内压薄壁圆筒的强度设计课件.pptx

1、1内压内压薄壁圆筒的强度设计薄壁圆筒的强度设计21.1. 根据薄膜理论进行应力分析，确定薄膜应力状态下根据薄膜理论进行应力分析，确定薄膜应力状态下的主应力的主应力2.2. 根据弹性失效的设计准则，应用强度理论确定应力根据弹性失效的设计准则，应用强度理论确定应力的强度判据的强度判据3.3. 对于封头，考虑到薄膜应力的变化和边缘应力的影对于封头，考虑到薄膜应力的变化和边缘应力的影响，按壳体中的应力状况在公式中引进应力增强系响，按壳体中的应力状况在公式中引进应力增强系数数4.4. 根据应力强度判据，考虑腐蚀等实际因素导出具体根据应力强度判据，考虑腐蚀等实际因素导出具体的计算公式。的计算公式。内压薄壁

2、圆筒与封头的强度设计公式推导过程内压薄壁圆筒与封头的强度设计公式推导过程3 容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点，容器即告失效容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点，容器即告失效( (失去正常的工作能力失去正常的工作能力) )，也就是说，容器的每一部分必须处于弹性变形范围，也就是说，容器的每一部分必须处于弹性变形范围内。内。保证器壁内的相当应力必须小于材料由单向拉伸时测得的屈服点。保证器壁内的相当应力必须小于材料由单向拉伸时测得的屈服点。 一、强度设计的基本知识一、强度设计的基本知识（一）、关于弹性失效的设计准则（一）、关于弹性失效的设计准则1、弹性失效理论、弹性失效理论

3、s 当当4为了保证结构安全可靠地工作，必须留有一定的安为了保证结构安全可靠地工作，必须留有一定的安全裕度，使结构中的最大工作应力与材料的许用应全裕度，使结构中的最大工作应力与材料的许用应力之间满足一定的关系，即力之间满足一定的关系，即 n0当= 0当n 相当应力，相当应力，MPa，可由强度理论确定可由强度理论确定 极限应力，极限应力，MPa，可由简单拉伸试验确定可由简单拉伸试验确定 安全裕度安全裕度 许用应力许用应力, ,MPa2、强度安全条件、强度安全条件5 42pDm 21pD 03r径向应力径向应力（二）、强度理论及其相应的强度条件（二）、强度理论及其相应的强度条件1、薄壁压力容器的应力

4、状态、薄壁压力容器的应力状态图图4-1 应力状态应力状态6第一强度理论第一强度理论（最大主应力理论）（最大主应力理论）第三强度理论第三强度理论（最大剪应力理论）（最大剪应力理论） 21pDI当强度条件强度条件 2pDI当 231pDIII当强度条件强度条件 2pDIII当适用于适用于脆性材料脆性材料适用于适用于塑性材料塑性材料2、常用强度理论、常用强度理论7第四强度理论第四强度理论（能量理论）（能量理论）2.3 21)()()(21212221213232221pDIV当强度条件强度条件 3 . 2pDIV当适用于适用于塑性材料塑性材料第二强度理论（最大变形理论）与实际相差较大，目前很少采用。

5、第二强度理论（最大变形理论）与实际相差较大，目前很少采用。压力容器材料都是塑性材料，应采用三、四强度理论压力容器材料都是塑性材料，应采用三、四强度理论， GB150-98采用第三强度理论采用第三强度理论.8 2pDIII当 tpD2iDD考虑实际情况，考虑实际情况，引入引入pc等参数等参数 cticpDp2 22CpDpcticd考虑介质考虑介质腐蚀性腐蚀性考虑钢板厚度考虑钢板厚度负偏差并圆整负偏差并圆整n二、内压薄壁圆筒壳体与球壳的强度设计二、内压薄壁圆筒壳体与球壳的强度设计（一）、强度设计公式（一）、强度设计公式1、内压薄壁圆筒、内压薄壁圆筒9参数变换参数变换： 1.将中径换算为圆筒内径，

