1、第三節第三節 常規設計常規設計 一概述一概述 （一）、設計思想：（一）、設計思想：常規設計又稱按規則設計，它只考慮單一的最大常規設計又稱按規則設計，它只考慮單一的最大載荷工況，不考慮交變載荷，也不區分短期載荷載荷工況，不考慮交變載荷，也不區分短期載荷和永久載荷，不涉及容器的疲勞壽命問題。和永久載荷，不涉及容器的疲勞壽命問題。采用分析設計采用分析設計標準中標準中 的有關的有關規定和思想，規定和思想，或由經驗引入或由經驗引入各種系數。各種系數。受壓元件的應力強度受壓元件的應力強度 材料許用應力材料許用應力 （強度）（強度） 30mm）卷焊成直徑不同但可）卷焊成直徑不同但可過盈過盈配合配合的筒節，將

2、外層筒節加熱到計算的溫度進行的筒節，將外層筒節加熱到計算的溫度進行套合，冷卻收縮后得到緊密貼合的厚壁筒節。套合，冷卻收縮后得到緊密貼合的厚壁筒節。結構結構制造制造優點優點缺點缺點工序少，周期短，且具有工序少，周期短，且具有包扎式筒體的大多數優點。包扎式筒體的大多數優點。筒體要有較準確的過盈量，卷筒的精度筒體要有較準確的過盈量，卷筒的精度要求很高，且套合時需選配套合；要求很高，且套合時需選配套合；套合時貼緊程度不很均勻；套合時貼緊程度不很均勻；套合后，需熱處理以消除套合預應力及套合后，需熱處理以消除套合預應力及深環焊縫的焊接殘余應力。深環焊縫的焊接殘余應力。 3、繞板式、繞板式結構結構由內筒、繞

3、板層和外筒三部分組成，是在由內筒、繞板層和外筒三部分組成，是在多層包扎式筒體的基礎上發展起來的。多層包扎式筒體的基礎上發展起來的。制造制造內筒與多層包扎式內筒相同，外層是在內筒內筒與多層包扎式內筒相同，外層是在內筒外面連續纏繞若干層外面連續纏繞若干層3 35 5mmmm厚的薄鋼板而構厚的薄鋼板而構成筒節，只有內外兩道縱焊縫，需要成筒節，只有內外兩道縱焊縫，需要2 2個楔個楔形過渡段，外筒為保護層，由兩塊半圓或三形過渡段，外筒為保護層，由兩塊半圓或三塊塊“瓦片瓦片”制成。制成。優點優點缺點缺點機械化程度高，制造效率高，材料利機械化程度高，制造效率高，材料利用率高（可達用率高（可達 90%以上）。

4、以上）。中間厚兩邊薄，累積間隙。中間厚兩邊薄，累積間隙。圖圖4-4 繞板筒節繞板筒節4)、整體多層包扎式、整體多層包扎式結構結構錯開環縫和采用液壓夾鉗逐層包扎的圓筒結構。錯開環縫和采用液壓夾鉗逐層包扎的圓筒結構。制造制造 將內筒拼接到所需的長度，兩端焊上法蘭或封頭；將內筒拼接到所需的長度，兩端焊上法蘭或封頭； 在整個長度上逐層包扎層板，待全長度上包扎好并在整個長度上逐層包扎層板，待全長度上包扎好并 焊完磨平后再包扎第二層，直至所焊完磨平后再包扎第二層，直至所 厚度。厚度。優點優點各層環焊縫可以相互錯開；每層的縱焊縫也可以錯開；各層環焊縫可以相互錯開；每層的縱焊縫也可以錯開；避免出現深環焊縫。避

5、免出現深環焊縫。內筒內筒包扎層板包扎層板端部法蘭端部法蘭底封頭底封頭圖圖45 整體多層包扎式厚壁容器筒體整體多層包扎式厚壁容器筒體 5、繞帶式、繞帶式以鋼帶纏繞在內筒外面獲得所需厚度筒壁以鋼帶纏繞在內筒外面獲得所需厚度筒壁兩種結構兩種結構型槽繞帶式型槽繞帶式扁平鋼帶傾角錯繞式扁平鋼帶傾角錯繞式 型槽繞帶式型槽繞帶式 用特制的型槽鋼帶螺旋纏繞在特制的內用特制的型槽鋼帶螺旋纏繞在特制的內 筒上，端面形狀見圖筒上，端面形狀見圖4-4（a），內筒外表面上預先加），內筒外表面上預先加 工有與鋼帶相嚙合的螺旋狀凹槽。工有與鋼帶相嚙合的螺旋狀凹槽。圖圖4-6 （a）型槽繞帶式筒體）型槽繞帶式筒體 （b）型槽

6、鋼帶結構示意圖）型槽鋼帶結構示意圖纏繞時，鋼帶先經纏繞時，鋼帶先經電加熱，再進行螺電加熱，再進行螺旋纏繞，繞制后依旋纏繞，繞制后依次用空氣和水進行次用空氣和水進行冷卻，使其收縮產冷卻，使其收縮產生預緊力，可保證生預緊力，可保證每層鋼帶貼緊；各每層鋼帶貼緊；各層鋼帶之間靠凹槽層鋼帶之間靠凹槽和凸肩相互嚙合和凸肩相互嚙合(見見圖圖4-4（b）)，纏繞，纏繞層能承受一部分由層能承受一部分由內壓引起的軸向力。內壓引起的軸向力。優點優點缺點缺點筒體具有較高的安全性，機械化程度高，筒體具有較高的安全性，機械化程度高，材料損耗少，且由于存在預緊力，在內材料損耗少，且由于存在預緊力，在內壓作用下，筒壁應力分布

