內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)

1第9章內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)2壓力容器發(fā)展趨勢(shì)大型化選用高強(qiáng)度材料高參數(shù)根據(jù)給定的，遵循規(guī)定，在確保的前提下，經(jīng)濟(jì)、正確地，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)、強(qiáng)（剛）度和密封設(shè)計(jì)。壓力容器設(shè)計(jì)工藝設(shè)計(jì)條件現(xiàn)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)安全選擇材料9內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)——確定合理、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式，滿足制造、檢驗(yàn)、裝配、運(yùn)輸和維修等要求。強(qiáng)（剛）度設(shè)計(jì)——確定結(jié)構(gòu)尺寸，滿足強(qiáng)度或剛度及穩(wěn)定性要求，確保容器安全可靠運(yùn)行密封設(shè)計(jì)——選擇合適的密封結(jié)構(gòu)和材料，保證密封性能良好。9內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）49內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）用戶提出基本設(shè)計(jì)要求↓分析容器的工作條件，確定設(shè)計(jì)參數(shù)↓結(jié)構(gòu)分析、初步選材↓選擇合適的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)↓應(yīng)力分析和強(qiáng)度計(jì)算↓確定構(gòu)件尺寸和材料↓繪制圖紙，提供設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū)和其它技術(shù)文件壓力容器設(shè)計(jì)的基本步驟5

壓力容器強(qiáng)度計(jì)算的內(nèi)容

——新容器的強(qiáng)度設(shè)計(jì)及在役容器的強(qiáng)度校核。9內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）

對(duì)已投入使用壓力容器要實(shí)施定期檢驗(yàn)制度，根據(jù)實(shí)測(cè)的厚度進(jìn)行強(qiáng)度校核——

（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(guò)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(duì)某一使用條件需要判廢時(shí)，應(yīng)提出判廢依據(jù)。69內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）9.2內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼強(qiáng)度計(jì)算1、薄壁圓筒強(qiáng)度計(jì)算公式（1）理論計(jì)算厚度（計(jì)算厚度）設(shè)一薄壁圓筒的平均直徑為D，厚度為δ，在承受介質(zhì)的內(nèi)壓為p時(shí)，其經(jīng)向薄膜應(yīng)力σm與環(huán)向薄膜應(yīng)力σθ分別為79內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）根據(jù)第三強(qiáng)度理論，筒壁一點(diǎn)處的相當(dāng)應(yīng)力σr3為（a）按照薄膜應(yīng)力強(qiáng)度條件（b）式中[σ]t——鋼板在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力。89內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）筒體——鋼板卷焊而成99內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）

鋼板的許用應(yīng)力——強(qiáng)度較低的焊縫金屬許用應(yīng)力代替，將鋼板的許用應(yīng)力[σ]t乘以一個(gè)焊接接頭系數(shù)ф（ф≤1）（c）安全承受壓力p圓筒所需的最小理論計(jì)算厚度10接頭形式和無(wú)損檢測(cè)要求及長(zhǎng)度比例焊縫缺陷夾渣、未熔透、裂紋、氣孔等焊縫熱影響區(qū)晶粒粗大母材強(qiáng)度或塑性降低薄弱環(huán)節(jié)焊接接頭系數(shù)——焊縫金屬與母材強(qiáng)度比值，反映容器強(qiáng)度受削弱程度影響因素9內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）119內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）（2）設(shè)計(jì)厚度與名義厚度——選用鋼板時(shí)需考慮兩個(gè)實(shí)際因素。（a）鋼板負(fù)偏差鋼板實(shí)際厚度>名義厚度——正偏差鋼板實(shí)際厚度<名義厚度——負(fù)偏差（名義厚度是鋼板出廠時(shí)所標(biāo)明的厚度）鋼板和鋼管厚度負(fù)偏差按相應(yīng)的鋼板或鋼管標(biāo)準(zhǔn)選取。負(fù)偏差應(yīng)按名義厚度δn選取。當(dāng)實(shí)際鋼板厚度負(fù)偏差不大于0.25mm，且不超過(guò)名義厚度的6%時(shí)，可取C1=0。129內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）139內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）（b）腐蝕裕量

——防止容器受壓元件由于均勻腐蝕、機(jī)械磨損而導(dǎo)致厚度削弱減薄。與腐蝕介質(zhì)直接接觸的筒體、封頭、接管等受壓元件，均應(yīng)考慮材料的腐蝕裕量。C2=λnλ——腐蝕速率(mm/a)，查腐蝕手冊(cè)或由實(shí)驗(yàn)確定；

n——容器的設(shè)計(jì)壽命，通常為10~15年。149內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）

