内压薄壁圆筒与封头的强度设计课件.ppt

内压薄壁圆筒与封头的强度设计,教学重点： 内压薄壁圆筒的厚度计算 教学难点： 厚度的概念和设计参数的确定,1,内压薄壁圆筒与封头的强度设计教学重点：1,旧压力容器厚度进行强度校核的意义判定在下一个检验周期内或在剩余寿命期间内，容器是否还能在原设计条件下安全使用的条件当容器已被判定不能在原设计条件下使用时，应通过强度计算，提出容器监控使用当容器针对某一使用条件需要判废时，应提出判废依据,2,旧压力容器厚度进行强度校核的意义2,根据薄膜理论进行应力分析，确定薄膜应力状态下的主应力根据弹性失效的设计准则，应用强度理论确定应力的强度判据对于封头，考虑到薄膜应力的变化和边缘应力的影响，按壳体中的应力状况在公式中引进应力增强系数根据应力强度判据，考虑腐蚀等实际因素导出具体的计算公式。,内压薄壁圆筒与封头的强度设计公式推导过程,3,根据薄膜理论进行应力分析，确定薄膜应力状态下的主应力内压薄壁,容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点，容器即告失效(失去正常的工作能力)，也就是说，容器的每一部分必须处于弹性变形范围内。,保证器壁内的相当应力必须小于材料由单向拉伸时测得的屈服点。,第一节强度设计的基本知识,一、关于弹性失效的设计准则,1、弹性失效理论,4,容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点，容,为了保证结构安全可靠地工作，必须留有一定的安全裕度，使结构中的最大工作应力与材料的许用应力之间满足一定的关系，即, 相当应力，MPa，可由强度理论确定, 极限应力，MPa，可由简单拉伸试验确定, 安全系数, 许用应力,MPa,2、强度安全条件,5,为了保证结构安全可靠地工作，必须留有一定的安全裕度，使结构中,径向应力,二、强度理论及其相应的强度条件,1、薄壁压力容器的应力状态,图4-1 应力状态,6,径向应力二、强度理论及其相应的强度条件1、薄壁压力容器的应力,由薄膜理论,圆筒壁内应力为经向应力、环向应力、法向应力（被认为是0）。,则三项主应力为：,7,由薄膜理论,圆筒壁内应力为经向应力、环向应力、法向应力（被认,第一强度理论（最大拉应力理论）,使材料发生断裂破坏的主要因素是最大主拉应力1，只要1达到单向拉伸时材料的强度极限b材料将要断裂破坏。,破坏条件,强度条件,该理论与均质的脆性材料的实验结果吻合较好,8,第一强度理论（最大拉应力理论） 使材料发生断裂破坏,第二强度理论（最大伸长线应变理论）,当材料的最大伸长线应变1达到材料单向受拉破坏时的线应变b=b/E时，材料将要发生断裂破坏。,破坏条件,强度条件,该理论只与少数脆性材料的实验结果吻合,9,第二强度理论（最大伸长线应变理论） 当材料的最大,第三强度理论（最大剪切应力理论）,最大切应力是使材料发生屈服破坏的根本原因。只要最大剪切应力max达到材料单向受力时的屈服极限s所对应的极限剪切应力s=s/2，材料将发生屈服（剪断）破坏。,破坏条件,强度条件,10,第三强度理论（最大剪切应力理论） 最大切应力是使材料,第四强度理论（能量理论）,形状改变比能是引起材料屈服破坏的基本原因。只要复杂应力状态下材料形状改变比能达到单向受力情况屈服破坏时相应的极限形状改变比能，材料就会发生屈服破坏。,破坏条件,强度条件,第三强度理论偏于安全,第四强度理论偏于经济,11,第四强度理论（能量理论）形状改变比能是引起材料屈服破坏的基本,在大多数应力状态下,脆性材料将发生脆性断裂.因而应选用第一强度理论;而在大多数应力状态下,塑性材料将发生屈服和剪断.故应选用第三强度理论或第四强度理论.但材料的破坏形式不仅取决于材料的力学行为,而且与所处的应力状态,温度和加载速度有关.实验表明,塑性材料在一定的条件下(低温和三向拉伸),会表现为脆性断裂.脆性材料在三向受压表现为塑性屈服。,12,在大多数应力状态下,脆性材料将发生脆性断裂.因而应选用第一强,第一强度理论（最大主应力理论）,第三强度理论（最大剪应力理论）,强度条件,强度条件,适用于脆性材料,适用于塑性材料,总结：,13,第一强度理论第三强度理论强度条件强度条件适用于适用于总结：1,第四强度理论（能量理论）,强度条件,适用于塑性材料,第二强度理论（最大变形理论）与实际相差较大，目前很少采用。