Расчет прочности основных элементов парового котла

Конструктивные расчеты деталей судовых котлов на проч­ность выполняют по Правилам Регистра СССР. В данном параграфе рассмотрен расчет прочности только элементов водо­трубных котлов: пароводяных и водяных коллекторов (цилин­дрическая часть и днище), коллекторов экранов и паропере­гревателей, цилиндрических камер водяных экономайзеров и утилизационных котлов, а также труб поверхностей нагрева котла.

Перечисленные элементы существенно различаются прежде всего температурным режимом металла во время эксплуатации. При расчете на прочность условия работы учитывают соответ­ствующим выбором материала, допускаемых напряжений, коэф­фициентов запаса прочности.

Прочностной расчет состоит из следующих этапов:

1) определение наибольшей рабочей температуры расчетного элемента котла;

2) выбор марки материала по рабочей температуре с учетом остальных условий работы элемента (см. § 6.1);

3) расчет конструктивных размеров элемента по формулам, приводимым в Правилах Регистра СССР с учетом допускаемых напряжений и коэффициентов запаса прочности, регламентируе­мых Регистром СССР.

За рабочую расчетную температуру, для которой выбирают механические характеристики, принимают среднюю по толщине стенки температуру металла. Значения расчетной температуры стенки для основных элементов котла следующие:

– для пароводяных и водяных коллекторов, камер экономай­зеров и утилизационных котлов, парообразующих труб, защищенных от непосредственного воздействия теплового излучения, + 30°С;

– для труб, подверженных воздействию потока излучения, + 50°С;

– для коллекторов пароперегревателя, вынесенных за пре­делы газохода при номинальной температуре перегретого пара меньше 450°С, + 25°С;

– для коллекторов и труб, омываемых газовым потоком, + 35°С;

– при температуре перегретого пара свыше 450°С + 50°С.

В этих формулах – средняя температура среды в эле­менте котла и температура перегретого пара на выходе из паро­перегревателя. Используя значение и зная условия эксплуа­тации расчетного элемента котла, в соответствии с рекоменда­циями Правил Регистра СССР осуществляют выбор марки материала.

Расчет прочности труб и цилиндрической части коллекторов котла сводится к определению толщин их стенок . Толщину стенки труб поверхностей нагрева рассчитывают по наружному диаметру , известному из теплового расчета, а толщину кол­лекторов (например, пароводяного, водяного, коллекторов паро­перегревателя) – по внутреннему :

или ,

где		–	расчетное внутреннее давление, МПа;
		–	допускаемое напряжение в стенке, МПа;
		–	коэффициент прочности;
		–	прибавка к расчетной толщине стенки, мм.

За расчетное внутреннее давление принимают его наи­большее значение, возможное в условиях эксплуатации котла. Для пароводяных и водяных коллекторов расчетное внутреннее давление – это давление, на которое установлены предохра­нительные клапаны, то есть = 1,05 , где – давление в паро­водяном коллекторе при максимальной паропроизводительности. То же значение используют при расчете пароперегревателя, так как при внезапной остановке главного двигателя отвод пара из котла прекращается и давление в пароперегревателе становится равным . Расчетное давление для коллекторов экономайзеров равно

,

где

–

гидравлическое сопротивление водяного экономайзера.

Допускаемое напряжение определяется по формуле

,

где		–	характеристика прочности, зависящая от расчетной температуры стенки и условий эксплуатации элемента котла, МПа;
		–	коэффициент запаса прочности, регламентируемый Регистром СССР.

В качестве принимают: (предел текучести материала при = 20°С) при < 120°С; (то же при ) при = 120 ÷ 350°С; меньшее из величин и (предел дли­тельной прочности при ) при > 350°С.

Коэффициент запаса прочности при или деталей из углеродистых, низко- и высоколегированных сталей, для которых отношение не превышает соответственно 0,65; 0,70 и 0,75, принимают = 1,7.

Для сталей, не имеющих явно выраженной площадки теку­чести, при < 350°С допускаемое напряжение можно опреде­лить по формуле

.

Коэффициент прочности учитывает ослабление прочности стенки сварными соединениями или отверстиями. Для бесшовных

Рис. Размещение отверстий в трубных решетках коллекторов: а, б – коридорное строение; в – шахматное строение

цилиндрических стенок, не ослабленных сварными соедине­ниями или отверстиями, принимают = 1. Коэффициент проч­ности сварных соединений выбирают в зависимости от конструк­ции соединения и способа сварки, его значение может быть в пределах = 0,5 ÷ 0,9.

Ослабление стенок коллекторов равномерно размещенными отиерстиями одинакового диаметра (Рис. 6.3) учитывают с по­мощью коэффициентов прочности , зависящих от строения, диаметра и шага отверстий в его трубной решетке

.

Индекс характеризует направление, в котором учитывают ослабление стенки коллектора. При продольном направлении (вдоль оси коллектора) = 1; = 1; при поперечном направ­лении = 2, = 2. Для шахматного строения (диагональное направление) = 3,

, .

Если изменяется в диапазоне от 0,5 до 5, то = 1,0 ÷ 1,76. В расчетную формулу для определения толщины стенки подставляют наименьшее значение .

При расположении отверстий в сварных швах берут рав­ным произведению коэффициента прочности сварного соедине­ния и коэффициента ослабления отверстиями.

Прибавка С к толщине стенки, учитывающая влияние кор­розии, должна быть С 1 мм при 30 мм и С = 0 при > 30 мм.

Если коллекторы изготовляют из двух частей (обечайки и трубной решетки), соединенных продольными сварными швами, то расчет каждой части проводят отдельно.

Для расчета толщины стенки днища коллектора (Рис. 6.4) ис­пользуется зависимость

,

где		–	наружный диаметр днища, мм;
		–	коэффициент формы, зависящий от конструкции геометрических размеров днища (для типовых эллиптических днищ = 1,8 ÷ 6,5; для сферических днищ = 1,1 ÷ 4,35);
		–	коэффициент прочности;
		–	диаметр отверстий в днище.

Рис. 6.4. Эллиптическое днище коллектора с двумя отверстиями

Остальные обозначения те же, что и в формуле для расчета толщины обе­чайки коллектора. Формула для расчета толщины стенки днища справедлива в следующем диапазоне изменения его геометриче­ских размеров: > 0,18; 0,1; 0,003; ; (см. рис. 6.4). Одним из ответственных эле­ментов котла является узел крепления труб в трубных решетках коллекторов. При использовании вальцовочных соединений этот узел проверяют на прочность закрепления труб в трубных ре­шетках, пользуясь формулой

,

где		–	удельная осевая нагрузка (для соединений гладких труб = 15 МПа, для соединений с уплотнительными канавками и для соединений с отбортовкой труб = 40 МПа);
		–	толщина стенки трубы, мм;
		–	длина вальцовочного пояска, мм;
		–	наибольшая площадь поверхности стенки трубной решетки, которая прихо­дится на одну трубу, мм2.

При размещении отверстий в трубных решетках необходимо следить, чтобы «мостики» между отверстиями были не меньше предельных, величина которых обеспечивает отсутствие дефор­мации соседних отверстий при вальцевании труб. При диаметре трубы 32 мм размер мостика должен быть не меньше 13 мм, если 32 мм, то должно соблюдаться условие 1,4 ( = 1, 2, 3).