內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)市公開課金獎(jiǎng)市賽課一等獎(jiǎng)?wù)n件

第四章內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭強(qiáng)度設(shè)計(jì)4.1強(qiáng)度設(shè)計(jì)基本知識(shí)4.2內(nèi)壓薄壁圓筒殼與球殼遷都設(shè)計(jì)4.3內(nèi)壓圓筒封頭設(shè)計(jì)/10/10第1頁(yè)第四章內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭強(qiáng)度設(shè)計(jì)本章重點(diǎn)：內(nèi)壓薄壁圓筒厚度計(jì)算本章難點(diǎn)：厚度概念和設(shè)計(jì)參數(shù)確實(shí)定計(jì)劃課時(shí)：6課時(shí)/10/10第2頁(yè)第四章內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭強(qiáng)度設(shè)計(jì)強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式推導(dǎo)過程以下：①依據(jù)薄膜理論進(jìn)行應(yīng)力分析，確定薄膜應(yīng)力狀態(tài)下主應(yīng)力；②依據(jù)彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，應(yīng)用強(qiáng)度理論確定應(yīng)力強(qiáng)度判據(jù)；③對(duì)于封頭，考慮到薄膜應(yīng)力改變和邊緣應(yīng)力影響，按殼體中應(yīng)力情況在公式中引進(jìn)應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)。④依據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度判據(jù)，考慮腐蝕等實(shí)際原因?qū)С鲈敿?xì)計(jì)算公式。/10/10第3頁(yè)4.1強(qiáng)度設(shè)計(jì)基本知識(shí)4.1.1關(guān)于彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1、彈性失效理論對(duì)于中、低壓薄壁容器，當(dāng)前通用是彈性失效理論。依據(jù)這一理論，容器上一處最大應(yīng)力到達(dá)材料在設(shè)計(jì)溫度下屈服點(diǎn)σst，容器即告失效(失去正常工作能力)，也就是說，容器每一部分必須處于彈性變形范圍內(nèi)。確保器壁內(nèi)相當(dāng)應(yīng)力必須小于材料由單向拉伸時(shí)測(cè)得屈服點(diǎn)，即σ當(dāng)＜σs。/10/10第4頁(yè)4.1強(qiáng)度設(shè)計(jì)基本知識(shí)2．強(qiáng)度安全條件為了確保結(jié)構(gòu)安全可靠地工作，必須留有一定安全裕度，使結(jié)構(gòu)中最大工作應(yīng)力與材料許用應(yīng)力之間滿足一定關(guān)系。即σ0—極限應(yīng)力（由簡(jiǎn)單拉伸試驗(yàn)確定）n—安全系數(shù)[σ]—許用應(yīng)力σ當(dāng)—相當(dāng)應(yīng)力，由強(qiáng)度理論來(lái)確定。/10/10第5頁(yè)4.1強(qiáng)度設(shè)計(jì)基本知識(shí)4.1.2強(qiáng)度理論及其對(duì)應(yīng)強(qiáng)度條件以圓筒形容器作例：/10/10第6頁(yè)4.1強(qiáng)度設(shè)計(jì)基本知識(shí)第一強(qiáng)度理論——最大主應(yīng)力理論第二強(qiáng)度理論——最大變形理論（與實(shí)際相關(guān)較大，未用）第三強(qiáng)度理論——最大剪應(yīng)力理論第四強(qiáng)度理論——能量理論（適合用于塑性材料）/10/10第7頁(yè)4.1強(qiáng)度設(shè)計(jì)基本知識(shí)/10/10第8頁(yè)4.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼強(qiáng)度設(shè)計(jì)4.2.1設(shè)計(jì)計(jì)算一、圓筒形容器1、強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式依據(jù)前面所講第三強(qiáng)度理論，有：將平均直徑換為圓筒內(nèi)徑D=Di+S;將壓力p換為計(jì)算壓力pc；考慮焊接制造原因φ，將[σ]換為[σ]tφ則有：/10/10第9頁(yè)4.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼強(qiáng)度設(shè)計(jì)其中S—計(jì)算壁厚,mm[σ]t—材料在設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力，Mpa;2、厚度定義

計(jì)算厚度：

設(shè)計(jì)厚度

Sd=S＋C2

名義厚度

Sn=Sd＋C1＋圓整值=S＋C＋圓整值

有效厚度

Se=Sn－C/10/10第10頁(yè)4.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼強(qiáng)度設(shè)計(jì)其中C1—鋼板壁厚負(fù)偏差；

