《内压薄壁容器设计讲座》由会员分享,可在线阅读,更多相关《内压薄壁容器设计讲座(59页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、第二节 内压薄壁容器设计一、薄壁容器设计的理论基础 薄壁容器 根据容器外径DO与内径Di的 比值K来判断,当K1.2为薄壁容器 K1.2则为厚壁容器圆筒形薄壁容器承受内压时 的应力 只有拉应力无弯曲 “环向纤维”和“ 纵向纤维”受到 拉力。 s1(或s轴)圆筒母 线方向(即轴向)拉 应力, s2(或s环)圆周方 向的拉应力。 圆筒的应力计算 1. 轴向应力D-筒体平均直径,亦 称中径,mm; 2. 环向应力分析 :(1)薄壁圆筒受内压环向应力是轴 向应力两倍。 问题a:筒体上开椭圆孔,如何开应使其短轴与筒体的 轴线平行,以尽量减 少开孔对纵截面的削 弱程度,使环向应力 不致增加很多。分析 :
2、问题b:钢板卷制圆筒 形容器,纵焊缝与环 焊缝哪个易裂? 筒体纵向焊缝受力大于 环向焊缝,故纵焊缝易 裂,施焊时应予以注意 。(2)分析式(4-1)和(4-2)也可知 ,内压筒壁的应力和d/D成反比,d/D 值的大小体现着圆筒承压能力的高低 。 因此,分析一个设备能耐多大压力, 不能只看厚度的绝对值。二、无力矩理论基本方程式 基本概念与基本假设 1 基本概念 (1) 旋转壳体 :壳体中面(等分壳 体厚度)是任意直线或平面曲线作 母线,绕其同平面内的轴线旋转一 周而成的旋转曲面。(2) 轴对称壳体的几何形状、约束条件和 所受外力都是对称于某一轴 。 化工用的压力容器通常是轴对 称问题。 (3)旋
3、转壳体的几何概念 母线与经线 法线、平行圆 第一曲率半径 :经线曲率半 径 第二曲率半径 :垂直于经线 的平面与中面 相割形成的曲 线BE的曲率半 径2 基本假设假定壳体材料有连续性、均匀性和 各向同性,即壳体是完全弹性的。(1)小位移假设 各点位移都远小于厚度。可用变形 前尺寸代替变形后尺寸。变形分析中 高阶微量可忽略。 2 基本假设(2)直线法假设 变形前垂直于中面直线段,变形后 仍是直线并垂直于变形后的中面。变 形前后法向线段长度不变。沿厚度各 点法向位移相同,厚度不变。 (3)不挤压假设 各层纤维变形前后互不挤压。 无力矩理论基本方程式 无力矩理论是在旋转薄壳的受 力分析中忽略了弯矩的
4、作用 。 此时应力状态和承受内压的薄 膜相似。又称薄膜理论(4-3)平衡方 程(4-4)区 域平衡方程 无力矩理论基本方程式:三、基本方程式的应用 1圆筒形壳体 第一曲率半径R1=, 第二曲率半径R2=D/2代入方程(4-3)和(4-4) 得: 与式(4-1)、(4-2)同。2球形壳体 球壳R1R2=D/2,得 : 直径与内压相同,球壳内应力仅是 圆筒形壳体环向应力的一半,即球形 壳体的厚度仅需圆筒容器厚度的一半 。 当容器容积相同时,球表面积最小 ,故大型贮罐制成球形较为经济。 制造3圆锥形壳体圆锥形壳半锥角为 a,A点处半径为 r,厚度为d,则 在A点处:代入(4-3)、(4-4)可得A点
5、处的 应力:, (4-6 ) 锥形壳体环向应力是经向应力两倍 ,随半锥角a的增大而增大; a角要选择合适,不宜太大。 在锥形壳体大端r=R时,应力最大 ,在锥顶处,应力为零。因此,一般 在锥顶开孔。 4椭圆形壳体 椭圆壳经线为一椭圆, a、b分别为椭圆的长短轴半径。 由此方程可得第一曲率半径为: (4-7) 化工常用标准椭圆形封头,a/b=2,故 顶点处 :边缘处 : 顶点应力最大,经向应力与 环向应力是相等的拉应力。 顶点的经向应力比边缘处的 经向应力大一倍; 顶点处的环向应力和边缘处 相等但符号相反。 应力值连续变化。 受液体静压的圆筒形壳体的受力分析 筒壁上任一点的压力值(不考虑气体 压
6、力)为: 根据式(4-3) (4-4)可得:v 底部支承的圆筒(a),液体重量 由支承传递给基础,筒壁不受液体轴 向力作用,则s1=0。 v 上部支承圆筒(b),液体重量使 得圆筒壁受轴向力作用,在圆筒壁上 产生经向应力:例题4-1:有一外径为219mm的氧气瓶 ,最小厚度为6.5mm,材料为40Mn2A ,工作压力为15MPa,试求氧气瓶壁应 力解析: 平均直径 mm 经向应力 MPa环向应力 MPa四、筒体强度计算实际设计中须考虑三个因素: (1)焊接接头系数 (2)容器内径 (3) 壁厚 筒体内较大的环向应力不 应高于在设计温度下材料 的许用应力,即 st-设计温度t下材料许用应力, M
7、Pa。 焊接接头系数钢板卷焊。夹渣、气孔、未焊透 等缺陷,导致焊缝及其附近区域强 度可能低于钢材本体的强度。钢板 st乘以焊接接头系数j, j1 容器内径工艺设计确定内径Di,制造测 量也是内径,而受力分析中的D却 是中面直径。解出d,得到内压圆筒的厚度计算式 壁厚考虑介质腐蚀,计算厚度d的 基础上,增加腐蚀裕度C2。筒体 的设计厚度为式中 d-圆筒计算厚度, mm;dd-圆筒设计厚度, mm; Di-圆筒内径, mm;p-容器设计压力, MPa;j-焊接接头系数。另一种情况:筒体设计厚度加上厚度负偏差后 向上圆整,即为筒体名义厚度。 对于已有的圆筒,测量厚度为dn ,则其最大许可承压的计算公
