КОТЛЫ СТАЦИОНАРНЫЕ ГАЗОТРУБНЫЕ.
РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ

(РТМ 108.031.111-80)

Руководящий технический материал (РТМ) устанавливает единые методы расчета на прочность деталей жаротрубных и газотрубных котлов.

РТМ распространяется на горизонтальные и вертикальные конструкции котлов с двумя фиксированными трубными решетками, в которых имеются жаровые трубы, жаровые и газовые трубы одновременно или газовые трубы, по которым проходят продукты сгорания топлива или отходящие газы химического, металлургического и других производств.

РТМ устанавливает методы расчета трубных решеток, жаровых и дымогарных труб, днищ, деталей укрепления при проектировании новых котлов, а также может быть использован для проведения поверочных расчетов элементов котлов, находящихся в эксплуатации. Указания по определению напряженного состояния основных элементов котла, приведенные в настоящем РТМ, ОСТ 108.031.08-85 - ОСТ 108.031.10-85, позволяют оценить его долговечность при переменных режимах работы.

РТМ учитывает 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.

Расчетная методика не учитывает влияния коррозионной среды.

РТМ обязателен для предприятий и организаций отрасли.

1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1.1. Условные обозначения.

1.1.1. Основные обозначения параметров, используемых при расчете на прочность (расчетное давление, расчетная температура, допускаемое напряжение, номинальная толщина стенки и прибавки к расчетной толщине), принимаются согласно ОСТ 108.031.08-85 - ОСТ 108.031.10-85.

1.1.2. Просветы - наименьшие расстояния между укрепляющими элементами трубной решетки (черт. 1-3) - обозначаются буквами:

а - между жаровой трубой и обечайкой корпуса, мм;

b - между жаровой трубой и наружной поверхностью наиболее близко расположенной к ней дымогарной трубы, мм;

с - между обечайкой корпуса и наружной поверхностью наиболее близко расположенной к ней дымогарной трубы, мм;

е - между жаровой трубой и краем угловой связи, мм;

g - между дымогарными трубами и краем угловой связи, мм;

h - минимальное расстояние между наружной окружностью анкерной тяги в плане и ближайшей подкрепляющей деталью, мм.

1.1.3. Параметры расчетной кольцевой пластины:

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;

Черт. 1.

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

Черт. 2

0, 1 - индексы, обозначающие соответственно внутреннюю и наружную кромки пластины.

Черт. 3.

1.1.4. Расчетная нагрузка и деформация:

р - 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.

1.1.5. физические константы металла трубной решетки и связей:

Е^t - модуль продольной упругости при расчетной температуре, МПа;

m - модуль поперечной упругости;

[s] - номинальное допускаемое напряжение при расчетной температуре, МПа.

1.2. Основные принципы расчета.

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

разрушение (вязкое и хрупкое);

появление микротрещин при циклическом нагружении.

1.2.2. 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.

1.2.3. Расстояния между укрепляющими элементами трубной решетки (см. черт. 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.

Указанные нагружающие факторы предъявляют противоречивые требования к размерам неукрепленных участков: первое требование обусловливает наибольшие допустимые размеры просветов, а второе - их наименьшую допустимую величину.

1.2.4. Расчетные формулы, связывающие максимальные напряжения в зоне просветов а, b, е, h (в случае гладкой жаровой трубы), с, g (см. черт. 1) с толщиной трубной решетки, размерами указанных просветов и температурными смещениями, получены на основании следующей упрощенной расчетной схемы: кольцевая пластина, построенная согласно черт. 1, жестко защемлена по наружному и внутреннему контурам и испытывает относительное смещение кромок от температурных расширений соответствующих продольных связей на величину w (см. черт. 2).

1.2.5. При определении величины просветов а и b (см. черт. 1) для волнистой жаровой трубы соответствующая расчетная кольцевая пластина считается свободной от закрепления по внутренней кромке, жестко защемленной по наружной кромке, и рассчитывается на действие давления среды. При определении просветов е и h для волнистой жаровой трубы расчетная пластина считается защемленной по внутренней кромке, свободной от закрепления по наружной кромке, и также рассчитывается на действие давления среды.

1.2.6. Коэффициент заделки A, введенный в расчетные формулы, учитывает реальные условия закрепления трубной решетки в зоне внутренней кромки расчетной пластины, где возникают максимальные напряжения при относительном смещении кромок пластины.

