第4章__內壓薄壁圓筒與封頭的強度設計

1、,第4章內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)、內壓薄壁圓筒與球殼的強度設計第三節(jié)、內壓圓筒封頭的設計,,,,,第一節(jié)、強度設計的基本知識,強度設計：根據(jù)給定的公稱直徑以及計算壓力和溫度，設計出合適的壁厚，以保證設備安全可靠地運行。新壓力容器強度計算的內容：,確定設計參數(shù)；選擇所使用的材料；確定容器的結構形式；計算筒體與封頭壁厚；選取標準件；繪制設備圖紙。,,再用壓力容器的強度校核：我國對壓力容

2、器實施定期檢查制度。壓力容器在使用一定年限后會因腐蝕而導致壁厚減薄，所以在每次檢查時，應根據(jù)實測壁厚進行強度校核，其目的是：,判定在下一個檢驗周期內，或在剩余壽命期間，容器是否能夠在原設計條件下安全使用；當容器已被判定不能在原設計條件下使用，應通過強度計算，提出容器監(jiān)控使用的條件；當容器針對某一使用條件需要判廢時，應提出判廢標準。,彈性失效：內壓容器一處的最大應力達到材料在設計溫度下的屈服點時，容器即為受到破壞，也就是說，容器的每一

3、部分都必須處于彈性變形范圍之內；設計準則：為了保證安全，必須留有一定的安全裕度：,,1. 關于彈性失效的設計準則,,,2. 強度理論及其相應的強度條件,環(huán)向應力,軸向應力,徑向應力,對于承受均勻內壓的薄壁容器，其主應力規(guī)定為：,,2.1 第一強度理論,根據(jù)：當作用在構件上的外力過大時，材料就會沿著最大拉應力所在的截面發(fā)生脆性斷裂，也就是說，不論在什么樣的應力狀態(tài)下，只要三個主應力中最大拉應力σ1達到了 材料的極限應力，材料就發(fā)生

4、破壞；強度條件：在17世紀提出，最早的強度理論，也稱為最大拉應力理論；只適用于脆性材料。,,認為材料沿最大主應力方向破壞并不是由最大主應力達到某一極限值所引起的，而是由于最大拉伸應變達到某一極限所引起的；也稱為最大主應變理論；因為應變難以測量，因此第二強度理論用得不多。,,2.2 第二強度理論,根據(jù)：當作用在構件上的外力過大時，材料就會沿著最大剪應力所在的截面滑移而發(fā)生流動破壞；不論在什么樣的應力狀態(tài)下，只要最大剪應力達到

5、了材料的極限值，就會引起材料的流動破壞；強度條件：也稱為最大剪應力理論。,,2.3 第三強度理論,,根據(jù)：不論在什么樣的應力狀態(tài)下，只要構件內一點的形狀改變比能達到了材料的極限值，就會引起材料的流動破壞；形狀改變比能：隨著彈性體發(fā)生變形而積蓄在其內部的能量，如拉滿的弓、機械表的發(fā)條被擰緊時；強度條件：也稱為形狀改變比能理論。,,2.4 第四強度理論,,,第二節(jié)、內壓薄壁圓筒殼與球殼的強度設計,1. 內壓薄壁圓筒殼的強度條件

6、,若取第三強度理論，,,,整理得到計算壁厚S的公式，,,,基于內徑的圓筒計算壁厚公式,同樣取第三強度理論，,整理得到計算壁厚S的公式，,,基于外徑的圓筒計算壁厚公式,若基于內徑：,若基于外徑：,,若考慮腐蝕裕量C2，得到 設計壁厚Sd，,名義壁厚,有效壁厚,對已有設備進行強度校核：,,強度校核,,最大允許工作壓力：,,,2. 內壓球形容器的強度條件,,,相同壓力、直徑條件下，球殼的計算壁厚約為相同條件下圓筒壁厚的一半；在相同的壁厚、直

7、徑條件下，球殼的耐壓能力是圓筒的兩倍。,,3. 設計參數(shù)的確定,3.1 設計壓力,工作壓力：是指在正常情況下，容器頂部可能達到的最高壓力；由工藝過程決定的；設計壓力：標注在設備銘牌上的壓力，其值不低于工作壓力；根據(jù)具體條件而規(guī)定的；計算壓力：在相應設計條件下，用以確定元件厚度的壓力，包括液體靜壓力。,,設計壓力的取值,設計溫度是指容器在正常工作溫度下，設定的元件的金屬溫度；標注在產品銘牌上的設計溫度，應該是殼體在金屬設計溫度的最

8、高值或最低值；設計溫度雖然不直接反映在上述計算公式中，但它是設計中選擇材料和確定許用應力時不可缺少的一個參數(shù)。,,3.2 設計溫度,,設計溫度的確定,極限應力的取法取決于材料的類型：,,3.3 許用應力與安全系數(shù),塑性材料制成的承壓件：一般以屈服點為許用應力；脆性材料制成的容器，一般以抗拉強度為許用應力；對于鍋爐和壓力容器的承壓部件，一般也以抗拉強度作為許用應力。,許用應力,極限應力,安全系數(shù),材料性能的穩(wěn)定、可靠性及其可能存

