第四章強度設(shè)計

1、 強度設(shè)計的主要任務是限制鍋爐壓力容器受壓元件中的一次應力，避免鍋爐壓力容器的靜裁強度失效。 1、根據(jù)受壓元件的裁荷和工作條件，選用合適的材料； 2、基于對受壓元件一次應力的限制，通過計算確定受壓元件的壁厚； 3、根據(jù)結(jié)構(gòu)各處等強度的原則，進行結(jié)構(gòu)強度設(shè)計，包括焊縫布置及焊接接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計，開孔布置及接管結(jié)構(gòu)設(shè)計，筒體與封頭、管板、法蘭連接結(jié)構(gòu)設(shè)計，支承結(jié)構(gòu)設(shè)計等。 4、對設(shè)備制造質(zhì)量及運行條件作出必要的規(guī)定。 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述根據(jù)給定的根據(jù)給定的 ，遵循遵循 規(guī)定，規(guī)定，在確保在確保 的前提下，的前提下，經(jīng)濟、正確地經(jīng)濟、正確地 ，并進行并進行、 和和。工藝設(shè)計條件工藝設(shè)計

2、條件現(xiàn)行的規(guī)范標準現(xiàn)行的規(guī)范標準安全安全選擇材料選擇材料 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述 (1) 強度強度 構(gòu)件抵抗破壞的能力構(gòu)件抵抗破壞的能力 (2) 剛度剛度 即構(gòu)件在外力作用下保持原有形狀的能力即構(gòu)件在外力作用下保持原有形狀的能力(3) 穩(wěn)定性穩(wěn)定性 構(gòu)件保持原有平衡狀態(tài)的能力構(gòu)件保持原有平衡狀態(tài)的能力(4) 耐久性、密封性、制造方便耐久性、密封性、制造方便 強度設(shè)計通常也叫強度計算，因計算條件與目的不同、強度計算分為：設(shè)計計算是在已知材料、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。校核計算是在已知材料、元件外形尺寸、元件壁厚及使用

3、溫度的情況下，核算元件所能承受的壓力裁荷。校核計算設(shè)計計算 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述鍋爐壓力容器設(shè)計不當，對安全運行有如下影響？（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變形導致容器的破壞。（2）容器選材不當，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)生過高的局部應力，在反復的加壓和卸壓過程中導致疲勞破裂。由于安全泄壓裝置選用不當，當容器的壓力超過額定工作壓力時，泄壓裝置不能迅速泄壓，致使容器因超壓而破裂一、基礎(chǔ)知識第一

4、節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述（一）低碳鋼的拉伸圖一、彈性階段 OA拉伸初始階段：=E A對應的應力稱為比例極限以p表示。 超過比例極限，從A到，應力應變雖不成比例關(guān)系，但是卸除拉力后，變形可以全部消失，這種變形稱為彈性變形，B點（彈性變形的最高限應力值）稱為彈性極限，以e表示。 （2）屈服階段 材料的應力不增大，但是應變卻迅速增大，這說明材料暫時失去了抵抗變形的能力。在屈服極限內(nèi)，試件去掉拉力后，試件的變形不能完全恢復而有殘余變形(塑性變形)。一般認為材料在達到屈服應力后，由于產(chǎn)生了塑性變形，失去了承載能力。屈服極限以s表示。第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述 （3）強化階段 超過屈服階

5、段，試件的抵抗變形的能力又有所恢復，應力應變曲線又向上升至E點，這時試件開始出現(xiàn)局部變細的現(xiàn)象。這種現(xiàn)象稱為“頸縮現(xiàn)象”。E點所對應的應力稱為“強度極限”，以b表示。第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述 （4）頸縮斷裂階段； 頸縮現(xiàn)象顯著，直至試件被拉斷。在此過程中由于局部截面面積急劇減小，試件承載能力降低，應力明顯下降，最后試件在出現(xiàn)頸縮的地方被拉斷。第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述伸長率斷面收縮率第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述512(二) 容器的爆破曲線 1容器的韌性爆破過程 一臺受壓容器，如果材料塑性韌性正常，設(shè)計正確，制造中未留下嚴重的缺陷，加壓直至爆破的全過程一般屬于韌性爆

6、破過程。韌性爆破的全過程可以用圖示容器液壓爆破曲線OABCD來說明，加壓的幾個階段如下： 整體屈服壓力爆破壓力(A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段) 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述13 (1)彈性變形階段 見OA，隨著進液量(即體積膨脹量)的增加，容器的變形增大，內(nèi)壓隨之上升。這一階段的基本特征是內(nèi)壓與容器變形量成正比，呈現(xiàn)出彈性行為。 A點表示內(nèi)壁應力開始屈服，或表示容器的局部區(qū)域出現(xiàn)屈服，整個容器的整體彈性行為到此終止。 (A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強化階段(BC段) (D)爆破階段(C

7、D段) 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述14 (2)屈服變形階段 AB段，容器從局部屈服到整體屈服的階段，以內(nèi)壁屈服到外壁也進入屈服的階段。B點表示容器已進入整體屈服狀態(tài)。如果容器的鋼材具有屈服平臺，這階段包含塑性變形越過屈服平臺的階段，這是一個包含復雜過程的階段，不同的容器、不同的材料，這一階段的形狀與長短不同。 (A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段) 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述15 (3)變形強化階段 BC段，材料發(fā)生塑性變形不斷強化，容器承載能力不斷提高。但體積膨脹使壁厚減薄，承載能力下降。兩者中強化影響大于

