3.2内压薄壁容器设计ppt课件

1、1第二节第二节 内压薄壁容器设计内压薄壁容器设计2一、薄壁容器设计的实际根底一、薄壁容器设计的实际根底一薄壁容器一薄壁容器 根据容器外径根据容器外径DODO与内径与内径DiDi的比值的比值K K来判别，来判别，iiiiDDDDDK2120K1.2K1.2为薄壁容器，为薄壁容器，K K1.21.2为厚壁容器为厚壁容器3二圆筒形薄壁容器接受内压时的应力二圆筒形薄壁容器接受内压时的应力 只需拉应力无弯曲，只需拉应力无弯曲，“环向纤维环向纤维和和“纵向纤维遭到拉力。纵向纤维遭到拉力。 1 1或或轴圆筒母线方向轴圆筒母线方向( (即即轴向拉应力轴向拉应力22或或环圆周环圆周方向的拉应力。方向的拉应力。4

2、三圆筒的应力计算三圆筒的应力计算 1. 1. 轴向应力轴向应力D-筒体平均直径，亦称中径，mm； p-内压,MPa；-壁厚，mm 404112pDDDp2. 2. 环向应力环向应力20222pDlpDl5分析：分析：1 1薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍。薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍。 2/24/pDpD问题a：筒体上开椭圆孔，如何开？ 应使其短轴与筒体的轴线平行，以尽量减少开孔对纵截面的减弱程度，使环向应力不致添加很多。6问题b：钢板卷制圆筒描画器，纵焊缝与环焊缝哪个易裂？2/24/pDpD 筒体纵向焊缝受力大于环向焊缝，故纵焊缝易裂，施焊时应予以留意。7二、无力矩实际根本方程式

3、二、无力矩实际根本方程式一根本概念与根本假设 1根本概念 1旋转壳体 ：壳体中面等分壳体厚度是恣意直线或平面曲线作母线，绕其同平面内的轴线旋转一周而成的旋转曲面。2 2轴对称轴对称 壳体的几何外形、约束条件和所受外力都壳体的几何外形、约束条件和所受外力都是对称于某一轴。是对称于某一轴。 化工用的压力容器通常是轴对称。化工用的压力容器通常是轴对称。 83 3旋转壳体的几何概念旋转壳体的几何概念 母线与经线、法线、平行圆第一曲率半径：经线曲率半径第二曲率半径：垂直于经线的平面与中面相割构成的曲线BE的曲率半径92根本假设 假定壳体资料有延续性、均匀性和各向同性，假定壳体资料有延续性、均匀性和各向同

4、性，即壳体是完即壳体是完全弹性的。全弹性的。(1)(1)小位移假设尺寸不变小位移假设尺寸不变 各点位移都远小于厚度。可用变形前尺寸各点位移都远小于厚度。可用变形前尺寸替代变形后尺寸。替代变形后尺寸。变形分析中高阶微量可忽略。变形分析中高阶微量可忽略。 (2) (2)直线法假设厚度不变直线法假设厚度不变 变形前垂直于中面直线段，变形后仍是直变形前垂直于中面直线段，变形后仍是直线并垂直于变形线并垂直于变形后的中面。变形前后法向线段长度不变。沿厚后的中面。变形前后法向线段长度不变。沿厚度各点法向位移度各点法向位移一样，厚度不变。一样，厚度不变。 (3)(3)不挤压假设两向应力不挤压假设两向应力 各层

5、纤维变形前后互不挤压。各层纤维变形前后互不挤压。10二无力矩实际根本方程式二无力矩实际根本方程式 1 1无力矩实际称薄膜实际定义：它假设壁厚与直径相比很无力矩实际称薄膜实际定义：它假设壁厚与直径相比很小，薄壳像薄膜一样，只能接受拉应力和压应力，完全不能承小，薄壳像薄膜一样，只能接受拉应力和压应力，完全不能承受弯矩和弯曲应力，即在薄壳的内力素中忽略了弯矩的作用。受弯矩和弯曲应力，即在薄壳的内力素中忽略了弯矩的作用。2 2无力矩实际称薄膜实际是设计压力容器的根底。无力矩实际称薄膜实际是设计压力容器的根底。无力矩实际根本方程式：无力矩实际根本方程式：pRR22113-33-3平衡方程平衡方程cos2

