內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼創(chuàng)新設(shè)計(jì)概述

1、內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼創(chuàng)新設(shè)計(jì)概述壓力容器中強(qiáng)度設(shè)計(jì)的任務(wù)在壓力容器的設(shè)計(jì)中，一般都是根據(jù)工藝要求先確定內(nèi)外徑。 強(qiáng)度設(shè)計(jì)的任務(wù)就是根據(jù)給定的內(nèi)徑、設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度及介質(zhì)腐蝕性等條件，設(shè)計(jì)出合理的厚度，以保證設(shè)備能在規(guī)定的使用壽命內(nèi)安全可靠的運(yùn)行。壓力容器強(qiáng)度計(jì)算的主要內(nèi)容是新容器的強(qiáng)度設(shè)計(jì)及在用容器的強(qiáng)度校核。第一節(jié) 概述2新的壓力容器的設(shè)計(jì)內(nèi)容確定設(shè)計(jì)參數(shù) 選擇使用材料。確定容器的結(jié)構(gòu)形式。計(jì)算筒體與封頭的厚度。選取標(biāo)準(zhǔn)件。繪制設(shè)備圖紙。3壓力容器強(qiáng)度校核的意義判定在下一個(gè)檢驗(yàn)周期內(nèi)或在剩余壽命期間內(nèi)，容器是否還能在原設(shè)計(jì)條件下使用。當(dāng)容器已被判定不能在原設(shè)計(jì)條件下使用是，應(yīng)通過強(qiáng)度計(jì)算，提

2、出容器監(jiān)控使用的條件。當(dāng)容器針對(duì)某一使用條件需要判廢時(shí)，應(yīng)提出判廢依據(jù)。4根據(jù)薄膜理論進(jìn)行應(yīng)力分析，確定薄膜應(yīng)力狀態(tài)下的主應(yīng)力根據(jù)彈性失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，應(yīng)用強(qiáng)度理論確定應(yīng)力的強(qiáng)度判據(jù)對(duì)于封頭，考慮到薄膜應(yīng)力的變化和邊緣應(yīng)力的影響，按殼體中的應(yīng)力狀況在公式中引進(jìn)應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度判據(jù)，考慮腐蝕等實(shí)際因素導(dǎo)出具體的計(jì)算公式。內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式推導(dǎo)過程5 容器上一處的最大應(yīng)力達(dá)到材料在設(shè)計(jì)溫度下的屈服點(diǎn)，容器即告失效(失去正常的工作能力)，也就是說，容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(dāng)應(yīng)力必須小于材料由單向拉伸時(shí)測(cè)得的屈服點(diǎn)。 關(guān)于彈性失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1、彈性失效理

3、論6為了保證結(jié)構(gòu)安全可靠地工作，必須留有一定的安全裕度，使結(jié)構(gòu)中的最大工作應(yīng)力與材料的許用應(yīng)力之間滿足一定的關(guān)系，即 相當(dāng)應(yīng)力，MPa，可由強(qiáng)度理論確定 極限應(yīng)力，MPa，可由簡(jiǎn)單拉伸試驗(yàn)確定 安全裕度 許用應(yīng)力,MPa2、強(qiáng)度安全條件7四種強(qiáng)度理論的相當(dāng)應(yīng)力8徑向應(yīng)力第二節(jié) 內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼強(qiáng)度計(jì)算一、內(nèi)壓薄壁圓筒的應(yīng)力狀態(tài)應(yīng)力狀態(tài)9第一強(qiáng)度理論（最大主應(yīng)力理論）第三強(qiáng)度理論（最大剪應(yīng)力理論）強(qiáng)度條件強(qiáng)度條件適用于脆性材料適用于塑性材料2、常用強(qiáng)度理論10第四強(qiáng)度理論強(qiáng)度條件適用于塑性材料第二強(qiáng)度理論（最大變形理論）與實(shí)際相差較大，目前很少采用。壓力容器材料都是塑性材料，應(yīng)采用三、四強(qiáng)度理

