《化工容器及設(shè)備》第5單元-厚壁容器

第5單元厚壁容器第五章厚壁容器第一節(jié)厚壁容器的結(jié)構(gòu)和選材第二節(jié)厚壁容器的筒體結(jié)構(gòu)形式第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算第四節(jié)厚壁圓筒的自增強(qiáng)第五節(jié)厚壁容器的主要零部件第一節(jié)厚壁容器的結(jié)構(gòu)和選材一、厚壁容器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)二、厚壁容器選材要求第一節(jié)厚壁容器結(jié)構(gòu)和選材（續(xù)）

在人類歷史上，將高壓技術(shù)運(yùn)用到化學(xué)反應(yīng)以及其他物質(zhì)的加工的時間并不是很長。1888年法國化學(xué)家、物理學(xué)家LeChatlier第一個提出了利用高壓技術(shù)完成氮和氫反應(yīng)的設(shè)想，并在10MPa以上的高壓、500℃溫度和有催化劑存在的條件下，直接實現(xiàn)了氨的合成。隨后在德國化學(xué)家、工程師Haber等人的繼續(xù)努力下，將操作壓力提高到20MPa，并于1910年第一次獲得了氨的工業(yè)品。第一節(jié)厚壁容器結(jié)構(gòu)和選材（續(xù)）

一百多年過去了，高壓技術(shù)除了在合成氨(15—60MPa)、合成甲醇(30MPa)、高壓聚乙烯(10MPa以上)、石油加氫裂化(30MPa)、核反應(yīng)堆等石油、化工、能源以及動力等領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展外，高壓技術(shù)還在其他許多物理過程中有著廣泛的應(yīng)用，如重型機(jī)械、高壓鍋爐、高壓噴槍、材料擠壓成型和深海探測等。而能使高壓技術(shù)和大量工業(yè)過程得以實現(xiàn)，高壓容器及設(shè)備在其中起到了關(guān)鍵性的作用。第一節(jié)厚壁容器結(jié)構(gòu)和選材（續(xù)）

高壓容器是在較高壓力和應(yīng)力水平下工作的一類特殊設(shè)備，因此，保證它能長期、穩(wěn)定、安全地進(jìn)行操作，便成為高壓容器設(shè)計和結(jié)構(gòu)形式選擇的決定因素。一般來講，容器承受的壓力越高，其壁厚也就會越大，所以，高壓容器大多又是厚壁容器，而且呈圓筒形。由于厚壁容器的操作條件極其苛刻，在承受高壓的同時，往往還伴隨有高溫和介質(zhì)的強(qiáng)烈腐蝕，因此，其應(yīng)力狀態(tài)和結(jié)構(gòu)形式與薄壁容器有很大差異。第一節(jié)厚壁容器結(jié)構(gòu)和選材（續(xù)）

工程上一般將設(shè)計壓力在10MPa～100MPa之間的壓力容器稱為高壓容器，而將100MPa壓力以上的稱為超高壓容器。隨著化學(xué)工業(yè)、石油工業(yè)、能源及動力工業(yè)的發(fā)展。對高壓容器的需要日益增加，特別是70年代開始的工藝裝置單系列、大型化、高壓化的趨向繼續(xù)發(fā)展，對高壓容器的設(shè)計與制造提出了更高的要求。 高壓容器在化工與石油化學(xué)工業(yè)中有著愈來愈廣泛的應(yīng)用。如合成氨工業(yè)中的高壓設(shè)備壓力為15～60MPa合成甲醇工業(yè)中的高壓設(shè)備壓力為第一節(jié)厚壁容器結(jié)構(gòu)和選材（續(xù)）15～30MPa；合成尿素工業(yè)中的高壓設(shè)備壓力為20MPa；石油加氫工業(yè)中的高壓設(shè)備壓力為10～70MPa等。這類合成反應(yīng)裝置不但壓力高，而且也伴有高溫，例如合成氨就常在15～32MPa壓力和500℃高溫下進(jìn)行合成反應(yīng)。 高壓容器的設(shè)計理論與制造技術(shù)起源于軍事工業(yè)中的炮筒?；瘜W(xué)工業(yè)中應(yīng)用最早的是合成氨工業(yè)。隨著化工及石油化工工業(yè)的發(fā)展，高壓容器的直徑、厚度、噸位都在不斷地增加。20～30年代的氨合成塔內(nèi)徑一般為700～800mm，重30t左右。第一節(jié)厚壁容器結(jié)構(gòu)和選材（續(xù)）五十年代內(nèi)徑增大到800～1000mm，長10m以上，重80t左右。六十年代發(fā)展到直徑為1600～1700mm。而70年代以來，由于單機(jī)大型化生產(chǎn)的發(fā)展更快，直徑已達(dá)2800～3600mm，長20m以上，重300～400t。加氫反應(yīng)器也是如此，有的目前已達(dá)4.5m直徑，厚度達(dá)280mm，重約1000t。從各方面的技術(shù)應(yīng)用中表明，高壓容器在現(xiàn)代石油化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用是必不可少，而且是得到迅速發(fā)展的一個領(lǐng)域。第一節(jié)厚壁容器結(jié)構(gòu)和選材（續(xù)）

高壓容器和超高壓容器結(jié)構(gòu)上都屬于厚壁容器，厚壁容器作為工業(yè)生產(chǎn)過程的高壓裝置，通常由外殼和內(nèi)構(gòu)件所組成。 厚壁容器在力學(xué)性能上具有以下3個特征：①厚壁容器是三向應(yīng)力狀態(tài)，三個應(yīng)力中環(huán)向應(yīng)力最大。第一節(jié)厚壁容器結(jié)構(gòu)和選材（續(xù)）②環(huán)向應(yīng)力的分布又以內(nèi)壁應(yīng)力最大，而且除經(jīng)(軸)向應(yīng)力，其余兩個應(yīng)力沿壁厚非均勻分布，并隨著徑比值的增大，不均勻程度會更為嚴(yán)重。③根據(jù)應(yīng)力特性，在考慮如何降低操作狀態(tài)下的應(yīng)力水平時，厚壁容器不能單純從增加厚度和提高材料強(qiáng)度級別來解決問題，而更需要從結(jié)構(gòu)上改變應(yīng)力的分布，由此，厚壁容器除采用常見的整體式結(jié)構(gòu)外，還有多種組合形式。第一節(jié)厚壁容器結(jié)構(gòu)和選材（續(xù)）一、厚壁容器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

厚壁容器與薄壁容器一樣，包括有圓筒體或球殼、筒體端部、平蓋或凸形蓋、密封結(jié)構(gòu)和一些必要的附件。第一節(jié)厚壁容器結(jié)構(gòu)和選材（續(xù)）

