431内压圆筒设计(常规设计)1解读课件

4.3

常规设计4.3常规设计力载荷处理，不考虑交变载荷，也不区分短期载荷和永久载荷，不涉及容器的疲劳寿命问题。区别于分析设计一、设计思想——“按规则设计”（DesignbyRules），只考虑单一的最大载荷工况，按一次施加的静应力求解——依据材料力学及板壳理论，按最大拉

应力准则来推导受压元件的强度尺寸计算公式。校核——受压元件的应力强度

<材料许用应力（强度）

<材料许用外压力（失稳）边缘应力——采用分析设计标准中的有关规定和思想，确定结构的某些相关尺寸范围，或由经验引入各种系数。4.3.1概述4.3.1概述过程设备设计

径向应力强度理论及其相应的强度条件薄壁容器的应力状态轴向应力环向应力径向应力强度理论及其相应的强度条件薄壁容器的应力状态轴向应力第一强度理论（最大主应力理论）第三强度理论（最大剪应力理论）强度条件强度条件适用于脆性材料适用于塑性材料常用强度理论第一强度理论第三强度理论强度条件强度条件适用于适用于常用强度第四强度理论（能量理论）强度条件适用于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。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.第四强度理论强度条件适用于第二强度理论（最大变形理论）与实际

（4-3）4.3.1概述

（4-4）

采用式（4-4）或式（4-5）较为合理。但对于内压薄壁回转壳体，在远离结构不连续处，σ式（4-3）简单，成熟使用经验，将该式作为设计准则。压力容器材料韧性较好，在弹性失效准则中，（4-5）二、弹性失效设计准则过程设备设计（4-3）4.34.3.2圆筒设计4.3.2圆筒设计筒体结构单层式优点——简单①深环、纵焊缝，焊接缺陷检测和消除困难；且结构本身缺乏阻止裂纹快速扩展的能力；②大型锻件、厚钢板性能比薄钢板差，不同方向力学性能差异大，韧脆转变温度较高，发生低应力脆性破坏的可能性也较大；③加工设备要求高。缺点——组合式过程设备设计4.3.2圆筒设计4.3.2圆筒设计筒体结构单层式优点—4.3.2.2内压圆筒的强度设计筒体强度设计单层圆筒体多层厚壁圆筒中径公式（薄壁筒体）Mises屈服公式（厚壁筒体）Faupel爆破公式（厚壁筒体）过程设备设计4.3.2.2内压圆筒的强度设计筒体强度设计单层圆筒体多层考虑实际情况，引入pc等参数考虑介质腐蚀性考虑钢板厚度负偏差并圆整厚度计算

一、单层筒体（薄壁筒体）

k1.5（工程）

（4-3）设计准则：考虑实际情况，引入pc等参数考虑介质考虑钢板厚度厚度计算1、厚度计算式：由中径公式（4-13）0.4[σ]tφ式中δ—计算厚度，mm；Pc—计算压力，MPa；φ—焊接接头系数。条件：Pc2、应力强度判别式：（对筒体进行强度校核，已知筒体尺寸Di、δn或δe）（4-14）式中δe—有效厚度，δe=δn–C，mm；δn—名义厚度，mm；

C—厚度附加量，mmσt—设计温度下圆筒的计算应力，MPa。

一、单层筒体（薄壁筒体）

k1.5（工程）4.3.2.2内压圆筒的强度设计主要计算公式过程设备设计1、厚度计算式：由中径公式（4-13）0.4[σ]tφ

3、筒体最大允许工作压力[Pw]：MPa（4-15）4、说明：Pc0.4[σ]tφ式（4-13）由筒体的薄膜应力按最大拉应力准则导出的，用于一定厚度范围，如厚度过大，则由于实际应力情况与应力沿厚度均布的假设相差太大而不能使用。按照薄壳理论，（4－13）仅能在δ/D≤0.1即K≤1.2范围内适用。但作为工程设计，采用了最大拉应力准则、材料设计系数，厚度范围扩大到在最大承压（液压试验）时圆筒内壁的应力强度在材料屈服点以内。(K1.5)4.3.2.2内压圆筒的强度设计过程设备设计4.3.2.2内压圆筒的强度设计3、筒体最大允4.3.2.3设计技术参数的确定设计技术参数设计压力设计温度厚度及厚度附加量焊接接头系数许用应力等4.3.2.3设计技术参数的确定过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定设计技术参数设计压力设计温1、设计压力——

