第四章內壓薄壁圓筒

與封頭的強度(qiángdù)設計4.1強度設計(shèjì)的基本知識4.1.1關于彈性失效的設計(shèjì)準則容器上一處的最大應力達到材料在設計(shèjì)溫度下的屈服點，該容器即告破壞。強度安全條件：精品資料14.1.2強度(qiángdù)理論及其相應的強度(qiángdù)條件由薄膜理論(lǐlùn),圓筒壁內應力為經向應力、環向應力、法向應力（被認為是0）。則三項主應力為：精品資料2第三強度(qiángdù)理論的強度(qiángdù)條件為：因此圓筒強度(qiángdù)條件為：精品資料34.2內壓薄壁圓筒殼與球殼的強度設計4.2.1強度計算公式依據(yījù)第三強度理論，強度公式為：參數變換(biànhuàn)：1.將中徑換算為圓筒內徑，D=Di+S;2.壓力換為計算壓力Pc；3.考慮到焊縫處因氣孔、夾渣等缺陷以及熱影響區晶粒粗大等造成的強度削弱，引進焊縫系數f(≤1)；4.材料的許用應力與設計溫度有關。精品資料4內壓圓筒強度(qiángdù)計算公式：再考慮腐蝕(fǔshí)裕量C2,于是得到圓筒的設計壁厚為：計算壁厚公式：精品資料5在公式(gōngshì)（4-2）基礎上，考慮到鋼板的負偏差C1（鋼板在軋制時產生了偏差）——名義壁厚公式(gōngshì)：再根據鋼板標準(biāozhǔn)規格向上圓整。——最終名義厚度。這是寫在圖紙上的鋼板厚度！精品資料6式中Se——有效(yǒuxiào)壁厚，Se=圓整后的壁厚（Sn）－C1－C2。強度校核公式：1）在工作(gōngzuò)壓力及溫度下，現有容器強度夠否？2）現有容器的最大允許工作壓力如何？精品資料7球形容器(róngqì)強度計算公式？由薄膜理論(lǐlùn)：由第三強度理論，強度條件：則導出壁厚計算公式：精品資料8精品資料94.2.2.設計(shèjì)參數的確定1.壓力(yālì)——表壓精品資料10工作壓力pw---正常工作情況下，容器頂部可能達到的最高壓力。由工藝計算確定：化學反應所要求的；傳遞過程所必需(bìxū)的；由液化氣體的飽和蒸汽壓所決定的。精品資料11設計(shèjì)壓力p：設定的容器頂部的最高壓力---設計(shèjì)載荷。

取值方法：（1）容器(róngqì)上裝有安全閥取不低于安全閥開啟壓力：p≤（1.05～1.1）pw系數取決于彈簧起跳壓力。看看安全閥的工作情況精品資料12（2）容器內有爆炸性介質(jièzhì)，安裝有防爆膜時：取設計壓力(yālì)為爆破片設計爆破壓力(yālì)加制造范圍上限。P89表-3，表4-4。防爆膜裝置示意圖看看爆破片的工作情況精品資料13（3）無安全泄放裝置——取p=（1.0~1.1）pw。（4）盛裝液化氣容器——設計壓力應根據(gēnjù)工作條件下可能達到的最高金屬溫度確定。（地面安裝的容器按不低于最高飽和蒸汽壓考慮，如40℃，50℃，60℃時的氣體壓力）。注意：要考慮實際工作環境，如放置地區，保溫，遮陽，噴水等。例如：液氨儲罐。金屬壁溫最高工作為50℃，氨的飽和蒸汽壓為2.07MPa。1.容器的設計壓力？2.若容器安放有安全閥，設計壓力？精品資料14（5）外壓容器——取p≥正常操作下可能產生的最大壓差。注意：“正常操作”——含空料，真空(zhēnkōng)檢漏，穩定生產，中間停車等情況。（6）真空(zhēnkōng)容器—※不設安全閥時，取0.1MPa；※設有安全閥時取Min（1.25×△p,0.1MPa)。精品資料15釜壁可能承受壓力情況：※釜內空料，夾套內充蒸汽(zhēnɡqì)-----外壓0.2MPa;※釜內真空，夾套內充蒸汽(zhēnɡqì)-----外壓0.3MPa;※釜內0.3MPa，夾套內0.2MPa----內壓0.1MPa;※釜內0.3MPa，夾套內空料—--內壓0.3MPa;釜壁承受的最大壓差:內壓0.3MPa或外壓0.3MPa.