4、論， GB150-98和GB150.14-2011采用第三強(qiáng)度理論.11考慮介質(zhì)腐蝕性，引入腐蝕裕量考慮鋼板厚度負(fù)偏差，引入3、內(nèi)壓薄壁圓筒強(qiáng)度計(jì)算公式考慮焊縫對(duì)材料強(qiáng)度的削弱，引入考慮溫度對(duì)材料的影響引入因圓筒內(nèi)徑由工藝計(jì)算決定，故用計(jì)算壓力代設(shè)計(jì)壓力并圓整(+)計(jì)算厚度設(shè)計(jì)厚度名義厚度，圖樣上標(biāo)注的厚度12（1)、厚度的定義計(jì)算厚度設(shè)計(jì)厚度圓整值名義厚度有效厚度毛坯厚度加工減薄量容器的厚度和最小厚度壁厚的概念腐蝕裕量鋼板負(fù)偏差13設(shè)計(jì)壓力較低的容器計(jì)算厚度很薄。大型容器剛度不足，不滿足運(yùn)輸、安裝。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：a. 碳素鋼和低合金

5、鋼制容器不小于3mm b對(duì)高合金鋼制容器，不小于2mm（均包括腐蝕裕量）（2)、最小厚度 低壓、常壓容器按厚度公式計(jì)算的厚度很薄Pc=0，=014強(qiáng)度校核公式求最大允許工作壓力厚度計(jì)算式厚度算式的應(yīng)用：15二、內(nèi)壓球形殼體計(jì)算厚度設(shè)計(jì)厚度設(shè)計(jì)溫度下球殼的強(qiáng)度校核：設(shè)計(jì)溫度下球殼的最大允許工作壓力：16工作壓力Pw 指在正常工作情況下，容器頂部可能達(dá)到的最高壓力。 設(shè)計(jì)壓力p 設(shè)定的容器頂部的最高壓力，它與相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度一起作為設(shè)計(jì)載荷條件，其值不低于工作壓力。 計(jì)算壓力Pc 指在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下，用以確定殼體各部位厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。 計(jì)算壓力pc=設(shè)計(jì)壓力p+液柱靜壓力 三、設(shè)計(jì)參數(shù)

6、的確定1、壓力17表9-1 設(shè)計(jì)壓力與計(jì)算壓力的取值范圍計(jì)算帶夾套部分的容器時(shí)，應(yīng)考慮在正常操作情況下可能出現(xiàn)的內(nèi)外壓差?yuàn)A套容器7當(dāng)有安全閥控制時(shí)，取1.25倍的內(nèi)外最大壓差與0.1Mpa兩者中的較小值，當(dāng)沒有安全控制裝置時(shí)，取0.1Mpa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)外最大壓差外壓容器5根據(jù)容器的充裝系數(shù)和可能達(dá)到的最高溫度確定（設(shè)置在地面的容器可按不低于40，如50 、60 時(shí)的氣體壓力考慮）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(shí)壓力、防爆膜的破壞壓力及排放面積等因素考慮（通?？扇?1.151.3pw）容器內(nèi)有爆炸性介質(zhì)，裝有防爆膜時(shí)3取等于或略高于最高工

7、作壓力，通常 p=1.01.1pw單個(gè)容器不要裝安全泄放裝置2取不小于安全閥的初始起跳壓力，通常取 p=1.051.1pw容器上裝有安全閥時(shí)1設(shè)計(jì)壓力（P）取值類型18指容器在正常工作情況下，在相應(yīng)的設(shè)計(jì)壓力下，設(shè)定的元件的金屬溫度（沿元件金屬截面厚度的溫度平均值）。其值不得低于元件金屬在工作狀態(tài)可能達(dá)到的最高溫度。對(duì)于0以下的金屬溫度，設(shè)計(jì)溫度不得高于元件金屬可能達(dá)到的最低溫度。設(shè)計(jì)溫度是選擇材料和確定許用應(yīng)力時(shí)不可少的參數(shù)。 2、設(shè)計(jì)溫度19（1）極限應(yīng)力極限應(yīng)力的選取與結(jié)構(gòu)的使用條件和失效準(zhǔn)則有關(guān)極限應(yīng)力可以是:許用應(yīng)力是以材料的各項(xiàng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)為依據(jù)，合理選擇安全系數(shù)n得出的。3、許用應(yīng)力

8、和安全系數(shù)20常溫容器 中溫容器 高溫容器 21（2）安全系數(shù)常溫下，碳鋼和低合金鋼表9-2 鋼材的安全系數(shù)1.01.51.53.0高合金鋼1.01.51.63.0碳鋼素、低合金鋼設(shè)計(jì)溫度經(jīng)下經(jīng)10萬小時(shí)蠕變率為1%的蠕變極限設(shè)計(jì)溫度下經(jīng)10萬小時(shí)斷裂的持久強(qiáng)度的平均值常溫或設(shè)計(jì)溫度下的屈服點(diǎn) ( )或常溫下最低抗拉強(qiáng)度nnnDnsnb材料安全系數(shù)22焊縫區(qū)的強(qiáng)度主要取決于熔焊金屬、焊縫結(jié)構(gòu)和施焊質(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檢測(cè)的長(zhǎng)度比率。焊接接頭系數(shù)是焊接削弱而降低設(shè)計(jì)許用應(yīng)力的系數(shù)。4、焊接接頭系數(shù)表9-3 焊接接頭系數(shù)23常見的焊接形式：24 缺陷，夾渣，未焊透，晶

