压力容器的强度计算

第十六章 压力容器的强度计算,本章主要内容,.概述.容器设计.常用压力容器的强度校核.小结,16-1 概述,1.压力容器主要受压元件指的是： 筒体、封头、换热器管板与换热器、膨胀节、开孔补强板、设备法兰、M30以上的设备主螺栓、人孔盖、人孔法兰、人孔接管、直径大于250mm的接管等。,要进行压力容器的强度进行计算，就必须知道要对哪些元件进行计算，那么主要的受压元件又包括哪些？强度计算的内容又有哪些？,一、压力容器的主要受压元件,法兰简介,（图16-1）,1.设计压力容器： 根据化工生产工艺提出的条件，确定设计所需参数（p，t，D），选定材料和结构型式，通过强度计算确定容器筒体及封头壁厚。 已经制定标准的受压元件，可直接选取。2.校核在用容器：,16-1 概述,二、强度计算的内容：,判定在一个检验周期内，或在剩余寿命期内，容器是否 还能在原设计条件下安全使用。对于已不能在原设计条件 下使用的容器，应通过强度计算，为容器提出最高允许工 作压力。 如果容器针对某一使用条件需要判废，应为判废提供依据。,16-2 容器设计,.复习回顾四种典型回转壳体中的薄膜应力；.内压圆筒壁厚的确定；.内压圆筒的计算应力与最大允许应力；.内压凸形封头壁厚的确定；.内压锥形封头壁厚的确定；.平板形封头；.设计参数的确定。,一、内压圆筒壁厚的确定,内压圆筒器壁内的基本应力是薄膜应力,根据第三强度理论得出的薄膜应力强度条件是：,对于筒体，该强度条件为:,制造筒体的钢板在设计温度下的许用应力。按第三强度理论得到的薄膜应力的相当应力。,1.理论计算壁厚:,(16-1),(16-2),t,r3,计算厚度，mm。,容器筒体一般由钢板卷焊而成。由于在焊接加热过程中，对焊缝金属组织产生不利影响，同时在焊缝处往往形成夹渣、气孔、未焊透等缺陷，导致焊缝及其附近区域强度可能低于钢材本体的强度。,注意：,焊缝许用应力=钢板的许用应力焊接接头系数。1,于是公式(16-2)可写成：（式中， D是中径）,一、内压圆筒壁厚的确定,(16-3),公式(16-2)中钢板许用应力 t 用强度较低的焊缝许用应力代替。,焊缝系数安全系数，不能随意增减，应根据筒体的焊缝结构和对焊缝提出的探伤比例要求，按照规定选取。,筒体内径,简化公式，适用于大多数情况。,一、内压圆筒壁厚的确定,筒体设计压力,筒体的理论计算壁厚,(16-5),(16-4),考虑到介质对筒壁的腐蚀作用，在设计筒体所需厚度时，还应在计算厚度的基础上，增加腐蚀裕量C2。由此得到筒体的设计厚度(d)为 ：,一、内压圆筒壁厚的确定：,2.设计壁厚d ：,式中 -圆筒计算厚度， mm； d -圆筒设计厚度， mm；,(16-6),(16-7),说明： （1）腐蚀裕量只对均匀腐蚀有意义; （2）氢腐蚀、应力腐蚀及晶间腐蚀等，增加腐蚀裕量不是有效 办法，而应根据情况采用有效防腐措施。,一、内压圆筒壁厚的确定：,在设计条件下得到的筒体设计厚度，加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即为筒体的名义厚度（ n ）。,3.名义壁厚n ：,式中： d -圆筒设计厚度 mm； C1钢板厚度负偏差，mm；(手册可查)； 当C1不大于0.25mm,且不超过n的6%可取C1=0； -除去负偏差以后的圆整值，mm。,(16-8),4.有效壁厚 e ：,将圆筒厚度从d往n圆整时，由于圆整量可帮助筒体承受介质内压，所以真正可以用来承受介质压力的有效壁厚e为,(16-9),一、内压圆筒壁厚的确定：,对于设计压力较低的容器，根据强度公式计算出来的厚度很薄。