第九、十章 内压薄壁圆筒与封头的设计

1、1 2pDIII当 tpD2iDD考虑实际情况，考虑实际情况，引入引入pc等参数等参数 cticpDp2 22CpDpcticd考虑介质考虑介质腐蚀性腐蚀性考虑钢板厚度考虑钢板厚度负偏差并圆整负偏差并圆整n第一节第一节 内压薄壁圆筒壳体与球壳设计概述内压薄壁圆筒壳体与球壳设计概述一、强度设计公式一、强度设计公式1、内压薄壁圆筒、内压薄壁圆筒2 2pDIII当 tpD2iDD考虑实际情况，考虑实际情况，引入引入pc等参数等参数 cticpDp2 22CpDpcticd考虑介质考虑介质腐蚀性腐蚀性考虑钢板厚度考虑钢板厚度负偏差并圆整负偏差并圆整n第二节第二节 内压薄壁圆筒壳体与球壳的强度设计内压薄

2、壁圆筒壳体与球壳的强度设计一、强度设计公式一、强度设计公式1、内压薄壁圆筒、内压薄壁圆筒3强度校核公式强度校核公式最大允许工作压力计算公式最大允许工作压力计算公式 eietnintwDCDCp22 2)(teeictDp1、当筒体采用无缝钢管时，应将式中的、当筒体采用无缝钢管时，应将式中的Di换为换为D02、以上公式的适用范围为、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、用第四强度理论计算结果相差不大tcp 4 . 04421pD cticpDp4 24CpDpcticd 4)(teeictDp eietwDp4公式的适用范围为公式的适用范围为tcp 6 . 02、内压球形壳体、

3、内压球形壳体5工作压力工作压力 指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。最高压力。 设计压力设计压力 指设定的容器顶部的最高压力，它与相应设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，其值不低于计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。工作压力。 计算压力计算压力 指在相应设计温度下，用以确定壳体各部位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。厚度的压力，其中包括液柱静压力。 计算压力计算压力pc=设计压力设计压力p+液柱静压力液柱静压力 二、设计参数的确定二、设计参数的确定1、压力、压力6表

4、表4-1 设计压力与计算压力的取值范围设计压力与计算压力的取值范围计算带夹套部分的容器时，应考虑在正常操作情况下可能计算带夹套部分的容器时，应考虑在正常操作情况下可能出现的内外压差出现的内外压差夹套容器夹套容器7当有安全阀控制时，取当有安全阀控制时，取1.25倍的内外最大压差与倍的内外最大压差与0.1Mpa两两者中的较小值，当没有安全控制装置时，取者中的较小值，当没有安全控制装置时，取0.1Mpa真空容器真空容器6取不小于在正常操作情况下可能产生的内外最大压差取不小于在正常操作情况下可能产生的内外最大压差外压容器外压容器5根据容器的充装系数和可能达到的最高温度确定（设置在根据容器的充装系数和可

5、能达到的最高温度确定（设置在地面的容器可按不低于地面的容器可按不低于40，如，如50 、60 时的气体压时的气体压力考虑）力考虑）装有液化气体的容装有液化气体的容器器4根据介质特性、气相容积、爆炸前的瞬时压力、防爆膜的根据介质特性、气相容积、爆炸前的瞬时压力、防爆膜的破坏压力及排放面积等因素考虑（通常可取破坏压力及排放面积等因素考虑（通常可取1.151.3pw）容器内有爆炸性介容器内有爆炸性介质，装有防爆膜时质，装有防爆膜时3取等于或略高于最高工作压力，通常取取等于或略高于最高工作压力，通常取p1.01.1pw单个容器不要装安单个容器不要装安全泄放装置全泄放装置2取不小于安全阀的初始起跳压力，

6、通常取取不小于安全阀的初始起跳压力，通常取p1.051.1pw容器上装有安全阀容器上装有安全阀时时1设计压力（设计压力（P）取值）取值类型类型7指容器在正常工作情况下，在相应的设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）。元件金属截面厚度的温度平均值）。设计温度是设计温度是选择材料选择材料和和确定许用应力确定许用应力时时不可少的参数。不可少的参数。 2、设计温度、设计温度8nt0（1）极限应力）极限应力极限应力的选取与结构的使极限应力的选取与结构的使用条件和失效准则有关用条件和失效准则有关0极限应力可以是

