【學(xué)習(xí)課件】第四章內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強度設(shè)計

1、第四章 內(nèi)壓薄壁容器的強度設(shè)計1 強度設(shè)計的基本知識2 內(nèi)壓薄壁圓筒的強度計算3 內(nèi)壓圓筒封頭的設(shè)計概 述精選課件概 述1、強度設(shè)計的任務(wù)： 內(nèi)壓容器的強度設(shè)計包含設(shè)備的壁厚設(shè)計和在用設(shè)備的強度校核兩方面。 1）設(shè)計型計算根據(jù)給定的公稱直徑以及設(shè)計壓力和溫度，設(shè)計出合適的壁厚，以保證設(shè)備安全可靠。 2）校核型計算根據(jù)已有的設(shè)備公稱直徑以及工作壓力和溫度，判斷設(shè)備的使用安全性。2、內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強度計算公式，以殼體無力矩理論為推導(dǎo)基礎(chǔ)，其推導(dǎo)過程如下： 根據(jù)薄膜理論進行應(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)計準則，應(yīng)用強度理論確定應(yīng)力的強度判據(jù)；精選課件 對封頭，考慮到薄

2、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應(yīng)力增強系數(shù)。 根據(jù)應(yīng)力強度判據(jù)，考慮腐蝕等實際因素導(dǎo)出具體的計算公式。 第一節(jié) 強度設(shè)計的基本知識 一、關(guān)于彈性失效的設(shè)計準則 設(shè)計壓力容器時，為了保證結(jié)構(gòu)安全可靠的工作，必須留有一定的安全裕度，即強度安全條件： 精選課件二、強度理論及其相應(yīng)的強度條件 借助于強度理論，將二向和三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換成單向拉伸應(yīng)力狀態(tài)的相當應(yīng)力，同時須解決兩個問題：精選課件 根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)確定主應(yīng)力； 確定材料的許用應(yīng)力。 對承受均勻內(nèi)壓的薄壁容器，其主應(yīng)力為：精選課件1）第一強度理論（最大主應(yīng)力理論）及相應(yīng)的強度條件 第一強度理論認為在三向應(yīng)力中，若最大應(yīng)

3、力小于許用應(yīng)力，則安全。 其強度條件為：2）第二強度理論（最大線應(yīng)變理論）及相應(yīng)的強度條件 第二強度理論認為在三向應(yīng)力中，若最大線應(yīng)變小于許用應(yīng)變，則安全。 其強度條件為： 精選課件3）第三強度理論（最大剪應(yīng)力理論）及相應(yīng)的強度條件 第三強度理論認為最大剪應(yīng)力（1-3）是引起材料屈服破壞的主要因素。其強度條件為： 精選課件3）第四強度理論（形狀改變比能理論）及相應(yīng)的強度條件 第四強度理論認為設(shè)備構(gòu)件受外力產(chǎn)生彈性變形時物體內(nèi)部也就積蓄了能量，即變形能。單位變形體體積內(nèi)所積蓄的變形能稱為變形比能。當構(gòu)件變形比能達到材料的極限值時，會引起屈服破壞。 其相應(yīng)的強度條件：精選課件適用性： 第一強度理論

4、適用于脆性材料； 第三、第四強度理論適用于塑性材料。第二節(jié) 內(nèi)壓薄壁圓筒的強度計算一、強度計算公式1）圓柱筒體 由薄膜應(yīng)力理論可知，圓柱筒體上任一點處薄膜應(yīng)力如下：1=pD中/2S，2=m=pD中/4S，3=0 由第三強度理論可得：1-3= pD中/2S精選課件其安全條件為：考慮到計算的方便準確性，對上式應(yīng)作如下修正：工作壓力p工作p設(shè)計（由于實際操作中工作壓力的波動，設(shè)計中應(yīng)以工作壓力乘以放大系數(shù)表示設(shè)計壓力，并以設(shè)計壓力作為設(shè)計壁厚的計算壓力） t(考慮到材料的許用應(yīng)力隨溫度的升高而降低，設(shè)計計算中應(yīng)以材料在工作中所能達到的最高溫度下的許用應(yīng)力為準)D中Di+S(考慮到工程中徑無法測量以內(nèi)

5、徑代入計算更為方便) 精選課件引入焊縫系數(shù)（對焊接制成的壓力容器，考慮到焊縫處強度與整板強度的差異，用焊縫系數(shù)表示焊縫處強度與整板強度的比值，應(yīng)以焊縫處的實際強度為評判是否安全的標準。） 考慮到上述四個修正并算出S后，上述表達式演變?yōu)椋?此處S0為計算壁厚。 設(shè)計中，對最終選定的名義壁厚Sn，應(yīng)在計算壁厚的基礎(chǔ)上再作如下補充：壁厚附加量C 考慮腐蝕裕量C2，得到圓筒的設(shè)計壁厚為： 精選課件 同樣，取第四強度理論的應(yīng)力強度可得： 所以對已有設(shè)備進行強度校驗和確定最大允許工作壓力的計算公式分別為： 精選課件 采用無縫鋼管作圓筒體時，其公稱直徑為鋼管的外徑。將D=D0-S代入S=pD/2t中，并考慮

