内压薄壁圆筒和球壳的强度设计

1、1第九章第九章 内压薄壁圆筒和球壳设计内压薄壁圆筒和球壳设计教学重点：教学重点： 内压薄壁圆筒的厚度计算内压薄壁圆筒的厚度计算 教学难点：教学难点： 厚度的概念和设计参数的确定厚度的概念和设计参数的确定2 根据给定的内直径、设计压力、设计温度以及介根据给定的内直径、设计压力、设计温度以及介质腐蚀性等工艺条件，设计计算出合适的容器厚度，质腐蚀性等工艺条件，设计计算出合适的容器厚度，以保证新设备能在规定的使用寿命内安全可靠地运以保证新设备能在规定的使用寿命内安全可靠地运行。行。第一节第一节 概述概述一、压力容器工艺设计的任务：一、压力容器工艺设计的任务： 根据工艺的要求确定其内直径，设计压力、设计

2、根据工艺的要求确定其内直径，设计压力、设计温度、处理的介质等工艺指标。温度、处理的介质等工艺指标。二、压力容器强度设计的任务：二、压力容器强度设计的任务：3压力容器强度计算的内容：压力容器强度计算的内容：确定容器的设计参数（确定容器的设计参数（ P，T, ，、D等）。等）。选择设计所使用的材料。选择设计所使用的材料。确定容器的结构型式。确定容器的结构型式。计算筒体与封头厚度。计算筒体与封头厚度。选取容器的标准件；绘制设备图纸。选取容器的标准件；绘制设备图纸。4根据薄膜理论进行应力分析，确定薄膜应力状态下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的主应力根据弹性失效的设计准则，应用强度

3、理论确定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响，按壳体中的应力状况在公式中引进应力增强系数数根据应力强度判据，考虑腐蚀等实际因素导出具体根据应力强度判据，考虑腐蚀等实际因素导出具体的计算公式。的计算公式。三、内压薄壁圆筒与封头的强度设计公式推导过程三、内压薄壁圆筒与封头的强度设计公式推导过程5 容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点，容器即告失效点，容器即告失效( (失去正常的

4、工作能力失去正常的工作能力) )，也就是说，容，也就是说，容器的每一部分必须处于弹性变形范围内。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。屈服点。 四、关于弹性失效的设计准则四、关于弹性失效的设计准则1、弹性失效理论、弹性失效理论s 当当6为了保证结构安全可靠地工作，必须留有一定的安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，即力之间满足一定的关系，即 n0当= 0当n 相当应力，相当

5、应力，MPa，可由强度理论确定可由强度理论确定 极限应力，极限应力，MPa，可由简单拉伸试验确定可由简单拉伸试验确定 安全裕度安全裕度 许用应力许用应力, ,MPa2、强度安全条件、强度安全条件7 42pDm 21pD 03r径向应力径向应力五、强度理论及其相应的强度条件五、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、薄壁压力容器的应力状态图图9-1 应力状态应力状态8第一强度理论第一强度理论（最大主应力理论）（最大主应力理论）第三强度理论第三强度理论（最大剪应力理论）（最大剪应力理论） 21pDI当强度条件强度条件 2pDI当 231pDIII当强度条件强度条件 2pDIII当适用

6、于适用于脆性材料脆性材料适用于适用于塑性材料塑性材料2、常用强度理论、常用强度理论9第四强度理论第四强度理论（能量理论）（能量理论）2.3 21)()()(21212221213232221pDIV当强度条件强度条件 3 . 2pDIV当适用于适用于塑性材料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。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采用第三强度理论采用第三强度理论.10 2pDIII当 tpD2iDD考虑实际情况，考虑实际情况，引入引入

7、 ,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11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

8、结果相差不大tcp 4 . 012421pD 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、内压球形壳体13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

9、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14表表 9-1 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出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两者两者中的较小值，当没有安全控制装置时，取中的较小值，当没有安全控制装置时，取0.1Mp

10、a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（设置在地根据容器的充装系数和可能达到的最高温度确定（设置在地面的容器可按不低于面的容器可按不低于40，如，如50 、60 时的气体压力考时的气体压力考虑）虑）装有液化气体的容器装有液化气体的容器4根据介质特性、气相容积、爆炸前的瞬时压力、防爆膜的破根据介质特性、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（通常可取坏压力及排放面积等因素考虑（通常可取p1.151.3pw）容器内有爆炸性介质，容器内有爆炸