为压力容器的设计载荷条件之一，其值不低于最高工作压力。设计压力应视内压或外压容器分别取值。容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压。4.3.2.3设计技术参数的确定过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定1、设计压力——为压力容器的设计载荷条件之一，其值设计压力设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。外压：（略）内压：装安全阀——不低于安全阀开启压力，1.05～1.10倍最高工作压力。装爆破片——爆破片最低标定爆破压力加上所选爆破片制造范围的上限。盛装液化气体容器——根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。

综合考虑介质压力、饱和蒸气压、装量系数、温度变化、环境温度、保冷设施。4.3.2.3设计技术参数的确定过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。外压：内计算压力——是指在相应设计温度下，用以确定元件最危险截面厚度的压力，其中包括液柱静压力。◆通常情况下，计算压力=设计压力+液柱静压力◆当元件所承受的液柱静压力<5%设计压力时，可忽略不计。4.3.2.3设计技术参数的确定过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定计算压力——是指在相应设计温度下，用以确定元件最危险截◆通常注解：设计温度与设计压力存在对应关系。当压力容器具有不同的操作工况时，应按最苛刻的压力与温度的组合设定容器的设计条件，而不能按其在不同工况下各自的最苛刻条件确定设计温度和设计压力。GB150规定：设计温度等于或低于-20℃的容器属于低温容器。金属温度不低于0℃——设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度；金属温度低于0℃——不得高于元件金属可能达到的最低温度。2、设计温度——为压力容器的设计载荷条件之一，指容器在正常情况下，设定元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。4.3.2.3设计技术参数的确定过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定注解：设计温度与设计压力存在对应关系。当压力容器具有GB153、厚度及厚度附加量

厚度计算厚度δ设计厚度δd名义厚度δn有效厚度δe成型厚度4.3.2.3设计技术参数的确定过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定3、厚度及厚度附加量厚度计算厚度δ设计厚度δd名义厚度δ计算厚度（δ）——由公式采用计算压力得到的厚度。必要时还应计入其它载荷对厚度的影响。设计厚度（δd）——计算厚度与腐蚀裕量之和。δd＝δ＋C2名义厚度（δn）——设计厚度加上钢材厚度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。δn＝δd＋C1＋Δ=δ＋C1

＋C2＋Δ有效厚度（δe）——名义厚度减去钢材负偏差和腐蚀裕量。δe＝δn－C1－C2厚度附加量（C）——由钢材的厚度负偏差C1和腐蚀裕量

C2组成，不包括加工减薄量C3。C=C1+C2加工减薄量——根据具体制造工艺和板材实际厚度由制造厂而并非由设计人员确定。4.3.2.3设计技术参数的确定过程设备设计计算厚度（δ）——由公式采用计算压力得到的厚度。设计厚度（δ成形后厚度——制造厂考虑加工减薄量并按钢板厚度规格第二次向上圆整得到的坯板厚度，再减去实际加工减薄量后的厚度，也为出厂时容器的实际厚度。一般，成形后厚度大于设计厚度就可满足强度要求。4.3.2.3设计技术参数的确定过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定成形后厚度——制造厂考虑加工减薄量并按钢板厚度规格第二4.3计算厚度δ有效厚度δe成型后厚度毛坯厚度名义厚度δn设计厚度δdC1+C2加工减薄量加工减薄量第一次厚度圆整值厚度负偏差C1腐蚀裕量C2第二次厚度圆整值4.3.2.3设计技术参数的确定图4-5厚度关系示意图过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定计算厚度δ有效厚度δe成型后厚度毛坯厚度名义厚度δn设计厚度碳素钢、低合金钢容器：δmin不小于3mm；高合金制容器：δmin不小于2mm；最小厚度（δmin）——考虑容器的刚性

