09容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2中低壓

1、9.49.5中低壓內(nèi)壓容器設(shè)計(jì)n 一. 概述（不限于中低壓容器）n 1.設(shè)計(jì)內(nèi)容n 2.設(shè)計(jì)n 3.強(qiáng)度理論n 二. 基本設(shè)計(jì)公式n 主要討論筒體公式的來(lái)源n 三. 設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇、溫度、焊縫系數(shù)等參數(shù)的選擇n 四. 封頭n 1. 封頭的種類(lèi)n 2. 封頭的結(jié)構(gòu)特性n 3. 封頭的計(jì)算第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1. 概述一.概述1. 概述1.設(shè)計(jì)內(nèi)容容器應(yīng)根據(jù)工藝過(guò)程要求和條件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)。n 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：主要選擇適用、合理、的結(jié)構(gòu)形和維修的要式，同時(shí)滿(mǎn)足求。n 強(qiáng)度計(jì)算：內(nèi)容、檢測(cè)、裝配、選擇容器的材料，確定主 要尺寸，滿(mǎn)足強(qiáng)度、剛度和安全可靠地運(yùn)行。性的要求，以確保容器第9章 容器設(shè)計(jì)

2、基礎(chǔ)1. 概述2. 設(shè)計(jì)n 常規(guī)設(shè)計(jì)n 又稱(chēng)規(guī)則設(shè)計(jì)，依據(jù)“鋼制容器”進(jìn)行設(shè)計(jì)。該標(biāo)準(zhǔn)采用彈性失效準(zhǔn)則，對(duì)殼體應(yīng)力不作詳細(xì)分析，只計(jì)算總體應(yīng)力，并限制殼體的基本（薄膜）應(yīng)力不超過(guò)材料的應(yīng)力值。而由于總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)引起的附加應(yīng)力，以應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)引入壁厚計(jì)算n 分析設(shè)計(jì)n 要求對(duì)容器的載荷做詳細(xì)的分析。并根據(jù)載荷的性質(zhì)進(jìn)行，在此基礎(chǔ)上，對(duì)不同的應(yīng)力加以限制第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1. 概述n 按規(guī)則設(shè)計(jì) - GB150鋼制容器n 基于的設(shè)計(jì)，其典型過(guò)程是確定設(shè)計(jì)載荷，選用設(shè)計(jì)公式、曲線(xiàn)或圖表，并對(duì)材料取一個(gè)安全應(yīng)力，最終給出容器的基本厚度，然后根據(jù)規(guī)范的構(gòu)造細(xì)則及有關(guān)檢驗(yàn)要求進(jìn)行。n 按分析設(shè)計(jì)-JB

3、4732鋼制標(biāo)準(zhǔn)容器分析設(shè)計(jì)n 基于考慮作用在容器上載荷的性質(zhì)，進(jìn)行詳細(xì)的應(yīng)力分析，計(jì)算得到的應(yīng)力按其對(duì)容器破壞的作用分類(lèi)，與料、應(yīng)力強(qiáng)度比較和評(píng)定，并加上嚴(yán)格的材和檢驗(yàn)要求第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)1. 概述3. 強(qiáng)度理論n 按照強(qiáng)度理論，對(duì)于鋼制容器適宜于采用第三、第四強(qiáng)度理論，但是，第一強(qiáng)度理論在容器設(shè)計(jì)歷史上使用最早，有成熟的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)， 而且由于強(qiáng)度條件不同而引起的誤差已考慮在安全系數(shù)內(nèi)，所以至今在容器常規(guī)設(shè)計(jì)中仍采用第一強(qiáng)度理論即：s £ s 式中s為器壁中三個(gè)主應(yīng)力中最大的一個(gè)第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)二. 內(nèi)壓圓筒的設(shè)計(jì)公式二. 內(nèi)壓圓筒的設(shè)計(jì)公式1. 筒體設(shè)計(jì)公式厚度設(shè)計(jì)公式：p

