锅炉设计中强度设计
第4讲：锅炉压力容器强度设计及制造要求
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。
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） σb(Rm)：抗拉强度； σs(ReL)：屈服点(屈服强度)； δ5(A)：伸长率； ψ(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。
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τmax达到了极限。 对于任意应力状态其：τmax=（σ1-σ3）/2； 在单向拉伸时，当拉应力达到极限σs时，与轴向 成45度的斜截面上的相应的最大剪应力为 τmax=σs/2，发生屈服。则准则应为： （σ1-σ3）/2=σs/2；--- （σ1-σ3）=σs； S3=σ1-σ3≤[σ]；
产生变形所做的功全部转为变形能。
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
锅炉受压元件强度计算书
1.04
23
斜向孔桥当量减弱系 数
φC
/
kφ″=1.04×0.71
0.74
24
焊缝减弱系数
φh
∕
表5
1.0
25
最小减弱系数
φmin
/
φ、φH、φhφC中的最小值
0.74
26
筒壳理论厚度
tL
mm
5.3
27
腐蚀减薄附厚度
C1
mm
按4.4.1条
0.5
28
钢板下偏差的附加厚 度
C2
mm
按GB713—1997中3.1条和3.2条
受压元件强度计算书
编号：
编制：
审核：
xx
xx
根据
GB/T16508-1996
强度计算书
共7页第1页
计算依据
1、安全阀计算按《蒸汽锅炉安全技术监察规程》
2、强度计算按GB/T16508-1996《锅壳锅炉受压元件强度计算》
计算书目录
1、锅炉规范
2、筒壳强度计算
3、管板强度计算
4、集箱强度计算
5、安全阀排放能力计算
kg
/
按规表7—1
1.0
6
入口蒸汽比容修正系数
k
/
k= kpkg
1
7
安全阀理论
排放量
E
kg/h
E=0.235A(10.2P+1)k
2570.5
=0.235×1295.1×(10.2×0.73+1)×1
8
锅炉最大连续
蒸发量
Dmax
kg/h
1.1D=1.1×2000
2200
9
新版锅炉强度计算(DZL2-1.25)
mm
按式（13）：K1δ c 按式（43）：25d0/R
C2 C3 符合
mm mm 单位
按式（42）：α 1(δ bc+C1)/(100-α 1) 按式（44）：m(δ bc+C1+C2)/(100-m) 计算公式
名
称
22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 八 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28
0.42 1.92 0.5 0 10 0.27 0.769 2.69 6 合格 5.23 3.61 合格 121 147 0.145
腐蚀减薄附加厚度
制造减薄量的附加厚度
比值 工艺附加厚度 附加厚度 最小需要厚度 取用厚度 校核 有效壁厚 最高允许计算压力 校核 最大开孔直径 集箱内径 实际减弱系数 校核
三通加强计算
1 2 3 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 计算压力 计算壁温 集箱材料 基本许用应力 修正系数 许用应力 主管外径 主管壁厚 主管内径 主管平均直径 支管外径 支管壁厚 支管内径 支管平均直径 腐蚀裕量
附加厚度
P
Mpa ℃
取集箱计算压力 取集箱计算壁温 设计给定：GB3087-2008 Φ 159×6
[σ ]J η [σ ] d0 ψw δ c C1 R n1 m K1 δ bc α