高壓容器由于承壓高．應(yīng)力水平較高，考慮到軸對稱受力情況好，以及制造方便、一般都用圓筒形容器，其結(jié)構(gòu)有下列幾個特點(diǎn)：⑴由于應(yīng)力水平高，采用軸對稱形狀，容器直徑愈大，壁厚也愈大。這就需要大型的機(jī)加工設(shè)備，同時還給焊接缺陷控制、殘余應(yīng)力消除、熱處理等帶來困難，增加制造成本。另外直徑愈大密封就愈困難。因此高壓容器的直徑不宜太大。但工藝要求有相當(dāng)?shù)娜莘e，所以其長度較大，長徑比達(dá)12～15，甚至高達(dá)28，具有結(jié)構(gòu)細(xì)長的特點(diǎn)。制造技術(shù)的提高，以逐漸降至6左右。第一節(jié)厚壁容器結(jié)構(gòu)和選材（續(xù)）⑵厚壁容器由于承受高壓作用，壁厚較大、質(zhì)量大；⑶種類較多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜； 由于厚壁容器筒體結(jié)構(gòu)的設(shè)計與選擇，不僅要考慮受力狀況的改善、設(shè)備制造廠的生產(chǎn)能力和操作條件，容器的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)是否先進(jìn)，同時還要保證在工作條件下能長期連續(xù)使用并確保安全。高壓容器由于器內(nèi)直徑小，器內(nèi)安裝內(nèi)件不方便。因此，內(nèi)件均在器外組裝好，稱為芯子，將整個芯子吊裝入塔。如多層熱套式、多層包扎式、多層繞板式、繞帶式和繞絲式等第一節(jié)厚壁容器結(jié)構(gòu)和選材（續(xù)）⑷開孔較??； 高壓容器由于筒壁的應(yīng)力水平比較高．如果在簡壁開孔，乘上2～3倍的應(yīng)力集中系數(shù)，則開口附近的應(yīng)力必然很高，有達(dá)到屈服的危險。因此，為了不削弱簡壁的強(qiáng)度，工藝性或其它必要的開孔，郡盡可能不在筒壁上開，而是開在端蓋上，并盡量減小孔徑（圖5-2）。第一節(jié)厚壁容器結(jié)構(gòu)和選材（續(xù)）第一節(jié)厚壁容器結(jié)構(gòu)和選材（續(xù)）⑸廣泛采用具有良好塑性和韌性的高強(qiáng)度鋼； 過去厚壁容器大多采用屈服極限為200～300MPa級的高延性低碳鋼，安全系數(shù)取得較高。隨著各方面技術(shù)的提高，300～500MPa級的低合金高強(qiáng)度鋼得到了廣泛應(yīng)用，這不僅減小了厚壁容器的壁厚尺寸，也大大提高了容器的安全可靠性。第一節(jié)厚壁容器結(jié)構(gòu)和選材（續(xù)）⑹密封結(jié)構(gòu)形式多樣，要求較高； 高壓容器的端蓋，一般厚度都比較厚，同時密封結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，一般較小直徑的可拆端蓋不采用凸形的而采用平蓋。但平蓋受力條件差，材料消耗多、笨重，且大型鍛件質(zhì)量難以保證，故平蓋僅在1m直徑以下的高壓容器中采用。近年來，由于深厚半球形端蓋的鍛造得到解決，大型高壓容器趨向采用不可拆的半球形封頭，結(jié)構(gòu)更為合理經(jīng)濟(jì)。第一節(jié)厚壁容器結(jié)構(gòu)和選材（續(xù)）

高壓容器密封結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，密封面加工要求比較高，一般采用金屬密封圈，而且密封元件型式多樣。高壓容器應(yīng)盡可能利用介質(zhì)的高壓作用來幫助將密封圈壓緊．因此出現(xiàn)了多種型式的“自緊式”密封結(jié)構(gòu)。另外為盡量減少可拆結(jié)構(gòu)給密封帶來的困難，一般僅一端可拆，另一端不可拆。第一節(jié)厚壁容器結(jié)構(gòu)和選材（續(xù)）二、厚壁容器選材要求 生產(chǎn)中使用的厚壁容器的工作條件嚴(yán)格，要求苛刻，同時還要經(jīng)受各種變動工況的考驗。為了確保厚壁容器的使用安全，選用材料時，除了遵循一般壓力容器的選材原則外，還應(yīng)根據(jù)厚壁容器的使用特點(diǎn)，充分考慮載荷和載荷性質(zhì)、工作溫度、介質(zhì)特性、結(jié)構(gòu)形式以及加工制造等方面的影響，使所選材料盡量滿足厚壁容器的特殊使用要求。第一節(jié)厚壁容器結(jié)構(gòu)和選材（續(xù)）(1)具有較高的機(jī)械強(qiáng)度，塑性要好 由于厚壁容器特殊的使用條件，一般應(yīng)選擇具有較高強(qiáng)度的材料來制造容器。但對同一鋼種，由于熱處理條件不同，它的強(qiáng)度也會隨之不同。另外，強(qiáng)度級別的提高，勢必會引起材料塑性和韌性指標(biāo)的降低，因此，在選用高強(qiáng)度鋼材的同時，還應(yīng)充分考慮材料的塑性指標(biāo)，對于焊接或多層厚壁容器，一般選擇材料的伸長率應(yīng)不小于15％～20％。第一節(jié)厚壁容器結(jié)構(gòu)和選材（續(xù)）(2)要有較好的沖擊韌性和斷裂韌性 厚壁容器在實際操作時有可能出現(xiàn)載荷波動，包括周期性循環(huán)載荷和操作條件突然變化而引起的壓力變化，這樣的工況已經(jīng)超出靜載荷的范圍。因此，對于制造厚壁容器的材料，應(yīng)當(dāng)要有較高的沖擊韌性，即要求沖擊功值A(chǔ)kv＞40J。這一指標(biāo)的控制對厚壁容器的安全性有著重要意義。另外，隨著材料強(qiáng)度級別的提高，以及加載速度的增加，一些金屬材料斷裂韌性的數(shù)值將有所降低，難以預(yù)測的低應(yīng)力破壞的傾向也就會增大，這時當(dāng)強(qiáng)度指標(biāo)相差不大時，應(yīng)盡可能考慮選用斷裂韌性較高的鋼種來制造容器。第一節(jié)厚壁容器結(jié)構(gòu)和選材（續(xù)）(3)具有較好的抗蠕變性能 厚壁容器除了承受高壓外，有時還要受到高溫的作用。在應(yīng)力作用下，當(dāng)溫度超過所用材料決定的某一數(shù)值時，材料就會發(fā)生蠕變。應(yīng)力越大，溫度越高，蠕變速率也就越快。所以適當(dāng)?shù)剡x用鋼種可避免出現(xiàn)過大的蠕變。第一節(jié)厚壁容器結(jié)構(gòu)和選材（續(xù)）(4)有一定的抗腐蝕性能 用于石油和化工的厚壁容器，在高溫、高壓下都有可能受到介質(zhì)的腐蝕，在選材時尤其要考慮應(yīng)力腐蝕問題。這是因為在腐蝕環(huán)境中，無論是氫脆還是應(yīng)力腐蝕，都會引起臨界壓力的降低并出現(xiàn)延遲斷裂的現(xiàn)象。如果根據(jù)載荷選用的材料強(qiáng)度級別越高，應(yīng)力腐蝕的敏感性也就越大。第一節(jié)厚壁容器結(jié)構(gòu)和選材（續(xù)）(5)要有良好的加工工藝性能 由于厚壁容器有比較高的要求，選材時除了充分考慮鋼材的可焊性、可鍛性以及抗氧化性能外。對于厚壁容器的熱套結(jié)構(gòu)或必須對容器本身進(jìn)行自增強(qiáng)處理的結(jié)構(gòu)，還必須進(jìn)行一些特殊考慮。如熱套制造不僅需要進(jìn)行精加工以保證理論計算的過盈量，同時還需要考慮熱套溫度的影響，因此，選用材料時，就必須考慮材料在最終熱處理后必須具備的特性，并依此為依據(jù)來進(jìn)行容器的設(shè)計與計算。第一節(jié)厚壁容器結(jié)構(gòu)和選材（續(xù)）(6)要充分考慮本國資源及使用的經(jīng)濟(jì)性 考慮到材料的使用性能和供應(yīng)問題，應(yīng)盡量根據(jù)本國資源及冶金設(shè)備能力選用材料。特別是要以富產(chǎn)元素為基礎(chǔ)，多選用發(fā)展性能好、合金元素利用更加節(jié)約和合理的新型鋼種。第二節(jié)厚壁容器的筒體結(jié)構(gòu)形式一、單層圓筒結(jié)構(gòu)二、多層圓筒結(jié)構(gòu)第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）

