剪切與扭轉(zhuǎn)課件

1、13.1 概述13.2 內(nèi)壓薄壁容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)13.3 容器邊緣應力及其處理13.4 內(nèi)壓薄壁容器的設(shè)計13.5 容器的壓力試驗第13章 內(nèi)壓容器13.1概述壓力容器與承壓設(shè)備設(shè)備及其零部件設(shè)備所受載荷：重力載荷、風載荷、地震載荷壓力載荷等壓力載荷：內(nèi)外絕壓之差值內(nèi)壓與外壓(夾套容器、真空容器等). 臥式貯罐(槽)主要用盛裝化工、石油、醫(yī)藥等工業(yè)生產(chǎn)和生活用的原料氣體、液體、液化氣體等，設(shè)備體積大，安裝方便。設(shè)備材質(zhì)為碳素鋼、低合金鋼和不銹鋼等。一般臥式貯罐(槽)是典型的壓力容器。壓力容器的分類按壓力（設(shè)計壓力，表壓）低壓(0.11.6MPa) 中壓(1.610.0MPa)高壓(10.01

2、00MPa)超高壓. (100MPa)常壓容器不屬于壓力容器按使用功能：儲存容器，反應容器（設(shè)備），換熱容器（設(shè)備），分離容器（設(shè)備），混合容器（設(shè)備）等。壓力容器的分類按壓力容器在實際使用中的危險程度分確保壓力容器安全性對壓力容器設(shè)計、制造和實際使用過程中進行安全管理與監(jiān)督檢查法規(guī)：TSG R0004-2009固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程分類：第類、第類、第類介質(zhì)危害性：壓力容器在生產(chǎn)過程中因事故致使介質(zhì)與人體大量接觸，發(fā)生爆炸或者因經(jīng)常泄漏引起職業(yè)性慢性危害的嚴重程度，用介質(zhì)毒性程度和爆炸危害程度表示。 極度危害指最高允許濃度0.1mg/m3；高度危害0.1 1.0mg/m3；中度危害1

3、.010mg/m3；輕度危害10mg/m3。 易燃介質(zhì)（爆炸危險介質(zhì)）系指其氣體或液體的蒸汽、薄霧與空氣混合形成爆炸混合物，且其爆炸下限小于10%，或爆炸上限和下限之差值大于等于20%的氣體，如一甲胺、乙烯、乙烷、氯甲烷、環(huán)氧乙烷、環(huán)丙烷、氫、丁烷、三甲胺、丁二烯、丁烯、丙烷、丙烯、甲烷等。 確定依據(jù)：HG206602000壓力容器中化學介質(zhì)毒性危害和爆炸危險程度分類 分組： 第一組介質(zhì)：毒性程度為極度危害、高度危害的化學介質(zhì)，易燃介質(zhì)，液化氣體。 第二組介質(zhì)：除第一組以外的介質(zhì)。 類別確定：查圖 考慮因素：介質(zhì)的危害性、壓力、容積 壓力容器的分類壓力容器分類圖第一組介質(zhì)壓力容器的分類壓力容器

4、分類圖第二組介質(zhì)總結(jié): （1）高壓容器屬于第類壓力容器。 （2）大于25L的第一組介質(zhì)容器中無第類壓力容器。第類壓力容器主要為第二組介質(zhì)中（非危險介質(zhì)）的低壓容器。 （3）第類壓力容器主要為中壓容器和第一組介質(zhì)中的低壓容器。 壓力容器設(shè)計標準規(guī)范簡介我國壓力容器設(shè)計規(guī)范: 1959年第一部規(guī)范多層高壓容器設(shè)計與檢驗規(guī)程; 1960年化工部頒布了適合于中低壓容器的石油化工設(shè)備零部件標準; 1967年第一版鋼制石油化工壓力容器設(shè)計規(guī)定; 1989年GB150鋼制壓力容器; 1995年JB4732鋼制壓力容器分析設(shè)計標準。 國外壓力容器規(guī)范： 美國ASME（美國機械工程師學會）規(guī)范，共有11卷，全面

