔大平板孔边应力的）开孔壳体上的有效补强范围，是以受拉伸开孔大平板孔边应力的衰减范围进行考虑的，即补强范围取衰减范围进行考虑的，即补强范围取2倍的开孔直径；倍的开孔直径； （2）接管上的有效补强范围，是以端部受均布载荷的圆柱壳

57、的环向薄）接管上的有效补强范围，是以端部受均布载荷的圆柱壳的环向薄膜应力的衰减范围进行考虑的，补强范围取膜应力的衰减范围进行考虑的，补强范围取 ， 为接管名义厚为接管名义厚度。度。3）补强计算式）补强计算式 由于开孔而减少的面积为由于开孔而减少的面积为A。补强面积包括：。补强面积包括： （1）焊缝面积）焊缝面积A1； （2）接管多余面积）接管多余面积A2； （3）有效补强范围内垫板的有效面积）有效补强范围内垫板的有效面积A3； （4）有效补强范围内筒体多余面积）有效补强范围内筒体多余面积A4。 则由等面积补强原则可知，补强面积应大于等于则由等面积补强原则可知，补强面积应大于等于A，即：，即：

58、A1+A2+A3+A4A 1d1 5.5 锅炉压力容器结构设计要求锅炉压力容器结构设计要求5.4.1 结构设计总体要求结构设计总体要求（1）避免形状突变，使其平滑过度；）避免形状突变，使其平滑过度；（2）能引起应力集中或削弱强度的结构应相互错开；）能引起应力集中或削弱强度的结构应相互错开；（3）避免产生较大的焊接应力或附加应力的刚性焊接结构；）避免产生较大的焊接应力或附加应力的刚性焊接结构；（4）受热系统及部件的胀缩不要受限制；）受热系统及部件的胀缩不要受限制；（5）对锅炉受热系统，要保证适当的水位和可靠的水循环，合理调节过热蒸汽温度，）对锅炉受热系统，要保证适当的水位和可靠的水循环，合理调节

59、过热蒸汽温度，使受热面得到可靠冷却。使受热面得到可靠冷却。5.4.2 对封头结构的要求对封头结构的要求（1）对于凸形封头最好采用椭球封头，并选用标准形式；）对于凸形封头最好采用椭球封头，并选用标准形式；（2）尽量少采用碟形封头；）尽量少采用碟形封头；（3）无折边的球形封头只适用于直径较小，压力较低的容器；）无折边的球形封头只适用于直径较小，压力较低的容器；（4）锥形封头只在容器的生产工艺确需时才采用；）锥形封头只在容器的生产工艺确需时才采用；（5）除锅炉集箱采用合理的平端盖外，平板角焊封头一般不宜用压力容器；）除锅炉集箱采用合理的平端盖外，平板角焊封头一般不宜用压力容器；（6）用多块扇形板组拼的凸形封头，必须具有中心圆板，且不小于封头直径的）用多块扇形板组拼的凸形封头，必须具有中心圆板，且不小于封头直径的1/2。5.4.3 对焊接接头的要求对焊接接头的要求 焊接接头的基本形式有三种，一是对接接头；二是搭接接头；三是角接接焊接接头的基本形式有三种，一是对接接头；二是搭接接头；三是角接接头。其中对接接头是最完善的结构形式，锅炉承压部件及压