内压薄壁圆筒与封头的强设计PPT教案

1、内压薄壁圆筒与封头的强设计内压薄壁圆筒与封头的强设计一、关于弹性失效的设计准则一、关于弹性失效的设计准则n0当第1页/共41页内压薄壁容器的主应力：内压薄壁容器的主应力：SpD21SpD4m203第2页/共41页2ISpD当2.2.第三强度理论的强度条件第三强度理论的强度条件20-2-31IIISpDSpD当3.3.第四强度理论的强度条件第四强度理论的强度条件2.3SpD)()()(21212221213232221IV当【备注备注】压力容器都是采用塑性材料制造的，但是由于历史原压力容器都是采用塑性材料制造的，但是由于历史原因我国压力容器设计采用因我国压力容器设计采用第一强度理论第一强度理论。

2、 采用第一和第三强度理采用第一和第三强度理论，薄壁容器的强度条论，薄壁容器的强度条件形式上是一样的！件形式上是一样的！第3页/共41页2ISpD当一、强度计算公式一、强度计算公式1.1.圆筒强度计算公式的推导圆筒强度计算公式的推导t 2SpD平均直径平均直径D换算为圆筒内径（换算为圆筒内径（D=Di+S），压力换为计算压力），压力换为计算压力pc，考虑焊接制造因素，考虑焊接制造因素 计算壁厚公式计算壁厚公式考虑腐蚀裕量考虑腐蚀裕量C C2 2，得到圆筒的设计壁厚，得到圆筒的设计壁厚 设计壁厚公式设计壁厚公式ccpDpS-2tic2tidC-2SccpDp1.1 1.1 钢板卷制筒体（内径钢板卷

3、制筒体（内径D Di i为基准）为基准）第4页/共41页计算壁厚公式计算壁厚公式设计壁厚公式设计壁厚公式ccpDpStoc22todC2SccpDp1.2 1.2 无缝钢管作筒体（外径无缝钢管作筒体（外径D DO O为基准）为基准）设计壁厚加上钢板厚度负偏差设计壁厚加上钢板厚度负偏差C C1 1，再根据钢板标准规格向上圆，再根据钢板标准规格向上圆整确定选用钢板的厚度，即名义壁厚（整确定选用钢板的厚度，即名义壁厚（S Sn n），即为图纸上标注），即为图纸上标注厚度。厚度。第5页/共41页2.22.2已有设备确定最大允许工作压力已有设备确定最大允许工作压力2.12.1已有设备强度校核已有设备强度

4、校核 eietwSS2pDteei2SSDpctteeo2SSDpct外径为基准外径为基准内径为基准内径为基准eoetwSS2pD外径为基准外径为基准内径为基准内径为基准第6页/共41页3.23.2校核计算公式校核计算公式3.13.1厚度计算公式厚度计算公式 设计壁厚设计壁厚计算壁厚计算壁厚确定最大允许工作压力确定最大允许工作压力已有设备强度校核已有设备强度校核ccpDpS-4tic2tidC-4SccpDpteei4SSDpcteietwSS4pD第7页/共41页Pc计算压力，计算压力，MPa；Di筒体内径，筒体内径，mm； Do筒体外径，筒体外径，mm；Sc筒体的计算壁厚，筒体的计算壁厚，

5、mm；Sd筒体的设计壁厚，筒体的设计壁厚，mm，Sd=Sc + C2；Sn筒体的名义壁厚，筒体的名义壁厚，mm。Sn=Sd+C1+=Sc+C1+C2+，-圆整圆整量量Se筒体的有效壁厚，筒体的有效壁厚，mm，Se=Sn-C；t筒体材料在设计温度下的许用应力，筒体材料在设计温度下的许用应力，MPa； 焊缝系数；焊缝系数；C2腐蚀裕量，腐蚀裕量，mm； C1钢板厚度负偏差，钢板厚度负偏差，mm； C壁厚附加量，壁厚附加量，mm，C = C1 + C2。 第8页/共41页【声明声明】压力均指表压压力均指表压1.1最高工作压力最高工作压力pw正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。正常工作情况下，