7、較均勻。壓作用下，筒壁應力分布較均勻。鋼帶需由鋼廠專門軋制，尺寸公差要求嚴，鋼帶需由鋼廠專門軋制，尺寸公差要求嚴，技術要求高；為保證鄰層鋼帶能相互嚙合，技術要求高；為保證鄰層鋼帶能相互嚙合，需采用精度較高的專用纏繞機需采用精度較高的專用纏繞機 床。床。 扁平鋼帶傾角錯繞式扁平鋼帶傾角錯繞式中國首創的一種新型繞帶式筒體；該結構已被列入中國首創的一種新型繞帶式筒體；該結構已被列入 ASME -1和和ASME -2標準的規范案例，編號分別為標準的規范案例，編號分別為 2229和和2269。內筒內筒鋼帶層鋼帶層底封頭底封頭端部法蘭端部法蘭 圖圖4-6（c） 扁平鋼帶傾角錯繞式筒體扁平鋼帶傾角錯繞式筒體

8、 （二）內壓圓筒的強度設計（二）內壓圓筒的強度設計筒體強筒體強度設計度設計單層圓筒體單層圓筒體多層厚壁圓筒多層厚壁圓筒中徑公式（薄壁筒體）中徑公式（薄壁筒體）Mises屈服公式（厚壁筒體）屈服公式（厚壁筒體）Faupel爆破公式（厚壁筒體）爆破公式（厚壁筒體）1、單層筒體（薄壁圓筒）單層筒體（薄壁圓筒）cticp 2Dpa、厚度計算式、厚度計算式 由中徑公式由中徑公式0.4t式中式中 計算厚度，計算厚度，mmPc計算壓力，計算壓力，MPa焊接接頭系數焊接接頭系數條件：條件：Pcteeict2)D(pb、應力強度判別式、應力強度判別式 （對筒體進行強度校核，已知筒體尺寸（對筒體進行強度校核，已知

9、筒體尺寸Di、n或或e） 式中式中 e有效厚度，有效厚度，mm e=n C，mm n名義厚度，名義厚度，mm C厚度附加量，厚度附加量，mm t設計溫度下圓筒的計算應力，設計溫度下圓筒的計算應力，MPa主要計算主要計算公式公式eitewDp2c、筒體最大允許工作壓力、筒體最大允許工作壓力PwMPad、說明、說明 Pc0.4t厚度計算公式由筒體的薄膜應力按最大拉應力準則導出厚度計算公式由筒體的薄膜應力按最大拉應力準則導出的，用于一定厚度范圍，如厚度過大，則由于實際應力情的，用于一定厚度范圍，如厚度過大，則由于實際應力情況與應力沿厚度均布的假設相差太大而不能使用。況與應力沿厚度均布的假設相差太大而

10、不能使用。按照薄殼理論，按照薄殼理論，厚度計算公式厚度計算公式僅能在僅能在/D0.1即即K1.2范范圍內適用。但作為工程設計，采用了最大拉應力準則、材圍內適用。但作為工程設計，采用了最大拉應力準則、材料設計系數，厚度范圍擴大到在最大承壓（液壓試驗）時料設計系數，厚度范圍擴大到在最大承壓（液壓試驗）時圓筒內壁的應力強度在材料屈服點以內。圓筒內壁的應力強度在材料屈服點以內。 形狀改變比能屈服失效判據計算出的內壓厚壁筒體初始形狀改變比能屈服失效判據計算出的內壓厚壁筒體初始 屈服壓力與實測值較為吻合，應力強度屈服壓力與實測值較為吻合，應力強度 反映厚壁筒體的實際應力水平反映厚壁筒體的實際應力水平。4e

11、q能較好地能較好地4eq應力強度應力強度（認為是真實的）（認為是真實的） eqm應力強度應力強度（與中徑公式相對應）（與中徑公式相對應）4eq=cpKK1322ceqmpKK) 1(21eqmeq/4隨徑比隨徑比K K的增大而增大。的增大而增大。eqmeq/41.25當當K=1.5時，比值：時，比值：內壁實際應力強度是按中徑公式計算的應力強度的內壁實際應力強度是按中徑公式計算的應力強度的1.25倍。倍。由于由于GB150取取ns=1.6，若筒體徑比不超過，若筒體徑比不超過1.5，仍可按厚度，仍可按厚度計算式計算筒體厚度。計算式計算筒體厚度。cticipDpD 225. 0pc =0.4t 當當

12、K=1.5時，時，=Di（K-1）/2=0.25Di，代入厚度計算公式得，代入厚度計算公式得這就是厚度計算公式的適用范圍這就是厚度計算公式的適用范圍pc0.4t的依據所在的依據所在 液壓試驗（液壓試驗（pT=1.25p）時，筒體內表面的實際應力強度最）時，筒體內表面的實際應力強度最大為許用應力的大為許用應力的1.251.25=1.56倍倍（1.6），說明筒體內，說明筒體內表面金屬仍未達到屈服點，處于彈性狀態。表面金屬仍未達到屈服點，處于彈性狀態。ceqpKK13224ceqmpKK121與中徑公式對應與中徑公式對應25. 14eqmeq若若K=1.5, , D25. 0若若K=1.5 tcp4

