16.3.8 受外压元件的强度计算
受外压元件是指介质压力作用于元件的凸面或外部，如炉胆、烟管、冲天管及汽－汽热交换器中的管束等。与受内压力作用的元件相比，除壳体内的拉应力变为压应力外，受外压元件还存在稳定性问题，即元件在介质压力作用下可能会由于刚度不够而压瘪塌。因此受外压元件的强度计算除了要防止因压应力过大出现塑性破坏（强度问题）外，同时还应防止因刚度不够而出现弹性失稳（稳定性问题）。此外当元件受外压力作用时，元件的形状精度，如圆度，对元件的强度会有较大的影响，在强度计算时应予以考虑。
产生失稳的最低压力称为临界压力。影响一个圆筒临界压力的因素很多，影响机理也十分复杂，单纯从理论分析很难得到满意的结果。工程上通过理论与实验结合的方法研究圆筒的稳定性，得到的计算式也大多为半经验式，这些计算式还会在工程实践中不断完善。影响圆筒临界压力的主要因素有：直径、壁厚、筒体长度（两个端部支撑点之间的距离），筒体圆度，筒体材料以及筒体的受力和受热均匀情况等。当筒体直径较小而壁厚较厚时，筒体的临界压力往往很高，筒体直到屈服也不会失稳；而对于直径较大，壁厚较薄，受力和受热情况较差的筒体，临界压力就较低，设计时应特别注意。
筒体受外压作用时应力分布与受内压时相似，只是拉应力改为压应力，当量应力计算式和强度条件与式（16.16）基本相同，只需将平均直径D改为外径Dw即可。
常见的受外压元件的强度计算方法如下。
（1）烟管 由于直径小，稳定性不是主要矛盾，按强度条件设计，同时通过降低许用应力来兼顾稳定性问题。最小需要壁厚按下式计算
式中：dw为烟管的外径，mm。
（2）波形炉胆 由于刚度好，稳定性也不成问题，故按强度条件确定壁厚为
式中：Dw为波形炉胆的外径，mm。
（3）卧式平炉胆 分别按稳定性和强度条件计算壁厚，然后取两者中的大者作为设计壁厚。按强度条件确定壁厚的为
图16.20 炉胆的计算长度
式中：Dp为炉胆的平均直径，mm；u为炉胆的圆度百分率；L为计算长度，mm，指两个支撑点之间的距离，膨胀环、加强圈等都是支撑点，图16.20；
Et、
分别为钢材在计算壁温下的弹性模量和屈服强度，MPa；n1、n2分别为炉胆的强度和稳定性安全系数，按表16.8取值
（4）立式平炉胆和冲天管 与平炉胆相比，受力受热较均匀，又有水管支撑，所以稳定性优于平炉胆，主要依据强度条件确定壁厚
式中：σb为钢材常温抗拉强度，MPa；Dn为炉胆冲天管内径，mm；φmin为最小减弱系数，对于多横水管锅炉，φmin＝1（相当于拉撑件）；对于弯水管锅炉当有冲天管时横向减弱系数取1，其它按筒体上的减弱系数计算。
表16.8 炉胆安全系数
复习思考题
1.锅炉受压元件对钢材性能有哪些要求？
2.受压元件用钢的机械性能主要包括哪些方面？
3.常用锅炉用钢主要包括哪些类型，分别举例说明。
4.锅炉受压元件的主要失效方式有哪些？强度计算的基本问题是什么？
5.元件的许用应力是如何确定的？安全系数的大小分别是多少？
6.什么是计算压力，如何确定一个元件的计算压力？
7.如何确定计算壁温？最低计算壁温应取多少？
8.圆筒强度计算的基本公式是什么？试用剖面法推导式（16.14）和（16.15）。
9.试根据式（16.16）推导式（16.17）和（16.21）。
10.什么是孔排，孔桥，单孔？
11.管子、弯头、锅筒、集箱和凸形封头的理论壁厚计算式和附加壁厚计算式分别是什么？
12.受压平板的受力变形特点是什么？壁厚计算式的一般形式是怎样的？平管板和椭球形管板的壁厚计算式是什么？
13.什么是孔的加强？单孔在哪些情况下可以不加强？单孔加强的条件是什么？
14.常见受外压元件的壁厚是如何确定的？
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