6、D=Di+S; 2.压力换为计算压力Pc ； 3.考虑到焊缝处因气孔、夹渣等缺陷以及热影响区晶粒粗大等造成的强度削弱，引进焊缝系数焊缝系数(1)； 4.材料的许用应力与设计温度有关。10内压圆筒强度计算公式：内压圆筒强度计算公式： 36 2 citcp DS (mm) ()p再考虑腐蚀裕量C2 ,于是得到圆筒的设计壁厚设计壁厚为： 236 2cidtcp DSC (mm) (a)p计算壁厚计算壁厚公式：11 在公式（36a）基础上，考虑到钢板的负偏差C1（钢板在轧制时产生了偏差） 名义壁厚名义壁厚公式： 21 2 cintcpDSCC (mm) p 再根据钢板标准规格向上圆整向上圆整。 Sn最

7、终名义厚度名义厚度。 这是写在图纸上的钢板厚度这是写在图纸上的钢板厚度！12强度校核公式强度校核公式最大允许工作压力计算公式最大允许工作压力计算公式22(38)ttnewinieCpDCD t() (37)2tcieepD1、当筒体采用无缝钢管时，应将式中的、当筒体采用无缝钢管时，应将式中的Di换为换为D02、以上公式的适用范围为、以上公式的适用范围为3、用第四强度理论计算结果相差不大、用第四强度理论计算结果相差不大tcp 4 . 013421pD cticpDp4 24CpDpcticd 4)(teeictDp eietwDp4公式的适用范围为公式的适用范围为tcp 6 . 02、内压球形壳

8、体、内压球形壳体14工作压力工作压力 指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。 设计压力设计压力 指设定的容器顶部的最高压力，它与相应设计温度一起作指设定的容器顶部的最高压力，它与相应设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。为设计载荷条件，其值不低于工作压力。 计算压力计算压力 指在相应设计温度下，用以确定壳体各部位厚度的压力，指在相应设计温度下，用以确定壳体各部位厚度的压力，其中包括液柱静压力。其中包括液柱静压力。 计算压力计算压力pc=设计压力设计压力p+液柱静压力液柱静压力 （二）、设计参数的确定（二）、设计参数的确定1、

9、压力、压力15 工作压力工作压力pw-正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。 由工艺计算确定： 化学反应所要求的； 传递过程所必需的； 由液化气体的饱和蒸汽压所决定的。16设计压力设计压力p p：设定的容器顶部的最高压力-设计载荷。取值方法：取值方法：（1）容器上装有安全阀取不低于安全阀开启压力 ： p （1.051.1）pw系数取决于弹簧起跳压力 。17（2）容器内有爆炸性介质，安装有防爆膜时：取 设计压力为爆破片设计爆破压力加制造范围上限。设计压力为爆破片设计爆破压力加制造范围上限。P44 表3-1。防爆膜装置示意图18（3）无安全泄放装置取 p=（1.01.1）pw 。（4）盛装液

10、化气容器 设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。（地面安装的容器按不低于最高饱和蒸汽压考虑，如40，50，60时的气体压力）。 注意：要考虑实际工作环境，如放置地区，保温，遮阳，喷水等。例如例如：液氨储罐。金属壁温最高工作为50，氨的饱和蒸汽压为2.07MPa。 1.容器的设计压力？ 2.若容器安放有安全阀，设计压力？19（5）外压容器取 p正常操作下可能产生的最大压差。 注意：注意：“正常操作正常操作”含空料，真空检漏，含空料，真空检漏，稳定生产，中间停车等情况。稳定生产，中间停车等情况。（6）真空容器不设安全阀时，取0.1MPa ； 设有安全阀时 取Min（1.25p ,0.