压力容器材料都是塑性材料，应采用三、四强度理论， GB150-98采用第三强度理论.,14,第四强度理论强度条件适用于第二强度理论（最大变形理论）与实际,第三强度理论的强度条件为：,因此圆筒强度条件为：,15,第三强度理论的强度条件为：因此圆筒强度条件为：15,4.2 内压薄壁圆筒壳与球壳的强度设计4.2.1 强度计算公式依据第三强度理论，强度公式为：,参数变换：1.将中径换算为圆筒内径，D=Di+;2.压力换为计算压力Pc ；3.考虑到焊缝处因气孔、夹渣等缺陷以及热影响区晶粒粗大等造成的强度削弱，引进焊缝系数f(1)；4.材料的许用应力与设计温度有关。,16,4.2 内压薄壁圆筒壳与球壳的强度设计参数变换：16,考虑实际情况，引入pc等参数,考虑介质腐蚀性,考虑钢板厚度负偏差并圆整,第二节内压薄壁圆筒壳体与球壳的强度设计,一、强度设计公式,1、内压薄壁圆筒,这是写在图纸上的钢板厚度！,17,考虑实际情况，引入pc等参数考虑介质考虑钢板厚度第二节内压薄,强度校核公式,最大允许工作压力计算公式,1、当筒体采用无缝钢管时，应将式中的Di换为D02、以上公式的适用范围为3、用第四强度理论计算结果相差不大,18,强度校核公式最大允许工作压力计算公式1、当筒体采用无缝钢管时,式中e有效壁厚， e=圆整后的壁厚（n）C1C2 。,强度校核公式：1）在工作压力及温度下，现有容器强度够否？,2）现有容器的最大允许工作压力如何？,19,式中e有效壁厚，强度校核公式：2）现有容器的最大允许工,公式的适用范围为,2、内压球形壳体,20,公式的适用范围为2、内压球形壳体20,工作压力,指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。,设计压力,指设定的容器顶部的最高压力，它与相应设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。,计算压力,指在相应设计温度下，用以确定壳体各部位厚度的压力，其中包括液柱静压力。 计算压力pc=设计压力p+液柱静压力,二、设计参数的确定,1、压力,表压,21,工作压力 指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。,工作压力pw-正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。由工艺计算确定； 化学反应所要求的； 传递过程所必需的； 由液化气体的饱和蒸汽压所决定的。,22,工作压力pw22,设计压力p：设定的容器顶部的最高压力-设计载荷。取值方法：,（1）容器上装有安全阀,取不低于安全阀开启压力 ： p （1.051.1）pw系数取决于弹簧起跳压力 。,23,设计压力p：设定的容器顶部的最高压力-设计载荷。取值方,（2）容器内有爆炸性介质，安装有防爆膜时：,取 设计压力为爆破片设计爆破压力加制造范围上限。P93 表4-3，表4-4。,防爆膜装置示意图,看看爆破片的工作情况,24,（2）容器内有爆炸性介质，安装有防爆膜时：取 设计压力为爆,（3）无安全泄放装置取 p=（1.01.1）pw 。（4）盛装液化气容器 设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。（地面安装的容器按不低于最高饱和蒸汽压考虑，如40，50，60时的气体压力）。 注意：要考虑实际工作环境，如放置地区，保温，遮阳，喷水等。例如：液氨储罐。金属壁温最高工作为50，氨的饱和蒸汽压为2.07MPa。 1.容器的设计压力？ 2.若容器安放有安全阀，设计压力？,25,（3）无安全泄放装置取 p=（1.01.1）pw 。2,（5）外压容器取 p正常操作下可能产生的最大压差。 注意：“正常操作”含空料，真空检漏，稳定生产，中间停车等情况。（6）真空容器不设安全阀时，取0.1MPa ； 设有安全阀时 取Min（1.25p ,0.1MPa) 。,26,（5）外压容器取 p正常操作下可能产生的最大压差。