剪切与扭转课件

1、13.1 概述13.2 内压薄壁容器设计的理论基础13.3 容器边缘应力及其处理13.4 内压薄壁容器的设计13.5 容器的压力试验第13章 内压容器13.1概述压力容器与承压设备设备及其零部件设备所受载荷：重力载荷、风载荷、地震载荷压力载荷等压力载荷：内外绝压之差值内压与外压(夹套容器、真空容器等). 卧式贮罐(槽)主要用盛装化工、石油、医药等工业生产和生活用的原料气体、液体、液化气体等，设备体积大，安装方便。设备材质为碳素钢、低合金钢和不锈钢等。一般卧式贮罐(槽)是典型的压力容器。压力容器的分类按压力（设计压力，表压）低压(0.11.6MPa) 中压(1.610.0MPa)高压(10.01

2、00MPa)超高压. (100MPa)常压容器不属于压力容器按使用功能：储存容器，反应容器（设备），换热容器（设备），分离容器（设备），混合容器（设备）等。压力容器的分类按压力容器在实际使用中的危险程度分确保压力容器安全性对压力容器设计、制造和实际使用过程中进行安全管理与监督检查法规：TSG R0004-2009固定式压力容器安全技术监察规程分类：第类、第类、第类介质危害性：压力容器在生产过程中因事故致使介质与人体大量接触，发生爆炸或者因经常泄漏引起职业性慢性危害的严重程度，用介质毒性程度和爆炸危害程度表示。 极度危害指最高允许浓度0.1mg/m3；高度危害0.1 1.0mg/m3；中度危害1

3、.010mg/m3；轻度危害10mg/m3。 易燃介质（爆炸危险介质）系指其气体或液体的蒸汽、薄雾与空气混合形成爆炸混合物，且其爆炸下限小于10%，或爆炸上限和下限之差值大于等于20%的气体，如一甲胺、乙烯、乙烷、氯甲烷、环氧乙烷、环丙烷、氢、丁烷、三甲胺、丁二烯、丁烯、丙烷、丙烯、甲烷等。 确定依据：HG206602000压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类 分组： 第一组介质：毒性程度为极度危害、高度危害的化学介质，易燃介质，液化气体。 第二组介质：除第一组以外的介质。 类别确定：查图 考虑因素：介质的危害性、压力、容积 压力容器的分类压力容器分类图第一组介质压力容器的分类压力容器

4、分类图第二组介质总结: （1）高压容器属于第类压力容器。 （2）大于25L的第一组介质容器中无第类压力容器。第类压力容器主要为第二组介质中（非危险介质）的低压容器。 （3）第类压力容器主要为中压容器和第一组介质中的低压容器。 压力容器设计标准规范简介我国压力容器设计规范: 1959年第一部规范多层高压容器设计与检验规程; 1960年化工部颁布了适合于中低压容器的石油化工设备零部件标准; 1967年第一版钢制石油化工压力容器设计规定; 1989年GB150钢制压力容器; 1995年JB4732钢制压力容器分析设计标准。 国外压力容器规范： 美国ASME（美国机械工程师学会）规范，共有11卷，全面

5、包括了锅炉与压力容器质量保证的要求。与压力容器设计工作有关的主要是第卷。“按分析设计”的概念，首先由ASME提出，应用于1963年ASME的第篇核容器，1968年又推广于压力容器第卷第2 分卷压力容器，另一规则，即ASME-2，ASME-1为常规设计标准。 英、德、法、日等都有各自完整的压力容器设计规范。13.2 内压薄壁容器设计的理论基础13.2.1 无力矩理论的基本概念内压薄壁容器的薄膜比拟: 只受拉, 不能承受弯曲. 应力沿壁厚均布. 薄膜(壳)承压原理: 膜(壳)自身有一定的曲率.a/2NN内压总力：当a 很小时：13.2.2 回转壳体的几何关系回转壳体：由一平面图形绕某一轴线(回转轴

