內(nèi)壓薄壁圓筒與球殼的強度設計

1、1第九章第九章 內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設計內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設計教學重點：教學重點： 內(nèi)壓薄壁圓筒的厚度計算內(nèi)壓薄壁圓筒的厚度計算 教學難點：教學難點： 厚度的概念和設計參數(shù)的確定厚度的概念和設計參數(shù)的確定2 根據(jù)給定的內(nèi)直徑、設計壓力、設計溫度以及介根據(jù)給定的內(nèi)直徑、設計壓力、設計溫度以及介質(zhì)腐蝕性等工藝條件，設計計算出合適的容器厚度，質(zhì)腐蝕性等工藝條件，設計計算出合適的容器厚度，以保證新設備能在規(guī)定的使用壽命內(nèi)安全可靠地運以保證新設備能在規(guī)定的使用壽命內(nèi)安全可靠地運行。行。第一節(jié)第一節(jié) 概述概述一、壓力容器工藝設計的任務：一、壓力容器工藝設計的任務： 根據(jù)工藝的要求確定其內(nèi)直徑，設計壓力、設計

2、根據(jù)工藝的要求確定其內(nèi)直徑，設計壓力、設計溫度、處理的介質(zhì)等工藝指標。溫度、處理的介質(zhì)等工藝指標。二、壓力容器強度設計的任務：二、壓力容器強度設計的任務：3壓力容器強度計算的內(nèi)容：壓力容器強度計算的內(nèi)容：確定容器的設計參數(shù)（確定容器的設計參數(shù)（ P，T, ，、D等）。等）。選擇設計所使用的材料。選擇設計所使用的材料。確定容器的結構型式。確定容器的結構型式。計算筒體與封頭厚度。計算筒體與封頭厚度。選取容器的標準件；繪制設備圖紙。選取容器的標準件；繪制設備圖紙。4根據(jù)薄膜理論進行應力分析，確定薄膜應力狀態(tài)下根據(jù)薄膜理論進行應力分析，確定薄膜應力狀態(tài)下的主應力的主應力根據(jù)彈性失效的設計準則，應用強度

3、理論確定應力根據(jù)彈性失效的設計準則，應用強度理論確定應力的強度判據(jù)的強度判據(jù)對于封頭，考慮到薄膜應力的變化和邊緣應力的影對于封頭，考慮到薄膜應力的變化和邊緣應力的影響，按殼體中的應力狀況在公式中引進應力增強系響，按殼體中的應力狀況在公式中引進應力增強系數(shù)數(shù)根據(jù)應力強度判據(jù)，考慮腐蝕等實際因素導出具體根據(jù)應力強度判據(jù)，考慮腐蝕等實際因素導出具體的計算公式。的計算公式。三、內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強度設計公式推導過程三、內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強度設計公式推導過程5 容器上一處的最大應力達到材料在設計溫度下的屈服容器上一處的最大應力達到材料在設計溫度下的屈服點，容器即告失效點，容器即告失效( (失去正常的

4、工作能力失去正常的工作能力) )，也就是說，容，也就是說，容器的每一部分必須處于彈性變形范圍內(nèi)。器的每一部分必須處于彈性變形范圍內(nèi)。保證器壁內(nèi)的相當應力必須小于材料由單向拉伸時測得的保證器壁內(nèi)的相當應力必須小于材料由單向拉伸時測得的屈服點。屈服點。 四、關于彈性失效的設計準則四、關于彈性失效的設計準則1、彈性失效理論、彈性失效理論s 當當6為了保證結構安全可靠地工作，必須留有一定的安為了保證結構安全可靠地工作，必須留有一定的安全裕度，使結構中的最大工作應力與材料的許用應全裕度，使結構中的最大工作應力與材料的許用應力之間滿足一定的關系，即力之間滿足一定的關系，即 n0當= 0當n 相當應力，相當

