第九章 內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設計

第九章

內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設計一、課時安排：2學時二、本章的重點、難點：

1.內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼的強度計算。三、本章授課內(nèi)容：

9.1概述

9.2內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼的強度計算

8.3容器的壓力試驗

9.1概述9.1.1新容器的強度設計包括的內(nèi)容1.確定設計參數(shù)：p、D、δ等；2.選擇使用的材料；3.確定容器的結構形式；4.計算筒體與封頭厚度；5.選取標準件；6.繪制設備圖紙。9.1概述9.1.2

在用容器的強度校核的目的1.判定在下一個檢驗周期內(nèi)或在剩余壽命期間內(nèi)，容器是否還能在原設計條件下安全使用；2.當容器已被判定不能在原設計條件下使用時，應通過強度計算提出容器監(jiān)控使用的條件；3.當容器針對某一使用條件需要判廢時，應提出判廢依據(jù)。9.2內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼強度計算9.2.1薄壁圓筒強度計算公式1.理論計算厚度設圓筒的平均直徑為D，厚度為δ，介質(zhì)壓力為p時，其徑向薄膜應力σm與環(huán)向薄膜應力σθ分別為：9.2內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼強度計算9.2內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼強度計算2.設計壁厚與名義壁厚9-1式中的δ只考慮了φ，還不能作為選材的依據(jù)，還應考慮以下兩個因素：①鋼板負偏差：C1②腐蝕裕度：假設鋼板的年腐蝕率為：λ（mm/a），容器預計使用n年，在使用期內(nèi)器壁減薄量:C2=nλ。設計壁厚：GB150-1998《鋼制壓力容器》中規(guī)定，計算壁厚與腐蝕裕度之和稱為設計壁厚，用δd表示。δd=δ+C2名義壁厚：設計壁厚加上鋼板負偏差后向上圓整至鋼板的標準規(guī)格厚度稱為圓筒的名義厚度，用δn表示。

δn=δd+C1+Δ=δ+C1+C2+Δ9.2內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼強度計算3.有效厚度計算厚度δ和圓整值Δ是容器在整個使用期內(nèi)均可依賴其抵抗介質(zhì)壓力破壞的厚度，所以把δ+Δ稱為圓筒的有效厚度，用表示。即：δe

=δ+Δ或δe

=δn-C1-C24.壓力容器的最小厚度δmin當設計壓力太低時，計算出的厚度不能滿足制造、運輸和安裝時的剛度要求時，主要矛盾不是強度，而是δmin(不包括C2)。①對碳素鋼、低合金鋼制容器，δmin≥3mm；②對高合金鋼制容器不大于2mm。9.2內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼強度計算9.2.2薄壁球殼強度計算公式對于薄壁球殼，由于其主應力為：9.2內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼強度計算9.2.3設計參數(shù)的確定1.設計壓力pc除注明者外，壓力一律指表壓。設計壓力是指在相應設計溫度下用以確定容器殼體厚度及其元件尺寸的壓力，亦即標注在銘牌上的容器設計壓力，其值不得小于最大工作壓力p。①液體靜壓達到5%的設計壓力時，則取二者之和。②容器裝有安全閥時，pc=(1.05-1.1)p③使用爆破膜作為安全裝置時，pc=(1.15-1.3)p④外壓容器：應取不小于在正常操作情況下可能出現(xiàn)的最大內(nèi)外壓力差。⑤真空容器：裝安全控制裝置時，取1.25(p內(nèi)-p外)或0.1MPa,兩者中的較小值；無安全裝置時，取0.1MPa。9.2內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼強度計算2.設計溫度設計溫度系指容器在正常操作情況下，在相應設計壓力下，容器壁溫或受壓元件的金屬溫度，其值不得低于元件金屬在工作狀態(tài)可能達到的最高溫度。容器的壁溫可實測或由化工操作的傳熱過程計算確定。當無法預測壁溫時，可參照教材122頁表9-1所列情況確定。3.許用應力許用應力是容器設計的重要參數(shù)之一，它的選擇是強度計算的關鍵。許用應力是以材料的極限應力為基礎，并選擇合理的安全系數(shù)得到的，即：

