09容器设计基础2中低压

1、9.49.5中低压内压容器设计n 一. 概述（不限于中低压容器）n 1.设计内容n 2.设计n 3.强度理论n 二. 基本设计公式n 主要讨论筒体公式的来源n 三. 设计参数的选择、温度、焊缝系数等参数的选择n 四. 封头n 1. 封头的种类n 2. 封头的结构特性n 3. 封头的计算第9章 容器设计基础1. 概述一.概述1. 概述1.设计内容容器应根据工艺过程要求和条件，进行结构设计和强度设计。n 结构设计：主要选择适用、合理、的结构形和维修的要式，同时满足求。n 强度计算：内容、检测、装配、选择容器的材料，确定主 要尺寸，满足强度、刚度和安全可靠地运行。性的要求，以确保容器第9章 容器设计

2、基础1. 概述2. 设计n 常规设计n 又称规则设计，依据“钢制容器”进行设计。该标准采用弹性失效准则，对壳体应力不作详细分析，只计算总体应力，并限制壳体的基本（薄膜）应力不超过材料的应力值。而由于总体结构不连续引起的附加应力，以应力增强系数引入壁厚计算n 分析设计n 要求对容器的载荷做详细的分析。并根据载荷的性质进行，在此基础上，对不同的应力加以限制第9章 容器设计基础1. 概述n 按规则设计 - GB150钢制容器n 基于的设计，其典型过程是确定设计载荷，选用设计公式、曲线或图表，并对材料取一个安全应力，最终给出容器的基本厚度，然后根据规范的构造细则及有关检验要求进行。n 按分析设计-JB

3、4732钢制标准容器分析设计n 基于考虑作用在容器上载荷的性质，进行详细的应力分析，计算得到的应力按其对容器破坏的作用分类，与料、应力强度比较和评定，并加上严格的材和检验要求第9章 容器设计基础1. 概述3. 强度理论n 按照强度理论，对于钢制容器适宜于采用第三、第四强度理论，但是，第一强度理论在容器设计历史上使用最早，有成熟的实践经验， 而且由于强度条件不同而引起的误差已考虑在安全系数内，所以至今在容器常规设计中仍采用第一强度理论即：s £ s 式中s为器壁中三个主应力中最大的一个第9章 容器设计基础二. 内压圆筒的设计公式二. 内压圆筒的设计公式1. 筒体设计公式厚度设计公式：p

4、Did=cjt需要圆整 )2 sn -应力校核公式：Di+ d e2d e=pc()£ss tjt第9章 容器设计基础2. 内压容器设计公式推导p=Dsps=c2djxdD£ sDi+ dc2dtpc()£ std2Di+ dpc()£sjtDi2dpd =c2stj - pcpDid=cs tj -n2第9章 容器设计基础n为圆整后，按实际钢板的厚度选取的厚度考虑腐蚀裕量和钢板负偏差考虑焊缝系数引入内径概念考虑温度影响引入计算三、设计参数的选择三. 参数选择1.Pw：在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最n 工作 高工作n 设计Pd ：设定的容器顶部的

5、最高，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作n 装有安全阀， Pd=1.051.1最高工作，且不低于安全阀开启n 液化石油天然气容器，选取最高温度下的相应饱和蒸汽压作为设计Pn 计算：在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中5% 设计液柱静。当元件所承受的液柱静小于，可忽略不计n 试验：在试验时的试验<=筒体壁厚<=水压试验第9章 容器设计基础3.设计参数2. 厚度dd dd nd e计算厚度：指按各公式计算得到的厚度。需要时尚应计入其他载荷所需厚度设计厚度：指计算厚度与腐蚀裕量之和名义厚度：指设计厚度加上钢板负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，既标注在图样上

6、的有效厚度：指名义厚度减去腐蚀裕量和钢板负偏差第9章容器设计基础3.设计参数3. 温度n 设计温度：指容器在正常工作情况下，设定的元件的温度（沿元件金属截面的温度平均值）n 其值不得低于金属可能达到的最高金属温度。对于0 度以下的金属温度，则设计温度不得高于元件金属可能达到的最低金属温度。容器金属温度可通过实测或由传热学估算。n 试验温度：指试验时，壳体的金属温度第9章容器设计基础3. 温度n 容器内装有不被加热或冷却的介质，壳体温度取介质本身温度n 用蒸汽、热水或其它液体加热或冷冻的容器， 取加热介质或冷冻介质温度n 用可燃性气体或电加热的器壁，有衬砌层或一侧露在大气中，取被加热介质温度加上