8、式 为:式中 :dn-圆筒名义厚度 圆整成钢材标准值;de-圆筒有效厚度C-厚度附加量。 设计温度下圆筒的计算应力五、球壳强度计算设计温度下球壳的计算厚度:设计温度下球壳的计算应力六、设计参数厚度设计参数按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。 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)。 设计压力(计算压力 )v使用安全阀时设计压力不小于 安全阀开启压力或取最大工作压 力1.0
9、51.10倍; v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。 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。 设计温度 器壁温度通过换热计算。 v不被加热或冷却,筒内介质最高 或最低温度。 v用蒸汽、热水或其它载热体加热 或冷却,载体最高温度
10、或最低温 度。 v不同部位出现不同温度分别计算 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。 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 。焊接接头形式无损检测的长度比例100%局部 双面焊对接接头或相当 于双面焊的对接接头1.00.85 单面焊对接接头或相当 于单面焊的对接接头0.90.8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 。 厚度附加量 满足强度要求的计算厚度之外,额
11、外 增加的厚度量,包括由钢板负偏差( 或钢管负偏差) Cl、腐蚀裕量 C2, 即 C Cl十 C2厚度22.22.52.8 3.03.2 3.53.8 4 4.5 5.5 负偏差 0.13 0.14 0.150.160.18 0.2 0.2 厚度6 78 2526 3032 34 36 4042 50 52 60 负偏差0.60.8 0.91 1.11.21.3 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C
12、2 1mm,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。v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。 v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 自行选取,设计者在图纸上注 明的厚度不包括加工减薄量。七、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dmin: 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 八
13、、压力试验 为什麽要进行压力试验呢? 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。八、压力试验不适合作液压试验, 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。对压力试验的规定情况如下表所 示:试 验 类 型试验压力强度条件说明 备注液 压 试 验(4-17)(4-19)立式容器卧置进 行水压试验时, 试验压力应取立 置试验压力加液 柱静压力。压力试验时 ,由于容器
14、 承受的压力 pT 高于设计 压力p,故 必要时需进 行强度效核 。气 压 试 验(4-18)(4-20)pT -试验压力, MPa; p -设计压力, MPa; s 一试验温度下的材料许用应力, MPa; sT 一设计温度下的材料许用应力, MPa v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。 v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。 v水压试验后及时排水,用压缩空气 及其它惰性气体,将容器内表面吹干例题4
15、-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:考虑钢板厚度负偏差C10.6mm圆正取dn=7mm 水压试验时的应力 16MnR的屈服限ss=345MPa(附录表6)水压试验时满足强度要求。九、边缘应力无力矩理论忽略 了剪力与弯矩的 影响,可以满足 工程设计精度的 要求。 但对图中所示的 一些情况,就须 考虑弯矩的影响 。(a)、(b)、(c)是壳体 与封头联接处经线 突然折断;(d)是两段厚度不等 的筒体相连接;(e)、(f)、(g)有法兰 、加强圈、管板等 刚度大的构件。相邻两段性能不同,或所受温度或 压力不同,导致两部分变形量不同 ,但又相互约束,从而产生较大的 剪力与弯矩。筒体与封头联接为例 , 边缘应力数值很大,有时导致容器 失效,应重视。边缘应力具有局限性和自限性两个基 本特性:1局限性 大多数都有明显的衰 减波特性,随离开边缘的距离增大 ,边缘应力迅速衰减。 2