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1、2020/7/17,1,第四章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计,中低压容器回转壳体的设计以薄膜应力理论为基础,确定基本应力;采用弹性失效设计准则并以第一强度理论建立强度条件;组合壳体设计时,各壳体厚度分别计算,对具有明显弯曲应力或边缘应力的壳体,在设计公式中引入引进应力增强系数或局部增加壁厚。,2020/7/17,2,4.1强度设计的基本知识,4.1.1弹性失效设计准则 弹性失效理论:容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下屈服点,容器即失效。 强度条件:,2020/7/17,3,4.1.2强度理论及相应的强度条件,将二向与三向应力状态转换成相当于单向拉伸应力状态的相当应力,建立强度条件,202
2、0/7/17,4,对承受均匀内压的薄壁容器,其主应力,1PD/2S 1mPD/2S 1rPD/2S,2020/7/17,6,强度校核,2020/7/17,7,4.2.2 设计参数的确定,厚度设计参数按GBl50-1998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。,2020/7/17,8,1.设计压力(计算压力),设计压力:相应设计温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:是指容器顶部在工作过程中可能产生的最高压力(表压)。,2020/7/17,9,使用安全阀时设计压力不小于安全阀开启压力或取最
3、大工作压力1.051.10倍; 使用爆破膜根据其型式,一般取最大工作压力的1.151.4倍作为设计压力。 容器内盛有液体,若其静压力不超过最大工作压力的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。 此外,某些容器有时还必须考虑重力、风力、地震力等载荷及温度的影响,这些载荷不直接折算为设计压力,必须分别计算。,2020/7/17,10,2.设计温度,选择材料和许用应力的确定直接有关。 设计温度指容器正常工作中,在相应的设计条件下,金属器壁可能达到的最高或最低温度。,2020/7/17,11,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
4、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,2020/7/17,12,3.许用应力,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。 抗拉强度、屈服强度,蠕变强度、疲劳强度。取其中最低值。 当设计温度低于0时,取20时的许用应力。,2020/7/17,13,4.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。,2020/7/17,14,5. 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
5、偏差) Cl、腐蚀裕量 C2,即 C Cl十 C2,2020/7/17,15,腐蚀裕量C2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。 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。 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C24mm。 不锈钢取C20。,2020/7/17,16,氢脆、碱脆、应力腐蚀及晶间腐蚀等,增加腐蚀裕量不是有效办法,而应根据情况采用有效防腐措施。 工艺减薄量,可由制造单位依据各自的加工工艺和加工能力
6、自行选取,设计者在图纸上注明的厚度不包括加工减薄量。,2020/7/17,17,6.最小壁厚,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Smin: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,2020/7/17,18,4.2.4 压力试验及强度校核,1.进行压力试验的原因: 制造加工过程不完善,导致不安全,发生过大变形或渗漏。 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。,2020/7/17,19,
7、2.不适合作液压试验, 如装入贵重催化剂要求内部烘干, 或容器内衬耐热混凝土不易烘干, 或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, 可用气压试验代替液压试验。,2020/7/17,20,3.对压力试验的规定情况如下表所示:,2020/7/17,21,液压试验时水温不能过低(碳素钢、16MnR不低于5,其它低合金钢不低于15),外壳应保持干燥。 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。 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,2020/7/
