第三章鍋爐壓力容器

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽第三章鍋爐壓力容器

強(qiáng)度設(shè)計(jì)第一節(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)概述第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第三節(jié)常見受壓元件強(qiáng)度計(jì)算第四節(jié)薄壁筒體開孔補(bǔ)強(qiáng)第五節(jié)鍋爐壓力容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些問題中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽第一節(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)概述一、鍋爐壓力容器的失效二、強(qiáng)度設(shè)計(jì)的任務(wù)三、強(qiáng)度控制原則四、安全系數(shù)中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽第一節(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)概述一、鍋爐壓力容器的失效定義失效構(gòu)件失去預(yù)定的工作能力，叫構(gòu)件失效。失效形式強(qiáng)度失效剛度失效鍋爐壓力容器的失效定義：因強(qiáng)度不足引起的失效。表現(xiàn)：構(gòu)件破壞或破裂、斷裂是典型的強(qiáng)度失效。定義：也叫失穩(wěn)失效，因剛度不足或穩(wěn)定性不足，造成構(gòu)件過量彈性變形或失穩(wěn)坍塌。鍋爐壓力容器的失效主要是強(qiáng)度失效，包括靜載強(qiáng)度不足引起的靜載強(qiáng)度失效及交變載荷長期反復(fù)作用引起的疲勞強(qiáng)度失效。承受外壓的鍋爐壓力容器部件及元件，既可能產(chǎn)生強(qiáng)度失效，也可能產(chǎn)生失穩(wěn)失效。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽鍋爐壓力容器

的設(shè)計(jì)與安全鍋爐壓力容器設(shè)計(jì)不當(dāng)，對安全運(yùn)行有以下影響：

①容器壁厚太小，使容器在壓力的作用下，產(chǎn)生過度的彈性變形和塑性交形導(dǎo)致容器的破壞。②容器選材不當(dāng)，即具有足夠的壁厚，也可能在操作條件下，或是由于材料塑性的降低而發(fā)生的脆性斷裂，或由于工作介質(zhì)的腐蝕性導(dǎo)致腐蝕破裂。③結(jié)構(gòu)不良的容器，往往因產(chǎn)生過高的局部應(yīng)力，在反復(fù)的加壓和卸壓過程中導(dǎo)致疲勞破裂。④由于安全泄壓裝置選用不當(dāng)，當(dāng)容器的壓力超過額定工作壓力時(shí)，泄壓裝置不能迅速泄壓，致使容器因超壓而破裂．中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽二、強(qiáng)度設(shè)計(jì)的任務(wù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的主要任務(wù)是限制鍋爐壓力容器受壓元件中的一次應(yīng)力，避免鍋爐壓力容器的靜載強(qiáng)度失效。同時(shí)也避免外壓元件的失穩(wěn)失效，防范疲勞失效及其他失效。根據(jù)受壓元件的載荷和工作條件，選用合適的材料；基于對受壓元件一次應(yīng)力的限制，通過計(jì)算確定受壓元件的壁厚；根據(jù)結(jié)構(gòu)各處等強(qiáng)度的原則，進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)，包括焊縫布置及焊接接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，開孔布置及接管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，筒體與封頭、管板、法蘭連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。對設(shè)備制造質(zhì)量及運(yùn)行條件作出必要的規(guī)定。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽二、強(qiáng)度設(shè)計(jì)的任務(wù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)通常也叫強(qiáng)度計(jì)算，因計(jì)算條件與目的不同，強(qiáng)度計(jì)算分為設(shè)計(jì)計(jì)算與校核計(jì)算兩種。設(shè)計(jì)計(jì)算是在已知材料、元件外形尺寸、元件工作溫度及載荷的情況下，決定元件壁厚；校核計(jì)算是在已知材料、元件外形尺寸、元件壁厚及使用溫度的情況下，核算元件所能承受的壓力載荷。兩種計(jì)算在本質(zhì)上沒有什么不同。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽三、強(qiáng)度控制原則（一）彈性失效準(zhǔn)則（極限應(yīng)力法）認(rèn)為構(gòu)件上應(yīng)力最大點(diǎn)的當(dāng)量應(yīng)力達(dá)到材料的屈服點(diǎn)時(shí)，整個(gè)構(gòu)件即喪失正常工作能力（失效）。這種一點(diǎn)處失效即是構(gòu)件失效的觀點(diǎn)，是大多數(shù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)所采用的觀點(diǎn)。（二）塑性失效準(zhǔn)則（極限載荷法）認(rèn)為當(dāng)應(yīng)力沿截面分布不均勻時(shí)，一點(diǎn)的當(dāng)量應(yīng)力達(dá)到屈服點(diǎn)，整個(gè)結(jié)構(gòu)并不失效，只有當(dāng)整個(gè)截面上各點(diǎn)的當(dāng)量應(yīng)力均達(dá)到屈服點(diǎn)時(shí)，結(jié)構(gòu)才算失效。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽三、強(qiáng)度控制原則對于拉伸桿件和承壓薄壁圓筒，其結(jié)構(gòu)內(nèi)的應(yīng)力沿壁厚均布，一點(diǎn)失效與整個(gè)截面失效基本相同，故彈性失效準(zhǔn)則與塑性失效準(zhǔn)則都行。但對于承壓厚壁圓筒與承壓平板，由于沿壁厚存在應(yīng)力分布，對其采用不同的強(qiáng)度控制原則將會(huì)導(dǎo)致不同的結(jié)果，采用彈性失效準(zhǔn)則較安全。不論采用何種強(qiáng)度控制原則，都要取安全系數(shù)，給出安全裕度，所以采用不同的強(qiáng)度控制原則也可以得出大體相近的結(jié)果。我國鍋爐強(qiáng)度控制采用塑性失效準(zhǔn)則，一般壓力容器強(qiáng)度控制采用彈性失效難則。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽四、安全系數(shù)安全系數(shù)是反映構(gòu)件安全裕度的系數(shù)。選定安全系數(shù)的基本原則：保證安全的前提下盡量經(jīng)濟(jì)。不同國家、不同機(jī)械設(shè)備、不同材質(zhì)，所用安全系數(shù)不同。安全系數(shù)一般由國家有關(guān)部門確定，并體現(xiàn)在強(qiáng)度設(shè)計(jì)法規(guī)中。我國鍋爐壓力容器強(qiáng)度設(shè)計(jì)采用的安全系統(tǒng)如死皮賴臉?biāo)尽Ｖ袊刭|(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽四、安全系數(shù)構(gòu)件類別對常溫下抗拉強(qiáng)度σb的安全系數(shù)nb對常溫或工作溫度屈服點(diǎn)σs（σts）的安全系數(shù)ns對工作溫度下持久強(qiáng)度σtD

的安全系數(shù)nD對工作溫度下蠕變極限σtn

的安全系數(shù)nn鍋殼鍋爐部件2.71.5水管鍋爐部件2.71.51.5碳素鋼、低合金鋼壓力容器3.01.61.51.0高合金鋼壓力容器3.01.51.51.0中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽

五、強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)鍋爐壓力容器的強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算必須依照國家頒布的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行。鍋爐壓力容器強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)既是技術(shù)性的，也是法律性的，必須強(qiáng)制執(zhí)行。我國鍋爐壓力容器常規(guī)強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)主要有以下三項(xiàng)：第一項(xiàng)GB/T16508-1996《鋼殼鍋爐受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》第二項(xiàng)GB9222-1988《水管鍋爐受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》第三項(xiàng)GBl50-1998《鋼制壓力容器》中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材一、鋼材在使用溫度下的強(qiáng)度性能二、長期高溫時(shí)鋼材組織變化三、鋼材的脆性與脆化四、鋼材的腐蝕五、對鍋爐壓力容器鋼材的基本要求六、鍋爐壓力容器常用鋼材七、鍋爐部件及鋼材工作溫度八、鋼材在不同工作溫度下的許用應(yīng)力中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽一、鋼材在使用溫度下的強(qiáng)度性能（一）溫度對鋼材機(jī)械性能的影響鋼材的機(jī)械性能，通常用常溫短時(shí)拉伸試驗(yàn)得出的抗拉強(qiáng)度σb、屈服點(diǎn)σs、伸長率δ5、斷面收縮率ψ及常溫沖擊吸收功AKV表示。其中抗拉強(qiáng)度σb和屈服點(diǎn)σs表示鋼材的承載能力或抵抗外力破壞的能力；伸長率δ5及斷面收縮率ψ表示鋼材塑性變形的能力或承受塑性加工的能力；常溫沖擊吸收功AKV表示鋼材在常溫下承受沖擊的能力，反映鋼材的韌性或抵抗脆性破壞的能力，習(xí)慣上稱為沖擊韌性。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(一)溫度對鋼材機(jī)械

