内压薄壁壳体强度计算

1、无第三章、第三章、 3 31 1 内压薄壁壳体强度计算内压薄壁壳体强度计算目的要求：使学生掌握内压圆筒内压球形壳体的强度计算，以及各类厚度的相互关系。重点难点：掌握由第一强度理论推出的内压圆筒，内压球形壳体的强度计算公式。第三章第三章内压薄壁容皿内压薄壁容皿本章的任务就是在回转薄壁壳体应力分析的基础上， 推导出内压薄壁容皿强度计公式。本章的压力容皿设计计算公式，各种参数制造要求以及检验标准均与GB150-1998钢制压力容皿保持一致。第一节第一节压内薄壁壳体强度计算压内薄壁壳体强度计算一、内压圆筒为了保证圆筒受压后不破裂，根据第一强度理论应使筒体上最大应力，即环向应力2小于等于材料在设计温度下

2、的许用应力 t用公式表达：2 2tP D，其中 P-设计压力。1）中径0()2iDD此外还应考虑到，筒体在焊接的过程中，对焊金属组织的影响以及焊接缺陷（夹渣、气孔、未焊透等）影响缝焊的强度（使整本强度降低） ，所以将钢板的许用应力乘以一个小于 1 的焊接接头系数，以弥补焊接可能出现的强度削弱，故2 2tP D： 2tP D此外，工艺计算时通常以iD做为基本尺寸，故将iDD代入上式：则() 2tiP D可解出，同时根据 GB150-1998 规定，确定厚度时的压力用计算压力cp代替。最终内压薄壁圆筒体的计算厚度：2 CitCP DP 适用：0.4 tCP考虑到介质时皿壁的腐蚀，确定钢板厚度时，再

3、加上腐蚀裕量：2Cd圆筒的设计厚度无再考虑到钢板供货时的厚度偏差，将设计厚度加上厚度负偏差，再向上圆整三规格厚度，这样得到名义厚度。21dCC筒体强度计算公式，除了可以决定承压筒体所需的最小壁厚外，还可用该公式确定设计温度下圆筒的最大允许工作压力，对容皿进行强度校核；可以计算其设计温度下计算应力，判断指定压力下筒体的安全。例：设计温度下圆筒的最大允用工作压力由() 2tip D推导而来12()enCC2 teWiePD 设计温度下圆筒的计算应力：() 2ttcieeP D 采用计算压力cp及iD代替 D，并考虑焊接头系数的影响上式变形成：() 4tiP D 则设计温度下球壳的厚度计算：0.6

4、4 tcictcPDPP 范围:考虑腐蚀裕量，设计厚度：24 cidtcPDCP 再 考 虑 钢 板 厚 度 负 偏 差 C1， 再 向 上 图 整 得 到 钢 板 的 名 义 厚 度12nCC，同理，确定球壳的最大允许工作压力Pw，并对其强度进行校核。4 ()() twietttceePDP Di 最大允许工作压力设计温度下球壳计算应力对比内压薄壁球壳与图筒的壁厚公式：当前件相同时，球壳的壁厚约为圆筒无形壁厚的确 1/2，且球形的表面积也小，大多数大容容量储罐多采用球罐。三、容皿最小厚度：例：一容皿 Di=1000mm，P=0.1MPa，温度 150，材料为 Q235A，焊接接头系数0.85

5、，腐蚀裕量 C2=1mm，计算其壁厚：Q235A 查 P500.52 citcPDmmP 对于这类中， 低压容甲由强度公式求得的壁厚往往很薄， 刚度不足， 冷制造、运输、安装带来材板易交形的困难。按照 GB150-1998 规定，对于形成后不包括腐蚀裕量的最小厚度min规定如下：1碳素钢、低合金钢制容皿min3mm离合金钢制容皿min2mm2对标准椭圆封头（0.9 ;0.17iRD rD的碳形封头，其有效厚度Di0.15%） （封头）四、各类厚度间的相互关系下面对计算厚度，设计厚度d，有效厚度e，名义厚度n，形成厚度，毛坏厚度作用。第三章第三章第二节第二节设计参数的确定设计参数的确定目的要求：