1.2.7. Напряжения в трубной решетке, возникающие от действия давления и температурных расширений продольных связей, относятся к категории местных изгибных напряжений. Приведенное напряжение равняется изгибному напряжению: s_np=s_в, так как s_пр=s₁-s₃, где s₁=s_в, s₃=0.

Допускаемое изгибное напряжение принимается равным [s_в]=1,5[s], что соответствует допускаемому числу циклов его возникновения не менее 10⁶ раз при максимальной температуре металла трубной решетки до 400°С для углеродистой стали и до 450°С - для легированной стали.

1.3. Назначение и последовательность расчетов на прочность.

1.3.1. При определении напряжения или при выборе основных размеров трубной решетки, влияющих на величину напряжения, должно выполняться условие s_в£1,5[s].

1.3.2. Если выполняется условие, указанное в п. 1.3.1, то поверочный расчет на усталость не требуется, так как обеспечивается не менее 10⁶ циклов нагружений.

Если это условие не выполняется и заданное число циклов нагружений за расчетный срок службы превышает 10³, то требуется поверочный расчет на усталость.

2. ВЫБОР ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ ТРУБНОЙ РЕШЕТКИ, ДНИЩ, ТРУБ И ОБЕЧАЕК

2.1. Условные обозначения.

2.1.1. В формулах для расчета трубных решеток приняты следующие обозначения:

t_{0 max}, t_{1 max} - 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-t_max, 1/°C;

L - расчетная длина продольных связей, равная половине расстояния между трубными решетками, мм;

t_pl - средняя температура металла трубной решетки, °С;

s_в - изгибное напряжение в трубной решетке, МПа.

Остальные обозначения принимаются согласно подразделу 1.1.

2.1.2. Условные обозначения для расчета жаровых и дымогарных труб и деталей укрепления:

D_F - внутренний диаметр жаровой трубы (для конической трубы - средний внутренний диаметр, для волнистой трубы - наименьший внутренний диаметр), мм;

D_Fa - наружный диаметр жаровой трубы, мм;

D - внутренний диаметр корпуса или отбортовки днища, мм;

L_F - 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 (черт. 4);

l₂ - расстояние между рядами связей, мм (см. черт. 4);

t_l, t₂ - расстояние между центрами связей при неравномерном их расположении, мм (черт. 5);

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;

с - прибавка к расчетной толщине стенки, мм (ОСТ 108.031.08-85).

Черт. 4.

Черт. 5.

2.2. Расчет плоских стенок и трубной решетки.

2.2.1. Номинальная толщина плоской стенки, укрепленной распорными болтами, связями, анкерными трубами или косынками, должна быть не менее определенной по одной из следующих формул:

при равномерном размещении анкерных болтов, связей или труб (см. черт. 4)

при неравномерном размещении анкерных болтов, связей или труб (см. черт. 5)

при укреплении плоской стенки угловыми или иного вида креплениями (черт. 6)

Коэффициент К принимается равным:

0,54 - если стенка укрепляется только при помощи анкерных труб, ввернутых без гайки;

0,49 - если стенка укрепляется связями, имеющими нарезной конец, ввернутый в стенку, или расклепанный конец;

0,45 - если распорные болты или связи ввернуты в стенку на резьбе и укреплены снаружи гайкой, а также в случае односторонней приварки болтов, связей или труб к стенке;

0,42 - если распорные болты или связи, ввернутые на резьбе, имеют снаружи гайку и шайбу толщиной не менее 2/3 толщины плоской стенки и наружным диаметром не менее 0,4 расстояния между центрами соседних связей, а также в случае двухсторонней приварки болтов, связей или труб к стенке;

0,39 - если распорные болты или связи, ввернутые на резьбе, имеют снаружи гайку и шайбу толщиной не менее 0,8 толщины укрепляемой стенки и наружным диаметром не менее 0,6 расстояния между центрами соседних связей;

0,36 - если распорные болты или связи, ввернутые на резьбе, имеют снаружи гайку и шайбу толщиной не менее толщины укрепляемой стенки и наружным диаметром не менее 0,8 расстояния между центрами соседних укреплений.

Если плоская стенка имеет разные виды укреплений, то толщина ее должна приниматься наибольшей из вычисленных для разного вида укреплений.

2.2.2. Прибавка к расчетной толщине стенки должна приниматься в соответствии с ОСТ 108.031.08-85.

2.2.3. При закреплении труб в трубной решетке с применением вальцовки толщина плоской стенки должна быть не менее определенной по формуле s= 0,125d+5 мм, но не менее 13 мм.

