內(nèi)壓薄壁殼體強計算

1、第三章、 31內(nèi)壓薄壁殼體強度計算 目的要求：使學生掌握內(nèi)壓圓筒內(nèi)壓球形殼體的強度計算，以及各類厚度的相互關系。 重點難點：掌握由第一強度理論推出的內(nèi)壓圓筒，內(nèi)壓球形殼體的強度計算公式。第三章 內(nèi)壓薄壁容皿本章的任務就是在回轉(zhuǎn)薄壁殼體應力分析的基礎上，推導出內(nèi)壓薄壁容皿強度計公式。本章的壓力容皿設計計算公式，各種參數(shù)制造要求以及檢驗標準均與GB150-1998鋼制壓力容皿保持一致。第一節(jié) 壓內(nèi)薄壁殼體強度計算一、 內(nèi)壓圓筒為了保證圓筒受壓后不破裂，根據(jù)第一強度理論應使筒體上最大應力，即環(huán)向應力小于等于材料在設計溫度下的許用應力用公式表達： ，其中P-設計壓力。1）中徑此外還應考慮到，筒體在焊接

2、的過程中，對焊金屬組織的影響以及焊接缺陷（夾渣、氣孔、未焊透等）影響縫焊的強度（使整本強度降低），所以將鋼板的許用應力乘以一個小于1的焊接接頭系數(shù)，以彌補焊接可能出現(xiàn)的強度削弱，故：此外，工藝計算時通常以做為基本尺寸，故將代入上式：則可解出，同時根據(jù)GB150-1998規(guī)定，確定厚度時的壓力用計算壓力代替。最終內(nèi)壓薄壁圓筒體的計算厚度： 適用：考慮到介質(zhì)時皿壁的腐蝕，確定鋼板厚度時，再加上腐蝕裕量：圓筒的設計厚度再考慮到鋼板供貨時的厚度偏差，將設計厚度加上厚度負偏差，再向上圓整三規(guī)格厚度，這樣得到名義厚度。筒體強度計算公式，除了可以決定承壓筒體所需的最小壁厚外，還可用該公式確定設計溫度下圓筒的

3、最大允許工作壓力，對容皿進行強度校核；可以計算其設計溫度下計算應力，判斷指定壓力下筒體的安全。例：設計溫度下圓筒的最大允用工作壓力由 推導而來設計溫度下圓筒的計算應力：采用計算壓力及代替D，并考慮焊接頭系數(shù)的影響上式變形成：則設計溫度下球殼的厚度計算：考慮腐蝕裕量，設計厚度：再考慮鋼板厚度負偏差C1，再向上圖整得到鋼板的名義厚度，同理，確定球殼的最大允許工作壓力Pw，并對其強度進行校核。對比內(nèi)壓薄壁球殼與圖筒的壁厚公式：當前件相同時，球殼的壁厚約為圓筒形壁厚的確1/2，且球形的表面積也小，大多數(shù)大容容量儲罐多采用球罐。三、容皿最小厚度：例：一容皿Di=1000mm，P=0.1MPa，溫度150

4、，材料為Q235A，焊接接頭系數(shù)，腐蝕裕量C2=1mm，計算其壁厚：Q235A查P50對于這類中，低壓容甲由強度公式求得的壁厚往往很薄，剛度不足，冷制造、運輸、安裝帶來材板易交形的困難。按照GB150-1998規(guī)定，對于形成后不包括腐蝕裕量的最小厚度規(guī)定如下：碳素鋼、低合金鋼制容皿離合金鋼制容皿對標準橢圓封頭（的碳形封頭，其有效厚度Di×0.15%）（封頭）四、各類厚度間的相互關系下面對計算厚度，設計厚度，有效厚度，名義厚度，形成厚度，毛壞厚度作用。第三章 第二節(jié) 設計參數(shù)的確定目的要求：使學生初步掌握壓力參數(shù)、設計溫度，許用應力，焊接接頭系數(shù)，厚度附加量C的選取。重點難點：壓力參數(shù)

5、的選取以及各參數(shù)間的關系，許用應力的選取。第二節(jié) 設計參數(shù)的確定由強度公式可看出，其公式內(nèi)包含各種參數(shù)如：計算壓力、設計壓力、焊接接頭系數(shù)高計算、選取按GB1998鋼制壓力容皿一、確定壓力參數(shù)：1、工作壓力Pw：在正常工作情況下，容皿頂部可能達到的最高壓力，即也稱為最高工作壓力。2、計算壓力Pc：在相應設計溫度下，計算壁厚用到壓力，（設計壓力+液柱靜壓）若當，可以忽略不計。3、設計壓力P：容皿頂部最高的設定壓力，其值不得低于工作壓力：當容皿裝有安全閥：（安全閥開啟壓力）容皿裝有爆破片時，（爆破壓力）倍最高工作壓力。二、溫度（設計）t指容皿在正常工作情況下，在相應的設計壓力下，設定的受壓元件的金

