1、壓力容器設計24.3 4.1 概述 4.2 設計準則 4.3 4.4 分析設計 4.5 疲勞分析 4.6 壓力容器設計技術進展 4.3.3 4.3.4 密封裝置設計 4.3.5 開孔和開孔補強設計 4.3.6 支座和檢查孔4.3.7 安全泄放裝置 4.3.2 圓筒設計 4.3.1 概述 4.3.8 焊接結構設計 4.3.9 壓力試驗 3 力載荷處 理，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。區別于分析設計一、設計思想 “按規則設計”（Design by Rules） ，只考慮單一的最大 載荷工況，按一次施加的靜應力求解依據 材料力學及板殼 理論，按最大拉 應力準則

2、來推導 受壓元件的強度 尺寸計算公式。校核受壓元件 的應力強度 材料許用應力 （強度） 30mm）卷焊成直徑不同但可過盈配合的筒節，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。圖4-2 (b) 熱套筒節二、熱套式154.3.2.1 圓筒結構2、優點：工序少，周期短，且具有包扎式筒體的大多數優點。3、缺點： 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； 套合時貼緊程度不很均勻； 套合后，需熱處理以消除 套合預應力及深環焊縫的焊 接殘余應力。二、熱套式(續)164.3.2.1 圓筒結構1、結構：由內筒、繞板層和外筒三部分組成，是在多層包扎式 筒體的

3、基礎上發展起來的。2、制造：內筒與多層包扎式內筒相同，繞板層是在內筒外面連 續纏繞若干層35mm厚的薄鋼板而構成筒節，只有內外兩 道縱焊縫，需要2個楔形過渡段，外筒為保護層，由兩塊半 圓或三塊“瓦片”制成。3、優點：機械化程度高，制造效率高，材料利用率高（可達 90%以上）。4、缺點：中間厚兩邊薄，累積間隙。圖42（c） 繞板式三、繞板式174.3.2.1 圓筒結構1、結構：錯開環縫和采用液壓夾鉗逐層包扎的筒體結構。2、制造： 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 焊完磨平后再包扎第二層，直至所需厚度。3、優點：環、縱焊縫錯開，筒體與封頭或

4、法蘭間的環焊縫為一 定角度的斜面焊縫，承載面積增大。內筒包扎層板端部法蘭底封頭圖43 整體多層包扎是厚壁容器筒體 四、整體多層包扎式184.3.2.1 圓筒結構以鋼帶纏繞在內筒外面獲得所需厚度筒壁兩種結構型槽繞帶式扁平鋼帶傾角錯繞式型槽繞帶式 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4-4（a），內筒外表面上預先加 工有與鋼帶相嚙合的螺旋狀凹槽。纏繞時，鋼帶先經電加熱，再進行螺旋纏繞，繞制后依次用空氣和水進行冷卻，使其收縮產生預緊力，可保證每層鋼帶貼緊；各層鋼帶之間靠凹槽和凸肩相互嚙合(見圖4-4（b）)，纏繞層能承受一部分由內壓引起的軸向力。五、繞帶式194.3.2.1 圓筒結

5、構縮套環雙錐面墊片焊縫圖4-4 （a）型槽繞帶式筒體 （b）型槽鋼帶結構示意圖 五、繞帶式（續）204.3.2.1 圓筒結構五、繞帶式（續）缺點：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，需采用精度較高的專用纏繞機 床。優點：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， 在內壓作用下，筒壁應力分布較均勻。214.3.2.1 圓筒結構（2）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 ASME -1和ASME -2標準的規范案例，編號分別 為 2229和2269。內筒鋼帶層底封頭端部法蘭 圖4-4（c） 扁平鋼帶傾

6、角錯繞式筒體五、繞帶式（續）224.3.2.1 圓筒結構結構：內筒厚度約占總壁厚的1/61/4，采用 “預應力冷繞”和“壓棍預彎貼緊”技術，環向1530傾角在薄內筒外交錯纏繞扁平鋼帶。鋼帶寬約80160mm、厚約416mm，其始末兩端分別與底封頭和端部法蘭相焊接。與其它類型厚壁筒體相比，扁平鋼帶傾角錯繞式筒體結構具有設計靈活、制造方便、可靠性高、在線安全監控容易等優點。優點：五、繞帶式（續）234.3.2.2 內壓圓筒的強度設計筒體強度設計單層圓筒體多層厚壁圓筒中徑公式（薄壁筒體）Mises屈服公式（厚壁筒體）Faupel爆破公式（厚壁筒體）24cticp 2Dp1、厚度計算式：由中徑公式 （

7、4-13）0.4t式中 計算厚度，mm；Pc計算壓力，MPa；焊接接頭系數。條件：Pcteeict2)D(p2、應力強度判別式： （對筒體進行強度校核，已知筒體尺寸Di、n或e） （4-14）式中 e有效厚度， e=n C，mm； n名義厚度，mm； C厚度附加量，mm； t設計溫度下圓筒的計算應力，MPa。 一、單層筒體（薄壁筒體） k1.5（工程）4.3.2.2 內壓圓筒的強度設計25 eitewDp23、筒體最大允許工作壓力pw：MPa （4-15）4、說明： Pc0.4t式（4-13）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，則由于實際應力情況與應力沿厚度均

8、布的假設相差太大而不能使用。按照薄殼理論，（413）僅能在/D0.1即K1.2范圍內適用。但作為工程設計，因為采用了最大拉應力準則和材料設計系數(安全系數)，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。 (K 1.5)4.3.2.2 內壓圓筒的強度設計26 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4eq能較好地反映厚壁筒體的實際應力水平，4eq應力強度（認為是真實的） eqm應力強度（與中徑公式相對應）4eq=cpKK1322ceqmpKK) 1(21eqmeq/4隨徑比K的增大而增大。eqmeq/41.25當K=1.5時

9、，比值：4、說明： Pc0.4t（續）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。4.3.2.2 內壓圓筒的強度設計27 由于GB150取ns=1.6，若筒體徑比不超過1.5，仍可按式（4-13）計算筒體厚度。4、說明： Pc0.4t（續）液壓試驗（pT=1.25p）時，筒體內表面的實際應力強度最大為許用應力的1.251.25=1.56倍（1.6），說明筒體內表面金屬仍未達到屈服點，處于彈性狀態。cticipDpD 225. 0pc =0.4t當K=1.5時，=Di（K-1）/2=0.25Di，代入式（4-13）得這就是式（4-13）的適用范圍pc0.4t的依據所在。 4.3.2.

