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1、1,第4章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计,教学重点：内压薄壁圆筒设计方法参数选择封头设计方法及参数选择 教学难点：厚度的概念和设计参数的确定,2,压力容器失效,4.1 强度设计的基本知识,3,设计压力容器时,确定容器壁内允许应力的限度(即容器判废的标准)有不同的理论依据和准则。对于中低压薄壁容器，目前通用的是弹性失效理论。,4.1.1关于弹性失效的设计准则,4,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。,1、弹性失效理论,5,弹性失效准则：即把
2、容器元件上远离结构或载荷不连续处在外加机械载荷作用下可能出现的最大相当应力限制在所用材料的弹性范围，即近似地取限制于所用材料的s以下，如果计及安全系数，则限制在许用应力t以下。最大相当应力当一旦超过这一限制则会使容器总体产生过大的变形直至爆破，或者使材料晶粒产生滑移而不能经受正常的操作条件 各有关国家的容器规范都是按照这一失效准则而且由最大主应力理论确定相当应力的强度校核条件的。,6,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
3、应力,MPa,2、强度安全条件,7,容器壳体在内部介质压力作用下器壁内应力状况：压力容器零部件中各点的受力大都是二向应力状态或三向应力状态，如图4-1所示。,4.1.2 强度理论及其相应的强度条件,8,建立这种应力状态的强度条件，必须借助于强度理论，将二向和三向应力状态转换为相当于单向拉伸应力状态的相当应力。欲建立强度安全条件 当 0/n (4-1),必须解决两方面的问题： 一是确定相当应力；相当应力通过强度理论由主应力计算确定 二是确定材料的许用应力；许用应力由屈服强度和安全系数确定。,9,径向应力,薄壁压力容器的应力状态,对于承受均匀内压的薄壁圆筒容器，其主应力为：,10,第4强度理论 形
4、状改变比能理论,第1强度理论 最大拉应力理论,第2强度理论 最大伸长线应变理论,第3强度理论 最大剪应力理论,四个强度理论的相当应力表达式,11,1、第一强度理论及其相应的强度条件,第一强度理论认为最大拉应力是引起材料破坏的因素。对于薄壁圆筒而言，相当应力就是1。,(4-2),强度条件为:,适用于 脆性材料,12,2、第三强度理论及其相应的强度条件,第三强度理论认为最大剪应力是引起材料破坏的因素。对于薄壁容器而言，相当应力就是1 3。,由此可见，对于薄壁容器，由于3=0，故按第三强度理论计算的相当应力及强度条件与按第一强度理论计算的结果相同。,(4-3),其强度条件为,因此有：,适用于 塑性材
5、料,13,3、第四强度理论及其相应的强度条件,其强度条件为:,(4-4),适用于 塑性材料,14,上述第一强度理论适用于脆性材料；第三和第四强度理论适用于塑性材料。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。 压力容器都是采用塑性材料制造的，应该采用第三和第四强度理论。 由于第三和第四强度理论计算结果接近，而第三强度理论的计算较为方便，故我国国标规定采用第三强度理论进行计算。,15,依据第三强度理论， 强度计算公式为：,4.2 内压薄壁圆筒壳体与球壳的强度设计,4.2.1 强度计算公式,内压薄壁圆筒 强度计算公式,16,参数变换： 1）将中径换算为圆筒内径，D=Di+d; 2）压
6、力换为计算压力Pc ； 3）考虑到焊缝处因气孔、夹渣等缺陷以及热影响区晶粒粗大等造成的强度削弱，引进焊缝系数f(1)； 4）化工设备通常在一定的温度下工作,因此,上式中常温下的许用应力s应改为设计温度下的许用应力st ,去掉不等号。,17,再考虑腐蚀裕量C2 ,于是得到圆筒的设计壁厚为：,计算壁厚公式：,18,在公式（4-2）基础上，考虑到钢板的负偏差C1（钢板在轧制时产生了偏差）,再根据钢板标准规格向上圆整。名义壁厚公式：,名义厚度。 这是写在图纸上的钢板厚度！,19,各种厚度的表达符号,20,容器在下一个检验周期内，或在剩余寿命期间内，容器是否还能在原设计条件下安全使用？如不能，最高允许工
7、作压力如何？,2、强度校核公式,思路：算出容器在校核压力下的计算应力，看它是否小于材料的许用应力，即：,21,现有容器的最大允许工作压力如何？,3、最大允许工作压力计算公式,22,由薄膜理论：,由第三强度理论，强度条件：,则导出壁厚计算公式：,内压球形壳体 强度计算公式,23,24,工作压力pw,定义：在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。,4.2.2 设计参数的确定,1、压力,表压,25,设计压力p,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，其值不低于工作压力。,取值方法: (详见p.92),（1）容器上装有安全阀,取不低于安全阀开启压力 ： p （1.051
8、.1）pw 系数取决于弹簧起跳压力 。,26,（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。P92表4-2，表4-3。,防爆膜装置示意图,27,设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。（地面安装的容器按不低于最高饱和蒸汽压考虑，如40，50，60时的气体压力）。注意：要考虑实际工作环境，如放置地区，保温，遮阳，喷水等。例如：液氨储罐。金属壁温最高工作为50，氨的饱和蒸汽压为2.07MPa(绝压)。1.容器的设计压力？2.若容器安放有安全阀，设计压力？,（3）无安全泄放装置,取 p=（1.01.1）pw 。,（4）盛装液化气容器,28,取