5、包括了鍋爐與壓力容器質(zhì)量保證的要求。與壓力容器設(shè)計工作有關(guān)的主要是第卷。“按分析設(shè)計”的概念，首先由ASME提出，應用于1963年ASME的第篇核容器，1968年又推廣于壓力容器第卷第2 分卷壓力容器，另一規(guī)則，即ASME-2，ASME-1為常規(guī)設(shè)計標準。 英、德、法、日等都有各自完整的壓力容器設(shè)計規(guī)范。13.2 內(nèi)壓薄壁容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)13.2.1 無力矩理論的基本概念內(nèi)壓薄壁容器的薄膜比擬: 只受拉, 不能承受彎曲. 應力沿壁厚均布. 薄膜(殼)承壓原理: 膜(殼)自身有一定的曲率.a/2NN內(nèi)壓總力：當a 很小時：13.2.2 回轉(zhuǎn)殼體的幾何關(guān)系回轉(zhuǎn)殼體：由一平面圖形繞某一軸線(回轉(zhuǎn)軸

6、)旋轉(zhuǎn)一周就形成了回轉(zhuǎn)殼體。殼體中面：距內(nèi)外表面等距離的面。子午面：通過回轉(zhuǎn)軸的半平面。r-Z平面.經(jīng)線：子午面與中面的交線。緯線（平行圓）：以法線為母線的回轉(zhuǎn)錐面與中面的交線。第一曲率半徑R1：經(jīng)線上任一點的曲率半徑。第二曲率半徑R2：通過經(jīng)線上一點a的法線作垂直于經(jīng)線(切線)的平面(法平面)，該平面與中面相交形成一條平面曲線，該曲線在a點的曲率半徑。第二曲率半徑的曲率中心必落在對稱軸上。平行圓(緯線)經(jīng)線(母線)經(jīng)向應力pNqNNNqK1K2ddqR12Rabcd13.2.3 無力矩理論的基本方程式微體平衡方程式微元面的面積：abcd矩形面積.ab的長度：R1d；bc的長度：R2dq.中面

7、面積： R1R2ddq .壓力沿法向的總力：dP=p R1R2ddq .dP=Nd+NqdqN=sR2dqdNq=sqR1dd殼體上一點的兩向薄膜應力與內(nèi)壓的平衡關(guān)系；經(jīng)向和環(huán)向有曲率才可平衡內(nèi)壓；由于為軸對稱殼體，環(huán)向總是有曲率的，環(huán)向應力對于平衡內(nèi)壓總是有貢獻的；經(jīng)線可以是曲線也可以是直線，因此經(jīng)向應力不一定對平衡一點的內(nèi)壓有貢獻；當經(jīng)線為直線時，經(jīng)向應力仍然不為零，因為經(jīng)向應力要滿足殼體軸向的平衡條件，或說經(jīng)向應力承擔殼體軸向平衡的重任。微體平衡方程式:區(qū)域平衡方程式應用截面法，考慮軸向平衡求出經(jīng)向應力。采用以第二曲率半徑為母線形成的錐面截回轉(zhuǎn)殼體，取其中任一部分建立平衡條件。經(jīng)向應力與

8、厚度垂直。每一平行圓上各點的壓力均可分解為軸向及徑向兩個分量，徑向分力成為一自平衡力系。對于均布內(nèi)壓（氣壓），壓力在截開部分產(chǎn)生的軸向總力等于壓力集度與平行圓圓面積之乘積。不死記公式，對具體問題應用上述方法更簡單。13.2.4 無力矩理論在容器應力分析中的應用對于均布內(nèi)壓（氣壓）的情況，可得到經(jīng)向應力的通用計算公式：p一般來說，可首先求出經(jīng)向應力。受氣壓的球形殼體特點：第一和第二曲率半徑相等，兩向薄膜應力相 等。例球形儲罐。半球形殼也用作容器的封頭。受氣壓的筒體特點：第二曲率半徑為無窮大，環(huán)向應力為經(jīng)向應力的二倍；沿經(jīng)線各點薄膜應力都相同。筒體是一般壓力容器外殼的主體。受氣壓的錐形殼體特點：第

