《容器设计基础》PPT课件.ppt

2019/4/13,1,第四章：容器设计基础,容器是各种设备外部壳体的总称,2019/4/13,2,2019/4/13,3,概述,容器的结构 容器分类 按器壁厚度、压力性质、压力大小、承受温度、压力容器安全技术监察规程分类。 容器机械设计的基本要求 容器的标准化,2019/4/13,4,第一节：内压薄壁圆筒的设计,一、内压圆筒的应力分析 二、内压圆筒的设计与计算 三、压力试验,2019/4/13,5,一、内压圆筒的应力分析,在工艺给定的压力p下，p垂直作用于器壁表面，容器将产生拉长，胀大的趋势。如圆柱筒体、平盖封头容器，在轴向产生拉长；在环向产生胀大，并产生弯矩Mo。 若不考虑Mo弯矩的影响，称无力矩壁厚，反之称为有力矩壁厚。,2019/4/13,6,圆柱筒体、平面封头： 环向 d c 轴向 a b m T N T n n m W,2019/4/13,7,从壳体上截出一微元体abcd，进行受力分析： 环向应力2 ，轴向应力1 。 2 2 2 1 1 M0 M0 2,2019/4/13,8,假设：在应力是均匀的，壁厚很薄的条件下，可略去Mo弯矩的影响。 对薄壁容器，结构尺寸取其中径D中。 D中=(Do+Di)/2=Di+ =(Do-Di)/2,2019/4/13,9,环向应力：2=pD中/2 y 2 T l x p d W,2019/4/13,10,轴向应力：1= pD中/4 y N p 1 z T x,2019/4/13,11,二、内压圆筒的设计与计算,圆筒壁厚的计算公式 壁厚的其他影响因素 设计厚度 设计参数的确定,2019/4/13,12,圆筒壁厚的计算公式 式中 计算厚度，mm； pc 设计压力，MPa； Di 圆筒内径，mm； t 设计温度下材料的 许用应力，MPa； 焊缝系数，查P127表9-6。,2019/4/13,13,壁厚的其他影响因素 1、钢板的负偏差，c1；(如：80.8mm) 详见P128，表9-10钢板厚度负偏差。 2、腐蚀裕量，c2；（在设计使用年限内的 腐蚀量。n年mm/a） c2 = n (mm) 3、加工中的减薄量，c3。,2019/4/13,14,设计厚度 设计厚度(d)=计算厚度()+腐蚀裕量(c2) 即：,2019/4/13,15,将设计厚度（ d ）加上c1、 c3后，向上圆整至钢板标准规格厚度，称为名义厚度或实际厚度n。 n = d +c1+c3+=+c1+c2+c3+ 有效厚度e e=+= n -c1-c2-c3,2019/4/13,16,压力容器最小厚度：min(不包括c2、c3) 计算厚度，是内压圆筒仅从强度因素得出的。而最小厚度是综合考虑刚度要求提出的。 对碳素钢、低合金钢制容器， min3mm； 对高合金钢制容器， min2mm。,2019/4/13,17,设计参数的确定 1、设计压力pc； 2、设计温度T； 3、许用应力； 4、焊缝系数； 5、厚度附加量c。,2019/4/13,18,三、压力试验,进行液压试验时试验压力的确定 进行气压试验时试验压力的确定 液压试验方法与过程控制 气压试验方法与过程控制 气密性试验 对所确定的试验压力进行强度校核,2019/4/13,19,液压试验时的试验压力,且 pTpC + 0.1MPa 其中,2019/4/13,20,式中 pT 试验压力，MPa； pC 设计压力，MPa； 试验温度下材料的许用应力， MPa； t 设计温度下材料的许用应力， MPa。,2019/4/13,21,气压试验时的试验压力,其中,2019/4/13,22,液压试验方法与过程控制,将容器充满液体，最高点设排气口。缓慢将压力升到规定试验压力后，保压半小时，降压到规定试验压力的80%，保持足够长的时间，以便对所有焊缝和连接部位进行检查。,2019/4/13,23,气压试验方法与过程控制,对不适合作液压试验的容器，才采用气压试验。缓慢升压到规定试验压力的10%，且不超过0.05MPa，保持10分钟，查验所有焊缝及连接部位，多次检查。合格后，升到试验压力的50%，而后每次升级为试验压力的10%，直到试验压力。保持10分钟，然后降至试验压力的87%，检查焊缝情况。,2019/4/13,24,气密性试验,容器须经液压试验后，方可进行气密试验。方法是缓慢升压至试验压力，保持10分钟，然后降至设计压力。同时进行检查。气体温度应不低于5。,2019/4/13,25,试验压力的强度校核（一）,液压试验时 气压试验时,2019/4/13,26,试验压力的强度校核（二）,液压试验时 气压试验时,2019/4/13,27,第二节：内压容器封头的设计,一、边缘应力概念 二、凸形封头 三、平板封头 四、封头的结构特性及选择,2019/4/13,28,一、边缘应力概念,产生实质 存在联接边缘；联接处二者变形 大小不同。 