2.2.4. После выбора толщины стенки проверяются максимально и минимально допустимые размеры просветов согласно пп. 2.3 и 2.4.

Если значение просветов не соответствует установленным максимальным и минимальным значениям, то толщина стенки должна быть увеличена или уменьшена.

Черт. 6. А>5s; Б>s; В³2s

Черт. 7.

Черт. 8.

1 - для просветов а, b; 2-для просветов е, h (см. черт. 1)

2.3. Наибольшие допустимые размеры неукрепленных участков трубной решетки.

2.3.1. Диаметр наибольшей окружности, которая может быть вписана касательно к расположенным на трубной решетке связям, корпусу или трубам (черт. 7), должен удовлетворять условию

.

2.3.2. Размеры просветов (см. черт. 1) между волнистой жаровой трубой и корпусом о, дымогарными трубами b, угловой связью е или анкерной тягой h должны удовлетворять условию

а (или b, е, h).

2.3.2.1. Коэффициент К₁ при 0,1£ r₀/r₁<0,8 определяется по черт. 8 в зависимости от вида просвета (см. черт. 1).

При 0,8£r₀/r₁<1 коэффициент К₁ для просветов а, b, е и h равен 0,58.

2.3.2.2. В случае укрепления трубной решетки анкерной тягой как при волнистой, так и при гладкой жаровой трубе для просвета h должно выполняться условие (см. черт. 1)

,

где .

2.3.3. Расчет по п. 2.3.2 производится в зависимости от назначения расчета.

2.3.3.1. Если размеры а (или b, е, h), r₀ и r₁ заданы, то производится проверка выполнения условия п. 2.3.2.

2.3.3.2. В том случае, когда при проектировании новых котлов требуется определить наибольшие допустимые размеры указанных просветов, расчет по п. 2.3.2 ведется методом последовательных приближений.

При определении размеров а или b задается (или задано) значение r₀.

В первом приближении размер просвета а или b принимается равным

a⁽¹⁾ (или b⁽¹⁾).

Определяется наружный радиус в первом приближении

а⁽¹⁾ (или b⁽¹⁾).

По отношению  и графику на черт. 8 находят значения  и определяют размер просвета и радиус  во втором приближении:

a⁽²⁾ (или b⁽²⁾) ;

а⁽²⁾ (или b⁽²⁾).

По отношению  определяют новые значения , a⁽³⁾,  и т. д.

Для просветов е и h в первом приближении принимают

e⁽¹⁾ (или h⁽¹⁾);

и расчет производят последовательными приближениями аналогично предыдущему случаю, при этом задано значение r₁.

Радиусы  и , изображенные на черт. 1, определяются на основании величин просветов, найденных в каждом приближении:

e⁽¹⁾ (или h⁽¹⁾).

e⁽²⁾ (или h⁽²⁾) и т. д.

Процесс приближения быстро сходится.

2.3.3.3. Вместо последовательных приближений можно задаваться меньшими размерами просветов по сравнению с их первоначальными значениями и производить проверку согласно п. 2.3.2.

2.4. Наименьшее допустимое расстояние между укрепляющими деталями трубной решетки.

2.4.1. Для просветов а, b, е, h (гладкая жаровая труба), с, g (см. черт. 1) должно выполняться условие

,

где K₂ - коэффициент, зависящий от отношения r₀/r₁; при 0,1£r₀/r₁<0,8 определяется по черт. 9; при 0,8£r₀/r₁<1К₂ вычисляется по формуле

;

w - относительное смещение кромок расчетной кольцевой пластины, определяемое по формуле

где  - знак абсолютной величины.

2.4.1.1. Температуры t_{0 max}, t_{1 max}, t_pl определяются согласно разделу 6 настоящего РТМ.

Черт. 9.

Величины Е^t, a₀, a₁ определяют по графикам, приведенным в рекомендуемом приложении 1; Е^t берется для металла решетки при температуре t_pl; a₀ и a₁ определяются для металла продольных связей в интервале температур 20-t_{0 max} и 20-t_0 max соответственно.

2.4.1.2. Допускаемое напряжение [s] определяется для металла трубной решетки согласно ОСТ 108.031.08-85 при температуре t_pl.

2.4.1.3. При определении размеров просветов а, b, с, е, g, h следует выбрать положение условной кольцевой пластины для каждого случая. Указания по выбору радиуса внутренней кромки пластины r₀ приведены на черт. 1. Например, для просвета а внутренней кромке пластины соответствует гладкая жаровая труба, а наружной кромке пластины - обечайка корпуса, для просвета g - кромка косынки и дымогарные трубы соответственно и т. д.