8、減薄影響，強化提高承載能力的行為變成主要因素。強化的變化率逐漸降低，到C點時兩種影響相等，達到總體“塑性失穩(wěn)”狀態(tài)，承載能力達到最大即將爆破，此時容器已充分膨脹。 (A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段) 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述16(4)爆破階段 在CD段，減薄的影響大于強化的影響，容器的承載能力隨著容器的大量膨脹而明顯下降，壁厚迅速減薄，直至D點而爆裂。 (A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段) 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述17C點的內(nèi)壓力為爆

9、破壓力，正常韌性爆破的容器，爆破的體積膨脹量在容器體積的10以上，該值越高，容器的韌性越好，材料的塑性韌性和制造質(zhì)量都很好，該容器在設(shè)計壓力下很安全。承受的壓力，爆破壓力越高，爆破壓力與設(shè)計壓力的比值越大則越安全。 (A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段)爆破壓力 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述18 容器的超壓爆破過程 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述192容器的脆性爆破過程無明顯塑性變形有嚴重缺陷 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述202容器的脆性爆破過程 容器的脆性爆破過程如圖中OA，(或OA”)曲線。這種爆破指容

10、器在加壓過程中沒有發(fā)生充分的塑性變形鼓脹，甚至尚未達到屈服的時候就發(fā)生爆破。爆破時容器尚在彈性變形階段至多是少量屈服變形階段。 (A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段) 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述212容器的脆性爆破過程 脆性爆破的容器是由材料的脆性(例如低溫下的脆性)，或是由于有嚴重的焊接缺陷(例如裂紋)引起。也可能兩者同時起作用，既有嚴重缺陷又遇材料變脆(如焊接熱影響區(qū)的脆化或容器長期在中高溫度下服役致使材料顯著脆化)從而引起脆斷。(A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強化階段(BC段) (D)

11、爆破階段(CD段) 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述222容器的脆性爆破過程 脆性爆破的容器由于體積變形量很小，其安全裕量很少，應竭力防止。發(fā)生脆斷，容器爆裂出碎片飛出，產(chǎn)生極大的危害，帶來災難性的后果。 容器的韌性爆破和脆性爆破是容器爆破的兩種基本典型的形式。實際容器的失效不一定是爆破，而有更多的原因和模式，下面將討論容器的失效模式問題和容器設(shè)計應采用的相應的準則 (A)彈性變形階段(OA段) (B)屈服階段(AB段)(C)強化階段(BC段) (D)爆破階段(CD段) 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述 強度理論也叫失效判據(jù)，是研究構(gòu)件在不同應力狀態(tài)下產(chǎn)生強度失效的共同原因的理論。材料

12、力學介紹過四種強度理論，鍋爐壓力容器強度設(shè)計中經(jīng)常涉及的，是第一、第三及第四強度理論。 強度條件是依據(jù)一定的強度理論建立的強度設(shè)計準則或失效控制條件，強度條件通常表達為： 式中： 為依據(jù)一定的強度理論得出的當量應力或應力強度；下角標i表示相應的強度理論 為材料的許用應力。 二、強度理論 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述（一）第一強度理論 也叫最大拉應力強度理論。該理論認為，無論材料處于什么應力狀態(tài)，只要發(fā)生脆性斷裂，其共同原因都是由構(gòu)件內(nèi)的最大拉應力達到了極限值。 相應的強度條件式為： 鍋爐壓力容器通常都由塑性材料制成，一般不會發(fā)生脆性斷裂，故不適合用第一強度理論進行失效控制。由于歷史原因

13、和使用習慣，美國、日本等國在對鍋爐進行常規(guī)強度設(shè)計時，仍采用第一強度理論。我國及世界上多數(shù)國家對壓力容器進行常規(guī)強度設(shè)計時，均采用第一強度理論。 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述（二）第三強度理論 也叫最大剪應力強度理論。該理論認為，無論材料處于什么應力狀態(tài)，只要發(fā)生屈服失效，其共同原因都是由于構(gòu)件內(nèi)的最大剪應力 達到了極限值。相應的強度條件式為： 第三強度理論適用于塑性材料，與實驗結(jié)果比較吻合。我國及世界上除美、日之外的多數(shù)國家，在對鍋爐進行強度設(shè)計時，均采用第三強度理論。 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述（四）、第四強度理論（四）、第四強度理論 這一理論認為，對于塑性材料，構(gòu)件形狀

14、改變比能是引起這一理論認為，對于塑性材料，構(gòu)件形狀改變比能是引起屈服的主要因素。即認為無論構(gòu)件處在什么應力狀態(tài)下，只屈服的主要因素。即認為無論構(gòu)件處在什么應力狀態(tài)下，只要形狀改變比能達到材料在單向拉伸時發(fā)生屈服應力要形狀改變比能達到材料在單向拉伸時發(fā)生屈服應力s相應相應的形狀改變比能，材料就發(fā)生屈服，從而引起構(gòu)件失效。的形狀改變比能，材料就發(fā)生屈服，從而引起構(gòu)件失效。任意應任意應力狀態(tài)力狀態(tài)與第三強度理論相似，第四強度理論適用于塑性材料，與實驗結(jié)果吻合較好。但由于計算較為復雜，概念不夠直觀，所以在鍋爐壓力容器強度設(shè)計中使用較少，僅用于某些高壓厚壁容器的設(shè)計。 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概

