《内压薄壁圆筒和球壳的强度设计综述》由会员分享，可在线阅读，更多相关《内压薄壁圆筒和球壳的强度设计综述（34页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1 第九章 内压薄壁圆筒和球壳设计 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 2 根据给定的内直径、设计压力、设计温度以及介 质腐蚀性等工艺条件，设计计算出合适的容器厚度 ，以保证新设备能在规定的使用寿命内安全可靠地 运行。 第一节 概述 一、压力容器工艺设计的任务： 根据工艺的要求确定其内直径，设计压力、设计 温度、处理的介质等工艺指标。 二、压力容器强度设计的任务： 3 压力容器强度计算的内容： 确定容器的设计参数（ P，T, ，、D等）。 选择设计所使用的材料。 确定容器的结构型式。 计算筒体与封头厚度。 选取容器的标准件；绘制设备图纸。 4 1. 根据
2、薄膜理论进行应力分析，确定薄膜应力状态下 的主应力 2. 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 3. 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 4. 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。 三、内压薄壁圆筒与封头的强度设计公式推导过程 5 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。 四、关于弹性失效的设计准则 1、弹性失效理论 6 为了保证结构安
3、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 7 径向应力 五、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9-1 应力状态 8 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 9 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
4、是塑性材料，应采用三、四强度理论， GB150-98 采用第三强度理论. 10 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 11 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D0 2、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 12 公式的适用范围为 2、内压球形壳体 13 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
5、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 14 表 9-1 设计压力与计算压力的取值范围 计计算带夹带夹 套部分的容器时时，应应考虑虑在正常操作情况下可能 出现现的内外压压差 夹夹套容器 7 当有安全阀阀控制时时，取1.25倍的内外最大压压差与0.1Mpa两者 中的较较小值值，当没有安全控制装置时时，取0.1Mpa 真空容器 6 取不小于在正常操作情况下可能产产生的内外最大压压差外压压容器 5 根据容器的充装系数和可能达到的最高温度确定（设设置在地 面的容器可按不低于40，如5
6、0 、60 时时的气体压压力考 虑虑） 装有液化气体的容器 4 根据介质质特性、气相容积积、爆炸前的瞬时压时压 力、防爆膜的破 坏压压力及排放面积积等因素考虑虑（通常可取p1.151.3pw） 容器内有爆炸性介质质 ，装有防爆膜时时 3 取等于或略高于最高工作压压力，通常取p1.01.1pw 单单个容器不要装安全 泄放装置 2 取不小于安全阀阀的初始起跳压压力，通常取p1.051.1pw容器上装有安全阀时阀时1 设计压设计压 力（P）取值值类类型 15 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
7、不可少的参数。 2、设计温度 16 （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 17 常温容器 中温容器 高温容器 18 （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 9-2钢材的安全系数 19 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9-6 焊接
8、接头系数 20 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9-10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 21 标准化问题 6、直径系列与钢板厚度 表9-4 常用钢板厚度 2.03.04.0(5.0 ) 6.08.01012 1416182022252830323436384042 46505560657075808590
9、95100105110 115120125130140150160165170180185190195200 注：5mm为不锈钢常用厚度。 22 1 1、厚度的定、厚度的定义义义义 计算厚度 设计厚度 圆整值 名义厚度 有效厚度 毛坯厚度 加工减薄量 三、容器的厚度和最小厚度 图9-2 壁厚的概念 23 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
10、i D 1000 2 4mm ； 不锈钢制塔式容器 , min d max i D 1000 2 3mm. 24 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 25 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 26 2.压力试验的试验要求与试验方法 液压试验方
11、法步骤 将容器充满液体（在容器最高点设排气口），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，保证时间 一般不小于30min，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，如有 泄露，修补后重新试验。 （1）一般采用洁净水进行试验。对于不锈钢制造的容器用 水进行试验时，应限制水中氯离子含量不超过25mg/kg，以 防氯离子腐蚀。 27 （2）采用石油蒸馏产品进行液压试验时，试验温度应低于石 油产品的闪点或沸点。 （3）试验温度应低于液体沸点温度，对新钢种的试验应高于 材料无塑性转变温度。 （4）碳素钢、16MnR和正火的15MnVR钢制容器液压试
12、验时，液 体温度不得低于5，其它低合金钢制容器（不包括低温容器 ）液压试验时，液体温度不低于15 。如果由于板厚等因素 造成材料无塑性转变温度升高，还要相应地提高试验液体温度 。 （5）液压试验完毕后，应将液体排尽并用压缩空气将内部吹 干。 28 v 对不适合作液压试验的容器，例如容器内部不允许有微量 残留液体，或由于结构原因不能充满液体的容器，可采用气 压试验。所用气体应为干燥、洁净的空气，氮气或其它惰性 气体，试验气体温度一般应不低于15。 步骤： （1）缓慢升高到规定试验压力的10%，且不超过0.05MPa，保 持5min，然后对所有的焊缝和连接部位进行多次检验； （2）合格后继续升压到
13、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10min 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，如有泄露，修补后再按上述规定重新试验。 气压试验方法步骤 29 容器须经液压试验合格后，方可进行气密试验。 步骤： 先缓慢升压至试验压力保持10min，然后降至设计压力，同 时进行检查，气体温度应不低于5。 注意： 容器作为定期检验时，若容器内有残留易燃气体存在会导 致爆炸时，则不得使用空气作为试验介质。 气密试验 30 液压试验 气压试验 3、压力试验的应力校核 圆筒壁在试验压 力下的计算应力 31 五、 例题 【例9-1】：某化工厂
14、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9-4)； (采用带垫板的单面焊对接接头,局部无损检测)(表9-6)； 取 , 解： （1）选材 32 （3）厚度计算 计算厚度 设计厚度 根据名义厚度大约是8mm,查表9-10得 名义厚度 圆整后,取名义厚度为 。 该塔体可用8mm厚的16MnR钢板制作 。 33 （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。 34 作 业 P132 9-2 9-4
