锅炉压力容器受压元件的“升压”与“承压能力”是两回事,“升压”取决于介质获得能量与改变参数的方式和途径,“承压能力”则取决于元件的质量和性能。“升压、受压”的元件不一定具有“承压能力”。
锅炉压力容器受压元件的承压能力,是指元件承受介质压力载荷而不破坏的能力,即元件的强度。可用元件的许用压力[p]表示。下面以圆筒壳为例,说明受压元件承压能力的大小及其主要影响因素。
一、 圆筒壳的许用压力
对圆筒壳,许用压力[p]=2[σ]Sy/(Dn+Sy)
或[p]=2[σ]Sy/(Dw-Sy)
式中:[p]——圆筒壳许用压力,单位为MPa;
Dn、Dw——圆筒壳的内直径及外直径,单位为mm;
[σ]——圆筒壳钢材在使用温度下的许用应力,单位为MPa;
Sy——圆筒壳的有效壁厚,单位为mm。Sy=S-C,S是圆筒壳的
实际壁厚,C是考虑腐蚀裕量等因素决定的附加壁厚,因而Sy是有效承压壁厚。圆筒壳的壁厚不超过20mm时,通常取C=1mm。
(Dn+Sy)与(Dw-Sy)是等量的,均表示圆筒壳的平均直径,即平分壁厚的圆周对应的直径。
锅炉锅筒、集箱等圆筒壳,常有开孔、焊缝等降低强度的薄弱环节存在。在计算有开孔或焊缝圆筒壳的承压能力时,可用减弱系数表示开孔、焊缝对圆筒壳强度减弱的程度。由于圆筒壳的开孔、焊缝不止一处,因而用减弱最严重处相应的最小减弱系数计算圆筒壳的许用压力:
[p]=2[σ]Syφmin/(Dy+SY)
或[p]=2[σ]Syφmin/(Dw-Sy)式中φmin为最小减弱系数,其计算从略。
二、 许用压力的主要影响因素
1.钢材 不同的钢材在相同的使用条件下体现不同的强度、塑性、韧性及其他性能特点。材料强度是元件强度的基础,用不同强度的材料制成相同形状与尺寸的元件,其许用压力也不相同。
材料的抗拉强度及屈服点越高,材料的许用应力越高,制成元件的许用压力也越高,反之亦然。由于锅炉压力容器使用条件恶劣,对钢材有特殊要求,在锅炉压力容器的修理、改造中不得用普通钢材取代锅炉压力容器钢材。
2.使用温度 钢材的抗拉强度和屈服点随温度的升高而下降,相应地,钢材的许用应力也随温度的升高而下降,同样制成元件的强度及承压能力随温度的升高而下降。因而不能将常温容器改作锅炉部件,也应防止缺水、结垢及其他非正常工况使部件温度升高。
3.结构形状和尺寸 不同形状的结构承受同样压力后,其壁面内应力的大小和分布不同。在其他条件相同时,球壳受压后应力最小,分布最均匀。因而球壳强度最好,圆筒壳、椭球壳较好,而平封头较差。
对回转壳体,直径越小,壁厚越大,则承压能力及强度越好,反之越差。在使用中需要关注壁厚因腐蚀、磨损造成的减薄。
4.制造和安装质量 制造和安装质量不仅影响结构的形状、尺寸,而且影响结构的组织和性能。特别是焊接质量,在很大程度上影响焊接接头的结构、组织、性能、应力水平与完好程度,从而影响元件及部件强度。对锅炉压力容器结构的焊接,必须严格控制、严格检验,防范和避免缺陷。
5.开孔 由于开孔破坏了结构的连续,减少了结构的承载面积,因而会降低部件结构强度,其降低程度取决于开孔孔径、孔距及开孔数量。对锅炉压力容器上开孔必须慎重处理。孔径不应过大,开孔分布应尽量均匀,不应在焊缝及结构形状变化部位开孔。
在修理、改造设备时不应随意在设备上添加开孔。