鍋爐壓力容器受壓元件的“升壓”與“承壓能力”是兩回事,“升壓”取決于介質獲得能量與改變參數的方式和途徑,“承壓能力”則取決于元件的質量和性能。“升壓、受壓”的元件不一定具有“承壓能力”。
鍋爐壓力容器受壓元件的承壓能力,是指元件承受介質壓力載荷而不破壞的能力,即元件的強度。可用元件的許用壓力[p]表示。下面以圓筒殼為例,說明受壓元件承壓能力的大小及其主要影響因素。
一、 圓筒殼的許用壓力
對圓筒殼,許用壓力[p]=2[σ]Sy/(Dn+Sy)
或[p]=2[σ]Sy/(Dw-Sy)
式中:[p]——圓筒殼許用壓力,單位為MPa;
Dn、Dw——圓筒殼的內直徑及外直徑,單位為mm;
[σ]——圓筒殼鋼材在使用溫度下的許用應力,單位為MPa;
Sy——圓筒殼的有效壁厚,單位為mm。Sy=S-C,S是圓筒殼的
實際壁厚,C是考慮腐蝕裕量等因素決定的附加壁厚,因而Sy是有效承壓壁厚。圓筒殼的壁厚不超過20mm時,通常取C=1mm。
(Dn+Sy)與(Dw-Sy)是等量的,均表示圓筒殼的平均直徑,即平分壁厚的圓周對應的直徑。
鍋爐鍋筒、集箱等圓筒殼,常有開孔、焊縫等降低強度的薄弱環節存在。在計算有開孔或焊縫圓筒殼的承壓能力時,可用減弱系數表示開孔、焊縫對圓筒殼強度減弱的程度。由于圓筒殼的開孔、焊縫不止一處,因而用減弱最嚴重處相應的最小減弱系數計算圓筒殼的許用壓力:
[p]=2[σ]Syφmin/(Dy+SY)
或[p]=2[σ]Syφmin/(Dw-Sy)式中φmin為最小減弱系數,其計算從略。
二、 許用壓力的主要影響因素
1.鋼材 不同的鋼材在相同的使用條件下體現不同的強度、塑性、韌性及其他性能特點。材料強度是元件強度的基礎,用不同強度的材料制成相同形狀與尺寸的元件,其許用壓力也不相同。
材料的抗拉強度及屈服點越高,材料的許用應力越高,制成元件的許用壓力也越高,反之亦然。由于鍋爐壓力容器使用條件惡劣,對鋼材有特殊要求,在鍋爐壓力容器的修理、改造中不得用普通鋼材取代鍋爐壓力容器鋼材。
2.使用溫度 鋼材的抗拉強度和屈服點隨溫度的升高而下降,相應地,鋼材的許用應力也隨溫度的升高而下降,同樣制成元件的強度及承壓能力隨溫度的升高而下降。因而不能將常溫容器改作鍋爐部件,也應防止缺水、結垢及其他非正常工況使部件溫度升高。
3.結構形狀和尺寸 不同形狀的結構承受同樣壓力后,其壁面內應力的大小和分布不同。在其他條件相同時,球殼受壓后應力最小,分布最均勻。因而球殼強度最好,圓筒殼、橢球殼較好,而平封頭較差。
對回轉殼體,直徑越小,壁厚越大,則承壓能力及強度越好,反之越差。在使用中需要關注壁厚因腐蝕、磨損造成的減薄。
4.制造和安裝質量 制造和安裝質量不僅影響結構的形狀、尺寸,而且影響結構的組織和性能。特別是焊接質量,在很大程度上影響焊接接頭的結構、組織、性能、應力水平與完好程度,從而影響元件及部件強度。對鍋爐壓力容器結構的焊接,必須嚴格控制、嚴格檢驗,防范和避免缺陷。
5.開孔 由于開孔破壞了結構的連續,減少了結構的承載面積,因而會降低部件結構強度,其降低程度取決于開孔孔徑、孔距及開孔數量。對鍋爐壓力容器上開孔必須慎重處理。孔徑不應過大,開孔分布應盡量均勻,不應在焊縫及結構形狀變化部位開孔。
在修理、改造設備時不應隨意在設備上添加開孔。