內(nèi)壓薄壁圓筒的強度設(shè)計課件

1內(nèi)壓薄壁圓筒的強度設(shè)計1內(nèi)壓薄壁圓筒的強度設(shè)計12根據(jù)薄膜理論進行應(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)計準則，應(yīng)用強度理論確定應(yīng)力的強度判據(jù)對于封頭，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應(yīng)力增強系數(shù)根據(jù)應(yīng)力強度判據(jù)，考慮腐蝕等實際因素導(dǎo)出具體的計算公式。內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強度設(shè)計公式推導(dǎo)過程2根據(jù)薄膜理論進行應(yīng)力分析，確定薄膜應(yīng)力狀態(tài)下的主應(yīng)力內(nèi)壓薄23

容器上一處的最大應(yīng)力達到材料在設(shè)計溫度下的屈服點，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測得的屈服點。一、強度設(shè)計的基本知識（一）、關(guān)于彈性失效的設(shè)計準則1、彈性失效理論3容器上一處的最大應(yīng)力達到材料在設(shè)計溫度下的屈服點，34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，可由強度理論確定——

極限應(yīng)力，MPa，可由簡單拉伸試驗確定——

安全裕度——

許用應(yīng)力,MPa2、強度安全條件4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)45徑向應(yīng)力（二）、強度理論及其相應(yīng)的強度條件1、薄壁壓力容器的應(yīng)力狀態(tài)圖4-1應(yīng)力狀態(tài)5徑向應(yīng)力（二）、強度理論及其相應(yīng)的強度條件1、薄壁壓力容器56第一強度理論（最大主應(yīng)力理論）第三強度理論（最大剪應(yīng)力理論）強度條件強度條件適用于脆性材料適用于塑性材料2、常用強度理論6第一強度理論第三強度理論強度條件強度條件適用于適用于2、常67第四強度理論（能量理論）強度條件適用于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。壓力容器材料都是塑性材料，應(yīng)采用三、四強度理論，

GB150-98采用第三強度理論.7第四強度理論強度條件適用于第二強度理論（最大變形理論）與實78考慮實際情況，引入pc等參數(shù)考慮介質(zhì)腐蝕性考慮鋼板厚度負偏差并圓整二、內(nèi)壓薄壁圓筒殼體與球殼的強度設(shè)計（一）、強度設(shè)計公式1、內(nèi)壓薄壁圓筒8考慮實際情況，引入pc等參數(shù)考慮介質(zhì)考慮鋼板厚度二、內(nèi)壓薄89參數(shù)變換：1.將中徑換算為圓筒內(nèi)徑，D=Di+S;2.壓力換為計算壓力Pc；3.考慮到焊縫處因氣孔、夾渣等缺陷以及熱影響區(qū)晶粒粗大等造成的強度削弱，引進焊縫系數(shù)Φ(≤1)；4.材料的許用應(yīng)力與設(shè)計溫度有關(guān)。9參數(shù)變換：1.將中徑換算為圓筒內(nèi)徑，D=Di+S;910內(nèi)壓圓筒強度計算公式：再考慮腐蝕裕量C2,于是得到圓筒的設(shè)計壁厚為：計算壁厚公式：10內(nèi)壓圓筒強度計算公式：再考慮腐蝕裕量C2,于是得到圓筒1011在公式（3-6a）基礎(chǔ)上，考慮到鋼板的負偏差C1（鋼板在軋制時產(chǎn)生了偏差）

——名義壁厚公式：再根據(jù)鋼板標(biāo)準規(guī)格向上圓整。

Sn——最終名義厚度。這是寫在圖紙上的鋼板厚度！11在公式（3-6a）基礎(chǔ)上，考慮到鋼板的負偏差C1（鋼板1112強度校核公式最大允許工作壓力計算公式1、當(dāng)筒體采用無縫鋼管時，應(yīng)將式中的Di換為D02、以上公式的適用范圍為3、用第四強度理論計算結(jié)果相差不大12強度校核公式最大允許工作壓力計算公式1、當(dāng)筒體采用無縫鋼1213公式的適用范圍為2、內(nèi)壓球形殼體13公式的適用范圍為2、內(nèi)壓球形殼體1314工作壓力

指在正常工作情況下，容器頂部可能達到的最高壓力。

設(shè)計壓力

指設(shè)定的容器頂部的最高壓力，它與相應(yīng)設(shè)計溫度一起作為設(shè)計載荷條件，其值不低于工作壓力。

計算壓力

指在相應(yīng)設(shè)計溫度下，用以確定殼體各部位厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。計算壓力pc=設(shè)計壓力p+液柱靜壓力（二）、設(shè)計參數(shù)的確定1、壓力14工作壓力指在正常工作情況下，容器頂部可能達到的最高壓力1415工作壓力pw---正常工作情況下，容器頂部可能達到的最高壓力。由工藝計算確定：化學(xué)反應(yīng)所要求的；傳遞過程所必需的；由液化氣體的飽和蒸汽壓所決定的。15工作壓力pw16設(shè)計壓力p：設(shè)定的容器頂部的最高壓力---設(shè)計載荷。