性能的影響溫度對鋼材的機(jī)械性能有顯著的影響。鋼材的機(jī)械性能隨溫度的變化而發(fā)生顯著變化。右圖為碳鋼的機(jī)械性能隨溫度變化的情況圖3-1溫度對低碳鋼機(jī)械性能的影響由圖可知，在50℃~100℃時(shí)，其抗拉強(qiáng)度有所下降；在200℃~300℃時(shí)有所提高，并在250℃時(shí)出現(xiàn)峰值；之后隨溫度升高而急劇下降。其塑性在250℃前后的趨勢是先下降后明顯上升。在200℃~250℃時(shí)抗拉強(qiáng)度上升而塑性下降的現(xiàn)象叫“藍(lán)脆性”，因?yàn)榇藭r(shí)碳鋼呈藍(lán)色。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)蠕變及高溫強(qiáng)度定義：在高溫和一定應(yīng)力的作用下，材料的塑性變形隨著時(shí)間逐漸增加的現(xiàn)象叫材料的蠕變。材料的蠕變現(xiàn)象在溫度高到一定程度時(shí)才會(huì)出現(xiàn)。大量試驗(yàn)表明，材料的蠕變溫度與材料的熔點(diǎn)有關(guān)，以絕對溫度計(jì)，蠕變溫度約為熔點(diǎn)溫度的25%~35%。鉛錫等金屬在室溫下即有蠕變現(xiàn)象，碳鋼在約350℃時(shí)開始出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象。合金鋼出現(xiàn)蠕變的溫度在400℃以上。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)蠕變及高溫強(qiáng)度蠕變壽命：材料自開始蠕變至蠕變破壞所持續(xù)的時(shí)間。蠕變可以導(dǎo)致材料的破壞。高溫：對應(yīng)出現(xiàn)明顯蠕變現(xiàn)象的溫度。中溫：尚未引起明顯蠕變的100~350℃的溫度。熱強(qiáng)度（高溫強(qiáng)度）：鋼材抵抗蠕變破壞的能力。對用于鍋爐和壓力容器的鋼材來說：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)蠕變及高溫強(qiáng)度蠕變快慢影響因素：載荷、溫度、材質(zhì)等因素。對一定的材質(zhì)，進(jìn)入蠕變溫度范圍以后，載荷越大，溫度越高，蠕變速度越快，至蠕變破壞所需的時(shí)間越短。相對一定的溫度和載荷，在鋼材中增加鉬、鎢、釩、硼等合金元素，可以有效地降低蠕變速度、增加蠕變壽命。改善冶煉條件及熱處理工藝，均化晶粒、也可有效改善熱強(qiáng)性能。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)蠕變及高溫強(qiáng)度常用持久強(qiáng)度及蠕變極限表示鋼材的高溫強(qiáng)度即抗蠕變能力。持久強(qiáng)度是指在一定溫度下，經(jīng)過規(guī)定的工作期限（我國為1×105h）引起蠕變破壞的應(yīng)力，通常以σtD表示。蠕變極限則是在一定溫度下，在規(guī)定的工作期限（1×105h）內(nèi)引起規(guī)定蠕變變形（1%）的應(yīng)力，以σtn表示。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)蠕變及高溫強(qiáng)度松弛是特定情況下的一種蠕變現(xiàn)象，承載初僅發(fā)生彈性變形的螺栓或彈簧，在高溫和應(yīng)力作用下逐步產(chǎn)生塑性變形即蠕變變形，由于總應(yīng)變不變，塑性變形的增加伴隨著彈性變形的減少，即彈性變形逐步轉(zhuǎn)化成了塑性變形。而螺栓或彈簧中的應(yīng)力是與彈性變形成比例的，隨著彈性變形的減少和塑性變形的增加，螺栓或彈簧中的應(yīng)力水平逐漸降低，本來拉緊的螺栓或彈簧即產(chǎn)生了松弛。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽二、長期高溫時(shí)鋼材