10、2 內壓圓筒的強度設計28二、單層筒體（厚壁筒體） 1、Mises屈服公式： 與 Mises屈服失效判據相對應的全屈服壓力可按 式（2-52）計算。將式（2-52） 代入式（4-7），得 Kpnssoln32圓筒計算厚度：) 1() 1(23pniissoeRKR（4-16）nso2.02.2。ASME -3 采用式（4-16）。單層厚壁筒體（計算壓力大于0.4t），常采用塑性失效設計準則或爆破失效設計準則進行設計。4.3.2.2 內壓圓筒的強度設計294.3.2.2 內壓圓筒的強度設計二、單層筒體（厚壁筒體）（續）2、Faupel爆破公式： 采用爆破失效設計準則，用Faupel公式計算爆破壓

11、力， 將式（2-53）爆破壓力計算式，代入式（4-8）爆破設計準則，圓筒計算厚度： 1e Rp)2(2n3ibssb（4-17） nb2.53.0日本的超高壓圓筒容器設計規則和中國的超高壓容器安全監察規程等采用式（4-17）。30三、多層厚壁筒體多層厚壁筒體在制造中施加預應力。1、預應力（內壓）筒體內壁應力 降低，外壁應力 增加， 壁厚方向應力分布趨向于均勻，從而提高筒體的彈性 承載能力。 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。設計計算：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。多層包扎式繞帶式筒體例如：4.3.2.2 內壓圓筒的強度設計314.3.2.2

12、內壓圓筒的強度設計三、多層厚壁筒體(續) 2、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） 計算壓力不超過0.4t時，按式（4-13）計算 otonoitinit（4-18）多層圓筒的組合許用應力cticp 2Dp（4-13）324.3.2.2 內壓圓筒的強度設計式中 i多層圓筒內筒的名義厚度，mm； o多層圓筒層板總厚度，mm； it設計溫度下多層圓筒內筒材料的許用應力，MPa； ot設計溫度下多層圓筒層板或帶層材料的許用應力， 對扁平鋼帶傾角錯繞式筒體，應乘以鋼帶傾角錯繞 引起的環向削弱系數0.9，MPa； i多層圓筒內筒的焊接接頭系數，一般取i=1.0； o多層圓筒層

13、板層或帶層的焊接接頭系數，對于多層 包扎式筒體，取o=0.95，其余筒體取o=1.0。3、熱應力不考慮。高溫操作時有熱應力，但有保溫設施， 且嚴格控制升降溫速度 不考慮熱應力（常規設計）。 三、多層厚壁筒體(續)33設計壓力設計溫度厚度及附加量焊接接頭系數許用應力等341、設計壓力 為壓力容器的設計載荷條件之一，其值 不低于。設計壓力應視內壓或外壓容器分別取值。容器頂部在正常工作過程中可能產生的最高表壓。35外壓：（略）裝安全閥不低于安全閥開啟壓力，1.051.10倍 最高工作壓力。裝爆破片爆破片最低標定爆破壓力加上所選爆 破片制造范圍的上限。盛裝液化氣體容器根據工作條件下可能達到的 最高金屬

14、溫度確定。 綜合考慮介質壓力(飽和蒸氣壓)裝量系 數溫度變化環境溫度保冷設施。36計算壓力是指在相應設計溫度下，用以確定元件最危險截 面厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。通常情況下，計算壓力等于設計壓力加上液柱靜壓力。當元件所承受的液柱靜壓力小于5%設計壓力時，可忽略不計。37注解：設計溫度與設計壓力存在對應關系。當壓力容器具有 不同的操作工況時，應按最苛刻的壓力與溫度的組合 設定容器的設計條件，而不能按其在不同工況下各自 的最苛刻條件確定設計溫度和設計壓力。GB150規定：設計溫度等于或低于-20的容器屬于低溫容器。金屬溫度不低于0設計溫度不得低于元件金屬可能達到的最高溫度；金屬溫度低于0不得

15、高于元件金屬可能達到的最低溫度。2、設計溫度為壓力容器的設計載荷條件之一，指容器在正 常情況下，設定元件的金屬溫度（沿元件金屬 截面的溫度平均值）。38厚度計算厚度設計厚度d名義厚度n有效厚度e成型厚度39計算厚度由公式采用計算壓力得到的厚度。 必要時還應計入其它載荷對厚度的影響。設計厚度d計算厚度與腐蝕裕量之和。dC2 名義厚度n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。ndC1有效厚度e名義厚度減去鋼材負偏差和腐蝕裕量。enC1C2厚度附加量C由鋼材的厚度負偏差C1和腐蝕裕量C2 組成，不包括加工減薄量C3。 C=C1+C2加工減薄量根據具體制造工藝和板材實際厚度由制造 廠而并非由設計人員確定。40成形后厚度制造廠考慮加工減薄量并按鋼板厚度規格第二 次向上圓整得到