取值方法：（1）容器上裝有安全閥取不低于安全閥開啟壓力：p≤（1.05～1.1）pw系數(shù)取決于彈簧起跳壓力?？纯窗踩y的工作情況16設(shè)計壓力p：設(shè)定的容器頂部的最高壓力---設(shè)計載荷。

取1617（2）容器內(nèi)有爆炸性介質(zhì)，安裝有防爆膜時：取設(shè)計壓力為爆破片設(shè)計爆破壓力加制造范圍上限。P44表3-1。防爆膜裝置示意圖看看爆破片的工作情況17（2）容器內(nèi)有爆炸性介質(zhì)，安裝有防爆膜時：取設(shè)計壓力1718（3）無安全泄放裝置——取p=（1.0~1.1）pw

。（4）盛裝液化氣容器——設(shè)計壓力應(yīng)根據(jù)工作條件下可能達到的最高金屬溫度確定。（地面安裝的容器按不低于最高飽和蒸汽壓考慮，如40℃，50℃，60℃時的氣體壓力）。注意：要考慮實際工作環(huán)境，如放置地區(qū)，保溫，遮陽，噴水等。例如：液氨儲罐。金屬壁溫最高工作為50℃，氨的飽和蒸汽壓為2.07MPa。

1.容器的設(shè)計壓力？

2.若容器安放有安全閥，設(shè)計壓力？18（3）無安全泄放裝置——取p=（1.0~1.1）pw1819（5）外壓容器——取p≥正常操作下可能產(chǎn)生的最大壓差。

注意：“正常操作”——含空料，真空檢漏，穩(wěn)定生產(chǎn)，中間停車等情況。（6）真空容器—※不設(shè)安全閥時，取0.1MPa；

※設(shè)有安全閥時取Min（1.25×△p,0.1MPa)。19（5）外壓容器——取p≥正常操作下可能產(chǎn)生的最大壓差。1920釜壁可能承受壓力情況：

※釜內(nèi)空料，夾套內(nèi)充蒸汽-----外壓0.2MPa;※釜內(nèi)真空，夾套內(nèi)充蒸汽-----外壓0.3MPa;※釜內(nèi)0.3MPa，夾套內(nèi)0.2MPa----內(nèi)壓0.1MPa;※釜內(nèi)0.3MPa，夾套內(nèi)空料—--內(nèi)壓0.3MPa;釜壁承受的最大壓差:內(nèi)壓0.3MPa或外壓0.3MPa.（7）帶夾套容器——取正常操作時可能出現(xiàn)的最大內(nèi)外壓差。例如帶夾套的反應(yīng)釜：夾套內(nèi)蒸汽壓力為0.2MPa,釜內(nèi)開始抽真空，然后釜內(nèi)升壓至0.3MPa。該釜壁承受壓力如何？20釜壁可能承受壓力情況：（7）帶夾套容器——取正常操作時可2021計算壓力pc---在相應(yīng)設(shè)計溫度下，用以確定元件厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。當(dāng)元件所承受的液柱靜壓力小于5%設(shè)計壓力時，可忽略不計。即計算壓力=設(shè)計壓力+液柱靜壓力(≥5%P時計入)可見，計算壓力≥設(shè)計壓力≥工作壓力=容器頂部表壓

例：一立式容器，工作壓力0.5MPa，液體深10m，重度為10,000N/m3。pw=0.5MPa,p=0.5MPapc=0.5+(10×10,000)/1,000,000=0.6MPa21計算壓力pc---在相應(yīng)設(shè)計溫度下，用以確定元件厚度的壓2122指容器在正常工作情況下，在相應(yīng)的設(shè)計壓力下，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）。設(shè)計溫度是選擇材料和確定許用應(yīng)力時不可少的參數(shù)。

2、設(shè)計溫度22指容器在正常工作情況下，在相應(yīng)的設(shè)計壓力下，設(shè)定的元件的2223確定設(shè)計溫度的方法：（1）對類似設(shè)備實測；（2）傳熱計算；（3）參照書P44表3-2。例如：不被加熱或冷卻的器壁，且壁外有保溫，取介質(zhì)溫度；用水蒸氣、熱水或其它液體加熱或冷卻的器壁，取熱介質(zhì)的溫度；等等。23確定設(shè)計溫度的方法：（1）對類似設(shè)備實測；（2）傳熱計算2324（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則有關(guān)極限應(yīng)力可以是許用應(yīng)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)n得出的。3、許用應(yīng)力和安全系數(shù)24（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則有2425常溫容器

中溫容器

高溫容器

高溫式中----設(shè)計溫度下材料的蠕變強度和持久強度。

----蠕變強度和持久強度的安全系數(shù)。25常溫容器中溫容器高溫容器高溫式中2526（2）安全系數(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。