近十幾年來，隨著高壓技術(shù)的發(fā)展以及厚壁容器操作壓力的提高，容器尺寸也越來越大，這就要求人們不斷去研究厚壁容器的新結(jié)構(gòu)、新的設(shè)計方法和制造方法。因此，已普遍使用或散見于有關(guān)文獻(xiàn)中的厚壁容器的筒體結(jié)構(gòu)形式比較多，常見的結(jié)構(gòu)有以下幾種。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）單層圓筒結(jié)構(gòu)整體鍛造式鍛焊式單層卷焊式單層瓦片式等多層圓筒結(jié)構(gòu)多層包扎式多層熱套式多層焊縫錯開式多層繞板式繞帶式螺旋繞板式第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）一、單層圓筒結(jié)構(gòu)1.整體鍛造式制造方法：最早采用的一種結(jié)構(gòu)。它是用大型鋼錠，經(jīng)去除澆口、冒口等缺陷后，在鋼錠中心穿孔，并加入心軸后經(jīng)水壓機(jī)多次鍛造，然后進(jìn)行內(nèi)、外壁切削加工而成的圓筒體第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）特點(diǎn)：主要優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較簡單，組織密實，材料性質(zhì)均勻，筒體無焊縫，機(jī)械強(qiáng)度高，安全可靠。如果在鍛造過程中配合采用真空脫氣加噴粉、鋼包精煉電渣重熔等先進(jìn)的冶金技術(shù)，鍛造筒體的性能還會有明顯的改善。缺點(diǎn)：需要大型的冶煉、鍛造和熱處理設(shè)備，并且生產(chǎn)周期長、金屬切削量較大、制造成本高，因此在制造上受到一定的限制。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）使用范圍： 一般為直徑小于1500mm、長度不超過12m的壓力容器。特別適用于直徑為100～800mm的超高壓容器。中國多數(shù)超高壓水晶釜均采用這一結(jié)構(gòu)。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）2.鍛焊式制造方法：較大容量的厚壁容器，受到冶煉、鍛造、加工設(shè)備的限制，先鍛造成若干個筒節(jié)，然后通過深環(huán)焊縫將各個筒節(jié)連接起來，最后進(jìn)行焊后熱處理消除熱應(yīng)力和改善焊縫區(qū)的金相組織。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）特點(diǎn)：由于這種結(jié)構(gòu)造價很高，故常用于制造一些有特殊要求和安全性較高的壓力設(shè)備，如制造熱壁加氫反應(yīng)器、煤液化反應(yīng)器、核容器等。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）3.單層卷焊式制造方法：只是需要將經(jīng)檢驗合格的厚鋼板在常溫或加熱后，在大型卷板機(jī)上卷成圓筒坯，然后焊接縱向焊縫成為筒節(jié)，再通過環(huán)焊縫焊接將筒節(jié)連接成需要長度的圓筒體。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：這種型式的容器具有結(jié)構(gòu)成熟，理論較完善；制造工藝簡單，加工工序少；自動化程度高，生產(chǎn)效率高；可以利用調(diào)質(zhì)等熱處理方法，提高材料性能等。缺點(diǎn)：要求大型的卷板機(jī)和熱處理設(shè)備，而且還要有優(yōu)質(zhì)的厚鋼板。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）使用范圍： 目前，已經(jīng)可以制造厚度為500mm的各種單層卷焊式厚壁容器，我國最大的卷板能力為250mm(厚度)。是迄今為止使用最多的一種壓力容器圓筒結(jié)構(gòu)。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）4.單層瓦片式 當(dāng)沒有大型卷板機(jī)而又有大型水壓機(jī)時，可以將厚鋼板加熱后在水壓機(jī)上壓制成瓦片形狀的“瓦坯”，再用焊接縱焊縫的方法將“瓦坯”組對成圓筒節(jié)，然后按照需要的長度組焊成圓筒體。由于每一個筒節(jié)都有兩條或兩條以上的縱焊縫，而且“瓦坯”組對時，需要一定數(shù)量的工夾具，因此，較費(fèi)工時，且制造方法比上一種復(fù)雜，一般較少采用此種圓筒結(jié)構(gòu)。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）5.無縫鋼管式 用厚壁無縫鋼管也可制造單層的厚壁容器，效率高，周期短。我國小型化肥廠的許多小型高壓容器即采用此種結(jié)構(gòu)。但高壓無縫鋼管的直徑不超過500mm。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）

上述幾種圓筒結(jié)構(gòu)盡管結(jié)構(gòu)簡單，使用經(jīng)驗豐富，但它們都有一些共同的缺點(diǎn)。①除整體鍛造式厚壁圓筒外，不能完全避免較薄弱的深焊縫(包括縱焊縫和環(huán)焊縫)，焊接檢驗和消除均較困難，結(jié)構(gòu)本身缺乏阻止裂紋快速擴(kuò)展的自保護(hù)能力；②大型鍛件及厚鋼板的性能不及薄鋼板，不同方向力學(xué)性能差異較大，發(fā)生低應(yīng)力脆性破壞的可能性也較大；③應(yīng)力沿壁厚不是均勻分布，材料未得到充分利用。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）二、多層圓筒結(jié)構(gòu)

1.多層包扎式圓筒 多層包扎式是由內(nèi)筒和外面包扎的多層層板兩部分組成。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）制造方法： 首先用厚度4～34mm的優(yōu)質(zhì)碳素鋼板或8～13mm的不銹鋼板卷焊成內(nèi)筒筒節(jié)，然后將焊接后的縱焊縫磨平并進(jìn)行無損檢測和機(jī)械加工，再把厚度為4～12mm的薄鋼板卷成半圓形瓦片，并作為層板包扎到內(nèi)筒外面直至需要的厚度，以構(gòu)成一個筒節(jié)。一個筒節(jié)的長度視所選擇鋼板的寬度而定，層數(shù)則隨需要的厚度而定。最后，筒節(jié)兩端再加工出環(huán)焊縫坡口，并通過深環(huán)焊縫焊接將筒節(jié)連成一個筒體。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）

每個筒節(jié)還開設(shè)有直徑為6mm的安全孔和數(shù)個通氣孔，如圖5-6所示。一方面可以防止環(huán)焊縫焊接時把空氣密封在層板間造成不良影響；另一方面可作為操作時的安全孔使用，一旦內(nèi)筒因腐蝕或其他一些原因產(chǎn)生破裂，

高壓介質(zhì)必然會從安全孔

滲漏出來，通過該孔便能

很方便地進(jìn)行觀察和處理，

以防止惡性事故的發(fā)生。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）優(yōu)點(diǎn)：①制造這種結(jié)構(gòu)的厚壁容器不需要大型復(fù)雜的加工設(shè)備，一般中等規(guī)模的壓力容器專業(yè)廠都能制造。②使用的層板較薄，其塑性較好，脆性轉(zhuǎn)變溫度較低，如果發(fā)生破裂，也只是逐層開裂，不會產(chǎn)生大量碎片；另外，層板部分的縱焊縫始終錯開，任何軸向剖面上均無兩條以上的焊縫，減小了焊縫區(qū)因缺陷或應(yīng)力集中對整個容器強(qiáng)度的影響，因此具有較高的安全可靠性。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）②層板在包扎和焊接過程中，由于受到鋼絲繩或液壓鉗的拉緊力，以及C類焊縫的冷卻收縮作用，筒體沿壁厚將會產(chǎn)生一定的壓縮預(yù)應(yīng)力。當(dāng)受內(nèi)壓作用時，該預(yù)應(yīng)力即可以抵消一部分由內(nèi)壓引起的拉應(yīng)力，使厚壁圓筒在壁厚方向的應(yīng)力分布比單層簡體更均勻，由此提高了容器的承載能力。④當(dāng)介質(zhì)有腐蝕時，內(nèi)筒可選用耐蝕鋼板，而層板則用普通碳鋼材料，降低成本。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）缺點(diǎn)： 如制造工序多，包扎工藝難度大，生產(chǎn)周期長；對鋼板厚度均勻性要求較高，鋼材利用率較低(僅60％左右)；筒節(jié)間存在深環(huán)焊縫，對筒體的制造質(zhì)量和安全有顯著影響，特別是焊接缺陷，使其成為低應(yīng)力脆性斷裂的根源等。常用范圍： 最大設(shè)計壓力70MPa，設(shè)計溫度-45～550℃，最大直徑6000mm，最大壁厚533mm。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）2.多層熱套式圓筒

