化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第8章內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)課件

第八章內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)第一節(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基本知識(shí)第二節(jié)內(nèi)壓薄壁圓筒的強(qiáng)度設(shè)計(jì)第三節(jié)內(nèi)壓圓筒封頭的設(shè)計(jì)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的任務(wù)：根據(jù)給定的公稱直徑以及設(shè)計(jì)壓力和溫度，確定合適的壁厚，設(shè)計(jì)出合理的結(jié)構(gòu)，以保證設(shè)備安全可靠地運(yùn)行。內(nèi)壓薄壁圓筒和封頭的強(qiáng)度計(jì)算公式，推導(dǎo)過程：①根據(jù)薄膜理論進(jìn)行應(yīng)力分析，確定薄膜應(yīng)力狀態(tài)下的主應(yīng)力；②根據(jù)彈性失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，應(yīng)用強(qiáng)度理論確定應(yīng)力的強(qiáng)度判據(jù)；③對(duì)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(jìn)應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)。④根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度判據(jù)，考慮腐蝕等實(shí)際因素導(dǎo)出具體的計(jì)算公式。第一節(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基本知識(shí)一、關(guān)于彈性失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則二、強(qiáng)度理論及其相應(yīng)的強(qiáng)度條件二、強(qiáng)度理論及其相應(yīng)的強(qiáng)度條件復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的強(qiáng)度條件，要解決兩方面的問題：一是根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)確定主應(yīng)力；二是確定材料的許用應(yīng)力。內(nèi)壓薄壁容器的主應(yīng)力：二、強(qiáng)度理論及其相應(yīng)的強(qiáng)度條件1.第一強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件2.第三強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件3.第四強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件【備注】壓力容器都是采用塑性材料制造的，我國(guó)壓力容器設(shè)計(jì)采用第一強(qiáng)度理論。

采用第一和第三強(qiáng)度理論，薄壁容器的強(qiáng)度條件形式上是一樣的！第二節(jié)內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼的強(qiáng)度設(shè)計(jì)一、強(qiáng)度計(jì)算公式二、設(shè)計(jì)參數(shù)的確定三、容器的壁厚和最小壁厚四、壓力試驗(yàn)及其強(qiáng)度校驗(yàn)一、強(qiáng)度計(jì)算公式1.圓筒強(qiáng)度計(jì)算公式的推導(dǎo)計(jì)算壁厚公式設(shè)計(jì)壁厚公式1.2無縫鋼管作筒體（外徑DO為基準(zhǔn)）一、強(qiáng)度計(jì)算公式2.圓筒強(qiáng)度校核與許用壓力確定2.2已有設(shè)備確定許用壓力2.1已有設(shè)備強(qiáng)度校核

外徑為基準(zhǔn)內(nèi)徑為基準(zhǔn)外徑為基準(zhǔn)內(nèi)徑為基準(zhǔn)一、強(qiáng)度計(jì)算公式3.球形容器厚度計(jì)算及校核計(jì)算公式3.2校核計(jì)算公式3.1厚度計(jì)算公式

設(shè)計(jì)壁厚計(jì)算壁厚確定最大允許工作壓力已有設(shè)備強(qiáng)度校核二、設(shè)計(jì)參數(shù)的確定1.設(shè)計(jì)壓力與計(jì)算壓力1.1最高工作壓力Pw正常工作情況下，容器頂部可能達(dá)到的最高壓力。1.2設(shè)計(jì)壓力P指設(shè)定的容器頂部的最高工作壓力，與相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度一起作為設(shè)計(jì)載荷條件，其值不得小于最高工作壓力。指整臺(tái)設(shè)備的載荷條件?！咀⒁狻吭O(shè)計(jì)壓力的確定：1.容器上裝安全閥時(shí)：取P≥1.05Pw～1.1Pw2.單個(gè)容器無安全泄放裝置：P=1.0～1.1Pw3.外壓容器：取不小于在正常操作工況下可能產(chǎn)生的內(nèi)外壓差1.3計(jì)算壓力Pc在相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度下用以確定元件厚度的壓力，包括液柱靜壓力，當(dāng)液柱靜壓力小于5％設(shè)計(jì)壓力時(shí)可忽略不計(jì)。二、設(shè)計(jì)參數(shù)的確定2.設(shè)計(jì)溫度設(shè)計(jì)溫度是指容器正常工作情況下，設(shè)定的元件金屬溫度（沿元件金屬截面溫度平均值）。設(shè)計(jì)溫度是選擇材料及確定材料許用應(yīng)力時(shí)的一個(gè)基本設(shè)計(jì)參數(shù)。

