化工機(jī)械基礎(chǔ)-第09章-內(nèi)壓薄壁圓筒與球殼設(shè)計(jì)

Page1第九章內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計(jì)§1、概述；§2、內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼強(qiáng)度計(jì)算；§3、容器的壓力試驗(yàn)。Page2§9.1概述壓力容器的設(shè)計(jì)中，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)就是根據(jù)工藝要求和條件，設(shè)計(jì)合適的厚度，以保證設(shè)備在規(guī)定使用壽命內(nèi)安全可靠的運(yùn)行。壓力容器強(qiáng)度計(jì)算包含新容器的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和在用容器的強(qiáng)度校核。需要注意的是，在用壓力容器的檢驗(yàn)，要根據(jù)其實(shí)測(cè)厚度，進(jìn)行計(jì)算和判定。Page3薄壁圓筒平均直徑D，厚度δ，承受內(nèi)壓p，經(jīng)向薄膜應(yīng)力與環(huán)向薄膜應(yīng)力分別為：§9.2內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼強(qiáng)度計(jì)算一、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）Page4其中，為鋼板在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力根據(jù)第三強(qiáng)度理論，筒壁一點(diǎn)處的相當(dāng)應(yīng)力為：按照薄膜應(yīng)力強(qiáng)度條件Page5考慮到焊縫的影響，許用應(yīng)力用鋼板的許用應(yīng)力乘以焊接接頭系數(shù)，于是：其中一般由工藝條件確定的為圓筒內(nèi)徑，在上述計(jì)算中，用內(nèi)徑Di代替平均直徑D代入上式并取等號(hào)，得：Page6

δ:圓筒計(jì)算厚度，mm

pc:圓筒的計(jì)算壓力，MPaDi:圓筒內(nèi)徑，mm:鋼板在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa:焊接接頭系數(shù)其中：Page7

2)設(shè)計(jì)厚度與名義厚度

①鋼板負(fù)偏差C1鋼板的厚度是鋼板的名義厚度，實(shí)際厚度可能大于（正偏差），也可能小于（負(fù)偏差）名義厚度。鋼板標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了正、負(fù)偏差的值。在確定筒體厚度時(shí)，應(yīng)在計(jì)算厚度基礎(chǔ)上加上鋼板的負(fù)偏差。

②腐蝕裕量C2容器與介質(zhì)接觸，會(huì)有腐蝕。腐蝕速率λ(mm/a),容器的使用壽命n年，C2=nλ為保證容器的使用安全，腐蝕裕量C2也需要包含在容器厚度中。Page8

2)設(shè)計(jì)厚度與名義厚度計(jì)算厚度與腐蝕裕量之和稱為設(shè)計(jì)厚度，表示為：將設(shè)計(jì)厚度加上鋼板負(fù)偏差向上圓整的鋼板的標(biāo)準(zhǔn)厚度稱為名義厚度，表示為：Page9其中：——圓筒的設(shè)計(jì)厚度，mm;——圓筒的計(jì)算厚度，mm;——鋼板的負(fù)偏差，mm;——腐蝕裕量，mm;——圓整值，mm;Page10計(jì)算厚度δ和鋼板向上的圓整值Δ是容器在使用期內(nèi)都能依賴抵抗強(qiáng)度破壞的厚度。將計(jì)算厚度與鋼板向上的圓整值相加得到有效厚度，表示為：3)有效厚度

或者Page11

成形后厚度

制造廠考慮加工減薄量，并按鋼板厚度系列向上圓整得到的坯板厚度，減掉實(shí)際加工減薄量，得到容器實(shí)際出廠的厚度。

只要成形后的厚度大于名義厚度，就可滿足強(qiáng)度要求。

Page12

4)壓力容器的最小厚度

①對(duì)碳素鋼、低碳合金鋼制容器，不小于3mm；②對(duì)高合金鋼制容器不小于2mm。

設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算應(yīng)力：

設(shè)計(jì)溫度下圓筒最大允許工作壓力：計(jì)算厚度過(guò)小，

就滿足不了制造、運(yùn)輸和安裝要求，不包括腐蝕裕量的最小厚度。由下列方法確定：Page13

對(duì)于薄壁球殼，其主應(yīng)力：與薄壁圓筒類似的，球形容器的厚度設(shè)計(jì)計(jì)算公式為：計(jì)算厚度設(shè)計(jì)厚度設(shè)計(jì)溫度下球殼的計(jì)算應(yīng)力：二、薄壁球殼強(qiáng)度計(jì)算公式設(shè)計(jì)溫度下球殼的最大允許工作壓力：Page14三、設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

