2.3 内压薄壁圆筒与封头的强度设计

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2.2.4,内压薄壁容器强度设计,重点：,内压薄壁圆筒的厚度计算,难点：,厚度的概念和设计参数的确定,1,压力容器设计的内容与步骤：,、确定设计参数：,p,、,D,等；,、选择筒体材料；,、确定容器的结构型式；,、计算筒体与封头厚度；,、选取标准件；,、绘制设备图纸。,2,(1),内压薄壁圆筒强度计算,.,理论计算厚度,为了保证筒体强度，筒体内较大的环向应力,应小于设计温度下材料的许用应力，即：,3,在实际设计工作中，尚需要考虑如下因素：,焊接接头系数,：,(2-22,式,),以内径,Di,代表平均直径,D,，,所以,(2-23,式,),考虑钢材厚度负偏差加,C1,考虑介质腐蚀筒壁加,G2,钢材的圆整值加,(2-25,),4,考虑实际情况，引入,p,c,等参数,考虑介质,腐蚀性,考虑钢板厚度,负偏差并圆整,因此，,内压薄壁圆筒强度设计的确定：,（,2-25,）,(,名义厚度,),5,a.,厚度的定义,计算厚度,设计厚度,圆整值,名义厚度,有效厚度,毛坯厚度,加工减薄量,、,容器的厚度和最小厚度,图,4-2,壁厚的概念,6,问题：,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：,碳素钢和低合金钢制容器：,圆筒内径,Di,3,800mm,时，厚度,不小于,3mm,；,圆筒内径,3,800mm,Di,1,6000,时，厚度,不小于,5mm,；,圆筒内径,160000mm,Di,3,5000,时，厚度,不小于,6mm,。,b.,对于不锈钢、高合金钢制容器，厚度最小,=2mm,。,b.,最小厚度,；,7,最小厚度,+c,1,+C,2,计算厚度,设计厚度,圆整,名义厚度,+C,2,+C,1,取大者,壁厚确定考虑的因素：,8,公式的适用范围为,(2),、内压球形壳体,(2-26),(2-27),其中：,p,c,为计算压力，,9,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。,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为设计载荷条件，其值不低于工作压力。,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，其中包括液柱静压力。（若小于,5%,时可忽略）,计算压力,p,c,=,设计压力,p,+,液柱静压力,2.2.5,、设计参数的确定,(1),、压力,10,表：,设计压力与计算压力的取值范围,计算带夹套部分的容器时，应考虑在正常操作情况下可能出现的内外压差,夹套容器,7,当有安全阀控制时，取,1.25,倍的内外最大压差与,0.1Mpa,两者中的较小值，当没有安全控制装置时，取,0.1Mpa,真空容器,6,取不小于在正常操作情况下可能产生的内外最大压差,外压容器,5,根据容器的充装系数和可能达到的最高温度确定（设置在地面的容器可按不低于,40,，如,50,、,60,时的气体压力考虑）,装有液化气体的容器,4,根据介质特性、气相容积、爆炸前的瞬时压力、防爆膜的破坏压力及排放面积等因素考虑（通常可取,p,1.151.3,p,w,）,容器内有爆炸性介质，装有防爆膜时,3,取等于或略高于最高工作压力，通常取,p,1.01.1,p,w,单个容器不装安全泄放装置,2,取不小于安全阀的初始起跳压力，通常取,p,1.051.1,p,w,容器上装有安全阀时,1,设计压力（,P,）取值,类型,11,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）。,任何情况下，元件表面温度不得超过材料的允许使用温度,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,12,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,13,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，安全系数将逐渐变小。,常温下，碳钢和低合金钢,钢材的安全系数：,14,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,2-8,焊接接头系数,15,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,),C,1,、腐蚀裕量,C,2,即,C,C,1,十,C,2,1,、,按表,2-9,和表,2-10,选取,2,、当钢材的厚度负偏差不大于0.25,mm，,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。