15、述四、鍋爐、四、鍋爐、 壓力容器失效壓力容器失效壓力容器在規(guī)定的使用環(huán)境和時間內(nèi)，因尺寸、壓力容器在規(guī)定的使用環(huán)境和時間內(nèi)，因尺寸、形狀或者材料性能的變化而危及安全或者喪失正常形狀或者材料性能的變化而危及安全或者喪失正常功能的現(xiàn)象，稱為功能的現(xiàn)象，稱為壓力容器失效。壓力容器失效。 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述 日本的機械產(chǎn)品一度曾以質(zhì)量的低劣聞名于世，但是目前日本產(chǎn)品的質(zhì)量在世界范圍內(nèi)已占有明顯的優(yōu)勢。這與他們重視質(zhì)量、重視失效分析是分不開的。例如，馬路上行駛的豐田皇冠、頂級凌志，堪稱“精致豪華”，這是日本在30多年前就著手系統(tǒng)地分析世界各國汽車構(gòu)件失效情況，著重研究失效原因及改進措施

16、的結(jié)果。 出了事故我們應該實事求是地去把原因搞清楚，才能進出了事故我們應該實事求是地去把原因搞清楚，才能進步、盡量避免以后不出事故。步、盡量避免以后不出事故。 研究失效的目的是避免失效，只有不斷總結(jié)經(jīng)驗教訓，研究失效的目的是避免失效，只有不斷總結(jié)經(jīng)驗教訓，才能不斷升華。才能不斷升華。 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述（1）強度失效）強度失效（2）剛度失效）剛度失效（3）失穩(wěn)失效）失穩(wěn)失效（4）泄漏失效）泄漏失效失效形式失效形式 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述（1）強度失效）強度失效因材料屈服或斷裂引起的壓力容器失效，因材料屈服或斷裂引起的壓力容器失效， 稱為強度失效，包括稱為強度失效

17、，包括 （a）韌性斷裂（）韌性斷裂（b）脆性斷裂）脆性斷裂 （c）疲勞斷裂（）疲勞斷裂（d）蠕變斷裂）蠕變斷裂 （e）腐蝕斷裂等）腐蝕斷裂等（2） 剛性失效剛性失效由于壓力容器的變形大到足以影響其正由于壓力容器的變形大到足以影響其正常工作而引起的失效，稱為剛度失效。例如，露天立置的塔常工作而引起的失效，稱為剛度失效。例如，露天立置的塔在風載荷的作用下，若發(fā)生過大的彎曲變形，由于塔盤的傾在風載荷的作用下，若發(fā)生過大的彎曲變形，由于塔盤的傾斜會影響塔的正常工作。斜會影響塔的正常工作。 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述 （3） 失穩(wěn)失效失穩(wěn)失效 在壓應力作用下，壓力容器突然失去其原有的規(guī)則幾何在

18、壓應力作用下，壓力容器突然失去其原有的規(guī)則幾何外形引起的失效稱為外形引起的失效稱為失穩(wěn)失效失穩(wěn)失效。 外壓元件承受的壓應力，其破壞形式主要是失穩(wěn)，失穩(wěn)可分為周向失穩(wěn)和軸向失穩(wěn)。周向失穩(wěn) 斷面由園形變成波形 軸向失穩(wěn) 軸線由直線變成波形線 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述（4） 泄漏失效泄漏失效 由于泄漏而引起的失效，稱為泄漏失效。泄漏不僅有可由于泄漏而引起的失效，稱為泄漏失效。泄漏不僅有可能引起中毒、燃燒和爆炸等事故，而且會造成環(huán)境污染。設(shè)計能引起中毒、燃燒和爆炸等事故，而且會造成環(huán)境污染。設(shè)計壓力容器時，應重視各可拆式接頭和不同應力腔之間接頭（如壓力容器時，應重視各可拆式接頭和不同應力腔

19、之間接頭（如換熱管和管板的連接）的密封性能。換熱管和管板的連接）的密封性能。 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述 五、五、強度失效的兩種主要形式：強度失效的兩種主要形式：屈服屈服斷裂斷裂（在常溫、靜載作用下）（在常溫、靜載作用下）常用的強度失效準則：常用的強度失效準則：彈性失效準則彈性失效準則塑性失效準則塑性失效準則爆破失效準則爆破失效準則彈塑性失效準則彈塑性失效準則疲勞失效準則疲勞失效準則蠕變失效準則蠕變失效準則脆性斷裂失效準則脆性斷裂失效準則 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述（一）、彈性失效準則（一）、彈性失效準則 該準則也常稱做極限應力法，它認為構(gòu)件上應力最大點的當量應力達到材料的

20、屈服點時，整個構(gòu)件即喪失正常工作能力（失效）。這種一點處失效且就是構(gòu)件失效的觀點，它規(guī)定了屈服極限是容器失效的應力?？紤]安全系數(shù)后，容器實際應力處在彈性范圍之內(nèi)。 GB150對內(nèi)壓圓筒、內(nèi)壓凸形封頭等元件的設(shè)計公式都是按彈性失效原理制定的。 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述（二）塑性失效準則 該準則也常稱做極限載荷法。它認為，當應力沿截面分布不均勻時，一點的當量應力達到屈服點，整個結(jié)構(gòu)并不失效，只有當整個截面上各點的當量應力均達到屈服點時，結(jié)構(gòu)才算失效。它規(guī)定了全屈服壓力是容器失效的最高壓力?？紤]安全它規(guī)定了全屈服壓力是容器失效的最高壓力?？紤]安全系數(shù)后，可得彎曲應力的強度校核條件達系數(shù)后