常溫下，碳鋼和低合金鋼鋼材的安全系數(shù)26（2）安全系數(shù)安全系數(shù)是一個不斷發(fā)展變化的參數(shù)。常溫下，2627影響安全系數(shù)的因素：①計算方法的準確性、可靠性和受力分析的精度；②材料質(zhì)量和制造的技術(shù)水平；③容器的工作條件及其在生產(chǎn)中的重要性和危險性。27影響安全系數(shù)的因素：①計算方法的準確性、可靠性和受力分析27284.焊接接頭系數(shù)（f）容器上存在有：縱焊縫----A類焊縫環(huán)焊縫----B類焊縫需要進行無損檢驗。檢驗方法主要是：X射線檢查和超聲波檢查。為什麼要進行無損檢驗？284.焊接接頭系數(shù)（f）容器上存在有：為什麼要進行無損檢驗2829常見的焊接形式：29常見的焊接形式：2930303031313132常見對接焊焊縫結(jié)構(gòu)：32常見對接焊3233333334343435①缺陷，夾渣，未焊透，晶粒粗大等，在外觀看不出來；②熔池內(nèi)金屬從熔化到凝固的過程受到熔池外金屬的剛性約束，內(nèi)應(yīng)力很大。——焊縫區(qū)強度比較薄弱。焊接后常出現(xiàn)：35①缺陷，夾渣，未焊透，晶粒粗大等，焊接后常出現(xiàn)：3536焊接缺陷36焊接缺陷3637焊縫區(qū)的強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的長度比率。焊接接頭系數(shù)φ是焊接削弱而降低設(shè)計許用應(yīng)力的系數(shù)。為綜合考慮筒體強度，設(shè)計公式中將鋼板母材的許用應(yīng)力乘以f（≤1）。[σ][σ]×f37焊縫區(qū)的強度主要取決于熔焊金屬、焊縫結(jié)構(gòu)和施焊質(zhì)量。3738焊接接頭系數(shù)（f）：焊接接頭結(jié)構(gòu)100%無損檢驗局部無損檢驗示意圖雙面對接焊

1.0

0.85

帶墊板單面對接焊

0.90

0.8038焊接接頭系數(shù)（f）：焊接接頭結(jié)構(gòu)100%無損檢驗局部無損3839你能回答下列問題嗎？1.可否采用搭接焊結(jié)構(gòu)制作壓力容器殼體？為什麼？2.焊縫處為什麼要進行無損探傷檢查？3.焊縫系數(shù)（φ）為什麼小于等于1？4.取焊縫系數(shù)的依據(jù)是什麼？5.壁厚計算公式中的[σ]t是鋼板的許用應(yīng)力，還是焊縫材料的許用應(yīng)力？6.帶墊板的焊縫結(jié)構(gòu)中，墊板的作用是什麼？是否起加強作用？39你能回答下列問題嗎？1.可否采用搭接焊結(jié)構(gòu)制作壓力容器殼39405.壁厚附加量容器壁厚附加量——（1）鋼板或鋼管厚度負偏差C1:

例如，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(或鋼管負偏差)C1、腐蝕裕量C2即C＝C1十C2405.壁厚附加量容器壁厚附加量——滿足強度要求的計算厚度之4041

在設(shè)計容器壁厚時要----預(yù)先考慮負偏差。C1

鋼板厚度負偏差

1、鋼板負偏差參見P49表3-7選?。讳摴芎穸蓉撈顓⒁娤嚓P(guān)文件。2、當(dāng)鋼材的厚度負偏差不大于0.25mm，且不超過名義厚度的6%時，負偏差可以忽略不計。

41在設(shè)計容器壁厚時要C1鋼板厚度負偏差4142（2）腐蝕裕量C2容器元件由于腐蝕或機械磨損——厚度減薄?！谠O(shè)計壁厚時要考慮容器使用壽命期內(nèi)的安全性！具體規(guī)定如下：對有腐蝕或磨損的元件:C2=KaBKa---腐蝕速率（mm/a），由材料手冊或?qū)嶒灤_定。

B----容器的設(shè)計壽命，通常為10～15年。一般情況,Ka=0.05～0.13mm/a的輕微腐蝕時，對單面腐蝕取C2=1～2mm;

對雙面腐蝕取C2=2～4mm。對于不銹鋼，一般取0。42（2）腐蝕裕量C2容器元件由于腐蝕或機械磨損——4243

1.確定腐蝕裕度的依據(jù)？2.腐蝕裕度的有效期？3.列管換熱器的管子、殼體腐蝕裕度如何定？＊容器各元件受到的腐蝕程度不同時，設(shè)計中可采用不同的腐蝕裕量。＊介質(zhì)為壓縮空氣、水蒸氣或水的碳鋼或低合金鋼容器，單面腐蝕裕量不小于1mm；＊對不銹鋼容器，腐蝕輕微時可取C2=0。還要記??！431.確定腐蝕裕度的依據(jù)？＊容器各元件43446.直徑系列與鋼板厚度要按照鋼板厚度尺寸系列標(biāo)準GB/T709-2001的規(guī)定選取。P50表3-10。鋼板厚度是否可以隨意取？壓力容器的直徑系列已經(jīng)施行標(biāo)準化（GB9019-88)，筒體與封頭的公稱直徑配套。筒體直徑是否可以隨意定？446.直徑系列與鋼板厚度要按照鋼板厚度尺寸系列4445（三）、容器的壁厚和最小壁厚1.容器壁厚的定義※實際壁厚不得小于名義壁厚減去鋼板負偏差，可保證強度要求！※熱加工封頭時，加工單位應(yīng)預(yù)先考慮加工減薄量！45（三）、容器的壁厚和最小壁厚1.容器壁厚的定義※實際壁厚4546設(shè)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。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.碳素鋼和低合金鋼制容器不小于3mmb.對高合金鋼制容器，不小于2mm2、最小厚度

c．

碳素鋼、低合金鋼制塔式容器mind≥max{iD10002,

4mm}；

不銹鋼制塔式容器mind≥max{iD10002,

3mm}.

