內(nèi)壓薄壁容器設計計算

1、第二章 中低壓容器的規(guī)則設計 第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算潘家禎華東理工大學機械與動力工程學院2第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算一、引言二、圓筒和球殼的設計計算三、設計參數(shù)的規(guī)定四、壓力試驗五、封頭的設計計算3(一)設計內(nèi)容：容器應根據(jù)工藝過程要求和條件，進行結構設計和強度設計。 結構設計：主要選擇適用、合理、經(jīng)濟的結構形式，同時滿足制造、檢測、裝配、運輸和維修的要求。 強度計算：內(nèi)容包括選擇容器的材料，確定主要尺寸，滿足強度、剛度和穩(wěn)定性的要求，以確保容器安全可靠地運行。第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算一、引言4（二）設計方法 常規(guī)設計：又稱規(guī)則設計，依據(jù)“gb150鋼制壓力容器”國家標準進行

2、設計。該標準采用彈性失效準則，對殼體應力不作詳細分析，只計算總體應力，并限制殼體的基本（薄膜）應力不超過材料的許用應力值。而由于總體結構不連續(xù)引起的附加應力，以應力增強系數(shù)引入壁厚計算，或在結構上加以限制，或在材料選擇、制造工藝、等給以不同要求的控制。第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算一、引言5（二）設計方法分析設計：要求對容器的載荷做詳細的分析。并根據(jù)載荷的性質(zhì)進行分類，在此基礎上，對不同的應力加以限制。分析設計的要點：l 把容器內(nèi)的應力分為三類，l 一次應力為平衡外載荷所產(chǎn)生的應力。它隨外載荷的增加而增加。l 二次應力由結構自身或者相鄰部件的約束產(chǎn)生的應力。它具有自限性。l 峰值應力它是由局部

3、不連續(xù)或局部熱應力的影響疊加到一次和二次應力上的應力增量。它具有高度的局部性。它的危害是引起疲勞裂紋或者脆性斷裂。第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算一、引言6（三）強度理論。 按照強度理論，對于鋼制容器適宜采用第三、第四強度理論，但是，第一強度理論在容器設計歷史上使用最早，有成熟的實踐經(jīng)驗，而且由于強度條件不同而引起的誤差已考慮在安全系數(shù)內(nèi)，所以至今在容器常規(guī)設計中仍采用第一強度理論，即：式中， 為器壁中三個主應力中最大的一個，對于內(nèi)壓薄壁回轉殼體，通常，第一主應力為周向應力 ，第二主應力為經(jīng)向應力 ，另一個主應力為徑向應力 。第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算一、引言 11z7（三）強度理論。四個強

4、度理論：第一強度理論最大拉應力理論：第二強度理論最大拉應變理論：第三強度理論最大剪應力理論：第四強度理論最大八面體剪應力( (形狀改變比能) )理論：第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算一、引言 1 213232221821 231max )(13211e8第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算一、引言（一）圓筒設圓筒的平均直徑為d，壁厚為t，在承受均勻內(nèi)壓作用時，器壁產(chǎn)生的薄膜應力為：顯然， 按照第一強度理論可得，工藝設計中一般給出內(nèi)徑di，d = di + t，tpd2tpd4x0z,1 ttpd 21 tttdp 2i即： ctcpdpt 2i9第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算一、引言二、圓筒和球殼的設

5、計計算三、設計參數(shù)的規(guī)定四、壓力試驗五、封頭的設計計算10第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算二、圓筒和球殼的設計計算（一）圓筒 實際圓筒鋼板焊縫區(qū)金屬一般低于母材，再考慮到容器腐蝕，供貨鋼板厚度的負偏差，設計厚度應比計算厚度大。 圓筒設計計算公式：式中：td設計厚度，mm； pc計算壓力，mpa； di圓筒內(nèi)徑，mm； 焊接接頭系數(shù)， 1.0； t設計溫度下材料的許用應力，mpa； c2腐蝕裕量，mm； 2id2cpdptctc 11（一）圓筒設計壁厚的概念：l 計算厚度為僅按強度計算得到厚度：tl 設計厚度為計算厚度加上腐蝕裕量：td = t + c2l 名義厚度為實際采用標準規(guī)格鋼材的厚度：t