26,釜壁可能承受压力情况： 釜内空料，夹套内充蒸汽-外压0.2MPa; 釜内真空，夹套内充蒸汽-外压0.3MPa; 釜内0.3MPa，夹套内0.2MPa-内压0.1MPa; 釜内0.3MPa，夹套内空料-内压0.3MPa;釜壁承受的最大压差:内压0.3MPa或外压0.3MPa.,（7）带夹套容器取正常操作时可能出现的最大内外压差。例如 带夹套的反应釜：夹套内蒸汽压力为0.2MPa,釜内开始抽真空，然后釜内升压至0.3MPa。该釜壁承受压力如何？,27,釜壁可能承受压力情况：（7）带夹套容器取正常操作时可能出,表4-1 设计压力与计算压力的取值范围,28,表4-1 设计压力与计算压力的取值范围计算带夹套部分的容器,计算压力pc-在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。即计算压力=设计压力+液柱静压力(5%P时计入)可见，计算压力设计压力工作压力=容器顶部表压,例：一立式容器，工作压力0.5MPa，液体深10m， 密度为10,000N/m3。,pw=0.5MPa, p=0.5MPapc=0.5+(1010,000)/1,000,000=0.6MPa,29,计算压力pc-在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，,指容器在正常工作情况下，在相应的设计压力下，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面厚度的温度平均值）。,设计温度是选择材料和确定许用应力时不可少的参数。,2、设计温度,30,指容器在正常工作情况下，在相应的设计压力下，设定的元件的金属,确定设计温度的方法： （1）对类似设备实测；（2）传热计算（3）参照书P94表4-5。 例如：不被加热或冷却的器壁，且壁外有保温，取介质温度；用水蒸气、热水或其它液体加热或冷却的器壁，取热介质的温度；等等。,31,确定设计温度的方法：31,（1）极限应力,极限应力的选取与结构的使用条件和失效准则有关,极限应力可以是,许用应力是以材料的各项强度数据为依据，合理选择安全系数n得出的。,3、许用应力和安全系数,32,（1）极限应力极限应力的选取与结构的使用条件和失效准则有关极,常温容器,中温容器,高温容器,33,常温容器 中温容器 高温容器 33,（2）安全系数,安全系数是一个不断发展变化的参数。随着科技发展，安全系数将逐渐变小。,常温下，碳钢和低合金钢,表4-2 钢材的安全系数,34,（2）安全系数安全系数是一个不断发展变化的参数。常温下，碳钢,焊缝区的强度主要取决于熔焊金属、焊缝结构和施焊质量。焊接接头系数的大小决定于焊接接头的型式和无损检测的长度比率。焊接接头系数是焊接削弱而降低设计许用应力的系数。,4、焊接接头系数,表4-3 焊接接头系数,35,焊缝区的强度主要取决于熔焊金属、焊缝结构和施焊质量。4、焊接,容器上存在有：纵焊缝-A类焊缝环焊缝-B类焊缝需要进行无损检验。检验方法主要是：X射线检查和超声波检查。,为什麽要进行无损检验？,36,容器上存在有：为什麽要进行无损检验？36,缺陷，夹渣，未焊透，晶粒粗大等，在外观看不出来； 熔池内金属从熔化到凝固的过程受到熔池外金属的刚性约束，内应力很大。焊缝区强度比较薄弱。,焊接后常出现：,37,缺陷，夹渣，未焊透，晶粒粗大等，焊接后常出现：37,焊接缺陷,38,焊接缺陷38,为综合考虑筒体强度，设计公式中将钢板母材的许用应力乘以（1）。, f,39,为综合考虑筒体强度，设计公式中将钢板母材的许用应,焊接接头系数（f）：,40,焊接接头系数（f）：焊接接头结构100%无损检验局部无损检验,你能回答下列问题吗？,1.可否采用搭接焊结构制作压力容器壳体？为什麽？2.焊缝处为什麽要进行无损探伤检查？3.焊缝系数（）为什麽小于等于1？4.取焊缝系数的依据是什麽？5.壁厚计算公式中的t是钢板的许用应力，还是焊缝材料的许用应力？6.带垫板的焊缝结构中，垫板的作用是什麽？是否起加强作用？,41,你能回答下列问题吗？1.可否采用搭接焊结构制作压力容器壳体？