7、20；直接受影响的器壁加50 ；若载热体温度大于600 ，取介质温度加上100 。且器壁设计温度均不低于250 第9章 容器设计基础4. 焊缝系数大多数容器采用焊接结构，焊接时由于可能出现的焊接缺陷，焊缝往往是容器强度比较薄弱的环节，因此在设计中用焊缝系数来表示焊缝金属与母材强度的比值。它反映出容器受削弱的度<=筒体壁厚<=校核计算第9章 容器设计基础3.设计参数5. 壁厚附加量厚度附加量由两部分组成：钢板或钢管的厚度负偏差C1和腐蚀裕度C2。C1按相应钢板或钢管标准选取，如下表C2由介质的腐蚀性和容器的使用C2=KY；确定，即n 对于碳素钢和低合金钢，C2不小于1mmn 对于不锈

8、钢，当介质的腐蚀性极少时，可取为零第9章容器设计基础5.壁厚附加量热轧无缝钢管厚度负偏差<=筒体厚度<=校核计算第9章 容器设计基础3.设计参数6.应力ìsst s nsï:常温 min( b ,)nï s =btís sts ts t: ï高温min(bs,D ,n ,n)ïînnnDbbsn对于碳素钢、低合金钢3n：,³对于奥氏体不锈钢：n1³.5sn 1s³.6³1.n5 n ,³1,nD1nD ³1.5 n n , ³,第9章 容器设计

9、基础我国容器标准为方便设计，直接给出常用钢板、钢管、 锻件和螺栓材料在不同温度下的应力值钢板的应力<=筒体壁厚<=水压试验<=校核计算第9章 容器设计基础钢板的应力第9章 容器设计基础钢板的应力第9章 容器设计基础钢板的应力第9章 容器设计基础7. 最小壁厚n 对碳钢和低合金钢，当内直径Di3800mm时， 其最小壁厚不小于3mm，腐蚀裕度另加。n 对不锈钢容器，不小于2mm，腐蚀裕度另加。第9章 容器设计基础四、内压封头的设计与选择12341. 封头的种类半球形封头椭圆形封头碟形封头无折边球形封头凸形封头封头平板封头封头第9章容器设计基础2. 封头的结构特性1）半球形封头：

10、半球形封头是半个球壳。从受力来看，球形封头是最理想的结构。但整体冲压，工作量大。第9章 容器设计基础2. 封头的结构特性2）碟形封头：由球面、过渡段及圆柱直三段组成。成型方便，但在三部分连接处，由于经线曲率发生突变，受力状况不佳。第9章 容器设计基础2. 封头的结构特性3）椭圆形封头：由半个椭球面和一圆柱直组成。由于椭圆部分经线曲率平滑连续，故封头中的应力分布比较均匀。结构特性介于半球形和碟形封头之间。第9章 容器设计基础2. 封头的结构特性4）无折边球形封头：由部分球面封头与圆筒直接连接。结构简单，方便，但在球面与圆筒连接处相当大的不连续应力。只能用于场合。不高的第9章 容器设计基础2. 封

11、头的结构特性5）锥形封头：有两种，一种是无折边锥形封头，另一种是与筒体连接处有一过圆弧和一圆柱直的折边锥形封头。对于气体的均匀进入和引出，不同直径圆筒的过渡是理想的结构，在厚度较，比较方便。123第9章 容器设计基础2. 封头的结构特性6）平板封头：是最简单，最容易的一种封头。但相同直径和的容器，平板封头厚度过大，材料耗费过多而且十分笨重。第9章 容器设计基础2. 封头的结构特性综上所述：n 从受力情况来看，半球形最好，椭圆形、碟形其次、锥形更次值、而平板最差。n 从角度来看，平板最容易，锥形其次，碟形、椭圆形更次值，而半球形最难。n 就使用而言，锥形有其特色。实际生产中，大多采用椭圆形封头，

12、常压或直径不大的高压容器常用平板封头，半球形封头力不高的用于低压，锥形封头用于压第9章 容器设计基础3. 封头的设计计算对于受均匀内压封头的强度计算，由于封头和圆筒形器身相连接，所以不仅需要考虑封头本身因内压引起的薄膜应力外，还要考虑与筒身连接处的不连续应力。连接处总应力的大小与封头的几何形状和，封头与筒身壁厚的比值大小有关。封头设计中采用了比较简单的，在导出基本公式时利用内压薄膜应力作为强度计算中的基本应力，而把因不连续效应产生的应力增强影响以应力增强系数的形式引入厚度计算。应力增强系数由正。矩理论导出，并辅以试验修第9章 容器设计基础3. 设计计算公式半球形封头1）半球形封头受均匀内压的半

13、球形封头的壁厚可用球形壳体的公式计算：pc Di4s t j - pd =c第9章 容器设计基础3. 设计计算公式椭圆形封头第9章 容器设计基础4.3设计计算公式椭圆形封头2）椭圆形封头由图可知封头中最大应力的位置和大小均随a/b的改变而改变，当a/b=1.02.6时容器标准采用下式近似代替该曲线1 éö2 ùæ DK =ê2 + çi ÷ ú6 êëè 2hiúûø<=第9章 容器设计基础Di/2hi2.62.52.42.32.22.12K1.46

