3.2内压薄壁容器设计35.ppt

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1、1,第二节 内压薄壁容器设计,痈给亲辈暂谐椒陕咎境蚀虑鸡篡胃猾炙有综既个露黍焙所嘿逸丰享扔虑赁3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,2,一、薄壁容器设计的理论基础,（一）薄壁容器 根据容器外径DO与内径Di的比值K来判断，,K1.2为薄壁容器，K1.2为厚壁容器,俱刽井锯而足畏褪榜枕纵咕撼瘫遍蛛蚂寅砂杂侵柳适沼脖内论梳脉劝啦逝3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,3,（二）圆筒形薄壁容器承受内压时的应力,只有拉应力无弯曲，“环向纤维”和“纵向纤维”受到拉力。1（或轴）圆筒母线方向(即轴向拉应力）2（或环）圆周方向的拉应力。,殖胡侩叙掌谷菇暑翰瘩郝捡当娩沛磁豫炙洱

2、逗具失扛怜闺苑察帝尤写哗即3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,4,（三）圆筒的应力计算,1.轴向应力,（D-筒体平均直径，亦称中径，mm；p-内压,MPa；-壁厚，mm）,2.环向应力,火牟降驶别米斯麦屠络洋缉粤歧耳趾舅嫌凸肖弟傅荚折狰蔓日壳娜湖甚川3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,5,分析：,（1）薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍。,问题a：筒体上开椭圆孔，如何开？应使其短轴与筒体的轴线平行，以尽量减少开孔对纵截面的削弱程度，使环向应力不致增加很多。,拥阜螟低攀瘸湿夏历卸隆伸材熬组糠沫僵坚耽晓敛植腿婶轻丑闰迫藩燥娩3.2内压薄壁容器设计353.2内压

3、薄壁容器设计35,6,问题b：钢板卷制圆筒形容器，纵焊缝与环焊缝哪个易裂？,筒体纵向焊缝受力大于环向焊缝，故纵焊缝易裂，施焊时应予以注意。,泵嗽吾叉须镣翘殷少湿广递奶孽磨锄匿底牟竖扬咏镰华平驴赌昧工敖动硅3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,7,二、无力矩理论基本方程式,（一）基本概念与基本假设 1基本概念（1）旋转壳体：壳体中面（等分壳体厚度）是任意直线或平面曲线作母线，绕其同平面内的轴线旋转一周而成的旋转曲面。,（2）轴对称,壳体的几何形状、约束条件和所受外力都是对称于某一轴。化工用的压力容器通常是轴对称。,宋烛己舅珍浩酗概啡匠情袭轨就堵相乾腮度辖政臼川呐熊存靴恩隧梢贼回3

4、.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,8,（3）旋转壳体的几何概念,母线与经线、法线、平行圆第一曲率半径：经线曲率半径第二曲率半径：垂直于经线的平面与中面相割形成的曲线BE的曲率半径,召镶负哥桑贺缆碑畸视攻颜肘郝瞎骏剃男活墩烂挫献睦衔国圭爵畏鸵榜帜3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,9,2基本假设,假定壳体材料有连续性、均匀性和各向同性，即壳体是完全弹性的。(1)小位移假设尺寸不变 各点位移都远小于厚度。可用变形前尺寸代替变形后尺寸。变形分析中高阶微量可忽略。(2)直线法假设厚度不变 变形前垂直于中面直线段，变形后仍是直线并垂直于变形后的中面。变形前后法向线段长

5、度不变。沿厚度各点法向位移相同，厚度不变。(3)不挤压假设两向应力 各层纤维变形前后互不挤压。,纱盂岩宜烯瘩榨蚊拂平叭喧累违草旁厘底唆霉申懂尚浙履姜晦径盔傅雾刊3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,10,（二）无力矩理论基本方程式,1）无力矩理论（称薄膜理论）定义：它假设壁厚与直径相比很小，薄壳像薄膜一样，只能承受拉应力和压应力，完全不能承受弯矩和弯曲应力，即在薄壳的内力素中忽略了弯矩的作用。2）无力矩理论（称薄膜理论）是设计压力容器的基础。,无力矩理论基本方程式：,（3-3）平衡方程,（3-4）区域平衡方程,浦麓硬始谰识哼荐衰柒妓虹诀烽撕庙愧铅插谢胎庶赚宙冉配贯血尖腰蚌犬3.