6、n=td + c +圓整值l 厚度附加量c，c = c1 + c2， c1為鋼板負偏差。l 進行強度校核的公式為： 式中： 為校核溫度下圓筒器壁中的計算應力。 。 te有效厚度，等于名義厚度減去壁厚附加量。第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算二、圓筒和球殼的設計計算 tttdpeeict212第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算二、圓筒和球殼的設計計算(二) 球殼設球殼的平均直徑為d，壁厚為t，在承受均勻內(nèi)壓p作用時，器壁產(chǎn)生的薄膜應力為：按照第一強度理論，得到球殼壁厚計算公式：應力校核公式：0,4z tpd t14tpd ctcpdpt 4i tttdpeeict413（二）球殼 球殼 圓筒 由上式可知

7、，當壓力、直徑相同時，球殼的壁厚僅為圓筒的一半，所以用球殼作容器，節(jié)省材料，占地面極小，但球殼是非可展曲面，拼接工作量大，所以制造工藝比圓筒復雜的多，對焊接的要求也高，大型帶壓的液化氣或氧氣等儲罐常用球罐形式。第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算二、圓筒和球殼的設計計算 tttdpeeict4 tttdpeeict2 ctcpdpt 4i ctcpdpt 2i14第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算一、引言二、圓筒和球殼的設計計算三、設計參數(shù)的規(guī)定四、壓力試驗五、封頭的設計計算15（一）設計壓力和設計溫度 容器的設計壓力是指在相應的設計溫度下，用以確定容器殼體厚度的表壓力，其值不小于容器的最大工作壓力，容

8、器的最大工作壓力是指在正常操作情況下容器頂部可能出現(xiàn)的最高表壓力。 對承裝液化氣體的容器，設計壓力應根據(jù)容器允許達到的最高介質(zhì)溫度和相應的飽和蒸汽壓力確定。 若容器裝有液體，當容器各部位或受壓元件所承受的液柱靜壓力達到設計壓力的5%時，液柱靜壓力應計入該部位或元件的設計壓力內(nèi)。第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算三、設計參數(shù)的規(guī)定16（一）設計壓力和設計溫度 設計溫度指容器在正常操作情況下，在相應設計壓力下設定的受壓元件的金屬溫度，其值不得低于金屬可能達到的最高溫度。對于0oc 以下的金屬溫度，則設計溫度不得高于元件金屬可能達到的最低金屬溫度。容器金屬溫度可通過實測或由傳熱學計算。第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容

9、器的設計計算三、設計參數(shù)的規(guī)定17表2-3 焊縫系數(shù)（二）焊縫系數(shù) 絕大多數(shù)容器采用焊接結構，焊接時由于可能出現(xiàn)的焊接缺陷，焊縫往往是容器強度比較薄弱的環(huán)節(jié)，因此在設計中用焊縫系數(shù)來表示焊縫金屬與母材強度的比值。它反映出容器受削弱的程度。第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算三、設計參數(shù)的規(guī)定18(三)壁厚附加量 厚度附加量由兩部分組成：l 鋼板或鋼管的厚度負偏差，c1l 腐蝕裕度c2。 c=c1+c2。 c1按相應鋼板或鋼管標準選取。容器用鋼板負公差不超過0.25mm時且不超過名義厚度的6%時，可取c1=0。 c2由介質(zhì)的腐蝕性和容器的使用壽命確定。對于碳素鋼和低合金鋼，c2不小于1mm，對于不銹鋼

10、，當介質(zhì)的腐蝕性極少時，可取為零。此外，對于沖壓成型后的封頭和熱卷的圓筒，制造廠應保證成品的實際厚度不小于名義厚度減去鋼材厚度的負偏差。第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算三、設計參數(shù)的規(guī)定19表2-4 熱軋鋼板厚度負偏差表2-5 熱軋無縫鋼管厚度負偏差第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算三、設計參數(shù)的規(guī)定(三)壁厚附加量20（四）許用應力和安全系數(shù) 許用應力是容器殼體等受壓元件的材料許用強度，取材料的極限強度與相應的安全系數(shù)之比。極限強度要根據(jù)失效類型來確定，安全系數(shù)則受操作工況、材料、制造質(zhì)量和計算方法等因素的影響。采用過小的許用應力或過大的安全系數(shù)，會使設計的部分過分笨重而浪費材料，反之會使部件過于

