第4章內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強度設計

第四章內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強度設計教學重點：

內(nèi)壓薄壁圓筒的厚度計算教學難點：

厚度的概念和設計參數(shù)的確定1根據(jù)薄膜理論進行應力分析，確定薄膜應力狀態(tài)下的主應力根據(jù)彈性失效的設計準則，應用強度理論確定應力的強度判據(jù)對于封頭，考慮到薄膜應力的變化和邊緣應力的影響，按殼體中的應力狀況在公式中引進應力增強系數(shù)根據(jù)應力強度判據(jù)，考慮腐蝕等實際因素導出具體的計算公式。內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強度設計公式推導過程2

容器上一處的最大應力達到材料在設計溫度下的屈服點，容器即告失效(失去正常的工作能力)，也就是說，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)的相當應力必須小于材料由單向拉伸時測得的屈服點。第一節(jié)強度設計的基本知識一、關(guān)于彈性失效的設計準則1、彈性失效理論3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)中的最大工作應力與材料的許用應力之間滿足一定的關(guān)系，即

——

相當應力，MPa，可由強度理論確定——

極限應力，MPa，可由簡單拉伸試驗確定——

安全裕度——

許用應力,MPa2、強度安全條件4徑向應力二、強度理論及其相應的強度條件1、薄壁壓力容器的應力狀態(tài)圖4-1應力狀態(tài)5第一強度理論（最大主應力理論）第三強度理論（最大剪應力理論）強度條件強度條件適用于脆性材料適用于塑性材料2、常用強度理論6第四強度理論（能量理論）強度條件適用于塑性材料第二強度理論（最大變形理論）與實際相差較大，目前很少采用。壓力容器材料都是塑性材料，應采用三、四強度理論，

GB150-98采用第三強度理論.7考慮實際情況，引入pc等參數(shù)考慮介質(zhì)腐蝕性考慮鋼板厚度負偏差并圓整第二節(jié)內(nèi)壓薄壁圓筒殼體與球殼的強度設計一、強度設計公式1、內(nèi)壓薄壁圓筒8強度校核公式最大允許工作壓力計算公式1、當筒體采用無縫鋼管時，應將式中的Di換為D02、以上公式的適用范圍為3、用第四強度理論計算結(jié)果相差不大9公式的適用范圍為2、內(nèi)壓球形殼體10工作壓力

指在正常工作情況下，容器頂部可能達到的最高壓力。

設計壓力

指設定的容器頂部的最高壓力，它與相應設計溫度一起作為設計載荷條件，其值不低于工作壓力。

計算壓力

指在相應設計溫度下，用以確定殼體各部位厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。計算壓力pc=設計壓力p+液柱靜壓力二、設計參數(shù)的確定1、壓力11表4-1設計壓力與計算壓力的取值范圍計算帶夾套部分的容器時，應考慮在正常操作情況下可能出現(xiàn)的內(nèi)外壓差夾套容器7當有安全閥控制時，取1.25倍的內(nèi)外最大壓差與0.1Mpa兩者中的較小值，當沒有安全控制裝置時，取0.1Mpa真空容器6取不小于在正常操作情況下可能產(chǎn)生的內(nèi)外最大壓差外壓容器5根據(jù)容器的充裝系數(shù)和可能達到的最高溫度確定（設置在地面的容器可按不低于40℃，如50℃

、60℃時的氣體壓力考慮）裝有液化氣體的容器4根據(jù)不同形式爆破片的最低標定爆破壓力確定（通?？扇　?.1~1.7pw）容器內(nèi)有爆炸性介質(zhì)，裝有防爆膜時3取等于或略高于最高工作壓力，通常取p≤1.0~1.1pw單個容器不要裝安全泄放裝置2取不小于安全閥的初始起跳壓力，通常取p≤1.05~1.1pw容器上裝有安全閥時1設計壓力（P）取值類型12指容器在正常工作情況下，在相應的設計壓力下，設定的元件的金屬溫度（沿元件金屬截面厚度的溫度平均值）。設計溫度是選擇材料和確定許用應力時不可少的參數(shù)。

2、設計溫度13（1）極限應力極限應力的選取與結(jié)構(gòu)的使用條件和失效準則有關(guān)極限應力可以是許用應力是以材料的各項強度數(shù)據(jù)為依據(jù)，合理選擇安全系數(shù)n得出的。3、許用應力和安全系數(shù)14常溫容器

