锅炉压力容器安全第四章

第四节 开孔补强
圆筒或球壳开孔所需补强面积
A d 2 et 1 f r
由于应力集中的局部性，等 面积补强法认为在图所示的 WXYZ的矩形范围内实施补强是 有效的，超过此范围实施补强 是没有作用的
第四节 开孔补强
有效宽度B（取较大值）
2d B max d 2 n 2 nt
第四节 开孔补强
开孔补强的设计准则-等面积补强准则
优点：在一般情况下可以满足开孔补强设计的需 要，方法简便，且在工程上有很长的使用历史和 经验。我国的容器标准主要采用了这一方法。 缺点：等面积法忽视了开孔处应力集中与开孔系 数的影响，例如相同大小的孔，当壳体直径很大 时，造成的强度削弱就少，反之壳体直径很小 时 ，造成的削弱也大。因此等面积法有时显得 富裕，有时显得不足。
第二节 锅炉压力容器用钢材
使用性能
金属材料性能 工艺性能 铸造、锻造、焊接、热处理、切削
物理、化学、力学
一 金属材料的常温力学性能 1 强度与塑性指标 2 硬度 3 冲击韧度
第二节 锅炉压力容器用钢材
二 温度对材料力学性能的影响 1 钢材在使用温度下的强度性能
第二节 锅炉压力容器用钢材
2 长期高温时的钢材组织变化
（1）蠕变
（2）热松弛
第二节 锅炉压力容器用钢材
（3）珠光体球化
第二节 锅炉压力容器用钢材
钢材组织
铁素体：铁或其内固溶有一种或数种其他元素所形成的 晶体点阵为体心立方的固溶体。
第二节 锅炉压力容器用钢材
奥氏体：γ 铁内固溶有碳或其他元素，晶体结构为面心 立方的固溶体。
第二节 锅炉压力容器用钢材
第四节 开孔补强
开孔补强结构
1、局部补强结构
指另外在壳体开孔处的一定范围内增加补强元 件或增大壳体壁厚、接管壁厚。 如果将连接处的 接管或壳体壁厚适当加厚，上述局部地区的应力 集中在很大程度上得到缓和，应力集中系数可以 控制在所允许的范围内。
补强圈补强
补强圈补强结构简单，易于制造，有一定补偿 效果，故使用广泛。但补强圈与壳壁之间存在着 一层静止空气隙，传热效果较差，两者温差应力 较大，在补强的局部地区容易产生附加温差应力
Ae A开孔后不需要另加补强 Ae A 开孔后需要另加补强
第四节 开孔补强
设计举例
内径Di＝1800mm的圆柱形容器，采用标准椭圆形封头， 在封头中心设置Φ159×4.5的内平齐接。封头名义厚度＝ n 18mm，设计压力p＝2.5MPa，设计温度t＝150℃，接管外伸高 度h1=200mm。封头和补强圈材料为16MnR，其许用应力 [ ] =163MPa,接管材料为10号钢，其许用应力[ ] =108MPa。封头和 接管的厚度附加量均取2mm，液体静压力可以忽略。试作开孔 补强设计。
第四章 锅炉压力容器强度设计及制造要求
教学目标




