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1 第四章內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì) 教學(xué)重點(diǎn) 內(nèi)壓薄壁圓筒的厚度計(jì)算教學(xué)難點(diǎn) 厚度的概念和設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 2 舊壓力容器厚度進(jìn)行強(qiáng)度校核的意義判定在下一個(gè)檢驗(yàn)周期內(nèi)或在剩余壽命期間內(nèi) 容器是否還能在原設(shè)計(jì)條件下安全使用的條件當(dāng)容器已被判定不能在原設(shè)計(jì)條件下使用時(shí) 應(yīng)通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算 提出容器監(jiān)控使用當(dāng)容器針對(duì)某一使用條件需要判廢時(shí) 應(yīng)提出判廢依據(jù) 3 根據(jù)薄膜理論進(jìn)行應(yīng)力分析 確定薄膜應(yīng)力狀態(tài)下的主應(yīng)力根據(jù)彈性失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 應(yīng)用強(qiáng)度理論確定應(yīng)力的強(qiáng)度判據(jù)對(duì)于封頭 考慮到薄膜應(yīng)力的變化和邊緣應(yīng)力的影響 按殼體中的應(yīng)力狀況在公式中引進(jìn)應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度判據(jù) 考慮腐蝕等實(shí)際因素導(dǎo)出具體的計(jì)算公式 內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式推導(dǎo)過(guò)程 4 容器上一處的最大應(yīng)力達(dá)到材料在設(shè)計(jì)溫度下的屈服點(diǎn) 容器即告失效 失去正常的工作能力 也就是說(shuō) 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(dāng)應(yīng)力必須小于材料由單向拉伸時(shí)測(cè)得的屈服點(diǎn) 第一節(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基本知識(shí) 一 關(guān)于彈性失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 1 彈性失效理論 5 為了保證結(jié)構(gòu)安全可靠地工作 必須留有一定的安全裕度 使結(jié)構(gòu)中的最大工作應(yīng)力與材料的許用應(yīng)力之間滿足一定的關(guān)系 即 相當(dāng)應(yīng)力 MPa 可由強(qiáng)度理論確定 極限應(yīng)力 MPa 可由簡(jiǎn)單拉伸試驗(yàn)確定 安全系數(shù) 許用應(yīng)力 MPa 2 強(qiáng)度安全條件 6 徑向應(yīng)力 二 強(qiáng)度理論及其相應(yīng)的強(qiáng)度條件 1 薄壁壓力容器的應(yīng)力狀態(tài) 圖4 1應(yīng)力狀態(tài) 7 由薄膜理論 圓筒壁內(nèi)應(yīng)力為經(jīng)向應(yīng)力 環(huán)向應(yīng)力 法向應(yīng)力 被認(rèn)為是0 則三項(xiàng)主應(yīng)力為 8 第一強(qiáng)度理論 最大拉應(yīng)力理論 使材料發(fā)生斷裂破壞的主要因素是最大主拉應(yīng)力 1 只要 1達(dá)到單向拉伸時(shí)材料的強(qiáng)度極限 b材料將要斷裂破壞 破壞條件 強(qiáng)度條件 該理論與均質(zhì)的脆性材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好 9 第二強(qiáng)度理論 最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變理論 