將兩個或多個圓筒套在一起組成的厚壁圓筒。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）制造方法： 首先是把25～80mm的中厚鋼板卷焊成幾個直徑不同但可以過盈配合的筒節(jié)，然后將外層筒節(jié)加熱，套入內(nèi)層筒節(jié)，當(dāng)外筒冷卻后產(chǎn)生收縮，緊緊地貼在內(nèi)筒上，使內(nèi)筒受到一定的壓應(yīng)力。最后再將套好后的厚壁筒節(jié)通過深環(huán)焊縫組焊成一個筒體。當(dāng)設(shè)計壓力大于100MPa時，需要由過盈產(chǎn)生的套合力來提高其承載能力，此時套合面需經(jīng)精密機(jī)械加工；當(dāng)設(shè)計壓力小于35MPa時，套合面只需進(jìn)行粗加工或噴砂處理，甚至可以不加工。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）特點(diǎn)：①多層包扎式圓筒相比，不僅具有前者大多數(shù)優(yōu)點(diǎn)，而且還避免了工序多、生產(chǎn)周期長的缺點(diǎn)；②熱套容器大多采用25～80mm的中厚鋼板制作圓筒，故抗脆性能又比單層筒體好；③各層圓筒貼合緊密，不存在間隙，除了可以改善筒體操作時的應(yīng)力狀態(tài)外，對用筒壁作傳熱的容器也十分有利；④各層圓筒縱焊縫能進(jìn)行100％探傷，因此，縱向焊縫質(zhì)量易于保證。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）⑤由于熱套式結(jié)構(gòu)只能熱套短圓筒，故筒體節(jié)連接較多，深環(huán)焊縫存在缺陷的可能性較大，同時也增加了環(huán)焊縫焊接和探傷檢測的工作量；⑥需要大型設(shè)備加工坡口和進(jìn)行整體熱處理的加熱爐。常用范圍是：設(shè)計壓力10～70MPa，設(shè)計溫度-45～538℃，

內(nèi)直徑600～4000mm，壁厚50～500mm，

筒體長度2.4～38m。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）3.多層焊縫錯開式圓筒

這種結(jié)構(gòu)是多層包扎式圓筒的改進(jìn)型，其主要區(qū)別是避免了深環(huán)焊縫的影響。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）制造方法： 首先將內(nèi)筒組焊到需要的長度，在筒體兩端焊上帶斜面的端部法蘭和另一端的封頭，然后在整個簡體長度上包扎瓦片狀層板，第一層完成后打磨焊縫表面，再繼續(xù)包扎第二層瓦片，直至包扎到需要的厚度。包扎過程中相鄰兩層焊縫需錯開一個角度（如錯開750），同時環(huán)焊縫沿軸線錯開一段距離（如200mm），如圖5-8所示。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）該結(jié)構(gòu)具有與多層包扎式圓筒相類似的特點(diǎn)和相同的適用范圍。目前直徑在3200mm以下的多層焊縫錯開式容器在國內(nèi)已有生產(chǎn)。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）4.多層繞板式圓筒 在多層包扎式圓筒基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其主要目的是為了克服多層包扎結(jié)構(gòu)中焊縫多、生產(chǎn)周期長的缺點(diǎn)。它由內(nèi)筒、繞板層、保護(hù)筒和楔形板組成，多層繞板式圓筒橫截面如圖5-9所示。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）制造方法： 把筒體分成多個筒節(jié)，其內(nèi)筒厚度為10～40mm，內(nèi)筒的長度與所繞鋼板的寬度相同。開繞時，由于繞板的厚度會在起始端出現(xiàn)一個臺階，為此在起繞處先點(diǎn)焊一個楔形板，并且一端磨尖，另一端與繞板厚度相同并與繞板連接。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）

繞板時，首先將厚度為3～5mm的薄板端部與楔形板的厚端焊接，然后將薄板連續(xù)地纏繞在內(nèi)筒上，達(dá)到筒體的設(shè)計厚度為止。最后與起始處一樣，焊接一塊外楔形板，再包上6～10mm厚的鋼板作為保護(hù)筒，即構(gòu)成一個厚壁筒節(jié)。圖5-10和圖5-11所示即是繞板式圓筒筒節(jié)的制作過程和卷制示意。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）特點(diǎn)：繞板式厚壁圓筒與多層包扎式相比，有下列優(yōu)點(diǎn)：(1)材料供應(yīng)方便，繞板式厚壁圓筒的繞板是普通的、厚度為2～3mm鋼板。(2)生產(chǎn)效率高。因繞板過程是連續(xù)的，勞動強(qiáng)度小，生產(chǎn)周期短。(3)材料利用率高、繞板時基本上沒有邊角余料。(4)制造過程中機(jī)械化程度高，占用場地面積小，工序少。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）缺點(diǎn)：①筒節(jié)長度與鋼板寬度相等，因此，筒節(jié)和封頭均需要用深環(huán)焊縫進(jìn)行連接，增加了焊接和檢驗的工作量；②鋼板厚度誤差累積會使圓筒圓度增大；③繞板不容易繞緊，層間存在間隙等。使用范圍： 內(nèi)直徑500～7000mm，單個筒節(jié)最大長度2200mm，制作容器最大質(zhì)量1000t，最高設(shè)計壓力147.2MPa，最高設(shè)計溫度468℃。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）5.多層繞帶式圓筒 中國1965年試制成功，首創(chuàng)的一種結(jié)構(gòu)，被列入ASMEVM-1和ASMEW-2標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范案例。它是在內(nèi)筒外壁上以一定的預(yù)應(yīng)力繞上數(shù)層鋼帶制造而成。鋼帶有兩種，即扁平鋼帶和型槽鋼帶。前一種鋼帶制作的圓筒稱為扁平鋼帶式，后一種稱為繞帶式。由于繞帶式所使用的鋼帶帶有槽，公差要求高，扎制困難，還需要大型高精度的加工設(shè)備，已經(jīng)很少使用。使用更多的是扁平鋼帶式圓筒。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）制造方法： 扁平鋼帶式圓筒，是在厚度不小于1/6總壁厚的內(nèi)筒外面，以相對于圓筒體環(huán)向150～300的傾角錯繞80～160mm、厚度為4～8mm的熱軋扁平鋼帶，如圖5-12所示。 開繞時，鋼帶的起始端與筒體的端部焊牢，每層鋼帶按多頭螺紋方式繞制，并相互左右螺旋錯開。同時通過一個油壓裝置壓緊鋼帶以產(chǎn)生一定的拉力，使筒內(nèi)產(chǎn)生必要的預(yù)壓縮力。扁平鋼帶式圓筒繞帶制作示意如圖5-13所示第一節(jié)厚壁容器結(jié)構(gòu)和選材（續(xù)）第一節(jié)厚壁容器結(jié)構(gòu)和選材（續(xù)）第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）特點(diǎn)： 該結(jié)構(gòu)兼有繞帶式和多層包扎式筒體的優(yōu)點(diǎn)，可以用軋制容易的扁平鋼帶代替軋制困難的型槽鋼帶，鋼帶只需冷繞；與厚板卷焊圓筒相比，它能夠提高工效1倍，降低焊接和熱處理能耗80％，減少鋼材消耗20％，降低制造成本約30％～50％；另外筒體全長沒有深的縱向和環(huán)向焊縫該結(jié)構(gòu)，制造方法易掌握，制造設(shè)備簡單。但繞制傾角對帶層及內(nèi)筒承受軸向、環(huán)向應(yīng)力的分配極為敏感。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）①扁平鋼帶以一定傾角帶繞在內(nèi)筒上，使筒體既能承受韌向力．又能承受周向力。②加工工藝過程及所用的加工設(shè)備筒單，都能做。③整體統(tǒng)制，無深厚環(huán)焊縫。④繞制時機(jī)械化程度高，可節(jié)省大量手工勞動周期短。⑤扁平鋼帶容易軋制、材料來源廣，利用率高，制造成本低。⑥內(nèi)、外層材料可以不同。內(nèi)筒較?。畮映示W(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，爆破時不容易整個裂開，比較安全。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）使用范圍： 這種結(jié)構(gòu)主要適用于壓力不小于1MPa，內(nèi)直徑大于或等于300mm的內(nèi)壓容器。在過去的三十多年中，中國已經(jīng)制造內(nèi)徑達(dá)1000mm的扁平鋼帶式合成塔、水壓機(jī)蓄能器和高壓氣體儲罐1000多臺，目前國內(nèi)可以生產(chǎn)直徑達(dá)2500mm的扁平鋼帶式厚壁容器。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）6.螺旋繞板式圓筒制造方法： 螺旋繞板式圓筒與扁平鋼帶式圓筒在結(jié)構(gòu)上沒有實質(zhì)性的區(qū)別，只是前者使用的鋼板寬度比鋼帶大而已。該結(jié)構(gòu)是根據(jù)內(nèi)筒直徑的大小，在內(nèi)筒外面以0.2～2.2倍的筒體內(nèi)徑為螺距，使用厚度約4mm，寬度為400～2500mm的薄鋼板進(jìn)行螺旋錯繞，直到所需厚度，如圖5-14所示。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）特點(diǎn)： 這種結(jié)構(gòu)除了具有扁平鋼帶式圓筒的一些優(yōu)點(diǎn)外，沒有深環(huán)焊縫，制造時不需進(jìn)行熱處理；另外，與單層卷焊式圓筒相比較，制造工時節(jié)約60％，能耗降低90％，制造成本降低6％，使用更加安全可靠。但由于采用了大寬度的鋼板進(jìn)行纏繞，顯然增加了制造難度，如圓筒端部對接處鋼板的切削比較困難；螺距控制和精度調(diào)節(jié)要求更高；而且隨著鋼板厚度和寬度的增加，為了保證一定的纏繞力，需要大功率的繞板機(jī)床等。第二節(jié)厚壁容器的筒體形式（續(xù)）使用范圍： 目前，螺旋繞板式圓筒適用于最高設(shè)計壓力為100MPa，設(shè)計溫度為-40～350℃，圓筒體最大壁厚為200mm，筒體最大長度可達(dá)到9.5m。第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算一、厚壁圓筒彈性失效準(zhǔn)則及強(qiáng)度計算二、中國現(xiàn)行規(guī)范中的厚壁圓筒計算*三、厚壁圓筒當(dāng)量綜合應(yīng)力校核第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）