11、1MPa) 。20釜壁可能承受压力情况： 釜内空料，夹套内充蒸汽-外压0.2MPa; 釜内真空，夹套内充蒸汽-外压0.3MPa; 釜内0.3MPa，夹套内0.2MPa-内压0.1MPa; 釜内0.3MPa，夹套内空料-内压0.3MPa;釜壁承受的最大压差:内压0.3MPa或外压0.3MPa.（7）带夹套容器取正常操作时可能出现的最大内外压差。例例如如 带夹套的反应釜：夹套内蒸汽压力为0.2MPa,釜内开始抽真空，然后釜内升压至0.3MPa。该釜壁承受压力如何？21计算压力计算压力pc在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略

12、不计。即计算压力计算压力 设计压力设计压力 液柱静压力液柱静压力 5%P时计入时计入)可见，计算压力计算压力设计压力设计压力工作压力工作压力 容器顶部表压容器顶部表压 例：一立式容器，工作压力0.5MPa，液体深10m， 重度为10,000N/m3。pw=0.5MPa, p=0.5MPapc=0.5+(1010,000)/1,000,000=0.6MPa22指容器在正常工作情况下，在相应的设指容器在正常工作情况下，在相应的设计压力下，设定的元件的金属温度（沿计压力下，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面厚度的温度平均值）。元件金属截面厚度的温度平均值）。设计温度是设计温度是选择材料选择材料和和

13、确定许用应力确定许用应力时时不可少的参数。不可少的参数。 2、设计温度、设计温度23确定设计温度的方法：（1）对类似设备实测；（2）传热计算；（3）参照书P44表3-2。 例如：不被加热或冷却的器壁，且壁外有保温，取介质温度；用水蒸气、热水或其它液体加热或冷却的器壁，取热介质的温度；等等。24 nt0（1）极限应力）极限应力极限应力的选取与结构的使极限应力的选取与结构的使用条件和失效准则有关用条件和失效准则有关0极限应力可以是极限应力可以是tntDttssb、)()(2 . 02 . 0许用应力是以材料的各项强度数据为许用应力是以材料的各项强度数据为依据，合理选择安全系数依据，合理选择安全系数

14、n n得出的。得出的。3、许用应力和安全系数、许用应力和安全系数25常温容器常温容器 中温容器中温容器 高温容器高温容器 =minbbn,ssn2 . 0 t=minsttsbtbnn2 . 0, t=minDtDntnsttsnnn,2 . 0 高温式中 -设计温度下材料的蠕变强度和 持 久强度。 -蠕变强度和持久强度的安全系数。ttnD、Dnn 、n26（2）安全系数）安全系数安全系数是一个不断发展变化的参数。安全系数是一个不断发展变化的参数。随着科技发展，安全系数将逐渐变小。随着科技发展，安全系数将逐渐变小。 常温下，碳钢和低合金钢常温下，碳钢和低合金钢6 . 1 0 . 3sbnn，钢

15、材的安全系数钢材的安全系数27影响安全系数的因素：计算方法的准确性、可靠性和受力分析的精度；材料质量和制造的技术水平；容器的工作条件及其在生产中的重要性和危险性。284. 4.焊接接头系数（焊接接头系数（ ）容器上存在有：纵焊缝A类焊缝环焊缝B类焊缝需要进行无损检验。检验方法主要是：X射线检查射线检查和超声波检查超声波检查。29常见的焊接形式：303132333435 缺陷，夹渣，未焊透，晶粒粗大等，在外观看不出来； 熔池内金属从熔化到凝固的过程受到熔池外金属的刚性约束，内应力很大。焊缝区强度比较薄弱焊缝区强度比较薄弱。36焊接缺陷37焊缝区的强度主要取决于熔焊金属、焊缝结构和施焊缝区的强度主