1 掌握强度设计的概念、锅炉压力容器钢材、常见 受压元件的强度计算、薄壁筒体开孔补强等知识 2 熟悉锅炉压力容器设计参数的确定、设计公式的 使用及开孔补强的计算方法 3 了解锅炉压力容器制造的主要工序 4 掌握锅炉压力容器制造中常见缺陷的种类、产生 的原因、对安全的影响及控制要求 5 了解锅炉压力容器制造质量管理方法
A1 B d e 2 et e 1 f r
A2
—接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积
A2 2h1 et t f r 2h2 et C2t f r
A3 —焊缝金属的截面积，mm2。可根据角焊缝的具体尺寸计算确定
第二节 锅炉压力容器用钢材
1 冷脆性 防止避免冷脆破坏的方法
保证钢材在制造使用和维护中的温度高于“韧脆转变温度” 韧脆转变温度的高低主要和以下因素有关： 第一 缺陷情况。 第二 加载速度。 第三 构件厚度。 第四 钢材的冶炼条件及杂质含量。
第二节 锅炉压力容器用钢材
无塑性转变温度 冲击韧性降低而材料呈现脆性的温度。
第一节 强度设计概述
一 锅炉压力容器的失效 构件失效 强度失效 刚度失效或失稳失效
第一节 强度设计概述
二 强度设计的任务 锅炉压力容器常规强度设计的任务是：
第一 根据受压元件的载荷和工作条件，选用合适 的材料； 第二 基于对受压元件一次应力的限制，通过计算 确定受压元件的壁厚； 第三 根据结构各处等强度的原则，进行结构强度 设计，包括焊缝布置及焊接接头结构设计，开孔布置 及接管结构设计，筒体与封头、管板、法兰连接结构 设计，支承结构设计等。 第四 对设备制造质量及运行条件作出必要的规定。
但补强圈与壳壁之间存在着一层静止空气隙传热效果较差两者温差应力一层静止空气隙传热效果较差两者温差应力较大在补强的局部地区容易产生附加温差应力较大在补强的局部地区容易产生附加温差应力补强圈结构的补强计算补强圈结构的补强计算补强圈补强的相关规定补强圈补强的相关规定补强圈厚度补强圈厚度15n15n标准抗拉强度标准抗拉强度b540mpa540mpa壳体厚度壳体厚度38mm38mm补强圈补强的存在的一些问题补强圈补强的存在的一些问题搭接焊接搭接焊接存在气隙传热效果差容易引起温差应存在气隙传热效果差容易引起温差应刚性变形大角焊逢冷却收缩起较大作用容易刚性变形大角焊逢冷却收缩起较大作用容易在焊逢处产生裂纹尤其对高强钢淬硬性大对在焊逢处产生裂纹尤其对高强钢淬硬性大对焊接裂纹比较敏感
第一节 强度设计概述
强度设计也叫强度计算 设计计算：已知材料、元件外形尺寸、元件工作温度 及载荷的情况下，决定元件壁厚。 校核计算：已知材料、元件外形尺寸、元件壁厚及使 用温度的情况下，核算元件所能承受的压力载荷。
第一节 强度设计概述
三 强度理论及强度条件 强度条件的通常表达式为： S i [ ] 1 第一强度理论 2 第三强度理论
第三节 筒体与封头强度设计
二 内压筒体与封头设计 1 圆筒与球壳强度设计 （1）圆筒 （2）球壳 2 椭球形封头强度设计
第四节 开孔补强
一 不需补强的最大孔径 容器开孔同时满足下述条件的，可不另行补强：
1 设计压力≤2.5MPa。 2 两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算） 应不小于两孔直径之和的两倍。 3 接管公称外径≤89mm。 4 接管最小壁厚满足表4-10要求。
3 第四强度理论
第一节 强度设计概述
四 设计准则 1 弹性失效准则 2 塑性失效准则 3 弹塑性失效准则 4 疲劳失效准则 5 断裂失效准则
6 蠕应力分类与分析设计 压力容器强度设计的两个分支： 常规设计——以壁厚中的薄膜应力或平均应力为基础， 通过强度理论建立设计判据。 分析设计——对容器上的各种应力进行分类，不同的 应力在判据中赋予不同的权重。
接管补强
•在开孔处焊上一段加厚的短管。接管的加厚部 分，正处于最大应力区域内，故能有效地降低应 力集中系数。
第四节 开孔补强
整体锻件补强
将接管和壳体连接处及加强部分 做成一个整体锻件，然后再与接管 和壳体焊在一起。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。并且采用对接焊 接接头，使焊缝及其热影响区离开 最大应力点的位置，抗疲劳性能好， 疲劳寿命只降低10％～15％左右。
第四节 开孔补强
七种情况不采用补强圈补强 高强钢 CrMo钢 设计压力≥4MPa 设计温度大于350℃ 壳体厚度≥38mm 补强圈厚度大于1.5δn 极度高度危害介质的压力容器 承受疲劳载荷的压力容器
第四节 开孔补强
2、整体补强
•用增加整个壳体壁厚的办法来降低开孔附近的应 力；由于开孔应力集中的明显局部性，在不大的范 围以外便恢复到正常的应力值，故除了制造或结构 上的需要以外，一般并不需要把整个容器壁加厚。
第四节 开孔补强
补强圈结构的补强计算
补强圈补强的相关规定 补强圈厚度≤1.5δn 标准抗拉强度σb ≤540MPa 壳体厚度≤38mm 补强圈补强的存在的一些问题
搭接焊接 存在气隙、传热效果差，容易引起温差应 力 刚性变形大，角焊逢冷却收缩起较大作用，容易 在焊逢处产生裂纹，尤其对高强钢淬硬性大，对 焊接裂纹比较敏感。抗疲劳能力差
第四节 开孔补强
安定性补强设计准则 它不涉及塑性分析方法而仅用弹性分析方法 对结构进行弹性应力分析，但允许接管部位的应 力超过材料的屈服强度，从而局部材料会进入塑 性状态，但控制该最大弹性虚拟应力不得超过一 定限度仍可保证安全。 用 3[ ] (英国用 )来限制开孔部位最大应力值(按 弹性分析得出的)的准则称为安定性设计准则
第二节 锅炉压力容器用钢材
四 钢材的腐蚀 1 应力腐蚀 2 氧腐蚀 3 锅炉烟气侧的低温硫腐蚀 4 压力容器特定介质的腐蚀
第二节 锅炉压力容器用钢材
五 对锅炉压力容器用钢的要求 1 冶金质量 2 力学性能
3 工艺性能
4 耐腐蚀性能
第二节 锅炉压力容器用钢材
六 锅炉压力容器常用钢材 常用钢材包括：碳素钢、低合金钢、高合金钢、热 强刚、低温用钢。
第三节 筒体与封头强度设计
一 主要设计参数 1 压力和温度 （1）压力 1）工作压力 2）设计压力
3）计算压力
第三节 筒体与封头强度设计
（2）温度 1）工作温度 2）设计温度 2 安全系数与许用应力 3 减弱系数 （1）焊缝减弱系数 （2）孔桥减弱系数
第三节 筒体与封头强度设计
4 附加壁厚 5 厚度 （1）计算厚度 （2）设计厚度 （3）名义厚度 （4）有效厚度
标准椭圆形封头K1=1
又因开孔处焊接接头系数 故封头计算厚度

