锅壳锅炉讲义

1GB/T16508.3锅壳锅炉第3部分：设计与强度计算目前我们需要掌握的主要内容：5.5许用应力（56页）5.6计算温度（57页）5.7工作压力和计算压力（58页）6.3锅壳和集箱筒体（59页）6.6减弱系数及焊接接头系数（60页）6.7附加厚度（65页）6.8厚度限制（66页）7.3圆筒形炉胆（69页）8.3椭球形和半球形元件（79页）8.5.2拱形管板（83页）9.3有拉撑的平板和烟管管束区以外的平板（85页）9.4烟管管束区以内的平板（88页）10.4拉撑件所支撑的面积（93页）10.5直拉杆和拉撑管（94页）10.6斜拉杆（96页）13.3筒体上孔的补强（103页）21、锅壳式锅壳的主要结构型式锅壳式锅炉最早的名称是火管锅炉。与水管锅炉结构上的不同之处在于烟气在受热面管子内部流动，工质在受热面管子外部流动，而水管锅炉正与之相反。锅壳锅炉除了具有与水管锅炉相同的元件如集箱、封头，类似的元件如锅壳筒体，还有一些自己独有的元件，如烟管、炉胆、管板、拉撑件等。锅壳筒体、集箱、封头、开孔补强计算基本与水管锅炉相同，有些表述方式、有的符号、有的计算方法有所不同，炉胆、管板、拉撑的计算是水管锅炉没有的内容。为了更好的理解标准的内容，需要对锅壳锅炉的结构有一定的了解。1.1水火管锅炉水火管锅炉是我国独有的一种炉型，源自50年代上海工业锅炉厂。之所以叫水火管锅炉是因为兼有了水管和火管两种锅炉的结构。水管部分是指炉膛中的水冷壁管，火管部分是指锅壳中的烟管。锅炉本体由水冷壁管、筒壳、集箱、管板、烟管、下降管组成。烟气行程：燃料燃烧形成的火焰、烟气在炉膛与水冷壁、锅壳底部组成的辐射受热面进行换热后，由前向后流动，在后部转向进入两侧翼型烟道，由后向前冲刷翼型烟道中的第一对流受热面，在前部转向进入由烟管组成的第二对流受热面，然后流出锅炉本体。这种烟气流动方式叫做烟气三回程。水循环系统：锅壳、下降管、集箱、水冷壁管组成循环回路。水在水冷壁管中被加热，一部分水变为蒸汽，管内工质形成汽水混合物，下降管不受热，管中工质是水，汽水混合物重度小于水的重3度，因此下降管中的水向下流动，水冷壁管中的汽水混合物向上流动，形成了自然循环。此外，由于锅壳底部受热以及锅壳中布置了大量的烟管，锅壳中的水被加热蒸发，在锅壳中也形成了冷水下降，热水和蒸汽上升的自然循环，只不过这个循环过程是在锅壳这个大水容积中进行的。水火管锅炉最早用于小容量产品，进些年来发展到较大容量。该炉型曾是我公司主导产品，90年代之前几乎是唯一的炉型。目前仍是我公司主要炉型之一，是20t/h以下产品的首选，在40t/h热水炉也曾生产过该产品。1.2卧式内燃锅炉卧式内燃锅炉用于燃油、燃气锅炉。锅炉本体由炉胆（锥形炉胆、波形炉胆）、锅壳、管板、回燃室（管板、筒体）、烟管、拉撑（直拉杆、斜拉杆）组成。烟气行程：燃烧机将油或气点燃并形成火焰喷入炉胆，火焰、烟气与炉胆组成的辐射受热面进行换热后，由前向后流动，在回燃室转向，由后向前冲刷第一对流管束烟管，在前部转向，由前向后冲刷第二对流管束烟管，然后流出锅炉本体。烟气流动同样是三回程方式。水循环：在锅壳这个大水容积中形成了冷水下降，热水和蒸汽上升的自然循环。上述的炉型是三回程湿背式卧式内燃锅炉。所谓湿背式，是指回燃室处于锅壳中，回燃室后管板（后背）与锅壳后管板之间存在水夹层，回燃室后管板（后背）被水冷却，称之为湿背式。与之相对应的是干背式，如果回燃室不处于锅壳中，回燃室后背一般是用耐火材料4砌筑的，没有水冷却则成为干背。下图为三回程干背式锅炉示意图。1：锅壳2：炉胆3：前管板4：后管板5：烟管6：耐火砖干背式锅炉回燃室后背用耐火砖砌筑，在高温烟气冲刷下，很容易损坏，不得不经常停炉修理，因此只用于较小容量的产品。我公司生产的卧式内燃锅炉目前全部采用三回程湿背式结构。