化工设备设计基础第8章内压薄壁圆筒与封头的强度设计.ppt

第八章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计,第一节 强度设计的基本知识第二节 内压薄壁圆筒的强度设计第三节 内压圆筒封头的设计,强度设计的任务：根据给定的公称直径以及设计压力和温度，确定合适的壁厚，设计出合理的结构，以保证设备安全可靠地运行。内压薄壁圆筒和封头的强度计算公式，推导过程：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。,第一节 强度设计的基本知识,一、关于弹性失效的设计准则二、强度理论及其相应的强度条件,一、关于弹性失效的设计准则,1.弹性失效准则容器上任一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点s，容器即告失效（指容器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，即当s。2.强度安全条件为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：,二、强度理论及其相应的强度条件,复杂应力状态的强度条件，要解决两方面的问题：一是根据应力状态确定主应力；二是确定材料的许用应力。,内压薄壁容器的主应力：,二、强度理论及其相应的强度条件,1.第一强度理论的强度条件,2.第三强度理论的强度条件,3.第四强度理论的强度条件,【备注】压力容器都是采用塑性材料制造的，我国压力容器设计采用第一强度理论。,采用第一和第三强度理论，薄壁容器的强度条件形式上是一样的！,第二节 内压薄壁圆筒和球壳的强度设计,一、强度计算公式二、设计参数的确定三、容器的壁厚和最小壁厚四、压力试验及其强度校验,一、强度计算公式,1.圆筒强度计算公式的推导,平均直径D换算为圆筒内径（D=Di+S），压力换为计算压力Pc，考虑焊接制造因素,计算壁厚公式,考虑腐蚀裕量C2，得到圆筒的设计壁厚,设计壁厚公式,设计壁厚加上钢板厚度负偏差C1，再根据钢板标准规格向上圆整确定选用钢板的厚度，即名义壁厚（Sn），即为图纸上标注厚度。,1.1 钢板卷制筒体（内径Di为基准）,一、强度计算公式,1.圆筒强度计算公式的推导,计算壁厚公式,设计壁厚公式,1.2 无缝钢管作筒体（外径DO为基准）,一、强度计算公式,2.圆筒强度校核与许用压力确定,2.2已有设备确定许用压力,2.1已有设备强度校核,外径为基准,内径为基准,外径为基准,内径为基准,一、强度计算公式,3.球形容器厚度计算及校核计算公式,3.2校核计算公式,3.1厚度计算公式,设计壁厚,计算壁厚,确定最大允许工作压力,已有设备强度校核,一、强度计算公式,4.公式符号意义,Pc计算压力，MPa；Di筒体内径，mm；Do筒体外径，mm；S筒体的计算壁厚，mm；Sd筒体的设计壁厚，mm，Sd=S+C2；Sn筒体的名义壁厚，mm。Sn=Sd+C1+=S+C1+C2+，-圆整量Se筒体的有效壁厚，mm，Se=Sn-C；t筒体材料在设计温度下的许用应力，MPa；焊缝系数；C2腐蚀裕量，mm；C1钢板厚度负偏差，mm；C壁厚附加量，mm，C=C1+C2。,二、设计参数的确定,1.设计压力与计算压力,1.1最高工作压力Pw正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。1.2设计压力P指设定的容器顶部的最高工作压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不得小于最高工作压力。指整台设备的载荷条件。【注意】设计压力的确定：1.容器上装安全阀时：取P1.05Pw1.1Pw2.单个容器无安全泄放装置：P=1.01.1Pw3.外压容器：取不小于在正常操作工况下可能产生的内外压差1.3计算压力Pc在相应的设计温度下用以确定元件厚度的压力，包括液柱静压力，当液柱静压力小于5设计压力时可忽略不计。