6、使学生初步掌握压力参数、设计温度，许用应力 t，焊接接头系数，厚度附加量 C 的选取。重点难点：压力参数的选取以及各参数间的关系，许用应力的选取。第二节第二节设计参数的确定设计参数的确定由强度公式可看出，其公式内包含各种参数如：计算压力、设计压力、焊接接头系数高计算、选取按 GB1998钢制压力容皿一、确定压力参数：1、工作压力 Pw：在正常工作情况下， 容皿顶部可能达到的最高压力， 即也称为最高工作压力。2、计算压力 Pc：在相应设计温度下，计算壁厚用到压力，PcPP液（设计压力+液柱静压）无若当P液5%p，P液可以忽略不计。3、设计压力 P：容皿顶部最高的设定压力，其值不得低于工作压力：1

7、当容皿装有安全阀：ZPP（安全阀开启压力）(1.05 1.1)PzPw2容皿装有爆破片时，bPP（爆破压力）(1.15 1.3)bP 倍最高工作压力。二、温度（设计）t指容皿在正常工作情况下，在相应的设计压力下，设定的受压元件的金属温度。1对 0以上的，t 不得低于元件金属工作状态下可能达到最高温度；2对 0以下的，t 不得高于元件金属工作状态下可能达到最低温度；不可通过传热计算求得见表 3-33许用应力 t指容皿壳体、封失等受压元件的材料用强度，根据材料各项强度性能指标分别除以相应的标准中规定的安全系数确定。GB150 给出了钢板，钢管、锻以及螺栓材料在设计温度下的许用应力，当 t20取 2

8、0。四、焊接接头系数容皿都通过焊接制成，焊缝往往可能存在夹渣、气孔、裂纹等缺陷，使缝及其热影响区的强度受到削弱，为了补偿焊接时可能出现的缺陷对强度的影响，引入，焊缝金属强度母材金属强度反映焊缝材料削弱程度1对双面焊100%=1.0局部=0.852单面对接接头（沿焊缝全长有紧贴基本金属）a100%无损检验=0.9b局部无损检验=0.8五、厚度附加量 C确定容皿厚度时，不仅要依照强度计算公式得到，还要考虑钢材的厚度负偏差及腐蚀裕量，即引入厚度附加最 C：无C=C1+C2C1钢板在轧制过程中可能出现比实际厚度小的情况，平重影响其强度。C2由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄，需要考虑腐蚀余量。1Ct

9、 t预期的容皿使用寿命2对介质为压缩气、水蒸气或水的碳素钢或低合金钢2()Cmm，不锈钢腐蚀轻微 C2=0。腐蚀裕只对全面腐蚀有意义，对于局部腐蚀效果并不好。六、压力容皿的公称直径、公称压力为了便于设计和成批生产，增强零部件的互换性，降低生产成本，对化工设备及其零部件制定了系列标准，设计时可采用标准件，标准化的基本参数是公称直接径和公称压力。公称直径：用钢板卷制成的筒体，其公称直径近的等于内径，封失的公称直径与筒体一致。若 Di=970mm，应将其调整为最接近标准值的 1000mm，这样选用公称直径1000 的各种标准零部件。公称压力：把压力容皿所能承受的压力范围公成若干个标准压力等级，称公称

10、压力，以 PN表示，选用容皿时必须将操作温度下的最高操作压力调整为整一公称压力等级。例：3-1 设计压力 P=0.4MPa，设计温度 t=70，圆筒内径Di=1000mmm， H=3000mm， 盛装液体介质， 液柱静压力为 0.03MPa， 圆筒材料 16MnR。腐蚀余量 C2取 1.5mm，焊接接头系数0.85，试求该容皿的筒体厚度。1）根据设计压力 P 和液柱静压力 P液确定计算压力 PC。液柱静压力 0.03uPa，已大于设计压力的 5%所以应计入计算压力中。PC=P+P液=0.4+0.03=0.43MPa2）求计算厚度先假设筒体厚度为 616mm，查表 3-6 得设计温度为 70时许

11、用应力 170tMPa，得以上参数带入式（3-2）得筒体计算厚度为：1.492 tPcDimmPc 3）求设计厚度d22.99dCmm4）求名义厚度 S无查表 3-10 得钢板的厚度负偏差 C1=0.3mm，因而可双名义厚度4nmm，但对于低合金容皿规定不包括腐蚀裕量的最小厚度min不应小于 3mm， 若如上1.5mm 的腐蚀裕量，名义厚度至少取 5mm。根据钢板厚度标准规格，名义厚度n取 6mm5）检查：6, tnmm没有变化，故取名义厚度 6mm 合适。第三章第三章第三节内压封头结构和计算第三节内压封头结构和计算目的要求：使学生熟悉凸形封头，锥形封头和平盖结构，掌握凸形封头，锥形封头及平盖