組織變化在常溫下，鋼材的金相組織是穩(wěn)定的，除非和腐蝕性的介質(zhì)發(fā)生作用，鋼材組織本身一般不隨時(shí)間發(fā)生變化，鋼材的機(jī)械性能也不隨時(shí)間變化。在高溫條件下，鋼材中原子的擴(kuò)散能力增加，這種內(nèi)部原子擴(kuò)散作用有可能導(dǎo)致鋼材組織的各種變化，包括一些危及安全的組織變化。所謂“長期”，對不同工作條件下的鋼材有不同的含義，對鍋爐壓力容器受壓元件來說，通常指數(shù)萬小時(shí)，即和其規(guī)定工作期限可以比較的期限。鋼材危險(xiǎn)的組織變化是珠光體球化及石墨化。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(一)珠光體球化珠光體球化：由片狀的滲碳體和片狀的鐵素體互相層疊，組成相間排列的片狀機(jī)械混合物，即珠光體。在高溫原子擴(kuò)散能力強(qiáng)的條件下，片狀滲碳體會(huì)逐漸轉(zhuǎn)化為球體。大球體比小球體有更小的表面能，隨高溫作用時(shí)間的加長，小球體又聚攏成大球體，這種現(xiàn)象叫珠光體球化。珠光體球化危害：會(huì)使鋼材的常溫強(qiáng)度下降，并能明顯地加快蠕變速度，降低持久強(qiáng)度。球化嚴(yán)重時(shí)，持久強(qiáng)度約降低40%~50%。避免珠光體球化：對鋼材作正火加回火的熱處理，并使回火溫度高于鋼材工作溫度100℃以上，可以得到比較穩(wěn)定的珠光體組織。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)石墨化低碳鋼和0.5%鉬(Mo)鋼在高溫長期作用下產(chǎn)生石墨化，這是一種比珠光體球化更為危險(xiǎn)的組織變化。石墨化：是指鋼材中的滲碳體在高溫的長期作用下自行分解成石墨和鐵的現(xiàn)象。分解出的石墨呈點(diǎn)狀并分布在晶界上。石墨的強(qiáng)度、塑性和韌性都很差，點(diǎn)狀石墨相當(dāng)于空穴存在于鐵素體中。石墨化不僅使鋼材的常溫及高溫的強(qiáng)度、塑性下降，尤為嚴(yán)重的是使鋼材的韌性明顯下降，脆性劇烈增加。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)石墨化據(jù)鋼石墨化的發(fā)展程度，常分成四級：一級：輕微的石墨化；二級：明顯的石墨化；三級：嚴(yán)重的石墨化；四級：很嚴(yán)重的(危險(xiǎn)的)石墨化。石墨化級別與鋼分解出的游離碳（石墨）含量之間大致成比例：一級：游離碳約為鋼材總含碳量的20％左右；二級：游離碳約為鋼材總含碳量的40％左右；三級或三級半：游離碳約為鋼材總含碳量的60％左右，游離碳含量超過鋼材總合碳量的60％時(shí)，石墨化即到了危險(xiǎn)的程度。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)石墨化鉻（Cr）能有效地阻止石墨化現(xiàn)象的產(chǎn)生，因?yàn)殂t（Cr）與碳（C）能生成極為穩(wěn)定的化合物。在鋼中加入0.5%以上的鉻（Cr），即可有明顯的防止石墨化的效果，這就是用鉻鉬鋼代替鉬鋼的基本原因。硅、鋁等元素能加快石墨化的速度，應(yīng)嚴(yán)格控制冶煉中用以脫氧的鋁的加入量。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽三、鋼材的脆性與脆化脆性：指因工作條件（特別是工作溫度）的變化而造成的鋼材韌性的降低，是外部原因造成的鋼材性能變化，金屬組織通常不發(fā)生變化。一旦導(dǎo)致脆性產(chǎn)生的外部原因消失，鋼材的脆性也相應(yīng)地消失，而能全部或大部分恢復(fù)原有的韌性。脆化：指鋼材組織變化而造成的韌性降低，是一種更危險(xiǎn)的脆性。鋼材的脆化往往是鋼材組織在外部條件長期作用下形成的。鋼材產(chǎn)生脆化后，即使外部條件消失，鋼材也難于恢復(fù)原有的組織和原有的韌性。把冷脆、藍(lán)脆及應(yīng)變時(shí)效、紅脆、熱脆、回火脆性等看做鋼材的脆性，而把石墨化、苛性脆化、氫脆、熱疲勞等歸入鋼材的脆化。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽三鋼材的脆性與脆化(一)冷脆性定義：鍋爐壓力容器中廣泛使用的低碳鋼和低碳低合金鋼，都由體心立方晶格的α鐵構(gòu)成。對具有體心立方晶格的金屬來說，當(dāng)溫度低到一定程度時(shí)，其沖擊韌性明顯下降、材料突然變脆的現(xiàn)象，叫冷脆性。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(一)冷脆性特點(diǎn)：第一，環(huán)境溫度較低，在0℃上下；第二，破裂構(gòu)件中的應(yīng)力水平低于材料的屈服點(diǎn)，屬于低應(yīng)力破壞；第三，脆裂發(fā)生之前沒有預(yù)兆，脆裂速度極高；第四，脆裂的起源是構(gòu)件上應(yīng)力集中之處；第五，發(fā)生冷脆破壞的材料，其常溫塑性合乎標(biāo)準(zhǔn)要求。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(一)冷脆性原因：鍋爐和壓力容器在制造和檢修時(shí)要進(jìn)行水壓試驗(yàn)，試驗(yàn)水溫過低時(shí)，可能使鋼材出現(xiàn)冷脆性；鍋爐構(gòu)架，特別是露天布置的鍋爐鋼制構(gòu)架及壓力容器，在較低的環(huán)境溫度下工作時(shí)，也可能產(chǎn)生冷脆現(xiàn)象。低溫下使用的容器更應(yīng)注意冷脆問題。防范措施：防范、避免冷脆破壞的方法是通過實(shí)驗(yàn)找出鋼材的“韌脆轉(zhuǎn)變溫度”，保證鋼材在制造、使用和維護(hù)中的溫度高于這個(gè)溫度。韌脆轉(zhuǎn)變溫度：指鋼材在低溫時(shí)沖擊韌性明顯下降的相應(yīng)溫度。不是一個(gè)具體的溫度值，而是一個(gè)小的溫度區(qū)間，隨著材料、試件、試驗(yàn)方法等的不同而確定為不同的數(shù)值。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(一)冷脆性鋼材韌脆轉(zhuǎn)變溫度高低的影響因素：①缺陷情況。缺陷越尖銳，應(yīng)力集中越嚴(yán)重，鋼材的韌脆轉(zhuǎn)變溫度越高，冷脆出現(xiàn)得越早。②加載速度。加載越快，韌脆轉(zhuǎn)變溫度越高。沖擊載荷更易導(dǎo)致冷脆破壞。③構(gòu)件厚度。構(gòu)件越厚，韌脆轉(zhuǎn)變溫度越高，因而輪船、橋梁及厚壁容器等大型結(jié)構(gòu)更易產(chǎn)生冷脆破壞。④鋼材的冶煉條件及雜質(zhì)含量。沸騰鋼及粗晶粒鋼更易產(chǎn)生冷脆性。鋼材中磷的含量明顯增加鋼材的冷脆性，故對鍋爐壓力容器用鋼材中磷含量有嚴(yán)格限制。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)藍(lán)脆性和應(yīng)變時(shí)效藍(lán)脆性：在200~300℃時(shí)，某些鋼材的強(qiáng)度上升，塑性和韌性下降，這種現(xiàn)象叫做鋼材的藍(lán)脆性。應(yīng)變時(shí)效：在鍋爐壓力容器制造或修理中出現(xiàn)的一種現(xiàn)象。鋼材承受冷加工產(chǎn)生塑性變形后，如果在室溫下長期放置，或在較室溫為高的溫度下短期放置，其強(qiáng)度上升，塑性下降，沖擊韌性顯著下降，這種現(xiàn)象叫應(yīng)變時(shí)效。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)藍(lán)脆性和應(yīng)變時(shí)效影響因素：鋼材的藍(lán)脆傾向與應(yīng)變時(shí)效傾向是一致的，某種鋼材如果藍(lán)脆程度嚴(yán)重，則其冷加工后的應(yīng)變時(shí)效程度也嚴(yán)重，反之亦然。應(yīng)變時(shí)效與很多因素有關(guān)，主要有冷加工程度、鋼材成分及冶煉方式、溫度等。冷加工程度對應(yīng)變時(shí)效有顯著的影響，冷加工程度越大，時(shí)效越顯著，冷加工變形量為3%~10%時(shí)，時(shí)效最為嚴(yán)重。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)藍(lán)脆性和應(yīng)變時(shí)效鋼中含碳量越低，越容易發(fā)生應(yīng)變時(shí)效。含碳量增加可使應(yīng)變時(shí)效傾向減小。在鋼中加入適量的鎳可顯著降低時(shí)效傾向，而錳、銅等元素可增加時(shí)效傾向。鋼中含有氧、氮等氣體會(huì)顯著增加時(shí)效傾向，因而煉鋼時(shí)的脫氧方式對時(shí)效有重要影響。只用錳脫氧的沸騰鋼特易發(fā)生時(shí)效，而用鋁和錳進(jìn)行較完全的脫氧顯著減降時(shí)效傾向。環(huán)境溫度對應(yīng)變時(shí)效有重要影響，在室溫至300℃的溫度區(qū)間內(nèi)，隨溫度的升高，應(yīng)變時(shí)效明顯加快出現(xiàn)，但溫度超過上述區(qū)間后，繼續(xù)升溫會(huì)使應(yīng)變時(shí)效減弱以致消失。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)藍(lán)脆性和應(yīng)變時(shí)效鍋爐和壓力容器中不少構(gòu)件是用低碳鋼制成的。鍋爐鋼管一般是冷彎成形的，低壓鍋爐鍋筒及低壓容器是用冷壓冷卷成形的，其變形量正處于較易產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)效的范圍，因而需重視應(yīng)變時(shí)效問題。鋼材的藍(lán)脆性及應(yīng)變時(shí)效傾向通常依靠冶煉過程進(jìn)行控制。鍋爐鋼材標(biāo)準(zhǔn)中常對應(yīng)變時(shí)效后沖擊值作出規(guī)定，即限制鋼材的時(shí)效敏感性，要求鋼材的常溫沖擊吸收功及人工時(shí)效后的沖擊吸收功分別達(dá)到規(guī)定數(shù)值。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(三)苛性脆化苛性脆化：一種特殊的電化學(xué)腐蝕，屬于應(yīng)力腐蝕。當(dāng)鍋爐鍋水中苛性堿的濃度高到一定程度時(shí)，在鍋筒金屬的局部高應(yīng)力區(qū)會(huì)造成晶間腐蝕，這就是苛性脆化?？列源嗷瘯?huì)顯著降低鋼材的韌性，在脆化區(qū)產(chǎn)生裂紋并導(dǎo)致脆性破壞。發(fā)生苛性脆化的條件：局部拉伸應(yīng)力達(dá)到或超過鋼材的屈服點(diǎn)；鍋水含一定量的游離堿，具有浸蝕性。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(三)苛性脆化產(chǎn)生苛性脆化原因：鍋筒壁面的一般部位通常不具備上述兩個(gè)條件，只有鍋筒與鍋水接觸壁面上的鉚縫和脹口，有可能具備上述兩個(gè)條件。這些部位存在著應(yīng)力集中、工藝應(yīng)力及熱應(yīng)力，其應(yīng)力總和完全可能超過鋼材的屈服點(diǎn)；這些部位還存在著縫隙，鍋水進(jìn)入縫隙后被逐漸濃縮，有可能使苛性堿的濃度在局部達(dá)到很高的數(shù)值。盛裝堿液的壓力容器，在接管邊緣、焊縫等部位也有可能產(chǎn)生苛性脆化。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(三)苛性脆化預(yù)防措施：防止苛性脆化從兩方面著手：控制水中苛性堿的濃度并設(shè)法降低或消除應(yīng)力集中。我國GB1576《低壓鍋爐水質(zhì)》中明確規(guī)定：為防止金屬發(fā)生苛性脆化，鍋水的相對堿度應(yīng)小于20%[即NaOH/鍋水中溶解固形物(或含鹽量)<0.2]。往鍋水中加入硝酸鈉可防止苛性脆化的產(chǎn)生。降低應(yīng)力集中及減小溫度應(yīng)力，也是防止苛性脆化的重要措施。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(四)氫脆氫脆：氫在鋼中富集導(dǎo)致鋼材脆化的現(xiàn)象叫氫脆。類型根據(jù)氫脆的程度可逆氫脆不可逆氫脆氫在鋼中的溶解度，隨溫度的降低而減小。在高溫下溶入鋼中的氫，在降溫后呈過飽和狀態(tài)。這些殘留在金屬中的原子氫，聚集在空隙處結(jié)合成分子氫，隨聚集量的增多而成很大的內(nèi)壓力。這種內(nèi)部氫壓加上鋼材結(jié)構(gòu)中的殘余應(yīng)力，形成很高的內(nèi)應(yīng)力，此時(shí)不需很大外載，就能導(dǎo)致鋼材脆性破壞。但此時(shí)鋼材變脆尚未伴有組織變化，當(dāng)用特殊方法處理鋼材時(shí)，可把鋼中的氫去除而使鋼材的塑性和韌性恢復(fù)，故這種氫脆叫可逆氫脆。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(四)氫脆氫脆：氫在鋼中富集導(dǎo)致鋼材脆化的現(xiàn)象叫氫脆。類型根據(jù)氫脆的程度可逆氫脆不可逆氫脆在一定的溫度和應(yīng)力條件下，氫不僅在鋼材的空隙中聚集結(jié)合成氫分子，還能與鋼中的碳起化學(xué)反應(yīng)：反應(yīng)的結(jié)果不僅使鋼材脫碳，而且生成分子量很大的甲烷，甲烷氣體比氫氣更難于擴(kuò)散，只能在空隙處積聚而產(chǎn)生更高的壓力，這種內(nèi)壓使鋼材產(chǎn)生永久變形甚至破裂。這種脆化伴隨鋼材組織變化而發(fā)生，叫不可逆氫脆或氫腐蝕。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(四)氫脆類型根據(jù)鋼中氫的來源內(nèi)部氫脆外部氫脆鋼在冶煉、鍛造、焊接、熱處理、電鍍和酸洗等過程中溶解或吸收氫形成的氫脆叫內(nèi)部氫脆。鋼制設(shè)備在使用中接觸含氫介質(zhì)并在一定條件下吸收氫而導(dǎo)致的氫脆，叫外部氫脆。內(nèi)部氫脆和外部氫脆在機(jī)理和破壞形式方面并無顯著區(qū)別。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(四)氫脆焊接氫脆：鋼材在冶煉過程中可能吸收氫而致氫脆外，在焊接及使用過程也可能形成的氫脆。焊接時(shí)，焊劑中的水分或潮氣，焊縫附近金屬表面的油污等，在高溫下能分解出氫，這些氫有可能溶入焊縫金屬之內(nèi)，如在焊縫冷卻過程中這些氫不能及時(shí)擴(kuò)散出去，就可能導(dǎo)致氫脆。預(yù)防措施：為防止焊接中氫原子溶于焊縫，需做到干燥焊條、焊絲及焊劑；清除金屬表面的油污；焊后及時(shí)加熱被焊部位，使焊縫緩慢冷卻，以便焊縫中的氫及時(shí)擴(kuò)散到大氣中去，即進(jìn)行焊后“消氫處理”。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(四)氫脆蒸氣氫脆：鍋爐元件在使用中，在一定條件下也可能產(chǎn)生氫而導(dǎo)致氫脆。比如，蒸汽在與高溫的鐵接觸時(shí)，會(huì)發(fā)生蒸汽腐蝕而產(chǎn)生氫：蒸汽腐蝕產(chǎn)生的氫原子如不能及時(shí)被蒸汽帶走，由于氫原子尺寸很小，有可能進(jìn)入金屬內(nèi)部而導(dǎo)致氫脆。在鍋爐蒸發(fā)受熱面遭受明顯腐蝕的部位，鍋水侵入腐蝕產(chǎn)物之下與高溫金屬發(fā)生類似于蒸汽腐蝕的作用，也會(huì)導(dǎo)致氫脆。預(yù)防措施：防止在使用中產(chǎn)生氫脆的辦法是：除去水中的O2及CO2，因這些氣體有使電化學(xué)腐蝕加快的去極化作用；防止金屬超溫。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽四、鋼材的腐蝕化學(xué)腐蝕相關(guān)概念鋼材與腐蝕性介質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而被損害的現(xiàn)象，叫化學(xué)腐蝕。均勻腐蝕金屬壁面普遍均勻產(chǎn)生的腐蝕，叫均勻腐蝕。如大氣腐蝕、高溫氧化、蒸汽腐蝕等。金屬壁面的局部區(qū)域在一定條件下產(chǎn)生的腐蝕，叫局部腐蝕。金屬的損害表現(xiàn)為斑點(diǎn)、局部凹坑、穿孔或晶間破裂等。電化學(xué)腐蝕如果化學(xué)腐蝕伴隨有局部電流現(xiàn)象，則是電化學(xué)腐蝕，。按腐蝕發(fā)生的部位局部腐蝕中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(一)氧腐蝕 腐蝕是造成鍋爐壓力容器損傷與破壞的主要因素之一，腐蝕的種類有氧腐蝕、低溫硫腐蝕。1、氧腐蝕天然水中常溶有一定量的氧氣。當(dāng)把未除氧或除氧不完全的水送入鍋爐時(shí)，隨著水被加熱，水中溶氧析出并與鋼材壁面接觸，使鋼材產(chǎn)生以氧為去極劑的電化學(xué)腐蝕，造成腐蝕減薄及穿孔。鍋爐中水側(cè)氧腐蝕常發(fā)生在給水管道及省煤器中，無省煤器時(shí)也發(fā)生在鍋筒及水冷壁管中。用物理或化學(xué)方法使鍋爐給水除氧，是防止水側(cè)氧腐蝕的基本措施。水壓試驗(yàn)后未把水排凈的容器及底部積水的氧氣瓶，也會(huì)發(fā)生氧腐蝕。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)鍋爐煙氣側(cè)的