特点 局部性；自限性。 对边缘应力的处理,2019/4/13,29,二、凸形封头,半球封头 椭圆形封头 碟形封头 球冠形封头,2019/4/13,30,半球封头,母线绕o轴回转而成球体，其任意时刻停留线均为经线。1= 2 = o 2 1 Dz Di o,2019/4/13,31,半球、球壳计算厚度公式,外力 = 内力,2019/4/13,32,实际应用时，筒体与半球形封头厚度相同，主要是考虑边缘应力和焊接工艺。 等厚焊接可以降低边缘联接处的边缘应力。 半球形封头多用于直径较大，或压力较高的容器。,2019/4/13,33,椭圆形封头,由区域平衡方程得： 由微体平衡方程得： 椭圆方程：,2019/4/13,34,取分离体,z R2 m R2 m p D,2019/4/13,35,由 z 轴方向的平衡条件，得 Nz - Pz = 0 即 mDsin- D2p/4 = 0 ( a ) sin= D/2 R2 D = 2 R2 sin 代入( a )式 得到,2019/4/13,36,经向应力计算公式,式中 m 经向应力，MPa； 壳体厚度，mm； R2 所求应力点的第二曲率半径，mm； p 壳体所受的内压力，MPa。,2019/4/13,37,取微元体,R2 m R1 d2 d1 m,2019/4/13,38,回转壳体应力分析,m dl2 d2 d1 dl1 p dl1 dl1 dl2 m dl2,2019/4/13,39,经向应力m与环向应力,d1 m d1 /2 p R1 n m R2 p n d2 d2 /2,2019/4/13,40,根据法线 n 方向上力的平衡条件，得到 Pn Nmn Nn = 0 即 pdl1dl2 - 2 m dl2sin d1 /2 - 2 dl1sin d2 /2 = 0 (b),2019/4/13,41,因为夹角d1与d2很小，可取 sin d1 /2 d1 /2 = dl1/2 R1 sin d2 /2 d2 /2 = dl2/2 R2 将以上两式代入(b)式，并化简，整理得,2019/4/13,42,环向应力计算公式,式中 环向应力，MPa； R1 所求应力点的第一曲率半径，mm。,2019/4/13,43,椭圆封头应力分析,又椭圆方程： 由第一曲率半径：,2019/4/13,44,第二曲率半径：R2= -x /sin y R1 A x b a R2,2019/4/13,45,由 得,2019/4/13,46,将 代入 与 得,2019/4/13,47,2019/4/13,48,轴向应力分布图,y y h h0 x b x a,2019/4/13,49,环向应力分布图,当 时，此时 y x,2019/4/13,50,当 当 y y x x,2019/4/13,51,当 时，为标准椭圆封头 y y x x 轴向应力 环向应力,2019/4/13,52,椭圆封头计算厚度公式,当a/b=2时，K=1，为标准椭圆封头。 标准椭圆封头计算厚度公式：,2019/4/13,53,碟形封头,又称带有折边的球形封头。设有折边是为了缓解边缘应力。 折边 r h h0 Ri 直边，取值 Di 25、40、50 mm。,2019/4/13,54,碟形封头厚度计算公式,考虑到球面部分与过渡区联接处的局部高应力，规定RiDi，r/Di0.1，且r3n。 厚度计算公式 碟形封头形状系数,2019/4/13,55,标准碟形封头厚度计算公式,当 Ri = 0.9Di，r = 0.17Di，称为标准碟形封头，此时 M = 1.325。 标准碟形封头计算厚度公式,2019/4/13,56,球冠形封头,球面部分直接焊在筒体上，也称无折边球形封头。可降低封头高度，但存在较大的局部边缘应力。,2019/4/13,57,Ri=(0.71.0)Di，圆筒加强段L的厚度与封头厚度等厚。 Di Ri L,2019/4/13,58,三、平板封头,圆形平盖 非圆形平盖,2019/4/13,59,圆形平盖,平盖封头主要用于常压和低压的设备上，或直径较小的设备。 一种是不可拆的固定平盖，其最大应力是轴向弯曲应力，产生在圆板边缘。 另一种是可拆平盖，其最大应力产生在平板中心。,2019/4/13,60,上述两类问题简化为板边缘结构特征系数K来考虑。 