2.4.1.4. Значения коэффициента A в зависимости от вида просвета принимаются: 0,80 для просветов а, b; 0,75 для просвета с; 1,50 для просветов е, g; 1,00 для просвета h.

2.4.2. При проектировании новых котлов минимально допустимые размеры просветов в первом приближении определяют по номограмме на черт. 10 в зависимости от аргумента  и толщины трубной решетки s (левая часть номограммы).

Черт. 10.

В правой части номограммы приведена зависимость между размерами просветов а, b, с, е, g, h и радиусами r₀, r₁.

Полученные размеры просветов уточняются по формуле

a_min(или b, c, e, g, h)_min=.

2.4.2.1. Коэффициент К, зависящий от отношения r₀/r₁ при 0,1£r₀/r₁<0,9 определяется по черт. 11.

При 0,9£r₀/r₁<1 коэффициент K₃=1,82.

Черт. 11

2.4.2.2. Остальные величины в формуле п. 2.4.2 определяются согласно п. 2.4.1.

2.4.2.3. После того как определены размеры просветов, определяют радиусы расчетной кольцевой пластины:

r₀=r₁-а (или b, с, е, g, h),

если задан наружный радиус;

r₀=r₁+a (или b, с, е, g, h),

если задан внутренний радиус.

2.4.2.4. Для полученных размеров расчетных пластин проверяется выполнение условия п. 2.4.1. Если это условие не выполняется, то размер просвета несколько увеличивают, определяют радиус расчетной кольцевой пластины согласно п. 2.4.2.3 и повторяют проверку.

2.4.3. Если условие п. 2.4.1 не выполняется, то производится расчет на малоцикловую усталость согласно разделу 4.

2.5. Толщина стенки выпуклых днищ.

2.5.1. Номинальная толщина стенки выпуклого днища жаротрубного котла должна быть не менее определенной по формуле

s=s_R+c,

где s=pR/[s].

Формула пригодна при соблюдении условия R=1,2D.

2.5.2. Величина прибавки с должна определяться по ОСТ 108.031.08-85.

Утонение стенки при штамповке днища не должно учитываться в том случае, если оно не превышает 5% расчетной толщины. В случае превышения расчетная толщина днища должна быть увеличена на разницу между фактической толщиной и пятипроцентным допускаемым утонением.

2.5.3. Толщина стенки, вычисленная по п. 2.5.1, должна округляться до ближайшего большего размера листа, имеющегося в стандарте на сортамент.

Во всех случаях номинальная толщина стенки днища должна приниматься не менее 6,0 мм.

2.6. Расчет жаровых труб.

2.6.1. Номинальная толщина стенки гладкой жаровой трубы должна быть не менее определенной по формуле

s=s_R +c,

где                                                 .

Прибавка с должна определяться согласно ОСТ 108.031.08-85, но должна быть не менее 2 мм.

Значение коэффициента К_F следует принимать:

3,10 - для горизонтальных жаровых труб;

1,85 - для вертикальных жаровых труб.

При наличии жестких креплений в поперечном направлении (см. черт. 6) за расчетную длину L_F следует принимать наибольшее расстояние между соседними креплениями.

Вычисленная согласно п. 2.6.1 номинальная толщина стенки должна округляться до ближайшего большего размера листа, имеющегося в стандарте на сортамент.

Номинальная толщина стенки волнистой жаровой трубы должна быть не менее определенной по формуле

s=s_R+с,

где s_R=pD_F/[s].

Прибавка с должна определяться согласно ОСТ 108.031.08-85, но должна быть не менее 2 мм.

2.6.2. Номинальная толщина стенки жаровых труб должна приниматься не менее 7 мм и не более 22 мм.

2.7. Расчет труб.

2.7.1. Номинальная толщина стенки прямой трубы с наружным диаметром не более 200 мм, находящейся под наружным давлением, должна быть не менее определенной по формуле

,

где величина прибавки с должна приниматься согласно ОСТ 108.031.08-85.

2.7.2. Номинальная толщина стенки труб, находящихся под внутренним давлением, должна быть не менее определенной по формуле

.

2.7.3. Коэффициент прочности продольного сварного соединения j_w следует принимать согласно ОСТ 108.031.10-85; для бесшовных труб j =1,0.