16、要取决于熔焊金属、焊缝结构和施焊质量。焊质量。焊接接头系数的大小决定于焊接接头的型式和无损焊接接头系数的大小决定于焊接接头的型式和无损检测的长度比率。检测的长度比率。焊接接头系数焊接接头系数是焊接削弱而降低设计许用应力的是焊接削弱而降低设计许用应力的系数。系数。 为综合考虑筒体强度，设计公式中将钢板母材的许用应力乘以（1）。 38焊接接头系数（）：焊接接头结构100%无损检验 局部无损检验示意图双面对接焊 1.0 0.85 带垫板单面对接焊 0.90 0.80391.可否采用搭接焊结构制作压力容器壳体？为什麽？2.焊缝处为什麽要进行无损探伤检查？3.焊缝系数（）为什麽小于等于1？4.取焊缝系数

17、的依据是什麽？5.壁厚计算公式中的t是钢板的许用应力，还是焊缝材料的许用应力？6.带垫板的焊缝结构中，垫板的作用是什麽？是否起加强作用？405. 5.壁厚附加量壁厚附加量容器壁厚附加量（1）钢板或钢管厚度负偏差负偏差 C1: 例如，满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚度，满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚度，包括钢板负偏差包括钢板负偏差( (或钢管负偏差或钢管负偏差) ) C1、腐蚀裕量、腐蚀裕量 C2 即即 C C1十十 C241 在设计容器壁厚时要在设计容器壁厚时要 预先考虑负偏差预先考虑负偏差。C1 钢板厚度负偏差钢板厚度负偏差 1、钢板负偏差参见、钢板负偏差参见P49表表3-

18、7选取；选取； 钢管厚度负偏差参见相关文件。钢管厚度负偏差参见相关文件。2、当钢材的厚度负偏差不大于、当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且且不超过名义厚度的不超过名义厚度的6%时，负偏差可以忽略不时，负偏差可以忽略不计。计。 42（2）腐蚀裕量腐蚀裕量C C2 2 容器元件由于腐蚀或机械磨损厚度减薄。在设计壁厚时要考虑容器使用寿命期内的安全性！在设计壁厚时要考虑容器使用寿命期内的安全性！具体规定具体规定如下：对有腐蚀或磨损的元件: C2=KaB Ka-腐蚀速率（mm/a），由材料手册或实验确定。 B-容器的设计寿命，通常为1015年。一般情况, Ka=0.050.13mm/a的轻微腐蚀时，

19、 对单面腐蚀单面腐蚀取C2=12mm; 对双面腐蚀双面腐蚀取C2=24mm。 对于不锈钢，一般取0。 43 1. 确定腐蚀裕度的依据？2.腐蚀裕度的有效期？3.列管换热器的管子、壳体腐蚀裕度如何定？ 容器各元件受到的腐蚀程度不同时，设计中可采用不同的腐蚀裕量。 介质为压缩空气、水蒸气或水的碳钢或低合金钢容器，单面腐蚀裕量不小于1mm； 对不锈钢容器，腐蚀轻微时可取C2=0。446.直径系列与钢板厚度直径系列与钢板厚度 要按照钢板厚度尺寸系列厚度尺寸系列标准GB/T709-2001的规定选取。P50表3-10。 压力容器的直径系列直径系列已经施行标准化（GB9019-88)，筒体与封头的公称直径

20、配套。45（三）、容器的壁厚和最小壁厚（三）、容器的壁厚和最小壁厚实际壁厚不得小于名义壁厚减去钢板负偏差，可保证强度要求！热加工封头时，加工单位应预先考虑加工减薄量！46设计压力较低的容器计算厚度很薄。设计压力较低的容器计算厚度很薄。大型容器刚度不足，不满足运输、安装。大型容器刚度不足，不满足运输、安装。限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求。限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求。壳体加工成形后不包括腐蚀裕量最小厚壳体加工成形后不包括腐蚀裕量最小厚度：度：a.碳素钢和低合金钢制容器不小于碳素钢和低合金钢制容器不小于3mm b.对高合金钢制容器，不小于对高合金钢制容器，不小于2mmmin2、最小厚度、