11、單薄而破損，因此合理選擇許用應力或安全系數(shù)是關系設計先進可靠與否的問題。 第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算三、設計參數(shù)的規(guī)定21（四）許用應力和安全系數(shù) 材料的極限強度由試驗求得。對于低碳鋼之類的塑性材料，它們有明顯的規(guī)定非比例伸長應力p、屈服強度y和抗拉強度b。 為了使容器不產(chǎn)生過大的彈性或塑性變形，許用應力常以y或p作為極限強度，因它們十分接近，故常用屈服強度y。當材料無明顯屈服點時，用規(guī)定殘余伸長應力0.2，即產(chǎn)生0.2%殘余伸長時的應力值。有些材料在拉伸曲線上既無明顯屈服點，又無明顯的服從彈性關系區(qū)，如銅，鑄鐵或高強度鋼(屈強比高的材料)，在溫度不很高條件下，極限強度則取抗拉強度。 第三

12、節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算三、設計參數(shù)的規(guī)定22（四）許用應力和安全系數(shù) 隨著溫度的變化，各種材料的力學性能也將產(chǎn)生不同的變化。如銅、鋁、鉛等材料，其抗拉強度隨溫度的升高而下降。因此當溫度升高時，以設計溫度下的抗拉強度bt作為極限強度。對于低碳鋼材料，溫度升高，材料的抗拉強度也升高，但當溫度達到一定值時（250300），抗拉強度會很快下降，而屈服點始終隨溫度升高均勻下降。因此在溫度較高時，極限強度用設計溫度下的屈服強度yt 。 第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算三、設計參數(shù)的規(guī)定23（四）許用應力和安全系數(shù) 當碳鋼和普通低合金鋼制容器溫度高于420，鉻鉬合金鋼容器高于450，不銹鋼制容器高于550

13、時，抗拉強度和屈服點都不能作為極限強度。因為在高溫下工作的容器往往不是由于強度不足，而是由于蠕變產(chǎn)生失效。蠕變是材料在高溫下應力不增加情況下，它的應變隨時間而增加的現(xiàn)象。要求金屬在高溫下不蠕變是不可能的，只能選用蠕變速度較慢的材料或控制應力水平，因此高溫時材料的極限強度要以蠕變極限nt為依據(jù)。用于容器的材料，要求在恒定溫度下，蠕變速度不超過10-7mm/mmh的最大應力，或在10萬小時下，蠕變總應變量不超過1%的最大應力作為條件蠕變極限。 第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算三、設計參數(shù)的規(guī)定24（四）許用應力和安全系數(shù) 按蠕變極限設計的容器，盡管限制了它的蠕變速度，但材料還是以一定的蠕變速度在伸長

14、，實際上是不允許材料無限制的伸長下去，因為材料伸長到一定量時，材料就要斷裂，因而在高溫下還以材料的持久極限dt來表征材料的抗蠕變能力。持久極限的定義是材料在恒定溫度下，經(jīng)過規(guī)定時間（我國規(guī)定為10萬小時）發(fā)生斷裂的相應應力。由于材料拉伸試驗結果有一定分散性，受載情況的統(tǒng)計特性和理論計算方法與容器實際應力不同，以及制造的允許偏差等因素，如用計算應力不超過極限強度來校核，帶有很大的冒險性，為了保證受壓元件有足夠安全儲備量，引入安全系數(shù)的概念。第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算三、設計參數(shù)的規(guī)定25第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算三、設計參數(shù)的規(guī)定（四）許用應力和安全系數(shù) 安全系數(shù)根據(jù)操作工況、材料、制造

15、質(zhì)量、和計算方法等多方面因素確定。標準規(guī)定：對碳素鋼及低合金鋼：對奧氏體高合金鋼： , 0 . 1, 5 . 1, 6 . 1, 0 . 3ndybnnnn , 0 . 1, 5 . 1, 5 . 1cdynnn26（四）許用應力和安全系數(shù) 從以上分析可知，根據(jù)不同的失效類型，對不同材料計算許用應力的極限強度是不同的，而且同一種材料，在不同的試驗條件下，它的極限強度取法也不同。對不同的極限強度選取相應的安全系數(shù)，就可以得到材料的各種許用應力，欲防止各種類型的失效和保證各種條件下的設計安全、實際許用應力取下列三者中的最小值：第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算三、設計參數(shù)的規(guī)定 或 ，dtdbtnbb