當(dāng)材料的腐蝕速率為0.05～0.1mm/a時(shí)，單面腐蝕取C2=1mm；雙面腐蝕取C2=2～4mm；當(dāng)材料的腐蝕速率小于或等于0.05mm/a時(shí)，單面腐蝕取C2=1mm；雙面腐蝕取C2=2mm。一般對(duì)碳素鋼和低合金鋼，C2不小于1mm；對(duì)不銹鋼，當(dāng)介質(zhì)的腐蝕性極微時(shí)，可取C2=0。容器厚度附加量C——鋼板或鋼管厚度的負(fù)偏差C1和介質(zhì)的腐蝕裕量C2之和C=C1+C2159內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）設(shè)計(jì)厚度——計(jì)算厚度與腐蝕裕量之和，用δd表示（9-2）名義厚度——將設(shè)計(jì)厚度加上鋼板負(fù)偏差后向上圓整至鋼板的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格厚度，用δn表示（9-3）常用鋼板的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格厚度——2，3，4，（5），6，8，10，12，14，16，18，20，22，25，28，30，32，….169內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）（3）有效厚度——從真正可作為依靠來(lái)承受介質(zhì)壓力的厚度而言，只有δ和Δ，把δ與Δ之和稱為圓筒的有效厚度，用δe表示，即或179內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）（4）壓力容器的最小厚度內(nèi)壓圓筒計(jì)算厚度僅從強(qiáng)度考慮得出的。當(dāng)設(shè)計(jì)壓力不太低時(shí)，計(jì)算所得厚度基本符合使用要求，強(qiáng)度要求是決定容器厚度的主要考慮因素。當(dāng)設(shè)計(jì)壓力很低時(shí)，按強(qiáng)度公式計(jì)算出的厚度就太小，不能滿足制造、運(yùn)輸和安裝時(shí)的剛度要求。規(guī)定不包括腐蝕裕量的最小厚度。最小厚度δmin（不包括腐蝕裕量）按下面確定：（1）對(duì)碳素鋼、低合金鋼制容器，δmin

≥3mm；（2）對(duì)高合金鋼制容器，δmin≥2mm。189內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）因此，設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算應(yīng)力為（9-4）設(shè)計(jì)溫度下圓筒的最大允許工作壓力為（9-5）199內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）4.3.2圓筒設(shè)計(jì)（續(xù)）計(jì)算厚度（δ）——由公式采用計(jì)算壓力得到的厚度。必要時(shí)還應(yīng)計(jì)入其它載荷對(duì)厚度的影響。設(shè)計(jì)厚度（δd）——計(jì)算厚度與腐蝕裕量之和。δd＝δ＋C2名義厚度（δn）——設(shè)計(jì)厚度加上鋼材厚度負(fù)偏差后向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度，即標(biāo)注在圖樣上的厚度。δn＝δd＋C1＋Δ=δ＋C1

＋C2＋Δ有效厚度（δe）——名義厚度減去鋼材負(fù)偏差和腐蝕裕量。δe＝δn－C1－C2厚度附加量（C）——由鋼材的厚度負(fù)偏差C1和腐蝕裕量C2組成，不包括加工減薄量C3。C=C1+C2加工減薄量——根據(jù)具體制造工藝和板材實(shí)際厚度由制造廠而并非由設(shè)計(jì)人員確定。209內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）計(jì)算厚度δ有效厚度δe成型后厚度毛坯厚度名義厚度δn設(shè)計(jì)厚度δdC1+C2加工減薄量加工減薄量第一次厚度圓整值厚度負(fù)偏差C1腐蝕裕量C2第二次厚度圓整值厚度關(guān)系示意圖219內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）2、薄壁球殼強(qiáng)度計(jì)算公式對(duì)于薄壁球殼，由于其主應(yīng)力為

與薄壁圓筒的推導(dǎo)相似，球形容器的厚度計(jì)算厚度

（9-6）設(shè)計(jì)厚度

（9-7）229內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）設(shè)計(jì)溫度下球殼的計(jì)算應(yīng)力為（9-8）設(shè)計(jì)溫度下球殼的最大允許工作壓力為（9-9）式中，Di為球形容器的內(nèi)徑，其他符號(hào)同前。239內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）3、設(shè)計(jì)參數(shù)的確定（1）設(shè)計(jì)壓力p——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)注的銘牌上的容器設(shè)計(jì)壓力，其值不得小于最大工作壓力?！?dāng)容器各部位或受壓元件所承受的液體靜壓力達(dá)到5%設(shè)計(jì)壓力時(shí)，則應(yīng)取設(shè)計(jì)壓力和液體靜壓力之和進(jìn)行該部位或元件的設(shè)計(jì)計(jì)算。249內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）——容器上裝有安全閥時(shí)，取1.05~1.1倍的最高工作壓力作為設(shè)計(jì)壓力；使用爆破膜作為安全裝置時(shí)，取1.15~1.3倍的最高工作壓力作為設(shè)計(jì)壓力；其余應(yīng)按GB150-1998相應(yīng)規(guī)定確定容器的設(shè)計(jì)壓力。2526279內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）——對(duì)盛裝液化氣體的容器，在規(guī)定安裝系數(shù)范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)壓力根據(jù)工作條件下可能達(dá)到最高金屬溫度確定。——外壓容器的設(shè)計(jì)壓力，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。真空容器—

