化工設備設計基礎第8章內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強度設計課件

第八章內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強度設計第一節(jié)強度設計的基本知識第二節(jié)內(nèi)壓薄壁圓筒的強度設計第三節(jié)內(nèi)壓圓筒封頭的設計強度設計的任務：根據(jù)給定的公稱直徑以及設計壓力和溫度，確定合適的壁厚，設計出合理的結(jié)構(gòu)，以保證設備安全可靠地運行。內(nèi)壓薄壁圓筒和封頭的強度計算公式，推導過程：①根據(jù)薄膜理論進行應力分析，確定薄膜應力狀態(tài)下的主應力；②根據(jù)彈性失效的設計準則，應用強度理論確定應力的強度判據(jù)；③對于封頭，考慮到薄膜應力的變化和邊緣應力的影響，按殼體中的應力狀況在公式中引進應力增強系數(shù)。④根據(jù)應力強度判據(jù)，考慮腐蝕等實際因素導出具體的計算公式。第一節(jié)強度設計的基本知識一、關(guān)于彈性失效的設計準則二、強度理論及其相應的強度條件二、強度理論及其相應的強度條件復雜應力狀態(tài)的強度條件，要解決兩方面的問題：一是根據(jù)應力狀態(tài)確定主應力；二是確定材料的許用應力。內(nèi)壓薄壁容器的主應力：二、強度理論及其相應的強度條件1.第一強度理論的強度條件2.第三強度理論的強度條件3.第四強度理論的強度條件【備注】壓力容器都是采用塑性材料制造的，我國壓力容器設計采用第一強度理論。

采用第一和第三強度理論，薄壁容器的強度條件形式上是一樣的！第二節(jié)內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼的強度設計一、強度計算公式二、設計參數(shù)的確定三、容器的壁厚和最小壁厚四、壓力試驗及其強度校驗一、強度計算公式1.圓筒強度計算公式的推導計算壁厚公式設計壁厚公式1.2無縫鋼管作筒體（外徑DO為基準）一、強度計算公式2.圓筒強度校核與許用壓力確定2.2已有設備確定許用壓力2.1已有設備強度校核

外徑為基準內(nèi)徑為基準外徑為基準內(nèi)徑為基準一、強度計算公式3.球形容器厚度計算及校核計算公式3.2校核計算公式3.1厚度計算公式

設計壁厚計算壁厚確定最大允許工作壓力已有設備強度校核二、設計參數(shù)的確定1.設計壓力與計算壓力1.1最高工作壓力Pw正常工作情況下，容器頂部可能達到的最高壓力。1.2設計壓力P指設定的容器頂部的最高工作壓力，與相應的設計溫度一起作為設計載荷條件，其值不得小于最高工作壓力。指整臺設備的載荷條件?！咀⒁狻吭O計壓力的確定：1.容器上裝安全閥時：取P≥1.05Pw～1.1Pw2.單個容器無安全泄放裝置：P=1.0～1.1Pw3.外壓容器：取不小于在正常操作工況下可能產(chǎn)生的內(nèi)外壓差1.3計算壓力Pc在相應的設計溫度下用以確定元件厚度的壓力，包括液柱靜壓力，當液柱靜壓力小于5％設計壓力時可忽略不計。二、設計參數(shù)的確定2.設計溫度設計溫度是指容器正常工作情況下，設定的元件金屬溫度（沿元件金屬截面溫度平均值）。設計溫度是選擇材料及確定材料許用應力時的一個基本設計參數(shù)。

設計溫度必須在材料允許的使用溫度范圍內(nèi)，可在-196℃～鋼材的蠕變溫度內(nèi)確定。

二、設計參數(shù)的確定3.許用應力和安全系數(shù)3.1極限應力的取法壓力容器設計中用屈服點σs、抗拉強度σb作為計算許用應力的極限應力

常溫容器中溫容器高溫容器二、設計參數(shù)的確定4.焊縫系數(shù)⑴焊縫區(qū)強度降低的原因：焊接焊縫時可能出現(xiàn)缺陷而未被發(fā)現(xiàn)；焊接熱影響區(qū)往往形成粗大晶粒區(qū)而使強度和塑性降低；結(jié)構(gòu)性約束造成焊接內(nèi)應力過大等。⑵焊縫系數(shù)的影響因素焊接接頭的型式和無損檢測的比例。雙面焊或相當于雙面焊的全焊透結(jié)構(gòu)對接接頭：100％探傷=1.0；局部探傷=0.85。單面焊的對接接頭：100％探傷=0.9；局部探傷=0.8。

