内压薄壁圆筒的强度设计课件.pptx

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1、1,内压薄壁圆筒的强度设计,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,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。,一、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

2、,4,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,安全裕度,许用应力,MPa,2、强度安全条件,5,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,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,2、常用强度理论,7,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

3、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.,8,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,二、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,9,参数变换：,1.将中径换算为圆筒内径，D=Di+S;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(1)；4.材料的许用应力与设计温度有关。,10,内压圆筒强度计算公式：,再考虑腐蚀裕量C2,于是得到圆筒的设计壁厚为：,计算壁厚公式：,11,在公式（3-6a）基础上，考虑到钢板的负偏差C1（钢板在轧制

4、时产生了偏差）名义壁厚公式：,再根据钢板标准规格向上圆整。Sn最终名义厚度。这是写在图纸上的钢板厚度！,12,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,13,公式的适用范围为,2、内压球形壳体,14,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

5、确定,1、压力,15,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。,16,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。,看看安全阀的工作情况,17,（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。P44 表3-1。,防爆膜装置示意图,看看爆破片的工作情况,18,（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

6、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？,19,（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)。,20,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，

7、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？,21,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：

8、一立式容器，工作压力0.5MPa，液体深10m，重度为10,000N/m3。,pw=0.5MPa,p=0.5MPapc=0.5+(1010,000)/1,000,000=0.6MPa,22,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,23,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P44表3-2。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。,24,（1）极限应力,极限应力

9、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,25,常温容器,中温容器,高温容器,高温式中-设计温度下材料的蠕变强度和 持 久强度。-蠕变强度和持久强度的安全系数。,26,（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,钢材的安全系数,27,影响安全系数的因素：,计算方法的准确性、可靠性和受力分析的精度；材料质量和制造的技术水平；容器的工作条件及其在生产中的重要性和危险性。,28,4.焊接接头系数（f）,容器上存在有：纵焊缝-A类焊缝环

10、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？,29,常见的焊接形式：,30,31,32,常见对接焊焊缝结构：,33,34,35,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：,36,焊接缺陷,37,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。,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f（1）。,f,38,焊接接头

11、系数（f）：,39,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？,40,5.壁厚附加量,容器壁厚附加量（1）钢板或钢管厚度负偏差 C1:例如，,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 C2,41,在设计容器壁厚时要-预先考虑负偏差。,C1 钢板厚度负偏差,1、钢板负偏差参见P49表

12、3-7选取；钢管厚度负偏差参见相关文件。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。,42,（2）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。,43,1.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

13、？,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！,44,6.直径系列与钢板厚度,要按照钢板厚度尺寸系列标准GB/T709-2001的规定选取。P50表3-10。,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。,筒体直径是否可以随意定？,45,（三）、容器的壁厚和最小壁厚,1.容器壁厚的定义,实际壁厚不得小于名义壁厚减去钢板负偏差，可保证强度要求！热加工封头时，加工单位应预先考虑加工减薄量！,46

14、,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.,47,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,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。,（四）、容器耐压试验及其强度校核,要知道！,（1）需要焊后热处理的容器，须热处理后进行 压力试

15、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；,48,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,p设计压力 MPa;-元件材料在实验温度下的许用应力，MPa;t元件材料在设计温度下的许用应力，MPa。,49,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,50,液压试验,气压试验,

16、气密性试验,压力试验的种类,3.压力试验的要求与试验方法,51,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,52,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,53,气压试验不适合液压试验的，如因结构缘故排液或充液困难，或容器内不允许残留微量液体时采用。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。,54,五、例题

17、,【例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,55,（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。,56,（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。,57,例2 设计锅炉汽包的筒体壁厚。

18、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。,58,3.计算壁厚,4.设计壁厚：Sd=S+C2=61.

19、5+1.0=62.5(mm),查表4-9得C1=1.8(mm)壁厚附加量C=C1+C2=0.25+1.0=1.25(mm)5.名义厚度 Sn=S+C+圆整量 61.5+1.25=62.75(mm)，圆整后为65（mm)。,59,6.校核水压试验强度水压试验强度条件为：,式中,Se=Sn-C=65-2.8=62.2(mm),则 sT=234.9(MPa)。而 0.9fss=0.91410=369(MPa)sT 0.9fss水压试验合格。,60,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sb=785MP

20、a,ss=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,Sn=6.5mm,无缝钢管f=1，C2=1mm,实测壁厚6.5mm，则C1=0,Se=6.5-1=5.5mm,许用应力求取：st=minsb/nb,ss/ns=min785/3,510/1.6=262(MPa)。,61,2.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。,62,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经，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。,