當(dāng)材料的最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變 1達(dá)到材料單向受拉破壞時(shí)的線應(yīng)變 b b E時(shí) 材料將要發(fā)生斷裂破壞 破壞條件 強(qiáng)度條件 該理論只與少數(shù)脆性材料的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合 10 第三強(qiáng)度理論 最大剪切應(yīng)力理論 最大切應(yīng)力是使材料發(fā)生屈服破壞的根本原因 只要最大剪切應(yīng)力 max達(dá)到材料單向受力時(shí)的屈服極限 s所對(duì)應(yīng)的極限剪切應(yīng)力 s s 2 材料將發(fā)生屈服 剪斷 破壞 破壞條件 強(qiáng)度條件 11 第四強(qiáng)度理論 能量理論 形狀改變比能是引起材料屈服破壞的基本原因 只要復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下材料形狀改變比能達(dá)到單向受力情況屈服破壞時(shí)相應(yīng)的極限形狀改變比能 材料就會(huì)發(fā)生屈服破壞 破壞條件 強(qiáng)度條件 第三強(qiáng)度理論偏于安全 第四強(qiáng)度理論偏于經(jīng)濟(jì) 12 在大多數(shù)應(yīng)力狀態(tài)下 脆性材料將發(fā)生脆性斷裂 因而應(yīng)選用第一強(qiáng)度理論 而在大多數(shù)應(yīng)力狀態(tài)下 塑性材料將發(fā)生屈服和剪斷 故應(yīng)選用第三強(qiáng)度理論或第四強(qiáng)度理論 但材料的破壞形式不僅取決于材料的力學(xué)行為 而且與所處的應(yīng)力狀態(tài) 溫度和加載速度有關(guān) 實(shí)驗(yàn)表明 塑性材料在一定的條件下 低溫和三向拉伸 會(huì)表現(xiàn)為脆性斷裂 脆性材料在三向受壓表現(xiàn)為塑性屈服 13 第一強(qiáng)度理論 最大主應(yīng)力理論 第三強(qiáng)度理論 最大剪應(yīng)力理論 強(qiáng)度條件 強(qiáng)度條件 適用于脆性材料 適用于塑性材料 總結(jié) 14 第四強(qiáng)度理論 能量理論 強(qiáng)度條件 適用于塑性材料 第二強(qiáng)度理論 最大變形理論 與實(shí)際相差較大 目前很少采用 壓力容器材料都是塑性材料 應(yīng)采用三 四強(qiáng)度理論 GB150 98采用第三強(qiáng)度理論 15 第三強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件為 因此圓筒強(qiáng)度條件為 16 4 2內(nèi)壓薄壁圓筒殼與球殼的強(qiáng)度設(shè)計(jì)4 2 1強(qiáng)度計(jì)算公式依據(jù)第三強(qiáng)度理論 強(qiáng)度公式為 參數(shù)變換 1 將中徑換算為圓筒內(nèi)徑 D Di 2 壓力換為計(jì)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(qū)晶粒粗大等造成的強(qiáng)度削弱 引進(jìn)焊縫系數(shù)f 1 4 材料的許用應(yīng)力與設(shè)計(jì)溫度有關(guān) 17 考慮實(shí)際情況 引入pc等參數(shù) 考慮介質(zhì)腐蝕性 考慮鋼板厚度負(fù)偏差并圓整 第二節(jié)內(nèi)壓薄壁圓筒殼體與球殼的強(qiáng)度設(shè)計(jì) 一 強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式 1 內(nèi)壓薄壁圓筒 這是寫在圖紙上的鋼板厚度 18 強(qiáng)度校核公式 最大允許工作壓力計(jì)算公式 1 當(dāng)筒體采用無(wú)縫鋼管時(shí) 應(yīng)將式中的Di換為D02 以上公式的適用范圍為3 用第四強(qiáng)度理論計(jì)算結(jié)果相差不大 19 式中 e 有效壁厚 e 圓整后的壁厚 n C1 C2 強(qiáng)度校核公式 1 在工作壓力及溫度下 