6、容器顶部可能达到的最高压力。1.2设计压力设计压力p是指在相应设计温度下用以确定容器壳体厚度及其元件尺寸是指在相应设计温度下用以确定容器壳体厚度及其元件尺寸的压力，亦即标注在铭牌上的容器设计压力，其值不得小于的压力，亦即标注在铭牌上的容器设计压力，其值不得小于最高工作压力。最高工作压力。1.3计算压力计算压力pc在相应的设计温度下用以确定元件厚度的压力，在相应的设计温度下用以确定元件厚度的压力，包括液柱静包括液柱静压力，当液柱静压力小于压力，当液柱静压力小于5设计压力时可忽略不计。设计压力时可忽略不计。【注意注意】一个设备只有一个设计压力，却可能有多个计算压一个设备只有一个设计压力，却可能有多

7、个计算压力力第9页/共41页第10页/共41页设计温度是指容器正常工作情况下，设定的设计温度是指容器正常工作情况下，设定的元件金属温度元件金属温度（元（元件沿截面厚度的温度平均值）。设计温度是选择材料及确定材件沿截面厚度的温度平均值）。设计温度是选择材料及确定材料许用应力时的一个基本设计参数，按表中的料许用应力时的一个基本设计参数，按表中的I I或或IIII进行选取。进行选取。 【注意注意】温度对材料性能的影响：温度对材料性能的影响：温度超过温度超过1515时，温度越高，材料强度下降得越厉害时，温度越高，材料强度下降得越厉害温度不超过温度不超过1515时，温度越低，材料越容易产生脆断时，温度越

8、低，材料越容易产生脆断设计温度必须在材料允许的使用温度范围内，可在设计温度必须在材料允许的使用温度范围内，可在-196-196钢钢材的蠕变温度内确定。材的蠕变温度内确定。具体材料的使用温度范围见表具体材料的使用温度范围见表9-3.第11页/共41页3.13.1极限应力的取法极限应力的取法压力容器设计中用屈服点压力容器设计中用屈服点s、抗拉强度、抗拉强度b作为计算许用应力作为计算许用应力的极限应力的极限应力（保证不发生塑性变形和断裂）（保证不发生塑性变形和断裂） 安全系数(n)极限应力(0tbbssnnmin，常温容器常温容器btbststnnmin，中温容器中温容器ntnDtDststnnnm

9、in，高温容器高温容器第12页/共41页3.23.2安全系数安全系数安全系数的影响因素：安全系数的影响因素：计算方法的准确性、可靠性和受力分析的的精确程度；计算方法的准确性、可靠性和受力分析的的精确程度；材料的质量和制造的技术水平；材料的质量和制造的技术水平； 容器的工作条件以及容器在生产中的重要性和危险性。容器的工作条件以及容器在生产中的重要性和危险性。3.33.3许用应力许用应力对常见材料，有关技术部门已根据相关原则计算出其许用对常见材料，有关技术部门已根据相关原则计算出其许用应力，可以根据选用材料的种类、牌号、尺寸规格及设计应力，可以根据选用材料的种类、牌号、尺寸规格及设计温度查表温度查

10、表9-4获得获得第13页/共41页焊缝区强度降低的原因焊缝区强度降低的原因：焊接焊缝时可能出现缺陷而未被发现；焊接焊缝时可能出现缺陷而未被发现；焊接热影响区往往形成粗大晶粒区而使强度和塑性降低；焊接热影响区往往形成粗大晶粒区而使强度和塑性降低；结构性约束造成焊接内应力过大等。结构性约束造成焊接内应力过大等。焊缝系数的影响因素焊缝系数的影响因素焊接接头的型式焊接接头的型式和和无损检测的比例无损检测的比例。双面焊或相当于双面焊的全焊透结构对接接头：双面焊或相当于双面焊的全焊透结构对接接头：100100探伤探伤 =1.0=1.0；局部探伤；局部探伤 =0.85=0.85。单面焊的对接接头：单面焊的对

11、接接头：100100探伤探伤 =0.9=0.9；局部探伤；局部探伤 =0.8=0.8。 第14页/共41页包括钢板或钢管厚度的负偏差包括钢板或钢管厚度的负偏差C Cl l和腐蚀裕量和腐蚀裕量C C2 2，即，即 C = CC = Cl l + C + C2 2钢板和钢管厚度的负偏差钢板和钢管厚度的负偏差C C1 1钢板和钢管的厚度负偏差，按相应的钢板或钢管标准选取，应钢板和钢管的厚度负偏差，按相应的钢板或钢管标准选取，应按名义厚度按名义厚度SnSn选取（表选取（表9-109-10）。）。对压力容器专用钢板厚度负偏差统一取对压力容器专用钢板厚度负偏差统一取C C1 1=0.25mm=0.25mm

