內(nèi)壓薄壁容器

內(nèi)壓薄壁容器第一頁，共五十二頁，2022年，8月28日§8-1內(nèi)壓薄壁筒體和球殼一、內(nèi)壓薄壁圓筒強(qiáng)度計(jì)算公式1.理論計(jì)算厚度δ

應(yīng)用第三強(qiáng)度理論：（7-22）

實(shí)際設(shè)計(jì)中還須考慮三個(gè)因素：①容器內(nèi)徑Di：D=Di+δ②焊接接頭系數(shù)φ，［σ］t

［σ］tφ

③壓力ppc2第二頁，共五十二頁，2022年，8月28日則（7-22）式變?yōu)椋航獬靓?，得到?nèi)壓圓筒的厚度計(jì)算式：式中δ-圓筒的理論計(jì)算厚度，

mm；

Di-圓筒內(nèi)徑，mm；

pc-筒體的計(jì)算壓力，MPa；(8-1)［σ］t

－鋼板在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa；φ－焊接接頭系數(shù)。3第三頁，共五十二頁，2022年，8月28日2.設(shè)計(jì)厚度考慮介質(zhì)腐蝕，在計(jì)算厚度δ的基礎(chǔ)上，增加腐蝕裕度C2。筒體的設(shè)計(jì)厚度為：(8-2)3.名義厚度筒體設(shè)計(jì)厚度加上鋼板厚度負(fù)偏差后向上圓整，即為筒體名義厚度，再進(jìn)一步圓整為鋼板標(biāo)準(zhǔn)厚度，則：(8-3)即：(8-3')4第四頁，共五十二頁，2022年，8月28日4.有效厚度真正可以承受介質(zhì)壓力的厚度稱為有效厚度。(8-4)5.筒壁的應(yīng)力校核公式：(8-5)6.筒壁的最大允許工作壓力計(jì)算公式為：

5第五頁，共五十二頁，2022年，8月28日二、薄壁球殼強(qiáng)度計(jì)算公式利用上述推導(dǎo)方法，可以得到球殼壁厚設(shè)計(jì)計(jì)算公式，(8-7)

優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)容器直徑、壓力相同時(shí)，球殼內(nèi)應(yīng)力僅是圓筒形殼體環(huán)向應(yīng)力的一半，即球形殼體的厚度僅需圓筒容器厚度的一半。同時(shí)球表面積最小，故大型貯罐制成球形較為經(jīng)濟(jì)。缺點(diǎn)：球形容器加工困難，需分瓣沖壓后再組焊成型。且不宜安裝內(nèi)件。δd、δn的計(jì)算同圓筒體。6第六頁，共五十二頁，2022年，8月28日§8-2設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

一、容器直徑鋼板卷焊筒體：Di即DN，見表8-1。無縫鋼管作筒體：外徑Do為公稱直徑，見表8-2。二、工作壓力與設(shè)計(jì)壓力最大工作壓力pw：是指容器頂部在工作過程中可能產(chǎn)生的最高壓力（表壓）。設(shè)計(jì)壓力p：相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下確定殼壁厚度的壓力，亦即標(biāo)注在銘牌上的容器設(shè)計(jì)壓力，P≥Pw。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，Pc=P+PL(當(dāng)PL≤5%P時(shí)，PL可忽略不計(jì))7第七頁，共五十二頁，2022年，8月28日設(shè)計(jì)壓力p≥pw，具體可參照以下情況定：一般情況下取P=Pw。容器上裝有安全閥時(shí)，設(shè)計(jì)壓力不小于安全閥開啟壓力或取P=(1.05~1.10)Pw