21、，可得彎曲應力的強度校核條件達 。 5 . 1ssn 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述彈性失效準則與塑性失效準則的對比彈性失效準則與塑性失效準則的對比 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述 對于脆性材料，盡管也是承受彎曲應力，但當器壁表 面達 再繼續(xù)增加外載荷時，器壁表面不能產(chǎn)生較大的塑性變形而將導致開裂。所以，僅從壓力容器設(shè)計中引入塑性失效準則這一點考慮，選材時也要盡量將塑性較差的脆性材料排除在外，或采取相應的限制性措施。sJB 732-1995鋼制壓力容器鋼制壓力容器分析設(shè)計標準分析設(shè)計標準提供了以提供了以塑性失效準則為基礎(chǔ)的設(shè)計方法。塑性失效準則為基礎(chǔ)的設(shè)計方法。 GB 150對平板

22、、對整體法蘭（包括按整體法蘭設(shè)計的任對平板、對整體法蘭（包括按整體法蘭設(shè)計的任意式法蘭）連接的圓筒（或接管）頸部等元件的設(shè)計或應力計意式法蘭）連接的圓筒（或接管）頸部等元件的設(shè)計或應力計算公式，都是按塑性失效原理制定的。算公式，都是按塑性失效原理制定的。 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述38壓力容器一般具有應變硬化現(xiàn)象 爆破壓力大于全屈服壓力三、爆破失效設(shè)計準則容器爆破作為失效判據(jù)爆破失效設(shè)計準則：bbn 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述39 彈塑性失效設(shè)計準則又稱為安定性準則，認為載荷變化范 圍達到安定載荷，容器就失效。應用場合：適用于各種載荷 不按同一比例遞增、 載荷大小反復變化。

23、初始屈服載荷最大應力 點進入塑性相對應 的載荷。四、彈塑性失效設(shè)計準則 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述40 容器承受稍大于初始屈服載荷的載荷 少量的局部塑性變形 殘余應力場 若容器所受的 載荷較小 應力疊加后小于屈服點 保持彈性行為 無新塑性變形 “安定”狀態(tài)。 載荷繼續(xù)增大 反向屈服，或塑性變形累積 喪失安定 漸增塑性變形 “不安定”狀態(tài)。安定載荷安定和不安定的臨界狀態(tài)相對應的載荷變化范圍。工程上: 由于超過安定載荷后容器并不立即破壞，危險性較小，安定載荷的安全系數(shù)1.0，最大載荷變化范圍 安定載荷。安定狀態(tài) 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述 疲勞失效準則。該準則認為，容器在交變載

24、荷作用下，疲勞失效準則。該準則認為，容器在交變載荷作用下，當最大交變應力（在循環(huán)次數(shù)一定時）或循環(huán)次數(shù)（在最當最大交變應力（在循環(huán)次數(shù)一定時）或循環(huán)次數(shù)（在最大交變應力一定時）達到疲勞設(shè)計曲線的規(guī)定值時，即為大交變應力一定時）達到疲勞設(shè)計曲線的規(guī)定值時，即為容器承載的極限狀態(tài)。當設(shè)計規(guī)定要求考慮容器的疲勞問容器承載的極限狀態(tài)。當設(shè)計規(guī)定要求考慮容器的疲勞問題時，除對容器進行強度計算外，還需進行疲勞設(shè)計，即題時，除對容器進行強度計算外，還需進行疲勞設(shè)計，即進行容器壽命計算。進行容器壽命計算。應力循環(huán)次數(shù)超過應力循環(huán)次數(shù)超過105為高周疲勞，為高周疲勞，102105為低周疲勞。為低周疲勞。JB/T

25、47321995規(guī)定對于常溫抗拉強度規(guī)定對于常溫抗拉強度 鋼材，疲勞循環(huán)次數(shù)小于鋼材，疲勞循環(huán)次數(shù)小于1000次可免做疲勞設(shè)計。次可免做疲勞設(shè)計。MPab550五、疲勞失效設(shè)計準則五、疲勞失效設(shè)計準則 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述43脆性斷裂屬于斷裂力學的研究范圍，認為材料中存在 缺陷，研究缺陷在載荷和環(huán)境作用下的破壞 規(guī)律。斷裂力學應用（1）指導壓力容器的選材和設(shè)計 （2）壓力容器的安全評定六、蠕變失效設(shè)計準則 將應力限制在由蠕變極限和持久強度確定的許用應力以內(nèi)。七、脆性斷裂失效設(shè)計準則 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述六、安全系數(shù)六、安全系

26、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)的基本原則是：保證安全的前提下盡量經(jīng)濟。不同國家、不同機械設(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)在強度設(shè)計法規(guī)中。我國鍋爐壓力容器強度設(shè)計采用的安全系數(shù)如表4-1所示。 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述表4-1鍋爐壓力容器決定許用應力的安全系數(shù) 第一節(jié)強度設(shè)計概述第一節(jié)強度設(shè)計概述第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材(一)溫度對鋼材機械性能的影響 鋼材的機械性能，通常用常溫短時拉伸試驗得出的抗拉強度b、屈服點s 、伸長率 5、斷面收縮率及常溫沖擊吸收功AKV表示。其中抗拉強度b和屈服點s表示鋼材的承

27、載能力或抵抗外力破壞的能力；伸長率 5及斷面收縮率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，習慣上稱為沖擊韌性。一、鋼材在使用溫度下的強度性能一、鋼材在使用溫度下的強度性能 溫度對鋼材的機械性能有顯著的影響。鋼材的機械性能隨溫度的變化而發(fā)生顯著變化。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材碳鋼這種在200250時抗拉強度上升而塑性下降的現(xiàn)象叫“藍脆性”，因為在這個溫度下，碳鋼通常呈藍色。(二)蠕變及高溫強度 在高溫和一定應力的作用下，材料的塑性變形隨著時間逐漸增加的現(xiàn)象叫材料的蠕變。 材料的蠕變現(xiàn)象在