隨著高壓技術(shù)水平的提高，厚壁容器出現(xiàn)了大型化、高參數(shù)和選用高強(qiáng)度材料的趨勢。由此，針對壓力容器的設(shè)計和計算思想也由傳統(tǒng)的防止容器發(fā)生彈性失效，逐步發(fā)展成針對不同失效形式的多種設(shè)計準(zhǔn)則，并形成了常規(guī)設(shè)計與分析設(shè)計兩個自成體系又相互獨(dú)立的設(shè)計與計算方法。第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）一、厚壁圓筒彈性失效準(zhǔn)則及強(qiáng)度計算失效形式失效判據(jù)（選擇）設(shè)計準(zhǔn)則（相應(yīng)）設(shè)計是否合理（判別）第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）壓力容器失效定義

——壓力容器在規(guī)定的使用環(huán)境和時間內(nèi)，因尺寸、形狀或材料性能發(fā)生改變而危及安全或葬失正常功能（完全失去或不能達(dá)到原設(shè)計要求和壽命等）的現(xiàn)象。失效表現(xiàn)形式

泄漏過度變形斷裂失效原因

—多種多樣第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）壓力容器基本失效形式（1）強(qiáng)度失效（2）剛度失效（3）失穩(wěn)失效（4）泄漏失效失效形式第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）（1）強(qiáng)度失效——因材料屈服或斷裂引起的壓力容器失效。（a）韌性斷裂、（b）脆性斷裂、（c）疲勞斷裂、（d）蠕變斷裂、（e）腐蝕斷裂等。強(qiáng)度失效第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）a.韌性斷裂—壓力容器在載荷作用下，產(chǎn)生的應(yīng)力達(dá)到或接近所用材料的強(qiáng)度極限而發(fā)生的斷裂。特征原因斷后有肉眼可見的宏觀變形，如整體鼓脹，長伸長率可達(dá)10～20%，斷口處厚度顯著減薄；沒有碎片，或偶爾有碎片；按實測厚度計算的爆破壓力與實際爆破壓力相當(dāng)接近。壁厚過薄和內(nèi)壓過高壁厚未經(jīng)設(shè)計計算和壁厚因腐蝕而減薄操作失誤、液體受熱膨脹、化學(xué)反應(yīng)失控等。第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）嚴(yán)格按照規(guī)范設(shè)計、選材，配備相應(yīng)的安全附件，且運(yùn)輸、安裝、使用、檢修遵循有關(guān)的規(guī)定韌性斷裂可以避免第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）b.脆性斷裂——是指變形量很小、且在殼壁中的應(yīng)力值遠(yuǎn)低于材料的強(qiáng)度極限時發(fā)生的斷裂。這種斷裂是在較低應(yīng)力狀態(tài)下發(fā)生，故又稱為低應(yīng)力脆斷。

斷裂時無明顯的塑性變形；其斷口齊平，并與最大應(yīng)力方向垂直；斷裂的速度極快，常使容器斷裂成碎片；發(fā)生時容器的實際應(yīng)力值往往很低，爆破片、安全閥等安全附件不會動作；其后果要比韌性斷裂嚴(yán)重得多。特征第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）脆性斷裂

原因——材料脆性和缺陷。a.材料選用不當(dāng)、焊接與熱處理不當(dāng)使材料脆化；長期在低溫、高溫下運(yùn)行、應(yīng)變時效等也會使材料脆化；b.壓力容器用鋼一般韌性較好，但若存在嚴(yán)重的原始缺陷（如原材料的夾渣、分層、折疊等）、制造缺陷（如焊接引起的未熔透、裂紋等）或使用中產(chǎn)生的缺陷，也會導(dǎo)致脆性斷裂發(fā)生。第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）c.疲勞斷裂——在交變載荷作用下，經(jīng)一定循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷裂失效的過程。交變載荷—指大小和（或）方向都隨時間周期性（或無規(guī)則）變化的載荷。包括—壓力波動、開車停車；加熱或冷卻時溫度變化引起的熱應(yīng)力變化；振動或容器接管引起的附加載荷的交變而形成的交變載荷。需要指出—原材料或制造過程中產(chǎn)生的裂紋，也會在交變載荷的反復(fù)作用下擴(kuò)展

而導(dǎo)致壓力容器疲勞。第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）疲勞破壞（突發(fā)性破壞，接近脆斷，危險性很大）