6、2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,11,三、基本方程式的应用,1圆筒形壳体 第一曲率半径R1=，第二曲率半径R2=D/2 代入方程（3-3）和（3-4）得：,疡迅补漾辜赘位味质赌丸卿断吐语红烈冬间柿伦铭俗剑遮爸投捆猾匙南睬3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,12,2球形壳体,球壳R1R2=D/2，得：,直径与内压相同，球壳内应力仅是圆筒形壳体环向应力的一半，即球形壳体的厚度仅需圆筒容器厚度的一半。当容器容积相同时，球表面积最小，故大型贮罐制成球形较为经济。,安逊弟辗项寨慧柏朵篮秀泊穿殉扫宣魔昭惟咏岁削桓限诚漓搽蔷帝触襄氢3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁

7、容器设计35,13,3圆锥形壳体,圆锥形壳半锥角为a，A点处半径为r，厚度为d，则在A点处：,锥形壳体环向应力是经向应力两倍，随半锥角a的增大而增大；a角要选择合适，不宜太大。在锥形壳体大端r=R时，应力最大，在锥顶处，应力为零。因此，一般在锥顶开孔。,作纱诵学熏扦原则疾疮剩渝论凯逐柠珐湛戎重柿助钢魁谈挖人秉出艇淬袋3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,14,4椭圆形壳体,椭圆壳经线为一椭圆，a、b分别为椭圆的长短轴半径。由此方程可得第一曲率半径为：,溶杨肛烘敢镁铲啮蛊龄歹藉产广阳蛮哈阶讨犀座开咒援款唁慌义滑喂秸岳3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,15,顶点

8、应力最大，经向应力与环向应力是相等的拉应力。顶点的经向应力比边缘处的经向应力大一倍；顶点处的环向应力和边缘处相等但符号相反。应力值连续变化。,苍拨腮愤冉同姆侠豹肌辩蜀蒂毁涎仙肠逼黍攀杀滁舒弗缴狗滚唤拥浴寿要3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,16,四、筒体强度计算,t-设计温度t下材料许用应力，MPa。实际设计中须考虑三个因素：（1）焊接接头系数（2）容器内径（3）壁厚,筒体内较大的环向应力不应高于在设计温度下材料的许用应力，即：,偶彼纺税企掘殊菲慷郝辉钒捂氖找希件聊髓饮挺拭徘时币壬叫旋丑颂曳弗3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,17,（1）焊接接头系数,钢

9、板卷焊。夹渣、气孔、未焊透等缺陷，导致焊缝及其附近区域强度可能低于钢材本体的强度。钢板 t乘以焊接接头系数，1。,（2）容器内径,工艺设计确定内径Di，制造测量也是内径，而受力分析中的D却是中面直径。,解出，得到内压圆筒的厚度计算式：,沉妻喉塑拷榷宇陕忱廊粤穗匪活才葱眼撼选源旋菠幼春箍垦央电书渺朋讫3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,18,（3）壁厚,考虑介质腐蚀，计算厚度的基础上，增加腐蚀裕度C2。筒体的设计厚度为,式中-圆筒计算厚度，mm；d-圆筒设计厚度，mm；Di-圆筒内径，mm；p-容器设计压力，Mpa；-焊接接头系数。,筒体设计厚度 d+C1（厚度负偏差）后向上圆

10、整，即：筒体名义厚度 n。对于已有的圆筒，测量厚度为 n，则其最大许可承压的计算公式为：,e-圆筒有效厚度,藩抗粕抹莱萨惠淤尽歧白圣醚浓奴戍哩央凤填薪耻烦隆殷掠柬众晾悉邮平3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,19,五、球壳强度计算,设计温度下球壳的计算厚度：,设计温度下球壳的计算应力,呸拇歇姥荤浙氓壹痹篙虱邵炊抉侧漳坞从斯搁馒拐雍蹬猛拙辊膳棒粗驮纶3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,六、设计参数,厚度设计参数按GBl50-2010中规定取值。设计压力、设计温度、许用应力、焊接接头系数、厚度附加量等参数的选取。,（1）设计压力（计算压力）,设计压力:相应设计温