5、應力，MPa，可由強度理論確定可由強度理論確定 極限應力，極限應力，MPa，可由簡單拉伸試驗確定可由簡單拉伸試驗確定 安全裕度安全裕度 許用應力許用應力, ,MPa2、強度安全條件、強度安全條件7 42pDm 21pD 03r徑向應力徑向應力五、強度理論及其相應的強度條件五、強度理論及其相應的強度條件1、薄壁壓力容器的應力狀態(tài)、薄壁壓力容器的應力狀態(tài)圖圖9-1 應力狀態(tài)應力狀態(tài)8第一強度理論第一強度理論（最大主應力理論）（最大主應力理論）第三強度理論第三強度理論（最大剪應力理論）（最大剪應力理論） 21pDI當強度條件強度條件 2pDI當 231pDIII當強度條件強度條件 2pDIII當適用

6、于適用于脆性材料脆性材料適用于適用于塑性材料塑性材料2、常用強度理論、常用強度理論9第四強度理論第四強度理論（能量理論）（能量理論）2.3 21)()()(21212221213232221pDIV當強度條件強度條件 3 . 2pDIV當適用于適用于塑性材料塑性材料第二強度理論（最大變形理論）與實際相差較大，目前很少采用。第二強度理論（最大變形理論）與實際相差較大，目前很少采用。壓力容器材料都是塑性材料，應采用三、四強度理論壓力容器材料都是塑性材料，應采用三、四強度理論， GB150-98采用第三強度理論采用第三強度理論.10 2pDIII當 tpD2iDD考慮實際情況，考慮實際情況，引入引入

7、 ,pc等參數(shù)等參數(shù) cticpDp2 22CpDpcticd考慮介質(zhì)考慮介質(zhì)腐蝕性腐蝕性考慮鋼板厚度考慮鋼板厚度負偏差并圓整負偏差并圓整n第二節(jié)第二節(jié) 內(nèi)壓薄壁圓筒殼體與球殼的強度設計內(nèi)壓薄壁圓筒殼體與球殼的強度設計一、強度設計公式一、強度設計公式1、內(nèi)壓薄壁圓筒、內(nèi)壓薄壁圓筒11強度校核公式強度校核公式最大允許工作壓力計算公式最大允許工作壓力計算公式 eietnintwDCDCp22 2)(teeictDp1、當筒體采用無縫鋼管時，應將式中的、當筒體采用無縫鋼管時，應將式中的Di換為換為D02、以上公式的適用范圍為、以上公式的適用范圍為3、用第四強度理論計算結果相差不大、用第四強度理論計算

8、結果相差不大tcp 4 . 012421pD cticpDp4 24CpDpcticd 4)(teeictDp eietwDp4公式的適用范圍為公式的適用范圍為tcp 6 . 02、內(nèi)壓球形殼體、內(nèi)壓球形殼體13工作壓力工作壓力 指在正常工作情況下，容器頂部可能達到的指在正常工作情況下，容器頂部可能達到的最高壓力。最高壓力。 設計壓力設計壓力 指設定的容器頂部的最高壓力，它與相應設指設定的容器頂部的最高壓力，它與相應設計溫度一起作為設計載荷條件，其值不低于計溫度一起作為設計載荷條件，其值不低于工作壓力。工作壓力。 計算壓力計算壓力 指在相應設計溫度下，用以確定殼體各部位指在相應設計溫度下，用以

9、確定殼體各部位厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。 計算壓力計算壓力pc=設計壓力設計壓力p+液柱靜壓力液柱靜壓力 二、設計參數(shù)的確定二、設計參數(shù)的確定1、壓力、壓力14表表 9-1 設計壓力與計算壓力的取值范圍設計壓力與計算壓力的取值范圍計算帶夾套部分的容器時，應考慮在正常操作情況下可能出計算帶夾套部分的容器時，應考慮在正常操作情況下可能出現(xiàn)的內(nèi)外壓差現(xiàn)的內(nèi)外壓差夾套容器夾套容器7當有安全閥控制時，取當有安全閥控制時，取1.25倍的內(nèi)外最大壓差與倍的內(nèi)外最大壓差與0.1Mpa兩者兩者中的較小值，當沒有安全控制裝置時，取中的較小值，當沒有安全控制裝置時，取0.1Mp

