锅壳锅炉讲义分解.docx
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锅壳锅炉讲义分解
GB/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)
1、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:
集箱筒体计算厚度:
:
计算厚度
:
计算压力
:
筒体内径
:
筒体外径
:
最小减弱系数
:
许用应力
2.1计算压力
:
计算压力
:
工作压力
:
设计附加压力
2.2工作压力
:
工作压力
:
额定压力
:
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
:
元件所受液柱静压力,不大于0.03时,取等于零。
2.3设计附加压力
标准第4条“符号和单位”中,给出“—设计附加压力(安全阀整定压力)”,标准的第1号勘误表改为—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的确定方法,经向标准编写人咨询,取为安全阀较低整定压力与额定压力之差,与GB/T16507.4的规定不一致。
2.4最小减弱系数
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(当>1时,取)及斜向孔桥当量减弱系数(当>1时,取=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
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,就是GB/T16507.4中的临界节距。
:
相邻两孔直径的平均值,
:
名义厚度
2.6.2未补强孔最大允许直径
未补强孔最大允许直径,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,就是GB/T16507.4中的筒体结构特性系数,计算公式是相同的。
对于锅壳筒体:
对于集箱筒体:
:
有效厚度
当≤0.4时,需要补强的孔已得到自身补强,无需另行补强。
当>0.4时,未补强孔的直径不应大于按图50确定的未补强孔的最大允许直径,且最大为200mm。
如为椭圆孔,取筒体纵截面上的尺寸。
当未补强孔的直径大于按图50确定的未补强孔的最大允许直径时,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,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
:
纵向相邻两孔的节距
2.6.4横向孔桥减弱系数
:
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
:
斜向孔桥换算系数
:
斜向孔桥两孔间在筒体轴线方向上的距离
:
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
:
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,公式中的以当量直径代入,其计算方法与GB/T16507.4相同,此处不再详述。
2.7许用应力
:
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。
:
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。
确定时,需首先确定计算温度,按表4选取,表中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、、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
:
腐蚀裕量,一般取=0.5,>20mm时,取=0
:
制造减薄量,锅壳筒体:
冷卷冷校时,=0;冷卷热校时,=1mm;热卷热校时,=2mm。
钢管制成的直集箱筒体:
=0
:
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:
,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≤2.5MPa的限定,本标准无此限定。
4.2不绝热集箱最大允许厚度
>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。
≤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式计算的和中的较大值。
强度公式:
稳定公式:
:
设计厚度
:
炉胆平均直径
:
炉胆圆度百分率,一般取
:
炉胆外径
:
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,以扳边起点作为的计算支点即的起算点。
;若是坡口型角焊时,以角焊根部作为计算支点。
(2)不应大于2000,如炉胆两端均为扳边连接,可放大至3000。
:
炉胆强度安全系数,按表8选取。
:
计算温度时的屈服强度,按GB/T16508.2附录B表B.1
:
炉胆稳定安全系数,按表8。
:
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,按以下计算:
:
小端内径
:
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炉胆大,故其稳定性比平直炉胆大,在一定的波纹高度条件下,采用只考虑强度的简化计算公式。
我公司卧式内燃锅炉采用波形与锥形组合炉胆,波形部分的设计厚度按上式计算,锥形部分的厚度按平直炉胆厚度公式计算,其计算长度取最边缘一节波纹的中心线至计算支点之间的距离。
(图16)同时,由于与锥形炉胆相邻一节的波纹受载荷较大,故要求最边缘一节波纹的惯性矩满足下式:
≥
常用波纹如图14所示,其惯性矩可查表10。
:
所需要的惯性矩
:
见图16,
:
波纹节距
:
波形炉胆平直部分的平均直径
8、炉胆结构要求
炉胆除了要求名义厚度不小于设计厚度,波形与
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