1)設(shè)計(jì)壓力p指容器頂部的最高壓力，與相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度一起作為容器的基本設(shè)計(jì)載荷條件，其值不小于工作壓力。對(duì)無(wú)安全泄放裝置的壓力容器，設(shè)計(jì)壓力不低于1.0~1.1倍工作壓力。裝有安全泄放裝置的壓力容器，設(shè)計(jì)壓力不低于安全閥開啟壓力和爆破片裝置的設(shè)計(jì)爆破壓力加制造范圍上限。外壓容器的設(shè)計(jì)壓力，應(yīng)不小于正常情況下可能出現(xiàn)的最大內(nèi)外壓力差。Page15對(duì)無(wú)安全泄放裝置的壓力容器，取0.1MPa。裝有安全泄放裝置的壓力容器，設(shè)計(jì)壓力取1.25倍的最大內(nèi)外壓力差與0.1MPa兩者中的小者。由兩個(gè)或兩個(gè)以上壓力室組成的容器，根據(jù)各自的工作壓力確定各自腔的設(shè)計(jì)壓力。

2)計(jì)算壓力在設(shè)計(jì)溫度下，用以確定受壓元件厚度的壓力，包括液柱靜壓力等附加載荷。通常，計(jì)算壓力等于設(shè)計(jì)壓力加液柱靜壓力。當(dāng)液柱靜壓力小于設(shè)計(jì)壓力的5%，可忽略。Page16

3)設(shè)計(jì)溫度

指容器在正常工作情況下，設(shè)定的元件金屬溫度，與相應(yīng)設(shè)計(jì)壓力一起作為容器的基本設(shè)計(jì)載荷條件。通常其值不低于金屬元件在工作狀態(tài)下可能的最高溫度。對(duì)于0℃以下的金屬溫度，設(shè)計(jì)溫度不高于所能達(dá)到的最低溫度。容器各部分在工作情況下的金屬溫度不同時(shí)，可分別設(shè)定各部分的設(shè)計(jì)溫度。對(duì)具有不同工況的容器，可按最苛刻的工況設(shè)計(jì)，并在設(shè)計(jì)文件或設(shè)計(jì)圖樣中注明各工況下的設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度。Page17當(dāng)金屬溫度無(wú)法確定時(shí)，按如下規(guī)定：容器內(nèi)壁與介質(zhì)直接接觸，且有外保溫，按下表選取。容器內(nèi)的介質(zhì)用蒸汽直接加熱或內(nèi)置加熱元件間接加熱時(shí)，設(shè)計(jì)溫度取介質(zhì)的最高工作溫度。Page18容器的受壓元件兩側(cè)與不同溫度的介質(zhì)接觸時(shí)，按較苛刻一側(cè)的工作溫度（如高溫或低溫），確定該元件的設(shè)計(jì)溫度。

4)許用應(yīng)力以材料的極限應(yīng)力為基礎(chǔ)，選擇合理的安全因數(shù)得到。

Rm,ReL分別為抗拉強(qiáng)度（強(qiáng)度極限）和屈服強(qiáng)度。nb,ns分別為抗拉和屈服強(qiáng)度的安全因數(shù)。Page19

金屬的力學(xué)性能指標(biāo)隨溫度發(fā)生變化。對(duì)于中溫容器，應(yīng)按設(shè)計(jì)溫度確定許用應(yīng)力，取兩式中的較小值。

高溫下，材料會(huì)出現(xiàn)蠕變，高溫容器的失效往往是蠕變?cè)斐傻?。碳鋼和低合金鋼，設(shè)計(jì)溫度高于420℃，其它合金鋼，450℃，奧氏體不銹鋼，550℃，取下式中的較小值。Page20Page21

5)焊縫接頭系數(shù)焊接接頭系數(shù)為小于等于1的數(shù)，數(shù)值見表9-6。

6)厚度附加量厚度附加量由兩部分組成①鋼板厚度的負(fù)偏差C1②腐蝕裕量C2C=C1+C2Page22

5)焊縫接頭系數(shù)受壓元件間的焊縫接頭分為A,B,C,D四類，非受壓元件與受壓元件間的焊縫接頭為E類焊縫接頭。Page23

焊縫處往往出現(xiàn)夾渣、未焊透、氣孔、裂紋等焊接缺陷焊縫熱影響區(qū)往往形成粗大晶體而使其強(qiáng)度、塑性降低。結(jié)構(gòu)的剛性約束造成焊后應(yīng)力過(guò)大。焊縫接頭處往往是容器上強(qiáng)度較薄弱的地方。為此，引入焊縫系數(shù)表示出焊縫對(duì)材料的許用應(yīng)力的影響程度。焊縫形式和無(wú)損檢測(cè)的長(zhǎng)度比例都影響焊縫系數(shù)取值。Page25

