第六章内压薄壁圆筒及封头的强度设计.

1、第六章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计,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 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 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数 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。,内压薄壁圆筒与封头的强度设计公式推导过程,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)，也就是说，容器的每一部分必须处于弹性变形范围内。,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。,第一节强度设计的基本知识,一、关于弹性失效的设计准则,1、弹性失效理论,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力之间满足一定的关系，即, 相当应力，MPa，可由强度理论确定, 极限应力，MPa，可由简单拉伸试验确定, 安全裕度, 许用应力,MPa,2、强度安全条件,第一强度理论,根据：当作用在构件上的外力过大时，材料就会沿着最大拉应力所在的截面发生脆性断裂，也就是说，不论在什么样的应力状态下，只要三个主应力中最

2、大拉应力1达到了 材料的极限应力，材料就发生破坏； 强度条件： 在17世纪提出，最早的强度理论，也称为最大拉应力理论； 只适用于脆性材料。,认为材料沿最大主应力方向破坏并不是由最大主应力达到某一极限值所引起的，而是由于最大拉伸应变达到某一极限所引起的； 也称为最大主应变理论； 因为应变难以测量，因此第二强度理论用得不多。,第二强度理论,根据：当作用在构件上的外力过大时，材料就会沿着最大剪应力所在的截面滑移而发生流动破坏； 不论在什么样的应力状态下，只要最大剪应力达到了材料的极限值，就会引起材料的流动破坏； 强度条件： 也称为最大剪应力理论。,第三强度理论,根据：不论在什么样的应力状态下，只要构件内一点的形状改变比能达到了材料的极限值，就会引起材料的流动破坏； 形状改变比能：随着弹性体发生变形而积蓄在其内部的能量，如拉满的弓、机械表的发条被拧紧时； 强度条件： 也称为形状改变比能理论。,第四强度理论,径向应力,二、强度理论及其相应的强度条件,1、薄壁压力容器的应力状态,图4-1 应力状态,第一强度理论 （最大主应力理论）,第三强度理论 （最大剪应力理论）,强度条件,强度条件,适用于 脆性

3、材料,适用于 塑性材料,2、常用强度理论,第四强度理论 （能量理论）,强度条件,适用于 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。 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.,考虑实际情况，引入pc等参数,考虑介质 腐蚀性,考虑钢板厚度 负偏差并圆整,第二节内压薄壁圆筒壳体与球壳的强度设计,一、强度设计公式,1、内压薄壁圆筒,若取第三强度理论，,整理得到计算壁厚S的公式，,基于内径的圆筒计算壁厚公式,同样取第三强度理论，,整理得到计算壁厚S的公式，,基于外径的圆筒计算壁厚公式,若基于内径：,若基于外径：,内压薄壁圆筒壁厚计算公式 要记住!,强度校核公式,最大允许工作压力计算公式,1、当筒体采用无缝钢管时，应将式中的Di换为D0 2、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,公式的适用范围为,2、内压球形壳体,为计算厚度，不能作为选用钢板的最终依据。,式中 C厚度附加量，mm； C1厚度负偏差，mm； C2腐蚀裕量，mm； 圆整值，mm。,设计厚度,名义厚度,有效厚度,标注在图纸上的厚度,厚度的定义,请

4、思考：加工后容器的实际壁厚必须大于多少才能确保寿命期内的安全？,（设计厚度）,工作压力Pw,指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。注：“正常工作”包括空料、稳定生产、中间停车等工况,设计压力p,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。 p pw,计算压力pc,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。 计算压力pc=设计压力p+液柱静压力,二、设计参数的确定,1、压力,注：当元件所承受的液柱静压力(gh)小于5%设计压力时，可忽略不计。,表4-1 设计压力与计算压力的取值范围,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（沿元件金属截面厚度的温度平均值）。,设计温度是选择材料和确定许用应力时不可少的参数。,2、设计温度,（1）极限应力,极限应力的选取与结构的使用条件和失效准则有关,极限应力可以是,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n得出的。,3、许用应力和安全系数,常温容器,中温容器,高温容器,（2）安全系数,安全系数是一个不断发展变化的参数。 随着科技发展，安全

5、系数将逐渐变小。,常温下，碳钢和低合金钢,表4-2 钢材的安全系数,焊缝区的强度主要取决于熔焊金属、焊缝结构和施焊质量。 焊接接头系数的大小决定于焊接接头的型式和无损检测的长度比率。 焊接接头系数是焊接削弱而降低设计许用应力的系数。,4、焊接接头系数,表4-3 焊接接头系数,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(或钢管负偏差) C1、腐蚀裕量 C2 即 C C1十 C2,1、按表4-9选取 2、当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，负偏差可以忽略不计。,为防止容器元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄，应考虑腐蚀裕量。,C1 钢板厚度负偏差,C2 腐蚀裕量,5、厚度附加量C,腐蚀裕量C2主要是为了防止容器受压元件因均匀腐蚀、机械磨损而导致壁厚减薄而降低其承载能力。与腐蚀介质直接接触的筒体、封头、接管等受压元件，均应考虑材料的腐蚀裕量。,腐蚀裕量C2一般可根据钢材在介质中的均匀腐蚀速率和容器的设计寿命确定。,在无特殊腐蚀情况下，对于碳素钢和低合金钢，C2不小于1mm；对于不锈钢，当介质的腐蚀性极微时，可取C2=0。,要注意,标准化问题,

