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1、第四章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计教学重点：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11. 根据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。内压薄壁圆筒与封头的强度设计公式推导过程2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
2、料由单向拉伸时测得的 屈服点。 第一节强度设计的基本知识一、关于弹性失效的设计准则1、弹性失效理论3为了保证结构安全可靠地工作，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,MPa2、强度安全条件4径向应力二、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4-1 应力状态5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6第四强度理论（能量理论）强度条件适用于 塑性材料第二
3、强度理论（最大变形理论）与实际相差较大，目前很少采用。压力容器材料都是塑性材料，应采用三、四强度理论， GB150-98采用第三强度理论. 7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、内压薄壁圆筒名义厚度8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D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9公式的适用范围为2、内压球形壳体10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
4、设计载荷条件，其值不低于 工作压力。 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11设计压力p：设定的容器顶部的最高压力-设计载荷。 取值方法：（1）容器上装有安全阀取不低于安全阀开启压力 ： p （1.051.1）pw系数取决于弹簧起跳压力 。12（2）容器内有爆炸性介质，安装有防爆膜时：取 设计压力为爆破片设计爆破压力加制造范围上限。 P9 表-3，表4-4。防爆膜装置示意图13（3）无安全泄放装置取 p=（1.01.1）pw 。（4）外压容器:取 p正常工作下可能产生的最大压差。注意：
5、“正常工作”含空料，真空检漏，稳定生 产，中间停车等情况。（5）真空容器不设安全阀时，取0.1MPa ；设有安全阀时 取Min（1.25p ,0.1MPa) 。14计算压力pc-在相应设计温度下，用以确定元件厚度的 压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静压 力小于5%设计压力时，可忽略不计。即计算压力=设计压力+液柱静压力(5%P时计入)可见，计算压力设计压力工作压力=容器顶部表压 例：一立式容器，设计压力0.5MPa，液 体深10m， 重度为10,000N/m3。p=0.5MPapc=0.5+(1010,000)/1,000,000=0.6MPa15指容器在正常工作情况下，在相应的设
6、 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 不可少的参数。2、设计温度16确定设计温度的方法：（1）对类似设备实测； （2）传热计算； （3）容器器壁与介质直接接触且有外保温或 保冷时，按表4-5选取； （4）容器内介质用蒸气直接加热或被内置加 热元件间接加热时，取最高工作温度17（1）极限应力极限应力的选取与部件的使 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18常温容器 中温容器 高温容器 19（2）安全系数安全系数是一个不断发展变化的参数。 随着
7、科技发展，安全系数将逐渐变小。 常温下，碳钢和低合金钢表4-2 钢材的安全系数20影响安全系数的因素：计算方法的准确性、可靠性和受力 分析的精度；材料质量和制造的技术水平；容器的工作条件及其在生产中的重 要性和危险性。21常见的焊接形式：222324252627缺陷，夹渣，未焊透，晶粒粗大等，在外观看不出来；熔池内金属从熔化到凝固的过程受到熔池外金属的刚性约束，内应力很大。焊缝区强度比较薄弱。28为综合考虑筒体强度，设 计公式中将钢板母材的许用应 力乘以f（1）。 f29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
8、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4-3 焊接接头系数30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 C21、按表4-9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C31钢板或钢管厚度负偏差 C1:32腐蚀裕量C2对有腐蚀或磨损的元件: C2=KaBKa-腐蚀速率（mm/a），由材料手册或实验确定。B-容器的设计寿命，通
