內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強度設(shè)計課件

第三章內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強度設(shè)計教學(xué)重點：

內(nèi)壓薄壁圓筒的厚度計算教學(xué)難點：

厚度的概念和設(shè)計參數(shù)的確定1第一節(jié)內(nèi)壓薄壁殼體強度計算一、強度理論及其相應(yīng)的強度計算公式1、薄壁壓力容器的應(yīng)力狀態(tài)圖2-1單元體應(yīng)力狀態(tài)屬二向應(yīng)力狀態(tài)2第一強度理論（最大主應(yīng)力理論）強度條件2、強度理論最大主應(yīng)力設(shè)計壓力容器中徑計算厚度材料的許用應(yīng)力3設(shè)計溫度下圓筒的計算應(yīng)力（強度校核公式）設(shè)計溫度下圓筒的最大允許工作壓力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)果相差不大対上式強度計算公式稍加變形就可得到相應(yīng)的校核公式5考慮介質(zhì)腐蝕性，引入考慮鋼板厚度負(fù)偏差，引入4、內(nèi)壓薄壁球殼強度計算公式考慮焊縫對材料強度的削弱，引入考慮溫度對材料的影響引入因圓筒內(nèi)徑由工藝計算決定，故用計算壓力代設(shè)計壓力并圓整6設(shè)計溫度下圓筒的計算應(yīng)力（強度校核公式）設(shè)計溫度下圓筒的最大允許工作壓力對比內(nèi)壓薄壁球殼與圓筒體的強度計算公式可以看出：當(dāng)條件相同時，球殼壁厚約為圓筒壁厚的一半，而且球殼的表面積比圓筒體的小，但球殼制造困難。対上式強度計算公式稍加變形就可得到相應(yīng)的校核公式7各厚度之間的關(guān)系計算厚度設(shè)計厚度圓整值名義厚度有效厚度毛坯厚度加工減薄量2、容器的厚度圖4-2壁厚的關(guān)系圖9工作壓力Pw

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

P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Pc

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+液柱靜壓力第二節(jié)設(shè)計參數(shù)的確定1、壓力10表4-1設(shè)計壓力與計算壓力的取值范圍計算帶夾套部分的容器時，應(yīng)考慮在正常操作情況下可能出現(xiàn)的內(nèi)外壓差夾套容器7當(dāng)有安全閥控制時，取1.25倍的內(nèi)外最大壓差與0.1Mpa兩者中的較小值，當(dāng)沒有安全控制裝置時，取0.1Mpa真空容器6取不小于在正常操作情況下可能產(chǎn)生的內(nèi)外最大壓差外壓容器5根據(jù)容器的充裝系數(shù)和可能達到的最高溫度確定（設(shè)置在地面的容器可按不低于40℃，如50℃

、60℃時的氣體壓力考慮）裝有液化氣體的容器4根據(jù)介質(zhì)特性、氣相容積、爆炸前的瞬時壓力、防爆膜的破壞壓力及排放面積等因素考慮（通?？扇≤1.15~1.3pw）容器內(nèi)有爆炸性介質(zhì)，裝有防爆膜時3取等于或略高于最高工作壓力，通常取p≤1.0~1.1pw單個容器不要裝安全泄放裝置2取不小于安全閥的初始起跳壓力，通常取p≤1.05~1.1pw容器上裝有安全閥時1設(shè)計壓力（P）取值類型11（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(zhǔn)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)1)、許用應(yīng)力13（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，碳鋼和低合金鋼表4-2鋼材的安全系數(shù)14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)

是焊接削弱而降低設(shè)計許用應(yīng)力的系數(shù)。4、焊接接頭系數(shù)表4-3焊接接頭系數(shù)15標(biāo)準(zhǔn)化問題6、直徑系列與鋼板厚度表4-4常用鋼板厚度2.02.53.03.54.04.5(5.0)6.07.08.09.010111214161820222528303234363840424650556065707580859095100105110115120125130140150160165170180185190195200注：5mm為不銹鋼常用厚度。17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。目的液壓試驗氣壓試驗氣密性試驗壓力試驗的種類四、壓力試驗與強度校核18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p19五、例題【例4-1】：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21（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。22（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。23封頭（按結(jié)構(gòu)形狀）凸形封頭錐形封頭平蓋封頭半球形封頭橢圓形封頭碟形封頭內(nèi)壓圓筒封頭的分類25一、半球形封頭圖4-3半球形封頭1、結(jié)構(gòu)特點：半球形封頭是由半個球殼構(gòu)成的。2、受力特點：半球形封頭是由半個球殼構(gòu)成的，因此在內(nèi)壓作用下，其應(yīng)力狀態(tài)與球殼完全相同。即：其厚度計算公式也與球殼厚度計算公式相同：262、受力特點：由于封頭的橢球部分經(jīng)線曲率變化平滑連續(xù)，沒有突變，故應(yīng)力分布比較均勻。受力狀態(tài)僅次于半球封頭。經(jīng)分析：受內(nèi)壓的橢圓形封頭最大的綜合應(yīng)力與橢圓形封頭長短軸的比值有關(guān)，引入形狀系數(shù)K。得到最大的綜合應(yīng)力：理論分析證明，當(dāng)K=1橢圓形封頭的應(yīng)力分布較好，標(biāo)準(zhǔn)橢圓形的厚度計算公式：29橢圓封頭最大允許工作壓力計算公式

3、橢圓形封頭的特點：從標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的厚度計算公式中可以看出，其厚度大致和其相連的圓筒厚度相等，因此圓筒體和封頭可采用等厚焊接，封頭深度較淺便于加工，受力較好，故在工程上廣泛應(yīng)用。30三、碟形封頭圖4-5碟形封頭1、結(jié)構(gòu)特點：2、受力特點：由于球面與過度區(qū)及過渡區(qū)與直邊的連接處經(jīng)線曲率半徑突變，產(chǎn)生邊緣應(yīng)力，故應(yīng)力分布不均勻。31形狀系數(shù)

計算厚度公式

GB150-1998規(guī)定

標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭計算厚度公式M≤1.34時，eδ≥0.15%iD

M＞1.34時，eδ≥0.30%iD

32廣泛應(yīng)用于許多化工設(shè)備的底蓋，它的優(yōu)點是便于收集與卸除這些設(shè)備中的固體物料。此外，有一些塔設(shè)備上、下部分的直徑不等，也常用錐形殼體將直徑不等的兩段塔體連接起來，這時的錐形殼體稱為變徑段。錐形封頭厚度計算公式

Dc錐殼大端直徑

四、錐形封頭33是常用的一種封頭。其幾何形狀有圓形、橢圓形、長圓形、矩形和方形等，最常用的是圓形平板封頭。在各種封頭中，平板結(jié)構(gòu)最簡單，制造就方便，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低的容器。但有時在高壓容器中，如合成塔中也用平蓋，這是因為它的端蓋很厚且直徑較小，制造直徑小厚度大的凸形封頭很困難。五、平板封頭34平板封頭厚度設(shè)計公式

平板封頭的計算厚度mm

計算直徑mm

計算壓力

MPa

焊接接頭系數(shù)

結(jié)構(gòu)特征系數(shù)

材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力MPa

35單位容積的表面積，半球形封頭為最小。橢圓形和碟形封頭的容積和表面積基本相同，可以認(rèn)為