低溫硫腐蝕2、鍋爐煙氣側(cè)的低溫硫腐蝕鍋爐燃料中的可燃硫燃燒后大部分形成S02，少量形成S03。S02及S03均是煙氣中污染環(huán)境的有害成分，常與煙氣中的水蒸氣化合為H2S03及H2S04蒸氣。煙氣中的S03盡管含量極少，但可顯著提高煙氣的露點(diǎn)溫度，在鍋爐尾部受熱面上凝結(jié)硫酸露。硫酸露在尾部受熱面造成低溫硫酸腐蝕及堵灰，嚴(yán)重時(shí)會(huì)損壞設(shè)備，影響鍋爐運(yùn)行。低溫硫腐蝕常發(fā)生在鍋爐省煤器、空氣預(yù)熱器等部件及除塵器上。防范措施是燃料脫硫，改善燃燒減少H2S03的生成，用耐硫腐蝕材料作鍋爐尾部受熱面低溫部分。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽

五、對鍋爐壓力容器

鋼材的基本要求(一)使用性能要求①應(yīng)有較高的強(qiáng)度，包括常溫及使用溫度下的強(qiáng)度。②應(yīng)有良好的塑性、韌性和較低的時(shí)效敏感性。③應(yīng)有較低的缺口敏感性（是指在帶有一定應(yīng)力集中的缺口條件下，材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力。鍋筒及容器上要開孔并焊接管接頭，造成應(yīng)力集中），故要求鋼材的缺口敏感性應(yīng)低一些。④應(yīng)有良好的抗腐蝕性能及組織穩(wěn)定性。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)加工工藝性能要求所用鋼材應(yīng)具有良好的加工工藝性能及焊接性能。加工變形后的鋼材不應(yīng)產(chǎn)生缺陷，靠材料的塑性來保證，通常要求鍋爐鋼板的伸長率δ5應(yīng)不小于18%。焊接是現(xiàn)代鍋爐壓力容器制造中的主要工藝。焊接質(zhì)量的好壞在很大程度上決定著鍋爐壓力容器制造質(zhì)量和安全性能。影響焊接質(zhì)量的因素很多，從材料上，要求鋼材具有良好的可焊性。鋼材的可焊性指被焊鋼材在采用一定的焊接材料、焊接工藝方法及工藝規(guī)范參數(shù)等條件下，獲得優(yōu)良焊接接頭的難易程度。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽六、鍋爐壓力容器

常用鋼材①碳鋼：低碳鋼中的含碳雖在0.25%以下，還含有錳、硅、磷、硫等元素。是優(yōu)質(zhì)焊接接頭、低、中壓元件及部分高壓元件等部件。尤以20號鋼板及鋼管使用最為廣泛。②低合金高強(qiáng)度鋼：是鍋爐壓力容器中常用鋼，主要是鋼板，用于制造高壓及超高壓的鍋爐鍋筒和容器。其可以使承壓部件的壁厚顯著減小。鍋爐壓力容器常用的低合金高強(qiáng)度鋼有16Mn，15MnV等。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽六鍋爐壓力容器

常用鋼材③耐熱鋼：在鍋爐壓力容器中采用的耐熱鋼主要是鉬和鉻鉬熱強(qiáng)鋼，用于制造承受高溫的過熱器、再熱器、蒸汽集箱、蒸汽管道等零部件，因而主要為鋼管。目前常見鋼種有12CrMo，15CrMo，12Cr1MoV，等。④低溫壓力容器用鋼：工作溫度低于20℃的壓力容器屬于低溫容器。常見的低溫容器用鋼有10MnDR，09MnTiCuXtDR等。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽鍋爐用鋼板鍋爐用鋼板見下圖。鋼的種類鋼號標(biāo)準(zhǔn)號適用范圍工作壓力/Mpa壁溫/℃碳素鋼Q235-A，Q235-BGB700GB3274≤1.0①－Q235-C，Q235-D15，20GB710，GB711，GB13237≤1.0－20R②GB6654，YB(T)40≤5.9≤45020g22gGB713YB(T)41≤5.9③≤450中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽鍋爐用鋼管鍋爐用鋼管見下圖。鋼的種類鋼號標(biāo)準(zhǔn)號適用范圍用途工作壓力/Mpa壁溫/℃碳素鋼10，20GB8163受熱面管子≤1.0信箱、蒸汽管道10，20GB3087YB(T)33受熱面管子≤5.9≤480信箱、蒸汽管道≤43020GGB5310YB(T)32受熱面管子不限≤480信箱、蒸汽管道≤430①碳素鋼12CrMoGGB5310受熱面管子不限≤56015CrMoG信箱、蒸汽管道≤55012Cr1MoVG受熱面管子≤580≤56512Cr2MoWTiBGB5310受熱面管子≤600②12Cr3MoVSiTiB中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽壓力容器常用鋼板壓力容器常用鋼板見下表。鋼材牌號技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)使用壓力/Mpa使用溫度/℃板厚/mmQ235-AFGB912GB3274≤0.60~250≤12Q235-AGB912GB3274≤1.00~350≤16Q235-BGB912GB3274≤1.60~350≤20Q235-CGB912GB3274≤2.50~400≤2020RGB6654不限-20~4756~10016MnRGB6654不限-20~4756~12015MnVRGB6654不限-20~4756~60中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽七、鍋爐部件

及鋼材工作溫度不受熱的鍋爐鍋筒、集箱等的工作溫度： 金屬壁溫=內(nèi)部介質(zhì)的溫度；受熱的鍋筒、集箱等的工作溫度： 金屬壁溫可據(jù)內(nèi)部介質(zhì)溫度，按基本的傳熱公式進(jìn)行計(jì)算。表4-5~表4-8列出了水管鍋爐和鍋殼鍋爐各主要承壓部件的計(jì)算壁溫。表中tbi是鍋爐鋼材計(jì)算壁溫；tb為水的飽和溫度,一般不低于250℃；tj為介質(zhì)溫度；Δt為介質(zhì)溫度偏差，在任何情況下，不應(yīng)小于10℃，X為介質(zhì)混合程度系數(shù)，一般可取0.5，當(dāng)介質(zhì)從集箱端部進(jìn)入時(shí)，允許取為0，對于不受熱的過熱蒸汽集箱，即使完全混合，也應(yīng)取XΔt=10℃。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽水管鍋爐鍋筒計(jì)算壁溫表4-5鋼筒工作條件整溫/℃不受熱t(yī)bi=tb（工質(zhì)飽和溫度）采取可靠絕熱措施在煙道內(nèi)在爐膛內(nèi)tbi=tb+10tbi=tb+40被密集管束所遮擋tbi=tb+20不絕熱在煙溫不超過600℃的對流煙道中在煙溫600~900℃的對流煙道中在煙溫為900℃的對流煙道或爐膛中tbi=tb+30tbi=tb+50tbi=tb+90中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽水管鍋爐集箱

及防焦箱計(jì)算壁溫表4-6內(nèi)部介質(zhì)工作條件整溫/℃水或汽水混合物在煙道外（不受熱）在煙道內(nèi)，可靠絕熱在煙溫≤的對流煙道中，不絕熱在煙溫600~909℃的對流煙道中，不絕熱在爐膛中，不絕熱t(yī)bi=tjtbi=tj+10tbi=tj+30tbi=tj+50tbi=tj+110飽和蒸汽在煙道外（不受熱）在煙道內(nèi)，可靠絕熱在煙溫≤600℃的對流煙道中，不絕熱在煙溫600~900℃的對流煙道中，不絕熱t(yī)bi=tbtbi=tb+25tbi=tb+40tbi=tb+60過熱蒸汽在煙道外（不受熱）在煙道內(nèi)，可靠絕熱在煙溫≤600℃的對流煙道中，不絕熱在煙溫600~900℃的對流煙道中，不絕熱t(yī)bi=tj+XΔttbi=tj+25+XΔttbi=tj+40+XΔttbi=tj+10+XΔt中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽水管鍋爐管子

及管道計(jì)算壁溫表4-7水管鍋爐管子及管道的計(jì)算壁溫元件整溫/℃沸騰管對流式省煤器輻射式省煤器對流式過熱器輻射式或半輻射式（屏式）過熱器管道（不受熱）tbi=tb+60tbi=tj+30tbi=tj+60tbi=tj+50tbi=tj+100tbi=tj中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽鍋殼鍋爐計(jì)算壁溫表4-8鍋殼鍋爐元件的計(jì)算壁溫元件整溫/℃受火焰輻射熱的鍋殼、爐膽、火箱與火焰接觸的平板、管板與煙氣接觸的鍋殼、平板、管板溫度在600~800℃之間溫度在600℃以下煙管、拉撐管不受熱的元件tbi=tb+90tbi=tb+70tbi=tb+50tbi=tb+25tbi=tb+25tbi=tb中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽

八、鋼材在不同工作

溫度下的許用應(yīng)力為使用方便，鍋爐強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)將各種鋼材不同工作溫度下的許用應(yīng)力制成表格，如課本表4-9和表4-10所示（P115）。由于鍋爐承壓部件工作條件的復(fù)雜性，表中提供的鍋爐鋼材許用應(yīng)力為基本許用應(yīng)力[σ]j，而強(qiáng)度計(jì)算中的實(shí)際許用應(yīng)力[σ]由基本許用應(yīng)力乘一個(gè)修正系數(shù)η得出：鍋爐鋼材許用應(yīng)力修正系數(shù)η實(shí)質(zhì)上是安全系數(shù)的修正值，由鍋爐部件的工作條件決定。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽第三節(jié)常見受壓元件