二、設計參數(shù)的確定5.壁厚附加量壁厚附加量包括鋼板或鋼管厚度的負偏差Cl和腐蝕裕量C2，即C=Cl+C2⑴鋼板和鋼管厚度的負偏差C1鋼板和鋼管的厚度負偏差，按相應的鋼板或鋼管標準選取，應按名義厚度Sn選取。⑵腐蝕裕量C2腐蝕裕量由介質(zhì)對金屬材料的腐蝕速度與容器的設計壽命決定。容器的各元件受到的腐蝕程度不同時，可取不同的腐蝕裕量。300(350)400(450)500(550)600(650)700(750)8009001000(1100)1200(1300)1400(1500)1600(1700)1800(1900)2000(2100)2200(2300)24002500260028003000320034003500360038004000420044004500460048005000520054005500560058006000

卷制壓力容器公稱直徑系列二、設計參數(shù)的確定6.直徑系列與板材厚度

鋼板常用厚度四、壓力試驗及其強度校驗壓力試驗和氣密試驗目的檢驗容器的宏觀強度和有無滲漏現(xiàn)象。

1.試驗壓力液壓試驗氣壓試驗PT－試驗壓力，立式容器臥置作液壓試驗時，試驗壓力應為立置時的試驗壓力PT加液柱靜壓力；P－設計壓力；[σ]－試驗溫度下材料的許用應力；[σ]t－設計溫度下材料的許用應力；四、壓力試驗及其強度校驗2.壓力試驗的要求與試驗方法2.1液壓試驗將容器充滿液體，待容器壁溫與液體溫度相同時緩慢升壓到規(guī)定試驗壓力后，保壓時間一般不小于30分鐘，然后將壓力降到規(guī)定試驗壓力的80％，并保持足夠長時間以對所有焊縫和連接部位進行檢查。①一般采用潔凈水進行試驗。不銹鋼容器用水進行試驗時，水中氯離子含量不超過25ppm，以防氯離子腐蝕。②采用石油蒸餾產(chǎn)品進行液壓試驗，試驗溫度應低于石油產(chǎn)品的閃點或沸點。③試驗溫度應低于液體沸點溫度，對新鋼種的試驗溫度應高于材科脆性轉(zhuǎn)變溫度。④碳素鋼、16MnR和正火的15MnVR鋼制容器液壓試驗時，液體溫度不得低于5℃，其他低合金鋼制容器（不包括低溫容器）液壓試驗時，液體溫度不得低于15℃。⑤液壓試驗完畢后，應將液體排盡并用壓縮空氣將內(nèi)部吹干。四、壓力試驗及其強度校驗2.壓力試驗的要求與試驗方法2.2氣壓試驗氣壓試驗適用場合。試驗介質(zhì)要求：干燥、潔凈的空氣、氮氣或其他惰性氣體，試驗氣體溫度一般應不低于15℃。試驗程序是：緩慢升壓至規(guī)定試驗壓力的10％，且不超過0.05MPa，保持5分鐘，然后對所有焊縫和連接部位進行初次檢查；合格后繼續(xù)升壓到規(guī)定試驗壓力的50％，其后按每級為規(guī)定試驗壓力的10％的級差逐漸升壓到試驗壓力，保持10分鐘后，然后再降到試驗壓力的87％，保持足夠時間并同時進行檢查。2.3氣密試驗容器須經(jīng)液壓試驗合格后，方可進行氣密試驗。首先緩慢升壓至試驗壓力保持10分鐘，然后降至設計壓力，同時進行檢查，氣體溫度應不低于5℃。