（7）帶夾套容器——取正常操作時可能出現的最大內外壓差。例如帶夾套的反應釜：夾套內蒸汽壓力為0.2MPa,釜內開始抽真空，然后(ránhòu)釜內升壓至0.3MPa。該釜壁承受壓力如何？精品資料16計算(jìsuàn)壓力pc---在相應設計溫度下，用以確定元件厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。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。即計算(jìsuàn)壓力=設計壓力+液柱靜壓力(≥5%P時計入)可見，計算(jìsuàn)壓力≥設計壓力≥工作壓力=容器頂部表壓例：一立式容器(róngqì)，工作壓力0.5MPa，液體深10m，重度為10,000N/m3。pw=0.5MPa,p=0.5MPapc=0.5+(10×10,000)/1,000,000=0.6MPa精品資料172.設計(shèjì)溫度——指容器在正常工作情況下，設定的元件的金屬溫度（沿元件金屬截面的溫度平均值）。※設計溫度在容器設計中的作用：①選擇材料；②確定許用應力。※確定設計溫度的方法：（1）對類似設備實測；（2）傳熱計算；（3）參照書P90表4-5。例如：不被加熱或冷卻的器壁，且壁外有保溫，取介質(jièzhì)溫度；用水蒸氣、熱水或其它液體加熱或冷卻的器壁，取熱介質(jièzhì)的溫度；等等。精品資料183.許用應力(yìnglì)和安全系數定義(dìngyì)式：（1）許用應力〔s〕的確定：※工作溫度為中溫，取※工作溫度為常溫（＜200℃）取精品資料19※工作溫度為高溫(gāowēn)，取式中sntsDt----設計(shèjì)溫度下材料的蠕變強度和持久強度。nn,nD----蠕變強度和持久強度的安全系數。精品資料20（2）安全系數(ānquánxìshù)及其確定：影響安全系數的因素：①計算方法的準確性、可靠性和受力分析的精度；②材料質量和制造的技術水平；③容器的工作(gōngzuò)條件及其在生產中的重要性和危險性。安全系數材料nbnsnDnn碳素鋼、低合金鋼≥3.0≥1.6≥1.5≥1.0高合金鋼≥3.0≥1.5≥1.5≥1.0精品資料214.焊接接頭(jiētóu)系數（f）容器上存在有：縱焊縫----A類焊縫環焊縫----B類焊縫需要進行無損檢驗。檢驗方法(fāngfǎ)主要是：X射線檢查和超聲波檢查。為什麼要進行無損檢驗？精品資料22常見(chánɡjiàn)的焊接形式：精品資料23精品資料24精品資料25常見(chánɡjiàn)對接焊焊縫結構：精品資料26精品資料27精品資料28①缺陷，夾渣，未焊透，晶粒粗大等，在外觀看不出來；②熔池內金屬從熔化到凝固的過程受到熔池外金屬的剛性約束，內應力很大。——焊縫區強度(qiángdù)比較薄弱。焊接(hànjiē)后常出現：精品資料29焊接(hànjiē)缺陷精品資料30為綜合考慮筒體強度，設計公式中將鋼板(gāngbǎn)母材的許用應力乘以f（≤1）。[σ][σ]×f精品資料31焊接接頭(jiētóu)系數（f）：焊接接頭結構100%無損檢驗局部無損檢驗示意圖雙面對接焊1.00.85

