09容器設計基礎(chǔ)2中低壓

1、9.49.5中低壓內(nèi)壓容器設計n 一. 概述（不限于中低壓容器）n 1.設計內(nèi)容n 2.設計n 3.強度理論n 二. 基本設計公式n 主要討論筒體公式的來源n 三. 設計參數(shù)的選擇、溫度、焊縫系數(shù)等參數(shù)的選擇n 四. 封頭n 1. 封頭的種類n 2. 封頭的結(jié)構(gòu)特性n 3. 封頭的計算第9章 容器設計基礎(chǔ)1. 概述一.概述1. 概述1.設計內(nèi)容容器應根據(jù)工藝過程要求和條件，進行結(jié)構(gòu)設計和強度設計。n 結(jié)構(gòu)設計：主要選擇適用、合理、的結(jié)構(gòu)形和維修的要式，同時滿足求。n 強度計算：內(nèi)容、檢測、裝配、選擇容器的材料，確定主 要尺寸，滿足強度、剛度和安全可靠地運行。性的要求，以確保容器第9章 容器設計

2、基礎(chǔ)1. 概述2. 設計n 常規(guī)設計n 又稱規(guī)則設計，依據(jù)“鋼制容器”進行設計。該標準采用彈性失效準則，對殼體應力不作詳細分析，只計算總體應力，并限制殼體的基本（薄膜）應力不超過材料的應力值。而由于總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)引起的附加應力，以應力增強系數(shù)引入壁厚計算n 分析設計n 要求對容器的載荷做詳細的分析。并根據(jù)載荷的性質(zhì)進行，在此基礎(chǔ)上，對不同的應力加以限制第9章 容器設計基礎(chǔ)1. 概述n 按規(guī)則設計 - GB150鋼制容器n 基于的設計，其典型過程是確定設計載荷，選用設計公式、曲線或圖表，并對材料取一個安全應力，最終給出容器的基本厚度，然后根據(jù)規(guī)范的構(gòu)造細則及有關(guān)檢驗要求進行。n 按分析設計-JB

3、4732鋼制標準容器分析設計n 基于考慮作用在容器上載荷的性質(zhì)，進行詳細的應力分析，計算得到的應力按其對容器破壞的作用分類，與料、應力強度比較和評定，并加上嚴格的材和檢驗要求第9章 容器設計基礎(chǔ)1. 概述3. 強度理論n 按照強度理論，對于鋼制容器適宜于采用第三、第四強度理論，但是，第一強度理論在容器設計歷史上使用最早，有成熟的實踐經(jīng)驗， 而且由于強度條件不同而引起的誤差已考慮在安全系數(shù)內(nèi)，所以至今在容器常規(guī)設計中仍采用第一強度理論即：s £ s 式中s為器壁中三個主應力中最大的一個第9章 容器設計基礎(chǔ)二. 內(nèi)壓圓筒的設計公式二. 內(nèi)壓圓筒的設計公式1. 筒體設計公式厚度設計公式：p

4、Did=cjt需要圓整 )2 sn -應力校核公式：Di+ d e2d e=pc()£ss tjt第9章 容器設計基礎(chǔ)2. 內(nèi)壓容器設計公式推導p=Dsps=c2djxdD£ sDi+ dc2dtpc()£ std2Di+ dpc()£sjtDi2dpd =c2stj - pcpDid=cs tj -n2第9章 容器設計基礎(chǔ)n為圓整后，按實際鋼板的厚度選取的厚度考慮腐蝕裕量和鋼板負偏差考慮焊縫系數(shù)引入內(nèi)徑概念考慮溫度影響引入計算三、設計參數(shù)的選擇三. 參數(shù)選擇1.Pw：在正常工作情況下，容器頂部可能達到的最n 工作 高工作n 設計Pd ：設定的容器頂部的

5、最高，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n 裝有安全閥， Pd=1.051.1最高工作，且不低于安全閥開啟n 液化石油天然氣容器，選取最高溫度下的相應飽和蒸汽壓作為設計Pn 計算：在相應設計溫度下，用以確定元件厚度的壓力，其中5% 設計液柱靜。當元件所承受的液柱靜小于，可忽略不計n 試驗：在試驗時的試驗<=筒體壁厚<=水壓試驗第9章 容器設計基礎(chǔ)3.設計參數(shù)2. 厚度dd dd nd e計算厚度：指按各公式計算得到的厚度。需要時尚應計入其他載荷所需厚度設計厚度：指計算厚度與腐蝕裕量之和名義厚度：指設計厚度加上鋼板負偏差后向上圓整至鋼材標準規(guī)格的厚度，既標注在圖樣上