強(qiáng)度計(jì)算一、承受內(nèi)壓薄殼的強(qiáng)度計(jì)算二、圓形平封頭的強(qiáng)度計(jì)算三、單層厚壁圓筒的強(qiáng)度計(jì)算四、承受外壓元件的失效控制中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽一、承受內(nèi)壓薄殼的強(qiáng)度計(jì)算由應(yīng)力分析可知，承受內(nèi)壓回轉(zhuǎn)薄殼呈雙向應(yīng)力狀態(tài)，其σ1=σθ，σ2=σφ，σ3=σr=0，因而按第三強(qiáng)度理論得出的當(dāng)量應(yīng)力與按第一強(qiáng)度理論得出的當(dāng)量應(yīng)力在形式上沒有不同，即：S3=σ1-σ3=σ1=S1下面對承壓薄殼進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，均按第三強(qiáng)度理論分析處理。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽（一）計(jì)算公式1、球殼。根據(jù)應(yīng)力分析：

強(qiáng)度條件為：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽1、球殼注意式中R為球殼平均半徑，對焊制殼體，其公稱尺寸以內(nèi)直徑表示，將R轉(zhuǎn)化為內(nèi)直徑Di，并引入減弱系數(shù)φ及附加壁厚C，由強(qiáng)度條件解得的設(shè)計(jì)壁厚或許用壓力分別為：式中，δ—球殼設(shè)計(jì)壁厚，mm；P—球殼設(shè)計(jì)或計(jì)算壓力，Mpa；[σ]t—工作溫度下殼體材料的許用應(yīng)力，Mpa；Di—?dú)んw內(nèi)直徑，mm；Φ—減弱系數(shù)，即考慮殼體焊縫或開孔對其強(qiáng)度造成減弱的系數(shù)；C—附加壁厚，mm；y—有效壁厚，實(shí)際壁厚與附加壁厚之差，即σy=σ-C，mm；[p]—?dú)んw的許用壓力，Mpa。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽2、圓筒殼由應(yīng)力分析可知，對圓筒殼：強(qiáng)度條件為：考慮減弱系數(shù)及附加壁厚，以內(nèi)直徑表達(dá)的殼體設(shè)計(jì)壁厚或許用壓力分別為：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽3、橢球殼由應(yīng)力分析可知，橢球殼上各點(diǎn)應(yīng)力是隨位置變化的。而作為圓筒殼封頭的橢球殼，其赤道部位是與圓筒殼相連接的。在進(jìn)行橢球殼強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，通常以橢球殼極點(diǎn)為計(jì)算點(diǎn)。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽3、橢球殼為簡化計(jì)算，以與橢球封頭相連圓筒內(nèi)半徑Di/2代替a，以封頭內(nèi)高h(yuǎn)i代替b，考慮封頭減弱及壁厚附加量，得出橢球封頭簡化計(jì)算式：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽3、橢球殼在此式的基礎(chǔ)上，考慮橢球封頭的積壓變形及與筒體連接的邊界效應(yīng)，引入形狀系數(shù)Y，即可得出目前國內(nèi)鍋爐壓力容器規(guī)范中橢球完的強(qiáng)度計(jì)算公式：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽

一承受內(nèi)壓薄殼的

強(qiáng)度計(jì)算(二)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定1、計(jì)算壓力計(jì)算壓力是指在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下，用以確定承壓部件（球殼、圓筒殼、封頭等）壁厚的壓力。承壓部件的計(jì)算壓力不得小于設(shè)備的最大工作壓力。一般情況下，可取為最大工作壓力的1.0~1.1倍。最大工作壓力是指在正常操作情況廠，設(shè)備可能出現(xiàn)的最高壓力。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)設(shè)計(jì)參數(shù)確定

——計(jì)算壓力有關(guān)鍋爐各種承壓部件及各類壓力容器的計(jì)算壓力具體規(guī)定如下：(1)鍋筒的計(jì)算壓力取鍋爐出口額定壓力與最大流量時(shí)鍋筒至鍋爐出口壓力降之和。若鍋爐出口安全閥的較低開啟壓力與額定壓力之差為Δpa，則計(jì)算壓力中應(yīng)加上此差值。若鍋筒所受液柱靜壓力超過上述所得計(jì)算壓力的3%，則計(jì)算壓力中還應(yīng)加上此液柱壓力。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)設(shè)計(jì)參數(shù)確定

——計(jì)算壓力(2)集箱的計(jì)算壓力取鍋爐出口額定壓力與最大流量時(shí)集箱至鍋爐出口壓力降之和。若鍋爐出口安全閥的較低開啟壓力與額定壓力之差為Δpa，則計(jì)算壓力中還應(yīng)加上此差值。若集箱所受液柱靜壓力超過按上述方法所得計(jì)算壓力的3%，則計(jì)算壓力中還應(yīng)加上此液柱靜壓力。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)設(shè)計(jì)參數(shù)確定

——計(jì)算壓力(3)裝設(shè)了安全閥的壓力容器，其計(jì)算壓力應(yīng)不小于安全閥的開啟壓力；若其部件所受的液柱靜壓力達(dá)到上述計(jì)算壓力的5％時(shí)，則計(jì)算壓力中還應(yīng)加上此液柱靜壓力。(4)裝設(shè)了爆破片的壓力容器，其計(jì)算壓力應(yīng)不小于爆破片的設(shè)計(jì)爆破壓力與爆破片制造范圍止偏差之和。若部件還有液柱靜壓力，則對此液柱靜壓力的考慮應(yīng)符合第(3)項(xiàng)規(guī)定。

(5)對于盛裝液化氣體的容器，在規(guī)定的充裝系數(shù)范圍內(nèi)，其計(jì)算壓力應(yīng)為介質(zhì)在最高溫度下的飽和蒸氣壓力，如容器內(nèi)液柱靜壓力超過此壓力的5％時(shí)，則計(jì)算壓力也應(yīng)加上此液柱靜壓力。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽2、許用應(yīng)力根據(jù)鋼材種類、設(shè)備或部件工作溫度及其他工作條件，可根據(jù)有關(guān)表格確定。(二)設(shè)計(jì)參數(shù)確定

——許用應(yīng)力中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)設(shè)計(jì)參數(shù)確定

——減弱系數(shù)(1)焊縫系數(shù)鍋爐、壓力容器的承壓部件大都是用鋼板焊接的，焊接部件的強(qiáng)度要受焊接質(zhì)量的影響。焊縫系數(shù)Ф表示由于焊接或焊縫中可能存在的缺陷對結(jié)構(gòu)原有強(qiáng)度削弱的程度。很明顯，這個(gè)系數(shù)的大小在很大程度上取決于實(shí)際的施焊質(zhì)量，很難預(yù)先確定。按《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的規(guī)定，由經(jīng)過考試合格的焊工按規(guī)定的焊接工藝規(guī)程施焊的容器，焊縫系數(shù)Ф根據(jù)焊接接頭的形式和焊縫的無損探傷檢驗(yàn)要求，按表4-13規(guī)定選取。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽表4-13壓力容器的焊縫系數(shù)Ф壓力容器的焊縫系數(shù)全部探傷局部探傷無法探傷鋼有色金屬鋼有色金屬鋼鋁①銅①鈦鋁②銅②鈦對面焊或相當(dāng)于雙面全焊透的對接焊縫1.00.85~0.950.85~0.950.900.850.85~0.950.85~0.95－－有金屬墊板的單面焊對接焊縫0.90.8~0.850.8~0.850.850.800.70~0.850.70~0.80－－無墊板的單面焊環(huán)向?qū)雍缚p－－－0.65~0.70－0.60②金屬種類接頭形式探傷比例注：①有色金屬焊縫系數(shù)均指熔化極惰性氣體保護(hù)焊，否則應(yīng)按表中所列系數(shù)適當(dāng)減少；②此系數(shù)僅適用于厚度不超過16mm，直徑不超過600mm的殼體環(huán)向焊縫。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽根據(jù)《水管鍋爐受壓元件強(qiáng)度計(jì)算》的規(guī)定，經(jīng)鍋爐制造技術(shù)檢驗(yàn)合格的圓筒體焊縫，其焊縫系數(shù)φh可按表4-14選取。表4-14水管鍋爐焊縫減弱系數(shù)鍋殼鍋爐焊縫減弱系數(shù)按GB/T16508選取。水管鍋爐的焊縫減弱系數(shù)焊接方法焊縫形式φh手工焊或氣焊雙面焊接有坡口對接焊縫有氬弧焊打底的單面焊接有坡口對接焊縫無氬弧焊打底的單面焊接有坡口對接焊縫在焊縫根部有墊板或墊圈的單面焊接有坡口對接焊縫1.000.900.750.80熔劑層下的自動(dòng)焊雙面焊接對接焊縫單面焊接有坡口對接焊縫單面焊接無坡口對接焊縫1.000.850.80電渣焊1.00中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)設(shè)計(jì)參數(shù)確定

——減弱系數(shù)(2)孔橋減弱系數(shù)孔橋：鍋爐的鍋筒、鍋殼、集箱等部件常開設(shè)一定數(shù)量的孔口，與管子或管道連接。鍋爐承壓部件上所開的孔，除人孔外，一般孔徑不大，數(shù)量較多，排列較密。殼體上開孔減少金屬承載面積，增大開孔區(qū)特別是孔邊的應(yīng)力，故削弱部件的承壓能力。在密排開孔區(qū)，相鄰兩孔間的金屬部分叫孔橋?？讟驕p弱系數(shù)：孔橋部位被開孔削弱的程度用孔橋減弱系數(shù)表示。鍋筒、鍋殼、集箱上所開的孔，其排列有一定規(guī)律的。有沿圓筒的軸線方向分布—縱向孔排；有沿圓筒體的周向分布—周向孔排；有非軸向也非周向的—斜向孔排。故具有各不同的孔橋減弱系數(shù)。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)設(shè)計(jì)參數(shù)確定