21、最小厚度 c 碳素钢、低合金钢制塔式容碳素钢、低合金钢制塔式容器器min maxiD10002, 4mm；不锈钢制塔式容器不锈钢制塔式容器minmaxiD10002, 3mm. 47在于检验容器的宏观强度和有无渗漏现象，在于检验容器的宏观强度和有无渗漏现象，即考察容器的密封性，以确保设备的安全即考察容器的密封性，以确保设备的安全运行。运行。目的目的1）检验容器宏观强度是否出现裂纹,是否变形过大；2）密封点及焊缝的密封情况。（四）、容器耐压试验及其强度校核（四）、容器耐压试验及其强度校核要知道！要知道！（1）需要焊后热处理的容器，须热处理后进行 压力试验和气密试验；（2）须分段交货的容器，在工地

22、组装并对环焊 缝进行热处理后，进行压力试验；（3）塔器须安装后进行水压试验；48液压试验液压试验气压试验气压试验内压容器试验压力内压容器试验压力tTpp25. 1tTpp15. 11、试验压力、试验压力 / t大于大于1.8时，按时，按1.8计算；计算；如果容器各元件如果容器各元件(圆筒、封头、圆筒、封头、接管、法兰及紧固件等接管、法兰及紧固件等)所用材料不同时，应取各元件材料的比所用材料不同时，应取各元件材料的比值中最小者。值中最小者。容器铭牌上规定有最大允许工作压力时，公式中应以最大允容器铭牌上规定有最大允许工作压力时，公式中应以最大允许工作压力代替设计压力许工作压力代替设计压力pp设计压

23、力设计压力 MPa ; -元件材料在实验温度下的许用应力，元件材料在实验温度下的许用应力，MPa; t元件材料在设计温度下的许用应力，元件材料在设计温度下的许用应力，MPa。49eeiTTDp2)()(9 . 02)(2 . 0seeiTTDp液压试验液压试验气压试验气压试验)(8 . 02)(2 . 0seeiTTDp2、压力试验的应力校核、压力试验的应力校核圆筒壁在试验压力下圆筒壁在试验压力下的计算应力的计算应力50液压试验液压试验气压试验气压试验气密性试验气密性试验压力试验的种类压力试验的种类3.压力试验的要求与试验方法压力试验的要求与试验方法51液压试验液压试验介质：一般为水；过程：充

24、水排气设计压力无泄漏开始试验压力下保压30分钟卸压吹净结束试验压力的80%保压检查52注意： 不锈钢容器水中氯离子不得超过25mg/L25mg/L。 试压合格的条件试压合格的条件： 1）无渗漏； 2）无可见变形； 3）试验过程中无异常响声； 4）b 540MPa的材料，表面经无损检验 无裂纹。53气压试验气压试验不适合液压试验的，如因结构缘故排液或充液困难，或容器内不允许残留微量液体时采用。气密试验气密试验针对介质具有毒性程度为极度或具有高度危害的容器； 在液压试验后进行； 气密试验压力取设计压力。54五、五、 例题例题【例例1】：某化工厂欲设计一台石油气分离用乙烯精馏塔。工艺参数为：某化工厂

25、欲设计一台石油气分离用乙烯精馏塔。工艺参数为: :塔体内塔体内径径 ；计算压力；计算压力 ；工作温度；工作温度t t-3-3-20-20。试选择塔体材。试选择塔体材料并确定塔体厚度。料并确定塔体厚度。mmDi600 MPapc2 . 2 由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在-3-3-20-20，压力为中压，故，压力为中压，故选用选用16MnR16MnR。（2 2）确定参数）确定参数mmC0 . 1 2 MPapc2 . 2 mmDi600 MPat170 ( (附表附表9-1)9-1)； 0.8 ( (采用带垫板的单面焊对接接头采用带垫板的单面焊对接接头, ,局部无