6、6、直径系列与钢板厚度,表4-4 常用钢板厚度,注：5mm为不锈钢常用厚度。,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。 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度： a. 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2mm,7、最小厚度,c,碳素钢、低合金钢制塔式容器,min,d,max,4mm,；,不锈钢制塔式容器,max,3mm.,8 焊接接头系数,角接焊缝,主要焊接形式,对接焊缝,搭接焊缝,焊缝部位可能存在未焊透、裂纹、夹渣、气孔等缺 陷，引起应力集中； 焊接热影响区晶粒粗大，使母材强度或塑性下降； 焊缝错边量、余高等超标引起附加应力； 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。 说明焊缝区是容器强度比较薄弱的环节。,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） ，它表示焊缝强度与母材强度的比值。,焊接接头系数根据受压元件的焊接接头形式与无损检测的比例确定,钢制压力容器的焊接接头系数值,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

7、全运行。,目的,液压试验,气压试验,气密性试验,压力试验的种类,四、压力试验与强度校核,与气压试验相比，液压试验相对安全。,1 压力试验,（1）耐压试验,为考核缺陷对压力容器安全性的影响，压力容器制造完毕或定期检验后，都要进行压力试验。压力试验包括耐压试验和气密性试验。,耐压试验的介质选择液体（如水）或气体（如空气）,液压试验对介质的要求温度不低于韧脆性转变温度,气压试验特殊要求所有的对接接头进行100%射线或超声检测，焊接接头系数取1.0；必要安全措施。,奥氏体不锈钢进行水压试验对水中Cl-含量的要求。,耐压试验,液压试验,气压试验,耐压试验压力,（2）气密性试验,试验目的检验容器的密封性能,试验压力不大于设计压力（对于空气，常取设计压力）,使用场合不是每台压力容器都要进行气密性试验。介质为易燃或毒性程度为极度、高度危害或设计上不允许有微量泄漏(如真空度要求较高时)的压力容器，必须进行气密性试验。,试验次序耐压试验结束后。,五、 例题,【例4-1】：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:塔体内径 ；计算压力 ；工作温度t-3-20。试选择塔体材料并确定塔体厚度。,由于

8、石油气对钢材腐蚀不大，温度在-3-20，压力为中压，故选用16MnR。,（2）确定参数,(附表9-1)；,(采用带垫板的单面焊对接接头,局部无损检测)(表4-8)；,取,解： （1）选材,（3）厚度计算,计算厚度,设计厚度,根据,查表4-9得,名义厚度,圆整后,取名义厚度为 。,复验,故最后取 。,该塔体可用7mm厚的16MnR钢板制作 。,（4）校核水压试验强度,式中，,则,而,可见,，所以水压试验强度足够。,某内压圆柱形筒体，其设计压力p=0.4MPa，设计温度t=70，筒体内径Di=1000mm，总高3000mm，盛装液体介质，介质密度=1000kg/m3，筒体材料为16MnR，腐蚀裕量C2取2mm，焊接接头系数=0.85。,试设计该筒体的厚度。,（1）确定计算压力,根据设计压力和液柱静压力确定计算压力 液柱静压力为0.03MPa，已大于设计压力的5%，故应计入计算压力中，则pc=p+0.03=0.43MPa。,（2）确定壁厚,查附录2，并假设材料的许用应力t=170MPa（厚度为616mm时）。筒体计算厚度按式（3-14）计算,例题2,解,设计厚度,16MnR钢板的厚度负偏差C

9、1可取为零，因而按强度计算，名义厚度n=4 mm。但一方面，对低合金钢制容器，为保证运输和安装过程中具有必需的刚度，规定不包括腐蚀裕量的最小厚度应不小于3mm，若加上2mm的腐蚀裕量名义厚度至少应取5mm；另一方面，由钢材标准规格，16MnR钢板的最小厚度为6mm。因而该筒体的名义厚度取6mm。,检查 n=6 mm，t没有变化，故取名义厚度6mm合适。,（3）压力试验时的应力校核,采用水压试验，试验压力为,压力试验时筒体的薄膜应力,所以满足水压试验要求。,有一库存很久的氧气瓶，其材质为40Mn2A，外径为D0=219mm，系无缝钢管 收口而成，实测其最小壁厚为6.5mm。已知材料的拉伸强度784.8MPa，屈服 强度为510.12MPa，持久强度为18%，设计温度为常温。今欲充15MPa的压力 使用，问强度是否足够？如果强度不够，该气瓶最大允许压力？,第三节 内压圆筒封头的设计,半球形封头,椭圆形封头,锥形封头,平封头(平盖),一、半球形封头,半球形封头是由半个球壳构成的，它的计算壁厚公式与球壳相同,图6-3 半球形封头,所需的壁厚是相同压力、直径圆筒的一半，但在实际中，为了减少边缘应力，往往采取与圆筒相同的厚度； 半球形封头多用于压力较高的贮罐上； 制造方法：,直径较小、器壁较薄的半球形封头可以整体热压成型； 大直径的半球形封头需先分瓣冲压、再焊接的工艺；分瓣冲压可使模具尺寸减小，降低对水压机吨位的要求，但加工质量不如整体热压好。,椭圆形封头是由长短半轴分别为a和b的半椭球和高度为h。的短圆筒(通称为直边)两部分所构成。直边的作用是为了保证封头的制造质量和避免筒体与封头间的环向焊缝受边缘应力作用。,图6-4 椭圆形封头,二、 椭圆形封头,椭圆形封头,结论：当椭球壳的长短半轴 a/b2时，椭球壳赤道上出现很大的环向应力，其绝对值远大于顶点的应力，从而引入形状系数K。（也称应力增加系数）,标准椭圆封头K=1（a/b=2）,计算厚度公式为,

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