28、溫度高到一定程度時才會出現(xiàn)。大量試驗表明，材料的蠕變溫度與材料的熔點有關(guān)，以絕對溫度計，蠕變溫度約為熔點溫度的2535。鉛錫等金屬在室溫下即有蠕變現(xiàn)象，碳鋼在約350時開始出現(xiàn)蠕變現(xiàn)象。合金鋼出現(xiàn)蠕變的溫度在400 以上。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材 對用于鍋爐和壓力容器的鋼材來說，常把對應出現(xiàn)明顯蠕變現(xiàn)象的溫度稱為高溫；把尚未引起明顯蠕變的100350稱為中溫；把鋼材抵抗蠕變破壞的能力稱為熱強度（高溫強度）。 蠕變壽命：蠕變可以導致材料的破壞。材料自開始蠕變至蠕變破壞所持續(xù)的時間。 實驗表明，蠕變的快慢取決于載荷、溫度、材質(zhì)等因素。 對一定的材質(zhì)，進入蠕變溫度范圍以后，載荷越

29、大，溫度越高，蠕變速度越快，至蠕變破壞所需的時間越短。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，也可有效改善熱強性能。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材 常用持久強度及蠕變極限表示鋼材的高溫強度即抗蠕變能力。 持久強度是指在一定溫度下，經(jīng)過規(guī)定的工作期限(我國為1105 h)引起蠕變破壞的應力，通常以Dt表示。而蠕變極限則是在一定溫度下，在規(guī)定的工作期限(1105 h)內(nèi)引起規(guī)定蠕變變形(1)的應力，以nt表示。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材 松弛是特定情況下的一種蠕變現(xiàn)象，承載

30、初僅發(fā)生彈性變形的螺栓或彈簧，在高溫和應力作用下逐步產(chǎn)生塑性變形即蠕變變形，由于總應變不變，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，螺栓或彈簧中的應力水平逐漸降低，本來拉緊的螺栓或彈簧即產(chǎn)生了松弛。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材二、長期高溫時鋼材組織變化 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間發(fā)生變化，鋼材的機械性能也不隨時間變化。 在高溫條件下，鋼材中原子的擴散能力增加，這種內(nèi)部原子

31、擴散作用有可能導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，即和其規(guī)定工作期限可以比較的期限。 鋼材危險的組織變化是珠光體球化及石墨化。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材 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械混合物，即珠光體。在高溫原子擴散能力強的條件下，片狀滲碳體會逐漸轉(zhuǎn)化為球體。大球體比小球體有更小的表面能，隨高溫作用時間的加長，小球體又聚攏成大球體的現(xiàn)象。 危害：會使鋼材的常溫強度下降，并能明顯地加快蠕變速度，降低持久強度。球化嚴重時，持久強度

32、約降低4050。 如何避免：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。(一)珠光體球化第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材 低碳鋼和0.5鉬(Mo)鋼在高溫長期作用下產(chǎn)生石墨化，是一種比珠光體球化更為危險的組織變化。 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： 分解出的石墨呈點狀并分布在晶界上。石墨的強度、塑性和韌性都很差，點狀石墨相當于空穴存在于鐵素體中。石墨化不僅使鋼材在常溫及高溫的強度、塑性下降，尤為嚴重的是使鋼材的韌性明顯下降，脆性劇烈增加。(二)石墨化第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材

33、 據(jù)鋼石墨化的發(fā)展程度，常分成四級： 一級輕微石墨化；二級明顯石墨化；三級嚴重石墨化；四級很嚴重 (危險的)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： 一級時，其游離碳約為鋼材總含碳量的20左右； 二級時，其游離碳約為鋼材總合碳量的40左右； 三級或三級半時，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，石墨化即到了危險的程度。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材 鉻(Cr)能有效地阻止石墨化現(xiàn)象的產(chǎn)生，因為鉻(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)，即可明顯的防止石墨化。這是用鉻鉬鋼代替鉬鋼的基本原因。

34、 硅、鋁等元素能加快石墨化的速度，應嚴格控制冶煉中用以脫氧的鋁的加入量。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材 三、鋼材的脆性與脆化 脆性是指因工作條件(特別是工作溫度)的變化而造成鋼材韌性的降低，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。一旦導致脆性產(chǎn)生的外部原因消失，鋼材的脆性也消失，而能全部或大部分恢復原有的韌性。 脆化是指鋼材組織變化而造成的韌性降低，是一種更危險的脆性。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，鋼材也難于恢復原有的組織和原有的韌性。 把冷脆、藍脆及應變時效、紅脆、熱脆、回火脆性等看做鋼材的脆性，而把石墨化、

35、苛性脆化、氫脆、熱疲勞等歸入鋼材的脆化。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材 (一)冷脆性 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鐵構(gòu)成。對具有體心立方晶格的金屬來說，當溫度低到一定程度時，其沖擊韌性明顯下降、材料突然變脆的現(xiàn)象，叫冷脆性。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材 鍋爐和壓力容器在制造和檢修時要進行水壓試驗，試驗水溫過低時，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，也可能產(chǎn)生冷脆現(xiàn)象。低溫下使用的容器更應注意冷脆問題。 防范、避免冷脆破壞的方法是通過實驗找出鋼材的“韌脆轉(zhuǎn)變溫度”，保證

36、鋼材在制造、使用和維護中的溫度高于這個溫度。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材 韌脆轉(zhuǎn)變溫度：是指鋼材在低溫時沖擊韌性明顯下降的相應溫度。不是一個具體的溫度值，而是一個小的溫度區(qū)間，隨著材料、試件、試驗方法等的不同而確定為不同的數(shù)值。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材鋼材韌脆轉(zhuǎn)變溫度的高低與以下因素有關(guān)： 1、缺陷情況。缺陷越尖銳，應力集中越嚴重，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