13、 . 0ppT25. 1液壓試驗時，液壓試驗時， 此時此時56. 14eqmeq而我國的安全系數等于而我國的安全系數等于1.61.6，所以是安全的，所以是安全的（ 2 ）pc0.4t 時（單層厚壁圓筒）時（單層厚壁圓筒）采用塑性失效設計準則或爆破失效設計準則進行設計。采用塑性失效設計準則或爆破失效設計準則進行設計。 A、按按Mises屈服條件：屈服條件： )1()1(23pniissoeRKRnso2.02.2。ASME -3 采用上式采用上式與與 Mises屈服失效判據相對應的全屈服壓力可得屈服失效判據相對應的全屈服壓力可得Kpnssoln32圓筒計算厚度：圓筒計算厚度：（ 2 ）pc0.4

14、t 時（單層厚壁圓筒）時（單層厚壁圓筒）采用塑性失效設計準則或爆破失效設計準則進行設計。采用塑性失效設計準則或爆破失效設計準則進行設計。 B、爆破失效設計爆破失效設計, ,按按FaupelFaupel公式公式 )1()2(23pnibssbeR 日本的日本的超高壓圓筒容器設計規則超高壓圓筒容器設計規則和和 中國的中國的超高壓容器安全監察規程超高壓容器安全監察規程等采用上式等采用上式( (n nb b2.52.53.0)3.0)2、多層厚壁圓筒多層厚壁圓筒1）pc0.4t otonoitinit組合許組合許用應力用應力2、多層厚壁筒體、多層厚壁筒體 預應力（內壓）預應力（內壓）筒體內壁應力筒體內

15、壁應力 降低，外壁應力降低，外壁應力 增增 加，壁厚方向應力分布趨于均勻，從而提高筒體的彈性承加，壁厚方向應力分布趨于均勻，從而提高筒體的彈性承 載能力。載能力。 但由于結構和制造上的原因，定量地控制預應力但由于結構和制造上的原因，定量地控制預應力 的大小是困難的。的大小是困難的。設計計算：設計計算：不考慮預應力，作強度儲備用。不考慮預應力，作強度儲備用。只有壓力很高時，才考慮預應力。只有壓力很高時，才考慮預應力。多層包扎式多層包扎式繞帶式筒體繞帶式筒體例如：例如：otonoitinitb、厚度計算式：厚度計算式：（熱套式、多層包扎式、繞板式、扁平鋼帶傾角錯繞式）（熱套式、多層包扎式、繞板式、

16、扁平鋼帶傾角錯繞式） 計算壓力不超過計算壓力不超過0.40.4t t時，時，按厚度計算公式計算按厚度計算公式計算多層圓筒的組合許用應力多層圓筒的組合許用應力cticp 2Dp式中式中 i多層圓筒多層圓筒內筒內筒的名義厚度，的名義厚度，mm； o多層圓筒多層圓筒層板總厚度層板總厚度，mm； it設計溫度下多層圓筒設計溫度下多層圓筒內筒內筒材料的許用應力，材料的許用應力，MPa； ot設計溫度下多層圓筒設計溫度下多層圓筒層板或帶層材料層板或帶層材料的許用應力，的許用應力， 對扁平鋼帶傾角錯繞式筒體，應乘以鋼帶傾角錯繞對扁平鋼帶傾角錯繞式筒體，應乘以鋼帶傾角錯繞 引起的環向削弱系數引起的環向削弱系數

17、0.9，MPa； i多層圓筒多層圓筒內筒內筒的焊接接頭系數，一般取的焊接接頭系數，一般取i=1.0； o多層圓筒多層圓筒層板層或帶層層板層或帶層的焊接接頭系數，對于多層的焊接接頭系數，對于多層 包扎式筒體，取包扎式筒體，取o=0.95，其余筒體取，其余筒體取o=1.0。c、熱應力、熱應力不考慮不考慮。較高溫操作時，有熱應力，但有保溫。較高溫操作時，有熱應力，但有保溫 設施，且嚴格控制設施，且嚴格控制 不考慮熱應力（常規設計）。不考慮熱應力（常規設計）。 （三）設計參數的確定（三）設計參數的確定設計壓力設計壓力設計溫度設計溫度厚度及厚度附加量厚度及厚度附加量焊接接頭系數焊接接頭系數許用應力等許用

18、應力等1、壓力、壓力工作壓力工作壓力 指在正常工作情況下，容器頂部可能達到的指在正常工作情況下，容器頂部可能達到的最高壓力（表壓）。最高壓力（表壓）。 設計壓力設計壓力 指設定的容器頂部的最高壓力，它與相應設指設定的容器頂部的最高壓力，它與相應設計溫度一起作為設計載荷條件，其值不低于計溫度一起作為設計載荷條件，其值不低于工作壓力。工作壓力。 計算壓力計算壓力 指在相應設計溫度下，用以確定殼體各部位指在相應設計溫度下，用以確定殼體各部位厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。 計算壓力計算壓力pc=設計壓力設計壓力p+液柱靜壓力液柱靜壓力 表表4-1 設計壓力與計算壓力的