9、在偏差的大??；估算的載荷狀態(tài)及其數(shù)值上的偏差；計算方法的精確程度；制造工藝及其允許的偏差；檢驗手段及其嚴格的程度；使用操作的經(jīng)驗。,,影響安全系數(shù)的主要因素,按照科技發(fā)展的總趨勢，安全系數(shù)將逐漸變小。,,3.4 焊接接頭系數(shù),對于壁厚不超過38mm的容器，對其接頭的焊接處，采用射線探傷；由于結構不明，不能采用射線探傷的，采取超聲波探傷。,鋼板出廠時標注的厚度是鋼板的名義厚度，鋼板的實際厚度可能大于名義厚度(正偏差)，也有可

10、能小于名義厚度(負偏差)。鋼板的標準中規(guī)定了允許的正、負偏差值。因此如果按照設計壁厚去購置鋼板，就有可能購得實際厚度小于設計壁厚的鋼板。為了杜絕這種情況，在確定筒體壁厚時，應在設計壁厚的基礎上將鋼板的負偏差加上去。,,3.5 壁厚附加量C=C1+C2,3.5.1 鋼板負偏差C1,由于容器在使用過程中會受到介質的腐蝕，因此必須考慮一定的腐蝕裕量；介質不同、材料不同，所考慮的腐蝕裕量值也不盡相同。,,3.5.2 腐蝕裕量C2,設計時

11、，必須考慮鋼板厚度標準問題，否則可能提高制造成本。,,3.6 鋼板厚度,對于容器，不能認為器壁越薄就越能節(jié)省鋼材、降低造價。因為越是薄的圓筒，在制造過程中為了維持必要的圓度，在運輸過程中為了保持必要的剛度，都必須使用大量的輔助鋼材，將圓筒撐圓，而這些鋼材所需費用都要計入設備的制造成本中去，所以規(guī)定容器的最小壁厚在經(jīng)濟上是合理的。GB150-1998規(guī)定：,,3.7 容器的最小壁厚,為了檢查容器的宏觀強度和有無滲漏情況，容器投入使用

12、之前，必須作壓力試驗或氣密性試驗；壓力試驗一般采用液壓試驗，對于不適合液壓試驗的容器，可進行氣壓試驗；與氣壓試驗相比，液壓試驗相對安全。,,4. 壓力試驗及其強度校核,最高不超過1.8，若超過1.8，也按1.8計算；當設計溫度低于200℃ 時， 可以忽略不計。,,4.1 試驗壓力,,,液壓試驗：,氣壓試驗：,,,4.2 壓力試驗的應力校核,液壓試驗：,氣壓試驗：,,,,第三節(jié)、內壓圓筒封頭的設計,所需的壁厚是相同

13、壓力、直徑圓筒的一半，但在實際中，為了減少邊緣應力，往往采取與圓筒相同的厚度；半球形封頭多用于壓力較高的貯罐上；制造方法：,,1. 半球形封頭,直徑較小、器壁較薄的半球形封頭可以整體熱壓成型；大直徑的半球形封頭需先分瓣沖壓、再焊接的工藝；分瓣沖壓可使模具尺寸減小，降低對水壓機噸位的要求，但加工質量不如整體熱壓好。,GB規(guī)定：在工程應用上，K<2.6；標準橢圓形的形狀系數(shù)K=1；,,2. 橢圓形封頭,,,,計算壁厚：,形狀系數(shù)

14、：,最大允許工作壓力：,GB還規(guī)定：標準橢圓形封頭的有效壁厚應不小于內直徑的0.15%，其它橢圓形封頭壁厚應不小于其內徑的0.30%，為什么？,,,這是因為：受內壓后，橢圓形封頭有變圓的趨勢，因而在赤道處產生環(huán)向壓縮薄膜應力，其值與頂點處所產生的最大拉伸薄膜應力相等。當半個橢球作為封頭使用時，雖然在其赤道處有圓柱形短節(jié)(直邊封頭)與其相連，但如果封頭厚度過薄，赤道處的環(huán)向壓縮應力仍有可能將封頭壓出褶皺，這個現(xiàn)象稱為“失穩(wěn)”。,當?shù)畏忸^

15、的球面內半徑Ri=0.9Di，過度圓弧內半徑r=0.17Di時，稱為標準碟形封頭，此時，M=1.325。,,３. 碟形封頭,,４. 球冠形封頭,錐形封頭廣泛應用于許多化工設備(如蒸發(fā)器、噴霧干燥器、結晶器及沉降器等)的底蓋，它的優(yōu)點是便于收集與卸除這些設備中的固體物料。此外，有一些塔設備上、下部分的直徑不等，也常用錐形殼體將直徑不等的兩段塔體連接起來，這時的圓錐形殼體稱為變徑段。錐形封頭分為無折邊錐形封頭和帶折邊錐形封頭兩種。,,５.