帶墊板單面對接焊0.900.80精品資料32你能回答(huídá)下列問題嗎？1.可否采用搭接焊結構制作壓力容器殼體？為什麼？2.焊縫處為什麼要進行(jìnxíng)無損探傷檢查？3.焊縫系數（φ）為什麼小于等于1？4.取焊縫系數的依據是什麼？5.壁厚計算公式中的[σ]t是鋼板的許用應力，還是焊縫材料的許用應力？6.帶墊板的焊縫結構中，墊板的作用是什麼？是否起加強作用？精品資料335.壁厚附加(fùjiā)量容器壁厚附加量——（1）鋼板(gāngbǎn)或鋼管厚度負偏差C1:例如，精品資料34在設計容器壁厚時要----預先考慮負偏差。鋼板(gāngbǎn)負偏差參見p93表4-9選取；鋼管厚度負偏差參見P93表4-10。精品資料35（2）腐蝕(fǔshí)裕量C2容器元件由于腐蝕或機械磨損——厚度減薄。——在設計壁厚時要考慮容器使用壽命期內的安全性！具體規定如下：對有腐蝕或磨損的元件:C2=KaBKa---腐蝕速率（mm/a），由材料手冊或實驗確定。B----容器的設計壽命，通常(tōngcháng)為10～15年。一般情況,Ka=0.05～0.13mm/a的輕微腐蝕時，對單面腐蝕取C2=1～2mm;對雙面腐蝕取C2=2～4mm。對于不銹鋼，一般取0。精品資料361.確定(quèdìng)腐蝕裕度的依據？2.腐蝕裕度的有效期？3.列管換熱器的管子、殼體腐蝕裕度如何定？＊容器各元件受到的腐蝕程度不同時，設計中可采用不同的腐蝕裕量。＊介質為壓縮空氣(yāsuōkōngqì)、水蒸氣或水的碳鋼或低合金鋼容器，單面腐蝕裕量不小于1mm；＊對不銹鋼容器，腐蝕輕微時可取C2=0。還要記住！精品資料376.直徑系列與鋼板(gāngbǎn)厚度要按照鋼板厚度尺寸系列標準(biāozhǔn)GB709-88的規定選取。P95表4-13。鋼板厚度是否可以隨意取？壓力容器的直徑系列已經施行標準化（GB9019-88)，筒體與封頭的公稱直徑配套。見P56表2-5。筒體直徑是否可以隨意定？精品資料384.2.3容器(róngqì)的壁厚和最小壁厚1.容器(róngqì)壁厚※實際壁厚不得小于名義壁厚減去鋼板負偏差，可保證強度要求！※熱加工封頭時，加工單位應預先考慮加工減薄量！精品資料392.最小壁厚為保證容器制造、運輸、安裝時的剛度要求，限定(xiàndìng)容器實際最小壁厚（指不含腐蝕裕量的壁厚）：●碳鋼和低合金鋼制容器≥3mm。●高合金鋼制容器≥2mm。1.標注(biāozhù)在圖紙上的容器壁厚是如何確定的？2.壁厚加工減薄量由誰定？3.加工后容器的實際壁厚不能小于多厚才可以在使用壽命期內保證安全？4.規定容器最小壁厚的目的是什麼？思考如下問題：精品資料404.2.4壓力試驗(shìyàn)及強度校核※壓力試驗的時機：1）容器制成后；2）檢修后。※試驗目的：1）檢驗容器宏觀強度—是否出現裂紋,是否變形過大；2）密封點及焊縫的密封情況。要知道！（1）需要焊后熱處理的容器，須熱處理后進行壓力試驗和氣密試驗；（2）須分段(fēnduàn)交貨的容器，在工地組裝并對環焊縫進行熱處理后，進行壓力試驗；（3）塔器須安裝后進行水壓試驗；精品資料41壓力(yālì)試驗分類：①液壓試驗介質：一般為水；過程：充水排氣設計(shèjì)壓力無泄漏開始試驗壓力下保壓30分鐘卸壓吹凈結束試驗壓力的80%保壓檢查精品資料42注意：不銹鋼容器——水中氯離子不得超過25mg/L。※試壓合格的條件：1）無滲漏；2）無可見變形；3）試驗過程中無異常(yìcháng)響聲；4）σb≥540MPa的材料，表面經無損檢驗無裂紋。看看(kànkàn)水壓試驗過程精品資料43②氣壓試驗——不適合液壓試驗的，如因結構緣故排液或充液困難，或容器內不允許殘留微量液體時采用。③氣密試驗—針對介質(jièzhì)具有毒性程度為極度或具有高度危害的容器；——在液壓試驗后進行；——氣密試驗壓力取設計壓力。精品資料44④壓力試驗強度校核