37、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格限制。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材 (二)藍脆性和應變時效 在200300時，某些鋼材的強度上升，塑性和韌性下降，這種現(xiàn)象叫做鋼材的藍脆性。 應變時效是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，其強度上升，塑性下降，沖擊韌性顯著下降，這種現(xiàn)象叫應變時效。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材 鋼材的藍脆傾向與應變時效傾向是一致的，某種鋼材如果藍脆程度嚴重，則其冷加工后的應變時效程

38、度也嚴重，反之亦然。 應變時效與很多因素有關(guān)，主要有冷加工程度、鋼材成分及冶煉方式、溫度等。 冷加工程度對應變時效有顯著的影響，冷加工程度越大，時效越顯著，冷加工變形量為310時，時效最為嚴重。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材 鋼中含碳量越低，越容易發(fā)生應變時效。含碳量增加可使應變時效傾向減小。在鋼中加入適量的鎳可顯著降低時效傾向，而錳、銅等元素可增加時效傾向。 鋼中含有氧、氮等氣體會顯著增加時效傾向，因而煉鋼時的脫氧方式對時效有重要影響。只用錳脫氧的沸騰鋼特易發(fā)時效，而用鋁和錳進行較完全的脫氧顯著減降時效傾向。 環(huán)境溫度對應變時效有重要影響，在室溫至300的溫度區(qū)間內(nèi)，隨溫度的升

39、高，應變時效明顯加快出現(xiàn)，但溫度超過上述區(qū)間后，繼續(xù)升溫會使應變時效減弱以致消失。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材 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)生應變時效的范圍，因而需重視應變時效問題。 鋼材的藍脆性及應變時效傾向通常依靠冶煉過程進行控制。鍋爐鋼材標準中常對應變時效后沖擊值作出規(guī)定，即限制鋼材的時效敏感性，要求鋼材的常溫沖擊吸收功及人工時效后的沖擊吸收功分別達到規(guī)定數(shù)值。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材 (三)苛性脆化 苛性脆化是一種特殊的電化學腐蝕，屬于應力腐蝕。當鍋

40、爐鍋水中苛性堿的濃度高到定程度時，在鍋筒金屬的局部高應力區(qū)會造成晶間腐蝕，這就是苛性脆化。 苛性脆化會顯著降低鋼材的韌性，在脆化區(qū)產(chǎn)生裂紋并導致脆性破壞。 發(fā)生苛性脆化的條件： 1、局部拉伸應力達到或超過鋼材的屈服點； 2、鍋水含一定量的游離堿，具有浸蝕性。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材 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。 降低應力集中及減小溫度應力，也是防止苛性

41、脆化的重要措施。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材 (四)氫脆 氫在鋼中富集導致鋼材脆化的現(xiàn)象叫氫脆。 根據(jù)氫脆的程度：可逆氫脆和不可逆氫脆。 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)中的殘余應力，形成很高的內(nèi)應力，此時不需很大外載，就能導致鋼材脆性破壞。但此時鋼材變脆尚未伴有組織變化，當用特殊方法處理鋼材時，可把鋼中的氫去除而使鋼材的塑性和韌性恢復，故這種氫脆叫可逆氫脆。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材 在一定的溫度和應力

42、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反應： 反應的結(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。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材 根據(jù)鋼中氫的來源可把氫脆分為內(nèi)部氫脆和外部氫脆。 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致的氫脆，叫外部氫脆。 內(nèi)部氫脆和外部氫脆在機理和破壞形式方面并無顯著區(qū)別。第二節(jié)鍋爐壓力容

43、器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材 對鍋爐壓力容器來說，除鋼材在冶煉過程中有可能吸收氫而致氫脆外，還需特別關(guān)注焊接及使用過程可能形成的氫脆。 焊接時，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擴散出去，就可能導致氫脆。 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；焊后及時加熱被焊部位，使焊縫緩慢冷卻，以便焊縫中的氫及時擴散到大氣中去，即進行焊后“消氫處理”。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材 鍋爐元件在使用中，在一定條件下也可能產(chǎn)生氫而導致氫脆。比如，蒸汽在與高溫的鐵接觸時

44、，會發(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被蒸汽帶走，由于氫原子尺寸很小，有可能進入金屬內(nèi)部而導致氫脆。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，也會導致氫脆。 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腐蝕加快的去極化作用；防止金屬超溫。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材八、鋼材的腐蝕 鋼材與腐蝕性介質(zhì)發(fā)生化學反應而被損害的現(xiàn)象叫化學腐蝕。如果化學腐蝕伴隨有局部電流現(xiàn)象，則是電化學腐蝕。 據(jù)腐蝕發(fā)生的部位，可分為均勻腐蝕和局部腐蝕。 金屬壁面普遍均勻產(chǎn)生的腐蝕，叫均勻腐蝕，如大氣腐蝕

45、、高溫氧化、蒸汽腐蝕等。這類腐蝕導致金屬壁的均勻減薄，可在設(shè)計時預先考慮給出附加壁厚。 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、局部凹坑、穿孔或晶間破裂等。這類損害往往是嚴重的，必須采取特殊的設(shè)計和運行措施進行預防。鍋爐壓力容器鋼材的腐蝕多數(shù)是局部腐蝕。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材 腐蝕是造成鍋爐壓力容器損傷與破壞的主要因素之一，其分類為： (一)氧腐蝕：天然水中常溶有一定量的氧氣。當把未除氧或除氧不完全的水送入鍋爐時，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