1
MPa
材料部分：表4 表3
MPa mm
按式（1）：[σ ]Jη 设计给定
mm mm mm
按式（12）：Pd0/(2[σ ]+P) 按6.7.1条 设计给定 R/d0 GB3087-2008表3 按式（14）：(4R+d0)/(4R+2d0)
锅炉压力容器强度分析
（1）强度
ζ
它是指在外力作用下，对变形或断裂的抗
力， ζ p 、 ζ e、 ζ s 、ζ b 。 屈强比 γ ζ s ζ b ， γ 值小，材料可靠 性高，因为一旦超载，也能由于塑性变形使金
γ 属强度提高而不致于破坏，若
b e p
s
k
大，则可靠性 0
ε
不高，一般碳素钢在0.6左右，低合金钢 0.65~0.75，合金钢0.85。
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。 5.2.2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 1）使用性能要求 （1）较高的强度
（2）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， 冲击韧性明显降低，这就是应变时效。
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
（3）较低的缺口敏感性
（4）良好的抗腐蚀性能及组织稳定性。 2）加工工艺性能要求
（1）良好的冲压性能（冷塑性形变能力）；
（2）较好的可焊性； （3）适宜的热处理性能； 清除加工过程冲产生的残余应力。 5.2.2.2 低碳钢 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 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。 尤以20号钢板及钢管使用最为广泛。
—材料的许用应力。
锅炉设计中的强度设计与研究
锅炉设计中的强度设计与研究本文在总结前人研究的基础上，重点论述了强度设计在锅炉设计中的地位和在锅炉设计人员与锅炉检验人员中需要提高认识的几个问题。
标签：锅炉设计；性能设计；结构强度设计1 锅炉强度设计的概念这里所说的强度设计，不仅仅是几个计算公式的问题，而是指一种设计思想，一种与产品设计紧密相连的强度设计，或者说是以力学原理和强度计算为核心技术的产品设计。
锅炉强度设计这个命题体现了以下两个特点：第一，这里所说的锅炉强度设计，不只是指受压元件，而是指锅炉的所有受力结构，其中包括计算非常复杂的支承锅炉的钢结构。
有些设计者在讲锅炉强度的时候，主要是讲受鹾元件，而对其他的受力结构则讲得很少。
就整个锅炉设备来说，除了受压元件之外，需要进行强度设计的地方很多。
特别是电站锅炉，它是一种在高温高压作用下的结构复杂、体积庞大的热能动力设备，任何部件的失效和破坏都会造成严重后果。
第二，这里不是采用强度计算的提法，而是采用强度设计的提法。
目的就是强调强度计算本身就是设计的内容。
在国外，特别是美国和日本有时就直接把产品的强度计算称为产品设计。
不论从国外的情况看，还是从我国的实际经验教训看，都说明在锅炉的设计中所要解决的技术问题，归结起来就是两个，一个是性能设计，一个是结构强度设计。
2 锅炉强度设计的主要内容2.1 锅炉强度设计的相关技术知识。
2.1.1 受力构件材料的选用和数据的选取。
对强度设计来讲，对材料的关心主要是下列几个方面。
①抗氧化温度和最高允许使用计算壁温。
②合金元素对钢材性能的影响。
③材料强度标准值的制定及其随温度的变化。
④钢材的无塑性转变温度与水压试验温度的确定。
⑤制造工艺中的温度选取及其对强度设计的影响。
2.1.2 强度理论的基本概念。
强度这一名词代表材料或构件对于荷载的抗力。
一般它是指对断裂的抗力，但有时塑性变形过大也能破坏构件或结构物的正常工作。
所以有必要考虑塑性变形，大多数情况是不允许构件或结构整体达到屈服状态。
新版锅炉强度计算(WNS2-1.25-Q)