,二、设计参数的确定,2.设计温度,设计温度是指容器正常工作情况下，设定的元件金属温度（沿元件金属截面温度平均值）。设计温度是选择材料及确定材料许用应力时的一个基本设计参数。,设计温度必须在材料允许的使用温度范围内，可在-196钢材的蠕变温度内确定。,二、设计参数的确定,3.许用应力和安全系数,3.1极限应力的取法压力容器设计中用屈服点s、抗拉强度b作为计算许用应力的极限应力,常温容器,中温容器,高温容器,二、设计参数的确定,3.许用应力和安全系数,3.2安全系数安全系数的影响因素：计算方法的准确性、可靠性和受力分析的的精确程度；材料的质量和制造的技术水平；容器的工作条件以及容器在生产中的重要性和危险性。,二、设计参数的确定,4.焊缝系数,焊缝区强度降低的原因：焊接焊缝时可能出现缺陷而未被发现；焊接热影响区往往形成粗大晶粒区而使强度和塑性降低；结构性约束造成焊接内应力过大等。焊缝系数的影响因素焊接接头的型式和无损检测的比例。双面焊或相当于双面焊的全焊透结构对接接头：100探伤=1.0；局部探伤=0.85。单面焊的对接接头：100探伤=0.9；局部探伤=0.8。,二、设计参数的确定,5.壁厚附加量,壁厚附加量包括钢板或钢管厚度的负偏差Cl和腐蚀裕量C2，即 C=Cl+C2钢板和钢管厚度的负偏差C1钢板和钢管的厚度负偏差，按相应的钢板或钢管标准选取，应按名义厚度Sn选取。腐蚀裕量C2腐蚀裕量由介质对金属材料的腐蚀速度与容器的设计寿命决定。容器的各元件受到的腐蚀程度不同时，可取不同的腐蚀裕量。,卷制压力容器公称直径系列,二、设计参数的确定,6.直径系列与板材厚度,钢板常用厚度,三、容器的壁厚和最小壁厚,1.各种壁厚之间的关系,2.最小壁厚,压力很低的容器，按强度公式计算出的壁厚很小，不能满足制造、运输和安装时的刚度要求，需规定一最小壁厚。,碳素钢和低合金钢容器：Smin3mm；不锈钢制容器：Smin2mm。,计算壁厚设计壁厚名义壁厚有效壁厚,四、压力试验及其强度校验,压力试验和气密试验目的检验容器的宏观强度和有无渗漏现象。,1.试验压力,液压试验,气压试验,PT试验压力，立式容器卧置作液压试验时，试验压力应为立置时的试验压力PT加液柱静压力；P设计压力；试验温度下材料的许用应力；t设计温度下材料的许用应力；,四、压力试验及其强度校验,2.压力试验的要求与试验方法,2.1 液压试验将容器充满液体，待容器壁温与液体温度相同时缓慢升压到规定试验压力后，保压时间一般不小于30分钟，然后将压力降到规定试验压力的80，并保持足够长时间以对所有焊缝和连接部位进行检查。一般采用洁净水进行试验。不锈钢容器用水进行试验时，水中氯离子含量不超过25ppm，以防氯离子腐蚀。采用石油蒸馏产品进行液压试验，试验温度应低于石油产品的闪点或沸点。试验温度应低于液体沸点温度，对新钢种的试验温度应高于材科脆性转变温度。碳素钢、16MnR和正火的15MnVR钢制容器液压试验时，液体温度不得低于5，其他低合金钢制容器（不包括低温容器）液压试验时，液体温度不得低于15。液压试验完毕后，应将液体排尽并用压缩空气将内部吹干。,四、压力试验及其强度校验,2.压力试验的要求与试验方法,2.2气压试验气压试验适用场合。试验介质要求：干燥、洁净的空气、氮气或其他惰性气体，试验气体温度一般应不低于15。试验程序是：缓慢升压至规定试验压力的10，且不超过0.05MPa，保持5分钟，然后对所有焊缝和连接部位进行初次检查；合格后继续升压到规定试验压力的50，其后按每级为规定试验压力的10的级差逐渐升压到试验压力，保持10分钟后，然后再降到试验压力的87，保持足够时间并同时进行检查。2.3气密试验容器须经液压试验合格后，方可进行气密试验。首先缓慢升压至试验压力保持10分钟，然后降至设计压力，同时进行检查，气体温度应不低于5。,四、压力试验及其强度校验,3.