,一般碳钢,C,2,不小于,1mm,；,不锈钢,C,2,=0,C,1,钢板厚度负偏差,C,2,腐蚀裕量,5,、厚度附加量,C,16,标准化问题,(6),、直径系列与钢板厚度,常用钢板厚度：,2.0,2.5,3.0,3.5,4.0,4.5,(5.0),6.0,7.0,8.0,9.0,10,11,12,14,16,18,20,22,25,28,30,32,34,36,38,40,42,46,50,55,60,65,70,75,80,85,90,95,100,105,110,115,120,125,130,140,150,160,165,170,180,185,190,195,200,注：,5mm,为不锈钢常用厚度。,17,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，以确保设备的安全运行。,目的,液压试验,气压试验,气密性试验,压力试验的种类,2.2.6,、压力试验与强度校核,18,液压试验,气压试验,内压容器试验压力,(1),、试验压力,/,t,最高,不超过,1.8,，如果大于,1.8,，按,1.8,计算；,如果容器各元件(圆筒、封头、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，公式中应以最大允许工作压力代替设计压力,p,19,液压试验,气压试验,(2),、压力试验的应力校核,(3).,压力试验的试验要求与试验方法（自学）,圆筒壁在试验压力下的计算应力,20,例题,【,例,2-1,】,：某环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,(p278,，附表,1),(,采用带垫板的单面焊对接接头,局部无损检测,)(,表,2-8,),；,取,解：（,1,）选材,21,（,3,）厚度计算,计算厚度,设计厚度,根据,查表,2-9,得,名义厚度,圆整后,(,查设计手册,),取名义厚度为,该塔体可用,7mm,厚的,16MnR,钢板制作。,C,1,=0.5,22,（,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。,23,容器封头,（端盖）,凸形封头,锥形封头,平板封头,半球形封头,椭圆形封头,碟形封头,球冠形封头,(,无折边球形,),2.3,内压圆筒封头的设计,24,(1),、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,2-20,半球形封头,25,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,2-21,椭圆形封头,(2),、椭圆形封头,26,椭圆形封头,27,结论：当椭球壳的长短半轴,a/b,2,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,(,见图,2-13),。,从而引入形状系数,m,。（也称应力增加系数）,标准椭圆封头,m=,a/b=2,）,计算厚度公式为,规定：标准椭球封头最小有效厚度：,1.5D,i,1000,28,碟形封头的组成,(3),、碟形封头,图,4-5,碟形封头,29,形状系数,计算厚度公式,GB150-1998,规定,标准碟形封头计算厚度公式,M,1.34,时，,e,0.15%,i,D,M,1.34,时，,e,0.30%,i,D,标准碟型封头：,R=0.9D,i,、,r=0.17D,i,、,M=1.325,代入,把,，,mm,30,(4),无折边球形封头,(,冠球形,),自学,31,广泛应用于许多环工设备的底盖，它的优点是便于收集与卸除这些设备中的固体物料。此外，有一些塔设备上、下部分的直径不等，也常用锥形壳体将直径不等的两段塔体连接起来，这时的锥形壳体称为变径段。,锥形封头厚度计算公式,D,c,锥壳大端直径,(5),、锥形封头,32,是常用的一种封头。其几何形状有圆形、椭圆形、长圆形、矩形和方形等，最常用的是圆形平板封头。,在各种封头中，平板结构最简单，制造就方便，但在同样直径、压力下所需的厚度最大，因此一般只用于小直径和压力低的容器。,但有时在高压容器中，如合成塔中也用平盖，这是因为它的端盖很厚且直径较小，制造直径小厚度大的凸形封头很困难。,(6),、平板封头,33,平板封头厚度设计公式,平板封头的计算厚度,mm,计算直径,mm,计算压力,MPa,焊接接头系数,结构特征系数,材料在设计温度下的许用应力,MPa,34,单位容积的表面积，半球形封头为最小。,椭圆形和碟形封头的容积和表面积基本相同，,可以认为近似相等。,封头的选择主要根据设计对象的要求，,并考虑经济技术指标。,(7),、封头的选择,、几何方面,35,半球形封头的应力分布最好,椭圆形封头应力情况第二,碟形封头在力学上的最大缺点在于其具有较小的折边半径,r,平板受力情况最差,封头愈深，直径和厚度愈大，制造愈困难,、力学方面,、制造及材料消耗方面,36,思考与作 业,一、思考题：,6,、,7,、,8,、,10,二、课外作业：,p158,1,、,3,、,5,、,8,37,