C2—腐蝕裕度；C=C1＋C2

如圖所表示C1C2圓整值加工減薄量C=C1+C2

/10/10第11頁(yè)4.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼強(qiáng)度設(shè)計(jì)3、校核公式若已知，要計(jì)算一臺(tái)容器所能承受載荷時(shí)4、采取無(wú)縫鋼管作圓體時(shí)，公稱直徑為鋼管外徑。/10/10第12頁(yè)4.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼強(qiáng)度設(shè)計(jì)上述計(jì)算公式適用范圍為pc≤0.4[σ]tφ。二、球形容器對(duì)于球形容器，因?yàn)槠渲鲬?yīng)力為利用上述推導(dǎo)方法，能夠得到球形容器壁厚設(shè)計(jì)計(jì)算公式，即上述球形容器計(jì)算公式適用范圍為pc≤0.6[σ]tφ。/10/10第13頁(yè)4.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼強(qiáng)度設(shè)計(jì)4.2.2設(shè)計(jì)參數(shù)確實(shí)定1壓力

工作壓力pw：指在正常工作情況下，容器頂部可能到達(dá)最高壓力。

設(shè)計(jì)壓力p：指設(shè)定容器頂部最高壓力，它與對(duì)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：指在對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下，用以確定殼體各部位厚度壓力，其中包含液柱靜壓力。當(dāng)殼體各部位或元件所承受液柱靜壓力小于5%設(shè)計(jì)壓力時(shí)，可忽略不計(jì)。/10/10第14頁(yè)4.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼強(qiáng)度設(shè)計(jì)2設(shè)計(jì)溫度設(shè)計(jì)溫度：指容器在正常工作情況下，在對(duì)應(yīng)設(shè)計(jì)壓力下，設(shè)定元件金屬溫度（沿元件金屬截面厚度溫度平均值）。設(shè)計(jì)溫度是選擇材料和確定許用應(yīng)力時(shí)不可少參數(shù)。3許用應(yīng)力和安全系數(shù)（1）許用應(yīng)力取法/10/10第15頁(yè)4.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼強(qiáng)度設(shè)計(jì)（2）安全系數(shù)取法安全系數(shù)是不停發(fā)展改變參數(shù)，科技發(fā)展，安全系數(shù)變??；

要求記憶：常溫下，碳鋼和低合金鋼nb=3.0，ns=1.6。/10/10第16頁(yè)4.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼強(qiáng)度設(shè)計(jì)4焊接接頭系數(shù)焊縫區(qū)是容器上強(qiáng)度比較微弱地方。焊縫區(qū)強(qiáng)度主要決定于熔焊金屬、焊縫結(jié)構(gòu)和施焊質(zhì)量。焊接接頭系數(shù)大小決定于焊接接頭型式和無(wú)損檢測(cè)長(zhǎng)度比率。5厚度附加量C=C1+C2C1—鋼板壁厚負(fù)偏差；按對(duì)應(yīng)鋼板或鋼管標(biāo)準(zhǔn)要求選?。?dāng)鋼材厚度負(fù)偏差小于0.25mm，且不超出名義厚度6%時(shí)，負(fù)偏差能夠忽略不計(jì)。/10/10第17頁(yè)C2—腐蝕裕量；為預(yù)防容器元件因?yàn)楦g、機(jī)械磨損而造成厚度減弱減薄，應(yīng)考慮腐蝕裕量。三壓力試驗(yàn)與強(qiáng)度校核容器制成以后(或檢修后投入生產(chǎn)之前)．必須作壓力試驗(yàn)或增加氣密性試驗(yàn)，其目標(biāo)在于檢驗(yàn)容器宏觀強(qiáng)度和有沒有滲漏現(xiàn)象，即考查容器密封性，以確保設(shè)備安全運(yùn)行。對(duì)需要進(jìn)行焊后熱處理容器，應(yīng)在全部焊接工作完成并經(jīng)熱處理之后，才能進(jìn)行壓力試驗(yàn)和氣密試驗(yàn)，對(duì)于分段交貨壓力容器，可分段熱處理．在安裝4.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼強(qiáng)度設(shè)計(jì)/10/10第18頁(yè)4.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼強(qiáng)度設(shè)計(jì)工地組裝焊接，并對(duì)焊接環(huán)焊縫進(jìn)行局部熱處理之后，再進(jìn)行壓力試驗(yàn)。壓力試驗(yàn)種類、要求和試驗(yàn)壓力值應(yīng)在圖樣上注明。壓力試驗(yàn)普通采取液壓試驗(yàn)。對(duì)于不適合作液壓試驗(yàn)容器，比如容器內(nèi)不允許有微量殘留液體．或因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)原因不能充滿液體容器，可采取氣壓試驗(yàn)。1、試驗(yàn)壓力內(nèi)壓容器試驗(yàn)壓力：/10/10第19頁(yè)4.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼強(qiáng)度設(shè)計(jì)式中：pT——試驗(yàn)壓力，Mpa；