,满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚度，包括钢板负偏差(或钢管负偏差) C1、腐蚀裕量 C2 即 C C1十 C2,1、按表4-9选取2、当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，负偏差可以忽略不计。,为防止容器元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄，应考虑腐蚀裕量。,C1 钢板厚度负偏差,C2 腐蚀裕量,5、厚度附加量C,42,满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚度，1、按表4-9选,A、容器壁厚附加量（1）钢板或钢管厚度负偏差 C1: 例如，,43,A、容器壁厚附加量43,在设计容器壁厚时要-预先考虑负偏差。钢板负偏差参见p97表4-9选取；钢管厚度负偏差参见P97表4-10。,44,在设计容器壁厚时要44,B、腐蚀裕量C2,容器元件由于腐蚀或机械磨损厚度减薄。在设计壁厚时要考虑容器使用寿命期内的安全性！具体规定如下：对有腐蚀或磨损的元件: C2=KaB Ka-腐蚀速率（mm/a），由材料手册或实验确定。 B-容器的设计寿命，通常为1015年。一般情况, Ka=0.050.13mm/a的轻微腐蚀时， 对单面腐蚀取C2=12mm; 对双面腐蚀取C2=24mm。 对于不锈钢，一般取0。,45,B、腐蚀裕量C2 容器元件由于腐蚀或机械磨损厚度减,1. 确定腐蚀裕度的依据？2.腐蚀裕度的有效期？3.列管换热器的管子、壳体腐蚀裕度如何定？,容器各元件受到的腐蚀程度不同时，设计中可采用不同的腐蚀裕量。 介质为压缩空气、水蒸气或水的碳钢或低合金钢容器，单面腐蚀裕量不小于1mm； 对不锈钢容器，腐蚀轻微时可取C2=0。,还要记住！,46,1. 确定腐蚀裕度的依据？ 容器各元件受到的,6.直径系列与钢板厚度,要按照钢板厚度尺寸系列标准GB709-88的规定选取。P99表4-13。,钢板厚度是否可以随意取？,压力容器的直径系列已经施行标准化（GB9019-88)，筒体与封头的公称直径配套。见P60表2-5。,筒体直径是否可以随意定？,47,6.直径系列与钢板厚度 要按照钢板厚度尺寸系列标准,1. 压力容器的公称直径 钢板卷焊筒体和成型封头的公称直径是内径。,48,1. 压力容器的公称直径 300(350)400(450)5,标准化问题,直径系列与钢板厚度,表4-4 常用钢板厚度,注：5mm为不锈钢常用厚度。,49,标准化问题直径系列与钢板厚度表4-4 常用钢板厚度2.02,1、厚度的定义,三、容器的厚度和最小厚度,图4-2 壁厚的概念,50,1、厚度的定义计算厚度设计厚度圆整值名义厚度有效厚度毛坯厚度,设计压力较低的容器计算厚度很薄。大型容器刚度不足，不满足运输、安装。限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求。壳体加工成形后不包括腐蚀裕量最小厚度：a. 碳素钢和低合金钢制容器不小于3mm b对高合金钢制容器，不小于2mm,2、最小厚度,c,碳素钢、低合金钢制塔式容器,min,d,max,4mm,；,不锈钢制塔式容器,max,3mm.,51,设计压力较低的容器计算厚度很薄。2、最小厚度 c,1.标注在图纸上的容器壁厚是如何确定的？2.壁厚加工减薄量由谁定？3.加工后容器的实际壁厚不能小于多厚才可以在使用寿命期内保证安全？4.规定容器最小壁厚的目的是什麽？,思考如下问题：,52,1.标注在图纸上的容器壁厚是如何确定的？思考如下问题：52,在于检验容器的宏观强度和有无渗漏现象，即考察容器的密封性，以确保设备的安全运行。,目的,液压试验,气压试验,气密性试验,压力试验的种类,四、压力试验与强度校核,53,在于检验容器的宏观强度和有无渗漏现象，即考察容器的密封性，以,为什麽要进行压力试验呢？制造加工过程不完善，导致不安全，发生过大变形或渗漏。最常用的压力试验方法是液压试验。使用常温水。也可用不会发生危险的其它液体。液压试验时水温不能过低(碳素钢、16MnR不低于5，其它低合金钢不低于15)，试验时液体的温度应低于其闪点或沸点。