12、（钢号以（钢号以R R结结尾）尾）【注注】GB713-2008GB713-2008锅炉和压力容器用钢板锅炉和压力容器用钢板中统一取中统一取C C1 1=0.30mm=0.30mm其余按相应的标准规定选取；其余按相应的标准规定选取；当当C C1 10.25mm0.25mm且不超过名义厚度的且不超过名义厚度的6%6%时可取时可取C C1 1=0=0第15页/共41页腐蚀裕量腐蚀裕量C C2 2腐蚀裕量由介质对金属材料的腐蚀速度与容器的设计寿命腐蚀裕量由介质对金属材料的腐蚀速度与容器的设计寿命决定。决定。C2=KaBKa为腐蚀速率为腐蚀速率(mm/a)，可由材料腐蚀手册查取或由试验确，可由材料腐蚀手

13、册查取或由试验确定。定。B为容器设计寿命，对塔、反应器等主要设备一般不应少于为容器设计寿命，对塔、反应器等主要设备一般不应少于15a，一般容器、换热器不少于，一般容器、换热器不少于8a。容器的各元件受到的腐蚀程度不同时，可取不同的腐蚀裕容器的各元件受到的腐蚀程度不同时，可取不同的腐蚀裕量。量。当材料的腐蚀速率为当材料的腐蚀速率为0.050.1mm/a时，单面腐蚀取时，单面腐蚀取C2=1mm，双面腐蚀取双面腐蚀取C2=24mm；当材料的腐蚀速率小于或等于当材料的腐蚀速率小于或等于0.05mm/a时，单面腐蚀取时，单面腐蚀取C2=1mm，双面腐蚀取，双面腐蚀取C2=2mm；一般对炭素钢和低合金钢，

14、一般对炭素钢和低合金钢，C2不小于不小于1mm，对不锈钢，当，对不锈钢，当介质的腐蚀极微时，可取介质的腐蚀极微时，可取C2=0.第16页/共41页300300(350)400400(450)500500(550)600600(650)700700(750)8008009009001001000 0(1100)1201200 0(1300)1401400 0(1500)1601600 0(1700)1801800 0(1900)2002000 0(2100)2202200 0(2300)2402400 02502500 02602600 02802800 03003000 03203200 03

15、403400 03503500 03603600 03803800 04004000 04204200 04404400 04504500 04604600 04804800 05005000 05205200 05405400 05505500 05605600 05805800 06006000 0 卷制压力容器公称直径系列卷制压力容器公称直径系列6. 直径系列与板材厚度直径系列与板材厚度 钢板常用厚度钢板常用厚度第17页/共41页计算壁厚、设计壁厚、名义壁厚和有效壁厚计算壁厚、设计壁厚、名义壁厚和有效壁厚第18页/共41页2. 最小壁厚最小壁厚压力很低的容器，按强度公式计算出的壁厚很小，

16、不能满足压力很低的容器，按强度公式计算出的壁厚很小，不能满足制造制造、运输运输和和安装时安装时的的刚度要求刚度要求，需规定一最小壁厚。，需规定一最小壁厚。 最小厚度最小厚度：壳体加工成型后不包括腐蚀裕量的厚度：壳体加工成型后不包括腐蚀裕量的厚度碳素钢和低合金钢容器：碳素钢和低合金钢容器：S Sminmin3mm3mm；不锈钢制容器：不锈钢制容器：S Sminmin2mm2mm。【注意注意】符合最小厚度规定容器的名义厚度符合最小厚度规定容器的名义厚度S Sn n=S=Sminmin+C+C2 2+C+C1 1+ +第19页/共41页1.1.试验压力试验压力tT1.25pp液压试验液压试验tT1.

17、15pp气压试验气压试验pT试验压力，试验压力，立式容器卧置作液压试验时，试验压力应立式容器卧置作液压试验时，试验压力应为立置时的试验压力为立置时的试验压力PT加液柱静压力；加液柱静压力；p设计压力；设计压力；试验温度下材料的许用应力；试验温度下材料的许用应力；t设计温度下材料的许用应力；设计温度下材料的许用应力；第20页/共41页2.1 液压试验液压试验 将容器充满液体，缓慢升压到规定试验压力后，保压时间将容器充满液体，缓慢升压到规定试验压力后，保压时间一般不小于一般不小于30分钟，然后将压力降到规定试验压力的分钟，然后将压力降到规定试验压力的80，并保持足够长时间以对所有焊缝和连接部位进行