——制造、运输、吊装；

——不包括腐蚀裕量；※4.3.2.3设计技术参数的确定不包括腐蚀裕量过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定碳素钢、低合金钢容器：δmin不小于3mm；最小厚度（δmi钢板或钢管厚度负偏差C1：按照相应钢材标准的规定选取※钢材的厚度负偏差≤0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，可取C1=0。※热轧钢板按厚度负偏差分N、A、B、C四个类别※压力容器专用钢板厚度负偏差按B类要求，即取0.3mm4.3.2.3设计技术参数的确定过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定钢板或钢管厚度负偏差C1：按照相应钢材标准的规定选取4.3.腐蚀裕量＝均匀腐蚀速率×容器设计寿命腐蚀裕量只对防止均匀腐蚀破坏有意义；对于应力腐蚀、氢脆和缝隙腐蚀等非均匀腐蚀，效果不佳，应着重选择耐腐蚀材料或进行适当防腐蚀处理。碳素钢、低合金钢：C2不小于1mm；不锈钢：介质腐蚀性极微时，可取C2=0。腐蚀裕量——防止容器受压元件由于均匀腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄。与腐蚀介质直接接触的筒体、封头、接管等受压元件，均应考虑材料的腐蚀裕量。4.3.2.3设计技术参数的确定过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定腐蚀裕量＝均匀腐蚀速率×容器设计寿命腐蚀裕量只对防止均匀腐蚀4.3.2.3设计技术参数的确定接头形式无损检测要求及长度比例焊缝缺陷夹渣、未熔透、裂纹、气孔等焊缝热影响区晶粒粗大母材强度或塑性降低薄弱环节4、焊接接头系数——焊缝金属与母材强度的比值，反映容器强度受削弱的程度。影响因素过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定4.3.2.3设计技术参数的确定接头形式无损检测要求及长度比4.3.2.3设计技术参数的确定焊接接头形式无损检测比例Φ值焊接接头形式无损检测比例Φ值双面焊对接接头和相当于双面焊的全熔透对接接头100%1.00单面焊对接接头（沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板）100%0.90局部0.85局部0.80表4-3钢制压力容器的焊接接头系数Φ值过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定4.3.2.3设计技术参数的确定焊接接头形式无损检测比例Φ值5、许用应力——容器壳体、封头等受压元件的材料许用强度，取材料强度失效判据的极限值与相应的材料设计系数（又称安全系数）之比。屈服点σs（或σ0.2）、抗拉强度σb、持久强度σD、蠕变极限σn等——根据失效类型确定极限值。

蠕变温度以下——最低抗拉强度σb、常温或设计温度下的屈服点σs或三者除以各自的材料设计系数后所得的最小值，作为许用应力，以抗拉强度和屈服点同时来控制许用应力。材料强度失效判据的极限值用不同的方式表示：4.3.2.3设计技术参数的确定过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定5、许用应力——容器壳体、封头等受压元件的材料许用强屈服点σ4.3.2.3设计技术参数的确定对韧性材料——按弹性失效设计准则——屈服点为基准；同时用抗拉强度作为计算许用应力的基准——防止断裂破坏。同时考虑基于高温蠕变极限或持久强度的许用应力（4-19）原因即或（4-20）碳素钢或低合金钢>420℃，铬钼合金钢>450℃，奥氏体不锈钢>550℃时，表4-4钢制压力容器用材料许用应力的取值方法过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定4.3.2.3设计技术参数的确定对韧性材料——按弹性失效设计过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定表4-4钢制压力容器用材料许用应力的取值方法材料许用应力取下列各值中的最小值/MPa碳素钢、低合金钢、铁素体高合金钢奥氏体高合金钢

4.3.2.3设计技术参数的确定过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定表4-4材料设计系数——保证受压元件强度有足够的安全储备量。取值：应力计算的精确性、材料性能的均匀性、载荷的确切程度、制造工艺，使用管理的先进性以及检验水平等因素有着密切关系。-------理论，实践经验积累。GB150——查表——钢板、钢管、锻件以及螺栓材料，依据——表4-4为钢材（除螺栓材料外）许用应力的确定依据。螺栓许用应力——依据材料不同状态和直径大小而定，为保证密封性，严格控制螺栓的弹性变形。4.3.2.3设计技术参数的确定过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定材料设计系数——保证受压元件强度有足够的安全储备量。GB154.3

常规设计4.3常规设计力载荷处理，不考虑交变载荷，也不区分短期载荷和永久载荷，不涉及容器的疲劳寿命问题。区别于分析设计一、设计思想——“按规则设计”（DesignbyRules），只考虑单一的最大载荷工况，按一次施加的静应力求解——依据材料力学及板壳理论，按最大拉

