第六章內(nèi)壓薄壁容器設(shè)計(jì)課件

1、第六章 內(nèi)壓薄壁容器設(shè)計(jì)一、薄壁容器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)薄壁容器 根據(jù)容器外徑DO與內(nèi)徑Di的比值K來(lái)判斷，當(dāng)K1.2為薄壁容器 K1.2則為厚壁容器-容器壁厚圓筒形薄壁容器承受內(nèi)壓時(shí)的應(yīng)力只有拉應(yīng)力無(wú)彎曲“環(huán)向纖維”和“縱向纖維”受到拉力。s1（或s軸）圓筒母線方向(即軸向)拉應(yīng)力，s2（或s環(huán)）圓周方向的拉應(yīng)力。圓筒的應(yīng)力計(jì)算 1. 軸向應(yīng)力D-筒體平均直徑，亦稱中徑，mm；2. 環(huán)向應(yīng)力薄壁圓筒形壓力容器環(huán)向應(yīng)力軸向應(yīng)力的二倍。分析：（1）薄壁圓筒受內(nèi)壓環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力兩倍。問(wèn)題a：筒體上開橢圓孔，如何開?應(yīng)使其短軸與筒體的軸線平行，以盡量減少開孔對(duì)縱截面的削弱程度，使環(huán)向應(yīng)力不致增加很多。

2、分析：?jiǎn)栴}b：鋼板卷制圓筒形容器，縱焊縫與環(huán)焊縫哪個(gè)易裂？筒體縱向焊縫受力大于環(huán)向焊縫，故縱焊縫易裂，施焊時(shí)應(yīng)予以注意。（2）分析式(4-1)和(4-2)也可知，內(nèi)壓筒壁的應(yīng)力和d/D 成反比，d/D 值的大小體現(xiàn)著圓筒承壓能力的高低。因此，分析一個(gè)設(shè)備能耐多大壓力，不能只看厚度的絕對(duì)值。例題：有一外徑為219mm的氧氣瓶，最小厚度為6.5mm，材料為40Mn2A，工作壓力為15MPa，試求氧氣瓶壁應(yīng)力解析：平均直徑 mm經(jīng)向應(yīng)力 MPa環(huán)向應(yīng)力 MPa二、筒體強(qiáng)度計(jì)算實(shí)際設(shè)計(jì)中須考慮三個(gè)因素：（1）焊接接頭系數(shù)（2）容器內(nèi)徑（3）壁厚筒體內(nèi)較大的環(huán)向應(yīng)力不應(yīng)高于在設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力，即

3、st-設(shè)計(jì)溫度t下材料許用應(yīng)力，MPa。 焊接接頭系數(shù)鋼板卷焊、夾渣、氣孔、未焊透等缺陷，導(dǎo)致焊縫及其附近區(qū)域強(qiáng)度可能低于鋼材本體的強(qiáng)度。 鋼板 t乘以焊接接頭系數(shù)，1 容器內(nèi)徑工藝設(shè)計(jì)確定內(nèi)徑Di，制造測(cè)量也是內(nèi)徑，而受力分析中的D卻是中面直徑。解出d，得到內(nèi)壓圓筒的厚度計(jì)算式 壁厚考慮介質(zhì)腐蝕，計(jì)算厚度d的基礎(chǔ)上，增加腐蝕裕度C2。筒體的設(shè)計(jì)厚度為承受應(yīng)力的厚度，又稱計(jì)算壁厚設(shè)計(jì)壁厚考慮鋼板厚度負(fù)偏差C1，名義壁厚為：式中: d-圓筒計(jì)算厚度， mm； dd-圓筒設(shè)計(jì)厚度， mm；n-圓筒設(shè)計(jì)厚度， mm Di-圓筒內(nèi)徑， mm； p-容器設(shè)計(jì)壓力， MPa； j-焊接接頭系數(shù)。另一種情況

4、：對(duì)于已有的圓筒，測(cè)量厚度為dn，則其最大許可承壓的計(jì)算公式為：式中 ：dn-圓筒名義厚度 圓整成鋼材標(biāo)準(zhǔn)值；C1-鋼板負(fù)偏差筒體設(shè)計(jì)厚度加上厚度負(fù)偏差后向上圓整，即為筒體名義厚度。de-圓筒有效厚度C-厚度附加量。 設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算應(yīng)力C1鋼材厚度負(fù)偏差C2腐蝕裕量負(fù)偏差腐蝕余量有效厚度三、設(shè)計(jì)參數(shù)厚度設(shè)計(jì)參數(shù)按GBl50-1998中規(guī)定取值。 設(shè)計(jì)壓力、 設(shè)計(jì)溫度、 許用應(yīng)力、 焊接接頭系數(shù) 厚度附加量等參數(shù)的選取。設(shè)計(jì)壓力（計(jì)算壓力）設(shè)計(jì)壓力:相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下確定殼壁厚度的壓力，亦即標(biāo)注在銘牌上的容器設(shè)計(jì)壓力。其值稍高于最大工作壓力。最大工作壓力：是指容器頂部在工作過(guò)程中可能產(chǎn)生的最高