4、Did=cjt需要圓整 )2 sn -應(yīng)力校核公式：Di+ d e2d e=pc()£ss tjt第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2. 內(nèi)壓容器設(shè)計(jì)公式推導(dǎo)p=Dsps=c2djxdD£ sDi+ dc2dtpc()£ std2Di+ dpc()£sjtDi2dpd =c2stj - pcpDid=cs tj -n2第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)n為圓整后，按實(shí)際鋼板的厚度選取的厚度考慮腐蝕裕量和鋼板負(fù)偏差考慮焊縫系數(shù)引入內(nèi)徑概念考慮溫度影響引入計(jì)算三、設(shè)計(jì)參數(shù)的選擇三. 參數(shù)選擇1.Pw：在正常工作情況下，容器頂部可能達(dá)到的最n 工作 高工作n 設(shè)計(jì)Pd ：設(shè)定的容器頂部的

5、最高，與相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度一起作為設(shè)計(jì)載荷條件，其值不低于工作n 裝有安全閥， Pd=1.051.1最高工作，且不低于安全閥開(kāi)啟n 液化石油天然氣容器，選取最高溫度下的相應(yīng)飽和蒸汽壓作為設(shè)計(jì)Pn 計(jì)算：在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下，用以確定元件厚度的壓力，其中5% 設(shè)計(jì)液柱靜。當(dāng)元件所承受的液柱靜小于，可忽略不計(jì)n 試驗(yàn)：在試驗(yàn)時(shí)的試驗(yàn)<=筒體壁厚<=水壓試驗(yàn)第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3.設(shè)計(jì)參數(shù)2. 厚度dd dd nd e計(jì)算厚度：指按各公式計(jì)算得到的厚度。需要時(shí)尚應(yīng)計(jì)入其他載荷所需厚度設(shè)計(jì)厚度：指計(jì)算厚度與腐蝕裕量之和名義厚度：指設(shè)計(jì)厚度加上鋼板負(fù)偏差后向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度，既標(biāo)注在圖樣上

6、的有效厚度：指名義厚度減去腐蝕裕量和鋼板負(fù)偏差第9章容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3.設(shè)計(jì)參數(shù)3. 溫度n 設(shè)計(jì)溫度：指容器在正常工作情況下，設(shè)定的元件的溫度（沿元件金屬截面的溫度平均值）n 其值不得低于金屬可能達(dá)到的最高金屬溫度。對(duì)于0 度以下的金屬溫度，則設(shè)計(jì)溫度不得高于元件金屬可能達(dá)到的最低金屬溫度。容器金屬溫度可通過(guò)實(shí)測(cè)或由傳熱學(xué)估算。n 試驗(yàn)溫度：指試驗(yàn)時(shí)，殼體的金屬溫度第9章容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3. 溫度n 容器內(nèi)裝有不被加熱或冷卻的介質(zhì)，殼體溫度取介質(zhì)本身溫度n 用蒸汽、熱水或其它液體加熱或冷凍的容器， 取加熱介質(zhì)或冷凍介質(zhì)溫度n 用可燃性氣體或電加熱的器壁，有襯砌層或一側(cè)露在大氣中，取被加熱介質(zhì)溫度加上

7、20；直接受影響的器壁加50 ；若載熱體溫度大于600 ，取介質(zhì)溫度加上100 。且器壁設(shè)計(jì)溫度均不低于250 第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)4. 焊縫系數(shù)大多數(shù)容器采用焊接結(jié)構(gòu)，焊接時(shí)由于可能出現(xiàn)的焊接缺陷，焊縫往往是容器強(qiáng)度比較薄弱的環(huán)節(jié)，因此在設(shè)計(jì)中用焊縫系數(shù)來(lái)表示焊縫金屬與母材強(qiáng)度的比值。它反映出容器受削弱的度<=筒體壁厚<=校核計(jì)算第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3.設(shè)計(jì)參數(shù)5. 壁厚附加量厚度附加量由兩部分組成：鋼板或鋼管的厚度負(fù)偏差C1和腐蝕裕度C2。C1按相應(yīng)鋼板或鋼管標(biāo)準(zhǔn)選取，如下表C2由介質(zhì)的腐蝕性和容器的使用C2=KY；確定，即n 對(duì)于碳素鋼和低合金鋼，C2不小于1mmn 對(duì)于不銹