6、1kpr3-43-4区域平衡方程区域平衡方程 11三、根本方程式的运用三、根本方程式的运用1 1圆筒形壳体圆筒形壳体 第一曲率半径第一曲率半径R1=R1=， 第二曲率半径第二曲率半径R2=D/2R2=D/2 代入方程代入方程3-33-3和和3-43-4得：得： cos21kprpRR22112 421pDpD122 2球形壳体球形壳体 球壳球壳R1R1R2=D/2R2=D/2，得：得： 直径与内压一样，球壳内应力仅是圆筒形壳体环向应力的一半，即球形壳体的厚度仅需圆筒容器厚度的一半。当容器容积一样时，球外表积最小，故大型贮罐制成球形较为经济。cos21kprpRR2211 421pD133 3圆

7、锥形壳体圆锥形壳体 圆锥形壳半锥角为a，A点处半径为r，厚度为d，那么在A点处：cos 21rRRcos21kpr cos2kpr 锥形壳体环向应力是经向应力两倍，随半锥角锥形壳体环向应力是经向应力两倍，随半锥角a a的增大而增的增大而增大；大； a a角要选择适宜，不宜太大。角要选择适宜，不宜太大。 在锥形壳体大端在锥形壳体大端r=Rr=R时，应力最大，在锥顶处，应力为零。时，应力最大，在锥顶处，应力为零。因此，普通在锥顶开孔。因此，普通在锥顶开孔。 144 4椭圆形壳体椭圆形壳体 椭圆壳经线为一椭圆，a、b分别为椭圆的长短轴半径。由此方程可得第一曲率半径为：12222byaxbabaxad

8、xyddxdyR42/32224222/321)()(1bbaxaxR2/122242)(sin)(2 )(2)(2222442224222241baxaabaxabpbaxabp15化工常用规范椭圆形封头，化工常用规范椭圆形封头，a/b=2a/b=2，故，故 顶点处： 边缘处： 顶点应力最大，经向应力与环向应力是相等的拉应力。顶点应力最大，经向应力与环向应力是相等的拉应力。顶点的经向应力比边缘处的经向应力大一倍；顶点的经向应力比边缘处的经向应力大一倍；顶点处的环向应力和边缘处相等但符号相反。顶点处的环向应力和边缘处相等但符号相反。应力值延续变化。应力值延续变化。pa21papa21216四、

9、筒体强度计算四、筒体强度计算t-t-设计温度设计温度tt下资料许用应力，下资料许用应力，MPaMPa。实践设计中须思索三个要素：实践设计中须思索三个要素：1 1焊接接头系数焊接接头系数2 2容器内径容器内径3 3壁厚壁厚 筒体内较大的环向应力不应高于在设计温度下资料筒体内较大的环向应力不应高于在设计温度下资料的许用应力，即：的许用应力，即：tpD2171 1焊接接头系数焊接接头系数钢板卷焊。夹渣、气孔、未焊透等缺陷，导致焊缝及其附近区域强度能够低于钢材本体的强度。 钢板 t乘以焊接接头系数，1。 tpD22 2容器内径容器内径工艺设计确定内径Di，制造丈量也是内径，而受力分析中的D却是中面直径

10、。tiDp2)(解出，得到内压圆筒的厚度计算式：ppDti2183 3 壁厚壁厚思索介质腐蚀，计算厚度的根底上，添加腐蚀裕度C2。筒体的设计厚度为式中 -圆筒计算厚度，mm； d-圆筒设计厚度，mm； Di-圆筒内径，mm； p-容器设计压力，Mpa； -焊接接头系数。22CppDtid筒体设计厚度 d+ C1厚度负偏向后向上圆整，即：筒体名义厚度 n 。对于已有的圆筒，丈量厚度为 n，那么其最大答应承压的计算公式为：1CdneietnintDCDCp22 e-圆筒有效厚度圆筒有效厚度19五、球壳强度计算五、球壳强度计算设计温度下球壳的计算厚度：设计温度下球壳的计算应力teeictDp4ppD