現(xiàn)有容器強(qiáng)度夠否 2 現(xiàn)有容器的最大允許工作壓力如何 20 公式的適用范圍為 2 內(nèi)壓球形殼體 21 工作壓力 指在正常工作情況下 容器頂部可能達(dá)到的最高壓力 設(shè)計(jì)壓力 指設(shè)定的容器頂部的最高壓力 它與相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度一起作為設(shè)計(jì)載荷條件 其值不低于工作壓力 計(jì)算壓力 指在相應(yīng)設(shè)計(jì)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 計(jì)算壓力pc 設(shè)計(jì)壓力p 液柱靜壓力 二 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 1 壓力 表壓 22 工作壓力pw 正常工作情況下 容器頂部可能達(dá)到的最高壓力 由工藝計(jì)算確定 化學(xué)反應(yīng)所要求的 傳遞過(guò)程所必需的 由液化氣體的飽和蒸汽壓所決定的 23 設(shè)計(jì)壓力p 設(shè)定的容器頂部的最高壓力 設(shè)計(jì)載荷 取值方法 1 容器上裝有安全閥 取不低于安全閥開啟壓力 p 1 05 1 1 pw系數(shù)取決于彈簧起跳壓力 24 2 容器內(nèi)有爆炸性介質(zhì) 安裝有防爆膜時(shí) 取設(shè)計(jì)壓力為爆破片設(shè)計(jì)爆破壓力加制造范圍上限 P93表4 3 表4 4 防爆膜裝置示意圖 看看爆破片的工作情況 25 3 無(wú)安全泄放裝置 取p 1 0 1 1 pw 4 盛裝液化氣容器 設(shè)計(jì)壓力應(yīng)根據(jù)工作條件下可能達(dá)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(shí)的氣體壓力 注意 要考慮實(shí)際工作環(huán)境 如放置地區(qū) 保溫 遮陽(yáng) 噴水等 例如 液氨儲(chǔ)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(shè)計(jì)壓力 2 若容器安放有安全閥 設(shè)計(jì)壓力 26 5 外壓容器 取p 正常操作下可能產(chǎn)生的最大壓差 注意 正常操作 含空料 真空檢漏 穩(wěn)定生產(chǎn) 中間停車等情況 6 真空容器 不設(shè)安全閥時(shí) 取0 1MPa 設(shè)有安全閥時(shí)取Min 1 25 p 0 1MPa 27 釜壁可能承受壓力情況 釜內(nèi)空料 夾套內(nèi)充蒸汽 外壓0 2MPa 釜內(nèi)真空 夾套內(nèi)充蒸汽 外壓0 3MPa 釜內(nèi)0 3MPa 夾套內(nèi)0 2MPa 內(nèi)壓0 1MPa 釜內(nèi)0 3MPa 夾套內(nèi)空料 內(nèi)壓0 3MPa 釜壁承受的最大壓差 內(nèi)壓0 3MPa或外壓0 3MPa 7 帶夾套容器 取正常操作時(shí)可能出現(xiàn)的最大內(nèi)外壓差 例如帶夾套的反應(yīng)釜 夾套內(nèi)蒸汽壓力為0 2MPa 釜內(nèi)開始抽真空 然后釜內(nèi)升壓至0 3MPa 該釜壁承受壓力如何 28 表4 1設(shè)計(jì)壓力與計(jì)算壓力的取值范圍 29 計(jì)算壓力pc 在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下 用以確定元件厚度的壓力 其中包括液柱靜壓力 當(dāng)元件所承受的液柱靜壓力小于5 設(shè)計(jì)壓力時(shí) 可忽略不計(jì) 即計(jì)算壓力 設(shè)計(jì)壓力 液柱靜壓力 5 P時(shí)計(jì)入 可見 計(jì)算壓力 設(shè)計(jì)壓力 工作壓力 容器頂部表壓 例 一立式容器 工作壓力0 5MPa 液體深10m 密度為10 000N m3 pw 0 5MPa p 0 5MPapc 0 5 10 10 000 1 000 000 0 6MPa 30 指容器在正常工作情況下 在相應(yīng)的設(shè)計(jì)壓力下 