内压薄壁圆筒与封头的强度设计.ppt

1 内压薄壁圆筒与封头的强度设计 教学重点 内压薄壁圆筒的厚度计算教学难点 厚度的概念和设计参数的确定 2 旧压力容器厚度进行强度校核的意义判定在下一个检验周期内或在剩余寿命期间内 容器是否还能在原设计条件下安全使用的条件当容器已被判定不能在原设计条件下使用时 应通过强度计算 提出容器监控使用当容器针对某一使用条件需要判废时 应提出判废依据 3 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 4 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 5 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 安全系数 许用应力 MPa 2 强度安全条件 6 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 7 由薄膜理论 圆筒壁内应力为经向应力 环向应力 法向应力 被认为是0 则三项主应力为 8 第一强度理论 最大拉应力理论 使材料发生断裂破坏的主要因素是最大主拉应力 1 只要 1达到单向拉伸时材料的强度极限 b材料将要断裂破坏 破坏条件 强度条件 该理论与均质的脆性材料的实验结果吻合较好 9 第二强度理论 最大伸长线应变理论 当材料的最大伸长线应变 1达到材料单向受拉破坏时的线应变 b b E时 材料将要发生断裂破坏 破坏条件 强度条件 该理论只与少数脆性材料的实验结果吻合 10 第三强度理论 最大剪切应力理论 最大切应力是使材料发生屈服破坏的根本原因 只要最大剪切应力 max达到材料单向受力时的屈服极限 s所对应的极限剪切应力 s s 2 材料将发生屈服 剪断 破坏 破坏条件 强度条件 11 第四强度理论 能量理论 形状改变比能是引起材料屈服破坏的基本原因 只要复杂应力状态下材料形状改变比能达到单向受力情况屈服破坏时相应的极限形状改变比能 材料就会发生屈服破坏 破坏条件 强度条件 第三强度理论偏于安全 第四强度理论偏于经济 12 在大多数应力状态下 脆性材料将发生脆性断裂 因而应选用第一强度理论 而在大多数应力状态下 塑性材料将发生屈服和剪断 故应选用第三强度理论或第四强度理论 但材料的破坏形式不仅取决于材料的力学行为 而且与所处的应力状态 温度和加载速度有关 实验表明 塑性材料在一定的条件下 低温和三向拉伸 会表现为脆性断裂 脆性材料在三向受压表现为塑性屈服 13 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 适用于脆性材料 适用于塑性材料 总结 14 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 15 第三强度理论的强度条件为 因此圆筒强度条件为 16 4 2内压薄壁圆筒壳与球壳的强度设计4 2 1强度计算公式依据第三强度理论 强度公式为 参数变换 1 将中径换算为圆筒内径 D Di 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f 1 4 材料的许用应力与设计温度有关 17 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 这是写在图纸上的钢板厚度 18 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D02 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 19 式中 e 有效壁厚 e 圆整后的壁厚 n C1 C2 强度校核公式 1 在工作压力及温度下 现有容器强度够否 2 现有容器的最大允许工作压力如何 20 公式的适用范围为 2 内压球形壳体 21 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 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 表压 22 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 23 设计压力p 设定的容器顶部的最高压力 设计载荷 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 05 1 1 pw系数取决于弹簧起跳压力 24 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 P93表4 3 表4 4 防爆膜装置示意图 看看爆破片的工作情况 25 3 无安全泄放装置 取p 1 0 1 1 pw 4 盛装液化气容器 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 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 26 5 外压容器 取p 正常操作下可能产生的最大压差 注意 正常操作 含空料 真空检漏 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 25 p 0 1MPa 27 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 28 表4 1设计压力与计算压力的取值范围 29 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 可忽略不计 即计算压力 设计压力 液柱静压力 5 P时计入 可见 计算压力 设计压力 工作压力 容器顶部表压 例 一立式容器 工作压力0 5MPa 液体深10m 密度为10 000N m3 pw 0 5MPa p 0 5MPapc 0 5 10 10 000 1 000 000 0 6MPa 30 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 31 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P94表4 5 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 32 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 