,5.最小壁厚min ：,因此，必须限定一个最小厚度以满足刚度和稳定性要求。 （不包括腐蚀裕量，有时可以不再另加钢板负偏差）,筒体的最小壁厚按下页方法确定:,大型容器，如果筒体厚度过薄，将导致刚度不足而极易引起过大的弹性变形，不能满足运输、安装的要求。,a.当筒体内径Di3.8m时， d min 2 Di /1000，且不小于3mm。 （腐蚀裕量另加。）b.当筒体内径3.8m Di 16m时， d min 取5mm。 c.当筒体内径16mDi 35m时， d min取6mm。,一、内压圆筒壁厚的确定：,碳钢和低合金钢容器：,a.当筒体的计算厚度是按min 确定时，筒体的名义厚度n可 按下式计算： n min+C2b.当计算厚度与最小厚度相差较大时，钢板负偏差不必另加。c.若（min ）小于钢板负偏差， 则取 min，且 n + C1+ C2+ min+ C1+ C2+,不锈钢容器 : min 2mm,例： 设计条件如下：P=0.3MPa，Di=2m，t=113MPa，（焊接接头系数 ）=0.85，介质对容器的腐蚀率为0.2mm/年，设计寿命为10年,试确定容器筒体的计算厚度、设计厚度，名义厚度，有效厚度。,计算厚度,有效厚度,解：,最小壁厚,设计厚度,名义厚度,二、内压圆筒的计算应力与最大允许压力:,近似,16-2 容器设计,1.圆筒的计算（工作）应力:,2.圆筒的最大允许压力:,( e - 有效壁厚),(16-12),(16-10),(16-11),二、内压圆筒的计算应力与最大允许压力:,3.厚度系数在确定工作应力和最大许可压力时的应用:,厚度系数 e / ,厚度系数反映了筒体厚度上的富裕程度。,(16-13),(16-14),(16-15),1. 封头的分类:,三、内压凸形封头壁厚的确定:,16-2 容器设计,2.内压凸形封头包括四种形式：,16-2 容器设计,(a)标准椭圆形，(b)半球形，(c)碟形,(d)无折边球形。,（图16-2）,16-2 容器设计,（图16-3）,16-2 容器设计,（图16-4）,1.半球形封头： 半球形封头是由半个球壳构成。直径较小、器壁较薄的半球形封头可整体热压成形。大直径的则先分瓣冲压，再焊接组合。,16-2 容器设计,四、典型封头设计：,(16-16),(16-15),16-2 容器设计,（图16-5）,16-2 容器设计,（图16-6）,2.标准椭圆形封头： 由半个椭球和高度为h0的圆柱形筒节（直边）构成，封头的曲面深度hDi/4，直边高度h0与封头厚度有关，按手册查取。a.标准椭圆形封头壁厚的计算： 忽略中径与内径之差别，所得简化式为：,16-2 容器设计,(16-17),(16-18),b.最小厚度： 承受内压的椭圆形封头，在其赤道处将产生环向压缩薄膜应力，为了防止封头在这一压缩应力作用下出现折皱（即失稳）。,16-2 容器设计,边缘处：,（图16-7）,规定标准椭圆形封头的计算厚度不得小于封头内径的0.15，即,(16-19),16-2 容器设计,（图16-7）,16-2 容器设计,（图16-8）,3.碟形封头：（简介） 碟形封头又叫带折边球形封头，由以Rc为半径的球面壳体，以半径为r的折边（过渡圆弧）和高为h0的圆柱形筒节（即直边）三部分组成。 球面半径越大，折边半径越小，封头的深度就越浅，环状壳体部分内的应力就越大。为了限制应力大小，规定碟形封头的球面半径一般不大于与其相连的筒体直径，而折边半径在任何情况下均不得小于球面半径的10，且应大于三倍的封头壁厚。