12、的计算重点难点：1、凸形封头的结构特点、分类2、凸形封头的结构计算第三节第三节内压封头结构计算内压封头结构计算封头按结构形状可分为：凸形封头、锥形封头、平盖封头三类，本节着重介绍常用的这几种封头的结构和强度计算方法1、凸形封头常用的凸形封头有：半球有：半球形封头、椭圆形封头和碟形封头1、半球封头：其封头为半个球壳，其具有球壳所具有的优点（相同下，受力为筒体一半，相同受力下，壁厚最薄，容积表面积最小，最结省材料）但其制造最困难。一般对于中、小直径容皿很少用它，多用于高压容皿上。分析其受力：124PD其厚度（强度）计算公式也与球壳相同4 tPcDiPc 选用范围：0.6 tPc 2、椭圆封头：由半

13、个椭圆球面和高为 h 的短圆筒（直边）组成，直边段作用：避免筒体与封头间环向连接焊缝处出现边缘应力与热应力的叠加， 改善受力情况由于封头的椭球部分经线曲率变化非常平滑连续，故优点应力分部均匀，而且易于冲压形型。是目前中、低压各皿中应用较广的一种封头的受力：受内压的椭圆形封头最大原合应力max与椭圆封头的比值关有： （在椭圆顶点12( )2Pa ab无赤道处：12Pa2(2)2Paab）工程上对 a/b=1.02.6 的椭圆形封头，引入形状系数 K，由此得到封头受最大综合应力：max2KPD212() 62DiKhi式中 K椭圆形封头形状系数K 值可根据/2a bDihi按 P64表 3-18

14、查由第一强度理论：max t并考虑焊接系数： 2tKPD 由,DDiPcP推导出椭圆形封头厚度计2 0.5tKPcDiPc 注：椭圆封头的强度计算公式由 K 的化值推算出来，椭圆封头上最大应力圆筒体上最大应力=K，圆筒体上最大应力（=直径为原圆体 2 倍的球壳上最大应力2maxDSK椭球壳4 2 0.5ttKPcDiKPcDiPcPcPctKPcPi球=椭椭4 当选取/2a b 时，椭圆形封头是标准封头，此时22()162Dih1K=Di/2hi=2K=则标准椭圆形封头的厚度计算公式可表示：2 0.5tPcDiPc 与圆筒厚为：2 tPcDiPc 大致相等，考虑到受力情况用等厚钢板进行制造。椭

15、圆形封头的最大许用工作应力2 0.5tcPwKDic 3、碟形封头，又称带折边的球面封头，它由半径为 Ri的球面中的一部分，高度为 h 的短圆筒以及联接此二者的过渡环壳半径 r 三部分组成， （其几何形状上看，曲面不连续，所以应力分部不均匀但制造较容易，一定场合下代替椭圆形封头的使 用 ，一般 碟形 封头球 面部分 内半 径RiDi，封 头过渡 环壳 内半径10%,3rDir且）在建立其厚度公式时，引入形状系数 M，得到碟形无2 0.5tMPcRiPc 1(3)4RiMr值 M 的选取可 P65表 3-19碟形封头的最大允许工作应力2 0.5tcPwMRic （与标准封头比，碟形封头厚增加 3

16、3%，笨重不经济）例： 3-3， 为例 3-2 中储罐设计合适的凸形封头， 封头材料与筒体一致， 选 16MnR，Pc=2.5uPa，操作温度-544，内径 Di=1200mm，焊接封头系数0.85，许用应力 170tMPa腐蚀裕量21Cmm；解：分别算各类封头的强度和经济合理性进行比较1）半球球封头5.214 tPcDimmPc 则26.71dCmm查 表 3-10 得 钢 板 厚 度 负 偏 差 C1=0.618ndCmm 2）椭圆形封头（取标准椭圆封头 K=1）10.432 0.5tPcDimmPc 则210.4311.93dCmm查表3-10取C1=0.8mm114ndCmm 3）碟形