6、的有效厚度：指名義厚度減去腐蝕裕量和鋼板負偏差第9章容器設計基礎(chǔ)3.設計參數(shù)3. 溫度n 設計溫度：指容器在正常工作情況下，設定的元件的溫度（沿元件金屬截面的溫度平均值）n 其值不得低于金屬可能達到的最高金屬溫度。對于0 度以下的金屬溫度，則設計溫度不得高于元件金屬可能達到的最低金屬溫度。容器金屬溫度可通過實測或由傳熱學估算。n 試驗溫度：指試驗時，殼體的金屬溫度第9章容器設計基礎(chǔ)3. 溫度n 容器內(nèi)裝有不被加熱或冷卻的介質(zhì)，殼體溫度取介質(zhì)本身溫度n 用蒸汽、熱水或其它液體加熱或冷凍的容器， 取加熱介質(zhì)或冷凍介質(zhì)溫度n 用可燃性氣體或電加熱的器壁，有襯砌層或一側(cè)露在大氣中，取被加熱介質(zhì)溫度加上

7、20；直接受影響的器壁加50 ；若載熱體溫度大于600 ，取介質(zhì)溫度加上100 。且器壁設計溫度均不低于250 第9章 容器設計基礎(chǔ)4. 焊縫系數(shù)大多數(shù)容器采用焊接結(jié)構(gòu)，焊接時由于可能出現(xiàn)的焊接缺陷，焊縫往往是容器強度比較薄弱的環(huán)節(jié)，因此在設計中用焊縫系數(shù)來表示焊縫金屬與母材強度的比值。它反映出容器受削弱的度<=筒體壁厚<=校核計算第9章 容器設計基礎(chǔ)3.設計參數(shù)5. 壁厚附加量厚度附加量由兩部分組成：鋼板或鋼管的厚度負偏差C1和腐蝕裕度C2。C1按相應鋼板或鋼管標準選取，如下表C2由介質(zhì)的腐蝕性和容器的使用C2=KY；確定，即n 對于碳素鋼和低合金鋼，C2不小于1mmn 對于不銹

8、鋼，當介質(zhì)的腐蝕性極少時，可取為零第9章容器設計基礎(chǔ)5.壁厚附加量熱軋無縫鋼管厚度負偏差<=筒體厚度<=校核計算第9章 容器設計基礎(chǔ)3.設計參數(shù)6.應力ìsst s nsï:常溫 min( b ,)nï s =btís sts ts t: ï高溫min(bs,D ,n ,n)ïînnnDbbsn對于碳素鋼、低合金鋼3n：,³對于奧氏體不銹鋼：n1³.5sn 1s³.6³1.n5 n ,³1,nD1nD ³1.5 n n , ³,第9章 容器設計

9、基礎(chǔ)我國容器標準為方便設計，直接給出常用鋼板、鋼管、 鍛件和螺栓材料在不同溫度下的應力值鋼板的應力<=筒體壁厚<=水壓試驗<=校核計算第9章 容器設計基礎(chǔ)鋼板的應力第9章 容器設計基礎(chǔ)鋼板的應力第9章 容器設計基礎(chǔ)鋼板的應力第9章 容器設計基礎(chǔ)7. 最小壁厚n 對碳鋼和低合金鋼，當內(nèi)直徑Di3800mm時， 其最小壁厚不小于3mm，腐蝕裕度另加。n 對不銹鋼容器，不小于2mm，腐蝕裕度另加。第9章 容器設計基礎(chǔ)四、內(nèi)壓封頭的設計與選擇12341. 封頭的種類半球形封頭橢圓形封頭碟形封頭無折邊球形封頭凸形封頭封頭平板封頭封頭第9章容器設計基礎(chǔ)2. 封頭的結(jié)構(gòu)特性1）半球形封頭：