19、取值范圍設計壓力與計算壓力的取值范圍計算帶夾套部分的容器時，應分別確定各壓力室的設計壓力，計算帶夾套部分的容器時，應分別確定各壓力室的設計壓力，確定公用元件的設計壓力時，應考慮相鄰室之間的最大壓差確定公用元件的設計壓力時，應考慮相鄰室之間的最大壓差夾套容器夾套容器7當有安全閥控制時，取當有安全閥控制時，取1.25倍的內外最大壓差與倍的內外最大壓差與0.1MPa兩者中兩者中的較小值，當沒有安全控制裝置時，取的較小值，當沒有安全控制裝置時，取0.1MPa真空容器真空容器6取不小于在正常操作情況下可能產生的內外最大壓差取不小于在正常操作情況下可能產生的內外最大壓差外壓容器外壓容器5根據容器的充裝系數

20、和可能達到的最高溫度確定根據容器的充裝系數和可能達到的最高溫度確定裝有液化氣體的容器裝有液化氣體的容器4根據介質特性、氣相容積、爆炸前的瞬時壓力、防爆膜的破壞根據介質特性、氣相容積、爆炸前的瞬時壓力、防爆膜的破壞壓力及排放面積等因素考慮壓力及排放面積等因素考慮(通常可取通常可取p1.151.3pw)容器內有爆炸性介質，容器內有爆炸性介質，裝有防爆膜時裝有防爆膜時3取等于或略高于最高工作壓力，通常取取等于或略高于最高工作壓力，通常取p1.01.1pw單個容器不要裝安全單個容器不要裝安全泄放裝置泄放裝置2取不小于安全閥的初始起跳壓力，通常取取不小于安全閥的初始起跳壓力，通常取p1.051.1pw容

21、器上裝有安全閥時容器上裝有安全閥時1設計壓力（設計壓力（P）取值）取值類型類型 液化氣體壓力液化氣體壓力對盛裝液化氣體的固定式壓力容器,原來規定50 飽和蒸汽壓力為設計壓力,現修訂為工作壓力。新容規規定了儲存混合液化石油氣的工作壓力選取原則，由用戶或設計單位考慮適當的設計余量和超壓泄放裝置的需要，在工作壓力的基礎上確定設計壓力。 第三十八條第三十八條 盛裝液化氣體的固定式壓力容器的最高工作壓力規定如下：盛裝液化氣體的固定式壓力容器的最高工作壓力規定如下： (一一)固定式液化氣體壓力容器最高工作壓力應當不低于表固定式液化氣體壓力容器最高工作壓力應當不低于表3-1的規定。的規定。(二二)固定式液化

22、石油氣儲罐常溫儲存的最高工作壓力應當按不低于固定式液化石油氣儲罐常溫儲存的最高工作壓力應當按不低于 50時混合液化石油氣組分的實際飽和蒸氣壓來確定，設計單位應時混合液化石油氣組分的實際飽和蒸氣壓來確定，設計單位應當在圖樣上注明限定的組分和對應的壓力。若無實際組分數據或不當在圖樣上注明限定的組分和對應的壓力。若無實際組分數據或不做組分分析，其最高工作壓力則應當不低于表做組分分析，其最高工作壓力則應當不低于表3-2規定的壓力。規定的壓力。 第三十九條 確定常溫儲存壓力容器的設計溫度時，應當充分考慮到在正常工作狀態下大氣環境溫度條件對于容器殼體金屬溫度的影響，其設計溫度不得高于金屬可能降至的最低溫度

23、，對于零度以上的金屬溫度，其設計溫度不得低于金屬可能達到的最高溫度。 第四十條 盛裝液化氣體或液化石油氣的壓力容器應當規定設計儲存量，壓力容器充裝系數不得大于0.95。 按按GB150GB150，最大允許工作壓力，最大允許工作壓力“指在設計溫度下，指在設計溫度下，容器頂部所允許承受的最大表壓力，該壓力是根據容容器頂部所允許承受的最大表壓力，該壓力是根據容器各元件的有效厚度計算所得，且取最小值器各元件的有效厚度計算所得，且取最小值”。 2 2、最大允許工作壓力、最大允許工作壓力 指容器在正常工作情況下，在相應的設指容器在正常工作情況下，在相應的設計壓力下，設定的元件的金屬溫度（沿計壓力下，設定的

24、元件的金屬溫度（沿元件金屬截面厚度的溫度平均值）。元件金屬截面厚度的溫度平均值）。設計溫度是設計溫度是選擇材料選擇材料和和確定許用應力確定許用應力時不可少的參時不可少的參數。數。3、設計溫度、設計溫度金屬溫度不低于金屬溫度不低于0設計溫度不得設計溫度不得低于低于元件金屬元件金屬可能達到的可能達到的最高溫度最高溫度；金屬溫度低于金屬溫度低于0不得不得高于高于元件金屬可能達元件金屬可能達到的到的最低溫度最低溫度。計算厚度（計算厚度（）由公式采用計算壓力得到的厚度。由公式采用計算壓力得到的厚度。設計厚度（設計厚度（d）計算厚度與腐蝕裕量之和。計算厚度與腐蝕裕量之和。dC2 名義厚度（名義厚度（n）設

25、計厚度加上鋼材厚度負偏差后向上圓整至鋼材設計厚度加上鋼材厚度負偏差后向上圓整至鋼材標準規格的厚度，即標注在圖樣上的厚度。標準規格的厚度，即標注在圖樣上的厚度。ndC1= C1 C2 有效厚度（有效厚度（e）名義厚度減去鋼材負偏差和腐蝕裕量。名義厚度減去鋼材負偏差和腐蝕裕量。 enC1C2厚度附加量（厚度附加量（C）由鋼材的厚度負偏差由鋼材的厚度負偏差C1和腐蝕裕量和腐蝕裕量 C2 組成，不包括加工減薄量組成，不包括加工減薄量C3。 C=C1+C2加工減薄量加工減薄量根據具體制造工藝和板材實際厚度由制造廠確定。根據具體制造工藝和板材實際厚度由制造廠確定。4、厚度及厚度附加量厚度及厚度附加量 計算