2.7.4. Номинальная толщина стенки труб должна быть не менее значений, приведенных в таблице.

мм

2.8. Расчет обечаек корпуса.

2.8.1. Номинальная толщина стенки обечаек корпуса должна быть не менее определенной по одной из следующих формул:

,

если расчет выполняется по наружному диаметру;

,

если расчет выполняется по внутреннему диаметру.

Формулы пригодны при соблюдении следующих условий:

0,2 или0,3.

2.8.2. Коэффициенты прочности j обечаек, ослабленных продольными сварными соединениями и (или) отверстиями, следует определять согласно ОСТ 108.031.10-85.

3. ВЫБОР ОСНОВНЫХ РАЗМЕРОВ АНКЕРНЫХ И УГЛОВЫХ СВЯЗЕЙ

3.1. Условные обозначения.

Дополнительное обозначение: F- площадь трубной решетки, укрепляемой данной анкерной связью или трубой, мм².

Остальные обозначения - согласно подразделу 1.1 и ОСТ 108.031.09-85.

3.2. Расчет анкерных связей и труб.

3.2.1. Площадь сечения анкерной связи или анкерной трубы, подвергающейся растяжению, должна удовлетворять условию

,

где f - площадь поперечного сечения анкерной связи или укрепляющей трубы, мм².

Если труба подвергается сжатию, то вместо наружного диаметра трубы следует использовать внутренний.

3.2.2. Площади F, укрепляемые анкерными связями или трубами, определяются согласно черт. 12 и 13.

3.2.3. Если плоская стенка укрепляется только развальцованными трубами, то величина усилия q₁, приходящаяся на 1 мм периметра развальцованной трубы, определяется по формуле

,

которая должна удовлетворять условию:

q₁=30 Н/мм при развальцовке труб без отбортовки концов и без канавок;

q₁=50 Н/мм при развальцовке труб без отбортовки концов, но при наличии двух канавок с общей высотой не менее толщины стенки трубы;

q₁=70 Н/мм при развальцовке труб с отбортовкой обоих концов.

Черт. 12

a - разбивка по треугольнику; б - разбивка по прямоугольнику

Черт. 13

Черт. 14

3.2.4. Необходимая длина развальцованного участка трубы l_M должна определяться из условия

,

где F_м=(d_a-d) l_м - расчетная площадь вальцованной поверхности, мм²;

F - площадь нагрузки на одну связь или трубу (см. черт. 12 и 13), мм²;

q₂ - допустимое усилие на вальцованной поверхности, МПа:

150 МПа - при развальцовке труб без отбортовки и без канавок;

300 МПа - при развальцовке труб без отбортовки, но при наличии канавок с общей высотой не менее толщины стенки трубы;

400 МПа - при развальцовке труб с отбортовкой.

3.2.5. Расчетная площадь вальцованной поверхности должна удовлетворять условию

F_м£0,1d_al_м,

Длина развальцованного участка l_м должна быть не менее 12 мм; в расчете должна приниматься не более 40 мм.

3.2.6. При использовании сварки для закрепления труб в трубной решетке расчетное сечение сварного шва D (черт. 14) должно быть не менее определенного по формуле

,

где величина [s] должна приниматься по материалу трубы или решетки с наименьшим значением расчетной характеристики прочности при расчетной температуре стенки.

Кроме того, для указанных типов сварных швов должно выполняться условие D³s.

3.2.7. Если закрепление трубы осуществляется на вальцовке с использованием сварного шва по типу 1 для обеспечения дополнительной плотности, то сечение шва D должно быть не более 5 мм.

3.3. Размеры угловых связей.

Размеры угловых связей (косынок) должны удовлетворять соотношению (см. черт. 1) H³1,8В.

Допускается применение косынок без уменьшения ширины средней части.

4. ПОВЕРОЧНЫЙ РАСЧЕТ НА УСТАЛОСТЬ

4.1. Условные обозначения.

4.1.1. Условные обозначения при расчете на малоцикловую усталость принимаются согласно ОСТ 108.031.09-85 (рекомендуемое приложение 3).

Дополнительное обозначение: t_{0 min}, t_{1 min} - температура металла продольных связей соответственно внутренней и наружной кромок расчетной кольцевой пластины, минимальная для данного режима работы котла, средняя по длине и толщине стенки (см. п. 2.4.1.3), °С.

Остальные обозначения - согласно подразделам 1.1 и 2.1.

4.2. Требования к расчету на усталость.

