內(nèi)壓容器設(shè)計(jì)

內(nèi)壓容器設(shè)計(jì)第1頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三壓力容器的載荷與應(yīng)力容器設(shè)計(jì)核心問題：

研究容器在外載荷作用下，有效抵抗變形和破壞的能力，處理強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性問題，保證容器的安全性和經(jīng)濟(jì)性。第2頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三圓筒軸向應(yīng)力假設(shè)在內(nèi)壓薄壁容器的應(yīng)力分析圖（上沿AB圓周作一截面，將圓筒分為兩部分，以下部為研究對象。作用在容器內(nèi)表面的介質(zhì)壓力，分布在圓面積；容器的切割面是一圓環(huán)面，在此圓環(huán)面上，受均勻分布的拉應(yīng)力。對（b）建立平衡方程：第3頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三圓筒環(huán)向應(yīng)力如內(nèi)壓薄壁容器的應(yīng)力分析圖所示，在圖（b）上沿CD面再做一橫截面，過圓筒軸線又再做一垂直截面，如圖（c），建立水平方向的平衡條件：第4頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三比較兩式可知：薄壁圓筒受內(nèi)壓時，環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力的兩倍。因此，在設(shè)計(jì)過程中，如在筒體上開橢圓孔，應(yīng)使其短軸與筒體的軸線平行，以盡量減少開孔對縱截面的削弱程度，使環(huán)向應(yīng)力不致增加很多。筒體的縱向焊縫受力大于環(huán)向焊縫，施焊時應(yīng)予以注意。第5頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三壓力容器的不連續(xù)分析a.不連續(xù)效應(yīng)或邊緣效應(yīng)容器由于總體結(jié)構(gòu)的不連續(xù)而在連接邊緣的局部地區(qū)出現(xiàn)衰減很快的應(yīng)力升高現(xiàn)象，稱為“不連續(xù)效應(yīng)”或“邊緣效應(yīng)”。

b.不連續(xù)應(yīng)力或邊緣應(yīng)力由于不連續(xù)而引起的局部應(yīng)力稱為“不連續(xù)應(yīng)力”或“邊緣應(yīng)力”。第6頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三不連續(xù)應(yīng)力的局部性和自限性