46、給水管道及省煤器中，無省煤器時也發(fā)生在鍋筒及水冷壁管中。 用物理或化學方法使鍋爐給水除氧，是防止水側(cè)氧腐蝕的基本措施。水壓試驗后未把水排凈的容器及底部積水的氧氣瓶，也會發(fā)生氧腐蝕。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材 (二)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，嚴重時會損壞設(shè)備，影響鍋爐運行。 低溫琉腐蝕常發(fā)生在鍋爐

47、省煤器、空氣預熱器等部件及除塵器上。防范措施是燃料脫琉，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。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材五、對鍋爐壓力容器鋼材的基本要求 (一)使用性能要求 1應有較高強度，包括常溫及使用溫度下的強度。 2應有良好塑性、韌性和較低的時效敏感性。 3應有較低缺口敏感性（是指在帶有一定應力集中的缺口條件下，材料抵抗裂紋擴展的能力。鍋筒及容器上要開孔并焊接管接頭，造成應力集中），故要求鋼材的缺口敏感性應低一些。 4應有良好抗腐蝕性能及組織穩(wěn)定性。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材(二)加工工藝性能要求 所用鋼材應具有良好的加

48、工工藝性能及焊接性能。在制造過程中，鋼材要經(jīng)過各種冷、熱加工并產(chǎn)生較大的塑性交形，加工變形后的鋼材不應產(chǎn)生缺陷。這要靠材料的塑性來保證，通常要求鍋爐鋼板的伸長率5應不小于18。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材 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。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材六、鍋爐壓力容器常用鋼材 (一)低碳鋼：低碳鋼中的含碳雖在0

49、.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。 (二)低合金高強度鋼：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度鋼有16Mn等。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材 (三)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等。 (四)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

50、見的低溫容器用鋼有10MnDR等。第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材第二節(jié)鍋爐壓力容器鋼材 為使用方便，鍋爐強度設(shè)計計算標準將各種鋼材不同工作溫度下的許用應力制成表格，如表49和表410所示。由于鍋爐承壓部件工作條件的復雜性，表中提供的鍋爐鋼材許用應力為基本許用應力j，而強度計算中的實際許用應力由基本許用應力乘一個修正系數(shù)得出： 鍋爐鋼材許用應力修正系數(shù)實質(zhì)上是安全系數(shù)的修正值，由鍋爐部件的工作條件決定。八、鋼材在不同工作溫度下的許用應力對鍋爐壓力容器用鋼材的基本要求有哪些? 對鍋爐壓力容器用鋼材的基本要求主要有以下三個方面：（1）具有良好的力學性能。首先，制造鍋爐、壓力容器的材料應具有適當?shù)膹姸龋ㄖ饕?/p>

51、指屈服強度和抗拉強度），以防止在承受壓力時發(fā)生塑性變形甚至斷裂。對于鍋爐和中、高溫壓力容器，還應考慮材料的抗蠕變性能，測定材料的高溫性能指標，即蠕變極限和持久強度。其次，制造鍋爐、壓力容器的材料必須具有良好的塑性，以防止鍋爐、壓力容器在使用過程中因意外超載而導致破壞。第三，制造鍋爐、壓力容器的材料應具有較高的韌性，使鍋爐、壓力容器能承受運行過程中可能遇到的沖擊載荷的作用。特別是操作溫度或環(huán)境溫度較低的壓力容器，更應考慮材料的沖擊韌性值，并對材料進行操作溫度下的沖擊試驗，以防止容器在運行中發(fā)生脆性破裂。 （2）具有良好的工藝性能。由于鍋爐、壓力容器的承壓部件，大都是用鋼板滾卷或沖壓成形的，所以要

52、求材料有良好的冷塑性變形能力，在加工時容易成形且不會產(chǎn)生裂紋等缺陷。其次，制造鍋爐、壓力容器的材料應具有較好的可焊性，以保證材料在規(guī)定的焊接工藝條件下獲得質(zhì)量優(yōu)良的焊接接頭。第三，要求材料具有適宜的熱處理性能，容易消除加工過程中產(chǎn)生的殘余應力，而且對焊后熱處理裂紋不敏感。 （3）具有良好的耐腐蝕性能和抗氧化性能。設(shè)計壓力容器時，必須根據(jù)其使用條件，選擇適當?shù)哪透g材料。對于鍋爐和高溫壓力容器，所選用的材料還應具有抗氧化性能。第三節(jié)常見受壓元件強度計算第三節(jié)常見受壓元件強度計算 由應力分析可知，承受內(nèi)壓回轉(zhuǎn)薄殼呈雙向應力狀態(tài)，其1= ， 2= ， 3= r = 0 ，因而按第三強度理論得出的當量

53、應力與按第一強度理論得出的當量應力在形式上沒有不同，即： 下面對承壓薄殼進行強度計算時，均按第三強度理論分析處理。第三節(jié)常見受壓元件強度計算第三節(jié)常見受壓元件強度計算1球殼。根據(jù)應力分析： 一、強度計算公式一、強度計算公式強度條件為： 考慮到計算的方便準確性，對上式應作如下修正： 工作壓力p工作p設(shè)計（由于實際操作中工作壓力的波動，設(shè)計中應以工作壓力乘以放大系數(shù)表示設(shè)計壓力，并以設(shè)計壓力作為設(shè)計壁厚的計算壓力）第三節(jié)常見受壓元件強度計算第三節(jié)常見受壓元件強度計算 t(考慮到材料的許用應力隨溫度的升高而降低，設(shè)計計算中應以材料在工作中所能達到的最高溫度下的許用應力為準)R（Di+）/2(考慮到工

