第六章內(nèi)壓薄壁容器設(shè)計(jì)

會(huì)計(jì)學(xué)1第六章內(nèi)壓薄壁容器設(shè)計(jì)㈡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(xiàn)方向(即軸向)拉應(yīng)力，s2（或s環(huán)）圓周方向的拉應(yīng)力。第1頁(yè)/共31頁(yè)㈢圓筒的應(yīng)力計(jì)算

1.軸向應(yīng)力D-筒體平均直徑，亦稱(chēng)中徑，mm；

第2頁(yè)/共31頁(yè)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。第3頁(yè)/共31頁(yè)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(kāi)橢圓孔，如何開(kāi)?應(yīng)使其短軸與筒體的軸線(xiàn)平行，以盡量減少開(kāi)孔對(duì)縱截面的削弱程度，使環(huán)向應(yīng)力不致增加很多。第4頁(yè)/共31頁(yè)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。第5頁(yè)/共31頁(yè)（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。第6頁(yè)/共31頁(yè)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第7頁(yè)/共31頁(yè)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[s]t-設(shè)計(jì)溫度t℃下材料許用應(yīng)力，MPa。第8頁(yè)/共31頁(yè)㈠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[σ]t乘以焊接接頭系數(shù)φ，φ≤1

第9頁(yè)/共31頁(yè)㈡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)算式第10頁(yè)/共31頁(yè)㈢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(chēng)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；δn-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)。第11頁(yè)/共31頁(yè)另一種情況：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。第12頁(yè)/共31頁(yè)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—腐蝕裕量第13頁(yè)/共31頁(yè)負(fù)偏差腐蝕余量有效厚度第14頁(yè)/共31頁(yè)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。第15頁(yè)/共31頁(yè)㈠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)生的最高壓力（表壓）。使用安全閥時(shí)設(shè)計(jì)壓力不小于安全閥開(kāi)啟壓力或取最大工作壓力1.05～1.10倍；使用爆破膜根據(jù)其型式，一般取最大工作壓力的1.15～1.4倍作為設(shè)計(jì)壓力。第16頁(yè)/共31頁(yè)㈡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。第17頁(yè)/共31頁(yè)㈢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)力。第18頁(yè)/共31頁(yè)㈣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％。第19頁(yè)/共31頁(yè)㈤厚度附加量滿(mǎn)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22.22.52.8～3.03.2～3.53.8～4

4.5～5.5負(fù)偏差0.130.140.150.160.18

0.20.2厚度6～78～2526～3032～34

36～4042～50

52～60

負(fù)偏差0.60.80.911.11.21.3

第20頁(yè)/共31頁(yè)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(lèi)、反應(yīng)器類(lèi)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。第21頁(yè)/共31頁(yè)腐蝕速度＜0.05mm／a(包括大氣腐蝕)時(shí)：碳素鋼和低合金鋼單面腐蝕C2＝1mm，雙面腐蝕取C2＝2mm，當(dāng)腐蝕速度＞0.05mm／a時(shí)，單面腐蝕取C2＝2mm，雙面腐蝕取C2＝4mm。不銹鋼取C2＝0。設(shè)計(jì)者適當(dāng)加入工藝減薄量，第22頁(yè)/共31頁(yè)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(mǎn)足運(yùn)輸、安裝。限定最小厚度以滿(mǎn)足剛度和穩(wěn)定性要求。殼體加工成形后不包括腐蝕裕量最小厚度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第23頁(yè)/共31頁(yè)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)。第24頁(yè)/共31頁(yè)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(mǎn)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)。第25頁(yè)/共31頁(yè)對(duì)壓力試驗(yàn)的規(guī)定情況表試驗(yàn)類(lèi)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

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；

[s]T

一設(shè)計(jì)溫度下的材料許用應(yīng)力，MPa

第26頁(yè)/共31頁(yè)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p＝2.2MPa；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p＝2.2MPa；Di=600mm；[s]＝170MPaj=0.8(查表)；C2=1.0mm

得：第27頁(yè)/共31頁(yè)考慮鋼板厚度負(fù)偏差C1＝0.6mm圓正取dn=7mm水壓試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力

16MnR的屈服限ss=34