4.2.1. Расчет на усталость производится с учетом всех режимов эксплуатации котла, характеризующихся минимальными (t_{0 min}, t_{1 min}) и максимальными (t_{0 max}, t_{1 max}) температурами металла продольных связей в начале и конце цикла колебаний, а также числом циклов каждого типа.

Примером циклического нагружения котла являются циклы типа пуск - останов, при которых нагрузка изменяется от нуля, а температура металла от 20°С до номинальной величины и обратно.

Циклами второго типа могут служить циклические изменения нагрузки от заданного промежуточного значения до номинальной величины и обратно.

4.2.2. Расчет производится для всех просветов, имеющихся на трубной решетке.

4.2.3. Местные температурные напряжения в данном методе расчета не учитываются; интенсивность напряжений определяется только по изгибной составляющей напряжения Ds_e=s_в. Однако понятие интенсивности напряжений сохраняется для более удобного применения ОСТ 108.031.09-85 (рекомендуемое приложение 3) при оценке долговечности трубной решетки.

4.3. Определение размаха интенсивностей напряжений.

4.3.1. Размах интенсивностей напряжений вычисляется по формуле

.

4.3.1.1. Относительное смещение кромок в рассматриваемом режиме

,

где  - знак абсолютной величины.

4.3.1.2. Температуры t_{0 min}, t_{1 min}, t_{0 max}, t_{1 max} определяются согласно разделу 6.

4.3.1.3. Остальные величины в формуле п. 4.3.1 определяются согласно п. 2.4.1.

4.3.2. Для приближенных расчетов можно пользоваться номограммой на черт. 10, которая позволяет для заданных размеров а, b, с, е, g, h и s определять по оси абсцисс величину

Q=Ds_e/A_w,

откуда находится размах интенсивностей напряжений

Ds_e=QA_w.

На основании найденной величины размаха интенсивностей напряжений Ds_e производится оценка долговечности в соответствии с ОСТ 108.031.09-85 (рекомендуемое приложение 3).

5. ДОПУСТИМОЕ ДАВЛЕНИЕ В КОТЛЕ ПРИ НАЛИЧИИ ОТКЛОНЕНИЯ ОТ КРУГЛОСТИ ЖАРОВОЙ ТРУБЫ

5.1. Область применения.

РТМ распространяется на гладкие жаровые трубы диаметром более 200 мм, работающие под наружным давлением более 0,07 МПа (0,7 кгс/см²) при температуре среды выше 115°С.

Он может быть применен для расчета, других внутренних полостей котлов при выполнении указанных выше условий, например, для цилиндрических огневых камер, соединяющих жаровые трубы между собой или с пучками дымогарных труб, внутренних корпусов вертикальных газотрубных котлов и др.

5.2. Условные обозначения.

Дополнительные обозначения:

D_{Fa max}, D_{Fa min} - максимальный и минимальный наружные диаметры поперечного сечения жаровой трубы, мм;

а - коэффициент некруглости, %;

е - максимальный размер уплощения (черт. 15) поперечного сечения жаровой трубы, мм.

Остальные обозначения - согласно ОСТ 108.031.08-85.

5.3. Определения.

В РТМ рассматриваются следующие отклонения от круглого поперечного сечения трубы:

овальность поперечного сечения, определяемая коэффициентом некруглости

;

уплощение поперечного сечения (см. черт. 15), определяемое приведенным коэффициентом некруглости,

.

Черт. 15

5.4. Допустимое отклонение от круглости.

5.4.1. При изготовлении новых котлов коэффициент некруглости поперечного сечения рассматриваемых деталей не должен быть более 1%, т. е. а£1%.

5.4.2. При технических обследованиях котлов, находящихся в эксплуатации, допускается некруглость поперечного сечения жаровых труб более 1%. В этом случае рабочее давление в котле не должно быть более

,

где K=3,10 - для горизонтальных жаровых труб; К=1,85 - для вертикальных жаровых труб.

5.4.2.1. Если при измерении поперечного сечения получено а<1, в расчете принимается а=1,0.

5.4.2.2. Эксплуатация жаровых труб с некруглостью поперечного сечения более 4% не допускается.

6. ТЕМПЕРАТУРА МЕТАЛЛА

6.1. Область применения.

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

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

6.1.3. Расчетная и максимальная температуры металла трубной решетки определяются для безнакипного режима работы котла. При наличии накипи вычисленные согласно подразделу 6.4 значения температур должны быть увеличены на 40%.