,16-2 容器设计（PASS),碟形封头内的应力薄膜应力在封头的折边内除了薄膜应力外，因变形时出现较大的曲率变化和弯曲应力。故折边内的应力计算按下式进行。M碟形封头的形状系数 M的取值见表8-4,16-2 容器设计（PASS),壁厚的计算,简化,16-2 容器设计(PASS),碟形封头球面内半径Rci可以取等于封头直径Di或0.9 Di，令Rci Di,碟形封头的厚度如果太薄，也会发生内压下的弹性失稳。所以规定：对于Rci0.9Di。r0.17Di的碟形封头，其计算厚度不得小于封头内直径的0.15。如果折边半径小于0.17Di（但不允许小于0.1Di），其计算厚度不得小于0.3Di。,16-2 容器设计(PASS),式中0.9或1，常用值为0.9,4.无折边球形封头: 为了进一步降低凸形封头的高度，将碟形封头的过渡圆弧及直边部分都去掉，只留下球面部分，并把它直接焊在圆柱壳体上，就构成了无折边球形封头。封头的球面半径一般取等于圆柱筒体的内直径或0.9倍至0.7倍的内直径。 无折边球形封头既可用作容器中两个相邻承压空间的中间封头，也可用作容器的端封头。封头与筒体连接的T形接头必须采用全焊透结构。,无折边封头与筒体连接处存在较大的边界应力。封 头和与封头连接处筒体的壁厚计算，都必须考虑边界应力。,16-2 容器设计(PASS),16-2 容器设计,（图16-9）,16-2 容器设计,（图16-10）,五、内压锥形封头壁厚的确定：,（1）锥形封头广泛应用于许多化工设备(如蒸发器、喷雾干燥器、结晶器及沉降器等)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，这时的圆锥形壳体称为变径段。 （2）根据锥形封头与圆筒连接处有无过渡圆弧和直边，有不带折边的锥形封头和带折边的锥形封头。 （3）由于锥形封头与简体连接处存在较大的边缘应力，该应力随封头的半锥顶角的增大而增大。当30时一般采用无折边封头当30时应采用折边锥形封头。,16-2 容器设计,1.简介：,2.不带折边锥形封头壁厚的确定：,不考虑封头与筒体连接处的边界处的二次应力：,考虑封头与筒体连接处的边界处的二次应力：,式中 Q为应力增值系数，可由手册查出。,16-2 容器设计(PASS),(16-20),(16-21),1.平板封头简介：（1）平板封头是化工设备常用的一种封头。（2）平板封头的几何形状有圆形、椭圆形、长圆形、矩形和方形等，最常用的 是圆形平板封头。 在相同的(Rd)和受载条件下，薄板的所需厚度要比薄壳大得多，即平板封头要比凸形封头厚得多。（3）平板封头结构简单，制造方便，在压力不高，直径较小的容器中，采用平板封头比较经济简便。 承压设备的封头一般不采用平板形，只是压力容器的人孔、手孔以及在操作时需要用盲板封闭的地方，才用平板盖。（4）高压容器中，平板封头用得较为普遍。 这是因为高压容器的封头很厚，直径又相对较小，凸形封头的制造较为困难。,16-2 容器设计,六、平板形封头：,2.平板形封头设计：,式中DC是计算直径，一般是指容器的内径。在有些结构中DC是指密封垫片的平均直径。,式中：n封头的计算厚度，K-平板封头的系数，手册可查。,16-2 容器设计,(16-21),（1）计算厚度,（2）设计厚度,(16-22),(16-23),16-3 容器参数的确定,1.设计压力： 设计压力是在相应的设计温度下用以确定壳壁厚度的压力，亦即标注在铭牌上的容器设计压力。其值稍高于最大工作压力。2.最大工作压力（pw）： 是指容器顶部在工作过程中可能产生的最高压力（表压）。