9、常为1015年。 一般情况, Ka=0.050.13mm/a的轻微腐蚀时，对单面腐蚀取C2=12mm;对双面腐蚀取C2=24mm。对于不锈钢，一般取0。 33容器各元件受到的腐蚀程度不同时，设 计中可采用不同的腐蚀裕量。介质为压缩空气、水蒸气或水的碳钢或 低合金钢容器，单面腐蚀裕量不小于1mm； 对不锈钢容器，腐蚀轻微时可取C2=0。34标准化问题6、直径系列与钢板厚度表4-4 常用钢板厚度2.02.53.03.54.04.5(5.0 )6.07.08.09.01011121416182022252830323436384042465055606570758085909510010511011
10、5120125130140150160165170180185190195200注：5mm为不锈钢常用厚度。351 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4-2 壁厚的概念36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2mm2、最小厚度c碳素钢、低合金钢制塔式容器mindmaxiD10002, 4mm； d.不锈钢制塔式容器mindmaxiD10002
11、 ,3mm.37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38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p39液压试验气压试验2、压力试验的应力校核圆筒壁在试验压 力下的计算应力40压力试验分类：液压试验介质：一般为水； 过程：充水排气设计压力 无泄漏开始试验压力下 保压30分钟卸
12、压吹净结束试验压力的80% 保压检查41注意：不锈钢容器水中氯离子不得超过25mg/L。 试压合格的条件：1）无渗漏；2）无可见变形；3）试验过程中无异常响声；4）b 540MPa的材料，表面经无损检验无裂纹。42气压试验不适合液压试验的，如因结构缘故排液或充 液困难，或容器内不允许残留微量液体时采用 。气密试验针对介质具有毒性程度为极度或具有高度危 害的容器； 在液压试验后进行；气密试验压力取设计压力。43五、 例题【例4-1】：某化工厂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。介质腐蚀性轻微；工作温度低温；
13、工作压力中压；故 选用16MnR。（2）确定参数(附表9-1)；(采用带垫板的单面焊对接接头,局部无损检测)(表4-8)；取,解： （1）选材 44（3）厚度计算计算厚度设计厚度根据,查表4-9得名义厚度圆整后,取名义厚度为 。复验,故最后取 。该塔体可用7mm厚的16MnR钢板制作 。45（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。46例4-2 有一锅炉汽包，其内径为1300mm，工作压力为15.6MPa, 汽包上装有安全阀，设计温度为350,材质为nob , 双面焊对接接头，无损检测，试设计该汽包厚度。【解】 、确定参数（1）工作压力15.6MPa,是高压容器，属于三类容器
14、。其焊缝结构必 须是双面对接焊结构或其他等强度焊接，100%无损探伤， =1 （表4-8）。 （2） =350=190MPa(附表9-1) （3）装有安全阀，pc=p=1.115.6=17.16(MPa)。 （4）水蒸气对低合金钢有轻微腐蚀，且为单面腐蚀，C2=1mm。 （5）472、计算壁厚3.设计壁厚：查表4-9得 4.名义厚度+圆整量62.5+0.25=62.75(mm) ， 圆整后为65（mm)。486.校核水压试验强度水压试验强度条件为：式中则 T=234.9(MPa)。 而 0.9fs=0.91410=369(MPa) T 0.9fs 水压试验合格。49例4-3 有一库存很久的氧气
15、瓶，其材质为40Mn2A，实 测其外径为219mm,最小壁厚为6.5mm,系无缝钢管收口 而成,已知材料的b=785MPa,s=510MPa,d5=18%。 （1）常温下可否充15MPa氧气？ （2）如强度不够，最高允许工作压力多少？【解】1.确定参数pc=15MPa, DO=219mm, n=6.5mm, 无缝钢管f=1， C2=1mm, 实测壁厚6.5mm ，则C1=0,e=6.5-1=5.5mm, 许用应力求取：t=minb/nb ,s/ns=min785/3 ,510/1.6 =262(MPa) 。502.强度校核校核公式为充15MPa强度不够。3.确定最高允许工作压力计算公式为该气瓶的最大安全使用压力为13.48MPa。51注意 “实测壁厚”概念。即无需 考虑负偏差问题，C1=0 。无缝钢管制的容器公称直径 为外径，壁厚计算公式中应 采用外径。52容器封头 （端盖）凸形封头锥形封头平板封头半球形封头椭圆形封头碟形封头球冠形封头第三节 内压圆筒封头的设计53一、半球形封头半球形封头是由半个球 壳构成的，它的计算壁 厚公式与球壳相同图4-3 半球形封头54椭圆形封头是由长短半轴分别为a和b的半椭球和高 度为h。的短圆筒(通称为直边)两部分所构成。直边 的作用是为了保证封头