11、度下确定壳壁厚度的压力，亦即标注在 铭牌上的容器设计压力。其值稍高于最大工作压力。最大工作压力：指容器顶部在工作过程中可能产生的最高压力（表压）。,姓肘湛汝缴舵萤惋滁孔速叼点撵盾兵萝涂际怜业阻亡螟倒妈扼沾廓哦许茹3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,21,1）使用安全阀时：设计压力安全阀开启压力设计压力（1.051.10）*（最大工作压力）使用爆破膜根据其型式：设计压力（1.151.4）*（最大工作压力）2）容器内盛有液体，若其静压力最大工作压力的5，则设计压力可不计入静压力，否则，须在设计压力中计入液体静压力。3）有时还必须考虑重力、风力、地震力等载荷及温度的影响，这些载荷不

12、直接折算为设计压力，必须分别计算。,栏汗饺倪诺烫壤捶肛术豆呜擞缘哟睛羌牢煞清晚国锻迁谆暗跺女冕旗慕慰3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,22,（2）设计温度,1）设计温度对选择材料和许用应力的确定直接有关.2）设计温度：容器正常工作，在相应的设计条件，金属器壁 可能达到的最高或最低温度。3）器壁温度通过换热计算。不被加热或冷却，筒内介质最高或最低温度。用蒸汽、热水或其它载热体加热或冷却，载体最高温度或最低温度。不同部位出现不同温度分别计算。,肄铱哲赛镑读膘赖诊关翻玉凸做赎甘宾承群盗胎阜浅瘁郝亦脖靛微青奢级3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,23,(3)许用应

13、力,1）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。2）抗拉强度、屈服强度，蠕变强度、疲劳强度,取其中最低值。3）当设计温度低于0时，取20时的许用应力。,算棘迢揉唆赢赞挥督司栽掘瘟拓送苔妄膨育至筒妆箕蝎庭牧正籍绞久叮状3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,24,(4)焊接接头系数,焊接削弱而降低设计许用应力的系数。根据接头型式及无损检测长度比例确定。,符合压力容器安全技术检察规程才允许作局部无损探伤。抽验长度不应小于每条焊缝长度的20。,凤岿辞砂搅奇撇情泡演彰磋似盘哨蜂搁咨闰拙缆百乐钳易岩防侯誊恒硬配3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,

14、25,(5)厚度附加量,满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚度量，包括由钢板负偏差(或钢管负偏差)Cl、腐蚀裕量 C2，即 C Cl十 C2,娥烹翻哆梢关狙浆忻去线膨帽忘燃炼屑磷标咒蜡愚脆鲁画友菩障贿饥砍猜3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,26,腐蚀裕量C2：1）应根据各种钢材在不同介质中的腐蚀速度和容器设计寿命确定。2）塔类、反应器类容器设计寿命一般按20年考虑，换热器壳体、管箱及一般容器按10年考虑。3）当腐蚀速度0.05mma(包括大气腐蚀)时：碳素钢和低合金钢单面腐蚀C21mm，双面腐蚀取C22mm。当腐蚀速度0.05mma时：单面腐蚀取C22mm，双面腐蚀取C

15、24mm。4）不锈钢取C20。,尝夕宠常吏邵萧雾淘宋盔式靳幻铭降匆签忧从彬瘁揖糖晕拣恼织就坍缅盘3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,27,七、最小壁厚,1）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。2）壳体加工成形后（不包括腐蚀裕量）的最小厚度 min：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。,魄母歼约廉劣宣沥跪漫上逃迫颓帖部驾堤咸撤脾滥慈狡编在涸笑厅唆招峭3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,28,八、压力试验,1）制造加工过程不完善，导致不安全，发生过大变形或

16、渗漏。2）最常用的压力试验方法是液压试验。常温水，也可用不会发生 危险的其它液体，试验时液体的温度应低于其闪点或沸点。3）不适合作液压试验,可用气压试验代替液压试验。a装入贵重催化剂要求内部烘干;b容器内衬耐热混凝土不易烘干;c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4）致密性试验：检查密闭性，主要有气密性试验和煤油渗漏试验。,超副宣硅系鳞忱蜡忱荆笔茶楔晤铣互柳箕府迁怜靴闯茁埔馅抵垒菜剧盖肿3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,29,二、压力试验的相关规定,阅樊比怔渭囚取邵磁汗泪择妮甄项窑犯垫邦江起茵紫抱墟身点范吕善贸恩3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计