26、厚度計算厚度 d n 2C設計厚度設計厚度1C圓整值圓整值名義厚度名義厚度有效厚度有效厚度e 21CCC 毛坯厚度毛坯厚度加工減薄量加工減薄量圖圖4-7 壁厚的概念壁厚的概念碳素鋼、低合金鋼容器：碳素鋼、低合金鋼容器：min不小于不小于3mm； 高合金制容器：高合金制容器：min不小于不小于2mm；最小厚度（最小厚度（min）考慮容器的剛性考慮容器的剛性 制造、運輸、吊裝；制造、運輸、吊裝； 滿足強度要求的計算厚度之外，額外增加的厚度，滿足強度要求的計算厚度之外，額外增加的厚度，包括鋼板負偏差包括鋼板負偏差( (或鋼管負偏差或鋼管負偏差) ) C1、腐蝕裕量、腐蝕裕量 C2 即即 C C1十十

27、 C21 1、按相應鋼材的標準選取按相應鋼材的標準選取2、當鋼材的厚度負偏差不大于、當鋼材的厚度負偏差不大于0.25mm，且不超過名，且不超過名義厚度的義厚度的6%時，負偏差可以忽略不計。時，負偏差可以忽略不計。 C1 鋼板厚度負偏差鋼板厚度負偏差 厚度附加量厚度附加量C其它常用鋼板（如其它常用鋼板（如20g、Q235-A以及以及0Cr18Ni9等）的厚度負偏差見教材等）的厚度負偏差見教材表表4-2為防止容器元件由于腐蝕、機械磨損而為防止容器元件由于腐蝕、機械磨損而導致厚度削弱減薄，應考慮腐蝕裕量。導致厚度削弱減薄，應考慮腐蝕裕量。C2 腐蝕裕量腐蝕裕量 腐蝕裕量均勻腐蝕速率腐蝕裕量均勻腐蝕速

28、率容器設計壽命容器設計壽命腐蝕裕量只對防止均勻腐蝕破壞有意義；腐蝕裕量只對防止均勻腐蝕破壞有意義；對于應力腐蝕、對于應力腐蝕、氫脆和縫隙腐蝕等非均勻腐蝕，效果不佳，應著重選擇耐氫脆和縫隙腐蝕等非均勻腐蝕，效果不佳，應著重選擇耐腐蝕材料或進行適當防腐蝕處理。腐蝕材料或進行適當防腐蝕處理。碳素鋼、低合金鋼：碳素鋼、低合金鋼： C2不小于不小于1mm；不銹鋼：介質腐蝕性極微時，可取不銹鋼：介質腐蝕性極微時，可取C2=0。5、焊接接頭系數、焊接接頭系數焊縫區的強度主要取決于熔焊金屬、焊縫結構和施焊質量。焊縫區的強度主要取決于熔焊金屬、焊縫結構和施焊質量。焊接接頭系數焊接接頭系數是焊接削弱而降低設計許用

29、應力的系數。是焊接削弱而降低設計許用應力的系數。焊接接頭系數的大小決定于焊接接頭系數的大小決定于焊接接頭的型式和無損檢測的長度焊接接頭的型式和無損檢測的長度比率。比率。表表4-3 焊接接頭系數焊接接頭系數焊縫金屬與母材強度的比值，反焊縫金屬與母材強度的比值，反映容器強度受削弱的程度。映容器強度受削弱的程度。6、許用應力、許用應力 許用應力是容器殼體、封頭等受壓元件的許用強度，許用應力是容器殼體、封頭等受壓元件的許用強度，取材料強度失效判據的極限值與相應的材料設計系數取材料強度失效判據的極限值與相應的材料設計系數( (安全系數安全系數) ) 之比。之比。 屈服點屈服點s(或或0.2)、抗拉強度、

30、抗拉強度b、持久強度、持久強度D、蠕變極限、蠕變極限n等等根據失效類型確定極限值。根據失效類型確定極限值。 材料強度失效判據的極限值用不同的方式表示：材料強度失效判據的極限值用不同的方式表示： nt0極限應力的選取與結構的使極限應力的選取與結構的使用條件和失效準則有關用條件和失效準則有關常溫容器常溫容器 中溫容器中溫容器 高溫容器高溫容器 =minbbn,ssn2 . 0 t=minsttsbtbnn2 . 0, t=minDtDntnsttsnnn,2 . 0 安全系數安全系數主要是保證受壓元件有足夠的安全儲備量，其大小與主要是保證受壓元件有足夠的安全儲備量，其大小與應力計算的應力計算的精確

31、性、材料性能的均勻性、載荷的確切程度、制造工藝和使用精確性、材料性能的均勻性、載荷的確切程度、制造工藝和使用管理的先進性以及檢驗水平管理的先進性以及檢驗水平等因素有著密切關系。等因素有著密切關系。 安全系數是一個不斷發展變化的參數。安全系數是一個不斷發展變化的參數。隨著科技發展，安全系數將逐漸變小。隨著科技發展，安全系數將逐漸變小。 對鋼材常規設計，抗拉強度的安全系數由對鋼材常規設計，抗拉強度的安全系數由3.03.0調整為調整為2.72.7、屈服強度的安全、屈服強度的安全系數由系數由1.61.6調整為調整為1.51.5。對鋁、銅、鈦、鎳及其合金的沒有改變。對鋁、銅、鈦、鎳及其合金的沒有改變。