11、ti4六、设计参数六、设计参数 厚度设计参数按GBl50-2019中规定取值。设计压力、设计温度、许用应力、焊接接头系数、厚度附加量等参数的选取。22CppDtid1Cdn1 1设计压力计算压力设计压力计算压力设计压力设计压力: :相应设计温度下确定壳壁厚度的压力，亦即标注在相应设计温度下确定壳壁厚度的压力，亦即标注在 铭牌上的容器设计压力。其值稍高于最大任务压力。铭牌上的容器设计压力。其值稍高于最大任务压力。最大任务压力：指容器顶部在任务过程中能够产生的最高压力表最大任务压力：指容器顶部在任务过程中能够产生的最高压力表压。压。211 1运用平安阀时：运用平安阀时：设计压力设计压力平安阀开启压

12、力平安阀开启压力设计压力设计压力1.051.051.101.10* *最大任务压力最大任务压力 运用爆破膜根据其型式：运用爆破膜根据其型式：设计压力设计压力1.151.151.41.4* *最大任务压力最大任务压力2 2容器内盛有液体，假设其静压力容器内盛有液体，假设其静压力最大任务压力的最大任务压力的5 5，那，那么设计压力可不计入静压力，否那么，须在设计压力中计入么设计压力可不计入静压力，否那么，须在设计压力中计入液体静压力。液体静压力。 3 3有时还必需思索重力、风力、地震力等载荷及温度的影响，有时还必需思索重力、风力、地震力等载荷及温度的影响，这些载荷不直接折算为设计压力，必需分别计算

13、。这些载荷不直接折算为设计压力，必需分别计算。 222 2设计温度设计温度1设计温度对选择资料和许用应力确实定直接有关. 2设计温度：容器正常任务，在相应的设计条件，金属器壁 能够到达的最高或最低温度。3器壁温度经过换热计算。不被加热或冷却，筒内介质最高或最低温度。用蒸汽、热水或其它载热体加热或冷却，载体最高温度或最低温度。不同部位出现不同温度分别计算。23(3)(3)许用应力许用应力1许用应力是以资料的各项强度数据为根据，合理选择平安 系数n得出的。2抗拉强度、屈服强度，蠕变强度、疲劳强度,取其中最低值。3当设计温度低于0时，取20时的许用应力。n024(4)(4)焊接接头系数焊接接头系数焊

14、接减弱而降低设计许用应力的系数。根据接头型式及无损检测长度比例确定。焊接接头方式无损检测的长度比例100%部分双面焊对接接头或相当于双面焊的对接接头1.00.85单面焊对接接头或相当于单面焊的对接接头0.90.8 符合才允许作部分无损探伤。抽验长度不应小于每条焊缝长度的20。25(5)(5)厚度附加量厚度附加量 满足强度要求的计算厚度之外，额外添加的厚度量，包括由钢板负偏向(或钢管负偏向) Cl、腐蚀裕量 C2，即 C Cl十 C2厚度厚度22.22.52.83.0 3.23.53.84 4.55.5 负偏向负偏向0.130.140.150.160.18 0.2 0.2 厚度厚度6782526

15、303234 36404250 5260 负偏向负偏向0.60.8 0.91 1.11.21.3 26腐蚀裕量腐蚀裕量C2C2：1 1应根据各种钢材在不同介质中的腐蚀速度和容器设应根据各种钢材在不同介质中的腐蚀速度和容器设计寿命确定。计寿命确定。2 2塔类、反响器类容器设计寿命普通按塔类、反响器类容器设计寿命普通按2020年思索，换年思索，换热器壳体、管箱及普通容器按热器壳体、管箱及普通容器按1010年思索。年思索。3 3当腐蚀速度当腐蚀速度0.05mm0.05mma(a(包括大气腐蚀包括大气腐蚀) )时：时：碳素钢和低合金钢单面腐蚀碳素钢和低合金钢单面腐蚀C2C21mm1mm，双面腐蚀取，双