十三 回燃室后管板直拉撑杆计算
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 计算压力 管板内径 饱和温度 附加温度 介质额定平均温度 计算壁温 材料 基本许用应力 修正系数 许用应力 [σ ]J η [σ ] MPa MPa P Di ts Δt mm ℃ ℃ ℃ ℃ 同锅壳 设计给定 设计给定 表4 表4 表4:tmave+Δ t 设计给定：GB/T699 材料部分表15 表3 按式（1）：[σ ]Jη 1.3 1200 194 70 194 264 20.00 101.16 0.6 60.70
tmave
tc
管束区以外最大假想圆直径（两根烟管与二支点线构成的假想圆） de1 K δ
min1
1） 当量圆直径 2） 系数 3） 最小管板厚度 13 1) 2) 3) 14 15 16 17
mm
取相同类型中最大值 按9.3.4条及表14：（0.35*2+0.45*2）/3
163 0.400 8.60
tmave
tc
后管板斜拉杆强度计算因接管与前管板相同，计算拉撑面积比前管板小，无需计算，满足要求
min
1） 当量圆直径 2） 系数 3） 最小管板厚度 13 14 15 16 最小需要厚度 管板名义厚度 最高允许计算压力 校核
mm
取相同类型中最大值 按9.3.4条及表14：（0.43*2+0.35）/3
250 0.403 12.75 13.72 14 1.357 合格
mm mm mm MPa
按式（76）：Kde1(P/[σ ])0.5+1 取最大值 设计给定 按式（77）：[（δ -1)/(Kde)]2[σ ] [P]＞P
MPa
材料部分表2 表3
锅炉设计中的强度设计与研究
杂 非常基 础非 常重要 的工作 。 ２ ） 吊杆螺母 的强度 设 计。 一个 重要 的思
想是 吊杆螺母的旋合长度应大于普通紧固件螺母的旋合长度 。 这里推 荐 吊杆螺母高度 ｍ≥１ 。 ３ ） 吊杆及其螺纹端的强度设计。 其中吊杆要按 最 高温 度部位 进行 设计 。 ４ ） 吊杆环 头 的强 度 没计 。 要用到 环 的理论 。 ５ ） 销轴的强度设计。 ６ ） 吊耳及连接焊缝的强度设计。 其中吊耳也要用到 ７ ） 安装调整规范。 这是一项必不可少的丁作 ， 没有适 当的安 所有配件出现问题都会对锅炉产生影响。 二是这里并非使用强度算计 环的理论。 的方式 ， 是使用强度策划的方式。就是为了着重讲述算计 自身就是策 装凋 整过程 是不 能保证 吊杆 的安全 的 。 ． ５ 刚性梁的强度设计。 所涉及到的内容如下。 １ ） 炉膛压力的确定及 划的一部分。在国际上， 尤其是美国以及 日 本很多时候就把商品的强 ２
加热炉炉底强度计算公式
加热炉炉底强度计算公式
炉底强度计算是工程设计中的重要参数，通常可以通过以下公
式进行计算：
炉底强度= (P × D) / (2 × t)。
其中，P代表炉底承受的最大压力，D代表炉底的直径，t代表
炉底的厚度。
在实际应用中，需要根据具体的炉底材料、工作条件以及安全
系数等因素进行调整和修正。
另外，还需要考虑炉底结构的复杂性、热应力、材料的变形和磨损等因素，这些因素都会对炉底强度的计
算和设计产生影响。
除了上述公式外，还有一些专业的工程手册和规范可以提供更
为详细和精确的炉底强度计算方法，包括考虑到温度、材料特性、
载荷类型等多个因素的影响。
因此，在实际工程中，需要结合具体
情况进行综合考虑和分析，以确保炉底的安全和可靠运行。
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探析锅炉设计中的强度设计
【摘要】锅炉强度的设计，不仅仅只是受压元件的强度，而是指锅炉的全部的受力结构，其中还包括要计算极其复杂的支撑锅炉的钢结构。
从整个锅炉设备进行分析，不仅包括受压元件，要进行强度设计的地方还有很多。
尤其是电站的锅炉，它是在高温高压环境下工作，结构复杂、体积巨大的热能动力设备，不论哪个部件损坏都会造成及其严重的后果。