10、半球形封頭是半個球殼。從受力來看，球形封頭是最理想的結(jié)構(gòu)。但整體沖壓，工作量大。第9章 容器設計基礎(chǔ)2. 封頭的結(jié)構(gòu)特性2）碟形封頭：由球面、過渡段及圓柱直三段組成。成型方便，但在三部分連接處，由于經(jīng)線曲率發(fā)生突變，受力狀況不佳。第9章 容器設計基礎(chǔ)2. 封頭的結(jié)構(gòu)特性3）橢圓形封頭：由半個橢球面和一圓柱直組成。由于橢圓部分經(jīng)線曲率平滑連續(xù)，故封頭中的應力分布比較均勻。結(jié)構(gòu)特性介于半球形和碟形封頭之間。第9章 容器設計基礎(chǔ)2. 封頭的結(jié)構(gòu)特性4）無折邊球形封頭：由部分球面封頭與圓筒直接連接。結(jié)構(gòu)簡單，方便，但在球面與圓筒連接處相當大的不連續(xù)應力。只能用于場合。不高的第9章 容器設計基礎(chǔ)2. 封

11、頭的結(jié)構(gòu)特性5）錐形封頭：有兩種，一種是無折邊錐形封頭，另一種是與筒體連接處有一過圓弧和一圓柱直的折邊錐形封頭。對于氣體的均勻進入和引出，不同直徑圓筒的過渡是理想的結(jié)構(gòu)，在厚度較，比較方便。123第9章 容器設計基礎(chǔ)2. 封頭的結(jié)構(gòu)特性6）平板封頭：是最簡單，最容易的一種封頭。但相同直徑和的容器，平板封頭厚度過大，材料耗費過多而且十分笨重。第9章 容器設計基礎(chǔ)2. 封頭的結(jié)構(gòu)特性綜上所述：n 從受力情況來看，半球形最好，橢圓形、碟形其次、錐形更次值、而平板最差。n 從角度來看，平板最容易，錐形其次，碟形、橢圓形更次值，而半球形最難。n 就使用而言，錐形有其特色。實際生產(chǎn)中，大多采用橢圓形封頭，

12、常壓或直徑不大的高壓容器常用平板封頭，半球形封頭力不高的用于低壓，錐形封頭用于壓第9章 容器設計基礎(chǔ)3. 封頭的設計計算對于受均勻內(nèi)壓封頭的強度計算，由于封頭和圓筒形器身相連接，所以不僅需要考慮封頭本身因內(nèi)壓引起的薄膜應力外，還要考慮與筒身連接處的不連續(xù)應力。連接處總應力的大小與封頭的幾何形狀和，封頭與筒身壁厚的比值大小有關(guān)。封頭設計中采用了比較簡單的，在導出基本公式時利用內(nèi)壓薄膜應力作為強度計算中的基本應力，而把因不連續(xù)效應產(chǎn)生的應力增強影響以應力增強系數(shù)的形式引入厚度計算。應力增強系數(shù)由正。矩理論導出，并輔以試驗修第9章 容器設計基礎(chǔ)3. 設計計算公式半球形封頭1）半球形封頭受均勻內(nèi)壓的半

13、球形封頭的壁厚可用球形殼體的公式計算：pc Di4s t j - pd =c第9章 容器設計基礎(chǔ)3. 設計計算公式橢圓形封頭第9章 容器設計基礎(chǔ)4.3設計計算公式橢圓形封頭2）橢圓形封頭由圖可知封頭中最大應力的位置和大小均隨a/b的改變而改變，當a/b=1.02.6時容器標準采用下式近似代替該曲線1 éö2 ùæ DK =ê2 + çi ÷ ú6 êëè 2hiúûø<=第9章 容器設計基礎(chǔ)Di/2hi2.62.52.42.32.22.12K1.46

14、1.371.291.211.141.071.003. 設計計算公式橢圓形封頭n 橢圓形封頭的設計厚度為與其相連的圓筒計算厚度的K倍，即：KpDd = scijt - p2cKpiDd =c我國容器標準計算公式為2 s jt-0 p.5cn 分母中的系數(shù)0.5是對理論計算精度的n GB150規(guī)定標準橢圓封頭的有效厚度應不小于封頭內(nèi)直徑的0.15%n 非標準橢圓封頭的有效厚度應不小于0.3%。第9章 容器設計基礎(chǔ)3.設計計算公式蝶形封頭RirDi第9章 容器設計基礎(chǔ)3.設計計算公式蝶形封頭n 3）蝶形封頭n 以前述曲線中實線為依據(jù)n 蝶形封頭的形狀系數(shù)：n 計算公式：M = 1 (3 +Ri)4r