8、鋼，當(dāng)介質(zhì)的腐蝕性極少時(shí)，可取為零第9章容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)5.壁厚附加量熱軋無(wú)縫鋼管厚度負(fù)偏差<=筒體厚度<=校核計(jì)算第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3.設(shè)計(jì)參數(shù)6.應(yīng)力ìsst s nsï:常溫 min( b ,)nï s =btís sts ts t: ï高溫min(bs,D ,n ,n)ïînnnDbbsn對(duì)于碳素鋼、低合金鋼3n：,³對(duì)于奧氏體不銹鋼：n1³.5sn 1s³.6³1.n5 n ,³1,nD1nD ³1.5 n n , ³,第9章 容器設(shè)計(jì)

9、基礎(chǔ)我國(guó)容器標(biāo)準(zhǔn)為方便設(shè)計(jì)，直接給出常用鋼板、鋼管、 鍛件和螺栓材料在不同溫度下的應(yīng)力值鋼板的應(yīng)力<=筒體壁厚<=水壓試驗(yàn)<=校核計(jì)算第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)鋼板的應(yīng)力第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)鋼板的應(yīng)力第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)鋼板的應(yīng)力第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)7. 最小壁厚n 對(duì)碳鋼和低合金鋼，當(dāng)內(nèi)直徑Di3800mm時(shí)， 其最小壁厚不小于3mm，腐蝕裕度另加。n 對(duì)不銹鋼容器，不小于2mm，腐蝕裕度另加。第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)四、內(nèi)壓封頭的設(shè)計(jì)與選擇12341. 封頭的種類(lèi)半球形封頭橢圓形封頭碟形封頭無(wú)折邊球形封頭凸形封頭封頭平板封頭封頭第9章容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2. 封頭的結(jié)構(gòu)特性1）半球形封頭：

10、半球形封頭是半個(gè)球殼。從受力來(lái)看，球形封頭是最理想的結(jié)構(gòu)。但整體沖壓，工作量大。第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2. 封頭的結(jié)構(gòu)特性2）碟形封頭：由球面、過(guò)渡段及圓柱直三段組成。成型方便，但在三部分連接處，由于經(jīng)線(xiàn)曲率發(fā)生突變，受力狀況不佳。第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2. 封頭的結(jié)構(gòu)特性3）橢圓形封頭：由半個(gè)橢球面和一圓柱直組成。由于橢圓部分經(jīng)線(xiàn)曲率平滑連續(xù)，故封頭中的應(yīng)力分布比較均勻。結(jié)構(gòu)特性介于半球形和碟形封頭之間。第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2. 封頭的結(jié)構(gòu)特性4）無(wú)折邊球形封頭：由部分球面封頭與圓筒直接連接。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，方便，但在球面與圓筒連接處相當(dāng)大的不連續(xù)應(yīng)力。只能用于場(chǎng)合。不高的第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2. 封

11、頭的結(jié)構(gòu)特性5）錐形封頭：有兩種，一種是無(wú)折邊錐形封頭，另一種是與筒體連接處有一過(guò)圓弧和一圓柱直的折邊錐形封頭。對(duì)于氣體的均勻進(jìn)入和引出，不同直徑圓筒的過(guò)渡是理想的結(jié)構(gòu)，在厚度較，比較方便。123第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2. 封頭的結(jié)構(gòu)特性6）平板封頭：是最簡(jiǎn)單，最容易的一種封頭。但相同直徑和的容器，平板封頭厚度過(guò)大，材料耗費(fèi)過(guò)多而且十分笨重。第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2. 封頭的結(jié)構(gòu)特性綜上所述：n 從受力情況來(lái)看，半球形最好，橢圓形、碟形其次、錐形更次值、而平板最差。n 從角度來(lái)看，平板最容易，錐形其次，碟形、橢圓形更次值，而半球形最難。n 就使用而言，錐形有其特色。實(shí)際生產(chǎn)中，大多采用橢圓形封頭，