33 常温容器 中温容器 高温容器 34 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 35 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 36 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射线检查和超声波检查 为什麽要进行无损检验 37 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 焊接后常出现 38 焊接缺陷 39 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 f 40 焊接接头系数 f 41 你能回答下列问题吗 1 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 42 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 43 A 容器壁厚附加量 1 钢板或钢管厚度负偏差C1 例如 44 在设计容器壁厚时要 预先考虑负偏差 钢板负偏差参见p97表4 9选取 钢管厚度负偏差参见P97表4 10 45 B 腐蚀裕量C2 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 具体规定如下 对有腐蚀或磨损的元件 C2 KaBKa 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10 15年 一般情况 Ka 0 05 0 13mm a的轻微腐蚀时 对单面腐蚀取C2 1 2mm 对双面腐蚀取C2 2 4mm 对于不锈钢 一般取0 46 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 还要记住 47 6 直径系列与钢板厚度 要按照钢板厚度尺寸系列标准GB709 88的规定选取 P99表4 13 钢板厚度是否可以随意取 压力容器的直径系列已经施行标准化 GB9019 88 筒体与封头的公称直径配套 见P60表2 5 筒体直径是否可以随意定 48 1 压力容器的公称直径钢板卷焊筒体和成型封头的公称直径是内径 49 标准化问题 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 50 1 厚度的定义 三 容器的厚度和最小厚度 图4 2壁厚的概念 51 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3mmb 对高合金钢制容器 不小于2mm 2 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 52 1 标注在图纸上的容器壁厚是如何确定的 2 壁厚加工减薄量由谁定 3 加工后容器的实际壁厚不能小于多厚才可以在使用寿命期内保证安全 4 规定容器最小壁厚的目的是什麽 思考如下问题 53 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 四 压力试验与强度校核 54 为什麽要进行压力试验呢 制造加工过程不完善 导致不安全 发生过大变形或渗漏 最常用的压力试验方法是液压试验 使用常温水 也可用不会发生危险的其它液体 液压试验时水温不能过低 碳素钢 16MnR不低于5 其它低合金钢不低于15 试验时液体的温度应低于其闪点或沸点 55 压力试验的时机 1 容器制成后 2 检修后 试验目的 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 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 56 压力试验分类 液压试验介质 一般为水 过程 充水排气 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 57 注意 不锈钢容器 水中氯离子不得超过25mg L 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 看看水压试验过程 58 气压试验 不适合液压试验的 如装入贵重催化剂要求内部烘干 或容器内衬耐热混凝土不易烘干 或由于结构原因不易充满液体的容器以及容积很大的容器等 可用气压试验代替液压试验 气压试验时介质温度不低于15 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 59 液压试验 气压试验 内压容器试验压力 1 试验压力 t大于1 8时 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 60 液压试验 气压试验 2 压力试验的应力校核 圆筒壁在试验压力下的计算应力 61 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 62 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 63 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 64 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350 其内径为1300mm 解 1 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 ss 410MPa 2 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 s s 350 190MPa 3 需安装安全阀 pc p 1 1 15 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 65 3 计算壁厚 4 设计壁厚 d C2 61 5 1 0 62 5 mm 查表4 9得C1 0 25 mm 壁厚附加量C C1 C2 0 25 1 0 1 25 mm 5 名义厚度 n C 圆整量61 5 1 25 62 75 mm 圆整后为65 mm 66 6 校核水压试验强度水压试验强度条件为 式中 e n C 65 2 8 62 2 mm 则 T 234 9 MPa 而0 