锅炉压力容器强度分析

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1、5锅炉压力容器强度设计本章重点:掌握强度理论及强度条件了解锅炉压力容器常用钢材掌握常见受压元件强度计算方法掌握壳体开孔补强措施5.1强度设计概述5.1.1受压元件的失效受压元件失去预定的工作能力，称元件失效。因强度不足引起的失效，称强度失效。元件破坏或破裂、断裂是典型的强度失效。另外因刚度不足引起的过量弹性变形或失稳坍塌，称为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。5.1.2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；（2）确定受压元件的壁厚；（3）根据结构各处等强度的原

2、则，进行结构强度设计（如焊缝布置，焊接接头，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。强度设计也称为强度计算，包括强度设计计算和校核计算。5.1.3强度理论及强度条件5.1.3.1强度理论强度理论也称为失效判据，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。5.1.3.2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，强度条件通常表达为：其中：—依据一定的强度理论得到的当量应力，表示相应的强度理论；—材料的许用应力。1）第一强度理论第一强度理论也称为最大主应力

3、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限值，即：其中，为三个主应力、、中最大者。2）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。3）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状态，只要发

4、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。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。4）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。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。5.1.4强度控制准则1）弹性失效准则该准则也常称为极限应力法，它认为构件上应力最大点的当

5、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）。2）塑性失效准则该准则又称为极限载荷法，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性失效原则，一般压力容器强度控制采用弹性失效准则。5.1.5安全系数—抗拉强度极限；安全系数：nb—屈服极限；安全系数：ns—持久强度极限（高温）；安全系数：nD—蠕变极限；安全系数：nn强度条件中的取，，，中的最小值。

6、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。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

7、计、制造、安装、检验、使用、维修、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/T16508-1996《锅壳锅炉受压元件强度计算》；（2）GB9222-1998《水管锅炉受压元件强度计算》；（3）GB150-1998《钢制压力容器》。5.2锅炉压力容器钢材5.2.1钢材的基本知识5.2.1.1钢材的基本成分和组织1）构成钢的主要元素及其作用（1）基本元素指不可缺少的化学成分：Fe、C(C含量在0.02~2.06%为碳钢，>2.06%为铸铁，含量<0.02%的为纯铁)。（2）残留元素它是在冶

8、炼过程中残留下来，如Mn、Si、S、P，微量O、N、H。其中有的是有利元素，可提高钢的品质或改善钢的性能，如Mn、Si；有的是有害的，如O、H、P、S（S有利于切削加工）。（3）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Mn、Si、Cr、Ni、Mo、Ti、Nb、B等（如不锈钢Cr、Ni）。2）组织含碳量不同的碳钢，在不同的温度下，形成不同的组织，其基本组成物有下列几种：（1）铁素体铁素体是指碳