中溫容器

高溫容器

15（2）安全系數(shù)安全系數(shù)是一個不斷發(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)≥1.0≥1.5≥1.5≥2.7高合金鋼≥1.0≥1.5≥1.5（1.6）≥2.7（3.0）碳鋼素、低合金鋼設計溫度經(jīng)下經(jīng)10萬小時蠕變率為1%的蠕變極限設計溫度下經(jīng)10萬小時斷裂的持久強度的平均值常溫或設計溫度下的屈服點()或常溫下最低抗拉強度nnnDnsnb材料安全系數(shù)16焊縫區(qū)的強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損檢測的長度比率。焊接接頭系數(shù)φ是焊接削弱而降低設計許用應力的系數(shù)。4、焊接接頭系數(shù)φ表4-3焊接接頭系數(shù)焊接接頭結(jié)構(gòu)示意圖焊接接頭系數(shù)φ100%無損檢測局部無損檢測雙面焊的對接接頭和相當于雙面焊的全焊透的對接接頭1.00.85單面焊的對接接頭（沿焊縫根部全長有緊貼基本金屬墊板）0.90.817滿足強度要求的計算厚度之外，額外增加的厚度，包括鋼板負偏差(或鋼管負偏差)C1、腐蝕裕量C2即C＝C1十C21、按表4-9選取2、當鋼材的厚度負偏差不大于0.25mm，且不超過名義厚度的6%時，負偏差可以忽略不計。為防止容器元件由于腐蝕、機械磨損而導致厚度削弱減薄，應考慮腐蝕裕量。C1

鋼板厚度負偏差

C2

腐蝕裕量

5、厚度附加量C18標準化問題6、直徑系列與鋼板厚度表4-4常用鋼板厚度2.02.53.03.54.04.5(5.0)6.07.08.09.010111214161820222528303234363840424650556065707580859095100105110115120125130140150160165170180185190195200注：5mm為不銹鋼常用厚度。191、厚度的定義計算厚度設計厚度圓整值名義厚度有效厚度毛坯厚度加工減薄量三、容器的厚度和最小厚度圖4-2壁厚的概念20設計壓力較低的容器計算厚度很薄。大型容器剛度不足，不滿足運輸、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．對高合金鋼制容器，不小于2mm2、最小成形厚度

c．

碳素鋼、低合金鋼制塔式容器mind≥max{iD10002,

4mm}；

不銹鋼制塔式容器mind≥max{iD10002,

3mm}.

21在于檢驗容器的宏觀強度和有無滲漏現(xiàn)象，即考察容器的密封性，以確保設備的安全運行。目的液壓試驗氣壓試驗氣密性試驗壓力試驗的種類四、壓力試驗與強度校核22液壓試驗氣壓試驗內(nèi)壓容器試驗壓力1、試驗壓力[]/[]t大于1.8時，按1.8計算；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，應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，公式中應以最大允許工作壓力代替設計壓力p23液壓試驗氣壓試驗2、壓力試驗的應力校核3.壓力試驗的試驗要求與試驗方法（自學）圓筒壁在試驗壓力下的計算應力24五、例題【例4-1】：某化工廠欲設計一臺石油氣分離用乙烯精餾塔。工藝參數(shù)為:塔體內(nèi)徑；計算壓力；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接接頭,局部無損檢測)(表4-8)；取,,解：（1）選材25（3）厚度計算計算厚度設計厚度根據(jù),查表4-9得名義厚度圓整后,取名義厚度為。復驗,故最后取。該塔體可用7mm厚的16MnR鋼板制作。26（4）校核水壓試驗強度式中，則而可見，所以水壓試驗強度足夠。27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)壓圓筒封頭的設計28一、半球形封頭半球形封頭是由半個球殼構(gòu)成的，它的計算壁厚公式與球殼相同圖4-3半球形封頭29橢圓形封頭是由長短半軸分別為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)向焊縫受邊緣應力作用。圖4-4橢圓形封頭二、橢圓形封頭30橢圓形封頭31結(jié)論：當橢球殼的長短半軸a/b＞2時，橢球殼赤道上出現(xiàn)很大的環(huán)向應力，其絕對值遠大于頂點的應力，從而引入形狀系數(shù)K。（也稱應力增加系數(shù)）標準橢圓封頭K=1（a/b=2）,計算厚度公式為32橢圓封頭最大允許工作壓力計算公式

GB150-1998規(guī)定

橢圓形封頭標準為JB／T4737—95

K≤1時，eδ≥0.15%iD

K＞1時，eδ≥0.30%iD

33單位容積的表面積，半球形封頭為最小。橢圓形和碟形封頭的容積和表面積基本相同，