1、1,第九章 内压薄壁圆筒和球壳的设计,教学重点： 内压薄壁圆筒的厚度计算 教学难点： 厚度的概念和设计参数的确定,2,压力容器中强度设计的任务,在压力容器的设计中，一般都是根据工艺要求先确定内外径。 强度设计的任务就是根据给定的内径、设计压力、设计温度及介质腐蚀性等条件，设计出合理的厚度，以保证设备能在规定的使用寿命内安全可靠的运行。压力容器强度计算的主要内容是新容器的强度设计及在用容器的强度校核。,第一节 概述,3,新的压力容器的设计内容,确定设计参数 选择使用材料。确定容器的结构形式。计算筒体与封头的厚度。选取标准件。绘制设备图纸。,4,压力容器强度校核的意义,判定在下一个检验周期内或在剩
2、余寿命期间内，容器是否还能在原设计条件下使用。当容器已被判定不能在原设计条件下使用是，应通过强度计算，提出容器监控使用的条件。当容器针对某一使用条件需要判废时，应提出判废依据。,5,根据薄膜理论进行应力分析，确定薄膜应力状态下的主应力根据弹性失效的设计准则，应用强度理论确定应力的强度判据对于封头，考虑到薄膜应力的变化和边缘应力的影响，按壳体中的应力状况在公式中引进应力增强系数根据应力强度判据，考虑腐蚀等实际因素导出具体的计算公式。,内压薄壁圆筒与封头的强度设计公式推导过程,6,容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点，容器即告失效(失去正常的工作能力)，也就是说，容器的每一部分必须处于
3、弹性变形范围内。,保证器壁内的相当应力必须小于材料由单向拉伸时测得的屈服点。,关于弹性失效的设计准则,1、弹性失效理论,7,为了保证结构安全可靠地工作，必须留有一定的安全裕度，使结构中的最大工作应力与材料的许用应力之间满足一定的关系，即, 相当应力，MPa，可由强度理论确定, 极限应力，MPa，可由简单拉伸试验确定, 安全裕度, 许用应力,MPa,2、强度安全条件,8,四种强度理论的相当应力,9,径向应力,第二节 内压薄壁圆筒和球壳强度计算,一、内压薄壁圆筒的应力状态,应力状态,10,第一强度理论（最大主应力理论）,第三强度理论（最大剪应力理论）,强度条件,强度条件,适用于脆性材料,适用于塑性
4、材料,2、常用强度理论,11,第四强度理论,强度条件,适用于塑性材料,第二强度理论（最大变形理论）与实际相差较大，目前很少采用。压力容器材料都是塑性材料，应采用三、四强度理论， GB150-98和GB150.14-2011采用第三强度理论.,12,考虑介质腐蚀性，引入腐蚀裕量,考虑钢板厚度负偏差，引入,3、内压薄壁圆筒强度计算公式,考虑焊缝对材料强度的削弱，引入,考虑温度对材料的影响引入,因圆筒内径由工艺计算决定，故,用计算压力代设计压力,并圆整(+),计算厚度,设计厚度,名义厚度，图样上标注的厚度,13,（1)、厚度的定义,容器的厚度和最小厚度,壁厚的概念,腐蚀裕量,钢板负偏差,14,设计压
5、力较低的容器计算厚度很薄。大型容器刚度不足，不满足运输、安装。限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求。壳体加工成形后不包括腐蚀裕量最小厚度：a. 碳素钢和低合金钢制容器不小于3mm b对高合金钢制容器，不小于2mm（均包括腐蚀裕量）,（2)、最小厚度,低压、常压容器按厚度公式计算的厚度很薄,Pc=0，=0,15,强度校核公式,求最大允许工作压力,厚度计算式,厚度算式的应用：,16,二、内压球形壳体,计算厚度,设计厚度,设计温度下球壳的强度校核：,设计温度下球壳的最大允许工作压力：,17,工作压力Pw,指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。,设计压力p,设定的容器顶部的最高压力，它与相应设
6、计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。,计算压力Pc,指在相应设计温度下，用以确定壳体各部位厚度的压力，其中包括液柱静压力。 计算压力pc=设计压力p+液柱静压力,三、设计参数的确定,1、压力,18,表9-1 设计压力与计算压力的取值范围,19,指容器在正常工作情况下，在相应的设计压力下，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面厚度的温度平均值）。其值不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度。对于0以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。,设计温度是选择材料和确定许用应力时不可少的参数。,2、设计温度,20,（1）极限应力,极限应力的选取与结构的使用条件和失效准则
7、有关,极限应力可以是:,许用应力是以材料的各项强度数据为依据，合理选择安全系数n得出的。,3、许用应力和安全系数,21,常温容器,中温容器,高温容器,22,（2）安全系数,常温下，碳钢和低合金钢,表9-2 钢材的安全系数,23,焊缝区的强度主要取决于熔焊金属、焊缝结构和施焊质量。焊接接头系数的大小决定于焊接接头的型式和无损检测的长度比率。焊接接头系数是焊接削弱而降低设计许用应力的系数。,4、焊接接头系数,表9-3 焊接接头系数,24,常见的焊接形式：,25,缺陷，夹渣，未焊透，晶粒粗大等，在外观看不出来；,焊接后常出现：,熔池内金属从熔化到凝固的过程受到熔池外金属的刚性约束，内应力很大。焊缝区