,54,为什麽要进行压力试验呢？54,压力试验的时机：1）容器制成后； 2）检修后。试验目的：1）检验容器宏观强度是否出现裂纹,是否变形过大； 2）密封点及焊缝的密封情况。要知道！ （1）需要焊后热处理的容器，须热处理后进行压力试验和气密试验； （2）须分段交货的容器，在工地组装并对环焊缝进行热处理后，进行压力试验； （3）塔器须安装后进行水压试验；,55,压力试验的时机：1）容器制成后；55,压力试验分类：液压试验介质：一般为水；过程：,充水排气,设计压力无泄漏,开始,试验压力下保压30分钟,卸压,吹净,结束,试验压力的80%保压检查,56,压力试验分类：充水排气设计压力开始试验压力下卸压吹净结束试验,注意： 不锈钢容器水中氯离子不得超过25mg/L。 试压合格的条件： 1）无渗漏； 2）无可见变形； 3）试验过程中无异常响声； 4）b 540MPa的材料，表面经无损检验无裂纹。,看看水压试验过程,57,注意：看看水压试验过程57,气压试验不适合液压试验的，如装入贵重催化剂要求内部烘干，或容器内衬耐热混凝土不易烘干，或由于结构原因不易充满液体的容器以及容积很大的容器等，可用气压试验代替液压试验，气压试验时介质温度不低于15)气密试验针对介质具有毒性程度为极度或具有高度危害的容器； 在液压试验后进行； 气密试验压力取设计压力。,58,气压试验58,液压试验,气压试验,内压容器试验压力,1、试验压力,/t大于1.8时，按1.8计算；如果容器各元件(圆筒、封头、接管、法兰及紧固件等)所用材料不同时，应取各元件材料的比值中最小者。,容器铭牌上规定有最大允许工作压力时，公式中应以最大允许工作压力代替设计压力p,59,液压试验气压试验内压容器试验压力1、试验压力/t,液压试验,气压试验,2、压力试验的应力校核,圆筒壁在试验压力下的计算应力,60,液压试验气压试验2、压力试验的应力校核圆筒壁在试验压力下的计,五、 例题,【例4-1】：某化工厂欲设计一台石油气分离用乙烯精馏塔。工艺参数为:塔体内径 ；计算压力 ；工作温度t-3-20。试选择塔体材料并确定塔体厚度。,由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在-3-20，压力为中压，故选用16MnR。,（2）确定参数,(附表9-1)；,(采用带垫板的单面焊对接接头,局部无损检测)(表4-8)；,取,解： （1）选材,61,五、 例题【例4-1】：某化工厂欲设计一台石油气分离用乙烯精,（3）厚度计算,计算厚度,设计厚度,根据,查表4-9得,名义厚度,圆整后,取名义厚度为 。,复验,故最后取 。,该塔体可用7mm厚的16MnR钢板制作 。,62,（3）厚度计算计算厚度设计厚度根据,查表4-9得名义厚度圆整,（4）校核水压试验强度,式中，,则,而,可见,，所以水压试验强度足够。,63,（4）校核水压试验强度式中，则而可见，所以水压试验强度足够。,例2 设计锅炉汽包的筒体壁厚。工作压力为15.6MPa,工作温度为350,其内径为1300mm。,【解】1.选材：工作温度中温，工作压力为高压，有轻微腐蚀。 故采用低合金钢18MnMoNbR（GB6654-96)。ss=410MPa。2.确定参数（1）工作压力15.6MPa,是高压容器，属于三类容器。其焊缝结构必须是双面对接焊结构或其他等强度焊接，100%无损探伤， =1 。（2） 筒体需保温，则筒壁设计温度取介质温度， s=s350=190MPa（3）需安装安全阀，pc=p=1.115.6=17.16(MPa)。（4）水蒸气对低合金钢有轻微腐蚀，且为单面腐蚀，C2=1mm。,64,例2 设计锅炉汽包的筒体壁厚。工作压力为15.6MPa,3.计算壁厚,4.设计壁厚： d=+C2=61.5+1.0=62.5(mm), 查表4-9得C1=0.25(mm) 壁厚附加量C=C1+C2=0.25+1.0=1.25(mm)5.名义厚度 n=+C+圆整量 61.5+1.25=62.75(mm) 圆整后为65（mm)。,65,3.计算壁厚4.设计壁厚：65,6.校核水压试验强度水压试验强度条件为：,式中,e=n-C=65-2.8=62.2(mm),则 T=234.9(MPa)。