3.工作条件： （1）使用安全阀时，设计压力不小于安全阀的开启压力，或取最大工作压力的1.051.10倍； （2）使用爆破膜作安全装置时，根据爆破膜片的型式确定，一般取最大工作压力的1.151.4倍作为设计压力。 （3）当容器内盛有液体物料时，若液体物料的静压力不超过最大工作压力的5，则在设计压力中可不计入液体静压力，否则，须在设计压力中计入液体静压力。 （4）某些容器有时还必须考虑重力、风力、地震力等载荷及温度的影响，这些载荷不能直接折算为设计压力而代入以上计算公式，必须分别计算。,一、设计压力 ：,1.定义: 设计温度指容器正常工作过程中，在相应的设计条件下，金属器壁可能达到的最高或最低(指-20下)温度。,16-3 容器参数的确定,2.补充说明: 金属器壁的温度通过换热计算。为了方便，对于不被加热或冷却的器壁，规定取介质的最高或最低温度作为设计温度。(1)对于用蒸汽、热水或其它载热体加热或冷却的壁，取加热介质（或冷却介质）的最高温度或最低温度作为设计温度。(2)在工作过程中，当容器不同部位可能出现不同温度时，按预期的不同温度作为各相应部分的设计温度。,一、 设计温度 ：,设计温度的取值在设计公式中没有直接反映，但它对容器材料的选择和许用应力的确定直接有关。,1.对于钢板卷焊的筒体，以内径作为它的公称直径。压力容器的公称直径按手册选取。2.设计时，应将工艺计算初步确定的容器内径调整为符合规定的公称直径。3.当用无缝钢管作筒体时，以外径作为它的公称直径。,16-3 容器参数的确定,三、容器直径选取：,容器筒体和封头的直径都有规定，不能随意取值。,所需要考虑的强度指标主要有：抗拉强度、屈服强度，对于需要考虑蠕变的材料，强度指标还应有蠕变强度。 设计时应比较各种许用应力，取其中最低值。 常用钢板与钢管的许用应力可从附录中直接查取。,16-2 容器参数的确定,四、许用应力：,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，即,当设计温度低于20时，取20时的许用应力。,焊缝是容器和受压元件中比较薄弱的环节，虽然在确定焊接材料时，希望使焊缝金属的强度等于甚至超过母材金属的强度，但由于施焊过程中焊接热的影响，而造成焊接应力、焊缝金属晶粒度粗大以及气孔、未焊透等缺陷，降低了焊缝及附近区域的强度。因此： 焊接接头系数是考虑到焊接对强度的削弱，而降低设计许用应力的一种系数。,16-3 容器参数的确定,五、焊缝系数：,焊接接头系数f应根据受压元件的焊接接头型式及无损检测的长度比例确定。,焊缝系数按照下页表来选取。,焊缝系数,注意：将两块钢板对在一起焊接，称为对接；一块钢板卷成圆筒后对在一起焊接，也属对接。对接接头容易焊透，受力情况好，应力分布均匀，联接强度高，因而焊接接头质量容易保证。,16-3 容器参数的确定,解：封头与筒体壁厚计算公式相同，所以按筒体计算，封头取相同的名义壁厚。 首先确定设计参数： （1）设计压力应取50时液氨的饱和气压，应取表压，即应取1.9MPa，实际取2.0MPa； （2）因本容器的PV10MPam3，属于三类容器（书P119），焊缝需要100%探伤，故=1； （3）16MnR的常温许用应力从手册查得，t=170MPa；,例： 试确定液氨储罐壁厚，该储罐直径Di=1.2m，两端系标准椭圆形封头，全容积为5.1m3。罐体及封头材料均为16MnR。液氨系毒性程度为中度危害的介质，50时的饱和蒸气压为2MPa（绝对压强），腐蚀裕量按2mm考虑。,计算厚度,设计厚度,名义厚度,