——減弱系數(shù)當(dāng)相鄰兩孔直徑相等時(shí)，孔橋減弱系數(shù)按下列方法計(jì)算。①縱向孔橋減弱系數(shù)：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)設(shè)計(jì)參數(shù)確定

——減弱系數(shù)②周向孔橋減弱系數(shù)：式中，t'是相鄰兩周向孔中心線間的圓弧長度。由于大小不同的半徑對應(yīng)的圓弧長度不同，即從圓筒的內(nèi)徑到外徑處，兩孔間的圓弧長度是逐漸增加的，所以規(guī)定t'是平均半徑處兩孔中心線間的圓弧長度。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)設(shè)計(jì)參數(shù)確定

——減弱系數(shù)③斜向孔橋減弱系數(shù)：式中：t"是相鄰兩斜向開孔中心線沿平均半徑部位的曲線長度。如果相鄰斜向二孔中心線間沿縱向的距離是b，沿周向截面平均半徑部位的弧長為a，則近似有：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)設(shè)計(jì)參數(shù)確定

——減弱系數(shù)計(jì)算減弱系數(shù)時(shí)，總是把斜向孔橋減弱系數(shù)乘上一個(gè)折算系數(shù)，將其折算成與縱向孔橋減弱系數(shù)相當(dāng)?shù)南禂?shù)，稱為斜向孔橋當(dāng)量減弱系數(shù)，即：式中的折算系數(shù)K：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)設(shè)計(jì)參數(shù)確定

——減弱系數(shù)縱向孔橋和周向孔橋都可以看作斜向孔橋的特殊情況。對縱向孔橋來說，a=0，b=t，m→∞，K=1，φd=φ，即不需折算；對周向孔橋來說，b=0，a=t'，m=0，K=2，φd=2φ'，即周向孔橋折算成縱向孔橋時(shí)，折算系數(shù)為2。一般斜向孔橋的折算系數(shù)K值在1~2之間。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)設(shè)計(jì)參數(shù)確定

——減弱系數(shù)圓筒體上開孔數(shù)量很多，對不同孔徑、孔距及方向的開孔，每相鄰兩孔都需計(jì)算孔橋減弱系數(shù)，因而φ、φ'及φd就不是一個(gè)。在計(jì)算出圓筒體的全部孔橋減弱系數(shù)，并查得圓筒的焊縫減弱系數(shù)φh后，取φ

、2φ'及φd及φ

h中的最小者作為開孔焊接筒體的最小減弱系數(shù)隊(duì)φmin，以φmin作為強(qiáng)度計(jì)算式中的φ進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)相鄰兩孔孔徑不相同時(shí)，計(jì)算孔橋減弱系數(shù)，d應(yīng)取其平均孔徑dp＝(d1+d2)/2。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)設(shè)計(jì)參數(shù)確定

——附加壁厚3、附加壁厚附加壁厚是考慮部件在用材、加工和使用期間器壁有可能減薄而需要增加的厚度。從選定鋼板最小厚度的角度要求，附加壁厚C應(yīng)包括三部分：鋼板(管)負(fù)偏差C1、腐蝕裕度C2，加工減薄量C3。C1和C3是為了使部件制成品的壁厚不小于需要的壁厚(計(jì)算壁厚加腐蝕裕量)。C2是要使部件在設(shè)計(jì)使用期限內(nèi)的壁厚始終不小于計(jì)算壁厚，以保證設(shè)備使用壽命。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)設(shè)計(jì)參數(shù)確定

——附加壁厚(1)鋼板或鋼管負(fù)偏差C1。可根據(jù)鋼板或鋼管標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)選用。(2)腐蝕裕量C2。據(jù)工質(zhì)對部件材料的腐蝕速度和設(shè)備的設(shè)計(jì)使用壽命而定(理論上C2為二者的乘積)。一般按經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)選用。對介質(zhì)無明顯腐蝕作用的碳素鋼和低合金鋼容器，一般可取C2不小于1mm；對介質(zhì)腐蝕性極微的不銹鋼容器，取C2＝0。對水管鍋爐，一般取C2=0.5mm，若計(jì)算壁厚大于20mm時(shí)，則可不必考慮。(3)加工減薄量C3。視部件的加工變形程度和是否加熱定，由制造單位據(jù)加工工藝和加工能力定。按GB150-98的規(guī)定，鋼制壓力容器設(shè)計(jì)圖紙上注明的厚度不包括加工減薄量。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽二、圓形平封頭

的強(qiáng)度計(jì)算

鍋爐和壓力容器中采用的平封頭或平蓋板，有圓形、橢圓形及長圓形等種．其中封頭是指與筒體焊接或用其他方法剛性連接在一起的結(jié)構(gòu)，蓋板則是蓋壓在圓筒端部的活動(dòng)密封結(jié)構(gòu)，典型的如人孔、手孔蓋板。平封頭與平蓋板的周邊支承情況有明顯不同，前者接近固支，后者接近鉸支。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽二、圓形平封頭

的強(qiáng)度計(jì)算圓形平封頭的強(qiáng)度計(jì)算由應(yīng)力分析得出，對承受均布壓力的圓形平板，不論周邊支求情況如何，其最大彎曲應(yīng)力都可用下式表示：周邊鉸支時(shí)：周邊固支時(shí)：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽二、圓形平封頭

的強(qiáng)度計(jì)算圓形平封頭的強(qiáng)度計(jì)算：由于圓平板受壓屬于雙向彎曲，沿板厚方向的應(yīng)力為0，則：按第三強(qiáng)度理論得出的圓平板強(qiáng)度條件為:中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽二、圓形平封頭

的強(qiáng)度計(jì)算由此解出的圓平板或圓形平封頭設(shè)計(jì)壁厚和許用壓力為：式中，Di—與平封頭相連的圓筒體的內(nèi)徑，mm； p—平封頭的設(shè)計(jì)壓力或計(jì)算壓力，MPa； [σ]—平封頭材料的許用應(yīng)力MPa； K—與平封頭周邊支撐情況有關(guān)的系數(shù)，由α換算得出。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽二、圓形平封頭

的強(qiáng)度計(jì)算對鍋爐集箱平封頭(平端蓋)，當(dāng)無孔時(shí)一般取K=0.40，當(dāng)蓋上開孔時(shí)一般?。?0.45；對壓力容器平封頭，K2值在0.16~0.44之間，因平封頭的結(jié)構(gòu)及與圓筒體連接方式而異，在GB150中以表格形式給出。需要注意的是，上述δ、［p］的計(jì)算式是依彈性失效準(zhǔn)則得出的，即控制平封頭表層應(yīng)力最大點(diǎn)的應(yīng)力不超過屈服應(yīng)力。由于應(yīng)力最大點(diǎn)屈服時(shí)表面層其余點(diǎn)并未屈服，表層屈服時(shí)平板內(nèi)層并未屈服，所以這樣控制失效有相當(dāng)大的安全裕度，因而不用在設(shè)計(jì)壁厚上添加附加壁厚Ｃ。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽三、單層厚壁圓筒

的強(qiáng)度計(jì)算鍋爐中所有的圓筒形元件，包括鍋筒、鍋殼、集箱、管子及管道，都是按薄壁圓筒進(jìn)行強(qiáng)度設(shè)計(jì)計(jì)算的。中低壓容器及常用高壓容器的圓筒形元件也按薄壁圓筒進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算。對于設(shè)計(jì)壓力

p＞0.4[δ]的高壓、超高壓圓筒形容器，可考慮用厚壁計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算。但我國迄今尚未頒布這方面的正式規(guī)范。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽三、單層厚壁圓筒

的強(qiáng)度計(jì)算對厚壁圓筒，由于承受內(nèi)壓時(shí)內(nèi)壁面上應(yīng)力最大，且因而可按彈性失效準(zhǔn)則及不同強(qiáng)度理論分別對設(shè)計(jì)壁厚進(jìn)行計(jì)算。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽三、單層厚壁圓筒

的強(qiáng)度計(jì)算(一)一強(qiáng)計(jì)算公式解之得：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽三、單層厚壁圓筒

的強(qiáng)度計(jì)算以圓筒內(nèi)半徑作公稱計(jì)算尺寸，考慮附加壁厚，則：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽三、單層厚壁圓筒

的強(qiáng)度計(jì)算(二)三強(qiáng)計(jì)算公式解之得：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽三、單層厚壁圓筒

的強(qiáng)度計(jì)算(三)四強(qiáng)計(jì)算公式解之得：上述厚壁圓筒強(qiáng)度計(jì)算公式，在國外規(guī)范中均有應(yīng)用。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽四、承受外壓元件

的失效控制外壓元件的失效，除了因強(qiáng)度不足引起的強(qiáng)度失效外，還有因穩(wěn)定性不足而引起的失穩(wěn)失效。因此，外壓元件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)必須與穩(wěn)定性設(shè)計(jì)兼顧，以保證元件的使用安全。研究表明，在有些情況下，失穩(wěn)失效先于強(qiáng)度失效發(fā)生，此時(shí)避免失穩(wěn)失效成為元件安全設(shè)計(jì)的主要問題。比如對承受外壓且δ/D0≤1/20的薄壁圓筒，周向失穩(wěn)往往發(fā)生在強(qiáng)度失效之前，所以穩(wěn)定性計(jì)算成為外壓薄壁圓筒的主要問題。而對于δ/D0＞1/20的承受外壓圓筒，則難以預(yù)測周向失穩(wěn)在先還是強(qiáng)度失效在先，需要兼顧強(qiáng)度與穩(wěn)定性。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽四、承受外壓元件

的失效控制對外壓元件進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算與強(qiáng)度控制，其原則和方法與對內(nèi)壓元件相同，即依據(jù)強(qiáng)度條件，控制元件壁面中的壓縮當(dāng)量應(yīng)力不超過許用應(yīng)力，從而設(shè)計(jì)元件壁厚或確定元件許用壓力。對外壓元件進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算，就是控制元件承受的外壓不超過元件的穩(wěn)定臨界壓力，并給出必要的穩(wěn)定性安全裕度。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽四、承受外壓元件