11、性介质，装有防爆膜时装有防爆膜时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单个容器不要装安全单个容器不要装安全泄放装置泄放装置2取不小于安全阀的初始起跳压力，通常取取不小于安全阀的初始起跳压力，通常取p1.051.1pw容器上装有安全阀时容器上装有安全阀时1设计压力（设计压力（P）取值）取值类型类型15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

12、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16 nt0（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极限应力可以是极限应力可以是tntDttssb、)()(2 . 02 . 0许用应力是以材料的各项强度数许用应力是以材料的各项强度数据为依据，合理选择安全系数据为依据，合理选择安全系数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17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=minDtDntn

13、sttsnnn,2 . 0 18（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，碳钢和低合金钢常温下，碳钢和低合金钢6 . 1 0 . 3sbnn，表表 9-2钢材的安全系数钢材的安全系数19焊缝区的强度主要取决于熔焊金属、焊缝结构和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

14、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9-6 焊接接头系数焊接接头系数20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9-10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

15、而导致厚度削弱减薄，应考虑腐蚀裕量。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C21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9-4 常用钢板厚度常用钢板厚度2.03.04.0(5.0) 6.08.0101214161820222528303234363840424650556065707580859095100105110115120125130140150160165170180185190195200 注：5mm为不锈钢常用厚度。22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厚度有效厚

16、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9-2 壁厚的概念壁厚的概念23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 碳素钢、低

17、合金钢制塔式容器碳素钢、低合金钢制塔式容器min, maxiD100024mm；不锈钢制塔式容器不锈钢制塔式容器, minmaxiD100023mm. 24在于在于检验容器的宏观强度检验容器的宏观强度和和有无渗漏现象有无渗漏现象，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25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大于大于1.8时，按

18、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p262.压力试验的试验要求与试验方法压力试验的试验要求与试验方法液压试验方法步骤液压试验方法步骤 将容器充满液体（在容器最高点设排气口），待容器壁温与液体温度相同时缓慢升压到规定试验压力后，保证时间一般不小于30min，然后将压力降到规定

19、试验压力的80%，并保持足够长时间以对所有焊缝和连接部位进行检查，如有泄露，修补后重新试验。 （1）一般采用洁净水进行试验。对于不锈钢制造的容器用水进行试验时，应限制水中氯离子含量不超过25mg/kg，以防氯离子腐蚀。 27（2）采用石油蒸馏产品进行液压试验时，试验温度应低于石油产品的闪点或沸点。（3）试验温度应低于液体沸点温度，对新钢种的试验应高于材料无塑性转变温度。 （4）碳素钢、16MnR和正火的15MnVR钢制容器液压试验时，液体温度不得低于5，其它低合金钢制容器（不包括低温容器）液压试验时，液体温度不低于15 。如果由于板厚等因素造成材料无塑性转变温度升高，还要相应地提高试验液体温度

20、。（5）液压试验完毕后，应将液体排尽并用压缩空气将内部吹干。28v 对不适合作液压试验的容器，例如容器内部不允许有微量残留液体，或由于结构原因不能充满液体的容器，可采用气压试验。所用气体应为干燥、洁净的空气，氮气或其它惰性气体，试验气体温度一般应不低于15。 步骤：（1）缓慢升高到规定试验压力的10%，且不超过0.05MPa，保持5min，然后对所有的焊缝和连接部位进行多次检验；（2）合格后继续升压到规定试验压力的50%，其后按每级为规定试验压力的10%的级差逐渐升压到试验压力，保持10min后，然后再降到试验压力的87%，保持足够时间并同时进行检查，如有泄露，修补后再按上述规定重新试验。气压

21、试验方法步骤气压试验方法步骤29 容器须经液压试验合格后，方可进行气密试验。步骤： 先缓慢升压至试验压力保持10min，然后降至设计压力，同时进行检查，气体温度应不低于5。 注意： 容器作为定期检验时，若容器内有残留易燃气体存在会导致爆炸时，则不得使用空气作为试验介质。 气密试验气密试验 30eeiTTDp2)()(9 . 02)(2 . 0seeiTTDp液压试验液压试验气压试验气压试验)(8 . 02)(2 . 0seeiTTDp3、压力试验的应力校核、压力试验的应力校核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31五、五、 例题例题【例例9-1】：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