应力准则来推导受压元件的强度尺寸计算公式。校核——受压元件的应力强度

<材料许用应力（强度）

<材料许用外压力（失稳）边缘应力——采用分析设计标准中的有关规定和思想，确定结构的某些相关尺寸范围，或由经验引入各种系数。4.3.1概述4.3.1概述过程设备设计

径向应力强度理论及其相应的强度条件薄壁容器的应力状态轴向应力环向应力径向应力强度理论及其相应的强度条件薄壁容器的应力状态轴向应力第一强度理论（最大主应力理论）第三强度理论（最大剪应力理论）强度条件强度条件适用于脆性材料适用于塑性材料常用强度理论第一强度理论第三强度理论强度条件强度条件适用于适用于常用强度第四强度理论（能量理论）强度条件适用于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。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.第四强度理论强度条件适用于第二强度理论（最大变形理论）与实际

（4-3）4.3.1概述

（4-4）

采用式（4-4）或式（4-5）较为合理。但对于内压薄壁回转壳体，在远离结构不连续处，σ式（4-3）简单，成熟使用经验，将该式作为设计准则。压力容器材料韧性较好，在弹性失效准则中，（4-5）二、弹性失效设计准则过程设备设计（4-3）4.34.3.2圆筒设计4.3.2圆筒设计筒体结构单层式优点——简单①深环、纵焊缝，焊接缺陷检测和消除困难；且结构本身缺乏阻止裂纹快速扩展的能力；②大型锻件、厚钢板性能比薄钢板差，不同方向力学性能差异大，韧脆转变温度较高，发生低应力脆性破坏的可能性也较大；③加工设备要求高。缺点——组合式过程设备设计4.3.2圆筒设计4.3.2圆筒设计筒体结构单层式优点—4.3.2.2内压圆筒的强度设计筒体强度设计单层圆筒体多层厚壁圆筒中径公式（薄壁筒体）Mises屈服公式（厚壁筒体）Faupel爆破公式（厚壁筒体）过程设备设计4.3.2.2内压圆筒的强度设计筒体强度设计单层圆筒体多层考虑实际情况，引入pc等参数考虑介质腐蚀性考虑钢板厚度负偏差并圆整厚度计算

一、单层筒体（薄壁筒体）

k1.5（工程）

（4-3）设计准则：考虑实际情况，引入pc等参数考虑介质考虑钢板厚度厚度计算1、厚度计算式：由中径公式（4-13）0.4[σ]tφ式中δ—计算厚度，mm；Pc—计算压力，MPa；φ—焊接接头系数。条件：Pc2、应力强度判别式：（对筒体进行强度校核，已知筒体尺寸Di、δn或δe）（4-14）式中δe—有效厚度，δe=δn–C，mm；δn—名义厚度，mm；

C—厚度附加量，mmσt—设计温度下圆筒的计算应力，MPa。

一、单层筒体（薄壁筒体）

k1.5（工程）4.3.2.2内压圆筒的强度设计主要计算公式过程设备设计1、厚度计算式：由中径公式（4-13）0.4[σ]tφ

3、筒体最大允许工作压力[Pw]：MPa（4-15）4、说明：Pc0.4[σ]tφ式（4-13）由筒体的薄膜应力按最大拉应力准则导出的，用于一定厚度范围，如厚度过大，则由于实际应力情况与应力沿厚度均布的假设相差太大而不能使用。按照薄壳理论，（4－13）仅能在δ/D≤0.1即K≤1.2范围内适用。但作为工程设计，采用了最大拉应力准则、材料设计系数，厚度范围扩大到在最大承压（液压试验）时圆筒内壁的应力强度在材料屈服点以内。(K1.5)4.3.2.2内压圆筒的强度设计过程设备设计4.3.2.2内压圆筒的强度设计3、筒体最大允4.3.2.3设计技术参数的确定设计技术参数设计压力设计温度厚度及厚度附加量焊接接头系数许用应力等4.3.2.3设计技术参数的确定过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定设计技术参数设计压力设计温1、设计压力——

为压力容器的设计载荷条件之一，其值不低于最高工作压力。设计压力应视内压或外压容器分别取值。容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压。4.3.2.3设计技术参数的确定过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定1、设计压力——为压力容器的设计载荷条件之一，其值设计压力设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。外压：（略）内压：装安全阀——不低于安全阀开启压力，1.05～1.10倍最高工作压力。装爆破片——爆破片最低标定爆破压力加上所选爆破片制造范围的上限。盛装液化气体容器——根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。