設(shè)計(jì)溫度必須在材料允許的使用溫度范圍內(nèi)，可在-196℃～鋼材的蠕變溫度內(nèi)確定。

二、設(shè)計(jì)參數(shù)的確定3.許用應(yīng)力和安全系數(shù)3.1極限應(yīng)力的取法壓力容器設(shè)計(jì)中用屈服點(diǎn)σs、抗拉強(qiáng)度σb作為計(jì)算許用應(yīng)力的極限應(yīng)力

常溫容器中溫容器高溫容器二、設(shè)計(jì)參數(shù)的確定4.焊縫系數(shù)⑴焊縫區(qū)強(qiáng)度降低的原因：焊接焊縫時(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)而使強(qiáng)度和塑性降低；結(jié)構(gòu)性約束造成焊接內(nèi)應(yīng)力過大等。⑵焊縫系數(shù)的影響因素焊接接頭的型式和無損檢測(cè)的比例。雙面焊或相當(dāng)于雙面焊的全焊透結(jié)構(gòu)對(duì)接接頭：100％探傷=1.0；局部探傷=0.85。單面焊的對(duì)接接頭：100％探傷=0.9；局部探傷=0.8。

二、設(shè)計(jì)參數(shù)的確定5.壁厚附加量壁厚附加量包括鋼板或鋼管厚度的負(fù)偏差Cl和腐蝕裕量C2，即C=Cl+C2⑴鋼板和鋼管厚度的負(fù)偏差C1鋼板和鋼管的厚度負(fù)偏差，按相應(yīng)的鋼板或鋼管標(biāo)準(zhǔn)選取，應(yīng)按名義厚度Sn選取。⑵腐蝕裕量C2腐蝕裕量由介質(zhì)對(duì)金屬材料的腐蝕速度與容器的設(shè)計(jì)壽命決定。容器的各元件受到的腐蝕程度不同時(shí)，可取不同的腐蝕裕量。300(350)400(450)500(550)600(650)700(750)8009001000(1100)1200(1300)1400(1500)1600(1700)1800(1900)2000(2100)2200(2300)24002500260028003000320034003500360038004000420044004500460048005000520054005500560058006000

卷制壓力容器公稱直徑系列二、設(shè)計(jì)參數(shù)的確定6.直徑系列與板材厚度

鋼板常用厚度四、壓力試驗(yàn)及其強(qiáng)度校驗(yàn)壓力試驗(yàn)和氣密試驗(yàn)?zāi)康臋z驗(yàn)容器的宏觀強(qiáng)度和有無滲漏現(xiàn)象。

1.試驗(yàn)壓力液壓試驗(yàn)氣壓試驗(yàn)PT－試驗(yàn)壓力，立式容器臥置作液壓試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)壓力應(yīng)為立置時(shí)的試驗(yàn)壓力PT加液柱靜壓力；P－設(shè)計(jì)壓力；[σ]－試驗(yàn)溫度下材料的許用應(yīng)力；[σ]t－設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力；四、壓力試驗(yàn)及其強(qiáng)度校驗(yàn)2.壓力試驗(yàn)的要求與試驗(yàn)方法2.1液壓試驗(yàn)將容器充滿液體，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30分鐘，然后將壓力降到規(guī)定試驗(yàn)壓力的80％，并保持足夠長(zhǎng)時(shí)間以對(duì)所有焊縫和連接部位進(jìn)行檢查。①一般采用潔凈水進(jìn)行試驗(yàn)。不銹鋼容器用水進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，水中氯離子含量不超過25ppm，以防氯離子腐蝕。②采用石油蒸餾產(chǎn)品進(jìn)行液壓試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度應(yīng)低于石油產(chǎn)品的閃點(diǎn)或沸點(diǎn)。③試驗(yàn)溫度應(yīng)低于液體沸點(diǎn)溫度，對(duì)新鋼種的試驗(yàn)溫度應(yīng)高于材科脆性轉(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5℃，其他低合金鋼制容器（不包括低溫容器）液壓試驗(yàn)時(shí)，液體溫度不得低于15℃。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。四、壓力試驗(yàn)及其強(qiáng)度校驗(yàn)2.壓力試驗(yàn)的要求與試驗(yàn)方法2.2氣壓試驗(yàn)氣壓試驗(yàn)適用場(chǎng)合。試驗(yàn)介質(zhì)要求：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15℃。試驗(yàn)程序是：緩慢升壓至規(guī)定試驗(yàn)壓力的10％，且不超過0.05MPa，保持5分鐘，然后對(duì)所有焊縫和連接部位進(jìn)行初次檢查；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10分鐘后，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。2.3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)。首先緩慢升壓至試驗(yàn)壓力保持10分鐘，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5℃。