——包括裂紋萌生、擴(kuò)展和最后斷裂三個階段。疲勞斷口—裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬時斷裂區(qū)組成。往往位于接管根部、焊接接頭等高應(yīng)力區(qū)或有缺陷的部位。是疲勞斷口最重要的特征區(qū)域。常呈現(xiàn)貝紋狀，是疲勞裂紋擴(kuò)展過程中留下的痕跡。裂紋擴(kuò)展到一定程度時的快速斷裂區(qū)。失效形式——“未爆先漏”，破壞需要有一定時間。第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）從變形看——具有韌性斷裂特征從應(yīng)力看——具有脆性斷裂特征d.蠕變斷裂——壓力容器在高溫下長期受載，隨時間的增加材料不斷發(fā)生蠕變變形，造成壁厚明顯減薄與鼓脹變形，最終導(dǎo)致壓力容器斷裂。蠕變現(xiàn)象（Creep）：——金屬材料在長時間的恒溫、恒應(yīng)力作用下，發(fā)生緩慢的塑性變形。e.腐蝕斷裂——韌性斷裂特征／脆性斷裂特征。第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）均勻腐蝕的減薄和局部腐蝕的凹坑引起的斷裂晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕引起的斷裂第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）（2）剛度失效——由于構(gòu)件過度的彈性變形引起的失效。（3）失穩(wěn)失效——在壓應(yīng)力作用下，壓力容器突然失去其原有的規(guī)則幾何形狀引起的失效。（4）泄漏失效——泄漏而引起的失效。危害：可能引起中毒、燃燒和爆炸等事故，

造成環(huán)境污染等。如塔受風(fēng)載荷，產(chǎn)生過大的彎曲變形第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）失效判據(jù)和設(shè)計準(zhǔn)則壓力容器最可能發(fā)生的失效形式分析思路求得壓力容器在穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)工況下的力學(xué)響應(yīng)（如應(yīng)力、應(yīng)變、固有頻率等）確定力學(xué)響應(yīng)的限制值以判斷壓力容器

能否安全使用是否獲得滿意的使用效果（根據(jù)）第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）(1)失效判據(jù)——將力學(xué)分析結(jié)果與簡單實驗測量結(jié)果相比較，判別壓力容器是否會失效。這種判據(jù)稱為失效判據(jù)。(2)設(shè)計準(zhǔn)則

——根據(jù)失效判據(jù)，再考慮各種不確定因素，引入安全系數(shù)，得到與失效判據(jù)相對應(yīng)的準(zhǔn)則。分類強(qiáng)度失效設(shè)計準(zhǔn)則剛度失效設(shè)計準(zhǔn)則穩(wěn)定失效設(shè)計準(zhǔn)則泄漏失效設(shè)計準(zhǔn)則第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）工作程序：第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）1.強(qiáng)度失效設(shè)計準(zhǔn)則常用的強(qiáng)度失效

設(shè)計準(zhǔn)則：彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則塑性失效設(shè)計準(zhǔn)則爆破失效設(shè)計準(zhǔn)則彈塑性失效設(shè)計準(zhǔn)則疲勞失效設(shè)計準(zhǔn)則蠕變失效設(shè)計準(zhǔn)則脆性斷裂失效設(shè)計準(zhǔn)則兩種主要形式：（在常溫、靜載作用下）斷裂屈服第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）⑴彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則（韌性材料）——將容器總體部位的初始屈服視為失效。1.單向拉伸——最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則（第一強(qiáng)度理論）屈服失效的數(shù)學(xué)表達(dá)試相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則—屈服應(yīng)力—許用應(yīng)力—最大拉應(yīng)力第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）

2.任意應(yīng)力狀態(tài)——最大切應(yīng)力準(zhǔn)則屈雷斯卡(Tresca)屈服失效判據(jù)任意應(yīng)力狀態(tài)——最大切應(yīng)力屈服失效判據(jù)——第三強(qiáng)度理論第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）3.任意應(yīng)力狀態(tài)——形狀改變比能準(zhǔn)則——形狀改變比能失效判據(jù)——第四強(qiáng)度理論任意應(yīng)力狀態(tài)第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）4.應(yīng)力強(qiáng)度或相當(dāng)應(yīng)力彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則統(tǒng)一：第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）⑵塑性失效設(shè)計準(zhǔn)則——理想彈塑性材料，內(nèi)壓厚壁圓筒——設(shè)計壓力——全屈服壓力——全屈服安全系數(shù)第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）⑶爆破失效設(shè)計準(zhǔn)則——容器爆破作為失效判據(jù)——壓力容器一般具有應(yīng)變硬化現(xiàn)象爆破壓力大于全屈服壓力爆破失效設(shè)計準(zhǔn)則：——爆破壓力——爆破安全系數(shù)第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）⑷彈塑性失效設(shè)計準(zhǔn)則——又稱為安定性準(zhǔn)則，認(rèn)為載荷變化范圍達(dá)到安定載荷，容器就失效。應(yīng)用場合：適用于各種載荷不按同一比例遞增、載荷大小反復(fù)變化。第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）安定狀態(tài)——容器承受稍大于初始屈服載荷的載荷少量的局部塑性變形殘余應(yīng)力場應(yīng)力疊加后小于屈服點(diǎn)

保持彈性行為

無新塑性變形“安定”狀態(tài)若容器所受的載荷較小——最大應(yīng)力點(diǎn)進(jìn)入塑性相對應(yīng)的載荷。第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）“安定”狀態(tài)“不安定”狀態(tài)載荷繼續(xù)增大反向屈服，或塑性變形累積；

喪失安定，塑性變形漸增工程上：由于超過安定載荷后容器并不立即破壞，危險性較小，安定載荷的安全系數(shù)＝1.0，

最大載荷變化范圍<安定載荷。安定載荷

——安定和不安定的臨界狀態(tài)相對應(yīng)的載荷變化范圍。第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）⑸疲勞失效設(shè)計準(zhǔn)則——最大虛擬應(yīng)力幅按低周疲勞設(shè)計曲線所確定的許用循環(huán)次數(shù)大于容器所需的循環(huán)次數(shù)，容器就不會發(fā)生疲勞失效。低周疲勞設(shè)計曲線——由試驗及理論得，虛擬應(yīng)力幅與許用循環(huán)次數(shù)之間的關(guān)系曲線。低周疲勞——每次循環(huán)中材料都將產(chǎn)生一定的塑性應(yīng)變，疲勞破壞時的循環(huán)次數(shù)較低，一般在105次以下。第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）⑹蠕變失效設(shè)計準(zhǔn)則——將應(yīng)力限制在由蠕變極限和持久強(qiáng)度確定的許用應(yīng)力以內(nèi)。⑺脆性斷裂失效設(shè)計準(zhǔn)則1.破損安全設(shè)計——假設(shè)裂紋存在時，結(jié)構(gòu)還能承受工作載荷——容器裂紋容限問題。2.先漏后爆設(shè)計——材料具有足夠韌性，快速斷裂前，裂紋已穿透壁厚，導(dǎo)致泄漏發(fā)生，可避免突發(fā)快速斷裂，減少損失。說明：假設(shè)裂紋，真實裂紋（漏檢或在使用中產(chǎn)生）第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）⑻剛度失效設(shè)計準(zhǔn)則——在載荷作用下，要求構(gòu)件的彈性位移、轉(zhuǎn)角不超過規(guī)定的數(shù)值第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）⑺失穩(wěn)失效設(shè)計準(zhǔn)則⑻泄漏失效設(shè)計準(zhǔn)則——密封裝置的介質(zhì)泄漏率不得超過許用泄漏率?！乐故Х€(wěn)發(fā)生周向失穩(wěn)軸向失穩(wěn)局部失穩(wěn)失效判據(jù)：設(shè)計準(zhǔn)則：第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）2.受內(nèi)壓厚壁圓筒強(qiáng)度計算 若厚壁圓筒的當(dāng)量應(yīng)力為σeq，材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力為[σ]t，按照彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則可以寫出強(qiáng)度條件的統(tǒng)一形式，即：第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）