46設(shè)計壓力較低的容器計算厚度很薄。2、最小厚度c4647在于檢驗容器的宏觀強度和有無滲漏現(xiàn)象，即考察容器的密封性，以確保設(shè)備的安全運行。目的1）檢驗容器宏觀強度—是否出現(xiàn)裂紋,是否變形過大；2）密封點及焊縫的密封情況。（四）、容器耐壓試驗及其強度校核要知道?。?）需要焊后熱處理的容器，須熱處理后進行壓力試驗和氣密試驗；（2）須分段交貨的容器，在工地組裝并對環(huán)焊縫進行熱處理后，進行壓力試驗；（3）塔器須安裝后進行水壓試驗；47在于檢驗容器的宏觀強度和有無滲漏現(xiàn)象，即考察容器的密封性4748液壓試驗氣壓試驗內(nèi)壓容器試驗壓力1、試驗壓力[]/[]t大于1.8時，按1.8計算；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，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，公式中應(yīng)以最大允許工作壓力代替設(shè)計壓力pp——設(shè)計壓力MPa;[]---元件材料在實驗溫度下的許用應(yīng)力，MPa;[]t——元件材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，MPa。48液壓試驗氣壓試驗內(nèi)壓容器試驗壓力1、試驗壓力[]/[4849液壓試驗氣壓試驗2、壓力試驗的應(yīng)力校核圓筒壁在試驗壓力下的計算應(yīng)力49液壓試驗氣壓試驗2、壓力試驗的應(yīng)力校核圓筒壁在試驗壓力下4950液壓試驗氣壓試驗氣密性試驗壓力試驗的種類3.壓力試驗的要求與試驗方法50液壓試驗氣壓試驗氣密性試驗壓力試驗的種類3.壓力試驗的要5051①液壓試驗介質(zhì)：一般為水；過程：充水排氣設(shè)計壓力無泄漏開始試驗壓力下保壓30分鐘卸壓吹凈結(jié)束試驗壓力的80%保壓檢查51充水排氣設(shè)計壓力開始試驗壓力下卸壓吹凈結(jié)束試驗壓力的805152注意：

不銹鋼容器——水中氯離子不得超過25mg/L。※試壓合格的條件：

1）無滲漏；

2）無可見變形；

3）試驗過程中無異常響聲；

4）σb≥540MPa的材料，表面經(jīng)無損檢驗無裂紋。看看水壓試驗過程52注意：看看水壓試驗過程5253②氣壓試驗——不適合液壓試驗的，如因結(jié)構(gòu)緣故排液或充液困難，或容器內(nèi)不允許殘留微量液體時采用。③氣密試驗—針對介質(zhì)具有毒性程度為極度或具有高度危害的容器；

——在液壓試驗后進行；

——氣密試驗壓力取設(shè)計壓力。53②氣壓試驗5354五、例題【例1】：某化工廠欲設(shè)計一臺石油氣分離用乙烯精餾塔。工藝參數(shù)為:塔體內(nèi)徑；計算壓力；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9-1)；(采用帶墊板的單面焊對接接頭,局部無損檢測)(表4-8)；取,,解：（1）選材54五、例題【例1】：某化工廠欲設(shè)計一臺石油氣分離用乙烯精5455（3）厚度計算計算厚度設(shè)計厚度根據(jù),查表4-9得名義厚度圓整后,取名義厚度為。復(fù)驗,故最后取。該塔體可用7mm厚的16MnR鋼板制作。55（3）厚度計算計算厚度設(shè)計厚度根據(jù),查表4-9得名義厚度5556（4）校核水壓試驗強度式中，則而可見，所以水壓試驗強度足夠。56（4）校核水壓試驗強度式中，則而可見，所以水壓試驗強度足5657例2設(shè)計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)必須是雙面對接焊結(jié)構(gòu)或其他等強度焊接，100%無損探傷，φ=1。（2）筒體需保溫，則筒壁設(shè)計溫度取介質(zhì)溫度，[s]=[s]350=190MPa（3）需安裝安全閥，pc=p=1.1×15.6=17.16(MPa)。（4）水蒸氣對低合金鋼有輕微腐蝕，且為單面腐蝕，C2=1mm。57例2設(shè)計鍋爐汽包的筒體壁厚。工作壓力為15.6M5758

3.計算壁厚4.設(shè)計壁厚：

Sd=S+C2=61.5+1.0=62.5(mm),

查表4-9得C1=1.8(mm)