9、粒粗大等，在外觀看不出來； 焊接后常出現(xiàn)：熔池內(nèi)金屬?gòu)娜刍侥痰倪^程受到熔池外金屬的剛性約束，內(nèi)應(yīng)力很大。焊縫區(qū)強(qiáng)度比較薄弱。 為綜合考慮筒體強(qiáng)度，設(shè)計(jì)公式中將鋼板母材的許用應(yīng)力乘以f（1）。 f25滿足強(qiáng)度要求的計(jì)算厚度之外，額外增加的厚度，包括鋼板負(fù)偏差(或鋼管負(fù)偏差) C1、腐蝕裕量 C2 即 C C1十 C21、按表9-10選取2、當(dāng)鋼材的厚度負(fù)偏差不大于0.25mm，且不超過名義厚度的6%時(shí)，負(fù)偏差可以忽略不計(jì)。 為防止容器元件由于腐蝕、機(jī)械磨損而導(dǎo)致厚度削弱減薄，應(yīng)考慮腐蝕裕量。C1 鋼板厚度負(fù)偏差 C2 腐蝕裕量 5、厚度附加量C26標(biāo)準(zhǔn)化問題6、直徑系列與鋼板厚度表9-4 常

10、用鋼板厚度 注：5mm為不銹鋼常用厚度。27在于檢驗(yàn)容器的宏觀強(qiáng)度和有無滲漏現(xiàn)象，即考察容器的密封性，以確保設(shè)備的安全運(yùn)行。目的液壓試驗(yàn)氣壓試驗(yàn)氣密性試驗(yàn)壓力試驗(yàn)的種類第三節(jié) 容器的壓力試驗(yàn)28液壓試驗(yàn)氣壓試驗(yàn)內(nèi)壓容器試驗(yàn)壓力試驗(yàn)壓力/t大于1.8時(shí)，；如果容器各元件(圓筒、封頭、接管、法蘭及緊固件等)所用材料不同時(shí)，應(yīng)取各元件材料的比值中最小者。容器銘牌上規(guī)定有最大允許工作壓力時(shí)，公式中應(yīng)以最大允許工作壓力代替設(shè)計(jì)壓力p設(shè)計(jì)溫度小于200，292、壓力試驗(yàn)的試驗(yàn)要求與試驗(yàn)方法將容器充滿液體（在容器的最高點(diǎn)設(shè)置排氣口），待容器壁溫與液體溫度相同時(shí)緩慢升壓到規(guī)定試驗(yàn)壓力后，保壓時(shí)間一般不小于30

11、min，然后將壓力降到規(guī)定試驗(yàn)壓力的80%，并保持足夠長(zhǎng)時(shí)間以對(duì)所有焊縫和連接部分進(jìn)行檢查，如有泄露，修補(bǔ)后重新試驗(yàn)。液壓試驗(yàn)：30壓力試驗(yàn)分類：液壓試驗(yàn)介質(zhì)：一般為水；過程：充水排氣設(shè)計(jì)壓力無泄漏開始試驗(yàn)壓力下保壓30分鐘卸壓吹凈結(jié)束試驗(yàn)壓力的80%保壓檢查31氣壓試驗(yàn)氣壓試驗(yàn)：對(duì)不適合作液壓試驗(yàn)的容器，例如容器內(nèi)部不允許有微量殘留液體，或由于結(jié)構(gòu)原因不能充滿液體的容器，可采用氣壓試驗(yàn)。所用氣體應(yīng)為干燥、潔凈的空氣、氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w，試驗(yàn)氣體溫度一般應(yīng)不低于15。試驗(yàn)程序：緩慢升壓到規(guī)定試驗(yàn)壓力的10%，且不超過0.05MPa，保持5min，然后對(duì)所有焊縫和連接部位進(jìn)行多次檢查；合格后繼續(xù)

