内压薄壁容器的设计.ppt

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1、第四节 内压薄壁容器的设计计算,一、引言二、圆筒和球壳的设计计算三、设计参数的规定四、压力试验五、封头的设计计算,第四节 内压薄壁容器的设计计算,一、引言,(一)设计内容 根据工艺条件和要求，进行结构设计、计算与密封设计。结构设计：满足工艺、制造、检验、使用和维修等要求，设计适用、合理、经济的结构形式；设计计算：通过强度和稳定性计算，确定结构尺寸，选择合适的材料，以确保容器安全可靠地运行；密封设计：选用或设计合理的密封结构及适宜的密封材料。,(二)设计方法常规设计 按GB150 进行设计。该标准采用弹性失效准则，并限制壳体中的基本(薄膜)应力不超过材料的。而对由于结构不连续引起的边缘应力，以应

2、力增强系数引入壁厚公式，或在结构上加以限制，或在材料选择、制造工艺等方面给以不同要求。,第四节 内压薄壁容器的设计计算 一、引言,(三)强度理论,根据材力，对于金属材料宜采用第三、第四强度理论，但第一强度理论在容器设计历史上使用最早，具有成熟的经验，而且由于强度条件不同而引起的误差已考虑在安全系数内，所以至今压力容器常规设计仍采用第一强度理论，即,注：为构件危险点上的主应力，且。,工艺条件与用户基本要求 分析工艺条件，确定设计参数 选择合适的规范和标准 强度和稳定性计算 确定构件尺寸和材料 绘制施工图并提出有关技术要求,第四节 内压薄壁容器的设计计算 一、引言,(四)压力容器设计的基本步骤,(

3、一)圆筒,第四节 内压薄壁容器的设计计算,二、圆筒和球壳,由于工程中一般以内径Di表示，即2R=Di+t；同时考虑到焊接接头对材料强度的削弱，引入系数，故：,由第一节可知，在内压p 作用下，筒体中的薄膜应力为：,显然，按第一强度理论可得：,(c),解出t，并以pcp,(一)圆筒,第四节 内压薄壁容器的设计计算 二、圆筒和球壳,其次，考虑介质或大气腐蚀，t应增加一腐蚀裕量，即：,式中 t 计算厚度，mm；pc 计算压力，MPa；Di 圆筒内直径，mm；焊接接头系数，；设计温度下材料的许用应力，MPa。,(c),式中 td 设计厚度，mm；C2 腐蚀裕量，mm。,(2-91),当tn已知时，相应的

4、应力校核公式为：,(一)圆筒,第四节 内压薄壁容器的设计计算 二、圆筒和球壳,考虑钢板厚度负偏差C1，并向上圆整至规格厚度，即得：,(2-92),式中 校核温度下筒壁中的计算应力；。te 有效厚度，；C 厚度附加量，C=C1+C2。,式中 tn 名义厚度（图纸上标注尺寸）；。C1 钢板厚度负偏差。,容器设计各厚度之间的关系与定义,第四节 内压薄壁容器的设计计算 二、圆筒和球壳,计算厚度为单纯满足机械强度所需的基本厚度；设计厚度为在设计寿命内满足强度和均匀腐蚀所需的厚度；名义厚度为容器设计图样中标注的厚度；有效厚度为实际用于承受应力载荷的厚度。,注：对于冲压封头和热卷筒体，制造厂应保证成品的实际

5、厚度tn-C1。,球壳在均匀内压p作用下，器壁中的薄膜应力为：,(二)球壳,第四节 内压薄壁容器的设计计算 二、圆筒和球壳,按照第一强度理论，应有：,同理可得，球壳的计算厚度公式为：,相应的应力校核公式为：,(2-93),(2-94),ppc，解出t,(一)设计压力、计算压力和设计温度,第四节 内压薄壁容器的设计计算,三、设计参数的规定,设计压力pd 为设定的容器顶部最高压力，与设计温度一起作为容器的设计载荷条件，其值不低于工作压力pw。pw是指在正常操作情况下，容器顶部可能达到的最高表压力。确定设计压力时，应考虑以下因素：容器上装有安全阀时，一般可取pd=1.051.10 pw；装有爆破片时

6、，pd爆破片的设计爆破压力+制造范围上限。对于盛装液化气体的容器，在规定的充装系数范围内，应根据工作条件下可能达到的最高器壁温度确定。计算压力pc 在相应设计温度下，用以确定壳体厚度的压力，pc=pd+危险点处的液柱静压(当5%pd时可忽略不计)。,第四节 内压薄壁容器的设计计算 三、设计参数的规定,设计温度Td 系指容器在正常操作情况下设定的受压元件的金属温度(沿厚度的平均值)，其值不得低于元件可能达到的最高温度，或在 0以下时，不得高于元件可能达到的最低温度。受压元件的金属温度可通过实测或由传热计算求得，或根据操作介质温度并结合外部条件确定。,是指对接焊接接头强度与母材强度之比。用以反映由