笔者将从锅炉强度校核做出探讨，并重点对锅炉的强度设计做出分析。
【关键词】锅炉设计，强度校核，强度设计
中图分类号：s611 文献标识码：a 文章编号：
一、前言
锅炉是生产中的重要动力机器，为生产提供必要的动力介质。
在锅炉的设计中，对锅炉的强度设计是至关重要的，它能够增强锅炉的动力，降低能源的损耗。
这里提到的强度设计，指的是一种设计的理念和方法，它是与产品设计紧密相关的强度设计，也可以说是以力学原理和强度计算为关键技术的产品设计。
二、锅炉强度校核中应注意的问题
1. 管板的强度校核
根据gb/t16508—2008《锅壳式锅炉受压元件强度计算》的规定，管板分成三个部分，即管群以外平板部分、管群区平板部分和包含人孔平板部分分别进行强度计算，取其大值做为管板壁厚，最高允许工作压力取其小值。
三个部分强度校核公式为
当管板某一部位因腐蚀或磨损使壁厚减薄需要进行强度校核时，应注意以下问题：
（一）公式的采用。
壁厚减薄发生在不同部位，将实测剩余壁厚t代入相应公式，即管群以外平板部分和管群区平板部分代入公式（1）。
管群以外平板和管群平板部分的校核公式形式是一样的，只是参数的选取略有差异。
包含入孔平板部分则采用公式（2）。
计算出的最高允许工作压力再减去△pz、△psz、△p，就是锅炉运行中管板允许的工作压力。
三个部分任何一个部分强度校核计算出的允许的工作压力，只要不低于锅炉实际运行压力时，可按锅炉实际运行压力使用。
（二）假想圆直径 dj的确定。
对不同部位进行校核时，应将相应部位最大假想圆直径dj代入公式（1）或（2）。
管板三个部分最大假想圆直径确定方法不完全一样，假想直圆径大小也可能不一样。
管群以外平板部分是通过两个、三个或三个以上支撑点画假想圆，从而可画出多个假想圆，取其最大者的直径；管群区平板部分，如烟管与管板采用胀接，通过拉撑管画假想圆，取其最大者直径。
当烟管与管板采用焊接时，其假想圆直径取烟管最大节距；包含人孔平板部分，通过支撑点画假想圆，至少有一个假想圆应将人孔包含在内，计算时取最大假想圆直径。
最大假想圆不一定是包含人孔在内的假想圆。
2.凸形封头的强度校核
gb/t9222———2008 标准规定，凸形封头强度校核公式
锅炉使用过程中，如有凸形封头发生壁厚减薄需要进行强度校核时，除有效厚度 ty外，公式（3）中其他参数均应取设计时确定的值。
而有效厚度ty则取减薄部位的实测厚度减去附加厚度 c。
此时的附加厚度 c 仅考虑锅炉运行时的腐蚀减薄量，而钢板负偏差、工艺减薄量不再考虑。
gb/t 9222-2008水管锅炉受压件强度计算标准的凸形封头强度校核公式与公式（3）基本一样， gb/t 9222-2008水管锅炉受压件强度计算式分母是（+ty），而不是（+0.5ty）
3.其他受压元件的强度校核
容易因腐蚀或磨损壁厚减薄的其他受压元件主要是炉胆、下脚圈及平端盖。
这些受压元件进行强度校核时，仅将发生减薄部位实测厚度值代入标准中相关强度校核公式，计算出最高允许工作压力[p]，与锅炉实际运行压力比较，以确定是否需要降压以及降压程度。
而公式中其他参数均将设计时确定的参数代入。
三、锅炉设计中的强度设计措施探讨
1、明确锅炉强度设计的参数和标准
（一）对受力构件的料选择和数据的选取。
对于强度设计而言，材料选择最主要做到下面几个方面的要求：
①抗氧化温度和最高允许使用计算壁温。
②合金对钢材的性能可能产生的影响。
③材料强度标准制定与受温度影响所发生的变化。
④钢材的无塑性转变温度要求和对水压试验温度的要求。
⑤在制造
工艺过程中对温度的选择和对强度设计所产生的影响。
（二）强度理论的基本概念。
在这里提到的强度这个名词，表示的是材料或者构件对外部荷载的抵抗能力。
通常情况下，它是指对断裂情况的抵抗能力，但是有的时候，塑性变形过大同样也会造成构件或者其结构物破坏进而影响到正常的使用。
因此，我们也要考虑塑性的变形情况。
一般情况下是坚决不允许构件或结构整体达到屈服的状态。