因为 圆形平盖计算厚度,2019/4/13,61,式中 Dc 计算直径，见表10-4 K 结构特征系数，见表10-4 Pc 设计压力，MPa t 设计温度下的许用应力，MPa 焊缝系数 平盖计算厚度,2019/4/13,62,非圆形平盖,(a)表10-4中， 式中：z 非圆平盖形状系数 z = 3.4-2.4a/b，且z2.5 a 非圆平盖的短轴长度 b 非圆平盖的长轴长度,2019/4/13,63,(b)表10-4中,2019/4/13,64,四、封头的结构特性及选择,封头的结构形式是由工艺过程、承载能力、制造方便等方面的要求而决定。 从受力情况看：半球最好，椭圆、碟形其次，球冠、锥形更次之，而平板最差。 从制造方便看：平板最易，球冠、锥形、碟形、椭圆较易，半球最难。,2019/4/13,65,第三节：外压圆筒的设计,一、外压容器的稳定性 二、外压圆筒的简化公式计算法 三、外压圆筒图算设计方法 四、外压圆筒图算设计方法说明 五、外压圆筒厚度表 六、外压容器的试压,2019/4/13,66,一、外压容器的稳定性,圆筒失稳的形式 周向失稳；轴向失稳；局部失稳。 临界压力 设计外压 影响临界压力的因素 筒体尺寸；材料性能；筒体形状。,2019/4/13,67,二、外压圆筒的简化公式计算法,钢制长圆筒 钢制短圆筒 刚性圆筒 临界长度 计算法步骤,2019/4/13,68,钢制长圆筒,指圆筒的中央吸瘪时，临界压力pcr不受两端盖的影响。 L/D0值较大，pcr与e/D0有关，而 与 L/D0无关。,2019/4/13,69,设计准则 名义厚度,2019/4/13,70,钢制短圆筒,指圆筒的中央吸瘪时，临界压力pcr受其两端盖的支撑作用。 pcr与e/D0有关，也与 L/D0有关。,2019/4/13,71,设计准则 名义厚度,2019/4/13,72,刚性圆筒,指圆筒破坏原因是由于在外压力作用下，相应所产生的压应力，其值超过材料的屈服极限所致。而不会发生失稳。 L/D0值较小，e/D0较大，pcr值趋于无穷大。,2019/4/13,73,当e/D00.04时，即认为是刚性 圆筒。此时， e可按内压圆筒公式 进行计算。,2019/4/13,74,临界长度,在相同的e/D0下，长、短圆筒的区别在于是否受边界端盖的支撑作用。当短圆筒的长度逐渐增加到不受其两端盖的影响时，即进入长圆筒，在此临界处，可用短圆筒计算，也可用长圆筒计算。此时的长度称为临界长度Lcr，且两种计算结果相同。,2019/4/13,75,即 临界长度 当实际圆筒的计算长度LLcr时，就属于长圆筒，反之则属于短圆筒，据此判断应选择的计算公式。,2019/4/13,76,计算法步骤,由工艺计算已知：Di，L及p工作pc， D0=Di+2e 1、假设有效壁厚e ，根据外径D0计算 临界长度Lcr值，比较L与Lcr ，判别长、 短圆筒；,2019/4/13,77,2、按相应长短圆筒公式求出pcr值。 长圆筒 短圆筒,2019/4/13,78,3、比较 p工作pc p = pcr/m ，说明 假设e正确。否则重新假设e ， 重新计算。 p工作pc，但数值应较为接近。 若相差过大，也要重新计算。,2019/4/13,79,相关参数的含义,计算长度 L=L1+2h/3+2h0 L h/3 h L1 h0,2019/4/13,80,三、外压圆筒图算设计方法,几何参数计算图 壁厚计算图 Doe20的圆筒和管子 Doe20的圆筒和管子 Doe4.0的圆筒和管子,2019/4/13,81,几何参数计算图,图11-5,2019/4/13,82,壁厚计算图,图11-711-10,2019/4/13,83,Doe20的圆筒和管子,1、假设n，令e = n - c，计算出L/D0 和D0/ e 。 2、由算图11-5，查A值， 若L/D0 50，则取 L/D0 = 50； 若L/D0 0.5，则取 L/D0 = 0.5。,2019/4/13,84,3、由A值及相应的工作温度， 查算图11-7算图11-10，得B值。 若A值落在温度-材料线右方， 可得B值，则计算许用外力,2019/4/13,85,若A值落在温度-材料线左方， 得不到B值，此时，B=2AEt/3。 则许用外力,2019/4/13,86,4、比较pc p是否成立，成立则假设 n符合设计要求，否则重新计算， 直到p大于且接近pc为止。 注意n与p的单位为：mm，MPa。,2019/4/13,87,Doe20的圆筒和管子,此时为刚性圆筒。 1、与上述相同的步骤查得B值。 但对Doe4.0的圆筒和管子（此时 为厚壁容器），应按下式计算A值。 ，A0.1时，取A=0.1 然后，查B值。,2019/4/13,88,2、按下式计算许用压力 式中