2、锅壳和集箱筒体计算厚度与水管锅炉锅筒和集箱筒体厚度计算公式相同。锅壳筒体计算厚度c：PPDicmin2集箱筒体计算厚度c：PPDcmin02c：计算厚度P：计算压力5iD：筒体内径0D：筒体外径min：最小减弱系数：许用应力2.1计算压力aPPP0P：计算压力0P：工作压力aP：设计附加压力2.2工作压力hfrPPPP00P：工作压力rP：额定压力fP：工质流动阻力，取最大流量时锅壳或集箱至锅炉出口之间的压力降hP：元件所受液柱静压力，不大于0.03farPPP时，取hP等于零。2.3设计附加压力标准第4条“符号和单位”中，给出“aP—设计附加压力（安全阀整定压力）”，标准的第1号勘误表改为aP—设计附加压力（考虑安全阀整定压力）”。除此之外标准中再未给出aP的确定方法，经向标准编写人咨询，aP取为安全阀较低整定压力与额定压力之差，6与GB/T16507.4的规定不一致。2.4最小减弱系数min取纵向焊接接头系数、纵向孔桥减弱系数、两倍横向孔桥减弱系数2（当2＞1时，取00.12）及斜向孔桥当量减弱系数d（当d＞1时，取d=1.00）中的最小值。这些规定与GB/T16507.4无本质上的区别，在GB/T16507.4中，横向孔桥减弱系数已经包括了2倍，斜向孔桥减弱系数就是本标准的斜向孔桥当量减弱系数。2.5纵向焊接接头系数w根据焊缝形式及无损检测比例，按GB/T16508.1中的6.4.7选取。该条与GB/T16507.4表5略有区别，比GB/T16507.4表5叙述的更明确具体，此外有1个系数值不同。2.6孔桥减弱系数2.6.1可不考虑孔间影响的相邻两孔的最小节距在什么情况下需要计算孔桥减弱系数，本标准也有与GB/T16507.4相同的规定，相邻两孔的节距小于可不考虑孔间影响的相邻两孔的最小节距，且两孔直径均不大于未补强孔最大允许直径时，应计算孔桥减弱系数。可不考虑孔间影响的相邻两孔的最小节距0s，就是GB/T16507.4中的临界节距cs。imDds20md：相邻两孔直径的平均值，221dddm：名义厚度72.6.2未补强孔最大允许直径未补强孔最大允许直径d，按图50查取。与GB/T16507.4有所不同，GB/T16507.4给出两种方法，计算和按图查取，我们一般用计算确定。本标准只按图50确定。在查图前需计算筒体的实际减弱系数s，s就是GB/T16507.4中的筒体结构特性系数k，计算公式是相同的。对于锅壳筒体：eisPPD2对于集箱筒体：eesPDP220e：有效厚度当s≤0.4时，需要补强的孔已得到自身补强，无需另行补强。当s＞0.4时，未补强孔的直径d不应大于按图50确定的未补强孔的最大允许直径d，且最大为200mm。如为椭圆孔，d取筒体纵截面上的尺寸。当未补强孔的直径d大于按图50确定的未补强孔的最大允许直径d时，应采取规定的补强结构予以补强。这些规定与GB/T16507.4基本相同，只是GB/T16507.4无“如为椭圆孔，d取筒体纵截面上的尺寸”的规定，GB/T16507.4取的是长轴尺寸。2.6.3纵向孔桥减弱系数sdsms：纵向相邻两孔的节距2.6.4横向孔桥减弱系数8sdsms：横向相邻两孔的节距，取筒体平均直径圆周上的弧长。2.6.5斜向孔桥当量减弱系数KdK：斜向孔桥换算系数22175.011nKabnb：斜向孔桥两孔间在筒体轴线方向上的距离a：斜向孔桥两孔间在筒体平均直径圆周上的弧长：斜向孔桥减弱系数sdsms：斜向相邻两孔的节距，取筒体平均直径圆周上的弧长。对于凹座开孔、非径向开孔，公式中的md以当量直径ed代入，其计算方法与GB/T16507.4相同，此处不再详述。2.7许用应力JJ：为GB/T16508.2表2《常用钢板的许用应力》和表4《常用钢管的许用应力》相应材料的选取值。