的失效控制各類外壓元件的失效控制方法概括如下：鍋爐爐膽。兼顧強(qiáng)度及穩(wěn)定性，即從強(qiáng)度失效控制及穩(wěn)定失效控制角度各算得一個(gè)壁厚或許用壓力，取用其安全裕度較大者為確用值；鍋爐煙管。δ/D0較大，剛度較大，僅進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算即可保證安全；δ/D0

≤1/20的外壓圓筒容器。僅進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算；δ/D0＞1/20的外壓圓筒容器。兼顧強(qiáng)度及穩(wěn)定性；承受外壓的球殼。僅進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算；承受外壓的凸形封頭。僅進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算(鍋爐用)或穩(wěn)定性計(jì)算(壓力容器用)。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽第四節(jié)薄壁筒體開孔補(bǔ)強(qiáng)一、開孔對筒體強(qiáng)度的減弱情況二、未加強(qiáng)單孔的最大允許直徑三、單孔補(bǔ)強(qiáng)四、鍋爐筒體開孔補(bǔ)強(qiáng)的幾種情況中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽第四節(jié)薄壁筒體開孔補(bǔ)強(qiáng)根據(jù)使用要求，在鍋爐鍋筒、集箱及壓力容器上總要開數(shù)量很多、大小不一的孔。有的孔排列得較為密集和規(guī)則，稱為孔排，例如鍋筒上的水冷壁和對流管束管孔；有的孔孔間距離較大，孔徑也較大，例如人孔、主汽管孔、下降管孔等。開孔對殼體強(qiáng)度有一定程度的減弱，并在開孔及接管邊緣造成應(yīng)力集中，必須在強(qiáng)度計(jì)算中予以考慮。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽第四節(jié)薄壁筒體開孔補(bǔ)強(qiáng)常從兩個(gè)角度來考慮補(bǔ)償開孔對筒體強(qiáng)度的影響：①在計(jì)算筒體壁厚時(shí)，考慮孔排的減弱作用，引進(jìn)孔橋減弱系數(shù)，從整體上增加筒體的壁厚，補(bǔ)償孔排對強(qiáng)度的影響；②對個(gè)別大直徑的單孔及過于密集的幾排，進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算和補(bǔ)強(qiáng)處理。補(bǔ)強(qiáng)就是在開孔邊緣部位適當(dāng)添加金屬，以彌補(bǔ)開孔對筒體(封頭)強(qiáng)度的減弱。補(bǔ)強(qiáng)主要對象是薄壁圓筒殼，也有壓力容器中的球殼及凸形封頭。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽

一、開孔對筒體強(qiáng)度

的減弱情況(一)單向受力平板上開單孔若平板寬度為B，開孔直徑為d，B≥d；沿平板寬度均勻分布著拉伸應(yīng)力σ，由彈性力學(xué)得出，橫截面aa‘上的應(yīng)力分布為： 式中： 最大應(yīng)力位于孔邊緣a處：在aa‘截面上，隨著ρ的增加，應(yīng)力很快衰減：可見，在孔邊緣aa'截面上的應(yīng)力分布特點(diǎn)是：孔邊應(yīng)力很大，衰減很快，即在孔邊形成應(yīng)力集中。應(yīng)力集中系數(shù)中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(一)單向受力平板

上開單孔縱截面bb′截面上的應(yīng)力分布也有相似的情況：孔邊b點(diǎn)應(yīng)力的絕對值最大，但應(yīng)力：當(dāng)當(dāng)即在通過孔中心的縱截面上，由于開孔的影響，在單向應(yīng)力作用下孔邊緣b點(diǎn)受到壓縮應(yīng)力的作用，但這種壓縮應(yīng)力很快衰減到接近零的程度。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)雙向受力平板

上開單孔若互相作用的兩個(gè)方向上的拉伸力分別為及，則孔邊緣的應(yīng)力情況可根據(jù)上述的單向應(yīng)力情況疊加面得：單獨(dú)作用單獨(dú)作用及共同作用當(dāng)時(shí)（相當(dāng)于圓筒殼承受內(nèi)壓后的應(yīng)力狀態(tài)），則有即孔邊緣的應(yīng)力集中系數(shù)K為2.5。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽在圓筒上開孔時(shí)，筒體的曲率對孔邊緣的應(yīng)力是有影響的，當(dāng)（式中Di為圓筒內(nèi)徑，δ為圓筒壁厚，d為開孔直徑）時(shí)，筒體在內(nèi)壓作用下孔邊緣的最大環(huán)向應(yīng)力為：式中：σθ——筒體未開孔時(shí)的環(huán)向應(yīng)力。（三）圓筒上開孔中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽可以看出，圓筒殼上開孔時(shí)，孔徑越大，筒徑越小，孔邊的應(yīng)力集中系數(shù)越大。隨著離孔中心距離的增加，孔邊應(yīng)力迅速衰減。筒體上單孔與孔排的區(qū)分，正是根據(jù)孔邊應(yīng)力迅速衰減這一特點(diǎn)進(jìn)行的。對一定內(nèi)徑Di，壁厚δ的筒體及一定的開孔直徑d，存在一個(gè)確定的孔距t0， ，稱做孔間互不影響間距。相鄰兩孔的實(shí)際開孔距離t一般不等于孔間互不影響間距t0。當(dāng)相鄰兩孔的間距足夠遠(yuǎn)（t≥t0），兩孔孔邊的應(yīng)力集中影響不到兩孔中部孔橋的應(yīng)力分布時(shí)，就把兩孔分別看做單孔；當(dāng)相鄰兩孔間距較?。╰<t0），孔邊應(yīng)力集中在孔橋部位疊加，使孔橋部位的應(yīng)力大于未開孔時(shí)的應(yīng)力水平，則兩孔就組成了排孔。（三）圓筒上開孔中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽對于沒有開孔減弱的圓筒形元件，在內(nèi)壓作用下，其最小需要壁厚為：實(shí)際取用壁厚δ一般大于最小需要壁厚δmin。即實(shí)際壁厚除了承壓外，一般都有富裕量。二、未加強(qiáng)單孔的

最大允許直徑中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽二、未加強(qiáng)單孔的

最大允許直徑筒體上開孔會(huì)減弱筒體的強(qiáng)度?？讖皆酱螅走厬?yīng)力集中越嚴(yán)重，對筒體強(qiáng)度的減弱越厲害；孔徑越小，對筒體強(qiáng)度的減弱越輕微。顯然，可以根據(jù)筒體壁厚的富裕量，將開孔直徑限制在一定范圍，使開孔所造成的對筒體強(qiáng)度的減弱正好由筒體的富裕壁厚來補(bǔ)償。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽對于未被開孔減弱的圓筒形元件，因其實(shí)際壁厚有富裕量，不是絕對不能承受開孔減弱，而只能承受在允許開孔直徑之內(nèi)的開孔減弱。對于考慮孔排減弱的圓筒形元件，其最小需要壁厚和實(shí)際取用壁厚都遠(yuǎn)大于沒有開孔減弱的圓筒形元件相應(yīng)的壁厚值。在這種筒殼的無孔區(qū)或稀疏孔區(qū)(t＞t0)，筒殼壁厚除用于承受內(nèi)壓引起的應(yīng)力外，有更大的富裕量。在考慮了孔排減弱的圓筒殼上，如果某些孔的間距t大于互不影響間距t0，可以分別看作單孔，則由于單孔處的壁厚有足夠的富裕量，只要孔徑不超過一定值，單孔所引起的強(qiáng)度減弱同樣可以由筒體富裕壁厚補(bǔ)償。二、未加強(qiáng)單孔的

最大允許直徑中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽未加強(qiáng)孔的最大允許直徑(a) (b)中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽對于實(shí)際取用壁厚δ大于最小需要壁厚δmin的筒體，一定孔徑的開孔是允許的，并不會(huì)減弱筒體強(qiáng)度。這種不影響筒體強(qiáng)度的最大開孔孔徑稱為未加強(qiáng)單孔的最大允許直徑[d]。二、未加強(qiáng)單孔的

最大允許直徑中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽圓筒體上未加焊單孔的最大允許直徑可按下面的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算：式中：Di—筒體內(nèi)徑，mm； K—筒體壁厚富裕程度的系數(shù)。式中，是未減弱筒體的理論計(jì)算壁厚。系數(shù)K是未減弱筒體的理論計(jì)算壁厚與筒體有效壁厚的比值。K值越大，表示壁厚的富裕程度越大，相應(yīng)的未加強(qiáng)單孔最大允許直徑也就越大。式（4-14）已被國內(nèi)外應(yīng)用多年，實(shí)踐證明它所確定的[d]是安全的。為了避開其量綱上的明顯缺陷，我國鍋爐強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)中給出了其曲線形式，如圖4-3所示。鍋爐筒體未加強(qiáng)單孔的最大直徑不能超過200mm。二、未加強(qiáng)單孔的

最大允許直徑中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽三、單孔補(bǔ)強(qiáng)當(dāng)圓筒體上單孔的孔徑大于[d]時(shí)，應(yīng)將此單孔補(bǔ)強(qiáng)，以降低孔邊緣的應(yīng)力高峰，使孔邊強(qiáng)度不低于圓筒體其他部分。(一)補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)表明，位于開孔邊緣的筒體富裕壁厚、接管富裕壁厚、墊板、焊縫金屬等都有補(bǔ)強(qiáng)作用，因而接管、墊板是最常見的補(bǔ)強(qiáng)件。補(bǔ)強(qiáng)件與被補(bǔ)強(qiáng)元件的連接形式叫補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)必須滿足一定的要求。管接頭焊到開孔上當(dāng)作補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)時(shí)，管接頭的壁厚除能承受內(nèi)壓外必須有足夠的富裕量；內(nèi)插式管接頭必須雙面焊接；單面焊接的管接頭焊縫必須開坡口。不開坡口單而焊接的管接頭，不能當(dāng)作補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽三、單孔補(bǔ)強(qiáng)(二)補(bǔ)強(qiáng)有效范圍接管、墊板等補(bǔ)強(qiáng)件的補(bǔ)強(qiáng)金屬，只在孔邊緣區(qū)域的一定范圍內(nèi)才能起補(bǔ)強(qiáng)作用。應(yīng)力分析和實(shí)驗(yàn)都表明，補(bǔ)強(qiáng)的有效范圍,在筒體的軸線方向?yàn)?倍孔徑，即補(bǔ)強(qiáng)有效寬度b=2di。在孔的軸線方向，對于鍋爐筒體，從壁面起算，當(dāng)δ1/di(接管壁厚/接管內(nèi)徑)≤0.19時(shí)，取外部補(bǔ)強(qiáng)高度h1=2.5δ1或h1=2.5δ(δ為圓筒厚度)中的較小值；當(dāng)δ1/di＞0.19時(shí)，取