14、1.371.291.211.141.071.003. 设计计算公式椭圆形封头n 椭圆形封头的设计厚度为与其相连的圆筒计算厚度的K倍，即：KpDd = scijt - p2cKpiDd =c我国容器标准计算公式为2 s jt-0 p.5cn 分母中的系数0.5是对理论计算精度的n GB150规定标准椭圆封头的有效厚度应不小于封头内直径的0.15%n 非标准椭圆封头的有效厚度应不小于0.3%。第9章 容器设计基础3.设计计算公式蝶形封头RirDi第9章 容器设计基础3.设计计算公式蝶形封头n 3）蝶形封头n 以前述曲线中实线为依据n 蝶形封头的形状系数：n 计算公式：M = 1 (3 +Ri)4r

15、Mpc Rid =2s t j - 0.5 pcn 对于标准蝶形封头（Ri=0.9Di , ri=0.17Di ）其封头有效厚度不小于封头内径的0.15%n 非标准蝶形封头有效厚度不小于0.3%第9章 容器设计基础3.设计计算公式锥形封头4）锥形封头n 无折边，无加强时pc Di2s t - p1cosad =cKc pc Di2s t - pn 无折边，有加强时d =c第9章 容器设计基础3.设计计算公式锥形封头 Kc p/st第9章 容器设计基础3.设计计算公式锥形封头（4）锥形封头是否需要加强通过下图第9章 容器设计基础3.设计计算公式锥形封头当锥形封头有折边当大于30度时，为力情况，常

16、采用折边封头锥体与筒体连接处的受Kps jtiDd =c-20p.5n 锥体大端过渡区的壁厚cfps jtDid =cn 与过渡区连接处的锥体厚度-20p.5c第9章 容器设计基础3.设计计算公式锥形封头第9章 容器设计基础r/Di3.设计计算公式平板封头5）平板封头圆形平板封头的计算以圆形平板的应力分析为基础的。对受横向均布 内压的圆板，其最大应力为周边固支（边缘）：±3 p(Rds=)2cmax4对于周边（中心）：3+ m= 3 ±(p ) Rs)2c(maxd8第9章 容器设计基础3.设计计算公式平板封头由于实际平板封头与圆筒体相连接，真实的支撑即不是固支也不是，式(

17、a)可用下式表示Dds=±Kp()2max根据强度条件，圆平板封头的设计厚度可按下式Kpcsjtd = Dc式中K为结构特征系数；Dc为封头的计算直径第9章 容器设计基础3.设计计算公式第9章 容器设计基础3.设计计算公式第9章 容器设计基础3.设计计算公式KzP对于非圆形平板封头d=cas t j且z2.5式中z为形状系数z = 3 .4 - 2 .4 æöabç÷èa, b 分别为非圆形平盖的短轴和长轴长度K为结构特征系数；Dc为封头的计算直径ø第9章 容器设计基础例1设计一台圆筒形受压容器。内径Di=1400mm，长度

18、l=3000mm，两端为标准椭圆形封头，筒体和封头材料均16MnR，腐蚀裕度取2mm，工作温度280，最高工作为16MPa。试确定筒体和封头的厚度。n 1.筒体的厚度n 为厚度设计，选用筒体的设计式n 设计参数的选取和计算1）pc = 1.1´1.6 = 1.76MPap Dd= ci2s t j -Cn1=>2）Di = 1400mm(250,156)3）s t, 假设钢板厚度616mm=>(280,?)s 300oC= 144MPa(300,144)s 250oC= 156MPa,s t = 156 - (156 -144) ´(280 - 250) = 1

19、48.8MPa(300 - 250)第9章 容器设计基础j = 0.851.76 ´1400=>4)双面对接焊，局部无损探伤n 计算厚度p Dd = 9.81mm ci2s t j - p2 ´148.8´ 0.85 -1.76cdd = d + C2 = 9.81+ 2 = 11.81mmn 设计厚度C1 = 0.8mm5)钢板在825mm=>n 名义厚度dddn+ C1 = 11.81+ 0.8 = 12.61mm= 14mm= 14mm,s t、C 无变化dn1第9章容器设计基础2. 封头的壁厚Kpc Didnn 封头计算公式n 标准封头，K=1

20、=2s t j - 0.5C2=>j = 0.85n 封头采用拼焊后冲压成型n 计算厚度1´1.76 ´1400d = 9.77mm2 ´148.8´ 0.85 - 0.5´1.76= 0.8mm= 14mmC1dn= 14mm,s t、C 无变化dn1第9章容器设计基础pT (Di + d )ss=£ 0.9t s3. 容器水压试验e2d jTep= 1.25 p s 1)试验计算公式s tTs = 170MPap=pc=1.76MPa=>=>170p= 1.25´1.76 ´= 2.52MPaT148.82) de = dn - C1 - C2 = 14 - 0.7 - 2 = 11.2mm3) s t= 345MPa=>s试验时的应力为pT (Di + de ) = 2.52 ´