——名義壁厚確定(quèdìng)后，校核壓力試驗條件下的強度是否滿足要求，以免進行壓力試驗時出現危險。1).試驗壓力(yālì)的確定：內壓容器的試驗壓力(yālì)：p——設計壓力MPa;[s]---元件材料在實驗溫度下的許用應力，MPa;[s]t——元件材料在設計溫度下的許用應力，MPa。精品資料45【注】（1）容器銘牌上規定有最大允許工作(gōngzuò)壓力時，公式中應以最大允許工作(gōngzuò)壓力代替設計壓力。（2）容器各元件（圓筒、封頭、接管、法蘭及緊固件）所用材料不同時，應取各元件材料的[s]/[s]t比值中較小者。思考：1.壓力試驗目的？壓力試驗強度校核目的？何時進行？2.在進行壓力試驗過程(guòchéng)中，檢查什麼？何時檢查？3.是否所有壓力容器在制成後都要進行氣密試驗檢查？精品資料462).壓力試驗(shìyàn)應力校核式中sT---圓筒壁在試驗壓力下的計算應力(yìnglì)，MPa；Di——圓筒內徑，mm；pT——試驗壓力，MPa；Se——圓筒的有效壁厚，mm；ss（s0.2）——圓筒材料在試驗溫度下的屈服點（或條件屈服點），MPa；f——圓筒的焊接接頭系數。精品資料47例題(lìtí)例1：設計乙烯精餾塔。由工藝計算得出塔體公稱直徑為600mm,工作壓力為2.2MPa（不計液注高度），工作溫度t=-3～-20℃，塔體保溫。確定該塔壁厚及選用的材料。【解】1.選材介質腐蝕性——輕微；工作溫度——低溫；工作壓力——中壓。故選用16MnR。2.確定參數(cānshù)（1）由DN=600mm,筒體采用板卷，Di=600mm；（2）由題意“不計液注高度”，無安全泄放裝置，pc=2.2MPa；（3）因壓力為中壓，直徑較小，故采用帶墊板單面對接焊結構，局部無損探傷，查表4-8，f=0.8；（4）塔體保溫，由表4-5，設計溫度取介質溫度，[s]t=170MPa；（5）常溫屈服點ss=345MPa；（6）腐蝕輕微，單面腐蝕，C2=1mm。精品資料48（3）確定(quèdìng)計算壁厚由S+C2=4.9+1.0=5.9(mm),16MnR屬GB6654-96標準內的材料，查表4-9，得C1=0.25mm，則C=C1+C2=0.25+1.0=1.25(mm)。名義(míngyì)壁厚Sn=S+C+圓整量，S+C=4.9+1.25=6.15(mm),圓整為7mm。（4）校核水壓試驗強度水壓試驗強度條件為：精品資料49式中pT=1.25p=1.25×2.2=2.75(MPa),([s]/[s]t≈1);Se=Sn-C1-C2=7-0.25-1.0=5.75(mm)則而0.9ssf=0.9×345×0.8=248.4（MPa)可見(kějiàn)sT＜0.9ssf，所以水壓試驗強度足夠。結構(jiégòu)簡圖：精品資料50例2設計(shèjì)鍋爐汽包的筒體壁厚。工作壓力為15.6MPa,工作溫度為350℃,其內徑為1300mm。【解】1.選材：工作溫度中溫，工作壓力為高壓，有輕微腐蝕。故采用低合金鋼18MnMoNbR（GB6654-96)。ss=410MPa。2.確定參數（1）工作壓力15.6MPa,是高壓容器，屬于三類(sānlèi)容器。其焊縫結構必須是雙面對接焊結構或其他等強度焊接，100%無損探傷，φ=1。（2）筒體需保溫，則筒壁設計溫度取介質溫度，[s]=[s]350=190MPa（3）需安裝安全閥，pc=p=1.1×15.6=17.16(MPa)。（4）水蒸氣對低合金鋼有輕微腐蝕，且為單面腐蝕，C2=1mm。精品資料513.計算(jìsuàn)壁厚4.設計壁厚：Sd=S+C2=61.5+1.0=62.5(mm),查表4-9得C1=1.8(mm)壁厚附加量C=C1+C2=0.25+1.0=1.25(mm)5.名義(míngyì)厚度Sn=S+C+圓整量61.5+1.25=62.75(mm)，圓整后為65（mm)。精品資料526.校核水壓試驗強度(qiángdù)水壓試驗強度(qiángdù)條件為：式中Se=Sn-C=65-2.8=62.2(mm)則sT=234.9(MPa)。而0.9fss=0.9×1×410=369(MPa)sT＜0.9fss水壓試驗合格(hégé)。精品資料53例3校驗舊氣瓶。資料記載該氣瓶材質為40Mn2A，系無縫鋼管收口而成。實測其外徑為219mm,最小壁厚為6.5mm。查材料手冊(shǒucè)得該材料的sb=785MPa,ss=510MPa,d5=18%。