6.1.4. Расчетная и максимальная температуры металла труб поверхностей нагрева определяются с учетом накипи согласно подразделу 6.3.

6.2. Условные обозначения.

При определении температурного состояния трубных решеток используются следующие параметры:

D  - диаметр, мм;

t    - температура, "С;

a  - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м²×К);

l   - коэффициент теплопроводности, Вт/(м×К);

q   - безразмерная температура;

Вi - критерий Био;

К_d - поправочный коэффициент на диаметр трубы;

К_t - поправочный коэффициент, учитывающий шаг между трубами;

s   - толщина, мм;

q   - средний тепловой поток через рассматриваемую поверхность нагрева, Вт/м².

Индексы

Верхние:

h   - высота выступающего конца трубы;

t    - расчетная температура.

Нижние:

pl  - стенка трубной решетки;

p   - труба;

b   - корпус;

m  - средний;

q   - накипь;

c   - вода;

h   - газы;

l    - потери;

s   - насыщение.

6.3. Температура металла труб поверхностей нагрева.

6.3.1. За расчетную температуру принимается средняя температура стенки трубы.

6.3.2. Расчетная температура стенки трубы определяется по формуле

,

где b=D_a/D; q и a определяются из теплового расчета котла;

l_q= 1,163 Вт/(м×К);

s_q определяется на основании опыта эксплуатации котлов; если значение s_q неизвестно, то оно принимается равным 0,5.

6.3.3. Максимальная температура стенки трубы

.

6.3.4. Средняя температура металла корпуса определяется по формуле

.

6.3.5. Температура металла сплошных анкерных тяг принимается равной температуре насыщения.

6.4. Температура металла трубной решетки.

6.4.1. За расчетную температуру металла трубной решетки принимается среднеарифметическое значение температур наружной и внутренней поверхностей трубной решетки.

6.4.2. Расчетная температура t_pl трубной решетки определяется по формуле

,

где К=1 для труб диаметром D_a=32 мм;

K_d=0,875 для труб диаметром D_a=50 мм;

К=0,8 для труб диаметром D_a=60 мм.

Величины К_t и q_m определяются по черт. 16 и 17.

Критерий Био для трубной решетки

.

Черт. 16

Черт. 17

Черт. 18

Критерий Био для трубы

.

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

6.4.4. Максимальная температура трубной решетки равна

,

где значение q_max находим по черт. 18.

6.4.5. При наличии изоляции расчет средней температуры t_pl и максимальной температуры t_{pl mах} производится согласно пп. 6.4.2 и 6.4.4, в которых q_m и q_max определяются по черт. 17 и 18 при bi_pl=0.

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

,

где  находим по черт. 19; К_d, К_t, определяются согласно п. 6.4.2.

Черт. 19

Черт. 20

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

,

где  находим по черт. 20.

6.4.8. Максимальные температуры стенок, вычисленные согласно пп. 6.3.3, 6.4.4, 6.4.6, сравниваются с предельно допустимой температурой для выбранной марки стали, установленной «Правилами устройства и безопасной эксплуатации паровых и водогрейных котлов» Госгортехнадзора СССР.

6.5. Температура металла жаровой трубы.

6.5.1. За расчетную температуру жаровой трубы принимается средняя температура стенки, вычисляемая по следующим приближенным формулам:

для гладких жаровых труб

t=t_m+4s+30°С,

для волнистых жаровых труб

t=t_m+5s+30°С,

6.5.2. Вычисленные согласно пп. 6.3.2, 6.4.2 и 6.5.1 расчетные температуры металла труб и трубной решетки используются для определения допускаемого напряжения [s] согласно ОСТ 108.031.08-85.

7. ТРЕБОВАНИЯ К КОНСТРУКЦИИ

7.1. Основные требования к конструкции.

7.1.1. Расстояние между двумя соседними кольцами жесткости жаровой трубы не должно превышать 2D_F.

7.1.2. Для волнистых жаровых труб с внутренним диаметром до 700 мм высота волны должна быть не менее 35 мм, для труб с внутренним диаметром от 700 до 1100 мм - не менее 50 мм.

7.2. Дополнительные требования к конструкции.

7.2.1. Наличие зазора между трубами и трубной решеткой при некачественной вальцовке труб вызывает перегрев металла трубы и способствует развитию щелевой коррозии. Поэтому для увеличения надежности и срока службы котла рекомендуется подвальцовка труб после приварки их к трубной решетке.