壁厚附加量C=C1+C2=0.25+1.0=1.25(mm)5.名義厚度

Sn=S+C+圓整量

61.5+1.25=62.75(mm)，圓整后為65（mm)。583.計算壁厚4.設(shè)計壁厚：596.校核水壓試驗強度水壓試驗強度條件為：式中Se=Sn-C=65-2.8=62.2(mm)則sT=234.9(MPa)。而0.9fss=0.9×1×410=369(MPa)sT＜0.9fss水壓試驗合格。596.校核水壓試驗強度式中Se=Sn-C=65-2.8=65960例3校驗舊氣瓶。資料記載該氣瓶材質(zhì)為40Mn2A，系無縫鋼管收口而成。實測其外徑為219mm,最小壁厚為6.5mm。查材料手冊得該材料的sb=785MPa,ss=510MPa,d5=18%。

（1）常溫下可否充15MPa氧氣？

（2）如強度不夠，最高允許工作壓力多少？【解】1.確定參數(shù)

pc=15MPa,DO=219mm,Sn=6.5mm,

無縫鋼管f=1，C2=1mm,

實測壁厚6.5mm，則C1=0,Se=6.5-1=5.5mm,

許用應(yīng)力求?。?/p>

[s]t=min｛sb/nb,ss/ns｝=min｛785/3,510/1.6｝=262(MPa)。60例3校驗舊氣瓶。資料記載該氣瓶材質(zhì)為40Mn2A，60612.強度校核校核公式為充15MPa強度不夠。3.確定最高允許工作壓力計算公式為該氣瓶的最大安全使用壓力為13.48MPa。612.強度校核充15MPa強度不夠。3.確定最高允許工作壓62〖注意〗

“實測壁厚”概念。即無需考慮負偏差問題，C1=0。無縫鋼管制的容器公稱直徑為外經(jīng)，壁厚計算公式中應(yīng)采用外徑。公式應(yīng)該如何？自己試推導(dǎo)一下。62〖注意〗6263內(nèi)壓薄壁圓筒的強度設(shè)計1內(nèi)壓薄壁圓筒的強度設(shè)計6364根據(jù)薄膜理論進行應(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)計準則，應(yīng)用強度理論確定應(yīng)力的強度判據(jù)對于封頭，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應(yīng)力增強系數(shù)根據(jù)應(yīng)力強度判據(jù)，考慮腐蝕等實際因素導(dǎo)出具體的計算公式。內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強度設(shè)計公式推導(dǎo)過程2根據(jù)薄膜理論進行應(yīng)力分析，確定薄膜應(yīng)力狀態(tài)下的主應(yīng)力內(nèi)壓薄6465

容器上一處的最大應(yīng)力達到材料在設(shè)計溫度下的屈服點，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測得的屈服點。一、強度設(shè)計的基本知識（一）、關(guān)于彈性失效的設(shè)計準則1、彈性失效理論3容器上一處的最大應(yīng)力達到材料在設(shè)計溫度下的屈服點，6566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，可由強度理論確定——

極限應(yīng)力，MPa，可由簡單拉伸試驗確定——

安全裕度——

許用應(yīng)力,MPa2、強度安全條件4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)6667徑向應(yīng)力（二）、強度理論及其相應(yīng)的強度條件1、薄壁壓力容器的應(yīng)力狀態(tài)圖4-1應(yīng)力狀態(tài)5徑向應(yīng)力（二）、強度理論及其相應(yīng)的強度條件1、薄壁壓力容器6768第一強度理論（最大主應(yīng)力理論）第三強度理論（最大剪應(yīng)力理論）強度條件強度條件適用于脆性材料適用于塑性材料2、常用強度理論6第一強度理論第三強度理論強度條件強度條件適用于適用于2、常6869第四強度理論（能量理論）強度條件適用于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。壓力容器材料都是塑性材料，應(yīng)采用三、四強度理論，

GB150-98采用第三強度理論.7第四強度理論強度條件適用于第二強度理論（最大變形理論）與實6970考慮實際情況，引入pc等參數(shù)考慮介質(zhì)腐蝕性考慮鋼板厚度負偏差并圓整二、內(nèi)壓薄壁圓筒殼體與球殼的強度設(shè)計（一）、強度設(shè)計公式1、內(nèi)壓薄壁圓筒8考慮實際情況，引入pc等參數(shù)考慮介質(zhì)考慮鋼板厚度二、內(nèi)壓薄7071參數(shù)變換：1.將中徑換算為圓筒內(nèi)徑，D=Di+S;2.壓力換為計算壓力Pc；3.考慮到焊縫處因氣孔、夾渣等缺陷以及熱影響區(qū)晶粒粗大等造成的強度削弱，引進焊縫系數(shù)Φ(≤1)；4.材料的許用應(yīng)力與設(shè)計溫度有關(guān)。9參數(shù)變換：1.將中徑換算為圓筒內(nèi)徑，D=Di+S;7172內(nèi)壓圓筒強度計算公式：再考慮腐蝕裕量C2,于是得到圓筒的設(shè)計壁厚為：計算壁厚公式：10內(nèi)壓圓筒強度計算公式：再考慮腐蝕裕量C2,于是得到圓筒7273在公式（3-6a）基礎(chǔ)上，考慮到鋼板的負偏差C1（鋼板在軋制時產(chǎn)生了偏差）