p——設(shè)計(jì)壓力，Mpa；

[σ]——容器元件材料在試驗(yàn)溫度下許用應(yīng)力，Mpa；

[σ]t——容器元件材料在設(shè)計(jì)溫度下許用應(yīng)力，Mpa。2壓力試驗(yàn)應(yīng)力校核/10/10第20頁(yè)4.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼強(qiáng)度設(shè)計(jì)σT應(yīng)滿足以下條件：3壓力試驗(yàn)試驗(yàn)要求與試驗(yàn)方法（1）液壓試驗(yàn)（2）氣壓試驗(yàn)（3）氣密性試驗(yàn)4例題/10/10第21頁(yè)4.3內(nèi)壓圓筒封頭設(shè)計(jì)容器封頭又稱端蓋，按其形狀可分為三類；凸形封頭、錐形封頭和平板形封頭。其中凸形封頭包含半球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭(或稱帶折邊球形封頭)和球冠封頭(無(wú)折邊球形封頭)四種。4.3.1半球形封頭半球形封頭(圖4－3)是由半個(gè)球殼組成，它計(jì)算壁厚公式與球殼相同。/10/10第22頁(yè)4.3內(nèi)壓圓筒封頭設(shè)計(jì)4.3.2橢圓形封頭橢圓形封頭(圖4－4)是由長(zhǎng)短半袖分別為a和b半橢球和高度為h短圓筒(通稱為直邊)兩部分所組成。直邊作用是為了確保封頭制造質(zhì)量和防止筒體與封頭間環(huán)向焊受邊緣應(yīng)力作用。有以下結(jié)論：當(dāng)橢球殼長(zhǎng)短半軸a/b＞2時(shí)，橢球殼赤道上出現(xiàn)很大環(huán)向應(yīng)力(圖3－25(c))，其絕對(duì)值遠(yuǎn)大于頂點(diǎn)應(yīng)力。從而引入形狀系數(shù)K。（也稱應(yīng)力增加系數(shù)）/10/10第23頁(yè)4.3內(nèi)壓圓筒封頭設(shè)計(jì)依據(jù)強(qiáng)度理論（詳細(xì)推導(dǎo)過程可參閱華南理工大學(xué)P57），受內(nèi)壓（凹面受壓）橢圓形封頭計(jì)算厚度公式為：標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭K=1（a/b=2），計(jì)算厚度公式為：/10/10第24頁(yè)4.3內(nèi)壓圓筒封頭設(shè)計(jì)橢圓封頭最大允許工作壓力計(jì)算公式為：GB150-1998要求：

K≤1時(shí)，Se≥0.15DiK＞1時(shí)，Se≥0.30Di

但當(dāng)確定封頭厚度時(shí)，已考慮了內(nèi)壓下彈性失穩(wěn)問題，可不受此限制。現(xiàn)行橢圓形封頭標(biāo)準(zhǔn)為JB／T4737—95。/10/10第25頁(yè)4.3內(nèi)壓圓筒封頭設(shè)計(jì)4.3.3碟形封頭由三部分組成：以Ri為半徑球面；以r為半徑過渡圓弧(即折邊)；高度為h0直邊。一樣，引入形狀系數(shù)M，則其計(jì)算厚度公式為：/10/10第26頁(yè)4.3內(nèi)壓圓筒封頭設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭：球面內(nèi)半徑Ri＝0.9Di，過渡圓弧內(nèi)半徑r=0.17Di，此時(shí)M＝1.325，計(jì)算壁厚公式：碟形封頭最大允許工作壓力為：/10/10第27頁(yè)4.3內(nèi)壓圓筒封頭設(shè)計(jì)GB150-1998要求：