7、极限应力可以是tntDttssb、)()(2 . 02 . 0许用应力是以材料的各项强许用应力是以材料的各项强度数据为依据，合理选择安度数据为依据，合理选择安全系数全系数n n得出的。得出的。3、许用应力和安全系数、许用应力和安全系数9常温容器常温容器 中温容器中温容器 高温容器高温容器 =minbbn,ssn2 . 0 t=minsttsbtbnn2 . 0, t=minDtDntnsttsnnn,2 . 0 10（2）安全系数）安全系数安全系数是一个不断发展变化的参数。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。随着科技发展，安全系数将逐渐变小。 常温下，碳钢和低合

8、金钢常温下，碳钢和低合金钢6 . 1 0 . 3sbnn，表表4-2 钢材的安全系数钢材的安全系数1.01.51.53.0高合金钢高合金钢1.01.51.63.0碳钢素、低合金钢碳钢素、低合金钢设计温度经下经设计温度经下经10万万小时蠕变率为小时蠕变率为1%的蠕的蠕变极限变极限设计温度下经设计温度下经10万万小时断裂的持久强小时断裂的持久强度的平均值度的平均值常温或设计温度下常温或设计温度下的屈服点的屈服点 ( )或或常温下最低抗拉强常温下最低抗拉强度度nnnDnsnb材料材料安全系数安全系数s 2 . 0 ts )(2 . 0t tD tn b 11焊缝区的强度主要取决于熔焊金属、焊缝结构和

9、施焊缝区的强度主要取决于熔焊金属、焊缝结构和施焊质量。焊质量。焊接接头系数的大小决定于焊接接头的型式和无损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。检测的长度比率。焊接接头系数焊接接头系数是焊接削弱而降低设计许用应力的是焊接削弱而降低设计许用应力的系数。系数。4、焊接接头系数、焊接接头系数表表4-3 焊接接头系数焊接接头系数焊接接头结构焊接接头结构示意图示意图焊接接头系数焊接接头系数100%无损检无损检测测局部无损检测局部无损检测双面焊的对接接头和相当于双双面焊的对接接头和相当于双面焊的全焊透的对接接头面焊的全焊透的对接接头1.00.85单面焊的对接接头（沿焊缝根单面焊的对接

10、接头（沿焊缝根部全长有紧贴基本金属垫板）部全长有紧贴基本金属垫板）0.90.812满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚度，满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚度，包括钢板负偏差包括钢板负偏差( (或钢管负偏差或钢管负偏差) ) C1、腐蚀裕量、腐蚀裕量 C2 即即 C C1十十 C21 1、按表按表4-9选取选取2、当钢材的厚度负偏差不大于、当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名且不超过名义厚度的义厚度的6%时，负偏差可以忽略不计。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，应考虑腐蚀裕而导致厚度削弱减薄，应考

11、虑腐蚀裕量。量。C1 钢板厚度负偏差钢板厚度负偏差 C2 腐蚀裕量腐蚀裕量 5、厚度附加量、厚度附加量C13标准化问题标准化问题6、直径系列与钢板厚度、直径系列与钢板厚度表表4-4 常用钢板厚度常用钢板厚度2.02.53.03.54.04.5(5.0)6.07.08.09.010111214161820222528303234363840424650556065707580859095100105110115 120125130140150160165170180185190195200 注：5mm为不锈钢常用厚度。14计算厚度计算厚度 d n 2C设计厚度设计厚度1C圆整值圆整值名义厚度名义

12、厚度有效厚度有效厚度e 21CCC 毛坯厚度毛坯厚度加工减薄量加工减薄量三、容器的厚度和最小厚度三、容器的厚度和最小厚度图图4-2 壁厚的概念壁厚的概念15设计压力较低的容器计算厚度很薄。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。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。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：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，不小于对高合金钢制容器，不小于2mmmin2、最小厚度、最小厚度 c

13、碳素钢、低合金钢制塔式容器碳素钢、低合金钢制塔式容器min maxiD10002, 4mm；不锈钢制塔式容器不锈钢制塔式容器minmaxiD10002, 3mm. 16在于检验容器的宏观强度和有无渗漏现象，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，以确保设备的安全即考察容器的密封性，以确保设备的安全运行。运行。目的目的液压试验液压试验气压试验气压试验气密性试验气密性试验压力试验的种类压力试验的种类四、压力试验与强度校核四、压力试验与强度校核17液压试验液压试验气压试验气压试验内压容器试验压力内压容器试验压力tTpp25. 1tTpp15. 11、试验压力、试验压力 / t大于大