——名義壁厚公式：再根據(jù)鋼板標(biāo)準規(guī)格向上圓整。

Sn——最終名義厚度。這是寫在圖紙上的鋼板厚度！11在公式（3-6a）基礎(chǔ)上，考慮到鋼板的負偏差C1（鋼板7374強度校核公式最大允許工作壓力計算公式1、當(dāng)筒體采用無縫鋼管時，應(yīng)將式中的Di換為D02、以上公式的適用范圍為3、用第四強度理論計算結(jié)果相差不大12強度校核公式最大允許工作壓力計算公式1、當(dāng)筒體采用無縫鋼7475公式的適用范圍為2、內(nèi)壓球形殼體13公式的適用范圍為2、內(nèi)壓球形殼體7576工作壓力

指在正常工作情況下，容器頂部可能達到的最高壓力。

設(shè)計壓力

指設(shè)定的容器頂部的最高壓力，它與相應(yīng)設(shè)計溫度一起作為設(shè)計載荷條件，其值不低于工作壓力。

計算壓力

指在相應(yīng)設(shè)計溫度下，用以確定殼體各部位厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。計算壓力pc=設(shè)計壓力p+液柱靜壓力（二）、設(shè)計參數(shù)的確定1、壓力14工作壓力指在正常工作情況下，容器頂部可能達到的最高壓力7677工作壓力pw---正常工作情況下，容器頂部可能達到的最高壓力。由工藝計算確定：化學(xué)反應(yīng)所要求的；傳遞過程所必需的；由液化氣體的飽和蒸汽壓所決定的。15工作壓力pw78設(shè)計壓力p：設(shè)定的容器頂部的最高壓力---設(shè)計載荷。

取值方法：（1）容器上裝有安全閥取不低于安全閥開啟壓力：p≤（1.05～1.1）pw系數(shù)取決于彈簧起跳壓力。看看安全閥的工作情況16設(shè)計壓力p：設(shè)定的容器頂部的最高壓力---設(shè)計載荷。

取7879（2）容器內(nèi)有爆炸性介質(zhì)，安裝有防爆膜時：取設(shè)計壓力為爆破片設(shè)計爆破壓力加制造范圍上限。P44表3-1。防爆膜裝置示意圖看看爆破片的工作情況17（2）容器內(nèi)有爆炸性介質(zhì)，安裝有防爆膜時：取設(shè)計壓力7980（3）無安全泄放裝置——取p=（1.0~1.1）pw

。（4）盛裝液化氣容器——設(shè)計壓力應(yīng)根據(jù)工作條件下可能達到的最高金屬溫度確定。（地面安裝的容器按不低于最高飽和蒸汽壓考慮，如40℃，50℃，60℃時的氣體壓力）。注意：要考慮實際工作環(huán)境，如放置地區(qū)，保溫，遮陽，噴水等。例如：液氨儲罐。金屬壁溫最高工作為50℃，氨的飽和蒸汽壓為2.07MPa。

1.容器的設(shè)計壓力？

2.若容器安放有安全閥，設(shè)計壓力？18（3）無安全泄放裝置——取p=（1.0~1.1）pw8081（5）外壓容器——取p≥正常操作下可能產(chǎn)生的最大壓差。

注意：“正常操作”——含空料，真空檢漏，穩(wěn)定生產(chǎn)，中間停車等情況。（6）真空容器—※不設(shè)安全閥時，取0.1MPa；

※設(shè)有安全閥時取Min（1.25×△p,0.1MPa)。19（5）外壓容器——取p≥正常操作下可能產(chǎn)生的最大壓差。8182釜壁可能承受壓力情況：

※釜內(nèi)空料，夾套內(nèi)充蒸汽-----外壓0.2MPa;※釜內(nèi)真空，夾套內(nèi)充蒸汽-----外壓0.3MPa;※釜內(nèi)0.3MPa，夾套內(nèi)0.2MPa----內(nèi)壓0.1MPa;※釜內(nèi)0.3MPa，夾套內(nèi)空料—--內(nèi)壓0.3MPa;釜壁承受的最大壓差:內(nèi)壓0.3MPa或外壓0.3MPa.（7）帶夾套容器——取正常操作時可能出現(xiàn)的最大內(nèi)外壓差。例如帶夾套的反應(yīng)釜：夾套內(nèi)蒸汽壓力為0.2MPa,釜內(nèi)開始抽真空，然后釜內(nèi)升壓至0.3MPa。該釜壁承受壓力如何？20釜壁可能承受壓力情況：（7）帶夾套容器——取正常操作時可8283計算壓力pc---在相應(yīng)設(shè)計溫度下，用以確定元件厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。當(dāng)元件所承受的液柱靜壓力小于5%設(shè)計壓力時，可忽略不計。即計算壓力=設(shè)計壓力+液柱靜壓力(≥5%P時計入)可見，計算壓力≥設(shè)計壓力≥工作壓力=容器頂部表壓