；容器上裝有爆破膜時(shí)，

P=(1.15~1.30)Pw

；對(duì)于裝有液化氣體的容器，取工作時(shí)可能達(dá)到的最高溫度下液化氣體的飽和蒸氣壓作為設(shè)計(jì)壓力。容器內(nèi)盛有液體，若其靜壓力不超過最大工作壓力的5％，則設(shè)計(jì)壓力可不計(jì)入靜壓力，否則，須在設(shè)計(jì)壓力中計(jì)入液體靜壓力。8第八頁，共五十二頁，2022年，8月28日當(dāng)容器內(nèi)的介質(zhì)易于結(jié)晶或聚合，或帶有較多的粘性物質(zhì)，容易堵塞安全閥，此時(shí)應(yīng)選用爆破片。夾持器爆破片9第九頁，共五十二頁，2022年，8月28日三、設(shè)計(jì)溫度設(shè)計(jì)溫度指容器正常工作中，在相應(yīng)的設(shè)計(jì)條件下，金屬器壁可能達(dá)到的最高或最低溫度?？蓞⒄找韵虑闆r確定：不被加熱或冷卻，取筒內(nèi)介質(zhì)最高或最低溫度。用蒸汽、熱水或其它載熱體加熱或冷卻，取載體最高溫度或最低溫度；儲(chǔ)存容器的設(shè)計(jì)溫度，按氣象資料，最低溫度取歷年來月平均最低值。10第十頁，共五十二頁，2022年，8月28日四、許用應(yīng)力GB150-98規(guī)定：[σ]t=σbt/nbσst/nsσnt/nnσDt/nD取小值可參考表8-6，8-7，8-8，8-9（要會(huì)查表）。當(dāng)設(shè)計(jì)溫度低于0℃時(shí)，取20℃時(shí)的許用應(yīng)力。11第十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日12第十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日五、焊接接頭系數(shù)夾渣、氣孔、未焊透等缺陷，導(dǎo)致焊縫及其附近區(qū)域強(qiáng)度可能低于鋼材本體強(qiáng)度。用鋼板[σ]t乘以焊接接頭系數(shù)φ，φ≤1，φ根據(jù)接頭型式及無損檢測(cè)比例確定。13第十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日六、壁厚附加量C

C=C1+C2⑴鋼板負(fù)偏差(或鋼管負(fù)偏差)

C1（mm）厚度22.22.52.8～3.03.2～3.53.8～4

4.5～5.5

負(fù)偏差0.130.140.150.160.18

0.2

0.2

厚度6～78～2526～3032～34

36～4042～50

52～60

負(fù)偏差0.60.8

0.91

1.11.21.3

14第十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日C2應(yīng)根據(jù)各種鋼材在不同介質(zhì)中的腐蝕速度和容器設(shè)計(jì)壽命確定。

C2=nλn：設(shè)計(jì)壽命，λ：年腐蝕率塔類、反應(yīng)器類容器設(shè)計(jì)壽命n一般按20年考慮，換熱器殼體、管箱及一般容器按10年考慮。①腐蝕速度λ＜0.05mm／a(包括大氣腐蝕)時(shí)：碳素鋼和低合金鋼單面腐蝕C2＝1mm，雙面腐蝕取C2＝2mm；②當(dāng)腐蝕速度λ＞0.05mm／a時(shí)，單面腐蝕取C2＝2mm，雙面腐蝕取C2＝4mm。③不銹鋼取C2＝0。⑵腐蝕裕量C215第十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日七、容器最小壁厚δmin設(shè)計(jì)壓力較低的容器按式（8-1）計(jì)算出的厚度很薄，最小厚度是指為滿足容器在制造、運(yùn)輸、及安裝過程中的剛度要求而規(guī)定的。殼體加工成形后不包括腐蝕裕量的最小壁厚δmin：

a.碳素鋼和低合金鋼制容器不小于3mm；

b．對(duì)高合金鋼制容器，不小于2mm。如一容器內(nèi)徑為1m，P=0.1MPa，t≤150℃，材料為Q235-A，其［σ］t=113MPa，C2=1mm16第十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日§8-3容器的壓力試驗(yàn)和致密性試驗(yàn)容器制成后或經(jīng)長(zhǎng)時(shí)期使用進(jìn)行大修后，在交付使用前須進(jìn)行壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)合格后方能交付使用。

壓力試驗(yàn)的目的：檢查容器的宏觀強(qiáng)度，以及密封結(jié)構(gòu)和焊縫有無滲漏，把容器的潛在缺陷在使用以前充分暴露出來，以確保容器的安全運(yùn)行。壓力試驗(yàn)液壓試驗(yàn)氣壓試驗(yàn)17第十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日壓力試驗(yàn)選擇18第十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日試驗(yàn)介質(zhì)一般用潔凈的水—水壓試驗(yàn)。試驗(yàn)壓力pT試驗(yàn)應(yīng)力校核

∵PT>P，∴要進(jìn)行試驗(yàn)應(yīng)力校核。（8-6b）

式中：σs—

常溫屈服極限若不滿足（8-6b）條件，則應(yīng)適當(dāng)增加由式（8-3'）計(jì)

算所得壁厚。（8-6a）一、液壓試驗(yàn)19第十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日液壓試驗(yàn)步驟20第二十頁，共五十二頁，2022年，8月28日二、氣壓試驗(yàn)試驗(yàn)介質(zhì)可用干燥潔凈的空氣、氮?dú)?、無毒的惰性氣體。

試驗(yàn)前要做好防護(hù)準(zhǔn)備，主要焊縫要100%無損探傷。試驗(yàn)壓力pT（8-6c）試驗(yàn)應(yīng)力校核

式中：σs—

常溫屈服極限若不滿足（8-6d）條件，則應(yīng)適當(dāng)增加由式（8-3'）計(jì)