6、屬溫度。對0以上的，t不得低于元件金屬工作狀態(tài)下可能達到最高溫度；對0以下的，t不得高于元件金屬工作狀態(tài)下可能達到最低溫度；不可通過傳熱計算求得見表3-3許用應力指容皿殼體、封失等受壓元件的材料用強度，根據(jù)材料各項強度性能指標分別除以相應的標準中規(guī)定的安全系數(shù)確定。GB150給出了鋼板，鋼管、鍛以及螺栓材料在設計溫度下的許用應力，當t20取20。四、焊接接頭系數(shù)容皿都通過焊接制成，焊縫往往可能存在夾渣、氣孔、裂紋等缺陷，使縫及其熱影響區(qū)的強度受到削弱，為了補償焊接時可能出現(xiàn)的缺陷對強度的影響，引入， 反映焊縫材料削弱程度對雙面焊 100%=1.0 局部=0.85單面對接接頭（沿焊縫全長有緊貼基

7、本金屬）a100%無損檢驗 =0.9b局部無損檢驗 =0.8五、厚度附加量C確定容皿厚度時，不僅要依照強度計算公式得到，還要考慮鋼材的厚度負偏差及腐蝕裕量，即引入厚度附加最C：C=C1+C2C1鋼板在軋制過程中可能出現(xiàn)比實際厚度小的情況，平重影響其強度。C2由于腐蝕、機械磨損而導致厚度削弱減薄，需要考慮腐蝕余量。 t預期的容皿使用壽命對介質(zhì)為壓縮氣、水蒸氣或水的碳素鋼或低合金鋼，不銹鋼腐蝕輕微C2=0。腐蝕裕只對全面腐蝕有意義，對于局部腐蝕效果并不好。六、壓力容皿的公稱直徑、公稱壓力為了便于設計和成批生產(chǎn)，增強零部件的互換性，降低生產(chǎn)成本，對化工設備及其零部件制定了系列標準，設計時可采用標準件

8、，標準化的基本參數(shù)是公稱直接徑和公稱壓力。公稱直徑：用鋼板卷制成的筒體，其公稱直徑近的等于內(nèi)徑，封失的公稱直徑與筒體一致。若Di=970mm，應將其調(diào)整為最接近標準值的1000mm，這樣選用公稱直徑1000的各種標準零部件。公稱壓力：把壓力容皿所能承受的壓力范圍公成若干個標準壓力等級，稱公稱壓力，以PN表示，選用容皿時必須將操作溫度下的最高操作壓力調(diào)整為整一公稱壓力等級。例：3-1設計壓力P=0.4MPa，設計溫度t=70，圓筒內(nèi)徑Di=1000mmm，H=3000mm，盛裝液體介質(zhì)，液柱靜壓力為0.03MPa，圓筒材料16MnR。腐蝕余量C2取1.5mm，焊接接頭系數(shù)，試求該容皿的筒體厚度。

9、1）根據(jù)設計壓力P和液柱靜壓力P液確定計算壓力PC。液柱靜壓力0.03uPa，已大于設計壓力的5%所以應計入計算壓力中。PC=P+P液=0.4+0.03=0.43MPa2）求計算厚度先假設筒體厚度為616mm，查表3-6得設計溫度為70時許用應力，得以上參數(shù)帶入式（3-2）得筒體計算厚度為：3）求設計厚度4）求名義厚度S 查表3-10得鋼板的厚度負偏差C1=0.3mm，因而可雙名義厚度，但對于低合金容皿規(guī)定不包括腐蝕裕量的最小厚度不應小于3mm，若如上1.5mm的腐蝕裕量，名義厚度至少取5mm。根據(jù)鋼板厚度標準規(guī)格，名義厚度取6mm5）檢查：沒有變化，故取名義厚度6mm合適。第三章 第三節(jié)內(nèi)壓

10、封頭結(jié)構(gòu)和計算目的要求：使學生熟悉凸形封頭，錐形封頭和平蓋結(jié)構(gòu)，掌握凸形封頭，錐形封頭及平蓋的計算重點難點：1、凸形封頭的結(jié)構(gòu)特點、分類2、凸形封頭的結(jié)構(gòu)計算第三節(jié) 內(nèi)壓封頭結(jié)構(gòu)計算封頭按結(jié)構(gòu)形狀可分為：凸形封頭、錐形封頭、平蓋封頭三類，本節(jié)著重介紹常用的這幾種封頭的結(jié)構(gòu)和強度計算方法1、凸形封頭常用的凸形封頭有：半球有：半球形封頭、橢圓形封頭和碟形封頭1、半球封頭：其封頭為半個球殼，其具有球殼所具有的優(yōu)點（相同下，受力為筒體一半，相同受力下，壁厚最薄，容積表面積最小，最結(jié)省材料）但其制造最困難。一般對于中、小直徑容皿很少用它，多用于高壓容皿上。分析其受力：其厚度（強度）計算公式也與球殼相同