16、nnn 我國容器標準為方便設計，直接給出常用鋼板、鋼管、鍛件和螺栓材料在不同溫度下的許用應力值。27(五)最小壁厚最小壁厚確定：對碳鋼和低合金鋼，當內(nèi)直徑di3800mm時，其最小壁厚 且不小于3mm，腐蝕裕度另加。當內(nèi)直徑di3800mm時，其最小壁厚tmin按運輸與現(xiàn)場制造條件確定。 對不銹鋼容器，取tmin不小于2mm。10002minidt第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算三、設計參數(shù)的規(guī)定28第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算一、引言二、圓筒和球殼的設計計算三、設計參數(shù)的規(guī)定四、壓力試驗五、封頭的設計計算29(一)試驗內(nèi)容 包括強度試驗和致密性試驗(二)試驗目的 強度試驗：檢查容器在超工作壓

17、力下的宏觀強度，包括檢查材料的缺陷、容器各部分的變形，焊接接管的強度和容器法蘭連接的泄漏檢查。通常包括液壓和氣壓試驗。 致密性試驗：對密封性要求非常高的重要容器在強度合格后進行的泄漏檢查。第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算四、壓力試驗30液壓試驗的介質(zhì)一般是水，對于碳素鋼、16mnr鋼、和正火15mnvr鋼，液體溫度不得低于5oc。其他低合金鋼容器，液體溫度不得低于15oc。如果因為板厚造成ndt升高，則需相應提高試驗液體溫度。試驗用水應當控制cl2510-6 ppm。第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算四、壓力試驗31液壓試驗壓力：且式中：pt 為內(nèi)壓容器的試驗壓力mpa p為設計內(nèi)壓mpa 為試驗溫

18、度下材料的許用應力mpa t 為設計溫度下材料的許用應力mpa第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算四、壓力試驗 tt25. 1pp mpa,1 . 0t pp32氣壓試驗：且對于碳素鋼和低合金鋼，氣壓試驗時，介質(zhì)溫度不得低于15oc。 應力校核公式為對液壓試驗，此值不得超過該溫度下材料屈服強度的90%，對氣壓試驗，不得超過材料屈服強度的80%。第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算四、壓力試驗 tt15. 1pp mpa,1 . 0t ppeeitt2ttdp33第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算一、引言二、圓筒和球殼的設計計算三、設計參數(shù)的規(guī)定四、壓力試驗五、封頭的設計計算34第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算五

19、、封頭的設計計算35第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算五、封頭的設計計算36第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算五、封頭的設計計算37第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算五、封頭的設計計算38(一)封頭的種類常見的容器封頭包括： 半球形 碟形 橢圓形 無折邊球形封頭 圓錐形 平板封頭第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算五、封頭的設計計算39 對于受均勻內(nèi)壓封頭的強度計算，由于封頭和圓筒形器身相連接，所以不僅需要考慮封頭本身因內(nèi)壓引起的薄膜應力外，還要考慮與筒身連接處的不連續(xù)應力。連接處總應力的大小與封頭的幾何形狀和尺寸，封頭與筒身壁厚的比值大小有關。封頭設計中采用了比較簡單的方法，在導出基本公式時利用內(nèi)壓薄膜應力作

20、為強度計算中的基本應力，而把因不連續(xù)效應產(chǎn)生的應力增強影響以應力增強系數(shù)的形式引入厚度計算。應力增強系數(shù)由有力矩理論解析導出，并輔以試驗修正。第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算五、封頭的設計計算40(二)封頭的結構特性（1）半球形封頭是半個球殼。 從受力來看，球形封頭 是最理想的結構。但整 體沖壓困難，加工工作 量大。第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算五、封頭的設計計算41(二)封頭的結構特性（2）碟形封頭是球面、過渡段及圓柱直邊段三段組成。成型加工方便，但在三部分連接處，由于經(jīng)線曲率發(fā)生突變，受力狀況不佳。第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算五、封頭的設計計算42(二)封頭的結構特性（3）橢圓形封頭由半個