压力试验时的强度校核,压力试验时，容器壁内的最大应力不得超过所用材料在试验温度下屈服点的90（液压试验）或80（气压试验）。,液压试验,气压试验,五、典型例题,【例81】一锅炉汽包，Di=1300 mm，Pw=15.6 MPa，装有安全阀，设计温度为350，材质为18MnMoNbR，采用双面对接焊缝，100探伤，试确定汽包的壁厚Sn。,【例82】一旧氧气瓶，材质为40Mn2A，D0219mm，系无缝钢管收口而成，实测最小壁厚Sn6.5mm，已知材料b=784.8MPa，s=510.12MPa，=18%，设计温度为常温。今预充15MPa的压力使用，问强度是否够？如不够，该气瓶的最大允许工作压力为多大？,第三节 内压圆筒封头的设计,一、半球形封头二、椭圆形封头三、碟形封头四、无折边球形封头五、锥形封头六、平板封头七、封头的选择,一、半球形封头,计算壁厚公式,【备注】球形封头壁厚较相同直径与压力的圆筒壳减薄一半。在实际工作中，为了焊接方便以及降低边界处的边缘应力，半球形封头常和筒体取相同的厚度。,二、椭圆形封头,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h0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。,1.结构特点,二、椭圆形封头,当m=a/b2时，最大应力在椭圆壳的顶点,2.壁厚计算公式,将a/b=m，a=D/2代入得：,强度条件,考虑焊缝系数，D=Di+S，m=Di/2hi代入强度条件得：,标准椭圆封头m=a/b=2,二、椭圆形封头,如果m=a/b2时，椭圆封头赤道上出现很大的环向应力，绝对值远大于顶点的应力，引入封头的形状系数K，得椭圆封头的通用壁厚计算公式为：,2.壁厚计算公式,3.许用压力计算公式,【备注】封头的直边高度与材质、壁厚和圆筒的公称直径有关。,三、碟形封头,1.几何特点,半径Ri的球面；半径为r的过渡圆弧；高度为h0的直边。,2.壁厚计算公式,Ri碟形封头球面部分内半径；r过渡圆弧内半径；M碟形封头形状系数；,三、碟形封头,2.壁厚计算公式,球面内半径Ri=0.9Di，过渡圆弧内半径r=0.17Di时为标准碟形封头。M=1.325，标准碟形封头的壁厚计算公式为：,3.碟形封头的许用压力公式,四、无折边球形封头,1.结构特点,2.壁厚计算公式,Q-系数，查相关图表求得。【注意】任何情况下，与无折边球形封头连接的圆筒厚度应不小于封头厚度。,四、无折边球形封头,五、锥形封头,1.结构特点,优点：便于收集与卸除设备中的固体物料；还可作为塔设备的变径段。,最大应力公式,强度条件,壁厚计算公式,2.壁厚计算公式,五、锥形封头,3.工程中的锥形封头结构,无折边锥形封头,带折边锥形封头,六、平板封头,1.平板封头应力特点,根据弹性力学的小挠度薄板理论，受均布载荷的平板，壁内产生两向弯曲应力：一是径向弯曲应力r，一是切向弯曲应力t。,周边固支,周边简支,薄板的最大弯曲应力max与(R/S)2成正比，而薄壳的最大拉(压)应力max与R/S成正比。,六、平板封头,2.平板封头的用途,平板封头结构简单，制造方便，在压力不高，直径较小的容器中，采用平板封头比较经济简便。压力容器人孔、手孔；高压容器平板封头。,3.平板封头壁厚计算公式,K-与约束情况相关的结构特征系数,七、封头的选择,1.几何方面,半球形封头单位容积的表面积最小。椭圆形和碟形封头的容积和表面积基本相同。,2.力学方面,半球形封头标准椭圆形封头碟形封头无折边球形封头锥形封头锥顶部分强度很高，锥顶尖开孔一般不需要补强。,3.制造及耗材,敲打、冲压、滚卷或爆炸成型。封头愈深，直径和壁厚愈大，则封头制造愈困难，尤其是当选用强度级别较高的钢材时更是如此。,例题,确定一精馏塔封头的尺寸。已知塔的Di=600mm，Sn=7mm，材质为16MnR，设计压力p=2.2MPa，工作温度t=-3-20。,本题要求分别采用凸形封头（半球形、椭圆形、碟形封头）和平板封头并加以对比。,