7.2.2. Наружный сварной шов (черт. 21, а) повышает температуру металла трубной решетки, которая у решеток с трубами, заделанными заподлицо, ниже чем у решеток с наружными сварными швами (черт. 21, б).

7.2.3. Изоляция толщиной более 50 мм неэффективна, так как дальнейшее увеличение толщины изоляции практически не снижает температуру металла трубной решетка результате расчета анкерной связи по п. 3.2 наружный диаметр связи получается таким, что не выполняется условие п. 2.3.2.2, то диаметр концов связей должен быть увеличен (черт. 22).

Черт. 21

Черт. 22

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1
Рекомендуемое

ЗАВИСИМОСТЬ КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ, МОДУЛЯ УПРУГОСТИ И КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

---- модуль упругости; ---- коэффициент линейного расширения; -×-×-×- коэффициент теплопроводности; 1 - сталь 20, 15ХМ; 2 - сталь 12Х1МФ; 3 - сталь 12МХ, 15ХМ, 12Х1МФ; 4 -сталь 20

ПРИЛОЖЕНИЕ 2
Справочное

ПРИМЕРЫ РАСЧЕТОВ

1. Исходные данные

1.1. Конструктивные данные:

s_pl=13 мм                                                   - толщина стенки трубной решетки;

s_F= 13 мм                                                   - толщина стенки жаровой трубы;

s_p=3 мм                                                      - толщина стенки дымогарных труб;

D_т=60 мм                                                   - наружный диаметр труб;

D_F= 1226 мм                                              - наружный диаметр жаровой трубы;

D_a=2730 мм                                               - внутренний диаметр цилиндрического корпуса;

l_f=2000 мм                                               - расчетная длина продольных связей;

d₀=550 мм                                                  - диаметр наибольшей окружности, вписанной касательно к укрепляющим деталям трубной решетки;

s_к=10 мм                                                    - толщина стенки корпуса;

b=150 мм; =613 мм; =763 мм    - размеры расчетной кольцевой пластины;

р=0,3 МПа                                                - расчетное давление.

Материал трубной решетки и продольных связей - сталь 20К.

1.2. Режимы работы котла:

Режим 1: N₁=10³ - число циклов типа пуск-останов (изменение нагрузки от нуля до 100% и обратно).

Режим 2: N₂=10×10³ - число циклов изменения нагрузки от 40 до 100% от номинальной и обратно.

1.3. Данные из теплового расчета котла:

t_s=133°С                       - температура насыщения;

l_p=46,5 Вт/(м×К)          - теплопроводность стали 20;

l_q=1,16 Вт/(м×К)          - теплопроводность накипи;

s_q=0,5 мм                     - толщина накипи.

Тепловые потоки и коэффициенты теплоотдачи для жаровой трубы и труб второго газохода:

при нагрузке 100%

=146×10³Вт/м²;=12,8×10³Вт/(м²×К);

=36×10³ Вт/м²;=4,6×10³Bт/(м²×K);

при нагрузке 40%

=146×10³×0,4=58,4×10³Вт/м²;

=7×10³Вт/(м²×К);

=36×10³×0,4=14,4×10³Вт/м²;

=2,67×10³Вт/(м²×К);

q₁=22,1 10³ Вт/м² - тепловые потери для обоих режимов.

2. Расчет

Пример 1.

Рассчитать на прочность и долговечность трубную решетку трехходового газотрубного котла с гладкой жаровой трубой в зоне просвета b между жаровой трубой и трубами второго хода при заданных основных размерах (чертеж).

Определить минимально допустимый размер просвета е между жаровой трубой и угловой связью.

Чертеж к приложению 2, примеру 1

Пример 2.

Рассчитать максимально допустимые размеры просветов ½b½ и ½с½ трубной решетки котла из примера 1 в предположении, что жаровая труба волнистая.

Пример 3.

Определить допустимое давление в горизонтальном котле, имеющем гладкую жаровую трубу с коэффициентом некруглости а=2,0%. Внутренний диаметр жаровой трубы D_Fa=1200 мм, длина L_F=4000 мм, расчетная температура металла t=250°С, прибавка с=1 мм.

Пример 4.

Определить температуру металла трубной решетки толщиной 20 мм с трубами диаметром 32´3 мм при следующих условиях: а_p=346 Вт/ (м²×К); а_pl=20 Вт/ (м² К); l=50 мм - шаг между трубами; t_h=1200°С - температура газов; t_c=200°С - температура воды.

СОДЕРЖАНИЕ