理論與實(shí)驗(yàn)均已證明，發(fā)生在連接邊緣處的邊緣應(yīng)力具有局限性和自限性兩個基本特性：1．局限性——不同性質(zhì)的聯(lián)接邊緣產(chǎn)生不同的邊緣應(yīng)力，但它們大多數(shù)都有明顯的衰減波特性，隨著離開邊緣的距離增大，邊緣應(yīng)力迅速衰減。2．自限性——由于邊緣應(yīng)力是兩聯(lián)接件彈性變形不一致，相互制約而產(chǎn)生的，一旦材料產(chǎn)生了塑性變形，彈性變形的約束就會緩解，邊緣應(yīng)力自動受到限制，這就是邊緣應(yīng)力的自限性。因此，若用塑性好的材料制造筒體，可減少容器發(fā)生破壞的危險性。正是由于邊緣應(yīng)力的局部性與自限性，設(shè)計(jì)中一般不按局部應(yīng)力來確定厚度，而是在結(jié)構(gòu)上作局部處理。但對于脆性材料，必須考慮邊緣應(yīng)力的影響。第7頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三內(nèi)壓薄壁容器的設(shè)計(jì)圓筒和球殼的設(shè)計(jì)計(jì)算設(shè)計(jì)參數(shù)的規(guī)定壓力實(shí)驗(yàn)封頭的設(shè)計(jì)計(jì)算第8頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三(一)設(shè)計(jì)內(nèi)容：容器應(yīng)根據(jù)工藝過程要求和條件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度設(shè)計(jì)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要選擇適用、合理、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式，同時滿足制造、檢測、裝配、運(yùn)輸和維修的要求。強(qiáng)度計(jì)算內(nèi)容包括選擇容器的材料，確定主要尺寸，滿足確定、剛度和穩(wěn)定性的要求，以確保容器安全可靠地運(yùn)行。第9頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三（二）設(shè)計(jì)方法常規(guī)設(shè)計(jì)：又稱規(guī)則設(shè)計(jì)，依據(jù)“鋼制壓力容器”國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。該標(biāo)準(zhǔn)采用彈性失效準(zhǔn)則，對殼體應(yīng)力不作詳細(xì)分析，只計(jì)算總體應(yīng)力，并限制殼體的基本（薄膜）應(yīng)力不超過材料的許用應(yīng)力值。而由于總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)引起的附加應(yīng)力，以應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)引入壁厚計(jì)算。分析設(shè)計(jì)：要求對容器的載荷做詳細(xì)的分析。并根據(jù)載荷的性質(zhì)進(jìn)行分類，在此基礎(chǔ)上，對不同的應(yīng)力加以限制。第10頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三（三）強(qiáng)度理論按照強(qiáng)度理論，對于鋼制容器適宜于采用第三、第四強(qiáng)度理論，但是，第一強(qiáng)度理論在容器設(shè)計(jì)歷史上使用最早，有成熟的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，而且由于強(qiáng)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(shè)計(jì)中仍采用第一強(qiáng)度理論，對于內(nèi)壓薄壁回轉(zhuǎn)殼體，通常，第一主應(yīng)力為周向應(yīng)力，第二主應(yīng)力經(jīng)向應(yīng)力，另一個主應(yīng)力為徑向應(yīng)力。第11頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三設(shè)計(jì)參數(shù)的規(guī)定（一）設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度容器的設(shè)計(jì)壓力是指在相應(yīng)的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)壓力應(yīng)根據(jù)容器規(guī)定的充裝系數(shù)和操作條件下允許達(dá)到的最高金屬溫度確定。若容器裝有液體，當(dāng)容器各部位或受壓元件所承受的液柱靜壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力的5%時，液柱靜壓力應(yīng)計(jì)入該部位或元件的設(shè)計(jì)壓力內(nèi)。第12頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三（一）設(shè)計(jì)壓力和設(shè)計(jì)溫度設(shè)計(jì)溫度指容器在正常操作情況下，在相應(yīng)設(shè)計(jì)壓力下設(shè)定的受壓元件的金屬溫度，其值不得低于金屬可能達(dá)到的最高金屬溫度。對于0度以下的金屬溫度，則設(shè)計(jì)溫度不得低于元件金屬可能達(dá)到的最低金屬溫度。容器金屬溫度可通過實(shí)測或由傳熱學(xué)估算。第13頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三（二）焊縫系數(shù)絕大多數(shù)容器采用焊接結(jié)構(gòu)，焊接時由于可能出現(xiàn)的焊接缺陷，焊縫往往是容器強(qiáng)度比較薄弱的節(jié)，因此在設(shè)計(jì)中用焊縫系數(shù)來表示焊縫金屬與母材強(qiáng)度的比值。它反映出容器受削弱的度。第14頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三(三)壁厚附加量

厚度附加量由兩部分組成：鋼板或鋼管的厚度負(fù)偏差C1和腐蝕裕度C2。C=C1+C2。C1按相應(yīng)鋼板或鋼管標(biāo)準(zhǔn)選取。容器用鋼板負(fù)公差不超過0.25mm,。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，當(dāng)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(yīng)保證成品的實(shí)際厚度不小于名義厚度剪去鋼材厚度的負(fù)偏差。第15頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三（四）許用應(yīng)力和安全系數(shù)許用應(yīng)力是容器殼體等受壓元件的材料許用強(qiáng)度，取材料的極限強(qiáng)度與相應(yīng)的安全系數(shù)之比。極限強(qiáng)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(jì)算方法等因素的影響。采用過小的許用應(yīng)力或過大的安全系數(shù)，會使設(shè)計(jì)的部分過分笨重而浪費(fèi)材料，反之會使部件過于單薄而破損，因此合理選擇許用應(yīng)力或安全系數(shù)是關(guān)系設(shè)計(jì)先進(jìn)可靠與否的問題。

