內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強度設計第一頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/19第四章內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強度設計本章重點：內(nèi)壓薄壁圓筒的厚度計算本章難點：厚度的概念和設計參數(shù)的確定計劃學時：6學時第二頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/19第四章內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強度設計強度設計公式推導過程如下：①根據(jù)薄膜理論進行應力分析，確定薄膜應力狀態(tài)下的主應力；②根據(jù)彈性失效的設計準則，應用強度理論確定應力的強度判據(jù)；③對于封頭，考慮到薄膜應力的變化和邊緣應力的影響，按殼體中的應力狀況在公式中引進應力增強系數(shù)。④根據(jù)應力強度判據(jù)，考慮腐蝕等實際因素導出具體的計算公式。第三頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.1強度設計的基本知識關于彈性失效的設計準則1、彈性失效理論對于中、低壓薄壁容器，目前通用的是彈性失效理論。依據(jù)這一理論，容器上一處的最大應力達到材料在設計溫度下的屈服點σst，容器即告失效(失去正常的工作能力)，也就是說，容器的每一部分必須處于彈性變形范圍內(nèi)。保證器壁內(nèi)的相當應力必須小于材料由單向拉伸時測得的屈服點，即σ當＜σs。第四頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.1強度設計的基本知識2．強度安全條件為了保證結構安全可靠地工作，必須留有一定的安全裕度，使結構中的最大工作應力與材料的許用應力之間滿足一定的關系。即σ0—極限應力（由簡單拉伸試驗確定）n—安全系數(shù)[σ]—許用應力σ當—相當應力，由強度理論來確定。第五頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.1強度設計的基本知識強度理論及其相應的強度條件以圓筒形容器作例：第六頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.1強度設計的基本知識第一強度理論——最大主應力理論第二強度理論——最大變形理論（與實際相關較大，未用）第三強度理論——最大剪應力理論第四強度理論——能量理論（適用于塑性材料）第七頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.1強度設計的基本知識第八頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼的強度設計設計計算一、圓筒形容器1、強度設計公式根據(jù)前面所講的第三強度理論，有：將平均直徑換為圓筒內(nèi)徑D=Di+S;將壓力p換為計算壓力pc；考慮焊接制造因素φ，將[σ]換為[σ]tφ則有：第九頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼的強度設計其中S—計算壁厚,mm[σ]t—材料在設計溫度下的許用應力，Mpa;2、厚度的定義

計算厚度：

設計厚度

Sd=S＋C2

名義厚度

Sn=Sd＋C1＋圓整值=S＋C＋圓整值

有效厚度

Se=Sn－C第十頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼的強度設計其中C1—鋼板壁厚負偏差；

C2—腐蝕裕度；C=C1＋C2

如圖所示C1C2圓整值加工減薄量C=C1+C2

第十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼的強度設計3、校核公式若已知，要計算一臺容器所能承受的載荷時4、采用無縫鋼管作圓體時，公稱直徑為鋼管的外徑。第十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼的強度設計上述計算公式的適用范圍為pc≤0.4[σ]tφ。二、球形容器對于球形容器，由于其主應力為利用上述推導方法，可以得到球形容器壁厚設計計算公式，即上述球形容器計算公式的適用范圍為pc≤0.6[σ]tφ。第十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼的強度設計設計參數(shù)的確定1壓力

工作壓力pw：指在正常工作情況下，容器頂部可能達到的最高壓力。

設計壓力p：指設定的容器頂部的最高壓力，它與相應的設計溫度一起作為設計載荷條件，其值不低于工作壓力。

計算壓力pc：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。當殼體各部位或元件所承受的液柱靜壓力小于5%設計壓力時，可忽略不計。第十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼的強度設計2設計溫度設計溫度：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（沿元件金屬截面厚度的溫度平均值）。設計溫度是選擇材料和確定許用應力時不可少的參數(shù)。3許用應力和安全系數(shù)（1）許用應力的取法第十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼的強度設計（2）安全系數(shù)的取法安全系數(shù)是不斷發(fā)展變化的參數(shù)，科技發(fā)展，安全系數(shù)變小；

要求記憶：常溫下，碳鋼和低合金鋼nb=3.0，ns=1.6。第十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼的強度設計4焊接接頭系數(shù)焊縫區(qū)是容器上強度比較薄弱的地方。焊縫區(qū)的強度主要決定于熔焊金屬、焊縫結構和施焊質(zhì)量。焊接接頭系數(shù)的大小決定于焊接接頭的型式和無損檢測的長度比率。5厚度附加量C=C1+C2C1—鋼板壁厚負偏差；按相應的鋼板或鋼管標準的規(guī)定選取．當鋼材的厚度負偏差不大于0.25mm，且不超過名義厚度的6%時，負偏差可以忽略不計。第十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/19C2—腐蝕裕量；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。三壓力試驗與強度校核容器制成以后(或檢修后投入生產(chǎn)之前)．必須作壓力試驗或增加氣密性試驗，其目的在于檢驗容器的宏觀強度和有無滲漏現(xiàn)象，即考查容器的密封性，以確保設備的安全運行。對需要進行焊后熱處理的容器，應在全部焊接工作完成并經(jīng)熱處理之后，才能進行壓力試驗和氣密試驗，對于分段交貨的壓力容器，可分段熱處理．在安裝4.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼的強度設計第十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼的強度設計工地組裝焊接，并對焊接的環(huán)焊縫進行局部熱處理之后，再進行壓力試驗。壓力試驗的種類、要求和試驗壓力值應在圖樣上注明。壓力試驗一般采用液壓試驗。對于不適合作液壓試驗的容器，例如容器內(nèi)不允許有微量殘留液體．或由于結構原因不能充滿液體的容器，可采用氣壓試驗。1、試驗壓力內(nèi)壓容器的試驗壓力：第十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼的強度設計式中：pT——試驗壓力，Mpa；