18、检查。并保持足够长时间以对所有焊缝和连接部位进行检查。 一般采用洁净水进行试验。一般采用洁净水进行试验。 采用石油蒸馏产品进行液压试验，试验温度应低于石油产采用石油蒸馏产品进行液压试验，试验温度应低于石油产品的闪点或沸点。品的闪点或沸点。 试验温度应低于液体沸点温度，对新钢种的试验温度应高试验温度应低于液体沸点温度，对新钢种的试验温度应高于材科脆性转变温度。于材科脆性转变温度。 碳素钢、碳素钢、16MnR和正火的和正火的15MnVR钢制容器液压试验时，钢制容器液压试验时，液体温度不得低于液体温度不得低于5，其他低合金钢制容器（不包括低温，其他低合金钢制容器（不包括低温容器）液压试验时，液体温度

19、不得低于容器）液压试验时，液体温度不得低于15。 液压试验完毕后，应将液体排尽并用压缩空气将内部吹干。液压试验完毕后，应将液体排尽并用压缩空气将内部吹干。第21页/共41页2.22.2气压试验气压试验气压试验适用场合。气压试验适用场合。试验介质要求试验介质要求：干燥、洁净的空气、氮气或其他惰性气体，试：干燥、洁净的空气、氮气或其他惰性气体，试验气体温度一般应不低于验气体温度一般应不低于1515。试验程序试验程序：缓慢升压至规定试验压力的：缓慢升压至规定试验压力的1010，且不超过，且不超过0.05MPa0.05MPa，保持，保持5 5分钟，然后对所有焊缝和连接部位进行初次检分钟，然后对所有焊缝

20、和连接部位进行初次检查；合格后继续升压到规定试验压力的查；合格后继续升压到规定试验压力的5050，其后按每级为规，其后按每级为规定试验压力的定试验压力的1010的级差逐渐升压到试验压力，保持的级差逐渐升压到试验压力，保持1010分钟后，分钟后，然后再降到试验压力的然后再降到试验压力的8787，保持足够时间并同时进行检查。，保持足够时间并同时进行检查。2.32.3气密性试验气密性试验介质的毒性程度为极毒或高度危害的容器，在液压试验合格后，介质的毒性程度为极毒或高度危害的容器，在液压试验合格后，方可进行气密性试验。方可进行气密性试验。第22页/共41页压力试验时，容器壁内的最大应力不得超过所用材料

21、在试验温压力试验时，容器壁内的最大应力不得超过所用材料在试验温度下屈服点的度下屈服点的9090（液压试验）或（液压试验）或8080（气压试验）。（气压试验）。 seeiTT0.92SSDp液压试验液压试验seeiTT0.82SSDp气压试验气压试验第23页/共41页【例例】一锅炉汽包，内径为一锅炉汽包，内径为Di=1300 mm，工作压力，工作压力pw=15.6 MPa，装有安全阀，设计温度为，装有安全阀，设计温度为350，材质为，材质为18MnMoNbR，采用双面对接焊缝，采用双面对接焊缝，100探伤，试确定汽包的壁厚探伤，试确定汽包的壁厚Sn。解（解（1）确定设计参数）确定设计参数pc=1

22、.1pw=1.1 15.6=17.16 MPa, Di=1300 mm，查表得该材料在查表得该材料在350 时的许用应力为时的许用应力为t=190MPa双面对接焊缝，双面对接焊缝，100探伤，故探伤，故 =1，取腐蚀裕量，取腐蚀裕量C2=1.0mm（1）计算厚度）计算厚度)(5 .6116.1711902130016.17-2SticmmpDpcc)(5 .620 . 15 .612mmCSScd第24页/共41页根据根据Sd=62.5mm，查表得，查表得C1=0.25mmSd+C1=62.75mm圆整后取名义厚度为圆整后取名义厚度为Sn=65mm。复验复验Sn 6%=65 6%=3.9mm0

23、.25mm，故最后取，故最后取C1=0.25mm。该设备可用。该设备可用65mm厚的厚的18MnMoNbR钢板制作。钢板制作。（3）校核水压实验强度）校核水压实验强度seeiTT0.92SSDp式中式中MPa45.2119019016.1725. 11.25pptTp=pc=17.16MPa Se=Sn-C=65-1.25=63.75mms=410MPa(查表获得）查表获得）第25页/共41页MPaMPa3694109 . 00.94 .229175. 36275. 36130045.21sT而所以，水压试验合格。所以，水压试验合格。第26页/共41页第27页/共41页 计算壁厚公式计算壁厚公