而 0.9s=0.91410=369(MPa) T0.9s 水压试验合格。,66,6.校核水压试验强度式中e=n-C=65-2.8=62.,例3 校验旧气瓶。资料记载该气瓶材质为40Mn2A，系无缝钢管收口而成。实测其外径为219mm,最小壁厚为6.5mm。查材料手册得该材料的b=785MPa,s=510MPa,d5=18%。（1）常温下可否充15MPa氧气？（2）如强度不够，最高允许工作压力多少？,【解】1.确定参数 pc=15MPa, DO=219mm, n=6.5mm, 无缝钢管=1， C2=1mm, 实测壁厚6.5mm ，则C1=0, e=6.5-1=5.5mm, 许用应力求取： t=minb/nb ,s/ns=min785/3 ,510/1.6 =262(MPa) 。,67,例3 校验旧气瓶。资料记载该气瓶材质为40Mn2A，系无缝钢,2.强度校核校核公式为,充15MPa强度不够。,3.确定最高允许工作压力计算公式为,该气瓶的最大安全使用压力为13.48MPa。,68,2.强度校核充15MPa强度不够。3.确定最高允许工作压力该,注意 “实测壁厚”概念。即无需考虑负偏差问题，C1=0 。无缝钢管制的容器公称直径为外径，壁厚计算公式中应采用外径。公式应该如何？自己试推导一下。,69,注意 69,容器封头（端盖）,凸形封头,锥形封头,平板封头,半球形封头,椭圆形封头,碟形封头,球冠形封头,第三节 内压圆筒封头的设计,70,容器封头凸形封头锥形封头平板封头半球形封头椭圆形封头碟形封头,4.3.1 半球形封头1.结构：（1）整体半球壳体； （2）焊接半球壳体-瓜瓣组焊。,2.与筒体连接结构： 与筒体连接部位要圆滑过渡。（为什麽？） 与筒体连接的环焊缝属于球壳内的部分，确定封头厚度时应考虑这一环焊缝的焊接接头系数。,71,4.3.1 半球形封头 2.与筒体连接结构：71,半球形封头是由半个球壳构成的，它的计算壁厚公式与球壳相同,图4-3 半球形封头,72,半球形封头是由半个球壳构成的，它的计算壁厚公式与球壳相同图4,受内压球形封头计算壁厚与球壳相同。球形封头壁厚可较圆筒壳减薄一半。但为焊接方便以及降低边缘压力，半球形封头常和筒体取相同的厚度。,73,受内压球形封头计算壁厚与球壳相同。73,1.椭圆封头的结构 ：,为什麽要有直边？（1）保证封头的制造质量；（2）不连续点与环焊缝分开，从而避免边缘应力与焊接应力、膜应力集聚，降低合应力。,74,1.椭圆封头的结构 ：为什麽要有直边？（1）保证封头的制造质,椭圆形封头是由长短半轴分别为a和b的半椭球和高度为h。的短圆筒(通称为直边)两部分所构成。直边的作用是为了保证封头的制造质量和避免筒体与封头间的环向焊缝受边缘应力作用。,图4-4 椭圆形封头,椭球壳壁内应力的大小及变化受a/b值的影响，形状系数K,75,椭圆形封头是由长短半轴分别为a和b的半椭球和高度为h。的短圆,K-椭圆形封头形状系数的取值（P104表414）,76,K-椭圆形封头形状系数的取值（P104表414）76,图3-17 例3-2附图（2）,K与应力的关系,77,图3-17 例3-2附图（2）K与应力的关系77,结论：当椭球壳的长短半轴 a/b2时，椭球壳赤道上出现很大的环向应力，其绝对值远大于顶点的应力，从而引入形状系数K。（也称应力增加系数）,标准椭圆封头K=1（a/b=2）,计算厚度公式为,78,结论：当椭球壳的长短半轴 a/b2时，椭球壳赤道上出现很大,椭圆封头最大允许工作压力计算公式,GB150-1998规定,椭圆形封头标准为JBT473795,79,椭圆封头最大允许工作压力计算公式 GB150-1998规定,注意：1.加工减薄量由制作单位确定。 2.各参数的单位- 公式中只用 MPa 和 mm 。 3.对于同一容器上的圆筒与椭圆形封头，如果壁厚相同，椭圆形封头的强度高于圆筒。所以，水压试验强度校核时，校核筒体强度就可以了。（为什麽?） 4.直边高度按P105表4-15选取。,80,注意：1.加工减薄量由制作单位确定。80,碟形封头的组成,三、碟形封头,图4-5 碟形封头,81,碟形封头的组成 三、碟形封头图4-5 碟形封头81,1.