这两个表与GB/T16507.2表2和表4不完全相同，尤其是表4，由于水管锅炉覆盖的产品更多，选用的材料更广，GB/T16507.2表4钢管品种更多。9：修正系数，按表3选取。对锅壳和集箱筒体来说，表3与GB/T16507.4的表1是相同的。确定J时，需首先确定计算温度ct，按表4选取，表中mavet为介质额定平均温度。表4与GB/T16507.4对应的表2、表3、表4有所不同。上述的J、、ct查取步骤、方法与水管锅炉相同。3、锅壳和集箱筒体厚度附加量321CCCC1C：腐蚀裕量，一般取1C=0.5，＞20mm时，取1C=02C：制造减薄量，锅壳筒体：冷卷冷校时，2C=0；冷卷热校时，2C=1mm；热卷热校时，2C=2mm。钢管制成的直集箱筒体：2C=03C：钢材厚度负偏差，锅壳筒体：取钢板标准规定的厚度负偏差。按GB/T709《热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差》，规定为0.3mm。钢管制成的直集箱筒体：1003mC，m：钢管厚度负偏差的百分比值，%，可查GB3087《低中压锅炉用无缝钢管》标准。从我公司进料情况看，一般外径＜108mm，是冷拔管，查表3，外径≥108mm，是热轧管，查表2。表2按钢管外径和管子壁厚与外径比值，分4档给出了偏差值。表3按管子壁厚分2档给出了偏差值。4、不绝热锅壳和集箱筒体最大允许厚度4.1不绝热锅壳最大允许厚度不绝热锅壳最大允许厚度按表5查取，与GB/T16507.4表16相同。但GB/T16507.4表16有rP≤2.5MPa的限定，本标准无此限定。104.2不绝热集箱最大允许厚度rP＞2.5MPa时，不绝热集箱最大允许厚度30mm，与GB/T16507.4表17有所不同，表17按温度分成2档，本标准只有1个规定值。rP≤2.5MPa时，不绝热集箱最大允许厚度按表6查取，与GB/T16507.4表18相同。5、卧式平直炉胆厚度计算炉胆是卧式内燃锅炉主要受压元件，锅炉燃烧和辐射换热过程在炉胆完成。炉胆有平直、锥形、波形3种。平直炉胆形状简单，易于制造，但炉胆承受高温，有较大的热膨胀量，而平直炉胆柔性较差，不能吸收较大的热变形，因此对其长度有限制，应用范围很小。波形炉胆在轴向能吸收较大热变形，而且径向刚性也比平直炉胆大，因此应用较广。锥形炉胆实质上与平直炉胆没有区别，因结构设计上的需要而采用。（炉胆与管板连接处收缩，为的是管板上布置烟管的需要）与锅筒、锅壳等圆筒形元件不同，炉胆承受的是外压，而不是内压。因此平直炉胆的计算除了强度外还有稳定，用强度和稳定公式同时计算。取以下2式计算的s和中的较大值。强度公式：13.0112.0112LDBuDBmmsLDRnPDBmteLm15121稳定公式：11173.1≧4.026.0tmEPLnDs：设计厚度mD：炉胆平均直径u：炉胆圆度百分率min0max0max0min0200DDDDu，一般取2.1u0D：炉胆外径L：炉胆计算长度，有如下规定：（1）炉胆与平管板或凸形封头连接处，若是扳边对接焊时，以扳边起点作为L的计算支点即L的起算点。；若是坡口型角焊时，以角焊根部作为计算支点。（2）L不应大于2000，如炉胆两端均为扳边连接，L可放大至3000。1n：炉胆强度安全系数，按表8选取。12eLtR：计算温度时的屈服强度，按GB/T16508.2附录B表B.12n：炉胆稳定安全系数，按表8。tE：材料的弹性模量，按表9。6、锥形炉胆厚度计算锥形炉胆实质上与平直炉胆没有区别，因此厚度计算方法与平直炉胆完全相同。见图13，图13画的是立式锅炉，标准用此图表示锥形炉胆。从图中可以看出，炉胆大端连接下脚圈，小端连接炉胆顶。厚度计算公式采用平直炉胆公式，iD按以下计算：2iiiDDDiD：小端内径iD：大端内径7、波形炉胆厚度计算波形炉胆在轴向能吸收较大热变形，而且径向刚性也比平直