7、于焊接材料、焊接缺陷和残余应力等因素使焊接接头强度被削弱的程度，其值应根据焊缝形式及无损检测要求确定(见表2-4)。,(二)焊接接头系数,(三)厚度附加量（C=C1+C2）,钢板或钢管的厚度负偏差C1 按相应钢板或钢管标准选取(见表2-4,5)。但当C10.25mm且名义厚度的6%时，可取C1=0。腐蚀裕度C2 按介质对钢材的腐蚀速率(相对均匀腐蚀而言)和容器的设计寿命确定，即：C2=腐蚀速率(mm/a)设计寿命(a)一般，实际中介质腐蚀速率的确定是很困难的，因此腐蚀裕度可按相应行业规定选取或根据使用经验来确定。通常，对碳素钢和低合金钢，在无特殊腐蚀情况下，C2不小于1mm；对不锈钢，当介质的

8、腐蚀性极少时，可取C2=0。,第四节 内压薄壁容器的设计计算 三、设计参数的规定,第四节 内压薄壁容器的设计计算 三、设计参数的规定,(四)许用应力和安全系数,许用应力 是容器壳体等受压元件的材料许用强度，取材料在设计温度下的强度指标(强度极限、屈服点、持久强度 和蠕变极限)与相应的安全系数之比，并取最小值，即：,原因：按弹性失效准则，许用应力的确定应以屈服点为基准；为防止塑性断裂失效，则应以强度极限为基准；在高温下(碳钢和低合金钢420，铬钼钢450，不锈钢550)，考虑蠕变失效时，还需以持久强度和蠕变极限为基准。,注意：腐蚀裕量只对防止均匀腐蚀有意义，而对局部腐蚀效果甚微。因此对防止局部腐

9、蚀，重在选材和有效的防腐处理。,第四节 内压薄壁容器的设计计算 三、设计参数的规定,安全系数 受操作工况、材料、制造质量和设计方法等因素的影响。安全系数过大，会使元件过分笨重而浪费材料，反之会使元件过于单薄而破损，因此合理选择安全系数是关系设计是否先进、可靠的问题。我国标准规定：对碳素钢、低合金和高合金钢（除螺栓材料外）nb2.7，ns=nts1.5，nD1.5，nn1.0,压力容器常用钢板、钢管、锻件和螺栓材料在不同温度下的许用应力，GB150 中已列出(见教材附录)，可直接选用。复合钢板的，如需计入覆层强度，可按下式计算：,式中 下标“1”和“2”分别表示覆层和基层材料的厚度和设计温度下的

10、许用应力。,第四节 内压薄壁容器的设计计算 三、设计参数的规定,(五)最小厚度tmin,对于压力较低的容器，按强度公式计算出来的厚度很薄，易因刚度不足而引起过大的弹性变形，不能满足制造、运输和安装的要求。因此必须限定一个最小厚度以满足刚度要求。我国标准规定，壳体加工成形后不包括腐蚀裕量C2的最小厚度tmin按下述方法确定：a.对于碳钢和低合金钢容器，3mm；b.对高合金钢容器，2mm。,(一)试验内容 包括耐压试验和泄漏(气密性)试验(二)试验目的耐压试验：检查容器在超工作压力下的宏观强度，包括检查材料的缺陷、容器各部分的变形，焊接接管的强度和容器法兰连接的泄漏检查。通常包括液压试验和气压试验

11、。泄漏试验：对密封性要求非常高的重要容器，如介质毒性为极度或高度危害的容器，或不允许有微量泄漏的容器，应在耐压试验合格后进行泄漏检查。,第四节 内压薄壁容器的设计计算,四、压力试验,第四节 内压薄壁容器的设计计算 四、压力试验,(三)耐压试验 由于耐压试验的试验压力要比设计压力高，所以应考虑到在试验时容器有破裂的可能性。由于相同体积、压力的气体爆炸时所释放出的能量要比液体大得多，为减轻容器在试验时破裂所造成的危害，所以通常试验介质选用液体。因为水的来源和使用都比较方便，又具有作耐压试验所需的各种性能，所以液压试验的介质一般是水。必要时也可采用不会发生危险的其它液体，但试验时液体的温度应低于其闪