9、二曲率半徑為無窮大，環(huán)向應力為經(jīng)向應力的二倍，但沿經(jīng)線從頂點到大端薄膜應力線性增加（與平行圓半徑成正比）。錐殼可用作容器封頭或兩不等徑筒體的過渡段。 球形容器一般只作儲存容器，被廣泛應用于城市燃氣、化工、石油、治金等工業(yè)部門。如用于城市燃氣中的大型天然氣球罐；石油化學工業(yè)中及城市燃氣中的各種液化氣球罐；治金工業(yè)中用作壓縮氧氣和氮氣的儲罐。球殼受力狀況最佳，強度最高，但制造相當困難。受氣壓的橢球形殼體橢圓方程：xyK2K1分析以上各式，可得到下述結(jié)論：經(jīng)向應力恒大于零，從頂點到赤道逐漸減小。頂點處兩向薄膜應力相等，都達到了最大值。赤道處，環(huán)向應力的性質(zhì)會隨著橢球長短軸比例的變化而變化：當a/b2

10、0.5 時，環(huán)向應力小于零，即在赤道附近的一段范圍內(nèi)殼體環(huán)向受壓，半徑減小,說明橢球殼在由扁向圓的方向發(fā)展環(huán)向應力為零的具體位置可由R2=20.5R1求出.橢球殼在化工設(shè)備上常用來作封頭，a/b=2時稱為標準橢圓形封頭,其應力特點為：頂點處的經(jīng)向應力是赤道處的2倍，頂點處的環(huán)向應力與赤道處的數(shù)值相等，符號相反(自證)。13.3 容器邊緣應力及其處理薄膜應力是不是實際受壓殼體的真實解? 薄膜應力只滿足了與壓力載荷的平衡條件，并沒有考慮變形連續(xù)性的要求。只有當殼體各部分的薄膜變形是連續(xù)的，才能說薄膜應力是真實的解。薄膜變形屬于在連續(xù)內(nèi)壓作用下的無約束自由變形薄殼理論通常將應力的求解分成兩步： 1)

11、平衡條件，求薄膜應力； 2)變形連續(xù)條件，求邊緣力、邊緣力矩邊緣應力。邊緣應力是為了滿足變形連續(xù)的要求而產(chǎn)生的實際殼體中的應力可看作是這兩種應力的疊加。邊緣應力的性質(zhì)： 1)局部性：邊緣應力集中分布于連接邊緣附近。 2)自限性：邊緣應力不會隨著外載荷的增加而無限制的增加（對塑性良好的材料）。 薄膜應力具有分布的整體性，也不具有自限性： 只要有壓力作用處就有薄膜應力，且隨壓力的升高而增加。邊緣應力的危險性較薄膜應力小 13.4 內(nèi)壓薄壁容器的設(shè)計 常規(guī)設(shè)計中以兩向薄膜應力中的較大者來建立強度條件。 1）強度校核：對于已有的內(nèi)壓殼體，能否承受給定的壓力； 2）截面設(shè)計：殼體形狀等一般取決于工藝要求

12、，故實質(zhì)上就是厚度設(shè)計； 3）確定許用載荷：對于已有殼體決定其能夠承受的最大壓力值。13.4.1內(nèi)壓筒體設(shè)計內(nèi)壓筒體的厚度計算 強度條件式：D-中徑；Pc計算壓力，即危險點處的壓力值，應為氣體壓力與液柱靜壓力之和；stf意為焊縫金屬的許用應力。厚度設(shè)計的中徑公式:d-計算厚度，為滿足強度要求的最小厚度圓筒：球殼：13.4.2 內(nèi)壓封頭設(shè)計封頭結(jié)構(gòu)特性類型：半球形, 橢圓形, 碟形, 球冠形等凸形封頭, 以及圓錐形和平板形封頭.半球形封頭從受力來看, 是最理想的結(jié)構(gòu)形式,但缺點是深度大, 直徑小時, 整體沖壓困難, 大直徑采用分瓣沖壓其拼焊工作量亦較大。橢圓形封頭是由半個橢球面和一圓柱直邊段組成