t
1.0
K1 pc Di 0.9 2.5 1800 12.5mm 2 163 1.0 0.5 2.5
t
2 0.5 pc
②开孔削弱所需要的补强截面积
先计算强度削弱系数 接管有效厚度为
[ ]t 108 fr 0.663 [ ]t 163
渗碳体：晶体点阵为正交点阵，化学式近似于Fe3C的一 种间隙式化合物。
第二节 锅炉压力容器用钢材
珠光体：从高温缓慢冷却时发生共析转变所形成的，其 立体形态为铁素体薄层与碳化物薄层交替重叠的层状复 相物。
第二节 锅炉压力容器用钢材
（4）石墨化
第二节 锅炉压力容器用钢材
三 钢材的脆性 区分概念 脆性——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，金属组织通常不发生变化。 脆化——钢材组织变化而造成的韧性降低，是一种 更为危险的脆性。
有效高度H（取较小值）
d nt h1 min 外侧高度 接管实际外伸长度
d nt 内侧高度 h min 2
接管实际内伸长度
第四节 开孔补强
在有效补强区范围内，可作为补强的截面积
Ae A1 A2 A3
A1 —壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积
第二节 锅炉压力容器用钢材
2 热脆性
钢材长时间停留在400-500℃后再冷却至室温时， 冲击韧度值有明显下降，这种现象称钢材的热脆性。
3 氢脆 4 苛性脆化 产生条件 （1）在材料中须存在着较高的局部应力，一般接近钢 材的屈服强度； （2）在材料的局部高应力区有与较高浓度的氢氧化钠 溶液相接触的条件； （3）须具有一定的温度。
第四章 锅炉压力容器强度设计及制造要求
教学基本内容



1 强度设计概述 2 锅炉压力容器用钢材 3 筒体与封头强度设计 4 开孔补强 5 锅炉压力容器结构设计的安全问题 6 锅炉压力容器制造质量控制 7 锅炉压力容器制造管理
第四章 锅炉压力容器强度设计及制造要求
教学重难点


1 强度设计，开孔补强 2 锅炉压力容器的常见缺陷及质量控制
t t
第四节 开孔补强
(1)补强及补强方法判别
①补强判别 根据表4-10，允许不另行补强的最大接管外径为Φ89mm。 此开孔外径等于159mm，故需考虑其补强计算。 d d i 2C 159 2 4.5 2 2 154mm ②补强计算方法判别 开孔直径
d 154 mm
，

Di 1800 900 2 2
满足等面积法开孔补强计算的适用条件，故可用等面积补 强法进行开孔补强计算。
(2) 开孔削弱所需要的补强截面积 A
①封头计算厚度 由于在椭圆形封头中心区域开孔，所以封头的计算 厚度按式(4-16)确定。因为液体静压力可以忽略，即
第四节 开孔补强
pc p
；
第四节 开孔补强
二 补强的有关要求 1 有效补强范围 2 开孔补强的设计原则
等面积补强准则
认为在有效的补强范围内，壳体除本身承受 内压所需截面积外的多余截面积不应少于开孔所 减少的有效截面积
第四节 开孔补强
极限分析补强设计准则 由于开孔只造成壳体的局部强度削弱，如果在 某一压力载荷下容器开孔处的某一区域其整个截 面进入塑性状态，以至发生塑性流动，此时的载 荷便为极限载荷。以极限载荷为依据来进行补强 结构设计，即以大量的计算可以定出补强结构的 尺寸要求，使其具有相同的应力集中系数，这就 是极限分析补强设计准则