15、Mpc Rid =2s t j - 0.5 pcn 對于標準蝶形封頭（Ri=0.9Di , ri=0.17Di ）其封頭有效厚度不小于封頭內(nèi)徑的0.15%n 非標準蝶形封頭有效厚度不小于0.3%第9章 容器設計基礎(chǔ)3.設計計算公式錐形封頭4）錐形封頭n 無折邊，無加強時pc Di2s t - p1cosad =cKc pc Di2s t - pn 無折邊，有加強時d =c第9章 容器設計基礎(chǔ)3.設計計算公式錐形封頭 Kc p/st第9章 容器設計基礎(chǔ)3.設計計算公式錐形封頭（4）錐形封頭是否需要加強通過下圖第9章 容器設計基礎(chǔ)3.設計計算公式錐形封頭當錐形封頭有折邊當大于30度時，為力情況，常

16、采用折邊封頭錐體與筒體連接處的受Kps jtiDd =c-20p.5n 錐體大端過渡區(qū)的壁厚cfps jtDid =cn 與過渡區(qū)連接處的錐體厚度-20p.5c第9章 容器設計基礎(chǔ)3.設計計算公式錐形封頭第9章 容器設計基礎(chǔ)r/Di3.設計計算公式平板封頭5）平板封頭圓形平板封頭的計算以圓形平板的應力分析為基礎(chǔ)的。對受橫向均布 內(nèi)壓的圓板，其最大應力為周邊固支（邊緣）：±3 p(Rds=)2cmax4對于周邊（中心）：3+ m= 3 ±(p ) Rs)2c(maxd8第9章 容器設計基礎(chǔ)3.設計計算公式平板封頭由于實際平板封頭與圓筒體相連接，真實的支撐即不是固支也不是，式(

17、a)可用下式表示Dds=±Kp()2max根據(jù)強度條件，圓平板封頭的設計厚度可按下式Kpcsjtd = Dc式中K為結(jié)構(gòu)特征系數(shù)；Dc為封頭的計算直徑第9章 容器設計基礎(chǔ)3.設計計算公式第9章 容器設計基礎(chǔ)3.設計計算公式第9章 容器設計基礎(chǔ)3.設計計算公式KzP對于非圓形平板封頭d=cas t j且z2.5式中z為形狀系數(shù)z = 3 .4 - 2 .4 æöabç÷èa, b 分別為非圓形平蓋的短軸和長軸長度K為結(jié)構(gòu)特征系數(shù)；Dc為封頭的計算直徑ø第9章 容器設計基礎(chǔ)例1設計一臺圓筒形受壓容器。內(nèi)徑Di=1400mm，長度

18、l=3000mm，兩端為標準橢圓形封頭，筒體和封頭材料均16MnR，腐蝕裕度取2mm，工作溫度280，最高工作為16MPa。試確定筒體和封頭的厚度。n 1.筒體的厚度n 為厚度設計，選用筒體的設計式n 設計參數(shù)的選取和計算1）pc = 1.1´1.6 = 1.76MPap Dd= ci2s t j -Cn1=>2）Di = 1400mm(250,156)3）s t, 假設鋼板厚度616mm=>(280,?)s 300oC= 144MPa(300,144)s 250oC= 156MPa,s t = 156 - (156 -144) ´(280 - 250) = 1

19、48.8MPa(300 - 250)第9章 容器設計基礎(chǔ)j = 0.851.76 ´1400=>4)雙面對接焊，局部無損探傷n 計算厚度p Dd = 9.81mm ci2s t j - p2 ´148.8´ 0.85 -1.76cdd = d + C2 = 9.81+ 2 = 11.81mmn 設計厚度C1 = 0.8mm5)鋼板在825mm=>n 名義厚度dddn+ C1 = 11.81+ 0.8 = 12.61mm= 14mm= 14mm,s t、C 無變化dn1第9章容器設計基礎(chǔ)2. 封頭的壁厚Kpc Didnn 封頭計算公式n 標準封頭，K=1

20、=2s t j - 0.5C2=>j = 0.85n 封頭采用拼焊后沖壓成型n 計算厚度1´1.76 ´1400d = 9.77mm2 ´148.8´ 0.85 - 0.5´1.76= 0.8mm= 14mmC1dn= 14mm,s t、C 無變化dn1第9章容器設計基礎(chǔ)pT (Di + d )ss=£ 0.9t s3. 容器水壓試驗e2d jTep= 1.25 p s 1)試驗計算公式s tTs = 170MPap=pc=1.76MPa=>=>170p= 1.25´1.76 ´= 2.52MPaT148.82) de = dn - C1 - C2 = 14 - 0.7 - 2 = 11.2mm3) s t= 345MPa=>s試驗時的應力為pT (Di + de ) = 2.52 ´