Нормы расчета на прочность стационарных котлов и трубопроводов пара и горячей воды (стр. 14 )

Нормы устанавливают методы расчета трубных решеток, жаровых труб, огневых поворотных камер, дымогарных труб, днищ, деталей укрепления при проектировании новых котлов; они могут быть использованы для проведения поверочных расчетов элементов котлов, находящихся в эксплуатации, а также для оценки их долговечности при переменных режимах работы.

В нормах учитывается действие двух основных нагружающих факторов: внутреннего давления среды в межтрубном пространстве и различных температурных расширений деталей котла. Для трубных решеток толщиной до 30 мм температурные напряжения могут не учитываться.

6.1.2. Основой расчета является оценка прочности по следующим предельным состояниям:

разрушение (вязкое и хрупкое);

появление микротрещин при циклическом нагружении.

6.1.3. Все формулы для расчета основаны на гипотезе о линейно-упругом деформировании металла. Вследствие этого напряжения, превышающие по величине предел упругости и текучести материала, являются условно-упругими.

6.1.4. Расстояния между укрепляющими элементами трубной решетки (рисунок 6.1) устанавливаются с учетом двух основных нагружающих факторов:

действия внутреннего давления на неукрепленные участки плоской стенки трубной решетки;

усилия изгиба от разности температурных удлинений соседних труб или других элементов.

Рисунок 6.1

1 - угловая связь; 2 - анкерная тяга; 3 - жаровая труба; 4 - дымогарные трубы; 5 - обечайка корпуса

6.1.5. Расчетные формулы, связывающие максимальные напряжения в зоне просветов а, b, e, h, c, g (см. рисунок 6.1) с толщиной трубной решетки, с размерами указанных просветов и с температурными смещениями, получены на основании следующей упрощенной расчетной схемы: кольцевая пластина жестко защемлена по наружному и внутреннему контурам и испытывает относительное смещение кромок от температурных расширений соответствующих продольных связей на величину w.

6.2. Условные обозначения

6.2.1. Основные обозначения параметров, используемых при расчете на прочность (расчетное давление, допускаемое напряжение, номинальная толщина стенки, прибавки к расчетной толщине), указаны в подразделе 1.1 Норм.

6.2.2. Просветы - это наименьшие расстояния между укрепляющими элементами трубной решетки (см. рисунок 6.1); их обозначения представлены в таблице 6.1.

Таблица 6.1.

Символ	Название	Единица измерения
а	Просвет между жаровой трубой и обечайкой корпуса	мм
b	Просвет между жаровой трубой и наружной поверхностью наиболее близко расположенной к ней дымогарной трубы	мм
c	Просвет между обечайкой корпуса и наружной поверхностью наиболее близко расположенной к ней дымогарной трубы	мм
d	Просвет между жаровой трубой и краем угловой связи	мм
g	Просвет между дымогарными трубами и краем угловой связи	мм
h	Минимальное расстояние между наружной окружностью анкерной тяги в плане и ближайшей подкрепляющей деталью	мм

6.2.3. Обозначения параметров расчетной кольцевой пластины представлены в таблице 6.2.

Таблица 6.2

Символ	Название	Единица измерения
r0	Внутренний радиус расчетной кольцевой пластины	мм
r1	Наружный радиус расчетной кольцевой пластины	мм
s	Толщина расчетной кольцевой пластины, равная номинальной толщине стенки трубной решетки	мм
A	Безразмерный коэффициент заделки расчетной кольцевой пластины, применяемый при расчете на температурные расширения связей	мм

6.2.4. Обозначения расчетной нагрузки и деформации, а также физические константы металла рассматриваемых элементов представлены в таблице 6.3.

Таблица 6.3

Символ	Название	Единица измерения
p	Расчетное давление, равное давлению среды в межтрубном пространстве	МПа
w	Смещение внутренней кромки расчетной пластины относительно ее наружной кромки при температурных расширениях продольных связей, соответствующих этим кромкам	мм
Et	Модуль продольной упругости при расчетной температуре	МПа
m	Модуль поперечной упругости
[s]	Номинальное допускаемое напряжение при расчетной температуре	МПа

6.3. Расчетная температура

6.3.1. Область применения

6.3.1.1. Температура металла трубной решетки и связей определяется на основании уравнений теплопередачи и данных теплового расчета котла, который производится в соответствии с нормами теплового расчета.

6.3.1.2. Формулы и графики для определения средних и максимальных температур металла трубной решетки получены для труб Da´s=32´3 и 50´3 мм с разбивкой отверстий по треугольнику. Для других диаметров вводится поправочный коэффициент на диаметр труб.

6.3.1.3. Расчетная и максимальная температуры металла трубной решетки определяются для безнакипного режима работы котла.

При наличии накипи вычисленные согласно п. 6.3.4 значения температур должны быть увеличены на 40%.

6.3.1.4. Расчетная и максимальная температуры металла труб поверхностей нагрева определяются с учетом накипи согласно подразделу 6.3.3.

6.3.2. Условные обозначения

При определении температурного состояния плоских днищ используются следующие параметры, представленные в таблице 6.4.