五、典型例題【例8－1】一鍋爐汽包，Di=1300mm，Pw=15.6MPa，裝有安全閥，設計溫度為350℃，材質(zhì)為18MnMoNbR，采用雙面對接焊縫，100％探傷，試確定汽包的壁厚Sn。【例8－2】一舊氧氣瓶，材質(zhì)為40Mn2A，D0＝219mm，系無縫鋼管收口而成，實測最小壁厚Sn＝6.5mm，已知材料σb=784.8MPa，σs=510.12MPa，δ=18%，設計溫度為常溫。今預充15MPa的壓力使用，問強度是否夠？如不夠，該氣瓶的最大允許工作壓力為多大？第三節(jié)內(nèi)壓圓筒封頭的設計一、半球形封頭二、橢圓形封頭三、碟形封頭四、無折邊球形封頭五、錐形封頭六、平板封頭七、封頭的選擇二、橢圓形封頭

橢圓形封頭是由長短半軸分別為a和b的半橢球和高度為h0的短圓筒（通稱為直邊）兩部分所構(gòu)成。直邊的作用是為了保證封頭的制造質(zhì)量和避免筒體與封頭間的環(huán)向焊縫受邊緣應力作用。1.結(jié)構(gòu)特點二、橢圓形封頭

當m=a/b≤2時，最大應力在橢圓殼的頂點2.壁厚計算公式將a/b=m，a=D/2代入得：

強度條件考慮焊縫系數(shù)，D=Di+S，m=Di/2hi代入強度條件得：標準橢圓封頭m=a/b=2二、橢圓形封頭

如果m=a/b>2時，橢圓封頭赤道上出現(xiàn)很大的環(huán)向應力，絕對值遠大于頂點的應力，引入封頭的形狀系數(shù)K，得橢圓封頭的通用壁厚計算公式為：

2.壁厚計算公式3.許用壓力計算公式【備注】封頭的直邊高度與材質(zhì)、壁厚和圓筒的公稱直徑有關(guān)。三、碟形封頭

1.幾何特點半徑Ri的球面；

半徑為r的過渡圓弧；高度為h0的直邊。2.壁厚計算公式Ri－碟形封頭球面部分內(nèi)半徑；

r－過渡圓弧內(nèi)半徑；

M－碟形封頭形狀系數(shù)；三、碟形封頭

2.壁厚計算公式球面內(nèi)半徑Ri=0.9Di，過渡圓弧內(nèi)半徑r=0.17Di時為標準碟形封頭。M=1.325，標準碟形封頭的壁厚計算公式為：3.碟形封頭的許用壓力公式四、無折邊球形封頭

1.結(jié)構(gòu)特點2.壁厚計算公式Q-系數(shù)，查相關(guān)圖表求得。

【注意】任何情況下，與無折邊球形封頭連接的圓筒厚度應不小于封頭厚度。四、無折邊球形封頭

五、錐形封頭

1.結(jié)構(gòu)特點優(yōu)點：便于收集與卸除設備中的固體物料；還可作為塔設備的變徑段。

最大應力公式強度條件壁厚計算公式2.壁厚計算公式五、錐形封頭

3.工程中的錐形封頭結(jié)構(gòu)無折邊錐形封頭帶折邊錐形封頭六、平板封頭

1.平板封頭應力特點

根據(jù)彈性力學的小撓度薄板理論，受均布載荷的平板，壁內(nèi)產(chǎn)生兩向彎曲應力：一是徑向彎曲應力σr，一是切向彎曲應力σt。

周邊固支周邊簡支薄板的最大彎曲應力σmax與(R/S)2成正比，而薄殼的最大拉(壓)應力σmax與R/S成正比。

六、平板封頭

2.平板封頭的用途

平板封頭結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，在壓力不高，直徑較小的容器中，采用平板封頭比較經(jīng)濟簡便。壓力容器人孔、手孔；高壓容器平板封頭。

3.平板封頭壁厚計算公式

K-與約束情況相關(guān)的結(jié)構(gòu)特征系數(shù)七、封頭的選擇

1.幾何方面半球形封頭單位容積的表面積最小。橢圓形和碟形封頭的容積和表面積基本相同。

2.力學方面半球形封頭>標準橢圓形封頭>碟形封