設(shè)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(shè)計(jì)溫度是選擇材料和確定許用應(yīng)力時(shí)不可少的參數(shù) 2 設(shè)計(jì)溫度 31 確定設(shè)計(jì)溫度的方法 1 對(duì)類似設(shè)備實(shí)測(cè) 2 傳熱計(jì)算 3 參照書P94表4 5 例如 不被加熱或冷卻的器壁 且壁外有保溫 取介質(zhì)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(zhì)的溫度 等等 32 1 極限應(yīng)力 極限應(yīng)力的選取與結(jié)構(gòu)的使用條件和失效準(zhǔn)則有關(guān) 極限應(yīng)力可以是 許用應(yīng)力是以材料的各項(xiàng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)為依據(jù) 合理選擇安全系數(shù)n得出的 3 許用應(yīng)力和安全系數(shù) 33 常溫容器 中溫容器 高溫容器 34 2 安全系數(shù) 安全系數(shù)是一個(gè)不斷發(fā)展變化的參數(shù) 隨著科技發(fā)展 安全系數(shù)將逐漸變小 常溫下 碳鋼和低合金鋼 表4 2鋼材的安全系數(shù) 35 焊縫區(qū)的強(qiáng)度主要取決于熔焊金屬 焊縫結(jié)構(gòu)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(wú)損檢測(cè)的長(zhǎng)度比率 焊接接頭系數(shù) 是焊接削弱而降低設(shè)計(jì)許用應(yīng)力的系數(shù) 4 焊接接頭系數(shù) 表4 3焊接接頭系數(shù) 36 容器上存在有 縱焊縫 A類焊縫環(huán)焊縫 B類焊縫需要進(jìn)行無(wú)損檢驗(yàn) 檢驗(yàn)方法主要是 X射線檢查和超聲波檢查 為什麼要進(jìn)行無(wú)損檢驗(yàn) 37 缺陷 夾渣 未焊透 晶粒粗大等 在外觀看不出來(lái) 熔池內(nèi)金屬?gòu)娜刍侥痰倪^(guò)程受到熔池外金屬的剛性約束 內(nèi)應(yīng)力很大 焊縫區(qū)強(qiáng)度比較薄弱 焊接后常出現(xiàn) 38 焊接缺陷 39 為綜合考慮筒體強(qiáng)度 設(shè)計(jì)公式中將鋼板母材的許用應(yīng)力乘以 1 f 40 焊接接頭系數(shù) f 41 你能回答下列問(wèn)題嗎 1 可否采用搭接焊結(jié)構(gòu)制作壓力容器殼體 為什麼 2 焊縫處為什麼要進(jìn)行無(wú)損探傷檢查 3 焊縫系數(shù) 為什麼小于等于1 4 取焊縫系數(shù)的依據(jù)是什麼 5 壁厚計(jì)算公式中的 t是鋼板的許用應(yīng)力 還是焊縫材料的許用應(yīng)力 6 帶墊板的焊縫結(jié)構(gòu)中 墊板的作用是什麼 是否起加強(qiáng)作用 42 滿足強(qiáng)度要求的計(jì)算厚度之外 額外增加的厚度 包括鋼板負(fù)偏差 或鋼管負(fù)偏差 C1 腐蝕裕量C2即C C1十C2 1 按表4 9選取2 當(dāng)鋼材的厚度負(fù)偏差不大于0 25mm 且不超過(guò)名義厚度的6 時(shí) 負(fù)偏差可以忽略不計(jì) 為防止容器元件由于腐蝕 機(jī)械磨損而導(dǎo)致厚度削弱減薄 應(yīng)考慮腐蝕裕量 C1鋼板厚度負(fù)偏差 C2腐蝕裕量 5 厚度附加量C 43 A 容器壁厚附加量 1 鋼板或鋼管厚度負(fù)偏差C1 例如 44 在設(shè)計(jì)容器壁厚時(shí)要 預(yù)先考慮負(fù)偏差 鋼板負(fù)偏差參見p97表4 9選取 鋼管厚度負(fù)偏差參見P97表4 10 45 B 腐蝕裕量C2 容器元件由于腐蝕或機(jī)械磨損 厚度減薄 在設(shè)計(jì)壁厚時(shí)要考慮容器使用壽命期內(nèi)的安全性 具體規(guī)定如下 對(duì)有腐蝕或磨損的元件 C2 KaBKa 腐蝕速率 mm a 由材料手冊(cè)或?qū)嶒?yàn)確定 B 容器的設(shè)計(jì)壽命 通常為10 15年 一般情況 Ka 0 05 0 13mm a的輕微腐蝕時(shí) 對(duì)單面腐蝕取C2 