32、分析設計，抗拉強度的安全系數由分析設計，抗拉強度的安全系數由2.62.6調整為調整為2.42.4、屈服強度的安全系數屈服強度的安全系數1.51.5不變。不變。 設計使用壽命pppabc 討論：受討論：受周向周向均勻外壓均勻外壓薄壁薄壁回轉殼體的回轉殼體的彈性失穩彈性失穩問題問題臨界壓力臨界壓力失穩現象失穩現象外載荷達到某一臨界值，發生徑向撓曲，并外載荷達到某一臨界值，發生徑向撓曲，并迅速增加，沿周向出現迅速增加，沿周向出現壓扁或波紋壓扁或波紋。殼體失穩時所承受的相應壓力，稱為臨界壓力，殼體失穩時所承受的相應壓力，稱為臨界壓力，用用Pcr表示。表示。（四）外壓圓筒設計（四）外壓圓筒設計外壓圓筒分

33、成三類：外壓圓筒分成三類：長圓筒長圓筒兩端的邊界影響可以忽略，壓癟時波數兩端的邊界影響可以忽略，壓癟時波數 n=2 ，臨，臨界壓力界壓力Pcr僅與僅與t / Do有關，而與有關，而與L/Do無關。無關。短圓筒短圓筒兩端的邊界影響顯著，壓癟時波數為兩端的邊界影響顯著，壓癟時波數為 n2 的正整的正整數，數， Pcr不僅與不僅與t / Do有關，而且與有關，而且與L/Do有關。有關。剛性圓筒剛性圓筒這種殼體的這種殼體的L/Do較小，而較小，而t / Do較大，故剛性較好。較大，故剛性較好。其破壞原因是由于器壁內的應力超過了材料屈服其破壞原因是由于器壁內的應力超過了材料屈服極限所致。計算時，只要滿足

34、強度要求即可。極限所致。計算時，只要滿足強度要求即可。長長圓筒臨界壓力：圓筒臨界壓力：32 . 2ocrDtEptDLDEtpOOcr259. 2短短圓筒臨界壓力：圓筒臨界壓力：臨界長度臨界長度Lcr ：tDDLoocr17. 1(四四)、外壓圓筒設計、外壓圓筒設計1、外壓圓筒用公式計算的步驟外壓圓筒用公式計算的步驟(解析法解析法)： 假設筒體的名義厚度，計算有效厚度，求出臨界長度；假設筒體的名義厚度，計算有效厚度，求出臨界長度； 判斷短或長圓筒，根據類型，選擇公式求取臨界壓力，判斷短或長圓筒，根據類型，選擇公式求取臨界壓力， 選取合適的穩定性安全系數選取合適的穩定性安全系數m m，計算許用外

35、壓，比較設計計算許用外壓，比較設計壓力和許用外壓的大小。若設計外壓小于且比較接近許用外壓，壓力和許用外壓的大小。若設計外壓小于且比較接近許用外壓，則可以。否則重算。則可以。否則重算。驗算臨界應力，校核是否彈性失穩。驗算臨界應力，校核是否彈性失穩。若此式成立，屬彈性失穩，前面計算正確；否則改用圖算法若此式成立，屬彈性失穩，前面計算正確；否則改用圖算法22eecrcrmpDDpE在塑性狀態下是變量，采用公式在塑性狀態下是變量，采用公式2、圖算法的原理、圖算法的原理 ：假設：僅受徑向均勻外壓，而不受軸向外壓假設：僅受徑向均勻外壓，而不受軸向外壓tecrtcrEDpE2)(0 圓筒受外壓時，其臨界壓力

36、的計算公式為：圓筒受外壓時，其臨界壓力的計算公式為： 在臨界壓力作用下，筒壁產生相應的應力在臨界壓力作用下，筒壁產生相應的應力302 . 2 DEpetcr 5 . 200/59. 2DLDEpetcr (4-1) (4-2) a、幾何參數計算圖：、幾何參數計算圖：L/DoDo/eA 關系曲線關系曲線ecrcrDp 20 失穩時，周向應變僅與筒體失穩時，周向應變僅與筒體結構特征參數結構特征參數L/Do、Do /e 有關。有關。)(00DLDfe，令令Acr20030)(1.12)()(2.2DEDDEeteet 05.10005.20)(3.12)()(59.2DLDEDLDDEeteet 長

37、圓筒長圓筒短圓筒短圓筒令令 A= ， 以以A作為橫坐標，作為橫坐標，L/Do作為縱坐標，作為縱坐標， Do/e作為作為參量參量繪成曲線；見圖繪成曲線；見圖4-8),(00DLDfe L/Do Do/e與縱坐標平行的，表示與縱坐標平行的，表示長圓筒，失穩時長圓筒，失穩時cr與與L/Do無關無關斜平行線簇，表示短圓斜平行線簇，表示短圓筒，失穩時筒，失穩時cr與與L/Do和和Do /e 都有關。都有關。Acr適用于任適用于任何材料何材料 圖圖4-8 外壓或軸向受壓圓筒和管子外壓或軸向受壓圓筒和管子幾何參數計算圖幾何參數計算圖（用于所有材料）（用于所有材料）已知已知 L/Do，Do/e查查幾何算圖幾何