9.2內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼強度計算極限應力的選擇對于不同的材料，在不同的溫度下取值不同。9.2內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼強度計算4.焊接接頭系數(shù)焊縫區(qū)是容器上強度比較薄弱的地方，焊縫區(qū)強度降低的原因在于焊接時可能出現(xiàn)缺陷而未被發(fā)現(xiàn)；焊接熱影響區(qū)往往形成粗大晶粒區(qū)而是材料強度和塑性降低；由于結構的剛性約束造成焊縫內(nèi)應力過大等。焊縫區(qū)的強度主要取決于溶焊金屬、焊縫結構和施焊質(zhì)量。設計所取的焊縫接頭系數(shù)大小主要根據(jù)焊接接頭的型式和焊縫質(zhì)量的受檢驗程度而確定，可按表9-6選取。焊縫的射線和超聲波探傷檢驗要求見表9-7。超聲波探傷的合格標準見表9-8。為了消除焊接內(nèi)應力并恢復組織，鋼制壓力容器及其受壓元件應按GB150-1998《鋼制壓力容器》或《壓力容器安全監(jiān)察規(guī)程》的有關規(guī)定進行焊后熱處理，需要進行焊后熱處理的焊縫厚度范圍見表9-9。9.2內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼強度計算表9-6焊接接頭系數(shù)9.2內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼強度計算5.厚度附加量容器厚度附加量包括鋼板或鋼管厚度的負偏差C1和介質(zhì)的腐蝕裕度C2。即C=C1+C2①鋼板和鋼管厚度的負偏差C1：按名義厚度δn選取。見教材127頁，表9-10、表9-11。②腐蝕裕度：由介質(zhì)對材料的均勻腐蝕速率與容器的設計壽命確定。

C2=λn式中，n-容器的設計壽命，通常為10-15年，

λ-腐蝕速率（mm/a),查材料腐蝕手冊或?qū)嶒灤_定。當λ=0.05-0.1mm/a時，單面腐蝕取C2=1mm；雙面腐蝕取C2=2-4mm；當λ≤0.05mm/a時，單面腐蝕取C2=1mm，雙面腐蝕取C2=2mm；一般對低碳鋼和低合金鋼，C2不小于1mm，不銹鋼可取0。8.3容器的壓力試驗8.3.1試驗壓力液壓試驗壓力，按下式確定：式中，PT-試驗壓力，MPa;P-設計壓力，MPa;[σ]-試驗溫度下材料的許用應力，MPa；