12、升壓到規(guī)定試驗(yàn)壓力的50%，其后按每級(jí)為規(guī)定試驗(yàn)壓力的10%的極差逐漸升壓到試驗(yàn)壓力，保持10min后，然后再降至試驗(yàn)壓力的87%，保持足夠的時(shí)間并同時(shí)進(jìn)行檢查，如有泄露，補(bǔ)修后再按上述規(guī)定重新試驗(yàn)。32氣密試驗(yàn)容器須經(jīng)壓力試驗(yàn)合格后，方可進(jìn)行氣密試驗(yàn)。方法：首先緩慢升壓至試驗(yàn)壓力保持10min，然后降至設(shè)計(jì)壓力，同時(shí)進(jìn)行檢查，氣體溫度應(yīng)不低于5。注意事項(xiàng)：容器做定期檢驗(yàn)時(shí)，若容器內(nèi)有殘留易燃?xì)怏w存在會(huì)導(dǎo)致爆炸時(shí)，則不得使用空氣作為試驗(yàn)介質(zhì)。33液壓試驗(yàn)氣壓試驗(yàn)3、壓力試驗(yàn)的應(yīng)力校核圓筒壁在試驗(yàn)壓力下的計(jì)算應(yīng)力34例題 9-1有一圓筒形鍋爐汽包，內(nèi)徑Di=1200mm，操作壓力為4MPa（表壓

13、），此時(shí)蒸汽壓力為250，汽包上裝有安全閥，材料為20R，筒體采用帶墊板的對(duì)接焊，全部探傷，試設(shè)計(jì)該汽包的厚度。解（1）：確定參數(shù) Pc=1.1Pw=1.1x4=4.4MPa,Di=1200mm(2)計(jì)算厚度（3）確定厚度附加量35例9-2：某化工廠欲設(shè)計(jì)一臺(tái)石油氣分離用乙烯精餾塔。工藝參數(shù)為:塔體內(nèi)徑 ；計(jì)算壓力 ；工作溫度t-3-20。試選擇塔體材料并確定塔體厚度。由于石油氣對(duì)鋼材腐蝕不大，溫度在-3-20，壓力為中壓，故選用16MnR。（2）確定參數(shù)(附表9-4)；(采用帶墊板的單面焊對(duì)接接頭,局部無損檢測(cè))；取,解： （1）選材 36（3）厚度計(jì)算計(jì)算厚度設(shè)計(jì)厚度根據(jù),查表9-10得：

14、名義厚度圓整后,取名義厚度為 。該塔體可用8mm厚的16MnR鋼板制作 。37（4）校核水壓試驗(yàn)強(qiáng)度式中，則而可見，所以水壓試驗(yàn)強(qiáng)度足夠。38例9-3 設(shè)計(jì)鍋爐汽包的筒體壁厚。工作壓力為15.6MPa,工作溫度為350,其內(nèi)徑為1300mm?！窘狻?.選材：工作溫度中溫，工作壓力為高壓，有輕微腐蝕。 故采用低合金鋼18MnMoNbR（GB6654-96)。ss=410MPa。2.確定參數(shù)（1）工作壓力15.6MPa,是高壓容器，屬于三類容器。其焊縫結(jié)構(gòu)必須是雙面對(duì)接焊結(jié)構(gòu)或其他等強(qiáng)度焊接，100%無損探傷， =1 。（2） 筒體需保溫，則筒壁設(shè)計(jì)溫度取介質(zhì)溫度， s=s350=190MPa（3

15、）需安裝安全閥，pc=p=1.115.6=17.16(MPa)。（4）水蒸氣對(duì)低合金鋼有輕微腐蝕，且為單面腐蝕，C2=1mm。39 3.計(jì)算壁厚4.設(shè)計(jì)壁厚： d=+C2=61.5+1.0=62.5(mm), 查表得C1=1.5(mm) 壁厚附加量C=C1+C2=1.5+1.0=2.5(mm)5.名義厚度 n= +C+圓整量 61.5+2.5=64(mm) ， 圓整后為65（mm)。406.校核水壓試驗(yàn)強(qiáng)度水壓試驗(yàn)強(qiáng)度條件為：式中e=n-C=65-2.8=62.2(mm)則 sT=234.9(MPa)。而 0.9fss=0.91410=369(MPa)sT 0.9fss水壓試驗(yàn)合格。41例9-4 校驗(yàn)舊氣瓶。資料記載該氣瓶材質(zhì)為40Mn2A，系無縫鋼管收口而成。實(shí)測(cè)其外徑為219mm,最小壁厚為6.5mm。查材料手冊(cè)得該材料的sb=785MPa,ss=510MPa,d5=18%。（1）常溫