38、算圖周向應變周向應變A（橫坐標）（橫坐標）找出找出APcr 的關系（類似于的關系（類似于crcr）判定筒體在操作外壓力下是否安全判定筒體在操作外壓力下是否安全（圖（圖4-8）厚度計算圖（不同材料）：厚度計算圖（不同材料）：BA關系曲線關系曲線 厚度計算圖（不同材料）：厚度計算圖（不同材料）：BA關系曲線關系曲線 eocrEDpmA2 creoEmDp202 ()tepEmD0 ep DB令0DBpe由于由于 ttEEmB322 若以若以 為橫坐標，為橫坐標，B為縱坐標，將為縱坐標，將B與與 (即圖中即圖中A)關系用曲線表示關系用曲線表示出來，就得到了如下所示的曲線。出來，就得到了如下所示的曲線

39、。利用這組曲線可以方便而迅速地利用這組曲線可以方便而迅速地從從 找到與之相對應的系數找到與之相對應的系數B，并，并進而用進而用(43)式求出式求出p。AB圖圖4-9 外壓圓筒的許用應力與應變的關系外壓圓筒的許用應力與應變的關系厚度計算圖（不同材料）：厚度計算圖（不同材料）：BA關系曲線關系曲線 可得可得BA關系曲線，稱為厚度計算圖關系曲線，稱為厚度計算圖此時將此時將A關系曲線縱坐標乘關系曲線縱坐標乘2/3通過這個曲線圖，當知道通過這個曲線圖，當知道A后后，就，就可以求出可以求出B，進，進而求出許用外壓。而求出許用外壓。 A關系曲線已知，關系曲線已知， A即即 關系曲線已知，關系曲線已知，由于由

40、于 ttEEmB322 =ttEEA彈性范圍內，鋼的彈性模量為常數，塑性應變時候，彈性范圍內，鋼的彈性模量為常數，塑性應變時候， E 仍然仍然成立，只是此時成立，只是此時E是變量，所以用圖表示。是變量，所以用圖表示。圖圖4-12 外壓圓筒、管子和球殼厚度計算圖（外壓圓筒、管子和球殼厚度計算圖（0Cr18Ni9）圖圖4-11 外壓圓筒、管子和球殼厚度計算圖（外壓圓筒、管子和球殼厚度計算圖（16MnR、15CrMo）同一種材料在不同溫度下有不同的拉伸性能曲線，又稱材料溫度曲線同一種材料在不同溫度下有不同的拉伸性能曲線，又稱材料溫度曲線 不同的材料有不同的厚度計算圖不同的材料有不同的厚度計算圖圖圖4

41、-13圖算法求解過程圖算法求解過程幾何參數圖幾何參數圖厚度計算圖厚度計算圖3、工程計算方法、工程計算方法 200eD厚壁圓筒厚壁圓筒,破壞方式：破壞方式：強度破壞和失穩破壞強度破壞和失穩破壞 200eD薄壁圓筒薄壁圓筒,破壞方式出破壞方式出現失穩破壞現失穩破壞 1）對于）對于 的薄壁圓筒的薄壁圓筒 200eD假設名義厚度假設名義厚度n，令令e=n-C，求出求出 eDDL00及以值由以值由138頁圖頁圖4-6查取查取A值，若值，若L L/ /D Do o值大值大于于50，則用，則用L L/ /D Do o =50查取查取A值；值； 此時此時A已經與已經與L L/ /D Do o無關，周邊支撐無關

42、，周邊支撐不會影響它的大小不會影響它的大小 eoDAEp32由材料選由材料選厚度計算圖（圖厚度計算圖（圖4-7圖圖4-9）溫度對應的溫度對應的E線在線在圖上沒有時，插值圖上沒有時，插值32AEB 系系 數數 A設計溫度設計溫度根根據據B與厚度圖與厚度圖無無交點交點A在材料線左方在材料線左方 eoDBp與厚度圖與厚度圖有有交點交點圖圖4-13圖算法求解過程圖算法求解過程幾何參數圖幾何參數圖厚度計算圖厚度計算圖d. pcp且較接近且較接近假設的名義厚度假設的名義厚度n合理合理pcp假設假設n不合理不合理重設重設n，直到滿足直到滿足2）對于）對于 的厚壁圓筒的厚壁圓筒2040eDBDpe0625.

43、025. 20eeDDp000112ttst2 . 0000009 . 09 . 0 2min或，應力，滿足強度滿足強度滿足穩定性滿足穩定性取小取小求取求取B值的計算步驟同值的計算步驟同Do/e20的薄壁筒體；的薄壁筒體；防止圓筒體的失穩和強度失效，厚壁筒體的許用外防止圓筒體的失穩和強度失效，厚壁筒體的許用外壓力必須取上面兩式中的壓力必須取上面兩式中的較小值較小值。3）對于）對于 的厚壁圓筒的厚壁圓筒40eD20)(1 . 1eDABDpe0625. 025. 20eeDDp000112ttst2 . 0000009 . 09 . 0 2min或，應力，滿足強度滿足強度滿足穩定性滿足穩定性根據

44、圓筒材料選用相應的壁厚根據圓筒材料選用相應的壁厚計算圖，由計算圖，由A A值查取值查取B值。值。若所得若所得A值落在設計溫度下材料值落在設計溫度下材料線的左方，則用下式計算線的左方，則用下式計算B B： 32AEB 取小取小解題思路小結解題思路小結設設n，由，由L/Do、Do/e幾何算圖幾何算圖ABPcr厚度計算圖厚度計算圖cr與曲線相交、不相交與曲線相交、不相交n是否合理是否合理4、設計參數的確定設計參數的確定 定義與內壓容器相同，取值方法不同。定義與內壓容器相同，取值方法不同。外壓容器設計外壓容器設計壓力：考慮正壓力：考慮正常工作情況下常工作情況下可能出現的最可能出現的最大內外壓力差；大內