6、焊縫，得到以外徑為基準的公式： 精選課件 以上各式適用范圍是p0.4t，（即外徑與內(nèi)徑之比K1.5）。 對地球形容器由于其主應(yīng)力為 以上各式適用范圍是p0.6t，（即外徑與內(nèi)徑之比K1.35）。 精選課件 二、設(shè)計參數(shù)的確定 1、設(shè)計壓力 設(shè)計壓力是在相應(yīng)的設(shè)計溫度下用以確定殼壁厚度的壓力，其值不得小于最高工作壓力（容器頂部在工作中可能產(chǎn)生的最高表壓力）。2、設(shè)計溫度 設(shè)計溫度是指容器在操作過程中在相應(yīng)的設(shè)計壓力下容器殼壁或受壓元件沿截面厚度可能達到的最高或最低的（指-20以下）平均壁溫。 容器的設(shè)計溫度指殼體的設(shè)計溫度。 精選課件3、許用應(yīng)力 許用應(yīng)力是以材料強度的極限應(yīng)力0為基礎(chǔ)，并合理選

7、擇安全系數(shù)，即：（1）極限應(yīng)力0的取法對常溫容器,實際中應(yīng)采用的許用壓力為下列二式中較小值:精選課件對中溫容器,根據(jù)設(shè)計溫度下材料的抗拉強度或屈服點確定許用壓力,取下列二式中較小值: 對高溫容器,考慮到材料的高溫持久強度和蠕變強度的許用應(yīng)力,當碳鋼和低合金鋼、合金鋼、奧氏體不銹鋼的設(shè)計溫度分別超過420、450、550時，許用應(yīng)力應(yīng)取下列式中較小值： 精選課件（2）安全系數(shù)的取法 如何選擇合理的安全系數(shù)時設(shè)計中比較復(fù)雜和關(guān)鍵的問題，因為它與下列因素有關(guān)： 計算方法的準確性、可靠性和受力分析的精確程度。 材料的質(zhì)量和制造的技術(shù)水平。 容器的工作條件的重要性和危險性。4、焊縫系數(shù)1）設(shè)計中考慮焊縫

8、系數(shù)的原因： 焊接時可能出現(xiàn)缺陷而未被發(fā)現(xiàn)； 焊接熱影響區(qū)形成粗大晶粒導(dǎo)致強度和塑性降低； 結(jié)構(gòu)剛性約束造成焊接內(nèi)應(yīng)力過大。 以上原因可能造成焊接區(qū)強度降低。精選課件5、壁厚附加量 壁厚附加量包括鋼板或鋼管厚度的負偏差C1和介質(zhì)的腐蝕裕量C2，即 C=C1+C2（1）鋼板或鋼管厚度的負偏差C1 鋼板或鋼管的厚度負偏差，應(yīng)按名義壁厚Sn選取。當鋼板厚度負偏差不大于0.25mm，且不超過名義壁厚的6%時，可取C1=0。（2）腐蝕裕量C2 腐蝕裕量由介質(zhì)對材料的均勻腐蝕速率與容器的設(shè)計壽命決定 。 C2 =KaB精選課件 當材料的腐蝕速率為0.050.1mm/a時,單面腐蝕取C2=12mm;雙面腐蝕

9、取C2=24mm。 一般對碳素鋼和低合金鋼，C2不小于1mm。 對不銹鋼，當介質(zhì)的腐蝕性極微時，可取C2=0。三、容器的壁厚和最小壁厚1、壁厚 在強度設(shè)計的諸多公式中，壁厚（S），設(shè)計壁厚（Sd），名義壁厚（Sn）和有效壁厚（Se）有如下關(guān)系： S Sd SnSe SnC精選課件2、最小壁厚對碳素鋼和低合金鋼容器 當內(nèi)徑Di3800mm時，Smin=2Di/1000 mm，且不小于3mm，腐蝕裕量另加； 當內(nèi)徑Di3800mm時，Smin按運輸和現(xiàn)場制造條件確定。對不銹鋼容器, Smin=2 mm。此時筒體的名義厚度Sn可視以下情況而定：當SminSC1時， Sn= Smin+C2+（ 可以等

10、于零）當SminSC1時， Sn= Smin+ C1 +C2+精選課件四、壓力試驗及其強度校驗 容器在投入生產(chǎn)之前，必須作壓力試驗和氣密試驗，目的在于檢驗容器的宏觀強度和有無滲漏現(xiàn)象，以確保設(shè)備的安全與正常運行。1、試驗壓力（1）液壓試驗壓力按下式確定： 1.25p/ t （MPa） pt= (取兩者中較大值) p+0.1 (Mpa)精選課件（2）氣壓試驗壓力按下式確定： 1.15p/ t （MPa） pt= (取兩者中較大值) p+0.1 (Mpa)2、壓力試驗的要求與試驗方法（1）液壓試驗（2）氣壓試驗（3）氣密試驗精選課件3、壓力試驗時的應(yīng)力校核 在壓力試驗時，容器壁內(nèi)所產(chǎn)生的最大應(yīng)力不