例：一立式容器，工作壓力0.5MPa，液體深10m，重度為10,000N/m3。pw=0.5MPa,p=0.5MPapc=0.5+(10×10,000)/1,000,000=0.6MPa21計算壓力pc---在相應(yīng)設(shè)計溫度下，用以確定元件厚度的壓8384指容器在正常工作情況下，在相應(yīng)的設(shè)計壓力下，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）。設(shè)計溫度是選擇材料和確定許用應(yīng)力時不可少的參數(shù)。

2、設(shè)計溫度22指容器在正常工作情況下，在相應(yīng)的設(shè)計壓力下，設(shè)定的元件的8485確定設(shè)計溫度的方法：（1）對類似設(shè)備實測；（2）傳熱計算；（3）參照書P44表3-2。例如：不被加熱或冷卻的器壁，且壁外有保溫，取介質(zhì)溫度；用水蒸氣、熱水或其它液體加熱或冷卻的器壁，取熱介質(zhì)的溫度；等等。23確定設(shè)計溫度的方法：（1）對類似設(shè)備實測；（2）傳熱計算8586（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則有關(guān)極限應(yīng)力可以是許用應(yīng)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)n得出的。3、許用應(yīng)力和安全系數(shù)24（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則有8687常溫容器

中溫容器

高溫容器

高溫式中----設(shè)計溫度下材料的蠕變強度和持久強度。

----蠕變強度和持久強度的安全系數(shù)。25常溫容器中溫容器高溫容器高溫式中8788（2）安全系數(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。

常溫下，碳鋼和低合金鋼鋼材的安全系數(shù)26（2）安全系數(shù)安全系數(shù)是一個不斷發(fā)展變化的參數(shù)。常溫下，8889影響安全系數(shù)的因素：①計算方法的準確性、可靠性和受力分析的精度；②材料質(zhì)量和制造的技術(shù)水平；③容器的工作條件及其在生產(chǎn)中的重要性和危險性。27影響安全系數(shù)的因素：①計算方法的準確性、可靠性和受力分析89904.焊接接頭系數(shù)（f）容器上存在有：縱焊縫----A類焊縫環(huán)焊縫----B類焊縫需要進行無損檢驗。檢驗方法主要是：X射線檢查和超聲波檢查。為什麼要進行無損檢驗？284.焊接接頭系數(shù)（f）容器上存在有：為什麼要進行無損檢驗9091常見的焊接形式：29常見的焊接形式：9192309293319394常見對接焊焊縫結(jié)構(gòu)：32常見對接焊9495339596349697①缺陷，夾渣，未焊透，晶粒粗大等，在外觀看不出來；②熔池內(nèi)金屬從熔化到凝固的過程受到熔池外金屬的剛性約束，內(nèi)應(yīng)力很大?！缚p區(qū)強度比較薄弱。焊接后常出現(xiàn)：35①缺陷，夾渣，未焊透，晶粒粗大等，焊接后常出現(xiàn)：9798焊接缺陷36焊接缺陷9899焊縫區(qū)的強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的長度比率。焊接接頭系數(shù)φ是焊接削弱而降低設(shè)計許用應(yīng)力的系數(shù)。為綜合考慮筒體強度，設(shè)計公式中將鋼板母材的許用應(yīng)力乘以f（≤1）。[σ][σ]×f37焊縫區(qū)的強度主要取決于熔焊金屬、焊縫結(jié)構(gòu)和施焊質(zhì)量。99100焊接接頭系數(shù)（f）：焊接接頭結(jié)構(gòu)100%無損檢驗局部無損檢驗示意圖雙面對接焊

1.0

0.85

帶墊板單面對接焊

0.90

0.8038焊接接頭系數(shù)（f）：焊接接頭結(jié)構(gòu)100%無損檢驗局部無損100101你能回答下列問題嗎？1.可否采用搭接焊結(jié)構(gòu)制作壓力容器殼體？為什麼？2.焊縫處為什麼要進行無損探傷檢查？3.焊縫系數(shù)（φ）為什麼小于等于1？4.取焊縫系數(shù)的依據(jù)是什麼？5.壁厚計算公式中的[σ]t是鋼板的許用應(yīng)力，還是焊縫材料的許用應(yīng)力？6.帶墊板的焊縫結(jié)構(gòu)中，墊板的作用是什麼？是否起加強作用？39你能回答下列問題嗎？1.可否采用搭接焊結(jié)構(gòu)制作壓力容器殼1011025.壁厚附加量容器壁厚附加量——（1）鋼板或鋼管厚度負偏差C1:

例如，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(或鋼管負偏差)C1、腐蝕裕量C2即C＝C1十C2405.壁厚附加量容器壁厚附加量——滿足強度要求的計算厚度之102103

在設(shè)計容器壁厚時要----預(yù)先考慮負偏差。C1

鋼板厚度負偏差

1、鋼板負偏差參見P49表3-7選取；鋼管厚度負偏差參見相關(guān)文件。2、當(dāng)鋼材的厚度負偏差不大于0.25mm，且不超過名義厚度的6%時，負偏差可以忽略不計。

41在設(shè)計容器壁厚時要C1鋼板厚度負偏差103104（2）腐蝕裕量C2容器元件由于腐蝕或機械磨損——厚度減薄?！谠O(shè)計壁厚時要考慮容器使用壽命期內(nèi)的安全性！具體規(guī)定如下：對有腐蝕或磨損的元件:C2=KaBKa---腐蝕速率（mm/a），由材料手冊或?qū)嶒灤_定。