[σ]t-設計溫度下材料的許用應力，MPa；

[σ]/[σ]t-其比值最高不超過1.8，如超過1.8，按1.8計算。當容器各元件所用材料不同時，應取比值最小者。氣壓試驗壓力，按下式確定：8.3容器的壓力試驗8.3.2壓力試驗的要求與試驗方法1.液壓試驗：將容器充滿液體（在容器最高點設排氣口），待容器壁溫與液體溫度相同時緩慢升壓到規(guī)定試驗壓力后，保壓時間一般不小于30min，然后將壓力降到規(guī)定試驗壓力的80%，并保持足夠長時間以對所有焊縫和連接部位進行檢查，如有漏泄，修補后重新試驗。液壓試驗時，應注意下列事項。①一般采用潔凈水進行試驗。對于不銹鋼制造的容器用水進行試驗時，應限制水中氯離子含量不超過25mg/kg，以防氯離子腐蝕。②使用石油蒸餾產(chǎn)品進行液壓試驗時，試驗溫度應低于石油產(chǎn)品的閃點或沸點。8.3容器的壓力試驗③試驗溫度應低于液體沸點溫度，對新鋼種的試驗溫度應高于材料無塑性轉(zhuǎn)變溫度。④碳素鋼、16MnR和正火的15MnVR鋼制容器液壓試驗時，液體溫度不得低于50C，其他低合金鋼制容器液壓試驗時，液體溫度不得低于150C。如果由于板厚等因素造成材料無塑性轉(zhuǎn)變溫度升高，還要相應地提高試驗液體溫度。⑤液壓試驗完畢后,應將液體排盡并用壓縮空氣將內(nèi)部吹干.2.氣壓試驗：對不適合做液壓試驗的容器，例如容器內(nèi)不允許有微量殘留液體，或由于結構原因不能充滿液體的容器，可采用氣壓試驗。所用氣體為：干燥、潔凈的空氣，氮氣或其他惰性氣體，試驗氣體溫度一般應不低于150C。8.3容器的壓力試驗試驗程序是：緩慢升壓到規(guī)定試驗壓力的10%，且不超過0.05MPa，保持5分鐘，然后對所有的焊縫和連接部位進行多次檢查；合格后繼續(xù)升壓到規(guī)定試驗壓力的50%，其后按每級為規(guī)定試驗壓力的10%的級差逐漸升壓到試驗壓力，保持10min后，然后再降到試驗壓力的87%，保持足夠時間并同時進行檢查。如有泄漏，修補后再按上述規(guī)定重新進行試驗。3.氣密試驗：容器須經(jīng)液壓試驗合格后，方可進行氣密試驗。其方法是：首先緩慢升壓至試驗壓力保持10min，然后降至設計壓力，同時進行檢查，氣體溫度應不低于50C。容器作定期檢驗時，若容器內(nèi)有殘留易燃氣體存在會導致爆炸時，則不得使用空氣作為試驗介質(zhì)。8.3容器的壓力試驗8.3.3壓力試驗前的應力校核在壓力試驗前，應對試驗壓力下產(chǎn)生的圓筒應力進行校核，即容器壁內(nèi)所產(chǎn)生的最大應力不超過所用材料在試驗溫度上屈服極限的90%（液壓試驗）或80%（氣壓試驗）。例9-1：已知：圓筒鍋爐汽包內(nèi)經(jīng)Di=1200mm，操作壓力為4MPa，蒸汽溫度為2500C，裝有安全閥，材料為20R，采用墊板對焊，全部探傷。試求：該汽包的厚度。解：1.確定參數(shù)Pc=1.1P工作=1.1×4=4.4MPa，Di=1200mm，[σ]t=104MPa（查表9-4，預計汽包厚度在17-36mm之間），φ=0.9(表9-6）。2.計算厚度3.確定厚度附加量預計δn在32-34mm之間，查表9-10得鋼板負偏差C1=1mm,取C2=1mm，則C=C1+C2=2mm。所以，該汽包的厚度δn=δ+C1+C2+Δ=28.9+1+1+1.1=32mm。例9-2：已知：某石油分離中的乙烯精餾塔工藝要求為：塔體內(nèi)徑Di=600mm,設計壓力P=2.2MPa;工作溫度t=-3～-200C。試選擇塔體的材料并確定厚度。

解：由于介質(zhì)對材料腐蝕不大，根據(jù)壓力、溫度，查表9-3，選用20Ｒ或16MnR等容器用鋼較為合適。1.選用20R鋼板由于Pc=P=2.2MPa;Di=600mm;[σ]t=133MPa(查表9-4）;φ=0.8(表9-6）；C1=0.8mm,取C2=1mm。例9-3：已知：液氨貯罐內(nèi)經(jīng)Di=1200mm,貯罐長L=4m，工作溫度為-10～500C，試決定貯罐筒體部分的尺寸。解：1.確定貯罐的設計壓力和計算壓力已知:在-100C時，氨的飽和蒸汽壓力P=0.29MPa；500C時P=2.033MPa，因而取設計壓力和計算壓力為