13、。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。6000噸油壓機碟形封頭由球面、過渡段以及圓柱直邊段三個不同曲面組成。雖然由于過渡段的存在降低了封頭的深度，方便了成型加工，但在三部分連接處，由于經(jīng)線曲率發(fā)生突變，在過渡區(qū)邊界上不連續(xù)應力比內(nèi)壓薄膜應力大得多，故受力狀況不佳。球冠形封頭是部分球面封頭與圓筒直接連接，它結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，常用容器中兩獨立受壓室的中間封頭，也可用作端蓋。封頭與筒體連接處的角焊縫應采用全焊透結(jié)構(gòu)。在球面與圓筒連接處其曲率半徑發(fā)生突變，且兩殼體因無公切線而存橫向推力，所以產(chǎn)生相當大的不連續(xù)應力，這種封頭一般只能用于壓力不高的場合。錐形封頭有兩種形式，一種是無

14、折邊錐形封頭，一般用于半頂角不大于30的場合；另一種是與筒 體連接處有一過渡圓弧和一圓柱直邊段的折邊錐形封頭. 就強度而論, 錐形封頭的結(jié)構(gòu)并不理想, 但是封頭的型式在很多場合還取決于容器的使用要求。對于氣體的均勻進入和引出，懸浮或粘稠液體和固體顆粒等的排放，不同直徑圓筒的過渡，則是理想的結(jié)構(gòu)型式，而且在厚度較薄時，制造亦較方便。平板封頭是在結(jié)構(gòu)上最簡單、制造最容易的一種封頭形式。平板受內(nèi)壓作用時，會發(fā)生彎曲變形，強度最差，會導致其厚度很大，材料耗費過多而顯得十分笨重 受力：半球形最好，橢圓形、碟形次之，錐形更次之，而平板最差。制造：平板最容易，而半球形最難；實際應用：大多數(shù)中低壓容器采用橢圓

15、形封頭，高壓容器常用平板封頭或半球形封頭，而錐形封頭的使用主要取決于工藝的要求。封頭的設(shè)計計算 由于封頭和圓筒相連接，所以不僅需要考慮封頭本身因內(nèi)壓引起的薄膜應力，還要考慮與筒身連接處的不連續(xù)應力。標準橢圓形封頭為一般的常用封頭型式。與筒體相連接時，常采用與筒體相同的厚度，厚度計算公式與圓筒的計算公式相似（0.5pc）。13.4.3 設(shè)計技術(shù)參數(shù)的確定設(shè)計壓力與設(shè)計溫度壓力：除注明者之外，指表壓力。工作壓力pw：正常工作條件下，容器頂部可能出現(xiàn)的最高表壓力。該壓力為氣相壓力。設(shè)計壓力p：指設(shè)定的容器頂部的最高壓力，與相應的設(shè)計溫度一起作為設(shè)計載荷條件，其值不低于工作壓力。確定原則：按實際可能出

16、現(xiàn)的最危險的工況設(shè)計。例如，當容器頂部裝有安全閥或爆破片等安全泄放裝置時，設(shè)計壓力應不小于安全閥的開啟壓力或爆破片爆破壓力的上限。13.4.3 設(shè)計技術(shù)參數(shù)的確定計算壓力pc：指在相應的設(shè)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(shè)計壓力時，可忽略不計。設(shè)計溫度：指容器在下常工作情況下，設(shè)定的元件的金屬溫度（沿元件金屬截面的平均值）。設(shè)計溫度與設(shè)計壓力一起作為設(shè)計的載荷條件。設(shè)計溫度不得低于元件金屬在工作狀態(tài)可能達到的最高溫度。對于0以下的金屬溫度，設(shè)計溫度不得高于允件金屬可能達到的最低溫度。設(shè)計工況必須為實際最危險工況。許用應力與安全系數(shù)決定許用應