6、)旋转一周就形成了回转壳体。壳体中面：距内外表面等距离的面。子午面：通过回转轴的半平面。r-Z平面.经线：子午面与中面的交线。纬线（平行圆）：以法线为母线的回转锥面与中面的交线。第一曲率半径R1：经线上任一点的曲率半径。第二曲率半径R2：通过经线上一点a的法线作垂直于经线(切线)的平面(法平面)，该平面与中面相交形成一条平面曲线，该曲线在a点的曲率半径。第二曲率半径的曲率中心必落在对称轴上。平行圆(纬线)经线(母线)经向应力pNqNNNqK1K2ddqR12Rabcd13.2.3 无力矩理论的基本方程式微体平衡方程式微元面的面积：abcd矩形面积.ab的长度：R1d；bc的长度：R2dq.中面

7、面积： R1R2ddq .压力沿法向的总力：dP=p R1R2ddq .dP=Nd+NqdqN=sR2dqdNq=sqR1dd壳体上一点的两向薄膜应力与内压的平衡关系；经向和环向有曲率才可平衡内压；由于为轴对称壳体，环向总是有曲率的，环向应力对于平衡内压总是有贡献的；经线可以是曲线也可以是直线，因此经向应力不一定对平衡一点的内压有贡献；当经线为直线时，经向应力仍然不为零，因为经向应力要满足壳体轴向的平衡条件，或说经向应力承担壳体轴向平衡的重任。微体平衡方程式:区域平衡方程式应用截面法，考虑轴向平衡求出经向应力。采用以第二曲率半径为母线形成的锥面截回转壳体，取其中任一部分建立平衡条件。经向应力与

8、厚度垂直。每一平行圆上各点的压力均可分解为轴向及径向两个分量，径向分力成为一自平衡力系。对于均布内压（气压），压力在截开部分产生的轴向总力等于压力集度与平行圆圆面积之乘积。不死记公式，对具体问题应用上述方法更简单。13.2.4 无力矩理论在容器应力分析中的应用对于均布内压（气压）的情况，可得到经向应力的通用计算公式：p一般来说，可首先求出经向应力。受气压的球形壳体特点：第一和第二曲率半径相等，两向薄膜应力相 等。例球形储罐。半球形壳也用作容器的封头。受气压的筒体特点：第二曲率半径为无穷大，环向应力为经向应力的二倍；沿经线各点薄膜应力都相同。筒体是一般压力容器外壳的主体。受气压的锥形壳体特点：第

9、二曲率半径为无穷大，环向应力为经向应力的二倍，但沿经线从顶点到大端薄膜应力线性增加（与平行圆半径成正比）。锥壳可用作容器封头或两不等径筒体的过渡段。 球形容器一般只作储存容器，被广泛应用于城市燃气、化工、石油、治金等工业部门。如用于城市燃气中的大型天然气球罐；石油化学工业中及城市燃气中的各种液化气球罐；治金工业中用作压缩氧气和氮气的储罐。球壳受力状况最佳，强度最高，但制造相当困难。受气压的椭球形壳体椭圆方程：xyK2K1分析以上各式，可得到下述结论：经向应力恒大于零，从顶点到赤道逐渐减小。顶点处两向薄膜应力相等，都达到了最大值。赤道处，环向应力的性质会随着椭球长短轴比例的变化而变化：当a/b2

10、0.5 时，环向应力小于零，即在赤道附近的一段范围内壳体环向受压，半径减小,说明椭球壳在由扁向圆的方向发展环向应力为零的具体位置可由R2=20.5R1求出.椭球壳在化工设备上常用来作封头，a/b=2时称为标准椭圆形封头,其应力特点为：顶点处的经向应力是赤道处的2倍，顶点处的环向应力与赤道处的数值相等，符号相反(自证)。13.3 容器边缘应力及其处理薄膜应力是不是实际受压壳体的真实解? 薄膜应力只满足了与压力载荷的平衡条件，并没有考虑变形连续性的要求。只有当壳体各部分的薄膜变形是连续的，才能说薄膜应力是真实的解。薄膜变形属于在连续内压作用下的无约束自由变形薄壳理论通常将应力的求解分成两步： 1)

