第九章 內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)

第九章

內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)一、課時(shí)安排：2學(xué)時(shí)二、本章的重點(diǎn)、難點(diǎn)：

1.內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼的強(qiáng)度計(jì)算。三、本章授課內(nèi)容：

9.1概述

9.2內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼的強(qiáng)度計(jì)算

8.3容器的壓力試驗(yàn)

9.1概述9.1.1新容器的強(qiáng)度設(shè)計(jì)包括的內(nèi)容1.確定設(shè)計(jì)參數(shù)：p、D、δ等；2.選擇使用的材料；3.確定容器的結(jié)構(gòu)形式；4.計(jì)算筒體與封頭厚度；5.選取標(biāo)準(zhǔn)件；6.繪制設(shè)備圖紙。9.1概述9.1.2

在用容器的強(qiáng)度校核的目的1.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)條件下安全使用；2.當(dāng)容器已被判定不能在原設(shè)計(jì)條件下使用時(shí)，應(yīng)通過強(qiáng)度計(jì)算提出容器監(jiān)控使用的條件；3.當(dāng)容器針對某一使用條件需要判廢時(shí)，應(yīng)提出判廢依據(jù)。9.2內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼強(qiáng)度計(jì)算9.2.1薄壁圓筒強(qiáng)度計(jì)算公式1.理論計(jì)算厚度設(shè)圓筒的平均直徑為D，厚度為δ，介質(zhì)壓力為p時(shí)，其徑向薄膜應(yīng)力σm與環(huán)向薄膜應(yīng)力σθ分別為：9.2內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼強(qiáng)度計(jì)算9.2內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼強(qiáng)度計(jì)算2.設(shè)計(jì)壁厚與名義壁厚9-1式中的δ只考慮了φ，還不能作為選材的依據(jù)，還應(yīng)考慮以下兩個(gè)因素：①鋼板負(fù)偏差：C1②腐蝕裕度：假設(shè)鋼板的年腐蝕率為：λ（mm/a），容器預(yù)計(jì)使用n年，在使用期內(nèi)器壁減薄量:C2=nλ。設(shè)計(jì)壁厚：GB150-1998《鋼制壓力容器》中規(guī)定，計(jì)算壁厚與腐蝕裕度之和稱為設(shè)計(jì)壁厚，用δd表示。δd=δ+C2名義壁厚：設(shè)計(jì)壁厚加上鋼板負(fù)偏差后向上圓整至鋼板的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格厚度稱為圓筒的名義厚度，用δn表示。

δn=δd+C1+Δ=δ+C1+C2+Δ9.2內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼強(qiáng)度計(jì)算3.有效厚度計(jì)算厚度δ和圓整值Δ是容器在整個(gè)使用期內(nèi)均可依賴其抵抗介質(zhì)壓力破壞的厚度，所以把δ+Δ稱為圓筒的有效厚度，用表示。即：δe

=δ+Δ或δe

=δn-C1-C24.壓力容器的最小厚度δmin當(dāng)設(shè)計(jì)壓力太低時(shí)，計(jì)算出的厚度不能滿足制造、運(yùn)輸和安裝時(shí)的剛度要求時(shí)，主要矛盾不是強(qiáng)度，而是δmin(不包括C2)。①對碳素鋼、低合金鋼制容器，δmin≥3mm；②對高合金鋼制容器不大于2mm。9.2內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼強(qiáng)度計(jì)算9.2.2薄壁球殼強(qiáng)度計(jì)算公式對于薄壁球殼，由于其主應(yīng)力為：9.2內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼強(qiáng)度計(jì)算9.2.3設(shè)計(jì)參數(shù)的確定1.設(shè)計(jì)壓力pc除注明者外，壓力一律指表壓。設(shè)計(jì)壓力是指在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下用以確定容器殼體厚度及其元件尺寸的壓力，亦即標(biāo)注在銘牌上的容器設(shè)計(jì)壓力，其值不得小于最大工作壓力p。①液體靜壓達(dá)到5%的設(shè)計(jì)壓力時(shí)，則取二者之和。②容器裝有安全閥時(shí)，pc=(1.05-1.1)p③使用爆破膜作為安全裝置時(shí)，pc=(1.15-1.3)p④外壓容器：應(yīng)取不小于在正常操作情況下可能出現(xiàn)的最大內(nèi)外壓力差。⑤真空容器：裝安全控制裝置時(shí)，取1.25(p內(nèi)-p外)或0.1MPa,兩者中的較小值；無安全裝置時(shí)，取0.1MPa。9.2內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼強(qiáng)度計(jì)算2.設(shè)計(jì)溫度設(shè)計(jì)溫度系指容器在正常操作情況下，在相應(yīng)設(shè)計(jì)壓力下，容器壁溫或受壓元件的金屬溫度，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。容器的壁溫可實(shí)測或由化工操作的傳熱過程計(jì)算確定。當(dāng)無法預(yù)測壁溫時(shí)，可參照教材122頁表9-1所列情況確定。3.許用應(yīng)力許用應(yīng)力是容器設(shè)計(jì)的重要參數(shù)之一，它的選擇是強(qiáng)度計(jì)算的關(guān)鍵。許用應(yīng)力是以材料的極限應(yīng)力為基礎(chǔ)，并選擇合理的安全系數(shù)得到的，即：