16、面腐蚀取C2C22mm2mm。 当腐蚀速度当腐蚀速度0.05mm0.05mma a时：时：单面腐蚀取单面腐蚀取C2C22mm2mm，双面腐蚀取，双面腐蚀取C2C24mm4mm。4 4不锈钢取不锈钢取C2C20 0。27七、最小壁厚七、最小壁厚 1设计压力较低的容器计算厚度很薄。大型容器刚度缺乏，不满足运输、安装；限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求。 2壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度 min： 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。 22CppDtid28八、压力实验八、压力实验1制造加工过程不完善，导致不平安，发生过大变形或渗漏。2最常用的压力

17、实验方法是液压实验。常温水，也可用不会发生 危险的其它液体，实验时液体的温度应低于其闪点或沸点。3不适宜作液压实验,可用气压实验替代液压实验。 a装入贵重催化剂要求内部烘干; b容器内衬耐热混凝土不易烘干; c由于构造缘由不易充溢液体的容器以及容积很大的容器等4致密性实验：检查密闭性，主要有气密性实验和煤油渗漏实验。29二、压力实验的相关规定二、压力实验的相关规定实实验验类类型型实验压力实验压力强度条件强度条件阐明阐明 备注备注液液压压实实验验 立式容器卧置进展水压实验时，实验压力应取立置实验压力加液柱静压力。压力实验时，由压力实验时，由于容器接受的压于容器接受的压力力pT pT 高于设计高于

18、设计压力压力p p，故必要，故必要时需进展强度效时需进展强度效核。核。气气压压实实验验 pT -pT -实验压力，实验压力， MPa MPa； p - p -设计压力，设计压力， MPa MPa； 一实验温度下的资料许用应力，一实验温度下的资料许用应力， MPa MPa； T T 一设计温度下的资料许用应力，一设计温度下的资料许用应力， MPa MPa 30三、液压实验要求和步骤：三、液压实验要求和步骤：1 1液压实验时水温不能过低液压实验时水温不能过低( (碳素钢、碳素钢、16MnR,T516MnR,T5，其它低合金钢其它低合金钢,T15),T15)，实验过程外壳应坚持枯燥。，实验过程外壳应

19、坚持枯燥。2 2实验步骤：实验步骤： 设备充溢水后，待壁温大致相等时，缓慢升压到规定设备充溢水后，待壁温大致相等时，缓慢升压到规定实验压力，实验压力，稳压稳压30min30min，然后将压力降低到设计压力，坚持，然后将压力降低到设计压力，坚持30min30min以检查有以检查有无损坏，有无宏观变形，有无走漏及微量浸透。无损坏，有无宏观变形，有无走漏及微量浸透。3 3对于夹套容器，先进展内筒液压实验，合格后再焊对于夹套容器，先进展内筒液压实验，合格后再焊接夹套，然后进展夹套内的液压实验。接夹套，然后进展夹套内的液压实验。4 4水压实验后及时排水，用紧缩空气及其它惰性气体，水压实验后及时排水，用紧

20、缩空气及其它惰性气体，将容器内外表吹干。将容器内外表吹干。四、气压实验要求和步骤：四、气压实验要求和步骤：1必需对容器焊缝进展100%的无损检测。2实验运用气体：枯燥干净的空气、氮气和其他惰性气体。3对高压及超高压容器不宜采用气压实验。4实验步骤：压力缓慢升至规定实验压力的10%，且不超越0.05MPa时，保压5min，进展检查。继续缓慢升至规定实验压力的50%，保压5min，进展检查。其后按照每级为规定实验压力的10%的级差逐级增至规定实验压力，保压10min，进展检查。将压力降至规定实验压力的87%，保压较长时间，进展检查。31五、致密性实验要求和步骤：五、致密性实验要求和步骤：1 1气密性实验气密性实验实验压力普通为设计压力的实验压力普通为设计压力的1.051.05倍没装有平安阀时实验压力倍没装有平安阀时实验压力为设计压力；装有平安阀时实验压力为容器最高任务压力为设计压力；装有平安阀时实验压力为容器最高任务压力步骤：步骤： a. a.压力缓慢升至规定实验压力后，保压压力缓慢升至规定实验压力后，保压10min10min，进展检查；，进展检查； b. b.然后压力降至设计压力，保压较长时间，进展检查。然后压力降至设计压力，保压较长时间，进展检查