碟形封头的结构：,特点：Ri/r值不同； 球面与摺边连接处的曲率突变。,应用：相同受力，碟形封头壁厚比椭圆形封头壁厚要大些，而且碟形封头存在应力不连续，因此没有椭圆形封头应用广泛。,82,1.碟形封头的结构：应用：相同受力，碟形封头壁厚比椭圆形封头,形状系数,计算厚度公式,GB150-1998规定,标准碟形封头计算厚度公式,83,形状系数 计算厚度公式 GB150-1998规定 标准碟形封,当碟形封头的球面半径Ri=0.9Di，过渡圆弧r=0.17Di时，称为标准碟面封头，M1.2,84,84,4.3.4球冠形封头,降低凸形封头高度，将碟形封头的直边及过圆弧部分去掉，只留下球面部分。也称无折边球形封头。,85,4.3.4球冠形封头降低凸形封头高度，将碟形封头的直边及过圆,式中 Di封头和筒体的内直径； Q 系数，见书P107图4-9。,2.壁厚计算公式：,86,式中 Di封头和筒体的内直径；2.壁厚计算公式：86,广泛应用于许多化工设备的底盖，它的优点是便于收集与卸除这些设备中的固体物料。此外，有一些塔设备上、下部分的直径不等，也常用锥形壳体将直径不等的两段塔体连接起来，这时的锥形壳体称为变径段。,四、锥形封头,87,广泛应用于许多化工设备的底盖，它的优点是便于收集与卸除这些设,推导：受均匀内压的锥形封头的最大应力在锥壳大端，有强度条件为厚度计算公式为加上接头系数得,锥形封头厚度计算公式,88,锥形封头厚度计算公式 88,Dc的取值：若无折边， DcDi若有折边，DcDi,89,Dc的取值：89,为减小边缘应力，锥形封头结构常有如下结构,（1）局部加强30的大端及45 的小端,(2)加过渡圆弧 30的大端及45 的小端,受内压无折边锥形封头,受内压带折边锥形封头,90,为减小边缘应力，锥形封头结构常有如下结构（1）局部加强(2),（一）无折边锥形封头或锥形筒体,适用于锥壳半锥角a3001、锥壳大端 a. 查图4-15，大端是否须加强,91,（一）无折边锥形封头或锥形筒体适用于锥壳半锥角a30091,c. 需加强，以降低联接处的局部应力。锥壳加强段和圆筒加强段厚度相同,Q为锥壳与圆筒联接处的应力增值系数，查图4-16,92,c. 需加强，以降低联接处的局部应力。锥壳加强段和圆筒加强段,2、锥壳小端（a450）a. 查图4-17，小端是否须加强,93,2、锥壳小端（a450）93,b. 不必局部加强，计算壁厚同大端,94,b. 不必局部加强，计算壁厚同大端 94,c. 需加强，加强段和圆筒加强段厚度相同,Q为锥壳与圆筒联接处的应力增值系数，查图4-18,95,c. 需加强，加强段和圆筒加强段厚度相同 Q为锥壳与圆筒联接,无折边锥壳（30，大端采用无折边结构， 45，小端采用无折边结构）,96,无折边锥壳（30，大端采用无折边结构， 45，小,3、无折边锥壳的厚度,锥壳厚度（4-27）,（4-28）（4-29） 统一厚度！,97,3、无折边锥壳的厚度锥壳厚度97,（二）折边锥形封头或锥形筒体,可降低应力集中，适用于锥壳大端半锥角a300 ，小端半锥角a450。当锥壳半锥角a600时，按平盖计算。大端r10%Di，且3r，小端r5%Di，且3r,98,（二）折边锥形封头或锥形筒体可降低应力集中，适用于锥壳大端半,1、锥壳大端 a. 过渡段的计算壁厚,99,1、锥壳大端 99,b. 与过渡段相连接处的锥壳计算壁厚,100,b. 与过渡段相连接处的锥壳计算壁厚 100,锥壳大端过渡段厚度与过渡段相连接处的锥壳厚度与锥壳大端相连接的筒体厚度结论（1）锥壳厚度筒体厚度过渡段厚度 （2）锥顶角越大，锥壳越厚,101,锥壳大端过渡段厚度101,2、锥壳小端a. 半锥角a450 ，小端无折边计算同前b. 小端有折边，过渡段厚度按（4-29）确定，Q值查图4-18。c. 半锥角a450 ，小端过渡段厚度仍按（4-29）确定，Q值查图4-19。,102,2、锥壳小端102,锥形封头的小端与接口管相连，一般不加过渡弧，但接口管应增厚，厚度取锥体厚度，加厚的长度：,103,锥形封头的小端与接口管相连，一般不加过渡弧，但接口管应增厚，,当锥壳大端或大、小段同时具有过渡弧段时，分别计算和确定锥壳各部分厚度，如只考虑一种厚度，取计算值中最大值作为折边锥壳的厚度。