1 2mm 對(duì)雙面腐蝕取C2 2 4mm 對(duì)于不銹鋼 一般取0 46 1 確定腐蝕裕度的依據(jù) 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(shí) 設(shè)計(jì)中可采用不同的腐蝕裕量 介質(zhì)為壓縮空氣 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(duì)不銹鋼容器 腐蝕輕微時(shí)可取C2 0 還要記住 47 6 直徑系列與鋼板厚度 要按照鋼板厚度尺寸系列標(biāo)準(zhǔn)GB709 88的規(guī)定選取 P99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(jīng)施行標(biāo)準(zhǔn)化 GB9019 88 筒體與封頭的公稱直徑配套 見P60表2 5 筒體直徑是否可以隨意定 48 1 壓力容器的公稱直徑鋼板卷焊筒體和成型封頭的公稱直徑是內(nèi)徑 49 標(biāo)準(zhǔn)化問(wèn)題 直徑系列與鋼板厚度 表4 4常用鋼板厚度 注 5mm為不銹鋼常用厚度 50 1 厚度的定義 三 容器的厚度和最小厚度 圖4 2壁厚的概念 51 設(shè)計(jì)壓力較低的容器計(jì)算厚度很薄 大型容器剛度不足 不滿足運(yùn)輸 安裝 限定最小厚度以滿足剛度和穩(wěn)定性要求 殼體加工成形后不包括腐蝕裕量最小厚度 a 碳素鋼和低合金鋼制容器不小于3mmb 對(duì)高合金鋼制容器 不小于2mm 2 最小厚度 c 碳素鋼 低合金鋼制塔式容器 min d max 4mm 不銹鋼制塔式容器 max 3mm 52 1 標(biāo)注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(shuí)定 3 加工后容器的實(shí)際壁厚不能小于多厚才可以在使用壽命期內(nèi)保證安全 4 規(guī)定容器最小壁厚的目的是什麼 思考如下問(wèn)題 53 在于檢驗(yàn)容器的宏觀強(qiáng)度和有無(wú)滲漏現(xiàn)象 即考察容器的密封性 以確保設(shè)備的安全運(yùn)行 目的 液壓試驗(yàn) 氣壓試驗(yàn) 氣密性試驗(yàn) 壓力試驗(yàn)的種類 四 壓力試驗(yàn)與強(qiáng)度校核 54 為什麼要進(jìn)行壓力試驗(yàn)?zāi)?制造加工過(guò)程不完善 導(dǎo)致不安全 發(fā)生過(guò)大變形或滲漏 最常用的壓力試驗(yàn)方法是液壓試驗(yàn) 使用常溫水 也可用不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)的其它液體 液壓試驗(yàn)時(shí)水溫不能過(guò)低 碳素鋼 16MnR不低于5 其它低合金鋼不低于15 試驗(yàn)時(shí)液體的溫度應(yīng)低于其閃點(diǎn)或沸點(diǎn) 55 壓力試驗(yàn)的時(shí)機(jī) 1 容器制成后 2 檢修后 試驗(yàn)?zāi)康?1 檢驗(yàn)容器宏觀強(qiáng)度 是否出現(xiàn)裂紋 是否變形過(guò)大 2 密封點(diǎn)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(jìn)行壓力試驗(yàn)和氣密試驗(yàn) 2 須分段交貨的容器 在工地組裝并對(duì)環(huán)焊縫進(jìn)行熱處理后 進(jìn)行壓力試驗(yàn) 3 塔器須安裝后進(jìn)行水壓試驗(yàn) 56 壓力試驗(yàn)分類 液壓試驗(yàn)介質(zhì) 一般為水 過(guò)程 充水排氣 設(shè)計(jì)壓力無(wú)泄漏 開始 試驗(yàn)壓力下保壓30分鐘 卸壓 吹凈 結(jié)束 試驗(yàn)壓力的80 保壓檢查 57 注意 不銹鋼容器 水中氯離子不得超過(guò)25mg L 試壓合格的條件 1 無(wú)滲漏 2 無(wú)可見變形 3 試驗(yàn)過(guò)程中無(wú)異常響聲 4 b 540MPa的材料 表面經(jīng)無(wú)損檢驗(yàn)無(wú)裂紋 看看水壓試驗(yàn)過(guò)程 58 氣壓試驗(yàn) 