9、 p正常操作下可能产生的最大压差。注意：“正常操作”含空料，真空检漏，稳定生产，中间停车等情况。,（5）外压容器,不设安全阀时，取0.1MPa ；设有安全阀时 取Min（1.25p ,0.1MPa) 。,（6）无夹套真空容器,29,釜壁可能承受压力情况：釜内空料，夹套内充蒸汽-外压0.2MPa;釜内真空，夹套内充蒸汽-外压0.3MPa;釜内0.3MPa，夹套内0.2MPa-内压0.1MPa;釜内0.3MPa，夹套内空料-内压0.3MPa; 釜壁承受的最大压差:内压0.3MPa或外压0.3MPa.,取正常操作时可能出现的最大内外压差。例如 带夹套的反应釜：夹套内蒸汽压力为0.2MPa,釜内开始抽
10、真空，然后釜内升压至0.3MPa。该釜壁承受压力如何？,（7）带夹套容器,30,计算压力pc,指在相应设计温度下，用以确定壳体各部位厚度(最危险截面厚度)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),计算压力设计压力工作压力=容器顶部表压,31,指容器在正常工作情况下，在相应的设计压力p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,确定设计温度的方法： （1）对类似设备实测； （2）传热计算； （3）按原则确定参照书P.94
11、表4-5,32,定义式：,（1）许用应力 s 的确定：,3、许用应力和安全系数,33,工作温度为高温，取,式中 :snt sDt-设计温度下材料的蠕变强度和 持久强度。nn,nD-蠕变强度和持久强度的安全系数。,34,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。,（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。,35,容器上存在有： 纵焊缝-A类焊缝 环焊缝-B类焊缝 需要进行无损检验。 检验方法主要是： X射线检查和超声波检查。,为什麽要进行无损检验？,4、焊接
12、接头系数,36,37,常见对接焊 焊缝结构：,38,39,40,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。,焊接后常出现：,41,焊接接头系数（f）：,42,容器壁厚附加量 （1）钢板或钢管厚度负偏差 C1， 例如：,5、厚度附加量C,43,在设计容器壁厚时要-预先考虑负偏差。 钢板负偏差参见p97表4-9选取； 钢管厚度负偏差参见p97表4-10。,44,（2）腐蚀裕量C2,容器元件由于腐蚀或机械磨损厚度减薄。 在设计壁厚时要考虑容器使用寿命期内的安全性！具体规定如下：对有腐蚀或磨损的元件: C2
13、=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C2= 0。,45,要按照钢板厚度尺寸系列标准GB709-88的规定选取。见表4-13。,钢板厚度是否可以随意取？,压力容器的直径系列已经施行标准化（GB9019-88)，筒体与封头的公称直径配套。见p60表2-5。,筒体直径是否可以随意定？,6、直径系列与钢板厚度,46,表4-13 常用钢板厚度,注：5mm为不锈钢常用厚度。,47,1、厚度的定义,4.2.3 容器的厚度
14、和最小厚度,图4-2 容器各种厚度之间的关系,48,为保证容器制造、运输、安装时的刚度要求，限定容器实际最小壁厚（指不含腐蚀裕量的壁厚）： 碳钢和低合金钢制容器3mm。 高合金钢制容器2mm。,2、最小厚度,49,压力试验的时机：1）容器制成后；2）检修后。 试验目的：1）检验容器宏观强度是否出现裂纹,是否变形过大； 2）密封点及焊缝的密封情况。 要知道！（1）需要焊后热处理的容器，须热处理后进行 压力试验和气密试验；（2）须分段交货的容器，在工地组装并对环焊缝进行热处理后，进行压力试验；（3）塔器须安装后进行水压试验；,4.2.4 压力试验与强度校核,50,液压试验,气压试验,气密性试验,压
15、力试验的种类,51,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,卸压,吹净,结束,试验压力的80% 保压检查,52,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。,53,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。,54, 压力试验强度校核 名义壁厚确定后，校核压力试验条件下的
16、强度是否满足要求，以免进行压力试验时出现危险。,内压容器的试验压力：,p设计压力 MPa ; s-元件材料在实验温度下的许用应力，MPa; st元件材料在设计温度下的许用应力，MPa。,液压试验,气压试验,1、试验压力的确定,55,/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,注:,56,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,式中sT-圆筒壁在试验压力下的计算应力，MPa；pT试验压力，MPa；ss（s0.2）圆筒材料在试验温度下的屈服点 （或条件屈服点），MPa；f圆筒的焊接接头系数。,