14、于1.8时，按时，按1.8计算；计算；如果容器各元件如果容器各元件(圆筒、封头、圆筒、封头、接管、法兰及紧固件等接管、法兰及紧固件等)所用材料不同时，应取各元件材料的比所用材料不同时，应取各元件材料的比值中最小者。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许工作压力代替设计压力p18eeiTTDp2)()(9 . 02)(2 . 0seeiTTDp液压试验液压试验气压试验气压试验)(8 . 02)(2 . 0seeiTTDp2、压力试验的应力校核、压力试验的应力校核3.压力试验的试验要求与试验方法（

15、自学）压力试验的试验要求与试验方法（自学）圆筒壁在试验压圆筒壁在试验压力下的计算应力力下的计算应力19五、五、 例题例题【例例4-1】：某化工厂欲设计一台石油气分离用乙烯精馏塔。：某化工厂欲设计一台石油气分离用乙烯精馏塔。工艺参数为工艺参数为: :塔体内径塔体内径 ；计算压力；计算压力 ；工作温度工作温度t t-3-3-20-20。试选择塔体材料并确定塔体厚度。试选择塔体材料并确定塔体厚度。mmDi600 MPapc2 . 2 由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在-3-3-20-20，压力为中压，故，压力为中压，故选用选用16MnR16MnR。（2 2）确定参数）确

16、定参数mmC0 . 1 2 MPapc2 . 2 mmDi600 MPat170 ( (附表附表9-1)9-1)； 0.8 ( (采用带垫板的单面焊对接接头采用带垫板的单面焊对接接头, ,局部无损检测局部无损检测)()(表表4-8)4-8)；取取,解：解： （1 1）选材）选材 20 )(9 . 42 . 28 . 017026002 . 22mmpDptic mmC25. 01 （3 3）厚度计算）厚度计算计算厚度计算厚度设计厚度设计厚度)(9 . 50 . 19 . 42mmCd 根据根据mmd9 . 5 , ,查表查表4-94-9得得名义厚度名义厚度圆整量圆整量圆整量圆整量圆整量圆整量

17、15. 625. 09 . 51Cdn 圆整后圆整后, ,取名义厚度为取名义厚度为 。mmn7 复验复验mmmmn25. 042. 0%67%6 , ,故最后取故最后取 。mmC25. 01 该塔体可用该塔体可用7mm7mm厚的厚的16MnR16MnR钢板制作钢板制作 。21（4 4）校核水压试验强度）校核水压试验强度)(9 .14475. 52)75. 5600(75. 2MPaT seeiTTDp9 . 02)(式中，式中，)(75. 22 . 225. 125. 1MPappT )2 . 2; 1/ ,200(MPapptct)(75. 525. 17mmCne 则则而而)(4 .248

18、3458 . 09 . 09 . 0MPas 可见可见sT 9 . 0 ，所以水压试验强度足够。，所以水压试验强度足够。22容器封头容器封头（端盖）（端盖）凸形封头凸形封头锥形封头锥形封头平板封头平板封头半球形封头半球形封头椭圆形封头椭圆形封头碟形封头碟形封头球冠形封头球冠形封头第三节第三节 内压圆筒封头的设计内压圆筒封头的设计23一、半球形封头一、半球形封头半球形封头是由半个半球形封头是由半个球壳构成的，它的计球壳构成的，它的计算壁厚公式与球壳相算壁厚公式与球壳相同同 cticpDp4 图图4-3 半球形封头半球形封头24椭圆形封头是由长短半轴分别为椭圆形封头是由长短半轴分别为a a和和b

19、b的半椭球和高的半椭球和高度为度为h h。的短圆筒的短圆筒( (通称为直边通称为直边) )两部分所构成。直两部分所构成。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。封头间的环向焊缝受边缘应力作用。 mm 5 . 02cticpDKp图图4-4 椭圆形封头椭圆形封头二、二、 椭圆形封头椭圆形封头25椭圆形封头椭圆形封头26结论：当椭球壳的长短半轴结论：当椭球壳的长短半轴 a/b2时，椭球壳赤道上出现很时，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，从而引入形状系数系数K。（。（也称应力增加系数）也