8、强度比较薄弱。,为综合考虑筒体强度，设计公式中将钢板母材的许用应力乘以f（1）。, f,26,满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚度，包括钢板负偏差(或钢管负偏差) C1、腐蚀裕量 C2 即 C C1十 C2,1、按表9-10选取2、当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，负偏差可以忽略不计。,为防止容器元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄，应考虑腐蚀裕量。,C1 钢板厚度负偏差,C2 腐蚀裕量,5、厚度附加量C,27,标准化问题,6、直径系列与钢板厚度,表9-4 常用钢板厚度,注：5mm为不锈钢常用厚度。,28,在于检验容器的宏观强度和有无渗漏现象，即考察容器
9、的密封性，以确保设备的安全运行。,目的,液压试验,气压试验,气密性试验,压力试验的种类,第三节 容器的压力试验,29,液压试验,气压试验,内压容器试验压力,试验压力,/t大于1.8时，；如果容器各元件(圆筒、封头、接管、法兰及紧固件等)所用材料不同时，应取各元件材料的比值中最小者。,容器铭牌上规定有最大允许工作压力时，公式中应以最大允许工作压力代替设计压力p,设计温度小于200，,30,2、压力试验的试验要求与试验方法,将容器充满液体（在容器的最高点设置排气口），待容器壁温与液体温度相同时缓慢升压到规定试验压力后，保压时间一般不小于30min，然后将压力降到规定试验压力的80%，并保持足够长时
10、间以对所有焊缝和连接部分进行检查，如有泄露，修补后重新试验。,液压试验：,31,压力试验分类：液压试验介质：一般为水；过程：,充水排气,设计压力无泄漏,开始,试验压力下保压30分钟,卸压,吹净,结束,试验压力的80%保压检查,32,气压试验,气压试验：对不适合作液压试验的容器，例如容器内部不允许有微量残留液体，或由于结构原因不能充满液体的容器，可采用气压试验。所用气体应为干燥、洁净的空气、氮气或其他惰性气体，试验气体温度一般应不低于15。试验程序：缓慢升压到规定试验压力的10%，且不超过0.05MPa，保持5min，然后对所有焊缝和连接部位进行多次检查；合格后继续升压到规定试验压力的50%，其
11、后按每级为规定试验压力的10%的极差逐渐升压到试验压力，保持10min后，然后再降至试验压力的87%，保持足够的时间并同时进行检查，如有泄露，补修后再按上述规定重新试验。,33,气密试验,容器须经压力试验合格后，方可进行气密试验。方法：首先缓慢升压至试验压力保持10min，然后降至设计压力，同时进行检查，气体温度应不低于5。注意事项：容器做定期检验时，若容器内有残留易燃气体存在会导致爆炸时，则不得使用空气作为试验介质。,34,液压试验,气压试验,3、压力试验的应力校核,圆筒壁在试验压力下的计算应力,35,例题 9-1,有一圆筒形锅炉汽包，内径Di=1200mm，操作压力为4MPa（表压），此时
12、蒸汽压力为250，汽包上装有安全阀，材料为20R，筒体采用带垫板的对接焊，全部探伤，试设计该汽包的厚度。,解（1）：确定参数 Pc=1.1Pw=1.1x4=4.4MPa,Di=1200mm,(2)计算厚度,（3）确定厚度附加量,36,例9-2：某化工厂欲设计一台石油气分离用乙烯精馏塔。工艺参数为:塔体内径 ；计算压力 ；工作温度t-3-20。试选择塔体材料并确定塔体厚度。,由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在-3-20，压力为中压，故选用16MnR。,（2）确定参数,(附表9-4)；,(采用带垫板的单面焊对接接头,局部无损检测)；,取,解： （1）选材,37,（3）厚度计算,计算厚度,设计厚度,根
13、据,查表9-10得：,名义厚度,圆整后,取名义厚度为 。,该塔体可用8mm厚的16MnR钢板制作 。,38,（4）校核水压试验强度,式中，,则,而,可见,，所以水压试验强度足够。,39,例9-3 设计锅炉汽包的筒体壁厚。工作压力为15.6MPa,工作温度为350,其内径为1300mm。,【解】1.选材：工作温度中温，工作压力为高压，有轻微腐蚀。 故采用低合金钢18MnMoNbR（GB6654-96)。ss=410MPa。2.确定参数（1）工作压力15.6MPa,是高压容器，属于三类容器。其焊缝结构必须是双面对接焊结构或其他等强度焊接，100%无损探伤， =1 。（2） 筒体需保温，则筒壁设计温
14、度取介质温度， s=s350=190MPa（3）需安装安全阀，pc=p=1.115.6=17.16(MPa)。（4）水蒸气对低合金钢有轻微腐蚀，且为单面腐蚀，C2=1mm。,40,3.计算壁厚,4.设计壁厚： d=+C2=61.5+1.0=62.5(mm), 查表得C1=1.5(mm) 壁厚附加量C=C1+C2=1.5+1.0=2.5(mm)5.名义厚度 n= +C+圆整量 61.5+2.5=64(mm) ， 圆整后为65（mm)。,41,6.校核水压试验强度水压试验强度条件为：,式中,e=n-C=65-2.8=62.2(mm),则 sT=234.9(MPa)。而 0.9fss=0.91410
15、=369(MPa)sT 0.9fss水压试验合格。,42,例9-4 校验旧气瓶。资料记载该气瓶材质为40Mn2A，系无缝钢管收口而成。实测其外径为219mm,最小壁厚为6.5mm。查材料手册得该材料的sb=785MPa,ss=510MPa,d5=18%。（1）常温下可否充15MPa氧气？（2）如强度不够，最高允许工作压力多少？,【解】1.确定参数 pc=15MPa, DO=219mm, Sn=6.5mm, 无缝钢管f=1， C2=1mm, 实测壁厚6.5mm ，则C1=0, e=6.5-1=5.5mm, 许用应力求取： st=minsb/nb ,ss/ns=min785/3 ,510/1.6=262(MPa) 。,43,2.强度校核校核公式为,充15MPa强度不够。,3.确定最高允许工作压力计算公式为,该气瓶的最大安全使用压力为13.48MPa。,