由應(yīng)力分析可知，僅承受內(nèi)壓作用的厚壁圓筒，危險點(diǎn)在其內(nèi)壁，因此需要對內(nèi)壁進(jìn)行強(qiáng)度計算。內(nèi)壁三個主應(yīng)力(按材料力學(xué)的主應(yīng)力排列順序)分別為：第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）

根據(jù)第一、第二、第三、第四強(qiáng)度理論，得到以下強(qiáng)度條件：第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）

將厚壁圓筒內(nèi)壁三個主應(yīng)力的值分別代人以上各式，通過化簡整理，即得到相應(yīng)的強(qiáng)度條件表達(dá)式；如果已知厚壁圓筒所承受的內(nèi)壓力p和材料的許用應(yīng)力值[σ]t

，根據(jù)強(qiáng)度條件以及簡體的內(nèi)徑或外徑等幾何尺寸，即可推導(dǎo)出厚壁圓筒的壁厚計算表達(dá)式(見表5—1)。第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）關(guān)于中徑公式 對于承受內(nèi)壓的薄壁圓筒，仿效上述分析方法，危險點(diǎn)的三個主應(yīng)力分別為由第一強(qiáng)度理論得第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）將中徑與壁厚的關(guān)系轉(zhuǎn)換成用徑比K來表示，即經(jīng)簡化得到第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）取等號得到徑比為最后，得到薄壁圓筒的厚度計算式

(又稱為中徑公式)，即：第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）3.強(qiáng)度理論公式分析第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）①在同一承載能力下，按最大剪應(yīng)力理論計算出的K值最大(壁厚最厚)，而按中徑公式計算出的K值最小(即壁厚最薄)。②在圓筒承載能力較低(如ps/σs＜0.2)時，由各強(qiáng)度理論計算的K值差別不大。尤其是K≤1.2，各曲線幾乎趨于重合，說明各公式計算的結(jié)果基本一致。故在此條件下，中國和外國的一些規(guī)范中，提出選用較簡單的中徑公式對圓筒形殼體進(jìn)行強(qiáng)度計算。第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）③按最大應(yīng)變能理論計算出的內(nèi)壁初始屈服壓力與試驗值最為接近。K≤1.5，適當(dāng)調(diào)整安全系數(shù)，可以使中徑公式的計算結(jié)果與最大應(yīng)變能理論的結(jié)果相近，使公式得以簡化。因此，不少國家為了計算方便，規(guī)定在K≤1.5時可以采用中徑公式進(jìn)行設(shè)計計算。當(dāng)K＞1.5，各強(qiáng)度理論計算的結(jié)果相差會越來越大，這時采用最大應(yīng)變能理論計算更合適。④當(dāng)承載能力達(dá)到一定水平時，各強(qiáng)度理論的徑比K值將趨于無窮大，且曲線向上陡直，這說明強(qiáng)度理論已達(dá)到了各自的應(yīng)用極限。第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）二、中國現(xiàn)行規(guī)范中的厚壁圓筒計算

設(shè)計壓力≤35MPa的厚壁容器，中國采用GB150《鋼制壓力容器》中有關(guān)規(guī)定進(jìn)行設(shè)計和計算。在第5章“內(nèi)壓圓筒和內(nèi)壓球殼”中規(guī)定了單層、多層包扎和熱套等厚壁圓筒的計算方法。

該方法采用彈性失效準(zhǔn)則和最大主應(yīng)力理論，強(qiáng)度控制不區(qū)分應(yīng)力性質(zhì)和危險程度而全部采用同一許用應(yīng)力，但計算中將按照載荷和結(jié)構(gòu)的不同給出相應(yīng)的系數(shù)。第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）1.單層內(nèi)壓厚壁圓筒計算設(shè)計溫度下圓筒的計算厚度可以直接采用表5-1中的中徑公式計算，但式中的內(nèi)壓力p應(yīng)使用計算壓力pc，考慮焊接可能引起的強(qiáng)度削弱，經(jīng)簡化后得到厚壁圓筒的壁厚計算式為：該公式適用范圍為用塑性失效設(shè)計準(zhǔn)則或爆破失效設(shè)計準(zhǔn)則進(jìn)行計算否則，常采第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）在設(shè)計溫度下圓筒強(qiáng)度按以下判別式進(jìn)行強(qiáng)度校核圓筒的最大允許工作壓力(多層圓筒也適用于)第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）2.多層內(nèi)壓厚壁圓筒計算為了改善厚壁圓筒的應(yīng)力分布，提高其承載能力，多層厚壁圓筒在制造過程中都施加了一定大小的預(yù)應(yīng)力。但由于結(jié)構(gòu)和制造上的原因，定量控制預(yù)應(yīng)力的大小是比較困難的。因此，在對多層厚壁圓筒進(jìn)行計算時，從安全角度考慮一般不計人預(yù)應(yīng)力的影響，而僅將其作為圓筒自身的強(qiáng)度儲備。只有當(dāng)壓力很高時，才考慮預(yù)應(yīng)力的作用。第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）

多層圓筒(含包扎、熱套式、繞板式和扁平鋼帶式)的壁厚計算方法與單層厚壁圓筒基本一樣，只要用組合許用應(yīng)力代替原有的許用應(yīng)力即可。組合許用應(yīng)力為：第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）

例題5-1

設(shè)計一臺多層包扎式高壓容器的筒體，已知設(shè)計壓力為32.0MPa，設(shè)計溫度＜200℃，容器內(nèi)徑為1000mm，內(nèi)筒厚度為18mm，材料為16MnR，層板材料選用16MnRC，層板厚度為6mm，內(nèi)筒的腐蝕裕量取2mm，試計算需要層板多少層?第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）解1.確定有關(guān)計算參數(shù)(1)許用應(yīng)力根據(jù)厚度18mm，溫度200℃，材料為16MnR鋼板，以及厚度為6mm，溫度200℃，層板材料為16MnRC的題設(shè)條件，查表3-6分別得到內(nèi)筒材料許用應(yīng)力[σi]t＝159MPa，層板材料許用應(yīng)力[σ0]t＝170MPa。(2)焊接接頭系數(shù) 采用雙面焊對接焊縫，100％無損探傷，取內(nèi)筒焊接接頭系數(shù)φ＝1.0；層板層的焊接接頭系數(shù)取φ＝0.95。第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）(3)厚度附加量 多層包扎圓筒只考慮內(nèi)筒的C值，查表3-10得到厚度為18mm的內(nèi)筒的鋼板負(fù)偏差C1＝0.8mm，故厚度附加系數(shù)C＝C1+C2＝0.8+2＝2.8mm。(4)計算壓力取計算壓力pc＝p＝32.0MPa。第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）2．計算層板層數(shù) 采用試算法。即選取一個層板數(shù)，通過壁厚計算，如果δe-δ＜6mm，說明層板數(shù)取得合適；如果δe-δ≥6mm，說明層板數(shù)取得過多；如δe-δ＜0則說明層板數(shù)取得太少，后兩種情況都需要重新假設(shè)層板數(shù)進(jìn)行試算，直至合適為止。。首先假設(shè)層板數(shù)N＝17第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）組合許用應(yīng)力第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）由此可知，取層板數(shù)為N＝17偏多，不合適。再取N＝16計算，直至滿足要求為止第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）*三、厚壁圓筒當(dāng)量綜合應(yīng)力校核

厚壁圓筒除了承受由壓力引起的應(yīng)力外，當(dāng)容器在較高溫度下操作時，還不可避免地要承受較大的溫差應(yīng)力。因此，除了在結(jié)構(gòu)和使用過程中采取一定措施外，為了確保安全，還需要對這一類圓筒進(jìn)行校核．并按最不利的條件來確定強(qiáng)度壁厚。第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）1.內(nèi)壓內(nèi)加熱圓筒應(yīng)力校核 計算出厚度δe后，考慮附加量及鋼板規(guī)格，確定名義厚度δn

