锅筒和圆筒形集箱强度计算

    16.3.3　锅筒和圆筒形集箱强度计算

    锅筒和圆筒形集箱也属于圆筒形元件，但与钢管不同的是，锅筒和集箱上一般都开设大量的管孔，同时还有环向和纵向焊缝。开孔和焊缝都会削弱筒体的强度，因而在强度计算中必须予以充分的考虑。在焊缝及其周围，由于焊接缺陷等原因，材料的强度一般低于母材，许用应力降为h^［σ］，h称为焊缝减弱系数，在现代焊接技术条件下h≤0.75～1.0。因此有焊缝减弱的筒体强度条件变为

    

    

    

    图16.8　临界节距示意图

    开孔对强度的影响不但与孔的大小有关，而且与孔之间的节距及孔排列方向有关。当两孔之间的节距较大时，孔边应力互不影响，开孔的影响仅限于孔的周围，可以采用局部加强的方法降低孔边应力。当两孔之间的节距较小时，孔边应力互相影响，相互叠加，开孔的影响范围扩大到两孔之间的整个区域，只有通过增加筒体的壁厚才能减低筒体内的应力。因此在强度计算中将筒体上的孔划分成单孔和孔排，单孔只需进行局部加强，而孔排一般需要通过增加整个筒体的壁厚来满足强度条件。

    5.单孔、孔排和孔桥

    如图16.8所示，筒体上两孔之间不构成孔排的临界节距为

    

    式中：D_p为筒体的平均直径，S为筒体的壁厚。依据t₀，可分别给出单孔、孔排和孔桥的定义：

    单孔：相邻两孔之间的节距t≥t₀的孔。

    孔排：相邻两孔之间的节距t＜t₀的孔。

    孔桥：构成孔排的两相邻孔之间的地带。由于孔边高应力的相互叠加及锅炉钢材的特性，孔桥上的应力近似呈均匀分布。

    6.孔桥减弱系数

    孔桥减弱系数的定义为，在一个节距内开孔后的应力承载截面积与开孔前的截面积之比。由于筒体上的两向应力不对称，所以不同方位的孔桥对强度有不同的影响。根据孔桥的方位可以把孔桥分为三种：纵向孔桥，横向孔桥和斜向孔桥。图16.9～图16.11分别是3种孔桥的示意图，式（16.32）～式（16.34）是减弱系数的计算式。

    

    

    图16.9　纵向孔桥

    

    

    图16.10　横向孔桥

    

    

    图16.11　斜向孔桥

    

    式中：t为纵向孔桥的节距，t′为横向孔桥以平均直径计算的节距，t″为以平均直径计算的斜向节距，S为壁厚，d为开孔直径，当孔桥上两孔直径不相同时，d取两者的平均值。

    7.孔桥强度

    由于孔桥上的应力呈均匀分布，因此根据孔桥减弱系数的定义可以分别导出孔桥上当量应力计算式

    

    式中k为斜向孔桥减弱系数折算系数，其大小取决于斜向孔桥的方位，按下式计算

    

    其中n＝b/a。通过引入当量孔桥减弱系数可以将式（16.35）～（16.37）统一为一个计算式

    

    

    8.锅筒和圆筒形集箱的强度计算式

    由式（16.30）和式（16.39）可以导出锅筒和圆筒形集箱的强度计算式

    

    式中：为筒体上包括焊缝减弱系数在内的最小当量减弱系数；p为计算压力，MPa；D_n为锅筒内径，mm；D_w为集箱外径，mm；S_y为筒体的有效壁厚，mm。

    锅筒与集箱的计算式差别在于，锅筒直径以内径为标准系列，计算时内径为已知参数，而集箱则以外径为标准系列，计算时外径为已知参数。集箱的附加壁厚计算式与钢管相同，在进行设计和校核计算时分别应用式（16.19）、（16.20）和（16.23），环形集箱的计算方法同弯头。

    锅筒的附加壁厚计算式，对于水管锅炉仍采用式（16.19），C₁一般仍取0.5mm；C₂包括钢板的厚度负偏差和锅筒制造工艺减薄量，当壁厚小于20mm时，负偏差取0.5mm，当壁厚超过20mm时，忽略负偏差；工艺减薄量与锅筒的制造工艺有关，采用冷卷冷校工艺时，减薄量为零，冷卷热校，取为1mm，采用热卷工艺时，对于中压锅炉减薄量取为3mm，对于高压或超高压锅炉取减薄量为4mm。

    对于锅壳锅炉，锅壳的C₁一般也取0.5mm；而C₂被拆分成C₂和C₃，C₂专用于考虑钢板负偏差，按有关材料的冶金标准取值；C₃专用于考虑工艺减薄，当采用冷卷冷校工艺时，减薄量也取零，冷卷后热校的锅壳，C₃＝1mm，热卷后热校的锅壳，C₃＝2mm。

    

    

    图16.12　凸形封头的应力状态