不適合液壓試驗(yàn)的 如裝入貴重催化劑要求內(nèi)部烘干 或容器內(nèi)襯耐熱混凝土不易烘干 或由于結(jié)構(gòu)原因不易充滿液體的容器以及容積很大的容器等 可用氣壓試驗(yàn)代替液壓試驗(yàn) 氣壓試驗(yàn)時(shí)介質(zhì)溫度不低于15 氣密試驗(yàn) 針對(duì)介質(zhì)具有毒性程度為極度或具有高度危害的容器 在液壓試驗(yàn)后進(jìn)行 氣密試驗(yàn)壓力取設(shè)計(jì)壓力 59 液壓試驗(yàn) 氣壓試驗(yàn) 內(nèi)壓容器試驗(yàn)壓力 1 試驗(yàn)壓力 t大于1 8時(shí) 按1 8計(jì)算 如果容器各元件 圓筒 封頭 接管 法蘭及緊固件等 所用材料不同時(shí) 應(yīng)取各元件材料的比值中最小者 容器銘牌上規(guī)定有最大允許工作壓力時(shí) 公式中應(yīng)以最大允許工作壓力代替設(shè)計(jì)壓力p 60 液壓試驗(yàn) 氣壓試驗(yàn) 2 壓力試驗(yàn)的應(yīng)力校核 圓筒壁在試驗(yàn)壓力下的計(jì)算應(yīng)力 61 五 例題 例4 1 某化工廠欲設(shè)計(jì)一臺(tái)石油氣分離用乙烯精餾塔 工藝參數(shù)為 塔體內(nèi)徑 計(jì)算壓力 工作溫度t 3 20 試選擇塔體材料并確定塔體厚度 由于石油氣對(duì)鋼材腐蝕不大 溫度在 3 20 壓力為中壓 故選用16MnR 2 確定參數(shù) 附表9 1 采用帶墊板的單面焊對(duì)接接頭 局部無(wú)損檢測(cè) 表4 8 取 解 1 選材 62 3 厚度計(jì)算 計(jì)算厚度 設(shè)計(jì)厚度 根據(jù) 查表4 9得 名義厚度 圓整后 取名義厚度為 復(fù)驗(yàn) 故最后取 該塔體可用7mm厚的16MnR鋼板制作 63 4 校核水壓試驗(yàn)強(qiáng)度 式中 則 而 可見 所以水壓試驗(yàn)強(qiáng)度足夠 64 例2設(shè)計(jì)鍋爐汽包的筒體壁厚 工作壓力為15 6MPa 工作溫度為350 其內(nèi)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(shù) 1 工作壓力15 6MPa 是高壓容器 屬于三類容器 其焊縫結(jié)構(gòu)必須是雙面對(duì)接焊結(jié)構(gòu)或其他等強(qiáng)度焊接 100 無(wú)損探傷 1 2 筒體需保溫 則筒壁設(shè)計(jì)溫度取介質(zhì)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(duì)低合金鋼有輕微腐蝕 且為單面腐蝕 C2 1mm 65 3 計(jì)算壁厚 4 設(shè)計(jì)壁厚 d C2 61 5 1 0 62 5 mm 查表4 9得C1 0 25 mm 壁厚附加量C C1 C2 0 25 1 0 1 25 mm 5 名義厚度 n C 圓整量61 5 1 25 62 75 mm 圓整后為65 mm 66 6 校核水壓試驗(yàn)強(qiáng)度水壓試驗(yàn)強(qiáng)度條件為 式中 e n C 65 2 8 62 2 mm 則 T 234 9 MPa 而0 9 s 0 9 1 410 369 MPa T 0 9 s水壓試驗(yàn)合格 67 例3校驗(yàn)舊氣瓶 資料記載該氣瓶材質(zhì)為40Mn2A 系無(wú)縫鋼管收口而成 實(shí)測(cè)其外徑為219mm 最小壁厚為6 5mm 查材料手冊(cè)得該材料的 b 785MPa s 510MPa d5 18 1 常溫下可否充15MPa氧氣 2 如強(qiáng)度不夠 最高允許工作壓力多少 解 1 確定參數(shù)pc 15MPa DO 219mm n 6 5mm 無(wú)縫鋼管 1 C2 1mm 實(shí)測(cè)壁厚6 5mm 則C1 0 e 6 5 1 5 5mm 許用應(yīng)力求取 t min b nb s ns min 785 3 510 1 6 262 MPa 68 2 強(qiáng)度校核校核公式為 充15MPa強(qiáng)度不夠 3 確定最高允許工作壓力計(jì)算公式為 該氣瓶的最大安全使用壓力為13 48MPa 69 注意 實(shí)測(cè)壁厚 