12、点或沸点。为避免发生低温脆性破坏，对于碳素钢、Q345R(16MnR)和Q370R(15MnNbR)钢容器，液体温度5，气体温度 15；其它低合金钢容器，15。如果因为板厚造成无延性转变温度(NDT)升高，则需相应提高试验介质温度。,第四节 内压薄壁容器的设计计算 四、压力试验,对于奥氏体不锈钢，为防止氯离子(Cl-)腐蚀，试验用水应当控制Cl-25ppm（质量）。,液压试验压力：,(2-95),式中：pT 试验压力，试验时容器顶部的表压力，MPa；pd 设计压力，MPa；试验温度下材料的许用应力，MPa；设计温度下材料的许用应力，MPa。,立式容器卧置试压时，试验压力应为立置时试验压力加上液

13、柱静压力。,第四节 内压薄壁容器的设计计算 四、压力试验,液压试验时，应使容器充满液体，外表面应保持干燥。容器充满液体后，待壁温大致与试验介质温度相等时，缓慢升压到规定试验压力，稳压30 min，然后将压力降低到设计压力，保持30 min，以检查有无损坏，有无宏观变形，有无泄漏及微量渗透。水压试验后应及时排水，并用压缩空气或其它惰性气体将容器内表面吹干。,不宜做液压试验的容器，如不允许残留微量液体或由于结构原因不能充满液体的容器，可用洁净的干空气、氮气或其它惰性气体代替液体进行试验。气压试验的试验压力：,(2-96),第四节 内压薄壁容器的设计计算 四、压力试验,耐压试验时，还需按下式校核筒体

14、的应力：,(2-97),液压试验气压试验,(四)泄漏试验 泄漏试验包括气密性试验、煤油渗漏试验、氨检漏试验和卤素检漏等。泄漏试验应在耐压试验合格后进行。气密性试验的压力等于设计压力。,注意：式中pT也应包括危险点处的液柱静压力。,第四节 内压薄壁容器的设计计算,五、封头的设计计算,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设计计算,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设计计算,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设计计算,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设计计算,(一)封头的种类,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设计计算,容器封头包括：凸形封头(半球形、碟形、椭

15、圆形、球冠形)、锥形封头(无折边和折边)和平盖。,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设计计算,(1)半球形封头 为半个球壳。从受力来看，球形封头是最理想的结构。但整体冲压困难，加工工作量大。,(二)封头的结构特性,(2)碟形封头 由球面、过渡段和直边段三部分组成。成型加工方便，但在三部分的连接处，由于经线曲率发生突变，受力状况不佳。,直边段的作用：使封头与筒体的连接处避开曲率突变部位，以改善焊缝受力。,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设计计算,(二)封头的结构特性,(2)碟形封头,图为一内压薄壁碟形封头外壁上的总应力理论值与实测结果。,可见，在过渡段存在很大的弯曲应力。,第四

16、节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设计计算,(3)椭圆形封头 由半个椭球壳和直边段组成。由于椭圆部分经线曲率平滑连续，故封头中的应力分布较均匀。结构特性介于半球形与碟形封头之间。,(二)封头的结构特性,(4)球冠形封头 为与圆柱壳直接连接的部分球面。其结构简单，制造方便，但在与圆筒连接处，由于无公切线存在相当大的边缘应力。故只能用于压力不高的场合。,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设计计算,(二)封头的结构特性,分无折边和折边两种，如图所示。其特点是对于悬浮或黏稠液体和固体颗粒物料的排泄以及不同直径圆筒的过渡是理想的结构，且在厚度较薄时，制造也较方便。但受力并不理想，无折边锥形封

17、头-圆筒连接时的受力与球冠-圆筒连接类同；折边锥形封头则与蝶形封头类同。因此，锥形封头的结构设计应满足以下要求：,(5)锥形封头,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设计计算,(二)封头的结构特性,ri,Di,tr,tr,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设计计算,(6)平盖 平盖是封头中结构最简单，制造最容易的一种封头。从前述圆板的应力分析可知，因其仅受弯曲应力，与等径的壳体相比，在同一压力下，平盖的厚度会很厚，材料耗费大、且十分笨重。,(二)封头的结构特性,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设计计算,(二)封头的结构特性,综上所述，从受力情况来看(从优到劣)：半球形椭

18、圆形碟形锥形球冠平盖从制造难易程度来看(从易到难)：平盖球冠锥形碟形椭圆形半球形就使用而言：中低压容器大多采用椭圆形封头；常压或直径不大的高压容器常用平盖；半球形封头一般用于低压或高压情况；锥形封头则多用于压力不高的变径设备或要求便于物料排泄的设备；球冠形封头常用作容器中两独立受压室的中间封头。,各种封头结构特性的比较,(1)半球形封头,(三)设计计算公式,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设计计算,(2-99),内压半球形封头的计算厚度可用球壳的公式(2-93)计算，即,式中 Di 半球形封头的内直径，mm。,1.凸形封头,(三)设计计算公式,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头