10、a真空容器真空容器6取不小于在正常操作情況下可能產(chǎn)生的內(nèi)外最大壓差取不小于在正常操作情況下可能產(chǎn)生的內(nèi)外最大壓差外壓容器外壓容器5根據(jù)容器的充裝系數(shù)和可能達到的最高溫度確定（設置在地根據(jù)容器的充裝系數(shù)和可能達到的最高溫度確定（設置在地面的容器可按不低于面的容器可按不低于40，如，如50 、60 時的氣體壓力考時的氣體壓力考慮）慮）裝有液化氣體的容器裝有液化氣體的容器4根據(jù)介質(zhì)特性、氣相容積、爆炸前的瞬時壓力、防爆膜的破根據(jù)介質(zhì)特性、氣相容積、爆炸前的瞬時壓力、防爆膜的破壞壓力及排放面積等因素考慮（通?？扇膲毫芭欧琶娣e等因素考慮（通?？扇1.151.3pw）容器內(nèi)有爆炸性介質(zhì)，容器內(nèi)有爆炸

11、性介質(zhì)，裝有防爆膜時裝有防爆膜時3取等于或略高于最高工作壓力，通常取取等于或略高于最高工作壓力，通常取p1.01.1pw單個容器不要裝安全單個容器不要裝安全泄放裝置泄放裝置2取不小于安全閥的初始起跳壓力，通常取取不小于安全閥的初始起跳壓力，通常取p1.051.1pw容器上裝有安全閥時容器上裝有安全閥時1設計壓力（設計壓力（P）取值）取值類型類型15指容器在正常工作情況下，在相應的設指容器在正常工作情況下，在相應的設計壓力下，設定的元件的金屬溫度（沿計壓力下，設定的元件的金屬溫度（沿元件金屬截面厚度的溫度平均值）。元件金屬截面厚度的溫度平均值）。設計溫度是設計溫度是選擇材料選擇材料和和確定許用應

12、力確定許用應力時時不可少的參數(shù)。不可少的參數(shù)。 2、設計溫度、設計溫度16 nt0（1）極限應力）極限應力極限應力的選取與結構的使極限應力的選取與結構的使用條件和失效準則有關用條件和失效準則有關0極限應力可以是極限應力可以是tntDttssb、)()(2 . 02 . 0許用應力是以材料的各項強度數(shù)許用應力是以材料的各項強度數(shù)據(jù)為依據(jù)，合理選擇安全系數(shù)據(jù)為依據(jù)，合理選擇安全系數(shù)n n得出的。得出的。3、許用應力和安全系數(shù)、許用應力和安全系數(shù)17常溫容器常溫容器 中溫容器中溫容器 高溫容器高溫容器 =minbbn,ssn2 . 0 t=minsttsbtbnn2 . 0, t=minDtDntn

13、sttsnnn,2 . 0 18（2）安全系數(shù)）安全系數(shù)安全系數(shù)是一個不斷發(fā)展變化的參數(shù)。安全系數(shù)是一個不斷發(fā)展變化的參數(shù)。隨著科技發(fā)展，安全系數(shù)將逐漸變小。隨著科技發(fā)展，安全系數(shù)將逐漸變小。 常溫下，碳鋼和低合金鋼常溫下，碳鋼和低合金鋼6 . 1 0 . 3sbnn，表表 9-2鋼材的安全系數(shù)鋼材的安全系數(shù)19焊縫區(qū)的強度主要取決于熔焊金屬、焊縫結構和施焊縫區(qū)的強度主要取決于熔焊金屬、焊縫結構和施焊質(zhì)量。焊質(zhì)量。焊接接頭系數(shù)的大小決定于焊接接頭的型式和無損焊接接頭系數(shù)的大小決定于焊接接頭的型式和無損檢測的長度比率。檢測的長度比率。焊接接頭系數(shù)焊接接頭系數(shù)是焊接削弱而降低設計許用應力的是焊接削