第16頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三(五)最小壁厚

最小壁厚確定：對碳鋼和低合金鋼，當(dāng)內(nèi)直徑Di≤3800mm時，其最小壁厚

且不小于3mm，腐蝕裕度另加。當(dāng)內(nèi)直徑Di>3800mm時，其最小壁厚tmin按運(yùn)輸與現(xiàn)場制造條件確定。對不銹鋼容器，取tmin不小于2mm。第17頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三壓力實(shí)驗(yàn)(一)試驗(yàn)內(nèi)容

包括強(qiáng)度試驗(yàn)和致密性試驗(yàn)(二)試驗(yàn)?zāi)康?/p>

強(qiáng)度試驗(yàn)：檢查容器在超工作壓力下的宏觀強(qiáng)度，包括檢查材料的缺陷、容器各部分的變形，焊接接管的強(qiáng)度和容器法蘭連接的泄漏檢查。通常包括液壓和氣壓試驗(yàn)。致密性試驗(yàn)：對密封性要求非常高的重要容器在強(qiáng)度合格后進(jìn)行的泄漏檢查。

液壓試驗(yàn)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5度，其他低合金鋼容器，液體溫度不得低于15度。第18頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三封頭的設(shè)計(jì)

第19頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三第20頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三(一)封頭的種類常見的容器封頭包括：半球形橢圓形碟形無折邊球形封頭圓錐形平板封頭第21頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三對于受均勻內(nèi)壓封頭的強(qiáng)度計(jì)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(yīng)力外，還要考慮與筒身連接處的不連續(xù)應(yīng)力。連接處總應(yīng)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(guān)。封頭設(shè)計(jì)中采用了比較簡單的方法，在導(dǎo)出基本公式時利用內(nèi)壓薄膜應(yīng)力作為強(qiáng)度計(jì)算中的基本應(yīng)力，而把因不連續(xù)效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力增強(qiáng)影響以應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)的形式引入厚度計(jì)算。應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)由有力矩理論解析導(dǎo)出，并輔以試驗(yàn)修正。第22頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三(二)封頭的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。但整體沖壓困難，加工工作量大。第23頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三(二)封頭的結(jié)構(gòu)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24頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三(二)封頭的結(jié)構(gòu)特性（3）橢圓形封頭由半個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(yīng)力分布比較均勻。結(jié)構(gòu)特性介于半球形和碟形封頭之間。第25頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三(二)封頭的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)簡單，制造方便，但在球面與圓筒連接處存在相當(dāng)大的不連續(xù)應(yīng)力。只能用于壓力不高的場合。第26頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三(二)封頭的結(jié)構(gòu)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渡圓弧和一圓柱直邊段的折邊錐形封頭。對于氣體的均勻進(jìn)入和引出，不同直徑圓筒的過渡是理想的結(jié)構(gòu)，在厚度較薄時，制造比較方便。第27頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三(二)封頭的結(jié)構(gòu)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(fèi)過多而且十分笨重。第28頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三(二)封頭的結(jié)構(gòu)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、錐形更次值、而平板最差。從制造角度來看，平板最容易，錐形其次，碟形、橢圓形更次之，而半球形最難。在實(shí)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，錐形封頭的受力情況僅優(yōu)于平板蓋，它只在容器的生產(chǎn)工藝確實(shí)需要的情況下才采用。

第29頁，共31頁，2023年，2月20日，星期三（一）密封機(jī)理預(yù)緊螺栓時，螺栓力通過法蘭壓緊面使墊片發(fā)彈性或塑性變形，從而阻止流體泄漏，當(dāng)設(shè)備操作時，由于內(nèi)壓升起，螺栓被拉長，法蘭壓緊面分開，如果墊片與壓緊面之間沒有足夠的壓緊力，就