算所得壁厚。（8-6d）21第二十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日氣壓試驗(yàn)步驟22第二十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日三、氣密性試驗(yàn)對(duì)壓力較高或盛裝有毒或易燃介質(zhì)的壓力容器，在液壓試驗(yàn)合格后還需進(jìn)行致密性試驗(yàn)，以檢查其密封的可靠性。23第二十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日例題8-1：某化工廠欲設(shè)計(jì)一臺(tái)石油氣分離工程中的乙烯精餾塔。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～-20℃。試選擇塔體材料并確定塔體厚度。式中p＝2.2MPa，Di=600mm，[σ]＝170MPa，φ=0.8，C2=1.0mm考慮鋼板厚度負(fù)偏差C1＝0.6mm，圓整取δn=7mm解：1.由于石油氣對(duì)鋼材腐蝕不大，溫度在-20℃以上，承受一定的壓力，故選用16MnR。根據(jù)式(8-3′)δe=δn－C=7－（0.6+1）=5.4mm24第二十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日16MnR的屈服限σs=345MPa（附表）∴水壓試驗(yàn)時(shí)滿足強(qiáng)度要求。2.水壓試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力校核

∴塔體可用7mm厚的鋼板制作。25第二十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日§8-4內(nèi)壓薄壁封頭壁厚計(jì)算封頭凸形封頭橢圓形封頭碟形封頭半球形封頭球面形封頭錐形封頭折邊錐形封頭無折邊錐形封頭平板形封頭26第二十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日封頭無折邊錐形封頭折邊錐形封頭平板形封頭27第二十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日半球形封頭橢圓形封頭碟形封頭折邊錐形封頭球冠形封頭平板封頭28第二十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日一、半球形封頭半球形封頭由半個(gè)球殼構(gòu)成，計(jì)算壁厚公式與球殼相同(8-7)δ

d、δ

n的計(jì)算同筒體；壁厚大約為筒體一半；小型（Di≤1.2m）可整體沖壓，Di≤1.2m時(shí)，φ=1；大型分瓣沖壓后再組焊。29第二十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日二、橢圓形封頭組成：長(zhǎng)短軸分別為Di和2h的半橢球和高度為h0的短圓筒(直邊)直邊的作用：避免筒體與封頭間環(huán)向焊縫受邊緣應(yīng)力的影響

計(jì)算厚度

K－橢圓形封頭形狀系數(shù)30第三十頁，共五十二頁，2022年，8月28日標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭當(dāng)Di/2h=2時(shí)最大薄膜應(yīng)力位于橢球頂點(diǎn)，其值與筒體的環(huán)向應(yīng)力相同（與筒體等強(qiáng)度），且封頭深度適中，較易加工，∴定義Di/2h=2的橢圓封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭。標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭K=1，計(jì)算厚度公式為

忽略分母上微小差異，大多數(shù)橢圓封頭與筒體同厚。

δd、δn的計(jì)算同筒體；小型（Di≤1.2m）可整體沖壓，此時(shí)φ=1。（8-8）注意：教材中的簡(jiǎn)化公式一律不準(zhǔn)用！31第三十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日

標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的直邊高度（mm）由表8-12確定。封頭材料碳鋼、普低鋼、復(fù)合鋼板不銹鋼、耐酸鋼

封頭壁厚4～8

10～18≥20

3～910～18≥20

直邊高度254050254050

現(xiàn)行的橢圓形封頭標(biāo)準(zhǔn)為JB／T4737—95。橢圓形封頭和碟形封頭的直邊高度32第三十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日δ三、碟形封頭由三部分構(gòu)成：以