17、封头（取0.9RiDi0.17rDi1.33M 均）12.482 0.5tMPcRimmPc 则212.4813.98dCmm查表 3-10 取 C1=0.8mm116ndCmm 可知：半球形封头用材最小，但制造难，碟形封头比较浅，制造比较容易，但比半球形厚 厚 8mm，但封头与筒体厚度相差悬殊结果不合理，因此，从强度到结构和制造等方面考虑，以采用椭圆形封头理想。二、锥形封头：广泛地用低容皿的底盖，优点便于收集并剖除固体颗粒或结晶料液，避免洗淀堆积。锥形封头的有两种结构，当锥形半核角30o 选用无折边的结构：当30o 时采用带有边液段的折边结构。无大端折边的锥形封头的过液段的转角半径10%,3

18、rDir过且；对于小端45o 时采用无折边结构；45o 时，则采用带过液段的折边结构。根据第一强度理化maxPr 3tco考虑焊接接头系数影响：maxPr 3tco 用,PcP Dcr代(8) 23tPc Dcco由此可得设计温度下锥形封头计算厚度公式：12 3tPcDccPcco 考虑腐蚀裕量：2dccC考虑钢板厚度负偏差1ncdcC三平盖平盖是容皿和设备中结构最简单的一种封头，常用在常压小直径的设备上，平盖总处于爱弯曲应力的小利状态，当条件相同时，平盖的厚度总比各种凸形封头和锥形封头的厚度大得多。平盖的模型：圆形、椭圆形、长圆形、矩形等。分析其受力：在工程计算中，一般采用平板理论的经验公式

19、，引入结构特征系数 K，平盖周边支撑情况2max()DKP根据强度理论，并考虑焊接接头系数可得圆形平盖厚度公式： tKPcpDc 对于 K 值可见 P73 表 3-22 中查取例：选 3-2 储罐用圆形平盖，试求其厚度已知2.5/PcPc a1200Dimm材料 16MAR，操低温为-544，腐蚀余量取21.5 , 170tCmMPa无解：查表 3-22 中序号为 2 的圆形平盖，其结构特征系数 K=0.27，采用整块钢制造1，按式子（3-27）计算平盖的厚度0.272.5120075.6 170 1tKPcpDcmm考虑腐蚀裕量21.5Cmm，查表得钢板厚度反偏差11.8Cmm1275.6

20、1.5 1.880ppCCmm 可以看出平盖的厚度一般远远大于筒体的厚度， 平盖一般只宜用于常压或压力很低的压力容皿。第三章第三章第四节第四节压力试验压力试验目的要求：使学生了解什么是液压试验，气压试验以及气密性试验，这些试验的目的是什么，各用于什么场合。重要难点：各种压力试验的试验过程以及试验压力的确定。第四节第四节压力试验压力试验按强度，刚度设计算确定出各壁厚度，由于材质、钢板卷弯，焊接及安装加工制造过程的不完善，导致容皿不安全，有可能在规定的工作压力下出现过大度形或焊缝有渗漏现象。因此，容皿在制成或检修后还需进行压力试验或增加气密性试验。压力试验的目的：在超设计压力下，检查容皿的强度以及

21、密封结构和焊缝有无泄漏等。气密性试验的目的： 是对密封性要求高的重要容皿在强度试验合格后进行的泄露检查，压力试验和气密性试验均是打压试验。分为液压试验和气压试验：1对于不适合进行液压试验的容皿内不允许有微量列留液体， 由于结构原因不能充满液体的容皿，如高塔，液压的液体重力可能超过基础承受能力等，均采取气压试验。2其余都采取液压试验一、液压试验：定义：将液体注满容皿后，再用泵打压增至试验压力，来检验容皿的强度和致密性。如图，试验用两个程量相同的表且试 2P浅P压表量程1试验介质要求：无通常用清水，特殊要求时采用无危险液体其温度低于闪点或沸点温度。当奥氏体不锈钢：25/dmg L含量碳素钢、16MnR 等容皿：液体不低于 52试验过程：1容皿顶部设有排气口，以便排尽空气充满液体2压力应缓慢上升，达到试验压力后，保压时间30min，降压时先降 80%，并对所有焊接接头和连接部位检查。有渗漏、依标记、卸压后修补，重新试验。3对夹套容皿，先进行内筒液压试验，合格后再焊夹套，对夹套内进行液压试验。4液压试验完毕，排尽液体并用压缩空气将内部吹干。3、试验压力的确定：试验压力是：进行压力试验时规定容皿应达到的压力，该值反映在容皿顶部的压力表上。 P1.25 ttPP设计压力 材料在试验温度下的许用应力 t材料在设计温度下的许用应力注意事项：1若容皿铬牌上规定有最大允用工作压力时， 公