p——設計壓力，Mpa；

[σ]——容器元件材料在試驗溫度下的許用應力，Mpa；

[σ]t——容器元件材料在設計溫度下的許用應力，Mpa。2壓力試驗的應力校核第二十頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼的強度設計σT應滿足下列條件：3壓力試驗的試驗要求與試驗方法（1）液壓試驗（2）氣壓試驗（3）氣密性試驗4例題第二十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.3內(nèi)壓圓筒封頭的設計容器封頭又稱端蓋，按其形狀可分為三類；凸形封頭、錐形封頭和平板形封頭。其中凸形封頭包括半球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭(或稱帶折邊的球形封頭)和球冠封頭(無折邊球形封頭)四種。半球形封頭半球形封頭(圖4－3)是由半個球殼構成的，它的計算壁厚公式與球殼相同。第二十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.3內(nèi)壓圓筒封頭的設計橢圓形封頭橢圓形封頭(圖4－4)是由長短半袖分別為a和b的半橢球和高度為h。的短圓筒(通稱為直邊)兩部分所構成。直邊的作用是為了保證封頭的制造質(zhì)量和避免筒體與封頭間的環(huán)向焊受邊緣應力作用。有以下結論：當橢球殼的長短半軸a/b＞2時，橢球殼赤道上出現(xiàn)很大的環(huán)向應力(圖3－25(c))，其絕對值遠大于頂點的應力。從而引入形狀系數(shù)K。（也稱應力增加系數(shù)）第二十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.3內(nèi)壓圓筒封頭的設計根據(jù)強度理論（具體推導過程可參閱華南理工大學P57），受內(nèi)壓（凹面受壓）的橢圓形封頭的計算厚度公式為：標準橢圓封頭K=1（a/b=2），計算厚度公式為：第二十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.3內(nèi)壓圓筒封頭的設計橢圓封頭最大允許工作壓力計算公式為：GB150-1998規(guī)定：

K≤1時，Se≥0.15DiK＞1時，Se≥0.30Di

但當確定封頭厚度時，已考慮了內(nèi)壓下的彈性失穩(wěn)問題，可不受此限制。現(xiàn)行的橢圓形封頭標準為JB／T4737—95。第二十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.3內(nèi)壓圓筒封頭的設計碟形封頭由三部分構成：以Ri為半徑的球面；以r為半徑的過渡圓弧(即折邊)；高度為h0的直邊。同樣，引入形狀系數(shù)M，則其計算厚度公式為：第二十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.3內(nèi)壓圓筒封頭的設計標準碟形封頭：球面內(nèi)半徑Ri＝0.9Di，過渡圓弧內(nèi)半徑r=0.17Di，此時M＝1.325，計算壁厚公式：碟形封頭最大允許工作壓力為：第二十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.3內(nèi)壓圓筒封頭的設計GB150-1998規(guī)定：

M≤1.34時，Se≥0.15DiM＞1.34時，Se≥0.30Di

但當確定封頭厚度時，已考慮了內(nèi)壓下的彈性失穩(wěn)問題，可不受此限制。碟形封頭標準為JB576—64。4.3.4球冠形封頭把碟形封頭的直邊及過渡圓弧部分去掉，只留下球面部分，并把它直接焊在筒體上，就構成球冠形封頭。第二十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.3內(nèi)壓圓筒封頭的設計受內(nèi)壓的球冠形端封頭的計算厚度公式：4.3.5錐形封頭由錐形殼體的應力分析可知，受均勻內(nèi)壓的錐形封頭的最大應力在錐殼的大端，其值為：第二十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.3內(nèi)壓圓筒封頭的設計其強度條件為：厚度計算公式為：錐殼的計算厚度公式：（4－27）按4－27式計算的錐形封頭的厚度，由于沒有考慮封頭與筒體連接處的邊緣應力，因而此厚度是不夠的。連接處的邊緣應力如下頁圖所示。第三十頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.3內(nèi)壓圓筒封頭的設計為降低連接處的邊緣應力，一般采用兩種方法：（1）、局部加強：將連接處附近的封頭及筒體厚度增大——無折邊錐形封頭；（2）、增加過渡圓弧：在封頭與筒體之間增加一個過渡圓弧，整個封頭由錐體、過渡圓弧及高度為h0折邊三部分構成——帶折邊的錐形封頭。第三十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.3內(nèi)壓圓筒封頭的設計第三十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.3內(nèi)壓圓筒封頭的設計第三十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.3內(nèi)壓圓筒封頭的設計1、受內(nèi)壓無折邊錐形封頭（1）、錐殼大端連接處的厚度（適用于錐殼半頂角α≤30o時）首先判斷是否需要加強（利用表4－15），若不需要加強，用4－27式計算；若需要加強，加強