45、外壓力差；真空容器設計壓力：真空容器設計壓力：按承受外壓考慮，當按承受外壓考慮，當裝有安全控制裝置時裝有安全控制裝置時（如真空泄放閥），（如真空泄放閥），設計壓力取設計壓力取1.25倍最倍最大內外壓力差或大內外壓力差或0.1 MPa兩者中的較小值；兩者中的較小值；當無安全控制裝置時，當無安全控制裝置時，取取0.1MPa。帶夾套容器帶夾套容器:考慮可能出現考慮可能出現最大壓差的危最大壓差的危險工況，如內險工況，如內壓容器突然泄壓容器突然泄壓而夾套內仍壓而夾套內仍有壓力時所產有壓力時所產生的最大壓差。生的最大壓差。2）穩定性安全系數）穩定性安全系數 考慮穩定性安全系數主要是為了考慮考慮穩定性安全系

46、數主要是為了考慮容器的幾何容器的幾何形狀和尺寸的偏差、材料的不均勻性和各種原始形狀和尺寸的偏差、材料的不均勻性和各種原始缺陷缺陷等等。等等。 對圓筒，對圓筒，m=3，對球殼，對球殼，m=14.52。特殊要求：形狀偏差（取特殊要求：形狀偏差（取m m3 3的同時）如的同時）如GB150GB150規定，受規定，受外壓及真空的圓筒體在同一斷面一定弦長范圍內，實際外壓及真空的圓筒體在同一斷面一定弦長范圍內，實際形狀與真正圓形之間的正負偏差不得超過一定值，具體形狀與真正圓形之間的正負偏差不得超過一定值，具體規定可參見文獻規定可參見文獻GB150- 98GB150- 98。3）外壓計算長度外壓計算長度 計

47、算長度是指圓筒外部或內部兩相鄰剛性構件間的最計算長度是指圓筒外部或內部兩相鄰剛性構件間的最大距離。端蓋、容器法蘭和加強圈等均是剛性構件。大距離。端蓋、容器法蘭和加強圈等均是剛性構件。 1、橢圓形封頭、橢圓形封頭和碟形封頭和碟形封頭2、無折邊錐殼、無折邊錐殼3、帶折邊錐殼、帶折邊錐殼4、對于帶夾套、對于帶夾套5、有加強圈、有加強圈(或或可作為加強的構可作為加強的構件件)5 5、加強圈的設計計算、加強圈的設計計算 要提高圓筒的臨界壓力，有以下幾種方法：一是要提高圓筒的臨界壓力，有以下幾種方法：一是增加筒體的厚度，二是減少筒體的直徑，三是減增加筒體的厚度，二是減少筒體的直徑，三是減少筒體的計算長度。

48、厚度增加，增加成本，筒體少筒體的計算長度。厚度增加，增加成本，筒體直徑一般也是由工藝條件規定的。所以最好的方直徑一般也是由工藝條件規定的。所以最好的方法是減少筒體的計算長度。法是減少筒體的計算長度。 加強圈的作用：將長圓筒轉化為短圓筒，可以有加強圈的作用：將長圓筒轉化為短圓筒，可以有效地減小圓筒厚度，提高圓筒穩定性。效地減小圓筒厚度，提高圓筒穩定性。(1) 加強圈的間距：加強圈的間距：30)(2 . 2DtEpcr長圓筒長圓筒改變長度對長圓筒改變長度對長圓筒的臨界壓力不產生作用的臨界壓力不產生作用所以必須使其屬于短圓筒。所以必須使其屬于短圓筒。5 . 200max)(59. 2ecDmpEDL

49、由短圓筒臨界公式由短圓筒臨界公式加強圈截面尺寸的確定加強圈截面尺寸的確定方法思路方法思路目目 的的增強筒壁截面的抗彎曲能力增強筒壁截面的抗彎曲能力通過增加截面慣性矩通過增加截面慣性矩 I 來提高筒壁截面的抗來提高筒壁截面的抗彎曲能力，滿足彎曲能力，滿足 Is大于并接近大于并接近II保持穩定時加強圈和圓筒體組合段所需的最小慣性矩保持穩定時加強圈和圓筒體組合段所需的最小慣性矩Is加強圈與當量圓筒實際所具有的組合慣性矩加強圈與當量圓筒實際所具有的組合慣性矩0esssspcr圖圖4-15 每個加強圈所承受的載荷每個加強圈所承受的載荷A、保持穩定時加強圈和圓筒體組合段所需的最小慣性矩、保持穩定時加強圈和圓筒體組合段所需的最小慣性矩I：A9 .10)L/A(LDIsses2oLs從加強圈中心線到相臨兩側加強圈中心線距離之從加強圈中心線到相臨兩側加強圈中心線距離之和的一半；若與凸型封頭相鄰，在長度中還應計入封頭和的一半；若與凸型封頭相鄰，在長度中還應計入封頭曲面深度的曲面深度的 1/3，mmAs單個加強圈的截面積，單個加強圈的截面積，mm2，手冊查得，手冊查得A系數，按下述方法求得系數，按下述方法求得根