54、程中徑無法測量以內(nèi)徑代入計算更為方便) 引入減弱系數(shù)壁厚附加量C由強度條件解得的設(shè)計壁厚或許用壓力分別為：第三節(jié)常見受壓元件強度計算第三節(jié)常見受壓元件強度計算第三節(jié)常見受壓元件強度計算第三節(jié)常見受壓元件強度計算2圓筒殼。由應力分析可知，對圓筒殼：強度條件為：考慮減弱系數(shù)及附加壁厚，以內(nèi)直徑表達的殼體設(shè)計壁厚或許用壓力分別為：第三節(jié)常見受壓元件強度計算第三節(jié)常見受壓元件強度計算3橢球殼。由應力分析可知，橢球殼上各點應力是隨位置變化的。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。在進行橢球殼強度計算時，通常以橢球殼極點為計算點在極點處：相應的強度條件式為： 為簡化計算，以與橢球封頭相連

55、圓筒內(nèi)半徑Di2代替a，以封頭內(nèi)高hi代替b，考慮封頭減弱及壁厚附加量，得出橢球封頭簡化計算式：第三節(jié)常見受壓元件強度計算第三節(jié)常見受壓元件強度計算 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，引入形狀系數(shù)Y，即可得出目前團內(nèi)鍋爐壓力容器規(guī)范中橢球完的強度計算公式：式中，Y為橢球封頭形狀系數(shù)，最常用的標準橢球封頭，Y=1。其余符號同前。對鍋爐壓力容器第三節(jié)常見受壓元件強度計算第三節(jié)常見受壓元件強度計算一、設(shè)計參數(shù)的確定一、設(shè)計參數(shù)的確定 1、計算壓力。計算壓力是指在相應設(shè)計溫度下，用以確定承壓部件(球殼、圓筒殼、封頭等)壁厚的壓力。承壓部件的計算壓力不得小于設(shè)備的最大工作壓力

56、。一般情況，可取為最大工作壓力的1.01.1倍。最大工作壓力是指在正常操作情況下，設(shè)備可能出現(xiàn)的最高壓力。第三節(jié)常見受壓元件強度計算第三節(jié)常見受壓元件強度計算 有關(guān)鍋爐各種承壓部件及各類壓力容器的計算壓力具體規(guī)定如下： (1)鍋筒的計算壓力取鍋爐出口額定壓力與最大流量時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pa，則計算壓力中應加上此差值。若鍋筒所受液柱靜壓力超過上述所得計算壓力的3，則計算壓力中還應加上此液柱壓力。第三節(jié)常見受壓元件強度計算第三節(jié)常見受壓元件強度計算 (2)集箱的計算壓力取鍋爐出口額定壓力與最大流量時集箱至鍋爐出口壓力降之和；若鍋爐出口安全閥的

57、較低開啟壓力與額定壓力之差為pa ，則計算壓力中還應加上此差值。若集箱所受液柱靜壓力超過按上述方法所得計算壓力的3，則計算壓力中還應加上此液柱靜壓力。第三節(jié)常見受壓元件強度計算第三節(jié)常見受壓元件強度計算 (3)裝設(shè)了安全閥的壓力容器，其計算壓力應不小于安全閥的開啟壓力；若其部件所受的液柱靜壓力達到上述計算壓力的5時，則計算壓力中還應加上此液柱靜壓力。 (4)裝設(shè)了爆破片的壓力容器，其計算壓力應不小于爆破片的設(shè)計爆破壓力與爆破片制造范圍上偏差之和。若部件還有液柱靜壓力，則對此液柱靜壓力的考慮應符合第(3)項規(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)，其計算壓力應為介質(zhì)在最高溫度

58、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，則計算壓力也應加上此液柱靜壓力。第三節(jié)常見受壓元件強度計算第三節(jié)常見受壓元件強度計算 2許用應力。 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。3、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，焊接部件的強度要受焊接質(zhì)量的影響。焊縫系數(shù)表示由于焊接或焊縫中可能存在的缺陷對結(jié)構(gòu)原有強度削弱的程度。很明顯，這個系數(shù)的大小在很大程度上取決于實際的施焊質(zhì)量，很難預先確定。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)根據(jù)焊接接頭的形式和焊縫的無損探傷檢驗

59、要求，按表413規(guī)定選取。第三節(jié)常見受壓元件強度計算第三節(jié)常見受壓元件強度計算 表4-13 壓力容器的焊縫系數(shù)幣注：有色金屬焊縫系數(shù)均指熔化極惰性氣體保護焊，否則應按表中所列系數(shù)適 當減少。 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。 第三節(jié)常見受壓元件強度計算第三節(jié)常見受壓元件強度計算根據(jù)水管鍋爐受壓元件強度計算的規(guī)定，經(jīng)鍋爐制造技術(shù)檢驗合格的圓筒體焊縫，其焊縫系數(shù)可按表4-14選取。 表4-14水管鍋爐焊縫減弱系數(shù) 第三節(jié)常見受壓元件強度計算第三節(jié)常見受壓元件強度計算(2)孔橋減弱系數(shù)。 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

60、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?？讟虿课槐婚_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)。第三節(jié)常見受壓元件強度計算第三節(jié)常見受壓元件強度計算 當相鄰兩孔直徑相等時，孔橋減弱系數(shù)按下列方法計算。 a、縱向孔橋減弱系數(shù)式中：t相鄰兩縱向孔的中心距離； d孔徑。 第三節(jié)常見受壓元件強度計算第三節(jié)常見