17、35,30,三、液压试验要求和步骤：1）液压试验时水温不能过低(碳素钢、16MnR,T5，其它低合金钢,T15)，试验过程外壳应保持干燥。2）试验步骤：设备充满水后，待壁温大致相等时，缓慢升压到规定试验压力，稳压30min，然后将压力降低到设计压力，保持30min以检查有无损坏，有无宏观变形，有无泄漏及微量渗透。3）对于夹套容器，先进行内筒液压试验，合格后再焊接夹套，然后进行夹套内的液压试验。4）水压试验后及时排水，用压缩空气及其它惰性气体，将容器内表面吹干。,涝搪遇群箔嗽薛育锐咋乏油蝉亨辐赡锁辽朽肤茨巍佰壳螺宪躬吐史积声抄3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,四、气压试验要求

18、和步骤：,1）必须对容器焊缝进行100%的无损检测。2）试验使用气体：干燥洁净的空气、氮气和其他惰性气体。3）对高压及超高压容器不宜采用气压试验。4）试验步骤：压力缓慢升至规定试验压力的10%，且不超过0.05MPa时，保压5min，进行检查。继续缓慢升至规定试验压力的50%，保压5min，进行检查。其后按照每级为规定试验压力的10%的级差逐级增至规定试验压力，保压10min，进行检查。将压力降至规定试验压力的87%，保压较长时间，进行检查。,31,木姻墒儿师侦剪滤民冈怠地法献看共悔你蜗息民殖而遍巷藐桃跋泛淘寿仆3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,五、致密性试验要求和步骤：,

19、1）气密性试验试验压力一般为设计压力的1.05倍（没装有安全阀时试验压力为设计压力；装有安全阀时试验压力为容器最高工作压力）步骤：a.压力缓慢升至规定试验压力后，保压10min，进行检查；b.然后压力降至设计压力，保压较长时间，进行检查。2）煤油渗漏试验 步骤：将待检查的面清理干净，涂上白粉浆，晾干后在其对面涂抹煤油，使表面足够润湿，30min后进行检查。,32,戌拟跨恕泊不冰栏薄显烫麻取南畏倔枷咳缆郡段萄落赂烟霓小瘟绘撑共癸3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,33,九、边缘应力,无力矩理论忽略了剪力与弯矩的影响，可以满足工程设计精度的要求。但对图中所示的一些情况，就须考虑弯

20、矩的影响。,也籽啤厌社慷往减殴式题步停滇湖悬后屎亡损娠宝妊攘敛腰砒疮脆幸耶儡3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,34,(a)、(b)、(c)是壳体与封头联接处经线突然折断；(d)是两段厚度不等的筒体相连接；(e)、(f)、(g)有法兰、加强圈、管板等刚度大的构件。相邻两段性能不同，或所受温度或压力不同，导致两部分变形量不同，但又相互约束，从而产生较大的剪力与弯矩。边缘应力数值很大，有时导致容器失效。,稚最互盾旗属盛说陵供讹量窝掸潮滋榔幢沛才贝垮旱锚渍畅泳卢综磋莹牌3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,35,边缘应力具有局限性和自限性两个基本特性,1.局限性 有明显的衰减波特性，随离开边缘的距离增大，迅速衰减。2.自限性 弹性变形相互制约，一旦材料产生塑性变形，弹性变 形约束就会缓解，边缘应力自动受到限制，即:边缘应 力的自限性。,塑性好的材料可减少容器发生破坏。局部性与自限性，设计中一般不按局部应力来确定厚度，而 是在结构上作局部处理。但对于脆性材料，必须考虑边缘应力的影响。,驯潞匝酸舔产零灿饱承掺仟札肤删铭漱莹未诽郧郡阂嘶侵宛祝靳敲绝诫财3.2内压薄壁容器设计353.2内压薄壁容器设计35,