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1、1,第二节 内压薄壁容器设计,2,一、薄壁容器设计的理论基础,（一）薄壁容器 根据容器外径DO与内径Di的比值K来判断，,K1.2为薄壁容器，K1.2为厚壁容器,3,（二）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。 1（或轴）圆筒母线方向(即轴向拉应力）2（或环）圆周方向的拉应力。,4,（三）圆筒的应力计算,1. 轴向应力,（D-筒体平均直径，亦称中径，mm； p-内压,MPa；-壁厚，mm）,2. 环向应力,5,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
2、的削弱程度，使环向应力不致增加很多。,6,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。,7,二、无力矩理论基本方程式,（一）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。,8,（3）旋转壳体的几何概念,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,9,2基
3、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)小位移假设尺寸不变 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)直线法假设厚度不变 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)不挤压假设两向应力 各层纤维变形前后互不挤压。,10,（二）无力矩理论基本方程式,1）无力矩理论（称薄膜理论）定义：它假设壁厚与直径相比很 小，薄壳像薄膜一样，只能承受拉应力和压应力，完全不能承 受弯矩和弯曲应力，即在薄壳的内力素中忽略了弯矩的作用。 2）无力矩
4、理论（称薄膜理论）是设计压力容器的基础。,无力矩理论基本方程式：,（3-3）平衡方程,（3-4）区域平衡方程,11,三、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（3-3）和（3-4）得：,12,2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。,13,3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：,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，
5、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。,14,4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：,15,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。,16,四、筒体强度计算,t-设计温度t下材料许用应力，MPa。 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：,17,（1）焊接接头系数,钢板卷焊。夹渣、气孔
6、、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 t乘以焊接接头系数，1。,（2）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，得到内压圆筒的厚度计算式：,18,（3） 壁厚,考虑介质腐蚀，计算厚度的基础上，增加腐蚀裕度C2。筒体的设计厚度为,式中 -圆筒计算厚度，mm； d-圆筒设计厚度，mm； Di-圆筒内径，mm； p-容器设计压力，Mpa； -焊接接头系数。,筒体设计厚度 d+ C1（厚度负偏差）后向上圆整，即：筒体名义厚度 n 。 对于已有的圆筒，测量厚度为 n，则其最大许可承压的计算公式为：, e-圆筒有效厚度,19,
7、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GBl50-2010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。,（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：指容器顶部在工作过程中可能产生的最高压力（表压）。,21,1）使用安全阀时： 设计压力安全阀开启压力 设计压力（1.051.10）*（最大工作压力） 使用爆破膜根据其型式： 设计压力（1.151.4）*（最大工作压力） 2）容器内盛有液体，若其静压力最
8、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。 3）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。,22,（2）设计温度,1）设计温度对选择材料和许用应力的确定直接有关. 2）设计温度：容器正常工作，在相应的设计条件，金属器壁 可能达到的最高或最低温度。 3）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。,23,(3)许用应力,1）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。 2）
9、抗拉强度、屈服强度，蠕变强度、疲劳强度,取其中最低值。 3）当设计温度低于0时，取20时的许用应力。,24,(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。,25,(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(或钢管负偏差) Cl、腐蚀裕量 C2，即 C Cl十 C2,26,腐蚀裕量C2： 1）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。 2）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
10、器按10年考虑。 3）当腐蚀速度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。 4）不锈钢取C20。,27,七、最小壁厚,1）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。 2）壳体加工成形后（不包括腐蚀裕量）的最小厚度 min： 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。,28,八、压力试验,1）制造加工过程不完善，导致不安全，发生过大变形或渗漏。 2）最常用的压力试验方法
11、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。 3）不适合作液压试验,可用气压试验代替液压试验。 a装入贵重催化剂要求内部烘干; b容器内衬耐热混凝土不易烘干; c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 4）致密性试验：检查密闭性，主要有气密性试验和煤油渗漏试验。,29,二、压力试验的相关规定,30,三、液压试验要求和步骤： 1）液压试验时水温不能过低(碳素钢、16MnR,T5，其它低合金钢,T15)，试验过程外壳应保持干燥。 2）试验步骤： 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
12、，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。 3）对于夹套容器，先进行内筒液压试验，合格后再焊接夹套，然后进行夹套内的液压试验。 4）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。,四、气压试验要求和步骤：,1）必须对容器焊缝进行100%的无损检测。 2）试验使用气体：干燥洁净的空气、氮气和其他惰性气体。 3）对高压及超高压容器不宜采用气压试验。 4）试验步骤： 压力缓慢升至规定试验压力的10%，且不超过0.05MPa时，保压5min，进行检查。 继续缓慢升至规定试验压力的50%，保压5min，进行检查。其后按照每级为规定试验压力的10%的级差逐级增至
13、规定试验压力，保压10min，进行检查。 将压力降至规定试验压力的87%，保压较长时间，进行检查。,31,五、致密性试验要求和步骤：,1）气密性试验 试验压力一般为设计压力的1.05倍（没装有安全阀时试验压力为设计压力；装有安全阀时试验压力为容器最高工作压力） 步骤： a.压力缓慢升至规定试验压力后，保压10min，进行检查； b.然后压力降至设计压力，保压较长时间，进行检查。 2）煤油渗漏试验 步骤：将待检查的面清理干净，涂上白粉浆，晾干后在其对面涂抹煤油，使表面足够润湿，30min后进行检查。,32,33,九、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
14、所示的一些情况，就须考虑弯矩的影响。,34,(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。边缘应力数值很大，有时导致容器失效。,35,边缘应力具有局限性和自限性两个基本特性,1.局限性 有明显的衰减波特性，随离开边缘的距离增大，迅速 衰减。 2.自限性 弹性变形相互制约，一旦材料产生塑性变形，弹性变 形约束就会缓解，边缘应力自动受到限制，即:边缘应 力的自限性。,塑性好的材料可减少容器发生破坏。 局部性与自限性，设计中一般不按局部应力来确定厚度，而 是在结构上作局部处理。 但对于脆性材料，必须考虑边缘应力的影响。,