14、弱而降低設計許用應力的系數(shù)。系數(shù)。4、焊接接頭系數(shù)、焊接接頭系數(shù)表表9-6 焊接接頭系數(shù)焊接接頭系數(shù)20滿足強度要求的計算厚度之外，額外增加的厚度，滿足強度要求的計算厚度之外，額外增加的厚度，包括鋼板負偏差包括鋼板負偏差( (或鋼管負偏差或鋼管負偏差) ) C1、腐蝕裕量、腐蝕裕量 C2 即即 C C1十十 C21 1、按表按表9-10選取選取2、當鋼材的厚度負偏差不大于、當鋼材的厚度負偏差不大于0.25mm，且不超過名且不超過名義厚度的義厚度的6%時，負偏差可以忽略不計。時，負偏差可以忽略不計。 為防止容器元件由于腐蝕、機械磨損為防止容器元件由于腐蝕、機械磨損而導致厚度削弱減薄，應考慮腐蝕裕

15、而導致厚度削弱減薄，應考慮腐蝕裕量。量。C1 鋼板厚度負偏差鋼板厚度負偏差 C2 腐蝕裕量腐蝕裕量 5、厚度附加量、厚度附加量C21標準化問題標準化問題6、直徑系列與鋼板厚度、直徑系列與鋼板厚度表表9-4 常用鋼板厚度常用鋼板厚度2.03.04.0(5.0) 6.08.0101214161820222528303234363840424650556065707580859095100105110115120125130140150160165170180185190195200 注：5mm為不銹鋼常用厚度。22計算厚度計算厚度 d n 2C設計厚度設計厚度1C圓整值圓整值名義厚度名義厚度有效厚

16、度有效厚度e 21CCC 毛坯厚度毛坯厚度加工減薄量加工減薄量三、容器的厚度和最小厚度三、容器的厚度和最小厚度圖圖9-2 壁厚的概念壁厚的概念23設計壓力較低的容器計算厚度很薄。設計壓力較低的容器計算厚度很薄。大型容器剛度不足，不滿足運輸、安裝。大型容器剛度不足，不滿足運輸、安裝。限定最小厚度以滿足剛度和穩(wěn)定性要求。限定最小厚度以滿足剛度和穩(wěn)定性要求。殼體加工成形后不包括腐蝕裕量最小厚度：殼體加工成形后不包括腐蝕裕量最小厚度：a. 碳素鋼和低合金鋼制容器不小于碳素鋼和低合金鋼制容器不小于3mm b對高合金鋼制容器，不小于對高合金鋼制容器，不小于2mmmin2、最小厚度、最小厚度 c 碳素鋼、低

17、合金鋼制塔式容器碳素鋼、低合金鋼制塔式容器min, maxiD100024mm；不銹鋼制塔式容器不銹鋼制塔式容器, minmaxiD100023mm. 24在于在于檢驗容器的宏觀強度檢驗容器的宏觀強度和和有無滲漏現(xiàn)象有無滲漏現(xiàn)象，即考察容器的密封性，以確保設備的安全即考察容器的密封性，以確保設備的安全運行。運行。目的目的液壓試驗液壓試驗氣壓試驗氣壓試驗氣密性試驗氣密性試驗壓力試驗的種類壓力試驗的種類四、壓力試驗與強度校核四、壓力試驗與強度校核25液壓試驗液壓試驗氣壓試驗氣壓試驗內(nèi)壓容器試驗壓力內(nèi)壓容器試驗壓力tTpp25. 1tTpp15. 11、試驗壓力、試驗壓力 / t大于大于1.8時，按