24、式【备注备注】球形封头壁厚较相同直径与压力的圆筒壳减球形封头壁厚较相同直径与压力的圆筒壳减薄一半，主要用作薄一半，主要用作高压容器的封头高压容器的封头。ccpDp-4Stic第28页/共41页 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 b的的半椭球半椭球和高度为和高度为h h0 0的的短圆短圆筒筒（通称为直边）两部分所构成。直边的作用是为了（通称为直边）两部分所构成。直边的作用是为了保证封头的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。1.1.结构特点结构特点第29页/共41页 当当m=a/b2时，

25、最大应力在椭圆壳的顶点时，最大应力在椭圆壳的顶点 2.2.壁厚计算公式壁厚计算公式)ba(2ammaxSp将将a/b=m，a=D/2代入得：代入得：Sp4Dmmaxt4DmSp强度条件强度条件考虑焊缝系数考虑焊缝系数 ，D=Di+S，m=Di/2hi代入强度条件得：代入强度条件得：iititi4hD0.5-22m/2m-2ScccccpDppDpccpDp0.5-2StiC标准椭圆封头标准椭圆封头m=a/b=2第30页/共41页如果如果m=a/b2时，椭圆封头赤道上出现很大的环向压应力，时，椭圆封头赤道上出现很大的环向压应力，绝对值大于顶点的应力，引入封头的形状系数绝对值大于顶点的应力，引入封

26、头的形状系数K，得，得椭圆封椭圆封头的通用壁厚计算公式为头的通用壁厚计算公式为： cicpDKp0.5-2StC2ii2hD261K国家标准还规定：国家标准还规定：K1K1的椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内直径的的椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内直径的0.15%0.15%；K K1的椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内直径的的椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内直径的0.30%0.30%；3.3.许用压力计算公式许用压力计算公式eietw0.5SKS2pD第31页/共41页 1.1.几何特点几何特点半径半径R Ri i的的球面球面；半径为半径为r r的的过渡圆弧过渡圆弧；高度为高度为h h0

27、0的的直边直边。ccpp0.5-2RMStic2.2.壁厚计算公式壁厚计算公式R Ri i球面部分内半径；球面部分内半径；r r过渡圆弧内半径；过渡圆弧内半径；M M碟形封头形状系数；碟形封头形状系数；rR341Mi由于折边部分存在较高的局部应力由于折边部分存在较高的局部应力规定其球面部分的内半径规定其球面部分的内半径R Ri i应不大应不大于筒体内径，而折边内半径于筒体内径，而折边内半径r r在任在任何情况下均不得小于筒体内径的何情况下均不得小于筒体内径的10%10%，且不应小于封头名义厚度的，且不应小于封头名义厚度的3 3倍倍第32页/共41页 2.2.壁厚计算公式壁厚计算公式球面内半径球

28、面内半径R Ri i=0.9D=0.9Di i，过渡圆弧内半径，过渡圆弧内半径r=0.17Dr=0.17Di i时为标准碟时为标准碟形封头。形封头。M=1.325M=1.325，标准碟形封头的壁厚计算公式标准碟形封头的壁厚计算公式为：为：ccpp0.5-2D1.2Stic3.3.碟形封头的许用压力公式碟形封头的许用压力公式 eiet0.5SMRS2p第33页/共41页 1.1.结构特点结构特点2.2.壁厚计算公式壁厚计算公式ccpp-2DQSticQ-Q-系数，查相关图表求得。系数，查相关图表求得。【注意注意】任何情况下，与无折边球形封头连接的圆筒厚度任何情况下，与无折边球形封头连接的圆筒厚度应不小于封头厚度。应不小于封头厚度。将碟形封头的直边和过渡圆弧部分去掉，球面部将碟形封头的直边和过渡圆弧部分去掉，球面部分直接焊在筒体上。又称为球冠形封头分直接焊在筒体上。又称为球冠形封头第34页/共41页 第35页/共41页 1.1.结构特点结构特点优点优点：便于收集与卸除设备：便于收集与卸除设备中的固体物料；还可作为塔中的固体物料；还可作为塔设备的变径段。设备的变径段。 cos12SDmaxptmaxcos12SDpcos1-2DStccccp