6)厚度附加量厚度附加量由兩部分組成①鋼板厚度的負(fù)偏差C1②腐蝕裕量C2C=C1+C2Page26②腐蝕裕量C2C2=λnλ-腐蝕速率，mm/a，由腐蝕手冊(cè)或?qū)嶒?yàn)確定n-容器的設(shè)計(jì)壽命，通常10-15年。λ=0.05-0.1mm/a,單面腐蝕，C2=1mm,雙面腐蝕，C2=2-4mmλ≤0.05mm/a,單面腐蝕，C2=1mm,雙面腐蝕，C2=2mm對(duì)碳鋼和低合金鋼，C2不小于1mm對(duì)不銹鋼，介質(zhì)腐蝕性極微，C2=0腐蝕裕量只針對(duì)均勻腐蝕，應(yīng)對(duì)非均勻腐蝕，需要進(jìn)行防腐蝕處理。Page27§9.3容器的壓力試驗(yàn)制造加工過(guò)程不完善，導(dǎo)致不安全，發(fā)生過(guò)大變形或焊縫滲漏。最常用的壓力試驗(yàn)方法是液壓試驗(yàn)。常溫水。也可用不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)的其它液體試驗(yàn)時(shí)液體的溫度應(yīng)低于其閃點(diǎn)或沸點(diǎn)。Page28不適合作液壓試驗(yàn)的情況，包括裝入貴重催化劑，要求內(nèi)部烘干，容器內(nèi)襯耐熱混凝土不易烘干，由于結(jié)構(gòu)原因不易充滿液體的容器以及容積很大的容器等，可用氣壓試驗(yàn)代替液壓試驗(yàn)。Page29§9.3容器的壓力試驗(yàn)壓力容器制造完成后，需要進(jìn)行耐壓試驗(yàn)（液壓、氣壓、氣-液組合），考察產(chǎn)品的整體強(qiáng)度。一般采用液壓試驗(yàn)，對(duì)不宜進(jìn)行液壓試驗(yàn)的容器，采用氣壓或氣-液組合試驗(yàn)。試驗(yàn)壓力取值與設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、試驗(yàn)溫度、容器材料有個(gè)。液壓試驗(yàn)氣壓（氣液組合）試驗(yàn)壓力試驗(yàn)設(shè)備Page30電動(dòng)泵-液壓壓力試驗(yàn)Page31Page32水壓爆破試驗(yàn)Page33Page34pT:試驗(yàn)壓力p:設(shè)計(jì)壓力:試驗(yàn)溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa;:設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa。壓力容器各受壓元件所用材料不同時(shí)，取各元件材料的最小值。

Page35三、壓力試驗(yàn)前的應(yīng)力校核液壓試驗(yàn)時(shí)：氣壓（氣液組合）試驗(yàn)時(shí)：其中，為圓筒壁在使用壓力下的應(yīng)力，MPa。在壓力試驗(yàn)前，應(yīng)對(duì)試驗(yàn)壓力下筒體進(jìn)行強(qiáng)調(diào)校核。Page36二、壓力試驗(yàn)的要求與試驗(yàn)方法1）液壓試驗(yàn)（介質(zhì)：水）

a.將容器充滿液體；b.壓力容器溫度與液體溫度接近時(shí)，緩慢升壓到設(shè)計(jì)壓力。

c.確認(rèn)無(wú)泄漏后，緩慢升壓到規(guī)定試驗(yàn)壓力，保壓時(shí)間不小于30分鐘；

d.將壓力降到設(shè)計(jì)壓力，保壓足夠長(zhǎng)時(shí)間，檢查期間壓力保持不變；Page37e.試驗(yàn)溫度應(yīng)該比容器金屬脆性轉(zhuǎn)變溫度高30℃。

f.對(duì)所有焊縫和連接部位檢查

g.如有泄漏，修補(bǔ)后重新試驗(yàn)。h.試驗(yàn)完畢，用壓縮空氣將容器內(nèi)壁吹干。Page381）液壓試驗(yàn)若液壓試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)滲漏、無(wú)可見的變形、無(wú)異常的響聲，即為合格。2）氣壓試驗(yàn)由于結(jié)構(gòu)和支撐原因，不能向容器內(nèi)充滿液態(tài)、運(yùn)行條件下不允許殘留試驗(yàn)液體的壓力容器，可采用氣壓試驗(yàn)。試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)滲漏、無(wú)可見的變形、無(wú)異常的響聲，經(jīng)檢漏液檢測(cè)無(wú)泄漏，即為合格。

Page392）氣壓試驗(yàn)。

a.緩慢升壓到規(guī)定試驗(yàn)壓力的10%，且不超過(guò)0.05MPa，保壓5min；

b.對(duì)所有焊縫和連接部位檢查；

c.合格后，將壓力升壓規(guī)定試驗(yàn)壓力50%;d.按照每級(jí)為規(guī)定試驗(yàn)壓力的10%的級(jí)差升壓到試驗(yàn)壓力，保壓10min；

e.降到設(shè)計(jì)壓力，保壓足夠長(zhǎng)時(shí)間并進(jìn)行檢查；

f.如有泄漏，修補(bǔ)后重新試驗(yàn)。

g.試驗(yàn)溫度應(yīng)該比容器金屬脆性轉(zhuǎn)變溫度高3