11、選用范圍：2、橢圓封頭：由半個橢圓球面和高為h的短圓筒（直邊）組成，直邊段作用：避免筒體與封頭間環(huán)向連接焊縫處出現(xiàn)邊緣應力與熱應力的疊加，改善受力情況由于封頭的橢球部分經(jīng)線曲率變化非常平滑連續(xù)，故優(yōu)點應力分部均勻，而且易于沖壓形型。是目前中、低壓各皿中應用較廣的一種封頭的受力：受內(nèi)壓的橢圓形封頭最大原合應力與橢圓封頭的比值關有：（在橢圓頂點 赤道處： ）工程上對a/b=1.02.6的橢圓形封頭，引入形狀系數(shù)K，由此得到封頭受最大綜合應力： 式中K橢圓形封頭形狀系數(shù)K值可根據(jù) 按P64表3-18查由第一強度理論：并考慮焊接系數(shù)：由 推導出橢圓形封頭厚度計注：橢圓封頭的強度計算公式由K的化值推算出

12、來，橢圓封頭上最大應力圓筒體上最大應力=K，圓筒體上最大應力（=直徑為原圓體2倍的球殼上最大應力 當選取時，橢圓形封頭是標準封頭，此時則標準橢圓形封頭的厚度計算公式可表示： 與圓筒厚為：大致相等，考慮到受力情況用等厚鋼板進行制造。橢圓形封頭的最大許用工作應力3、碟形封頭，又稱帶折邊的球面封頭，它由半徑為Ri的球面中的一部分，高度為h的短圓筒以及聯(lián)接此二者的過渡環(huán)殼半徑r三部分組成，（其幾何形狀上看，曲面不連續(xù)，所以應力分部不均勻但制造較容易，一定場合下代替橢圓形封頭的使用，一般碟形封頭球面部分內(nèi)半徑，封頭過渡環(huán)殼內(nèi)半徑）在建立其厚度公式時，引入形狀系數(shù)M，得到碟形 值M的選取可P65表3-19

13、碟形封頭的最大允許工作應力 （與標準封頭比，碟形封頭厚增加33%，笨重不經(jīng)濟）例：3-3，為例3-2中儲罐設計合適的凸形封頭，封頭材料與筒體一致，選16MnR，Pc=2.5uPa，操作溫度-544，內(nèi)徑Di=1200mm，焊接封頭系數(shù)，許用應力腐蝕裕量；解：分別算各類封頭的強度和經(jīng)濟合理性進行比較1）半球球封頭則 查表3-10得鋼板厚度負偏差C1=0.6 2）橢圓形封頭（取標準橢圓封頭K=1）則 查表3-10取C1=0.8mm 3）碟形封頭（取 ）則 查表3-10取C1=0.8mm 可知：半球形封頭用材最小，但制造難，碟形封頭比較淺，制造比較容易，但比半球形厚 厚8mm，但封頭與筒體厚度相差懸

14、殊結(jié)果不合理，因此，從強度到結(jié)構(gòu)和制造等方面考慮，以采用橢圓形封頭理想。二、錐形封頭：廣泛地用低容皿的底蓋，優(yōu)點便于收集并剖除固體顆粒或結(jié)晶料液，避免洗淀堆積。錐形封頭的有兩種結(jié)構(gòu)，當錐形半核角選用無折邊的結(jié)構(gòu)：當時采用帶有邊液段的折邊結(jié)構(gòu)。大端折邊的錐形封頭的過液段的轉(zhuǎn)角半徑；對于小端時采用無折邊結(jié)構(gòu)；時，則采用帶過液段的折邊結(jié)構(gòu)。根據(jù)第一強度理化考慮焊接接頭系數(shù)影響：用由此可得設計溫度下錐形封頭計算厚度公式：考慮腐蝕裕量：考慮鋼板厚度負偏差三平蓋平蓋是容皿和設備中結(jié)構(gòu)最簡單的一種封頭，常用在常壓小直徑的設備上，平蓋總處于愛彎曲應力的小利狀態(tài)，當條件相同時，平蓋的厚度總比各種凸形封頭和錐形封