11、平衡条件，求薄膜应力； 2)变形连续条件，求边缘力、边缘力矩边缘应力。边缘应力是为了满足变形连续的要求而产生的实际壳体中的应力可看作是这两种应力的叠加。边缘应力的性质： 1)局部性：边缘应力集中分布于连接边缘附近。 2)自限性：边缘应力不会随着外载荷的增加而无限制的增加（对塑性良好的材料）。 薄膜应力具有分布的整体性，也不具有自限性： 只要有压力作用处就有薄膜应力，且随压力的升高而增加。边缘应力的危险性较薄膜应力小 13.4 内压薄壁容器的设计 常规设计中以两向薄膜应力中的较大者来建立强度条件。 1）强度校核：对于已有的内压壳体，能否承受给定的压力； 2）截面设计：壳体形状等一般取决于工艺要求

12、，故实质上就是厚度设计； 3）确定许用载荷：对于已有壳体决定其能够承受的最大压力值。13.4.1内压筒体设计内压筒体的厚度计算 强度条件式：D-中径；Pc计算压力，即危险点处的压力值，应为气体压力与液柱静压力之和；stf意为焊缝金属的许用应力。厚度设计的中径公式:d-计算厚度，为满足强度要求的最小厚度圆筒：球壳：13.4.2 内压封头设计封头结构特性类型：半球形, 椭圆形, 碟形, 球冠形等凸形封头, 以及圆锥形和平板形封头.半球形封头从受力来看, 是最理想的结构形式,但缺点是深度大, 直径小时, 整体冲压困难, 大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量亦较大。椭圆形封头是由半个椭球面和一圆柱直边段组成

13、。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。6000吨油压机碟形封头由球面、过渡段以及圆柱直边段三个不同曲面组成。虽然由于过渡段的存在降低了封头的深度，方便了成型加工，但在三部分连接处，由于经线曲率发生突变，在过渡区边界上不连续应力比内压薄膜应力大得多，故受力状况不佳。球冠形封头是部分球面封头与圆筒直接连接，它结构简单，制造方便，常用容器中两独立受压室的中间封头，也可用作端盖。封头与筒体连接处的角焊缝应采用全焊透结构。在球面与圆筒连接处其曲率半径发生突变，且两壳体因无公切线而存横向推力，所以产生相当大的不连续应力，这种封头一般只能用于压力不高的场合。锥形封头有两种形式，一种是无

14、折边锥形封头，一般用于半顶角不大于30的场合；另一种是与筒 体连接处有一过渡圆弧和一圆柱直边段的折边锥形封头. 就强度而论, 锥形封头的结构并不理想, 但是封头的型式在很多场合还取决于容器的使用要求。对于气体的均匀进入和引出，悬浮或粘稠液体和固体颗粒等的排放，不同直径圆筒的过渡，则是理想的结构型式，而且在厚度较薄时，制造亦较方便。平板封头是在结构上最简单、制造最容易的一种封头形式。平板受内压作用时，会发生弯曲变形，强度最差，会导致其厚度很大，材料耗费过多而显得十分笨重 受力：半球形最好，椭圆形、碟形次之，锥形更次之，而平板最差。制造：平板最容易，而半球形最难；实际应用：大多数中低压容器采用椭圆

15、形封头，高压容器常用平板封头或半球形封头，而锥形封头的使用主要取决于工艺的要求。封头的设计计算 由于封头和圆筒相连接，所以不仅需要考虑封头本身因内压引起的薄膜应力，还要考虑与筒身连接处的不连续应力。标准椭圆形封头为一般的常用封头型式。与筒体相连接时，常采用与筒体相同的厚度，厚度计算公式与圆筒的计算公式相似（0.5pc）。13.4.3 设计技术参数的确定设计压力与设计温度压力：除注明者之外，指表压力。工作压力pw：正常工作条件下，容器顶部可能出现的最高表压力。该压力为气相压力。设计压力p：指设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。确定原则：按实际可能出