五、典型例題【例8－1】一鍋爐汽包，Di=1300mm，Pw=15.6MPa，裝有安全閥，設(shè)計(jì)溫度為350℃，材質(zhì)為18MnMoNbR，采用雙面對(duì)接焊縫，100％探傷，試確定汽包的壁厚Sn?！纠?－2】一舊氧氣瓶，材質(zhì)為40Mn2A，D0＝219mm，系無縫鋼管收口而成，實(shí)測(cè)最小壁厚Sn＝6.5mm，已知材料σb=784.8MPa，σs=510.12MPa，δ=18%，設(shè)計(jì)溫度為常溫。今預(yù)充15MPa的壓力使用，問強(qiáng)度是否夠？如不夠，該氣瓶的最大允許工作壓力為多大？第三節(jié)內(nèi)壓圓筒封頭的設(shè)計(jì)一、半球形封頭二、橢圓形封頭三、碟形封頭四、無折邊球形封頭五、錐形封頭六、平板封頭七、封頭的選擇二、橢圓形封頭

橢圓形封頭是由長(zhǎng)短半軸分別為a和b的半橢球和高度為h0的短圓筒（通稱為直邊）兩部分所構(gòu)成。直邊的作用是為了保證封頭的制造質(zhì)量和避免筒體與封頭間的環(huán)向焊縫受邊緣應(yīng)力作用。1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)二、橢圓形封頭

當(dāng)m=a/b≤2時(shí)，最大應(yīng)力在橢圓殼的頂點(diǎn)2.壁厚計(jì)算公式將a/b=m，a=D/2代入得：

強(qiáng)度條件考慮焊縫系數(shù)，D=Di+S，m=Di/2hi代入強(qiáng)度條件得：標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭m=a/b=2二、橢圓形封頭

如果m=a/b>2時(shí)，橢圓封頭赤道上出現(xiàn)很大的環(huán)向應(yīng)力，絕對(duì)值遠(yuǎn)大于頂點(diǎn)的應(yīng)力，引入封頭的形狀系數(shù)K，得橢圓封頭的通用壁厚計(jì)算公式為：

2.壁厚計(jì)算公式3.許用壓力計(jì)算公式【備注】封頭的直邊高度與材質(zhì)、壁厚和圓筒的公稱直徑有關(guān)。三、碟形封頭

1.幾何特點(diǎn)半徑Ri的球面；

半徑為r的過渡圓弧；高度為h0的直邊。2.壁厚計(jì)算公式Ri－碟形封頭球面部分內(nèi)半徑；

r－過渡圓弧內(nèi)半徑；

M－碟形封頭形狀系數(shù)；三、碟形封頭

2.壁厚計(jì)算公式球面內(nèi)半徑Ri=0.9Di，過渡圓弧內(nèi)半徑r=0.17Di時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭。M=1.325，標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭的壁厚計(jì)算公式為：3.碟形封頭的許用壓力公式四、無折邊球形封頭

1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2.壁厚計(jì)算公式Q-系數(shù)，查相關(guān)圖表求得。

【注意】任何情況下，與無折邊球形封頭連接的圓筒厚度應(yīng)不小于封頭厚度。四、無折邊球形封頭

五、錐形封頭

1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：便于收集與卸除設(shè)備中的固體物料；還可作為塔設(shè)備的變徑段。

最大應(yīng)力公式強(qiáng)度條件壁厚計(jì)算公式2.壁厚計(jì)算公式五、錐形封頭

3.工程中的錐形封頭結(jié)構(gòu)無折邊錐形封頭帶折邊錐形封頭六、平板封頭

1.平板封頭應(yīng)力特點(diǎn)

根據(jù)彈性力學(xué)的小撓度薄板理論，受均布載荷的平板，壁內(nèi)產(chǎn)生兩向彎曲應(yīng)力：一是徑向彎曲應(yīng)力σr，一是切向彎曲應(yīng)力σt。

周邊固支周邊簡(jiǎn)支薄板的最大彎曲應(yīng)力σmax與(R/S)2成正比，而薄殼的最大拉(壓)應(yīng)力σmax與R/S成正比。

六、平板封頭

2.平板封頭的用途

平板封頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，在壓力不高，直徑較小的容器中，采用平板封頭比較經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便。壓力容器人孔、手孔；高壓容器平板封頭。

3.平板封頭壁厚計(jì)算公式

K-與約束情況相關(guān)的結(jié)構(gòu)特征系數(shù)七、封頭的選擇

1.幾何方面半球形封頭單位容積的表面積最小。橢圓形和碟形封頭的容積和表面積基本相同。

2.力學(xué)方面半球形封頭>標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭>碟形封