Таблица 6.4

Символ	Название	Единица измерения
Da	Наружный диаметр трубы	мм
Bi	Критерий Био	-
Kd	Поправочный коэффициент на диаметр трубы	-
Кt	Поправочный коэффициент, учитывающий шаг между трубами	-
a2	Коэффициент теплоотдачи	Вт/(м2×К)
b	Отношение наружного диаметра трубы к внутреннему диаметру	-
lt	Коэффициент теплопроводности	Вт/(м×К)
lq	Коэффициент теплопроводности накипи	Вт/(м×К)
q	Безразмерная температура	-
s	Толщина стенки трубы	мм
sq	Толщина накипи	мм
q	Средний тепловой поток через рассматриваемую поверхность нагрева	Вт/м2
ts	Температура насыщения	°С

6.3.3. Температура металла труб поверхностей нагрева

6.3.3.1. За расчетную температуру принимается средняя температура стенки трубы.

6.3.3.2. Расчетная температура стенки трубы определяется по формуле

где q и a2 определяются из теплового расчета котла;

lq=1,163 Вт/(м×К);

sq=0,5 мм (при нормальных условиях эксплуатации);

sq=1,5 мм ( при нарушении нормальных условий эксплуатации).

6.3.3.3. Максимальная температура стенки трубы

6.3.3.4. Температура металла корпуса и сплошных анкерных тяг принимается равной температуре насыщения.

6.3.4. Температура металла трубной решетки

6.3.4.1. За расчетную температуру металла трубной решетки принимается среднеарифметическое значение температур наружной и внутренней поверхностей плоского днища.

6.3.4.2. Расчетная температура tрl трубной решетки определяется по формуле

где Кd=1 - для труб диаметром Da=32 мм;

Kd=0,875 - для труб диаметром Da=50 мм;

Кd=0,8 - для труб диаметром Da=60 мм.

Величины Кt и qm определяются по рисункам 6.2 и 6.3.

Критерий Био для трубной решетки определяется по формуле

Критерий Био для трубы определяется по формуле

Рисунок 6.2

Рисунок 6.3

6.3.4.3. Внутренняя поверхность трубы в сечении входа газов имеет максимальную температуру.

6.3.4.4. Максимальная температура трубной решетки равна

где значение  находим по рисунку 6.4.

6.3.4.5. При наличии изоляции расчет средней температуры и максимальной температуры tp/maxпроизводится согласно пп. 6.3.4.2 и 6.3.4.4, в которых  и  определяются по рисункам 6.3 и 6.4 при Bipl=0.

6.3.4.6. При наличии выступающих в газовый объем концов труб высотой h максимальная температура трубной решетки определяется по формуле

где  находим по рисунку 6.5; Кd, Кt определяются согласно п. 6.3.4.2.

Рисунок 6.4

Рисунок 6.5

6.3.4.7. Расчетная температура  трубной решетки при наличии выступающих в газовый объем концов труб определяется по формуле

где  находим по рисунку 6.6.

Рисунок 6.6

6.3.4.8. Максимальные температуры стенок, вычисленные согласно пп. 6.3.3.3, 6.3.4.4, 6.3.4.6, сравниваются с предельно допустимой температурой для выбранной марки стали, установленной "Правилами устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов".

6.3.5. Температура металла жаровой трубы и огневой поворотной камеры

6.3.5.1. За расчетную температуру принимается средняя температура стенки, вычисляемая по следующим приближенным формулам:

для гладких жаровых труб t=ts+4s+30°С,

для волнистых жаровых труб t=ts+5s+30°С,

для огневой поворотной камеры t=ts+3s+20°С.

В топках, работающих на газообразном или жидком топливе, не допускается превышать тепловую нагрузку жаровой трубы:

теплонапряжение сечения топки qF=250 кВт/м2;

теплонапряжение топочного объема qv=1000 кВт/м3.

6.3.5.2. Вычисленные согласно подразделам 6.3.3, 6.3.4 и 6.3.5 расчетные температуры металла труб и трубной решетки используются для определения допускаемого напряжения [s] согласно разделу 2 Норм.

6.4. Выбор основных размеров трубной решетки, днищ, обечаек и труб

6.4.1. Условные обозначения

6.4.1.1. В формулах для расчета трубных решеток приняты обозначения, представленные в таблице 6.5.

Таблица 6.5

Символ	Название	Единица измерения
DF	Внутренний диаметр жаровой трубы (для конической трубы - средний внутренний диаметр, для волнистой трубы - наименьший внутренний диаметр)	мм
DFa	Наружный диаметр жаровой трубы	мм
D	Внутренний диаметр корпуса или отбортовки днища	мм
LF	Длина жаровой трубы или расстояние между соседними кольцами жесткости	мм
R	Внутренний радиус сферической части днища	мм
l1	Расстояние между центрами соседних связей в одном ряду	мм
l2	Расстояние между рядами связей	мм
t1, t2	Расстояние между центрами связей при неравномерном их расположении	мм
d0	Диаметр наибольшей окружности, которая может быть вписана касательно к расположенным на стенке креплениям	мм
d	Диаметр отверстия в трубной, решетке для анкерной связи или анкерной трубы	мм
c	Прибавка к расчетной толщине стенки	мм
t0max, t1max	Максимальная для данного режима работы котла средняя по длине и толщине стенки температура металла продольных связей, соответствующих внутренней и наружной кромкам расчетной кольцевой пластины	°С
a0, a1	Коэффициент линейного расширения металла этих же продольных связей в диапазоне температуры 20°С - tmax	1/°С
L	Расчетная длина продольных связей, равная половине расстояния между трубными решетками	мм
tpl	Средняя температура металла трубной решетки	°С
sВ	Изгибное напряжение в трубной решетке	МПа

6.4.2. Расчет плоских стенок и трубной решетки