强度理论的目的就是通过简单受力状态的实验结果去创造复杂受力状态的强度条件,在工程上经常使用四个强度理论进行指导。
①最大拉应力理论也被称为第一强度理论，它所建立的强度条件称为断裂的强度条件。
②第二强度理论是最大伸长变形理论，它所建立的强度条件也是称为断裂的强度条件。
③第三强度理论是最大剪应力理论，它所建立的强度条件称为塑性条件，在塑性理论中称为屈雷斯加（tresca）条件。
④第四强度理论叫做歪形能理论，它所建立的强度条件也是称为埋性条件，在塑性理论中称为米赛斯（mises）条件。
通常情况下，第一、第二强度理论一般适用于脆性材料，第三、第四强度理论一般适用于塑性材料。
（三）安全系数和许用应力
制定了材料强度的标准数值之后，就能够通过安全系数计算得出强度设计中所用的许用应力大小。
材料强度的标准值和安全系数具有权威性，都是由相关专家和权威单位进行确定的，具有很严格的科学性和很强的法律性。
它是锅炉强度设计的最主要的基础。
材料
强度标准值是根据大量的试验数据统计并考虑所规定的可靠度和置信度进行数值的确定。
安全系数通常是由两部分构成，一部分指的是对不能预料到的可能造成结构损毁的各种因素的准备。
另一分是对结构的重要性所增加的一个系数。
比如，对静强度的安全系数等系数的要求都是不同的。
每个规范、每个国家对于安全系数的选取也是不一样的。
2、受压元件的常规设计
可以依据标准进行，但要要注意的是，受压元件通常会涉及到圆筒壳、球壳、圆板、矩形板这四种力学构件，设计到力学的很大范围。
而且对一些方面的要求也要运用更高深的理论指导。
要想对受压元件的强度进行深入掌握，就必须通过学习和了解板壳的理论来解决这个问题。
3、对调峰机组疲劳寿命的相关设计
这是一项具有很强技术性和专业性的工作，包括的内容也很广泛，包括下面几个内容：①应力分析设计法的一般概念的相关具体要求。
②对应力种类的计算。
③荷载谱的确定也是一项及其复杂的工作，又是疲劳设计的重要基础工作。
④设计疲劳曲线的制定和选择，这也是一项疲劳设计的基础工作。
4、锅炉吊杆的计算
锅炉吊杆作为一个结构系统，是由许多的环节构成，只有对每一个环节都进行认真地设计才能从根本上保证吊杆的安全，主要涉及到下面的内容。
①采取不利情况进行荷载的统计和分配，这是一项复杂性基础性重要性极强的工作。
②吊杆螺母的强度设计。
其中一个重要的思想指导是吊杆螺母的旋合长度大于普通螺母的旋合长度。
这里推荐使用吊杆螺母的高度为m≥1。
③吊杆和螺纹顶端的强度设计。
其中要求，对吊杆的设计要根据最高温度的部位来进行设计。
④吊杆环头的强度设计，这也是要用到环的理论作为指导。
⑤吊耳和连接焊缝之间的强度设计。
其中吊耳也同样需要用到环的理论。
⑥这也是作为一项不可或缺的工作，没有适当的安装凋整过程就不能保证吊杆的安全。
5、锅炉构架的强度设计
这是一项工作量很大的专门技术工作，通常情况下不能和其他结构的强度设计在一起进行。
但是，相对于整个锅炉而言，这也是锅炉强度设计的一项重要内容。
对锅炉构架的整体强度刚度计算普遍采用的是专门的计算软件，但是在设计概念上的许多理论问题还是需要设计者自己把握，才能保证设计的正确。
尤其是把握抗震问题和结构与构件的稳定这两个锅炉构架强度设计的重点和难点。
6、对焊接接头的强度设计
这是作为锅炉各种结构强度设计之中的很重要的步骤，要重点把握以下几方面的内容。
①焊接接头的工作应力分布和工作的性能掌握
②基本假设。
③焊缝尺寸的大小掌握。
④相关荷载的计算。
⑤焊缝的承载能力一定要高于连接件所承载的能力，这条原则一定要遵守。
四、结束语
在进行锅炉设计中，锅炉的的强度设计是其中一个十分重要的环节，关系到整个锅炉的运行。
在此过程中，设计人员要严格执行各种技术标准，并充分利用计算机技术，使得设计过程更为合理。
参考文献
[1]赵玉坤锅炉设计中的强度设计与研究[j]黑龙江科技信息与研究 2009
[2]胡超锅炉圆柱壳的应力与强度设计[j]哈尔滨科技报 2008
[3]李思源锅炉设计中的强度设计探讨[j]工业锅炉2010。