概念 即無(wú)需考慮負(fù)偏差問(wèn)題 C1 0 無(wú)縫鋼管制的容器公稱直徑為外徑 壁厚計(jì)算公式中應(yīng)采用外徑 公式應(yīng)該如何 自己試推導(dǎo)一下 70 容器封頭 端蓋 凸形封頭 錐形封頭 平板封頭 半球形封頭 橢圓形封頭 碟形封頭 球冠形封頭 第三節(jié)內(nèi)壓圓筒封頭的設(shè)計(jì) 71 4 3 1半球形封頭1 結(jié)構(gòu) 1 整體半球殼體 2 焊接半球殼體 瓜瓣組焊 2 與筒體連接結(jié)構(gòu) 與筒體連接部位要圓滑過(guò)渡 為什麼 與筒體連接的環(huán)焊縫屬于球殼內(nèi)的部分 確定封頭厚度時(shí)應(yīng)考慮這一環(huán)焊縫的焊接接頭系數(shù) 72 半球形封頭是由半個(gè)球殼構(gòu)成的 它的計(jì)算壁厚公式與球殼相同 圖4 3半球形封頭 73 受內(nèi)壓球形封頭計(jì)算壁厚與球殼相同 球形封頭壁厚可較圓筒殼減薄一半 但為焊接方便以及降低邊緣壓力 半球形封頭常和筒體取相同的厚度 74 1 橢圓封頭的結(jié)構(gòu) 為什麼要有直邊 1 保證封頭的制造質(zhì)量 2 不連續(xù)點(diǎn)與環(huán)焊縫分開 從而避免邊緣應(yīng)力與焊接應(yīng)力 膜應(yīng)力集聚 降低合應(yīng)力 75 橢圓形封頭是由長(zhǎng)短半軸分別為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(gòu)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)向焊縫受邊緣應(yīng)力作用 圖4 4橢圓形封頭 橢球殼壁內(nèi)應(yīng)力的大小及變化受a b值的影響 形狀系數(shù)K 76 K 橢圓形封頭形狀系數(shù)的取值 P104表4 14 77 圖3 17例3 2附圖 2 K與應(yīng)力的關(guān)系 78 結(jié)論 當(dāng)橢球殼的長(zhǎng)短半軸a b 2時(shí) 橢球殼赤道上出現(xiàn)很大的環(huán)向應(yīng)力 其絕對(duì)值遠(yuǎn)大于頂點(diǎn)的應(yīng)力 從而引入形狀系數(shù)K 也稱應(yīng)力增加系數(shù) 標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭K 1 a b 2 計(jì)算厚度公式為 79 橢圓封頭最大允許工作壓力計(jì)算公式 GB150 1998規(guī)定 橢圓形封頭標(biāo)準(zhǔn)為JB T4737 95 80 注意 1 加工減薄量由制作單位確定 2 各參數(shù)的單位 公式中只用MPa和mm 3 對(duì)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(qiáng)度高于圓筒 所以 水壓試驗(yàn)強(qiáng)度校核時(shí) 校核筒體強(qiáng)度就可以了 為什麼 4 直邊高度按P105表4 15選取 81 碟形封頭的組成 三 碟形封頭 圖4 5碟形封頭 82 1 碟形封頭的結(jié)構(gòu) 特點(diǎn) Ri r值不同 球面與摺邊連接處的曲率突變 應(yīng)用 相同受力 碟形封頭壁厚比橢圓形封頭壁厚要大些 而且碟形封頭存在應(yīng)力不連續(xù) 因此沒有橢圓形封頭應(yīng)用廣泛 83 形狀系數(shù) 計(jì)算厚度公式 GB150 1998規(guī)定 標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭計(jì)算厚度公式 84 當(dāng)?shù)畏忸^的球面半徑Ri 0 9Di 過(guò)渡圓弧r 0 17Di時(shí) 稱為標(biāo)準(zhǔn)碟面封頭 M 1 2 85 4 3 4球冠形封頭 降低凸形封頭高度 將碟形封頭的直邊及過(guò)圓弧部分去掉 只留下球面部分 也稱無(wú)折邊球形封頭 86 式中Di 封頭和筒體的內(nèi)直徑 Q 系數(shù) 見書P107圖4 9 2 壁厚計(jì)算公式 87 廣泛應(yīng)用于許多化工設(shè)備的底蓋 