19、的设计计算,(2)椭圆形封头,按椭圆形封头与圆筒连接时的边缘分析结果，封头的最大总应力与圆筒周向膜应力之比可表示为(R/h)的函数，如图中点划线所示。,可见，封头中的最大总应力的位置和大小随(R/h)的变化而改变，在R/h=1.02.5范围内，可用下式近似表示：,(2-99),K应力增强系数或椭圆形封头形状系数。,(三)设计计算公式,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设计计算,(2-99),由于,故椭圆形封头的计算壁厚可由半球形封头公式乘以2K得到：,半球形封头的公式,(三)设计计算公式,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设计计算,对于标准椭圆形封头(Di/2hi=2)，K=1

20、，则,(2-100),另外，由薄膜分析可知，的椭圆形封头在内压下赤道附近周向受压。为防止周向失稳，GB150规定：,当Di/2hi2时，封头的有效厚度te0.15%Di；当Di/2hi2时，封头的有效厚度te0.30%Di。,(三)设计计算公式,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设计计算,(3)碟形封头,以试验为依据，把过渡段的最大总应力与球面的薄膜应力之比M视为ri/Ri的函数，如图中实线所示，表达式为：,(2-101),半球形封头的公式,(2-102),碟形封头的公式,于是，将半球形封头乘以M，并将Di2Ri，即得：,(三)设计计算公式,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设

21、计计算,(3)碟形封头,(2-102),由于碟形封头的强度与ri/Ri有关，所以ri不宜太小、Ri不宜太大。GB150规定：ri0.01Di，且3tn；RiDi。,式中 M 应力增强系数或碟形封头形状 系数；Ri 碟形封头球面部分内半径，mm。,对于标准碟形封头：ri=0.17Di，Ri=0.9Di。,(三)设计计算公式,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设计计算,2.锥形封头,(1)无折边,与筒体连接时，由于无公切线，连接边缘存在很大的边缘应力，因此需先按图2-41判断连接边部位是否需要加强来设计。,说明：图中曲线是按安定性准则（见第六章）绘制的，即限制连接部位的最大经向虚拟总应力（

22、按弹性分析）不超过。,(三)设计计算公式,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设计计算,2.锥形封头,按第一强度理论，取，得其计算厚度为：,(1)无折边,若无需加强，根据无力矩理论，由内压引起的最大薄膜应力发生在锥壳的大端，即：,(2-104a),若需加强，连接部位应设置加强段，其厚度按下式计算：,(2-104b),(三)设计计算公式,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设计计算,2.锥形封头,(1)无折边,(2-104b),连接部位加强段的长度应不小于图中规定的值。,式中 Q 含义与前述K、M相似，也是应力增强系数，按图2-42确定；,锥体小端厚度的计算方法与上述类同。,注：系按

23、安定性准则绘制。,(三)设计计算公式,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设计计算,2.锥形封头,(2)有折边,为改善锥体与筒体连接处的受力状况，常采用折边锥形封头。锥体大端过渡段的厚度类似碟形封头的计算，即：,(2-105),式中 Kc为应力增强系数，按表2-7确定。,表2-7 系数Kc值,(三)设计计算公式,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设计计算,2.锥形封头,(2)有折边,其次，与过渡段相连的锥体厚度按下式计算：,(2-106),式中。,锥体小端，若无折边，计算公式同无折边锥形封头；若有折边，其过渡段的厚度计算公式为：,其中应力增强系数Q2的值也需由图查取，这里从略。,

24、(三)设计计算公式,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设计计算,3.平盖,平盖的计算以圆板的应力分析为基础的。对受横向均布压力p 的圆板，其最大应力值为(=0.3)：,周边简支周边固支,当与圆筒连接时，周边既非简支也非固支，最大应力值及其位置取决于具体结构形式和尺寸。故可写成如下一般形式：,(三)设计计算公式,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设计计算,3.平盖,根据强度条件，平盖的计算厚度为：,(2-107),式中 K结构特征系数；Dc封头的有效直径，mm。,K和Dc与封头-筒体的具体连接结构有关，见表2-8。,表2-8 平盖系数K选择表,(三)设计计算公式 3.平盖,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设计计算,表2-8 平盖系数K选择表,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设计计算,表2-8 平盖系数K选择表,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设计计算,表2-8 平盖系数K选择表,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设计计算,对于非圆形(椭圆形、长圆形、矩形和正方形)平盖：,(三)设计计算公式,第四节 内压薄壁容器的设计计算 五、封头的设计计算,3.平盖,(2-108a,b),式中 Z形状系数，且。对表2-8中序号13,14所示平盖，取Z=1.0，预紧时，取常温下的许用应力；a、b 分别为非圆形平盖的短轴和长轴长度，mm。,再见！,