B----容器的設(shè)計壽命，通常為10～15年。一般情況,Ka=0.05～0.13mm/a的輕微腐蝕時，對單面腐蝕取C2=1～2mm;

對雙面腐蝕取C2=2～4mm。對于不銹鋼，一般取0。42（2）腐蝕裕量C2容器元件由于腐蝕或機械磨損——104105

1.確定腐蝕裕度的依據(jù)？2.腐蝕裕度的有效期？3.列管換熱器的管子、殼體腐蝕裕度如何定？＊容器各元件受到的腐蝕程度不同時，設(shè)計中可采用不同的腐蝕裕量。＊介質(zhì)為壓縮空氣、水蒸氣或水的碳鋼或低合金鋼容器，單面腐蝕裕量不小于1mm；＊對不銹鋼容器，腐蝕輕微時可取C2=0。還要記住！431.確定腐蝕裕度的依據(jù)？＊容器各元件1051066.直徑系列與鋼板厚度要按照鋼板厚度尺寸系列標(biāo)準GB/T709-2001的規(guī)定選取。P50表3-10。鋼板厚度是否可以隨意??？壓力容器的直徑系列已經(jīng)施行標(biāo)準化（GB9019-88)，筒體與封頭的公稱直徑配套。筒體直徑是否可以隨意定？446.直徑系列與鋼板厚度要按照鋼板厚度尺寸系列106107（三）、容器的壁厚和最小壁厚1.容器壁厚的定義※實際壁厚不得小于名義壁厚減去鋼板負偏差，可保證強度要求！※熱加工封頭時，加工單位應(yīng)預(yù)先考慮加工減薄量！45（三）、容器的壁厚和最小壁厚1.容器壁厚的定義※實際壁厚107108設(shè)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。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.碳素鋼和低合金鋼制容器不小于3mmb.對高合金鋼制容器，不小于2mm2、最小厚度

c．

碳素鋼、低合金鋼制塔式容器mind≥max{iD10002,

4mm}；

不銹鋼制塔式容器mind≥max{iD10002,

3mm}.

46設(shè)計壓力較低的容器計算厚度很薄。2、最小厚度c108109在于檢驗容器的宏觀強度和有無滲漏現(xiàn)象，即考察容器的密封性，以確保設(shè)備的安全運行。目的1）檢驗容器宏觀強度—是否出現(xiàn)裂紋,是否變形過大；2）密封點及焊縫的密封情況。（四）、容器耐壓試驗及其強度校核要知道?。?）需要焊后熱處理的容器，須熱處理后進行壓力試驗和氣密試驗；（2）須分段交貨的容器，在工地組裝并對環(huán)焊縫進行熱處理后，進行壓力試驗；（3）塔器須安裝后進行水壓試驗；47在于檢驗容器的宏觀強度和有無滲漏現(xiàn)象，即考察容器的密封性109110液壓試驗氣壓試驗內(nèi)壓容器試驗壓力1、試驗壓力[]/[]t大于1.8時，按1.8計算；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，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，公式中應(yīng)以最大允許工作壓力代替設(shè)計壓力pp——設(shè)計壓力MPa;[]---元件材料在實驗溫度下的許用應(yīng)力，MPa;[]t——元件材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，MPa。48液壓試驗氣壓試驗內(nèi)壓容器試驗壓力1、試驗壓力[]/[110111液壓試驗氣壓試驗2、壓力試驗的應(yīng)力校核圓筒壁在試驗壓力下的計算應(yīng)力49液壓試驗氣壓試驗2、壓力試驗的應(yīng)力校核圓筒壁在試驗壓力下111112液壓試驗氣壓試驗氣密性試驗壓力試驗的種類3.壓力試驗的要求與試驗方法50液壓試驗氣壓試驗氣密性試驗壓力試驗的種類3.壓力試驗的要112113①液壓試驗介質(zhì)：一般為水；過程：充水排氣設(shè)計壓力無泄漏開始試驗壓力下保壓30分鐘卸壓吹凈結(jié)束試驗壓力的80%保壓檢查51充水排氣設(shè)計壓力開始試驗壓力下卸壓吹凈結(jié)束試驗壓力的80113114注意：

不銹鋼容器——水中氯離子不得超過25mg/L。※試壓合格的條件：

1）無滲漏；

2）無可見變形；

3）試驗過程中無異常響聲；

4）σb≥540MPa的材料，表面經(jīng)無損檢驗無裂紋?？纯此畨涸囼炦^程52注意：看看水壓試驗過程114115②氣壓試驗——不適合液壓試驗的，如因結(jié)構(gòu)緣故排液或充液困難，或容器內(nèi)不允許殘留微量液體時采用。③氣密試驗—針對介質(zhì)具有毒性程度為極度或具有高度危害的容器；

——在液壓試驗后進行；

——氣密試驗壓力取設(shè)計壓力。53②氣壓試驗115116五、例題【例1】：某化工廠欲設(shè)計一臺