9 s 0 9 1 410 369 MPa T 0 9 s水压试验合格 67 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 d5 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pc 15MPa DO 219mm n 6 5mm 无缝钢管 1 C2 1mm 实测壁厚6 5mm 则C1 0 e 6 5 1 5 5mm 许用应力求取 t min b nb s ns min 785 3 510 1 6 262 MPa 68 2 强度校核校核公式为 充15MPa强度不够 3 确定最高允许工作压力计算公式为 该气瓶的最大安全使用压力为13 48MPa 69 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径 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 70 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 第三节内压圆筒封头的设计 71 4 3 1半球形封头1 结构 1 整体半球壳体 2 焊接半球壳体 瓜瓣组焊 2 与筒体连接结构 与筒体连接部位要圆滑过渡 为什麽 与筒体连接的环焊缝属于球壳内的部分 确定封头厚度时应考虑这一环焊缝的焊接接头系数 72 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4 3半球形封头 73 受内压球形封头计算壁厚与球壳相同 球形封头壁厚可较圆筒壳减薄一半 但为焊接方便以及降低边缘压力 半球形封头常和筒体取相同的厚度 74 1 椭圆封头的结构 为什麽要有直边 1 保证封头的制造质量 2 不连续点与环焊缝分开 从而避免边缘应力与焊接应力 膜应力集聚 降低合应力 75 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4 4椭圆形封头 椭球壳壁内应力的大小及变化受a b值的影响 形状系数K 76 K 椭圆形封头形状系数的取值 P104表4 14 77 图3 17例3 2附图 2 K与应力的关系 78 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 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 79 椭圆封头最大允许工作压力计算公式 GB150 1998规定 椭圆形封头标准为JB T4737 95 80 注意 1 加工减薄量由制作单位确定 2 各参数的单位 公式中只用MPa和mm 3 对于同一容器上的圆筒与椭圆形封头 如果壁厚相同 椭圆形封头的强度高于圆筒 所以 水压试验强度校核时 校核筒体强度就可以了 为什麽 4 直边高度按P105表4 15选取 81 碟形封头的组成 三 碟形封头 图4 5碟形封头 82 1 碟形封头的结构 特点 Ri r值不同 球面与摺边连接处的曲率突变 应用 相同受力 碟形封头壁厚比椭圆形封头壁厚要大些 而且碟形封头存在应力不连续 因此没有椭圆形封头应用广泛 83 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 84 当碟形封头的球面半径Ri 0 9Di 过渡圆弧r 0 17Di时 称为标准碟面封头 M 1 2 85 4 3 4球冠形封头 降低凸形封头高度 将碟形封头的直边及过圆弧部分去掉 只留下球面部分 也称无折边球形封头 86 式中Di 封头和筒体的内直径 Q 系数 见书P107图4 9 2 壁厚计算公式 87 广泛应用于许多化工设备的底盖 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 四 锥形封头 88 推导 受均匀内压的锥形封头的最大应力在锥壳大端 有强度条件为厚度计算公式为加上接头系数得 锥形封头厚度计算公式 89 Dc的取值 若无折边 Dc Di若有折边 Dc Di 90 为减小边缘应力 锥形封头结构常有如下结构 1 局部加强 30 的大端及 45 的小端 2 加过渡圆弧 30 的大端及 45 的小端 受内压无折边锥形封头 受内压带折边锥形封头 91 一 无折边锥形封头或锥形筒体 适用于锥壳半锥角a 3001 锥壳大端a 查图4 15 大端是否须加强 92 c 需加强 以降低联接处的局部应力 锥壳加强段和圆筒加强段厚度相同 Q为锥壳与圆筒联接处的应力增值系数 查图4 16 93 2 锥壳小端 a 450 a 查图4 17 小端是否须加强 94 b 不必局部加强 计算壁厚同大端 95 c 需加强 加强段和圆筒加强段厚度相同 Q为锥壳与圆筒联接处的应力增值系数 查图4 18 96 无折边锥壳 30 大端采用无折边结构 45 小端采用无折边结构 97 3 无折边锥壳的厚度 锥壳厚度 4 27 4 28 4 29 统一厚度 98 二 折边锥形封头或锥形筒体 可降低应力集中 适用于锥壳大端半锥角a 300 小端半锥角a 450 当锥壳半锥角a 600时 按平盖计算 大端r 10 Di 且 3 r 小端r 5 Di 且 3 r 99 1 锥壳大端a 过渡段的计算壁厚 100 b 与过渡段相连接处的锥壳计算壁厚 101 锥壳大端过渡段厚度与过渡段相连接处的锥壳厚度与锥壳大端相连接的筒体厚度结论 1 锥壳厚度 筒体厚度 过渡段厚度 2 锥顶角越大 锥壳越厚 102 2 锥壳小端a 半锥角a 450 小端无折边计算同前b 小端有折边 过渡段厚度按 4 29 确定 Q值查图4 18 c 半锥角a 450 小端过渡段厚度仍按 4 29 确定 Q值查图4 19 103 锥形封头的小端与接口管相连 一般不加过渡弧 但接口管应增厚 厚度取锥体厚度 加厚的长度 104 当锥壳大端或大 小段同时具有过渡弧段时 分别计算和确定锥壳各部分厚度 如只考虑一种厚度 取计算值中最大值作为折边锥壳的厚度 105 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 五 平板封头 106 1 平板内应力状态 周边简支 根据强度条件 107 周边固支 根据强度条件 实际情况是介于简支和固支中间 系数在0 188 0 31之间 归结为一个结构特征系数K 见表4 19 108 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