17、力的依據(jù)為極限應力除以安全系數(shù)。極限應力有下述幾種：屈服極限（或0.2%的屈服強度）和強度極限；鋼材在設(shè)計溫度下經(jīng)10萬小時斷裂的持久強度的平均值；鋼材在設(shè)計溫度下經(jīng)10萬小時蠕變率為1%的蠕變極限；這些應力值除以相應的安全系數(shù)得到許用應力值，設(shè)計中取這些應力中的最小值。設(shè)計溫度是決定許用應力的重要參數(shù)。當設(shè)計溫度低于20時，取20時的許用應力。焊接接頭系數(shù)（焊縫系數(shù)） 焊接接頭系數(shù)應根據(jù)受壓元件的焊接接頭型式及無損檢測的長度比例確定。 焊接接頭系數(shù)表示焊縫強度與殼體母材強度之比，焊縫質(zhì)量愈高，與母材的強度愈接近。由于殼體各部位的應力性質(zhì)不同，其危險性也不同，故焊接接頭系數(shù)應按最危險的焊縫來取

18、；內(nèi)壓圓筒的焊接接頭系數(shù)應由縱焊縫來決定。厚度及厚度附加量 壓力容器殼體一般由鋼板卷制或鋼管制造。在容器設(shè)計時，圖紙上應給出符合鋼板或鋼管標準規(guī)格的尺寸，這就還需要考慮實際的剛度、材料的腐蝕性及材料制造中的一些問題。計算厚度：厚度計算公式得到的厚度，這是滿足強度要求的最小厚度。厚度附加量：C=C1+C2.負偏差取值按鋼材標準，較小時可忽略。設(shè)計厚度d: d =+ C2.名義厚度n ：設(shè)計厚度加上鋼材負偏差后向上圓整至鋼材標準規(guī)格的厚度，即標注在圖樣上的厚度。厚度及厚度附加量 標準：GB713-2008鍋爐和壓力容器用鋼板、 GB24511-2009承壓設(shè)備用不銹鋼鋼板和鋼帶、GB/T709-2

19、006熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量和允許偏差等容器用鋼板按GB709中的B類偏差，負偏差為0.3mm厚度：30mm以內(nèi)，間隔0.5mm； 30mm ，間隔1mm殼體加工成型后不包括腐蝕裕量的最小厚度：為滿足制造、運輸及吊裝等的剛度要求的厚度。對于碳素鋼和低合金鋼制的容器，不小于3mm，對于高合金鋼制的容器不小于2mm。有效厚度e：名義厚度減去厚度附加量。有效厚度就是實際容器用來承載的厚度。進行強度校核時應采用有效厚度,如壓力試驗,塔裙座應力校核等。（作業(yè)1-11,10mm鋼板,C=1.5mm， s=120MPa。）13.5 容器的壓力試驗目的: 檢驗容器是否有泄漏、明顯的塑性變形及其它缺陷

20、。試驗容器的制造質(zhì)量。種類：強度試驗（液壓試驗和氣壓試驗）和致密性試驗（氣密性試驗和煤油滲漏試驗等）。致密性試驗是對密封性要求高的重要容器在強度合格后進行的泄漏檢查。試驗壓力的確定：液壓試驗與氣壓試驗不同。試驗工況要近似于實際操作工況，按許用應力的比值來進行工況換算。設(shè)計時要將壓力試驗的種類及試驗壓力標注在圖紙上，進行壓力試驗的強度校核。例：液氨儲罐筒體設(shè)計。已知：pw=2.2MPa, 頂部裝有安全閥, 操作溫度-540, 儲罐內(nèi)徑Di=1200mm. 試確定筒體厚度.解: 首先確定設(shè)計參數(shù). 設(shè)計壓力的確定：可取等于或略高于安全閥的開啟壓力。安全閥的開啟壓力可按（1.051.10）pw來確定，現(xiàn)取為2.4MPa，因此, 可取p=2.5MPa。計算壓力：由于儲罐為臥式容器, 液柱的靜壓力很低, 可不忽略不計,故取計算壓力pc= p=2.5MPa.設(shè)計溫度：可取為40.選材：純液氨腐蝕性很小, 可以選取一般材料作為筒體用材, 由于壓