，即可按下式校核圓筒外壁上的當(dāng)量綜合應(yīng)力，即第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）——厚壁圓筒外壁上的當(dāng)量溫差應(yīng)力，可以證明該應(yīng)力等于圓簡外壁上的環(huán)向溫差應(yīng)力(見表2-2)——圓筒外壁上的當(dāng)且綜合應(yīng)力，MPa；——厚壁圓筒外壁上內(nèi)壓產(chǎn)生的當(dāng)量應(yīng)力，采用第四強(qiáng)度理論，將外壁的三個主應(yīng)力(見表2-1),代入，經(jīng)化簡得到第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）2.內(nèi)壓外加熱圓簡應(yīng)力校核

內(nèi)壓外加熱厚望圓筒，最危險處是在內(nèi)壁上，故按內(nèi)壓圓筒求得名義厚度δn后，按以下條件校核內(nèi)壁上的當(dāng)量綜合應(yīng)力，即第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）——厚壁圓筒外壁上的當(dāng)量溫差應(yīng)力，可以證明該應(yīng)力等于圓簡外壁上的環(huán)向溫差應(yīng)力(見表2-2)——圓筒外壁上的當(dāng)且綜合應(yīng)力，MPa；——厚壁圓筒外壁上內(nèi)壓產(chǎn)生的當(dāng)量應(yīng)力，采用第四強(qiáng)度理論，將外壁的三個主應(yīng)力(見表5-1),代入，經(jīng)化簡得到第三節(jié)厚壁圓筒的強(qiáng)度計算（續(xù)）從上述計算內(nèi)容可知，在進(jìn)行當(dāng)且綜合應(yīng)力校核時應(yīng)注意以下兩點(diǎn)。①校核計算公式中使用的壁厚，應(yīng)該是圓筒的名義厚度；②校核時使用的強(qiáng)度條件是2[σ]t

。考慮溫差應(yīng)力，當(dāng)器壁中當(dāng)量綜合應(yīng)力達(dá)到材料屈服極限而發(fā)生變形時，某些約束即得到緩解，溫差應(yīng)力不會繼續(xù)增加。對塑性材料制作的厚壁容器，溫差應(yīng)力的自限性，其對強(qiáng)度的危害性要比內(nèi)壓力或其他機(jī)械載荷引起的應(yīng)力小得多。第四節(jié)厚壁圓筒的自增強(qiáng)一、自增強(qiáng)圓筒的應(yīng)用特點(diǎn)二、自增強(qiáng)處理的方法第四節(jié)厚壁圓筒的自增強(qiáng)（續(xù)）

通過應(yīng)力分析可知，僅受內(nèi)壓作用的厚壁圓筒，其內(nèi)壁上的當(dāng)量應(yīng)力為最大，外壁為最小，但應(yīng)力沿壁厚分布不均勻。這就意味著厚壁圓筒在承載時，只要圓筒未進(jìn)入整體塑性變形狀態(tài)，外層材料總是沒有得到充分利用。為了解決這一問題，人們提出了采用預(yù)應(yīng)力的方法來改善簡體的應(yīng)力分布，從而提高材料利用率和降低簡體的使用厚度。自增強(qiáng)技術(shù)的起因第四節(jié)厚壁圓筒的自增強(qiáng)（續(xù)）自增強(qiáng)厚壁容器彈性操作筒體厚壁圓筒產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力的常用方法第四節(jié)厚壁圓筒的自增強(qiáng)（續(xù)）方法：通過某種制作工藝或技術(shù)，將一個圓筒縮套在另一個圓筒外，使內(nèi)筒產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，而所有應(yīng)力和應(yīng)變都限制在彈性范圍內(nèi)，故稱為彈性操作筒體。彈性操作筒體具體應(yīng)用：多層包扎式、熱套式、繞帶式等多種組合式圓筒即屬于這類方法的。第四節(jié)厚壁圓筒的自增強(qiáng)（續(xù)）方法：在厚壁容器操作使用前進(jìn)行加壓處理，此壓力一般超過操作壓力，使圓筒內(nèi)壁屈服，產(chǎn)生徑向擴(kuò)大的殘余變形并形成一塑性區(qū)，而外層仍保持彈性變形。保壓一段時間后卸載，由于外層材料的彈性收縮，使已經(jīng)進(jìn)入塑性狀態(tài)的內(nèi)層材料在彈性恢復(fù)后產(chǎn)生壓縮應(yīng)力。由于此類方法是利用圓筒自身外層的彈性收縮來獲得預(yù)應(yīng)力，故稱為自增強(qiáng)。自增強(qiáng)厚壁容器第四節(jié)厚壁圓筒的自增強(qiáng)（續(xù)）一、自增強(qiáng)圓筒的應(yīng)用特點(diǎn)①經(jīng)過自增強(qiáng)處理的圓筒，因為產(chǎn)生了預(yù)壓縮應(yīng)力，使圓筒內(nèi)壁原有的最大應(yīng)力降低應(yīng)力分布更為均勻，而且全部應(yīng)力維持在彈性范圍內(nèi)，彈性操作范圍擴(kuò)大，彈性承載能得到較大提高。

例如，試驗證明0Cr18Ni9的不銹鋼圓筒，經(jīng)超應(yīng)變處理4％的變形率后，內(nèi)壁材料的屈服極限。σ0.2可以提高43％；經(jīng)過自增強(qiáng)處理的管子，其屈服壓力提高40％～59％由此可以代用強(qiáng)度較低的管子或使壁厚減薄。第四節(jié)厚壁圓筒的自增強(qiáng)（續(xù)）②經(jīng)過自增強(qiáng)處理的圓筒，由于內(nèi)壁存在壓縮殘余應(yīng)力，操作時使內(nèi)壁平均應(yīng)力降低，疲勞強(qiáng)度顯著提高。特別是對有徑向小孔和內(nèi)壁有缺陷或有裂紋的圓筒，經(jīng)自增強(qiáng)處理后，其疲勞持久極限和疲勞壽命均比非自增強(qiáng)圓筒有顯著提高。 例如，國外曾用En25鋼制圓筒做自增強(qiáng)與非自增強(qiáng)的疲勞比較試驗。圓筒開設(shè)多個不同直徑的孔，自增強(qiáng)壓力為325MPa時，不開孔部位剛好超應(yīng)變時，開孔處已產(chǎn)生相當(dāng)大的超應(yīng)變，其疲勞持久極限比非自增強(qiáng)圓筒至少增加50％。第四節(jié)厚壁圓筒的自增強(qiáng)（續(xù)）③盡管過去認(rèn)為高壓和超高壓自增強(qiáng)圓筒，在高溫或交變內(nèi)壓循環(huán)作用下會產(chǎn)生殘余應(yīng)力松弛。但經(jīng)過試驗證明，經(jīng)自增強(qiáng)處理的圓筒在高溫（如454℃）下經(jīng)一定時間后，內(nèi)壁殘余應(yīng)力的松弛會趨于緩和穩(wěn)定，但仍留下較高的環(huán)向壓縮殘余應(yīng)力，對提高圓筒的彈性承載能力依然有很大作用。因此，只要選擇抗蠕變性能良好、合適的材料，自增強(qiáng)圓筒仍然可以很好地應(yīng)用在高溫工作環(huán)境。第四節(jié)厚壁圓筒的自增強(qiáng)（續(xù)）二、自增強(qiáng)處理的方法自增強(qiáng)加壓處理主要方法：1.液壓法；2.機(jī)械擠壓法；3.爆炸脹壓法。第四節(jié)厚壁圓筒的自增強(qiáng)（續(xù)）1.液壓法；液壓法是一種使用最早和最常用的加壓處理方法，廣泛應(yīng)用于各種大、高壓或超高壓容器以及高壓管道的