15、頭的厚度大得多。平蓋的模型：圓形、橢圓形、長圓形、矩形等。分析其受力：在工程計算中，一般采用平板理論的經(jīng)驗公式，引入結(jié)構(gòu)特征系數(shù)K，平蓋周邊支撐情況根據(jù)強度理論，并考慮焊接接頭系數(shù)可得圓形平蓋厚度公式：對于K值可見P73表3-22中查取例：選3-2儲罐用圓形平蓋，試求其厚度已知 材料16MAR，操低溫為-544，腐蝕余量取解：查表3-22中序號為2的圓形平蓋，其結(jié)構(gòu)特征系數(shù)K=0.27，采用整塊鋼制造，按式子（3-27）計算平蓋的厚度考慮腐蝕裕量，查表得鋼板厚度反偏差可以看出平蓋的厚度一般遠遠大于筒體的厚度，平蓋一般只宜用于常壓或壓力很低的壓力容皿。第三章 第四節(jié) 壓力試驗目的要求：使學生了解

16、什么是液壓試驗，氣壓試驗以及氣密性試驗，這些試驗的目的是什么，各用于什么場合。重要難點：各種壓力試驗的試驗過程以及試驗壓力的確定。第四節(jié) 壓力試驗按強度，剛度設計算確定出各壁厚度，由于材質(zhì)、鋼板卷彎，焊接及安裝加工制造過程的不完善，導致容皿不安全，有可能在規(guī)定的工作壓力下出現(xiàn)過大度形或焊縫有滲漏現(xiàn)象。因此，容皿在制成或檢修后還需進行壓力試驗或增加氣密性試驗。壓力試驗的目的：在超設計壓力下，檢查容皿的強度以及密封結(jié)構(gòu)和焊縫有無泄漏等。氣密性試驗的目的：是對密封性要求高的重要容皿在強度試驗合格后進行的泄露檢查，壓力試驗和氣密性試驗均是打壓試驗。分為液壓試驗和氣壓試驗：對于不適合進行液壓試驗的容皿內(nèi)

17、不允許有微量列留液體，由于結(jié)構(gòu)原因不能充滿液體的容皿，如高塔，液壓的液體重力可能超過基礎承受能力等，均采取氣壓試驗。其余都采取液壓試驗一、液壓試驗：定義：將液體注滿容皿后，再用泵打壓增至試驗壓力，來檢驗容皿的強度和致密性。如圖，試驗用兩個程量相同的表且試2P淺P壓表量程試驗介質(zhì)要求：通常用清水，特殊要求時采用無危險液體其溫度低于閃點或沸點溫度。當奧氏體不銹鋼：碳素鋼、16MnR等容皿：液體不低于5試驗過程：容皿頂部設有排氣口，以便排盡空氣充滿液體壓力應緩慢上升，達到試驗壓力后，保壓時間30min，降壓時先降80%，并對所有焊接接頭和連接部位檢查。有滲漏、依標記、卸壓后修補，重新試驗。對夾套容皿

18、，先進行內(nèi)筒液壓試驗，合格后再焊夾套，對夾套內(nèi)進行液壓試驗。液壓試驗完畢，排盡液體并用壓縮空氣將內(nèi)部吹干。3、試驗壓力的確定：試驗壓力是：進行壓力試驗時規(guī)定容皿應達到的壓力，該值反映在容皿頂部的壓力表上。P設計壓力 材料在試驗溫度下的許用應力 材料在設計溫度下的許用應力注意事項：若容皿鉻牌上規(guī)定有最大允用工作壓力時，公式中用最大允許工作壓力替代設計壓力P容皿各元件（圓筒、封頭、接管、法蘭及緊固件等）所用材料不同，應取各元件最小值。若立式容皿水平放置進行液壓試驗時，其試驗壓力再加上容皿直立時圓筒承受的最大液體靜壓力。4、試驗應力校核：壓力試驗前，按下式校核圓筒應力且為了防止容皿產(chǎn)生過大的應力，要求在試驗壓力下圓筒應力滿足：液壓：圓筒材料在試驗溫度下屈服點（或0.2%的屈服強度）二、氣壓試驗：要求：氣壓試驗前必須對容皿的主要焊縫進行100%無損檢驗，且試驗所用的氣體應為干燥潔凈的空氣，氮氣或其它惰性氣體。試驗壓力的計算公式：氣壓試驗的校核條件為試驗過程：壓力應緩慢上升至規(guī)定試驗壓力的10%，且不超過0.05MPa時，保壓5min，然后對所有焊接接頭和連接部位進行初次泄漏檢查（補修）至合格后，再繼續(xù)緩慢升奪至規(guī)定試驗壓力的50%，其后，以每級試驗壓力的1