9.2內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼強(qiáng)度計(jì)算極限應(yīng)力的選擇對于不同的材料，在不同的溫度下取值不同。9.2內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼強(qiáng)度計(jì)算4.焊接接頭系數(shù)焊縫區(qū)是容器上強(qiáng)度比較薄弱的地方，焊縫區(qū)強(qiáng)度降低的原因在于焊接時(shí)可能出現(xiàn)缺陷而未被發(fā)現(xiàn)；焊接熱影響區(qū)往往形成粗大晶粒區(qū)而是材料強(qiáng)度和塑性降低；由于結(jié)構(gòu)的剛性約束造成焊縫內(nèi)應(yīng)力過大等。焊縫區(qū)的強(qiáng)度主要取決于溶焊金屬、焊縫結(jié)構(gòu)和施焊質(zhì)量。設(shè)計(jì)所取的焊縫接頭系數(shù)大小主要根據(jù)焊接接頭的型式和焊縫質(zhì)量的受檢驗(yàn)程度而確定，可按表9-6選取。焊縫的射線和超聲波探傷檢驗(yàn)要求見表9-7。超聲波探傷的合格標(biāo)準(zhǔn)見表9-8。為了消除焊接內(nèi)應(yīng)力并恢復(fù)組織，鋼制壓力容器及其受壓元件應(yīng)按GB150-1998《鋼制壓力容器》或《壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程》的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行焊后熱處理，需要進(jìn)行焊后熱處理的焊縫厚度范圍見表9-9。9.2內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼強(qiáng)度計(jì)算表9-6焊接接頭系數(shù)9.2內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼強(qiáng)度計(jì)算5.厚度附加量容器厚度附加量包括鋼板或鋼管厚度的負(fù)偏差C1和介質(zhì)的腐蝕裕度C2。即C=C1+C2①鋼板和鋼管厚度的負(fù)偏差C1：按名義厚度δn選取。見教材127頁，表9-10、表9-11。②腐蝕裕度：由介質(zhì)對材料的均勻腐蝕速率與容器的設(shè)計(jì)壽命確定。

C2=λn式中，n-容器的設(shè)計(jì)壽命，通常為10-15年，

λ-腐蝕速率（mm/a),查材料腐蝕手冊或?qū)嶒?yàn)確定。當(dāng)λ=0.05-0.1mm/a時(shí)，單面腐蝕取C2=1mm；雙面腐蝕取C2=2-4mm；當(dāng)λ≤0.05mm/a時(shí)，單面腐蝕取C2=1mm，雙面腐蝕取C2=2mm；一般對低碳鋼和低合金鋼，C2不小于1mm，不銹鋼可取0。8.3容器的壓力試驗(yàn)8.3.1試驗(yàn)壓力液壓試驗(yàn)壓力，按下式確定：式中，PT-試驗(yàn)壓力，MPa;P-設(shè)計(jì)壓力，MPa;[σ]-試驗(yàn)溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa；