12、常壓或直徑不大的高壓容器常用平板封頭，半球形封頭力不高的用于低壓，錐形封頭用于壓第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3. 封頭的設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)于受均勻內(nèi)壓封頭的強(qiáng)度計(jì)算，由于封頭和圓筒形器身相連接，所以不僅需要考慮封頭本身因內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力外，還要考慮與筒身連接處的不連續(xù)應(yīng)力。連接處總應(yīng)力的大小與封頭的幾何形狀和，封頭與筒身壁厚的比值大小有關(guān)。封頭設(shè)計(jì)中采用了比較簡(jiǎn)單的，在導(dǎo)出基本公式時(shí)利用內(nèi)壓薄膜應(yīng)力作為強(qiáng)度計(jì)算中的基本應(yīng)力，而把因不連續(xù)效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力增強(qiáng)影響以應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)的形式引入厚度計(jì)算。應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)由正。矩理論導(dǎo)出，并輔以試驗(yàn)修第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3. 設(shè)計(jì)計(jì)算公式半球形封頭1）半球形封頭受均勻內(nèi)壓的半

13、球形封頭的壁厚可用球形殼體的公式計(jì)算：pc Di4s t j - pd =c第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3. 設(shè)計(jì)計(jì)算公式橢圓形封頭第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)4.3設(shè)計(jì)計(jì)算公式橢圓形封頭2）橢圓形封頭由圖可知封頭中最大應(yīng)力的位置和大小均隨a/b的改變而改變，當(dāng)a/b=1.02.6時(shí)容器標(biāo)準(zhǔn)采用下式近似代替該曲線(xiàn)1 éö2 ùæ DK =ê2 + çi ÷ ú6 êëè 2hiúûø<=第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)Di/2hi2.62.52.42.32.22.12K1.46

14、1.371.291.211.141.071.003. 設(shè)計(jì)計(jì)算公式橢圓形封頭n 橢圓形封頭的設(shè)計(jì)厚度為與其相連的圓筒計(jì)算厚度的K倍，即：KpDd = scijt - p2cKpiDd =c我國(guó)容器標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算公式為2 s jt-0 p.5cn 分母中的系數(shù)0.5是對(duì)理論計(jì)算精度的n GB150規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.15%n 非標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的有效厚度應(yīng)不小于0.3%。第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3.設(shè)計(jì)計(jì)算公式蝶形封頭RirDi第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3.設(shè)計(jì)計(jì)算公式蝶形封頭n 3）蝶形封頭n 以前述曲線(xiàn)中實(shí)線(xiàn)為依據(jù)n 蝶形封頭的形狀系數(shù)：n 計(jì)算公式：M = 1 (3 +Ri)4r

15、Mpc Rid =2s t j - 0.5 pcn 對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)蝶形封頭（Ri=0.9Di , ri=0.17Di ）其封頭有效厚度不小于封頭內(nèi)徑的0.15%n 非標(biāo)準(zhǔn)蝶形封頭有效厚度不小于0.3%第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3.設(shè)計(jì)計(jì)算公式錐形封頭4）錐形封頭n 無(wú)折邊，無(wú)加強(qiáng)時(shí)pc Di2s t - p1cosad =cKc pc Di2s t - pn 無(wú)折邊，有加強(qiáng)時(shí)d =c第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3.設(shè)計(jì)計(jì)算公式錐形封頭 Kc p/st第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3.設(shè)計(jì)計(jì)算公式錐形封頭（4）錐形封頭是否需要加強(qiáng)通過(guò)下圖第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3.設(shè)計(jì)計(jì)算公式錐形封頭當(dāng)錐形封頭有折邊當(dāng)大于30度時(shí)，為力情況，常