8、17,22,3.气密性试验,2020/7/17,23,例题4-2:某化工厂欲设计一台石油气分离工程中的乙烯精馏塔。工艺要求为塔体内径Di=600mm;设计压力p2.2MPa;工作温度t-3-20。试选择塔体材料并确定塔体厚度。 解析:由于石油气对钢材腐蚀不大,温度在-20以上,承受一定的压力,故选用16MnR。 根据式(4-12),式中p2.2MPa;Di=600mm;s170MPa j=0.8(表4-9); C2=1.0 mm 得:,2020/7/17,24,考虑钢板厚度负偏差C10.6mm圆正取Sn=7mm,水压试验时的应力,16MnR的屈服限ss=345MPa(附录表6),水压试验时满足
9、强度要求。,2020/7/17,25,4.3内压圆筒封头设计,封头又称端盖。其分类,2020/7/17,26,4.3.1半球形封头,受内压球形封头计算壁厚与球壳相同。 球形封头壁厚可较圆筒壳减薄一半。但为焊接方便以及降低边缘压力,半球形封头常和筒体取相同的厚度。,2020/7/17,27,4.3.2 椭圆形封头,半椭球和高度为h的短圆筒(通称直边)两部分构成, 直边保证封头制造质量和避免边缘应力作用。,2020/7/17,28,受内压的椭圆形封头,计算厚度,K-椭圆形封头形状系数,,标准椭圆形封头(长短轴之比值为2),K=1。壁厚计算公式:,2020/7/17,29,忽略分母上微小差异,大多数
10、椭圆封头壁厚与筒体同,或比筒体稍厚。 国家标准规定:K1的椭圆形封头的Se0.15Di,K1的椭圆形封头的Se0.30Di,但确定封头厚度时,已考虑了内压下的弹性失稳问题,可不受此限制。,当封头是由整块钢板冲压时,值取为1。筒体设计壁厚计算公式:,2020/7/17,30,椭圆形封头最大允许工作压力,标准椭圆形封头的直边高度由表4-15确定。,2020/7/17,31,4.3.3 碟形封头,2020/7/17,32,碟形封头壁厚计算式,当碟形封头的球面内半径Ri=0.9Di,过渡圆弧内半径r=0.17Di时称标准碟形封头。此时M=1.325,壁厚计算式:,2020/7/17,33,碟形封头的最
11、大允许工作压力,封头与筒体可用法兰联结,也可用焊接联结,2020/7/17,34,4.3.4 球冠形封头,降低凸形封头高度,将碟形封头的直边及过圆弧部分去掉,只留下球面部分。也称无折边球形封头。 主要用作容器中两独立受压室的中间封头,也可作端封头,2020/7/17,35,2020/7/17,36,4.3.5 锥形封头,2020/7/17,37,广泛用于化工设备(如蒸发器、喷雾干燥器、结晶器及沉降器等)的底盖 便于收集与卸除设备中的固体物料。 塔设备上、下部分的直径不等,也常用锥形壳体连接,称为变径段。,2020/7/17,38,(一)无折边锥形封头或锥形筒体,适用于锥壳半锥角a300 1、锥
12、壳大端 a. 查图4-15,大端是否须加强,2020/7/17,39,b. 不必局部加强,计算壁厚为,c. 需加强,以降低联接处的局部应力。锥壳加强段和圆筒加强段厚度相同 Q为锥壳与圆筒联接处的应力增值系数,查图4-18,2020/7/17,40,2020/7/17,41,2、锥壳小端a. 查图4-17,小端是否须加强,2020/7/17,42,b. 不必局部加强,计算壁厚同大端,2020/7/17,43,c. 需加强,加强段和圆筒加强段厚度相同,Q为锥壳与圆筒联接处的应力增值系数,查图4-18,2020/7/17,44,图418 锥体小端与圆筒体连接处的Q值图,2020/7/17,45,3、
13、无折边锥壳的厚度,锥壳厚度 (4-27) (4-28) (4-29) (4-30) 统一厚度,2020/7/17,46,(二)折边锥形封头或锥形筒体可降低应力集中,适用于锥壳大端半锥角a300 ,小端半锥角a450当锥壳半锥角a600时,按平盖计算。,2020/7/17,47,1、锥壳大端 a. 过渡段的计算壁厚,2020/7/17,48,b. 与过渡段相连接处的锥壳计算壁厚,2020/7/17,49,2、锥壳小端 a. 半锥角a450 ,小端无折边计算同前 b. 小端有折边,过渡段厚度按(4-29)确定,Q值查图4-19。 c. 半锥角a450 ,小端过渡段厚度仍按(4-1)确定,Q值查图4
14、-18。,2020/7/17,50,锥形封头的小端与接口管相连,一般不加过渡弧,但接口管应增厚,厚度取锥体厚度,加厚的长度:,2020/7/17,51,4.3.6 平板封头,化工设备常用的一种封头。 圆形、椭圆形、长圆形、矩形和方形等, 相同(RS)和受载下,薄板应力比薄壳大得多,即平板封头比凸形封头厚得多。 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。承压设备人孔、手孔以及在操作时需要用盲板封闭的地方,才用平板盖。 高压容器平板封头用得较为普遍。,2020/7/17,52,平板封头壁厚计算 平盖系数K查表4-19,2020/7/17,53,例题4-4:确定例题4-1精馏塔封
15、头型式与尺寸。该塔Di=600mm;设计压力p2.2MPa;工作温度t-3-20,S n=7mm。,工艺操作对封头形状无特殊要求。 球冠形封头、平板封头边缘应力较大,平板封头厚度较大,故不宜采用。 理论上对凸形封头计算后,再确定封头型式,2020/7/17,54,半球形封头受力最好,壁厚最薄、重量轻,但深度大制造难,中、低压小设备不宜采用; 碟形封头深度可调节,适合于加工,但曲率不连续,局部应力,故受力不如椭圆形封头; 标准椭圆形封头制造比较容易,受力状况比碟形封头好,故可采用标准椭圆形封头。,2020/7/17,55,椭圆形封头壁厚:,p2.2MPa;Di=600mm; s20=170MPa;j=1.0,C2=1.0mm 考虑钢板厚度负偏差,取C1=0.6mm(估计壁厚6mm) 代入并经圆整后用dn=6mm钢板。,