26、损检测局部无损检测)()(表表4-8)4-8)；取取,解：解： （1 1）选材）选材 55 )(9 . 42 . 28 . 017026002 . 22mmpDptic mmC25. 01 （3 3）厚度计算）厚度计算计算厚度计算厚度设计厚度设计厚度)(9 . 50 . 19 . 42mmCd 根据根据mmd9 . 5 , ,查表查表4-94-9得得名义厚度名义厚度圆整量圆整量圆整量圆整量圆整量圆整量 15. 625. 09 . 51Cdn 圆整后圆整后, ,取名义厚度为取名义厚度为 。mmn7 复验复验mmmmn25. 042. 0%67%6 , ,故最后取故最后取 。mmC25. 01 该

27、塔体可用该塔体可用7mm7mm厚的厚的16MnR16MnR钢板制作钢板制作 。56（4 4）校核水压试验强度）校核水压试验强度)(9 .14475. 52)75. 5600(75. 2MPaT seeiTTDp 9 . 02)( 式中，式中，)(75. 22 . 225. 125. 1MPappT )2 . 2; 1/ ,200(MPapptct)(75. 525. 17mmCne 则则而而)(4 .2483458 . 09 . 09 . 0MPas 可见可见sT 9 . 0 ，所以水压试验强度足够。，所以水压试验强度足够。57例2 设计锅炉汽包的筒体壁厚。工作压力为15.6MPa,工作温度为

28、350,其内径为1300mm。【解】1.选材：选材：工作温度中温，工作压力为高压，有轻微腐蚀。 故采用低合金钢18MnMoNbR（GB6654-96)。s=410MPa。2.确定参数确定参数（1）工作压力15.6MPa,是高压容器，属于三类容器。其焊缝结构必须是双面对接焊结构或其他等强度焊接，100%无损探伤， =1 。（2） 筒体需保温，则筒壁设计温度取介质温度， 350190MPa（3）需安装安全阀，pc=p=1.115.6=17.16(MPa)。（4）水蒸气对低合金钢有轻微腐蚀，且为单面腐蚀，C2=1mm。58 3.计算壁厚计算壁厚 61.5(mm) 130017.16 pDpSctic

29、16.171190224.4.设计壁厚设计壁厚： Sd=S+C2=61.5+1.0=62.5(mm), 查表4-9得C1=1.8(mm)C1=1.8(mm) 壁厚附加量C=C1+C2=0.25+1.0=1.25(mm)5.5.名义厚度名义厚度 Sn=S+C+圆整量 61.5+1.25=62.75(mm) ， 圆整后为65（mm)。596.校核水压试验强度校核水压试验强度水压试验强度条件为：SeeiTSSDp9 . 02)(T式中 )(45.2119019016.1725. 125. 1pTMPaptSe=Sn-C=65-2.8=62.2(mm)则 T=234.9(MPa)。而 0.9s=0.9

30、1410=369(MPa)T 0.9s水压试验合格。60例3 校验旧气瓶。资料记载该气瓶材质为40Mn2A，系无缝钢管收口而成。实测其外径为219mm,最小壁厚为6.5mm。查材料手册得该材料的b=785MPa,s=510MPa,5=18%。（1）常温下可否充15MPa氧气？（2）如强度不够，最高允许工作压力多少？【解】1.确定参数确定参数 pc=15MPa, DO=219mm, Sn=6.5mm, 无缝钢管1， C2=1mm, 实测壁厚6.5mm ，则C1=0, Se=6.5-1=5.5mm, 许用应力求取： t=minb/nb ,s/ns=min785/3 ,510/1.6=262(MPa) 。612.强度校核强度校核校核公式为 )(262)(2915 . 52)5 . 5219(152t0tMPa MPa SSDpteec充15MPa强度不够。 3. 3.确定最高允许工作压力确定最高允许工作压力 计算公式为)(48.135 . 52195 . 5126220MPa2 p (MPa) SDSpweetw该气瓶的最大安全使用压力为13.48MPa。62注意注意 “实测壁厚”概念。即无需考虑负偏差问题，C1=0 。无缝钢管制的容器公称直径为外经，壁厚计算公式中应采用外径。公式应该如何？自己试推导一下。