16、采用折邊封頭錐體與筒體連接處的受Kps jtiDd =c-20p.5n 錐體大端過(guò)渡區(qū)的壁厚cfps jtDid =cn 與過(guò)渡區(qū)連接處的錐體厚度-20p.5c第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3.設(shè)計(jì)計(jì)算公式錐形封頭第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)r/Di3.設(shè)計(jì)計(jì)算公式平板封頭5）平板封頭圓形平板封頭的計(jì)算以圓形平板的應(yīng)力分析為基礎(chǔ)的。對(duì)受橫向均布 內(nèi)壓的圓板，其最大應(yīng)力為周邊固支（邊緣）：±3 p(Rds=)2cmax4對(duì)于周邊（中心）：3+ m= 3 ±(p ) Rs)2c(maxd8第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3.設(shè)計(jì)計(jì)算公式平板封頭由于實(shí)際平板封頭與圓筒體相連接，真實(shí)的支撐即不是固支也不是，式(

17、a)可用下式表示Dds=±Kp()2max根據(jù)強(qiáng)度條件，圓平板封頭的設(shè)計(jì)厚度可按下式Kpcsjtd = Dc式中K為結(jié)構(gòu)特征系數(shù)；Dc為封頭的計(jì)算直徑第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3.設(shè)計(jì)計(jì)算公式第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3.設(shè)計(jì)計(jì)算公式第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)3.設(shè)計(jì)計(jì)算公式KzP對(duì)于非圓形平板封頭d=cas t j且z2.5式中z為形狀系數(shù)z = 3 .4 - 2 .4 æöabç÷èa, b 分別為非圓形平蓋的短軸和長(zhǎng)軸長(zhǎng)度K為結(jié)構(gòu)特征系數(shù)；Dc為封頭的計(jì)算直徑ø第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)例1設(shè)計(jì)一臺(tái)圓筒形受壓容器。內(nèi)徑Di=1400mm，長(zhǎng)度

18、l=3000mm，兩端為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，筒體和封頭材料均16MnR，腐蝕裕度取2mm，工作溫度280，最高工作為16MPa。試確定筒體和封頭的厚度。n 1.筒體的厚度n 為厚度設(shè)計(jì)，選用筒體的設(shè)計(jì)式n 設(shè)計(jì)參數(shù)的選取和計(jì)算1）pc = 1.1´1.6 = 1.76MPap Dd= ci2s t j -Cn1=>2）Di = 1400mm(250,156)3）s t, 假設(shè)鋼板厚度616mm=>(280,?)s 300oC= 144MPa(300,144)s 250oC= 156MPa,s t = 156 - (156 -144) ´(280 - 250) = 1

19、48.8MPa(300 - 250)第9章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)j = 0.851.76 ´1400=>4)雙面對(duì)接焊，局部無(wú)損探傷n 計(jì)算厚度p Dd = 9.81mm ci2s t j - p2 ´148.8´ 0.85 -1.76cdd = d + C2 = 9.81+ 2 = 11.81mmn 設(shè)計(jì)厚度C1 = 0.8mm5)鋼板在825mm=>n 名義厚度dddn+ C1 = 11.81+ 0.8 = 12.61mm= 14mm= 14mm,s t、C 無(wú)變化dn1第9章容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2. 封頭的壁厚Kpc Didnn 封頭計(jì)算公式n 標(biāo)準(zhǔn)封頭，K=1

20、=2s t j - 0.5C2=>j = 0.85n 封頭采用拼焊后沖壓成型n 計(jì)算厚度1´1.76 ´1400d = 9.77mm2 ´148.8´ 0.85 - 0.5´1.76= 0.8mm= 14mmC1dn= 14mm,s t、C 無(wú)變化dn1第9章容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)pT (Di + d )ss=£ 0.9t s3. 容器水壓試驗(yàn)e2d jTep= 1.25 p s 1)試驗(yàn)計(jì)算公式s tTs = 170MPap=pc=1.76MPa=>=>170p= 1.25´1.76 ´= 2.52MPaT148.82) de = dn - C1 - C2 = 14 - 0.7 - 2 = 11.2mm3) s t= 345MPa=>s試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力為pT (Di + de ) = 2.52 ´