它的優(yōu)點(diǎn)是便于收集與卸除這些設(shè)備中的固體物料 此外 有一些塔設(shè)備上 下部分的直徑不等 也常用錐形殼體將直徑不等的兩段塔體連接起來(lái) 這時(shí)的錐形殼體稱為變徑段 四 錐形封頭 88 推導(dǎo) 受均勻內(nèi)壓的錐形封頭的最大應(yīng)力在錐殼大端 有強(qiáng)度條件為厚度計(jì)算公式為加上接頭系數(shù)得 錐形封頭厚度計(jì)算公式 89 Dc的取值 若無(wú)折邊 Dc Di若有折邊 Dc Di 90 為減小邊緣應(yīng)力 錐形封頭結(jié)構(gòu)常有如下結(jié)構(gòu) 1 局部加強(qiáng) 30 的大端及 45 的小端 2 加過(guò)渡圓弧 30 的大端及 45 的小端 受內(nèi)壓無(wú)折邊錐形封頭 受內(nèi)壓帶折邊錐形封頭 91 一 無(wú)折邊錐形封頭或錐形筒體 適用于錐殼半錐角a 3001 錐殼大端a 查圖4 15 大端是否須加強(qiáng) 92 c 需加強(qiáng) 以降低聯(lián)接處的局部應(yīng)力 錐殼加強(qiáng)段和圓筒加強(qiáng)段厚度相同 Q為錐殼與圓筒聯(lián)接處的應(yīng)力增值系數(shù) 查圖4 16 93 2 錐殼小端 a 450 a 查圖4 17 小端是否須加強(qiáng) 94 b 不必局部加強(qiáng) 計(jì)算壁厚同大端 95 c 需加強(qiáng) 加強(qiáng)段和圓筒加強(qiáng)段厚度相同 Q為錐殼與圓筒聯(lián)接處的應(yīng)力增值系數(shù) 查圖4 18 96 無(wú)折邊錐殼 30 大端采用無(wú)折邊結(jié)構(gòu) 45 小端采用無(wú)折邊結(jié)構(gòu) 97 3 無(wú)折邊錐殼的厚度 錐殼厚度 4 27 4 28 4 29 統(tǒng)一厚度 98 二 折邊錐形封頭或錐形筒體 可降低應(yīng)力集中 適用于錐殼大端半錐角a 300 小端半錐角a 450 當(dāng)錐殼半錐角a 600時(shí) 按平蓋計(jì)算 大端r 10 Di 且 3 r 小端r 5 Di 且 3 r 99 1 錐殼大端a 過(guò)渡段的計(jì)算壁厚 100 b 與過(guò)渡段相連接處的錐殼計(jì)算壁厚 101 錐殼大端過(guò)渡段厚度與過(guò)渡段相連接處的錐殼厚度與錐殼大端相連接的筒體厚度結(jié)論 1 錐殼厚度 筒體厚度 過(guò)渡段厚度 2 錐頂角越大 錐殼越厚 102 2 錐殼小端a 半錐角a 450 小端無(wú)折邊計(jì)算同前b 小端有折邊 過(guò)渡段厚度按 4 29 確定 Q值查圖4 18 c 半錐角a 450 小端過(guò)渡段厚度仍按 4 29 確定 Q值查圖4 19 103 錐形封頭的小端與接口管相連 一般不加過(guò)渡弧 但接口管應(yīng)增厚 厚度取錐體厚度 加厚的長(zhǎng)度 104 當(dāng)錐殼大端或大 小段同時(shí)具有過(guò)渡弧段時(shí) 分別計(jì)算和確定錐殼各部分厚度 如只考慮一種厚度 取計(jì)算值中最大值作為折邊錐殼的厚度 105 是常用的一種封頭 其幾何形狀有圓形 橢圓形 長(zhǎng)圓形 矩形和方形等 最常用的是圓形平板封頭 在各種封頭中 平板結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單 制造就方便 但在同樣直徑 壓力下所需的厚度最大 因此一般只用于小直徑和壓力低的容器 但有時(shí)在高壓容器中 如合成塔中也用平蓋 這是因?yàn)樗亩松w很厚且直徑較小 制造直徑小厚度大的凸形封頭很困難 五 平板封頭 106 1 平板內(nèi)應(yīng)力狀態(tài) 周邊簡(jiǎn)支 根據(jù)強(qiáng)度條件 107 周邊固支 根據(jù)強(qiáng)度條件 實(shí)際情況是介于簡(jiǎn)支和固支中間 系數(shù)在0 188 0 31之間 歸結(jié)為一個(gè)結(jié)構(gòu)特征系數(shù)K 見表4 19 108 平板封頭厚度設(shè)計(jì)公式 平板封頭的計(jì)算厚度mm 計(jì)算直徑mm 計(jì)算

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