,對壓力容器，取h1=及實(shí)際外伸長度二者之中的較小值（d為開孔直徑）；當(dāng)接管內(nèi)伸直筒內(nèi)壁以里時(shí)，取內(nèi)部補(bǔ)強(qiáng)高度h2為接管內(nèi)伸高度（但不應(yīng)超過h1）。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(二)補(bǔ)強(qiáng)有效范圍ABCD線中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽三、單孔補(bǔ)強(qiáng)(三)補(bǔ)強(qiáng)原則和計(jì)算公式我國鍋爐壓力容器強(qiáng)度計(jì)算中，根據(jù)“等面積補(bǔ)強(qiáng)”原則進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。即在過筒體軸線及開孔中心線的縱截面中,在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，筒體及補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)除了自身承受內(nèi)壓所需要的面積外，多余的面積-A(稱為補(bǔ)強(qiáng)面積)應(yīng)不小于末開孔筒體由于開孔所減少的面積A(稱為補(bǔ)強(qiáng)需要的面積)。即：未開孔筒體承受內(nèi)壓所需要的壁厚為：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(三)補(bǔ)強(qiáng)原則

和計(jì)算公式若管接頭內(nèi)徑(或開孔直徑)為di，則開孔后所需要的補(bǔ)強(qiáng)面積為：補(bǔ)強(qiáng)面積包括以下幾部分：其一，有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)的焊縫面積A1。若焊腳高度為e，則A1=e2(單面焊)或者A1=2e2(雙面焊)。其二，有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)管接頭承受內(nèi)壓外的多余面積A2。管接頭承受內(nèi)壓所需的壁厚為：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(三)補(bǔ)強(qiáng)原則

和計(jì)算公式對于單面焊管接頭，多余面積為：對于雙面焊內(nèi)插式管接頭,內(nèi)插部分并不承受內(nèi)壓，因而內(nèi)插部分可全部作為補(bǔ)強(qiáng)面積。此時(shí)管接頭總的多余面積為：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(三)補(bǔ)強(qiáng)原則

和計(jì)算公式其三，有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)墊板的有效面積A3。

在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)墊板的面積為實(shí)踐表明，墊板的補(bǔ)強(qiáng)效果較差，在計(jì)算其補(bǔ)強(qiáng)面積時(shí)需乘以0.8：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽(三)補(bǔ)強(qiáng)原則

和計(jì)算公式其四，有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)筒體承受內(nèi)壓外的多余面積A4。因此單孔的補(bǔ)強(qiáng)條件式為：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽三、單孔補(bǔ)強(qiáng)(四)補(bǔ)強(qiáng)面積的分布“等面積補(bǔ)強(qiáng)”是一種經(jīng)驗(yàn)性的近似方法。長期的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證實(shí)，按照這種方法進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算能保證足夠的強(qiáng)度，而且計(jì)算較為簡便。但是“等面積補(bǔ)強(qiáng)”并不考慮補(bǔ)強(qiáng)面積在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)的分布情況。當(dāng)系數(shù)K＝δ0/δy較小時(shí)，按等面積補(bǔ)強(qiáng)原則進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，就會(huì)出現(xiàn)不夠合理的現(xiàn)象。因而我國鍋爐強(qiáng)度計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，補(bǔ)強(qiáng)需要面積的2/3應(yīng)布置在離孔邊緣(1/4)di的范圍內(nèi)。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽四鍋爐筒體開孔

補(bǔ)強(qiáng)的幾種情況首先根據(jù)公式 計(jì)算出孔間互不影響間距。然后根據(jù)公式 計(jì)算出未加強(qiáng)單孔的最大允許直徑[d]。在此基礎(chǔ)上，對筒體上開孔的各種組合情況進(jìn)行分析。（一）孔徑di≤[d]，節(jié)距t≥t0的孔對這類孔可不作任何強(qiáng)度核算，它們有足夠的強(qiáng)度。（二）孔徑di>[d]，節(jié)距t≥t0的孔對這類孔可作需要補(bǔ)強(qiáng)的單孔處理，應(yīng)分別對它們進(jìn)行單孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算。（三）孔徑di≤[d]，節(jié)距t<t0

的孔對這類孔作為孔排處理，在強(qiáng)度計(jì)算中引入孔橋減弱系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償。如最小減弱系數(shù)過小，可進(jìn)行孔橋補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，以適當(dāng)增大最小減弱系數(shù)。（四）孔徑di>[d]，節(jié)距t<t0的孔這是筒體上開孔最不利的一種情況。當(dāng)相鄰兩孔中僅有一孔的直徑大于[d]時(shí)，則對此孔進(jìn)行單孔補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，如滿足補(bǔ)強(qiáng)要求，將此孔作無孔處理；當(dāng)相鄰兩孔都大于[d]時(shí)，則應(yīng)在理論分析或試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行慎重研究處理。在筒體強(qiáng)度設(shè)計(jì)中應(yīng)避免出現(xiàn)這種情況中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽第五節(jié)鍋爐壓力容器

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一些問題一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體要求二、對封頭結(jié)構(gòu)的要求三、對焊接接頭的要求四、對減弱環(huán)節(jié)的要求五、對受熱部件熱膨脹的考慮中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體要求鍋爐、壓力容器的安全問題，涉及到設(shè)計(jì)、制造、安裝、使用等各個(gè)環(huán)節(jié)。從設(shè)計(jì)角度考慮部件結(jié)構(gòu)的安全可靠性，主要有以下幾個(gè)方面：承壓部件要有足夠的強(qiáng)度，且使結(jié)構(gòu)各部分受力盡量均勻合理，減少應(yīng)力集中；受熱系統(tǒng)及部件的脹縮要不受限制；受熱系統(tǒng)及部件要得到可靠的冷卻。其總體要求如下：中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體要求第一，避免結(jié)構(gòu)上的形狀突變，使其平滑過渡。承壓殼體存在幾何形狀突變或其他結(jié)構(gòu)上的不連續(xù)，都會(huì)產(chǎn)生較高的局部應(yīng)力，因此應(yīng)該盡量避免。實(shí)在難以避免時(shí)必須采取平滑過渡的結(jié)構(gòu)形式，防止突變。第二．能引起應(yīng)力集中或削弱強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)應(yīng)互相錯(cuò)開。在鍋爐和壓力容器中，總是不可避免地存在一些局部應(yīng)力較高或?qū)Σ考膹?qiáng)度有所削弱的結(jié)構(gòu)，如開孔、轉(zhuǎn)角、焊縫等。這些結(jié)構(gòu)在位置上應(yīng)相互錯(cuò)開，以防局部應(yīng)力疊加，產(chǎn)生更高的局部應(yīng)力，導(dǎo)致設(shè)備的破壞。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體要求第三，避免產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)力或附加應(yīng)力的剛性焊接結(jié)構(gòu)。剛性大的焊接結(jié)構(gòu)既可以使焊接構(gòu)件因焊接時(shí)的膨脹或收縮受到約束，產(chǎn)生較大的焊接應(yīng)人，也可以使先體在壓力或溫度變化時(shí)的變形受到約束，產(chǎn)生附加的彎曲或拉伸應(yīng)力。因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取措施予以避免。第四，受熱系統(tǒng)及部件的脹縮不要受限制。受熱部件如果在熱膨脹時(shí)受到外部或自身限制，在部件內(nèi)部即產(chǎn)生熱應(yīng)力。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取措施，使受熱部件不受外部約束，減小自身約束。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽一、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體要求第五，對鍋爐受熱系統(tǒng)，要保證適當(dāng)?shù)乃缓涂煽康乃h(huán)，合理調(diào)節(jié)過熱蒸汽溫度，使受熱面得到可靠冷卻。上述要求除第五項(xiàng)外、其余均屬于鍋爐壓力容器部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)問題。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽二、對封頭結(jié)構(gòu)的要求第一，鍋爐、壓力容器的凸形封頭最好采用橢球封頭，并選用標(biāo)準(zhǔn)形式。標(biāo)準(zhǔn)橢球封頭的長短軸比值(封頭半徑與不包括直邊高度在內(nèi)的封頭高度之比)為2。采用非標(biāo)準(zhǔn)橢球封頭時(shí)，長短軸之比值不得大于2.6。第二，在封頭半徑與高度之比值相同的情況下，碟形封頭較橢球封頭存在較大的彎曲應(yīng)力，因此應(yīng)盡量少采用碟形封頭。采用碟形封頭時(shí)，封頭過渡區(qū)的轉(zhuǎn)角半徑應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的10％，且應(yīng)不小于封頭厚度的3倍，以防止封頭在過渡部分或其附近產(chǎn)生更高的彎曲應(yīng)力。中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）工程學(xué)院安全工程倪曉陽二、對封頭結(jié)構(gòu)的要求第三，無折邊球形封頭使筒體產(chǎn)生較大的附加彎曲應(yīng)力．因此只適用于直徑較小、壓力較低的容器。在任何情況下，無折邊球形封頭的球面半徑都不應(yīng)大于圓筒體的內(nèi)直徑。因?yàn)榉忸^球面半徑過大將與平板封頭相似，產(chǎn)生很高的邊界應(yīng)力。確定無折邊球