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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。,