21、橢球面和一圓柱直邊段組成。由于橢圓部分經(jīng)線曲率平滑連續(xù)，故封頭中的應力分布比較均勻。結構特性介于半球形和碟形封頭之間。第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算五、封頭的設計計算43(二)封頭的結構特性（4）無折邊球形封頭由部分球面封頭與圓筒直接連接。結構簡單，制造方便，但在球面與圓筒連接處存在相當大的不連續(xù)應力。只能用于壓力不高的場合。第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算五、封頭的設計計算44(二)封頭的結構特性（5）錐形封頭有兩種，一種是無折邊錐形封頭，另一種是與筒體連接處有一過圓弧和一圓柱直邊段的折邊錐形封頭。對于氣體的均勻進入和引出，不同直徑圓筒的過渡是理想的結構，在厚度較薄時，制造比較方便。第三節(jié) 內(nèi)

22、壓薄壁容器的設計計算五、封頭的設計計算45(二)封頭的結構特性（6）平板封頭是最簡單，制造最容易的一種封頭。但相同直徑和壓力的容器，平板封頭厚度過大，材料耗費過多而且十分笨重。第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算五、封頭的設計計算46(二)封頭的結構特性 綜上所述，從受力情況來看，半球形最好，橢圓形、碟形其次、錐形更次之、而平板最差。 從制造角度來看，平板最容易，錐形其次，碟形、橢圓形更次值，而半球形最難。就使用而言，錐形有其特色。因此在實際生產(chǎn)中，大多采用橢圓形封頭，常壓或直徑不大的高壓容器常用平板封頭，半球形封頭一般用于低壓，錐形封頭用于壓力不高的設備。第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算五、封頭的設

23、計計算受力：半球形橢圓形 碟形錐形平板；制造：平板最錐形碟形橢圓形半球形。47(三)設計計算公式（1）半球形封頭受均勻內(nèi)壓的半球形封頭的壁厚可用球形殼體的公式計算 第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算五、封頭的設計計算cppdttid 41432式中p為外壓；di為封頭直徑c為附加壁厚；為許用應力為焊縫系數(shù)48(三)設計計算公式（2）橢圓形封頭 橢圓形封頭 中的最大應 力對圓筒軸 向薄膜應力 的比值可用 右圖表示：第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算五、封頭的設計計算49(三)設計計算公式 由圖可知封頭中力的位置和大小均隨 的改變而 改變，當 =1.02.5時容器標準采用下式 近似代替該曲線： k為應力增

24、強系數(shù)或形狀系數(shù) di為封頭直徑 hi為橢圓高度 baba22261iihdk第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算五、封頭的設計計算50(三)設計計算公式 橢圓形封頭的設計厚度為與其相連的圓筒計算厚度的k倍，即： 我國容器標準的計算公式為 分母中的系數(shù)0.5是對理論計算精度的修正。mmcpkpdttid 2cpkpdttid5 . 0 2mm第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算五、封頭的設計計算51(三)設計計算公式（3）碟形封頭碟形封頭的壁厚計算是以本曲線為依據(jù)的圖中的實線可用下式表示m為應力增強系數(shù) iirrm341mmcpmprttd5 . 0 2第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算五、封頭的設計計算52

25、(三)設計計算公式（3）碟形封頭由圖示曲線可知碟形封頭的強度與過渡區(qū)半徑 有關， 對于標準封頭iriiiiidrtrdr,3,01. 0iiiidrd17. 09 . 0r第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算五、封頭的設計計算53(三)設計計算公式（4）錐形封頭 無折邊，無加強時 無折邊，有加強時式中的q為應力增強系數(shù)，其值通過下圖選取cppdttidcos1 2cpqpdttid 2第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算五、封頭的設計計算54第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算五、封頭的設計計算錐形封頭應力增強系數(shù)q的選取方法：55(三)設計計算公式（4）錐形封頭是否需要加強通過下圖判斷第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的設計計算五、封頭的設計計算56(三)設計計算公式（4）錐形封頭有折邊