Ri為半徑的球面；以

r為半徑的過渡圓弧(即折邊)；高度為

h0

的直邊。（加折邊和直邊的目的？）

同樣引入形狀系數(shù)M

計(jì)算厚度33第三十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日標(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，MRi=1.325×0.9Di=1.2Di標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭（8-11）計(jì)算壁厚公式：相同受力條件下，碟形封頭壁厚比橢圓形封頭壁厚要大，而且碟形封頭存在應(yīng)力不連續(xù)，因此沒有橢圓形封頭應(yīng)用廣泛，已逐步淘汰。優(yōu)點(diǎn)是加工較易，既可以模壓成型，也可以人工打制。第三十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日四、球冠形封頭為降低凸形封頭高度，將碟形封頭的直邊及過圓弧部分去掉，只留下球面部分；邊緣應(yīng)力大，易開裂；可用于容器中兩個(gè)相鄰承壓空間的中間封頭，也可用于容器的端封頭。35第三十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日廣泛用于化工設(shè)備(如蒸發(fā)器、噴霧干燥器、結(jié)晶器及沉降器等)的底蓋，便于收集與卸除設(shè)備中的固體物料。塔設(shè)備上、下部分的直徑不等，也常用錐形殼體連接，稱為變徑段。五、錐形封頭36第三十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日（一）無折邊錐形封頭或錐形筒體邊緣應(yīng)力大，適用于錐殼半錐角α≤30°可得計(jì)算壁厚：判斷是否需要加強(qiáng)僅考慮薄膜應(yīng)力時(shí)，大端應(yīng)力（8-14）（7-10）第三十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日?qǐng)D8-638第三十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日式（8-14）是按薄膜應(yīng)力推出的，無折邊錐形封頭在與筒體連接處有很大的邊緣應(yīng)力，∴僅根據(jù)式（8-14）計(jì)算出的壁厚不一定能滿足強(qiáng)度要求，實(shí)際計(jì)算時(shí)常將（8-14）寫為：（8-15）式中Q—

系數(shù)，可查圖8-7，若點(diǎn)落在直線上，說明按薄膜應(yīng)力計(jì)算的壁厚滿足強(qiáng)度要求，此時(shí)Q=1/cosα，若點(diǎn)落在斜線上，說明式（8-15）考慮了邊緣應(yīng)力，Q>1/cosα，此時(shí)筒體在連接處也應(yīng)局部加厚。如圖（8-7）示。39第三十九頁，共五十二頁，2022年，8月28日Q=1/cosα圖8-7系數(shù)Q無折邊錐形封頭40第四十頁，共五十二頁，2022年，8月28日（二）折邊錐形封頭或錐形筒體組成：錐體、折邊、直邊；邊緣應(yīng)力存在情況；邊緣應(yīng)力較無折邊時(shí)小，可用于錐殼半錐角α

＞

30°時(shí)；當(dāng)錐殼半錐角α＞60°時(shí)，按平蓋計(jì)算。41第四十一頁，共五十二頁，2022年，8月28日1.應(yīng)力：以錐體大端和折邊兩部分的應(yīng)力為主，其中錐體大端應(yīng)力大于折邊部分應(yīng)力，∴壁厚計(jì)算以錐體大端為準(zhǔn)。

2.計(jì)算壁厚（8-16）f0—系數(shù)，見表8-14

；標(biāo)準(zhǔn)折邊錐形封頭：α=30°，45°，r/Di=0.15折邊錐形封頭壁厚計(jì)算42第四十二頁，共五十二頁，2022年，8月28日

壁厚大于筒體。可冷卷或熱沖壓加工。43第四十三頁，共五十二頁，2022年，8月28日六、平板封頭平板封頭是化工設(shè)備常用的一種封頭。有圓形、橢圓形、長(zhǎng)圓形、矩形和方形等，最常用的是圓形平板封頭。平板封頭結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單，制造方便，但在同樣直徑、壓力下所需的厚度最大，因此一般只用于小直徑和壓力很低的容器以及人孔、手孔蓋等。但有時(shí)在高壓容器中，如合成塔中也用平蓋，這是因?yàn)樗亩松w很厚且直徑較小，制造直徑小厚度大的凸形封頭很困難。44第四十四頁，共五十二頁，2022年，8月28日平板封頭的壁厚計(jì)算式設(shè)計(jì)公式是半經(jīng)驗(yàn)公式

（8-17）δB——平板封頭的計(jì)算壁厚，mm；

pc——計(jì)算壓力，MPa；

K——結(jié)構(gòu)特征系數(shù)（表8-15）；

Dc——計(jì)算直徑（表8-15）mm；φ——焊接接頭系數(shù)45第四十五頁，共五十二頁，2022年，8月28日平蓋（平板封頭）46第四十六頁，共五十二頁，2022年，8月28日封頭選擇1.受力角度：由半球形－橢圓形－碟形－錐形－平板變差2.加工角度：由半球形－橢圓形－碟形－錐形－平板變易

一般中低壓容器常用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭！47第四十七頁，共五十二頁，2022年，8月28日內(nèi)壓薄壁容器設(shè)計(jì)計(jì)算步驟1.選材：Q235-A、Q235-B、20R、16MnR、不銹鋼等2.選取參數(shù)：P、t、[σ]t、φ、σs、C1、C23.計(jì)算筒體壁厚：4.筒體水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核：5.設(shè)計(jì)封頭①選型：中低壓容器常用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭；②壁厚計(jì)算。48第四十八頁，共五十二頁，2022年，8月28日§8-5在用壓力容器的強(qiáng)度校核1.工作應(yīng)力校核2.水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核

筒體、橢圓形封頭：