不設(shè)安全閥時(shí)，取0.1MPa；設(shè)有安全閥時(shí)，取Min（1.25×△p,0.1MPa)。帶夾套容器取正常操作時(shí)可能出現(xiàn)的最大內(nèi)外壓差。289內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）（2）計(jì)算壓力——在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下，用以確定元件厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。通常情況下，計(jì)算壓力等于設(shè)計(jì)壓力加上液柱靜壓力。當(dāng)元件所承受的液柱靜壓力小于5%設(shè)計(jì)壓力時(shí)，可忽略不計(jì)。計(jì)算壓力=設(shè)計(jì)壓力+液柱靜壓力（≥5%p時(shí)計(jì)入）計(jì)算壓力≥設(shè)計(jì)壓力≥工作壓力=容器頂部表壓299內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）（3）設(shè)計(jì)溫度——指容器在正常工作情況下，設(shè)定的元件的金屬溫度（指容器受壓元件沿截面厚度的平均溫度），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。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)溫度在容器設(shè)計(jì)中的作用——選擇材料、確定許用應(yīng)力※確定設(shè)計(jì)溫度的方法（1）對(duì)類似設(shè)備實(shí)測(cè)；（2）傳熱計(jì)算；（3）參照書(shū)P123表9-1。309內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）319內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）（4）許用應(yīng)力——容器殼體、封頭等受壓元件材料許用強(qiáng)度，取材料強(qiáng)度失效判據(jù)的極限值與相應(yīng)的材料設(shè)計(jì)系數(shù)（又稱安全系數(shù)）之比?！ぷ鳒囟葹槌兀ǎ?00℃）時(shí)，取329內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）※工作溫度為中溫，取※工作溫度為高溫，取——設(shè)計(jì)溫度下材料的強(qiáng)度極限和屈服極限

——設(shè)計(jì)溫度下材料的持久強(qiáng)度和蠕變極限

——各安全系數(shù)。339內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）安全系數(shù)及其確定影響安全系數(shù)的因素：①計(jì)算方法的準(zhǔn)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(xiǎn)性。

安全系數(shù)材料nbnsnDnn碳素鋼、低合金鋼≥3.0≥1.6≥1.5≥1.0

高合金鋼≥3.0≥1.5≥1.5≥1.0349內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）液壓試驗(yàn)氣壓試驗(yàn)?zāi)蛪涸囼?yàn)氣密性試驗(yàn)壓力試驗(yàn)考慮缺陷對(duì)壓力容器安全性的影響。在制造完畢后或定期檢驗(yàn)時(shí)，都要進(jìn)行壓力試驗(yàn)。9.3容器的壓力試驗(yàn)359內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）——容器制成后、檢修后投入生產(chǎn)前——試驗(yàn)?zāi)康摹鶛z驗(yàn)容器宏觀強(qiáng)度—是否出現(xiàn)裂紋,是否變形過(guò)大；※密封點(diǎn)及焊縫的密封情況?！枰负鬅崽幚淼娜萜?，須熱處理后進(jìn)行壓力試驗(yàn)和氣密試驗(yàn)；——須分段交貨的容器，在工地組裝并對(duì)環(huán)焊縫進(jìn)行熱處理后，進(jìn)行壓力試驗(yàn)；——塔器須安裝后進(jìn)行水壓試驗(yàn)；耐壓試驗(yàn)369內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）1、試驗(yàn)壓力液壓試驗(yàn)壓力，按下式確定（9-12）氣壓試驗(yàn)壓力，按下式確定（9-13）當(dāng)容器各元件所用材料不同時(shí)，應(yīng)取各元件之[σ]/[σ]t比值中最小者。當(dāng)設(shè)計(jì)溫度小于200℃時(shí)，[σ]t與[σ]接近，此項(xiàng)可以忽略不計(jì)。379內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）2、壓力試驗(yàn)的要求與試驗(yàn)方法（a）液壓試驗(yàn)介質(zhì)：一般為水充水排氣設(shè)計(jì)壓力無(wú)泄漏開(kāi)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389內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）注意：不銹鋼容器——水中氯離子不得超過(guò)25mg/L。試壓合格的條件——1）無(wú)滲漏；

2）無(wú)可見(jiàn)變形；

3）試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)異常響聲；

4）σb≥540MPa的材料，表面經(jīng)無(wú)損檢驗(yàn)無(wú)裂紋。399內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）（b）氣壓試驗(yàn)——不適合液壓試驗(yàn)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(shí)采用?！稍?、潔凈空氣，氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w，試驗(yàn)氣體溫度一般不低于15℃。（c）氣密試驗(yàn)——針對(duì)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(yàn)后進(jìn)行；——?dú)饷茉囼?yàn)壓力取設(shè)計(jì)壓力。409內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)（續(xù)）3、壓力試驗(yàn)前的應(yīng)力校核

在壓力試驗(yàn)前，應(yīng)對(duì)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(guò)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)）。即液壓試驗(yàn)時(shí)：（9-14）

氣壓試驗(yàn)時(shí)：