11、得超過所用材料在實驗溫度下屈服點的90%（液壓試驗）或80%（氣壓試驗）。液壓實驗時：氣壓實驗時： 精選課件 第三節(jié) 內(nèi)壓圓筒封頭的設(shè)計容器封頭(又稱端蓋)分類:凸形封頭(半球形封頭、橢圓形封頭、蝶形封頭、無折邊球形封頭)、錐形封頭和平板形封頭。一、半球形封頭構(gòu)成：半個球殼壁厚計算公式： 精選課件二、橢圓形封頭1、構(gòu)成：由長短半軸分別為a和b的半球殼和高度為h0的短圓筒（統(tǒng)稱為直邊）構(gòu)成。2、當m=a/b2時，最大應(yīng)力點在橢球殼頂點。即：精選課件將a/b=m，a=D/2代入上式得：其強度條件為： 將許用應(yīng)力乘以焊縫系數(shù)，并將D=Di+S，m=Di/2hi代入上式得到m=a/b=Di/2hi2時

12、的橢圓封頭壁厚計算公式為：精選課件式中 hi橢圓封頭內(nèi)壁曲面高度。 當m=2時，則：m=Di/2hi2時，引入應(yīng)力增強系數(shù)K，以取代Di/4hi，因此得到：3、橢圓形封頭許用壓力計算公式：精選課件三、蝶形封頭1、構(gòu)成：以為半徑的球面，以r為半徑的過渡圓?。凑圻叄┖透叨葹閔0的直邊。精選課件2、考慮到蝶形封頭邊緣應(yīng)力的影響，在設(shè)計中引入形狀系數(shù)M，其壁厚計算公式為：3、蝶形封頭許用壓力計算公式： 當Ri=0.9Di, r=0.17Di時,稱為標準蝶形封頭，此時M=1.325，于是標準蝶形封頭壁厚計算公式：4、對于標準蝶形封頭，其有效壁厚Se應(yīng)不小于封頭內(nèi)徑的0.15%，其它蝶形封頭不小于0.3

13、0%。精選課件四、無折邊球形封頭1、構(gòu)成：將蝶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，構(gòu)成無折邊球形封頭。 2、壁厚計算公式： 精選課件五、錐形封頭一）錐形封頭的結(jié)構(gòu)形式通常在設(shè)備底部，便于出料，也有倆段圓弧過渡的連接。就封頭來說，分為：帶折邊錐封和不帶折邊錐封。1）不帶折邊：邊界應(yīng)力較大，焊接要求較高。因為同壓p、同壁厚s下，越大，越大，故此時不易過大。通常302）帶折邊：受邊界應(yīng)力較小，這邊的高度同其余封頭，角可適當加大，通常60（60按平板理論）。 精選課件3）=45，大端必須加折邊，小端可加可不加。二）封頭壁厚的計算1）不帶折邊錐形封頭a）如果不考慮邊界應(yīng)

14、力： 由以前的知識可知：在最大段最大。b）考慮邊界應(yīng)力 實際上，不考慮邊界應(yīng)力是不現(xiàn)實的，邊界應(yīng)力本身客觀存在，理論上規(guī)定，邊3t時，不考慮是錯誤的。那如何考慮精選課件i）邊在什么方向上？ 如果在方向上，最大力為邊+ 如果在M方向上，最大力為邊+M或之間較大的一值。 結(jié)果：邊在M同方向上。 這使得：環(huán)向：=pD/2S 軸向：邊+。且： 問題演變?yōu)榕袛嗯c（邊+M）的大小ii）判斷：如果（邊+M），仍按上式計算； 如果（邊+M），重新推導(dǎo)公式。 精選課件六、平板封頭1、分析：對周邊固定（夾持）受均勻載荷的圓平板，最大應(yīng)力是徑向彎曲應(yīng)力，產(chǎn)生在圓板邊緣，其值為：對周邊簡支受均勻載荷的圓平板，最大應(yīng)力產(chǎn)生在平板的中心，且徑向彎曲應(yīng)力與切向彎曲應(yīng)力相等，其值為： 精選課件2、壁厚計算公式： 根據(jù)強度條件：max,由(4-32)和(4-33)可得到相應(yīng)的圓平板封頭壁厚計算公式: 在化工容器設(shè)計規(guī)定中，利用結(jié)構(gòu)特征系數(shù)K將平板封頭厚度的設(shè)計歸納為：精選課件2）帶折邊的錐形封頭 形狀特點：a-b段是錐形，b-c段是環(huán)狀殼體。a）最大力位置分析 ab