16、现的最危险的工况设计。例如，当容器顶部装有安全阀或爆破片等安全泄放装置时，设计压力应不小于安全阀的开启压力或爆破片爆破压力的上限。13.4.3 设计技术参数的确定计算压力pc：指在相应的设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。设计温度：指容器在下常工作情况下，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面的平均值）。设计温度与设计压力一起作为设计的载荷条件。设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度。对于0以下的金属温度，设计温度不得高于允件金属可能达到的最低温度。设计工况必须为实际最危险工况。许用应力与安全系数决定许用应

17、力的依据为极限应力除以安全系数。极限应力有下述几种：屈服极限（或0.2%的屈服强度）和强度极限；钢材在设计温度下经10万小时断裂的持久强度的平均值；钢材在设计温度下经10万小时蠕变率为1%的蠕变极限；这些应力值除以相应的安全系数得到许用应力值，设计中取这些应力中的最小值。设计温度是决定许用应力的重要参数。当设计温度低于20时，取20时的许用应力。焊接接头系数（焊缝系数） 焊接接头系数应根据受压元件的焊接接头型式及无损检测的长度比例确定。 焊接接头系数表示焊缝强度与壳体母材强度之比，焊缝质量愈高，与母材的强度愈接近。由于壳体各部位的应力性质不同，其危险性也不同，故焊接接头系数应按最危险的焊缝来取

18、；内压圆筒的焊接接头系数应由纵焊缝来决定。厚度及厚度附加量 压力容器壳体一般由钢板卷制或钢管制造。在容器设计时，图纸上应给出符合钢板或钢管标准规格的尺寸，这就还需要考虑实际的刚度、材料的腐蚀性及材料制造中的一些问题。计算厚度：厚度计算公式得到的厚度，这是满足强度要求的最小厚度。厚度附加量：C=C1+C2.负偏差取值按钢材标准，较小时可忽略。设计厚度d: d =+ C2.名义厚度n ：设计厚度加上钢材负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度。厚度及厚度附加量 标准：GB713-2008锅炉和压力容器用钢板、 GB24511-2009承压设备用不锈钢钢板和钢带、GB/T709-2

19、006热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量和允许偏差等容器用钢板按GB709中的B类偏差，负偏差为0.3mm厚度：30mm以内，间隔0.5mm； 30mm ，间隔1mm壳体加工成型后不包括腐蚀裕量的最小厚度：为满足制造、运输及吊装等的刚度要求的厚度。对于碳素钢和低合金钢制的容器，不小于3mm，对于高合金钢制的容器不小于2mm。有效厚度e：名义厚度减去厚度附加量。有效厚度就是实际容器用来承载的厚度。进行强度校核时应采用有效厚度,如压力试验,塔裙座应力校核等。（作业1-11,10mm钢板,C=1.5mm， s=120MPa。）13.5 容器的压力试验目的: 检验容器是否有泄漏、明显的塑性变形及其它缺陷

20、。试验容器的制造质量。种类：强度试验（液压试验和气压试验）和致密性试验（气密性试验和煤油渗漏试验等）。致密性试验是对密封性要求高的重要容器在强度合格后进行的泄漏检查。试验压力的确定：液压试验与气压试验不同。试验工况要近似于实际操作工况，按许用应力的比值来进行工况换算。设计时要将压力试验的种类及试验压力标注在图纸上，进行压力试验的强度校核。例：液氨储罐筒体设计。已知：pw=2.2MPa, 顶部装有安全阀, 操作温度-540, 储罐内径Di=1200mm. 试确定筒体厚度.解: 首先确定设计参数. 设计压力的确定：可取等于或略高于安全阀的开启压力。安全阀的开启压力可按（1.051.10）pw来确定，现取为2.4MPa，因此, 可取p=2.5MPa。计算压力：由于储罐为卧式容器, 液柱的静压力很低, 可不忽略不计,故取计算压力pc= p=2.5MPa.设计温度：可取为40.选材：纯液氨腐蚀性很小, 可以选取一般材料作为筒体用材, 由于压