M≤1.34時(shí)，Se≥0.15DiM＞1.34時(shí)，Se≥0.30Di

但當(dāng)確定封頭厚度時(shí)，已考慮了內(nèi)壓下彈性失穩(wěn)問題，可不受此限制。碟形封頭標(biāo)準(zhǔn)為JB576—64。4.3.4球冠形封頭把碟形封頭直邊及過渡圓弧部分去掉，只留下球面部分，并把它直接焊在筒體上，就組成球冠形封頭。/10/10第28頁(yè)4.3內(nèi)壓圓筒封頭設(shè)計(jì)受內(nèi)壓球冠形端封頭計(jì)算厚度公式：4.3.5錐形封頭由錐形殼體應(yīng)力分析可知，受均勻內(nèi)壓錐形封頭最大應(yīng)力在錐殼大端，其值為：/10/10第29頁(yè)4.3內(nèi)壓圓筒封頭設(shè)計(jì)其強(qiáng)度條件為：厚度計(jì)算公式為：錐殼計(jì)算厚度公式：（4－27）按4－27式計(jì)算錐形封頭厚度，因?yàn)闆]有考慮封頭與筒體連接處邊緣應(yīng)力，因而此厚度是不夠。連接處邊緣應(yīng)力以下頁(yè)圖所表示。/10/10第30頁(yè)4.3內(nèi)壓圓筒封頭設(shè)計(jì)為降低連接處邊緣應(yīng)力，普通采取兩種方法：（1）、局部加強(qiáng)：將連接處附近封頭及筒體厚度增大——無(wú)折邊錐形封頭；（2）、增加過渡圓弧：在封頭與筒體之間增加一個(gè)過渡圓弧，整個(gè)封頭由錐體、過渡圓弧及高度為h0折邊三部分組成——帶折邊錐形封頭。/10/10第31頁(yè)4.3內(nèi)壓圓筒封頭設(shè)計(jì)/10/10第32頁(yè)4.3內(nèi)壓圓筒封頭設(shè)計(jì)/10/10第33頁(yè)4.3內(nèi)壓圓筒封頭設(shè)計(jì)1、受內(nèi)壓無(wú)折邊錐形封頭（1）、錐殼大端連接處厚度（適合用于錐殼半頂角α≤30o時(shí)）首先判斷是否需要加強(qiáng)（利用表4－15），若不需要加強(qiáng)，用4－27式計(jì)算；若需要加強(qiáng)，加強(qiáng)區(qū)厚度用下式計(jì)算：（4－28）/10/10第34頁(yè)4.3內(nèi)壓圓筒封頭設(shè)計(jì)（2）錐殼小端連接處厚度（使用錐殼半頂角α≤45o時(shí)）首先由圖4－17判斷是否需要加強(qiáng)。若不需加強(qiáng)，則由4－27式計(jì)算；若需要加強(qiáng)，則加強(qiáng)段厚度由下式計(jì)算：（4－29）/10/10第35頁(yè)4.3內(nèi)壓圓筒封頭設(shè)計(jì)2、受內(nèi)壓折邊錐形封頭（1）錐殼大端（適用α≥30o時(shí)，r＝max{10%Di，3S}）①過渡段厚度：（4－30）②與過渡段相連處錐殼厚度：（4－31）/10/10第36頁(yè)4.3內(nèi)壓圓筒封頭設(shè)計(jì)折邊錐殼大端厚度按上述兩式計(jì)算，取較大值。（2）錐殼小端

α≤45o，小端過渡段厚度按4－29式計(jì)算，式中Q值由圖4－18查取。

α＞45o，小端過渡段厚度按4－29式計(jì)算，式中Q值由圖4－19查取。

與過渡段相接錐殼和圓筒加強(qiáng)段厚度應(yīng)與過渡段厚度相同。/10/10第37頁(yè)4.3內(nèi)壓圓筒封頭設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)帶折邊錐形封頭有半頂角為30o及45o兩種。錐體大端過渡區(qū)圓弧半徑r＝0.15Di。4.3.6平板封頭平板封頭是化工設(shè)備慣用一個(gè)封頭。平板封頭幾何形狀有圓形、橢圓形、長(zhǎng)圓形、矩形和方形等，最慣用是圓形平板封頭。在各種封頭中，平板結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，制造就方便，但在一樣直徑、壓力下所需厚度最大，所以普通只用于小直徑和