（1）常溫下可否充15MPa氧氣？

（2）如強度不夠，最高允許工作壓力多少？【解】1.確定參數(cānshù)pc=15MPa,DO=219mm,Sn=6.5mm,無縫鋼管f=1，C2=1mm,實測壁厚6.5mm，則C1=0,Se=6.5-1=5.5mm,許用應力求取：[s]t=min｛sb/nb,ss/ns｝=min｛785/3,510/1.6｝=262(MPa)。精品資料542.強度校核(xiàohé)校核(xiàohé)公式為充15MPa強度(qiángdù)不夠。3.確定最高允許工作壓力計算公式為該氣瓶的最大安全使用壓力為13.48MPa。精品資料55〖注意〗“實測壁厚”概念。即無需考慮負偏差問題，C1=0。無縫鋼管制的容器公稱直徑(zhíjìng)為外經，壁厚計算公式中應采用外徑。公式應該如何？自己試推導一下。精品資料564.3內壓圓筒封頭的設計(shèjì)半球形封頭橢圓形封頭蝶形封頭球冠形封頭錐形封頭精品資料574.3.1半球形封頭1.結構：（1）整體半球殼體；（2）焊接(hànjiē)半球殼體--瓜瓣組焊。3.與筒體連接結構：※與筒體連接部位要圓滑過渡。(為什麼？）※與筒體連接的環焊縫屬于球殼內的部分，確定封頭厚度時應考慮這一環焊縫的焊接接頭(jiētóu)系數。2.壁厚計算公式：精品資料584.3.2橢圓(tuǒyuán)形封頭——橢圓(tuǒyuán)殼應力分布精品資料591.橢圓(tuǒyuán)封頭的結構：為什麼要有直邊？（1）保證(bǎozhèng)封頭的制造質量；（2）不連續點與環焊縫分開，從而避免邊緣應力與焊接應力、膜應力集聚，降低合應力。2.壁厚的計算公式橢球殼壁內應力的大小及變化受a/b值的影響，——形狀系數K。厚度計算公式為：精品資料60名義壁厚=計算壁厚+壁厚附加(fùjiā)量+圓整量標準橢圓封頭(a/b=2)K=1。橢圓形封頭的最大允許工作壓力計算公式：注意：1.加工減薄量由制作單位確定。2.各參數(cānshù)的單位-公式中只用MPa和mm。3.對于同一容器上的圓筒與橢圓形封頭，如果壁厚相同，橢圓形封頭的強度高于圓筒。所以，水壓試驗強度校核時，校核筒體強度就可以了。（為什麼?）4.直邊高度按P101表4-15選取。精品資料614.3.3碟形封頭碟形殼的應力(yìnglì)分布：精品資料621.碟形封頭的結構(jiégòu)：2.壁厚計算公式：式中M---形狀系數。（①Ri/r值不同；②球面與摺邊連接處的曲率突變(tūbiàn)。）標準碟形封頭壁厚計算公式為：精品資料634.3.4球冠形封頭（無折邊球形封頭）1.結構(jiégòu)精品資料64式中Di——封頭和筒體的內直徑(zhíjìng)；Q——系數，見書圖4-9。2.壁厚計算公式：精品資料654.3.5常用(chánɡyònɡ)錐形封頭錐殼應力分布？精品資料66為減小邊緣應力，錐形封頭結構(jiégòu)常有如下結構(jiégòu)（1）局部加強(jiāqiáng)α≤30的大端及α≤45的小端(2)加過渡圓弧α＞30的大端及α＞45的小端受內壓無折邊錐形封頭受內壓帶折邊錐形封頭精品資料674.3.6圓平板(píngbǎn)封頭精品資料681.平板(píngbǎn)內應力狀態周邊(zhōubiān)簡支：根據強度條件：精品資料69周邊(zhōubiān)固支：根據(gēnjù)強度條件：

實際情況是介于簡支和固支中間，系數在0.188--0.31之間，歸結為一個結構特征系數K,平板壁厚計算公式為：見表-19精品資料704.3.7例題(lìtí)確定精流塔封頭形式及尺寸(chǐcun)。塔徑Di=600mm，壁厚Sn=7mm，材質為16