,104,当锥壳大端或大、小段同时具有过渡弧段时，分别计算和确定锥壳各,是常用的一种封头。其几何形状有圆形、椭圆形、长圆形、矩形和方形等，最常用的是圆形平板封头。在各种封头中，平板结构最简单，制造就方便，但在同样直径、压力下所需的厚度最大，因此一般只用于小直径和压力低的容器。但有时在高压容器中，如合成塔中也用平盖，这是因为它的端盖很厚且直径较小，制造直径小厚度大的凸形封头很困难。,五、平板封头,105,是常用的一种封头。其几何形状有圆形、椭圆形、长圆形、矩形和方,1.平板内应力状态,周边简支：,根据强度条件：,106,1.平板内应力状态周边简支：根据强度条件：106,周边固支：,根据强度条件：,实际情况是介于简支和固支中间，系数在0.188-0.31之间，归结为一个结构特征系数K（见表419）,107,周边固支：根据强度条件： 实际情况是介于简支和,平板封头厚度设计公式,平板封头的计算厚度 mm,计算直径 mm,计算压力 MPa,焊接接头系数,结构特征系数,材料在设计温度下的许用应力 MPa,108,平板封头厚度设计公式,4.3.7 例题,确定精馏塔封头形式及尺寸。塔径Di=600mm，壁厚Sn=7mm，材质为16MnR（GB6654-96) ，计算压力Pc=2.2MPa, 工作温度t=-3-20C。【解】确定参数： Pc=2.2MPa， Di=600mm，C2=1mm,=170MPa 。封头材质选16MnR（GB6654-96) 1.半球形封头 补充参数：半球形封头与筒体连接的环焊缝属于封头内的部分，采用带垫板单面对接焊，局部无损探伤， =0.8 。计算壁厚为：,d=2.4+1.0=3.4(mm) C1=0.25mm名义壁厚为 n=3.4+0.25=3.65(mm) 取4mm。n=3.7mm,板厚仍然为4mm。,109,4.3.7 例题 确定精馏塔封头形式及尺寸。塔径Di=60,2.用标准椭圆形封头此封头可以整板冲压，=1。 计算壁厚为：,d=3.9+1.0=4.9(mm) 取C1=0.25mm名义壁厚为 n=4.9+0.25=5.15(mm)板厚为6mm。,3.采用标准碟型封头,d=4.67+1.0=5.67(mm) 取C1=0.25mm, 名义壁厚为 n=5.67+0.25=5.92(mm) 取6mm。,110,2.用标准椭圆形封头d=3.9+1.0=4.9(mm),（4）采用平板封头板厚计算公式为：,选结构形式为表4-19中第9种，K=0.3 ，f=1 ，Dc=600mm。p=37.4(mm) .d=37.4+1=38.4(mm)查得C1=0.25mm,名义壁厚为n=38.65mm,圆整后取40mm。,111,（4）采用平板封头 选结构形式为表4-19中第9种，K=0.,各种封头计算结果比较,112,各种封头计算结果比较封头形式 壁厚 总深度理论面积 重量,单位容积的表面积，半球形封头为最小。椭圆形和碟形封头的容积和表面积基本相同，可以认为近似相等。,封头的选择主要根据设计对象的要求，并考虑经济技术指标。,六、封头的选择,1、几何方面,113,单位容积的表面积，半球形封头为最小。封头的选择主要根据设计对,半球形封头的应力分布最好椭圆形封头应力情况第二碟形封头在力学上的最大缺点在于其具有较小的折边半径r平板受力情况最差,封头愈深，直径和厚度愈大，制造愈困难,2、力学方面,3、制造及材料消耗方面,114,半球形封头的应力分布最好封头愈深，直径和厚度愈大，制造愈困难,各种封头的结构特性总结,半球形封头 单位容积的表面积最小，是最理想的受力形式，但深度大，制造困难,115,各种封头的结构特性总结半球形封头115,椭圆形封头 受力不如半球形均匀，与相同厚度筒体连接可达到与筒体等强度，制造容易,116,椭圆形封头116,碟形封头 在过渡区边界上不连续应力较大，受力状况不佳,117,碟形封头117,球冠形封头 结构简单，制造方便，但在连接处产生相当大的连续应力，一般用于压力不高的场所,118,球冠形封头118,锥形封头 结构不理想，但锥顶受力强度很高，一般不需要补强。平板封头 结构简单，制造容易，但受力最差,119,锥形封头119,