5、壓力（表壓）。使用安全閥時(shí)設(shè)計(jì)壓力不小于安全閥開啟壓力或取最大工作壓力1.051.10倍；使用爆破膜根據(jù)其型式，一般取最大工作壓力的1.151.4倍作為設(shè)計(jì)壓力。設(shè)計(jì)溫度選擇材料和許用應(yīng)力的確定直接有關(guān)。 設(shè)計(jì)溫度指容器正常工作中，在相應(yīng)的設(shè)計(jì)條件下，金屬器壁可能達(dá)到的最高或最低溫度。器壁溫度通過(guò)換熱計(jì)算。不被加熱或冷卻，筒內(nèi)介質(zhì)最高或最低溫度。用蒸汽、熱水或其它載熱體加熱或冷卻，載體最高溫度或最低溫度。不同部位出現(xiàn)不同溫度分別計(jì)算。許用應(yīng)力許用應(yīng)力是以材料的各項(xiàng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)為依據(jù)，合理選擇安全系數(shù)n得出的?？估瓘?qiáng)度、屈服強(qiáng)度，蠕變強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度。取其中最低值。當(dāng)設(shè)計(jì)溫度低于0時(shí)，取20時(shí)的許用應(yīng)

6、力。焊接接頭系數(shù)焊接削弱而降低設(shè)計(jì)許用應(yīng)力的系數(shù)。根據(jù)接頭型式及無(wú)損檢測(cè)長(zhǎng)度比例確定。焊接接頭形式無(wú)損檢測(cè)的長(zhǎng)度比例100%局部雙面焊對(duì)接接頭或相當(dāng)于雙面焊的對(duì)接接頭1.00.85單面焊對(duì)接接頭或相當(dāng)于單面焊的對(duì)接接頭0.90.8符合壓力容器安全技術(shù)檢察規(guī)程才允許作局部無(wú)損探傷。抽驗(yàn)長(zhǎng)度不應(yīng)小于每條焊縫長(zhǎng)度的20。厚度附加量滿足強(qiáng)度要求的計(jì)算厚度之外，額外增加的厚度量，包括由鋼板負(fù)偏差(或鋼管負(fù)偏差) Cl、腐蝕裕量 C2，即 C Cl十 C2厚度22.22.52.83.03.23.53.84 4.55.5 負(fù)偏差0.130.140.150.160.18 0.2 0.2 厚度678252630

7、3234 36404250 5260 負(fù)偏差0.60.8 0.91 1.11.21.3 腐蝕裕量C2 ：應(yīng)根據(jù)各種鋼材在不同介質(zhì)中的腐蝕速度和容器設(shè)計(jì)壽命確定。塔類、反應(yīng)器類容器設(shè)計(jì)壽命一般按20年考慮，換熱器殼體、管箱及一般容器按10年考慮。腐蝕速度0.05mma(包括大氣腐蝕)時(shí)：碳素鋼和低合金鋼單面腐蝕C21mm，雙面腐蝕取C22mm， 當(dāng)腐蝕速度0.05mma時(shí)，單面腐蝕取C22mm，雙面腐蝕取C24mm。不銹鋼取C20。設(shè)計(jì)者適當(dāng)加入工藝減薄量，四、最小壁厚設(shè)計(jì)壓力較低的容器計(jì)算厚度很薄。大型容器剛度不足，不滿足運(yùn)輸、安裝。限定最小厚度以滿足剛度和穩(wěn)定性要求。 殼體加工成形后不包括腐

8、蝕裕量最小厚度dmin：a. 碳素鋼和低合金鋼制容器不小于3mm b對(duì)高合金鋼制容器，不小于2mm 五、壓力試驗(yàn)?zāi)康模褐圃旒庸み^(guò)程不完善，導(dǎo)致不安全，發(fā)生過(guò)大變形或滲漏。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)。不適合作液壓試驗(yàn)，如裝入貴重催化劑要求內(nèi)部烘干，或容器內(nèi)襯耐熱混凝土不易烘干，或由于結(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)。對(duì)壓力試驗(yàn)的規(guī)定情況表試驗(yàn)類型試驗(yàn)壓力強(qiáng)度條件說(shuō)明 備注液壓試驗(yàn) 立式容器臥置進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)壓力應(yīng)取立置試驗(yàn)壓力加液柱靜壓力。壓力試驗(yàn)時(shí)，由于容器承受的壓力pT

9、高于設(shè)計(jì)壓力p，故必要時(shí)需進(jìn)行強(qiáng)度效核。氣壓試驗(yàn) pT -試驗(yàn)壓力， MPa； p -設(shè)計(jì)壓力， MPa；s 一試驗(yàn)溫度下的材料許用應(yīng)力， MPa； sT 一設(shè)計(jì)溫度下的材料許用應(yīng)力， MPa 例：某化工廠欲設(shè)計(jì)一臺(tái)石油氣分離工程中的乙烯精餾塔。工藝要求為塔體內(nèi)徑Di=600mm；設(shè)計(jì)壓力p2.2MPa；工作溫度t-3-20。試選擇塔體材料并確定塔體厚度。解：由于石油氣對(duì)鋼材腐蝕不大，溫度在-20以上，承受一定的壓力，故選用16MnR。 根據(jù)式式中p2.2MPa；Di=600mm；s170MPa j=0.8(查表)； C2=1.0 mm 得：考慮鋼板厚度負(fù)偏差C10.6mm圓正取dn=7mm水壓試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力16MnR的屈服限ss=345MPa（查表）水