[σ]t-設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa；

[σ]/[σ]t-其比值最高不超過1.8，如超過1.8，按1.8計(jì)算。當(dāng)容器各元件所用材料不同時(shí)，應(yīng)取比值最小者。氣壓試驗(yàn)壓力，按下式確定：8.3容器的壓力試驗(yàn)8.3.2壓力試驗(yàn)的要求與試驗(yàn)方法1.液壓試驗(yàn)：將容器充滿液體（在容器最高點(diǎn)設(shè)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30min，然后將壓力降到規(guī)定試驗(yàn)壓力的80%，并保持足夠長時(shí)間以對所有焊縫和連接部位進(jìn)行檢查，如有漏泄，修補(bǔ)后重新試驗(yàn)。液壓試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)注意下列事項(xiàng)。①一般采用潔凈水進(jìn)行試驗(yàn)。對于不銹鋼制造的容器用水進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)限制水中氯離子含量不超過25mg/kg，以防氯離子腐蝕。②使用石油蒸餾產(chǎn)品進(jìn)行液壓試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)溫度應(yīng)低于石油產(chǎn)品的閃點(diǎn)或沸點(diǎn)。8.3容器的壓力試驗(yàn)③試驗(yàn)溫度應(yīng)低于液體沸點(diǎn)溫度，對新鋼種的試驗(yàn)溫度應(yīng)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(yàn)時(shí)，液體溫度不得低于50C，其他低合金鋼制容器液壓試驗(yàn)時(shí)，液體溫度不得低于150C。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(yīng)地提高試驗(yàn)液體溫度。⑤液壓試驗(yàn)完畢后,應(yīng)將液體排盡并用壓縮空氣將內(nèi)部吹干.2.氣壓試驗(yàn)：對不適合做液壓試驗(yàn)的容器，例如容器內(nèi)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150C。8.3容器的壓力試驗(yàn)試驗(yàn)程序是：緩慢升壓到規(guī)定試驗(yàn)壓力的10%，且不超過0.05MPa，保持5分鐘，然后對所有的焊縫和連接部位進(jìn)行多次檢查；合格后繼續(xù)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%的級(jí)差逐漸升壓到試驗(yàn)壓力，保持10min后，然后再降到試驗(yàn)壓力的87%，保持足夠時(shí)間并同時(shí)進(jìn)行檢查。如有泄漏，修補(bǔ)后再按上述規(guī)定重新進(jìn)行試驗(yàn)。3.氣密試驗(yàn)：容器須經(jīng)液壓試驗(yàn)合格后，方可進(jìn)行氣密試驗(yàn)。其方法是：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50C。容器作定期檢驗(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)。8.3容器的壓力試驗(yàn)8.3.3壓力試驗(yàn)前的應(yīng)力校核在壓力試驗(yàn)前，應(yīng)對試驗(yàn)壓力下產(chǎn)生的圓筒應(yīng)力進(jìn)行校核，即容器壁內(nèi)所產(chǎn)生的最大應(yīng)力不超過所用材料在試驗(yàn)溫度上屈服極限的90%（液壓試驗(yàn)）或80%（氣壓試驗(yàn)）。例9-1：已知：圓筒鍋爐汽包內(nèi)經(jīng)Di=1200mm，操作壓力為4MPa，蒸汽溫度為2500C，裝有安全閥，材料為20R，采用墊板對焊，全部探傷。試求：該汽包的厚度。解：1.確定參數(shù)Pc=1.1P工作=1.1×4=4.4MPa，Di=1200mm，[σ]t=104MPa（查表9-4，預(yù)計(jì)汽包厚度在17-36mm之間），φ=0.9(表9-6）。2.計(jì)算厚度3.確定厚度附加量預(yù)計(jì)δn在32-34mm之間，查表9-10得鋼板負(fù)偏差C1=1mm,取C2=1mm，則C=C1+C2=2mm。所以，該汽包的厚度δn=δ+C1+C2+Δ=28.9+1+1+1.1=32mm。例9-2：已知：某石油分離中的乙烯精餾塔工藝要求為：塔體內(nèi)徑Di=600mm,設(shè)計(jì)壓力P=2.2MPa;工作溫度t=-3～-200C。試選擇塔體的材料并確定厚度。

解：由于介質(zhì)對材料腐蝕不大，根據(jù)壓力、溫度，查表9-3，選用20Ｒ或16MnR等容器用鋼較為合適。1.選用20R鋼板由于Pc=P=2.2MPa;Di=600mm;[σ]t=133MPa(查表9-4）;φ=0.8(表9-6）；C1=0.8mm,取C2=1mm。例9-3：已知：液氨貯罐內(nèi)經(jīng)Di=1200mm,貯罐長L=4m，工作溫度為-10～500C，試決定貯罐筒體部分的尺寸。解：1.確定貯罐的設(shè)計(jì)壓力和計(jì)算壓力已知:在-100C時(shí)，氨的飽和蒸汽壓力P=0.29MPa；500C時(shí)P=2.033MPa，因而取設(shè)計(jì)壓力和計(jì)算壓力為