18、時，按1.8計算；計算；如果容器各元件如果容器各元件(圓筒、封頭、圓筒、封頭、接管、法蘭及緊固件等接管、法蘭及緊固件等)所用材料不同時，應取各元件材料的比所用材料不同時，應取各元件材料的比值中最小者。值中最小者。容器銘牌上規(guī)定有最大允許工作壓力時，公式中應以最大允容器銘牌上規(guī)定有最大允許工作壓力時，公式中應以最大允許工作壓力代替設計壓力許工作壓力代替設計壓力p262.壓力試驗的試驗要求與試驗方法壓力試驗的試驗要求與試驗方法液壓試驗方法步驟液壓試驗方法步驟 將容器充滿液體（在容器最高點設排氣口），待容器壁溫與液體溫度相同時緩慢升壓到規(guī)定試驗壓力后，保證時間一般不小于30min，然后將壓力降到規(guī)定

19、試驗壓力的80%，并保持足夠長時間以對所有焊縫和連接部位進行檢查，如有泄露，修補后重新試驗。 （1）一般采用潔凈水進行試驗。對于不銹鋼制造的容器用水進行試驗時，應限制水中氯離子含量不超過25mg/kg，以防氯離子腐蝕。 27（2）采用石油蒸餾產(chǎn)品進行液壓試驗時，試驗溫度應低于石油產(chǎn)品的閃點或沸點。（3）試驗溫度應低于液體沸點溫度，對新鋼種的試驗應高于材料無塑性轉(zhuǎn)變溫度。 （4）碳素鋼、16MnR和正火的15MnVR鋼制容器液壓試驗時，液體溫度不得低于5，其它低合金鋼制容器（不包括低溫容器）液壓試驗時，液體溫度不低于15 。如果由于板厚等因素造成材料無塑性轉(zhuǎn)變溫度升高，還要相應地提高試驗液體溫度

20、。（5）液壓試驗完畢后，應將液體排盡并用壓縮空氣將內(nèi)部吹干。28v 對不適合作液壓試驗的容器，例如容器內(nèi)部不允許有微量殘留液體，或由于結構原因不能充滿液體的容器，可采用氣壓試驗。所用氣體應為干燥、潔凈的空氣，氮氣或其它惰性氣體，試驗氣體溫度一般應不低于15。 步驟：（1）緩慢升高到規(guī)定試驗壓力的10%，且不超過0.05MPa，保持5min，然后對所有的焊縫和連接部位進行多次檢驗；（2）合格后繼續(xù)升壓到規(guī)定試驗壓力的50%，其后按每級為規(guī)定試驗壓力的10%的級差逐漸升壓到試驗壓力，保持10min后，然后再降到試驗壓力的87%，保持足夠時間并同時進行檢查，如有泄露，修補后再按上述規(guī)定重新試驗。氣壓

21、試驗方法步驟氣壓試驗方法步驟29 容器須經(jīng)液壓試驗合格后，方可進行氣密試驗。步驟： 先緩慢升壓至試驗壓力保持10min，然后降至設計壓力，同時進行檢查，氣體溫度應不低于5。 注意： 容器作為定期檢驗時，若容器內(nèi)有殘留易燃氣體存在會導致爆炸時，則不得使用空氣作為試驗介質(zhì)。 氣密試驗氣密試驗 30eeiTTDp2)()(9 . 02)(2 . 0seeiTTDp液壓試驗液壓試驗氣壓試驗氣壓試驗)(8 . 02)(2 . 0seeiTTDp3、壓力試驗的應力校核、壓力試驗的應力校核圓筒壁在試驗壓圓筒壁在試驗壓力下的計算應力力下的計算應力31五、五、 例題例題【例例9-1】：某化工廠欲設計一臺石油氣分離用乙烯精餾塔。：某化工廠欲設計一臺石油氣分離用乙烯精餾塔。工藝參數(shù)為工藝參數(shù)為: :塔體內(nèi)徑塔體內(nèi)徑 ；計算壓力；計算壓力 ；工作溫度工作溫度t t-3-3-20-20。試選擇塔體材料并確定塔體厚度。試選擇塔體材料并確定塔體厚度。mmDi600 MPapc2 . 2