综合考虑介质压力、饱和蒸气压、装量系数、温度变化、环境温度、保冷设施。4.3.2.3设计技术参数的确定过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。外压：内计算压力——是指在相应设计温度下，用以确定元件最危险截面厚度的压力，其中包括液柱静压力。◆通常情况下，计算压力=设计压力+液柱静压力◆当元件所承受的液柱静压力<5%设计压力时，可忽略不计。4.3.2.3设计技术参数的确定过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定计算压力——是指在相应设计温度下，用以确定元件最危险截◆通常注解：设计温度与设计压力存在对应关系。当压力容器具有不同的操作工况时，应按最苛刻的压力与温度的组合设定容器的设计条件，而不能按其在不同工况下各自的最苛刻条件确定设计温度和设计压力。GB150规定：设计温度等于或低于-20℃的容器属于低温容器。金属温度不低于0℃——设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度；金属温度低于0℃——不得高于元件金属可能达到的最低温度。2、设计温度——为压力容器的设计载荷条件之一，指容器在正常情况下，设定元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。4.3.2.3设计技术参数的确定过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定注解：设计温度与设计压力存在对应关系。当压力容器具有GB153、厚度及厚度附加量

厚度计算厚度δ设计厚度δd名义厚度δn有效厚度δe成型厚度4.3.2.3设计技术参数的确定过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定3、厚度及厚度附加量厚度计算厚度δ设计厚度δd名义厚度δ计算厚度（δ）——由公式采用计算压力得到的厚度。必要时还应计入其它载荷对厚度的影响。设计厚度（δd）——计算厚度与腐蚀裕量之和。δd＝δ＋C2名义厚度（δn）——设计厚度加上钢材厚度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。δn＝δd＋C1＋Δ=δ＋C1

＋C2＋Δ有效厚度（δe）——名义厚度减去钢材负偏差和腐蚀裕量。δe＝δn－C1－C2厚度附加量（C）——由钢材的厚度负偏差C1和腐蚀裕量

C2组成，不包括加工减薄量C3。C=C1+C2加工减薄量——根据具体制造工艺和板材实际厚度由制造厂而并非由设计人员确定。4.3.2.3设计技术参数的确定过程设备设计计算厚度（δ）——由公式采用计算压力得到的厚度。设计厚度（δ成形后厚度——制造厂考虑加工减薄量并按钢板厚度规格第二次向上圆整得到的坯板厚度，再减去实际加工减薄量后的厚度，也为出厂时容器的实际厚度。一般，成形后厚度大于设计厚度就可满足强度要求。4.3.2.3设计技术参数的确定过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定成形后厚度——制造厂考虑加工减薄量并按钢板厚度规格第二4.3计算厚度δ有效厚度δe成型后厚度毛坯厚度名义厚度δn设计厚度δdC1+C2加工减薄量加工减薄量第一次厚度圆整值厚度负偏差C1腐蚀裕量C2第二次厚度圆整值4.3.2.3设计技术参数的确定图4-5厚度关系示意图过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定计算厚度δ有效厚度δe成型后厚度毛坯厚度名义厚度δn设计厚度碳素钢、低合金钢容器：δmin不小于3mm；高合金制容器：δmin不小于2mm；最小厚度（δmin）——考虑容器的刚性

——制造、运输、吊装；

——不包括腐蚀裕量；※4.3.2.3设计技术参数的确定不包括腐蚀裕量过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定碳素钢、低合金钢容器：δmin不小于3mm；最小厚度（δmi钢板或钢管厚度负偏差C1：按照相应钢材标准的规定选取※钢材的厚度负偏差≤0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，可取C1=0。※热轧钢板按厚度负偏差分N、A、B、C四个类别※压力容器专用钢板厚度负偏差按B类要求，即取0.3mm4.3.2.3设计技术参数的确定过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定钢板或钢管厚度负偏差C1：按照相应钢材标准的规定选取4.3.腐蚀裕量＝均匀腐蚀速率×容器设计寿命腐蚀裕量只对防止均匀腐蚀破坏有意义；对于应力腐蚀、氢脆和缝隙腐蚀等非均匀腐蚀，效果不佳，应着重选择耐腐蚀材料或进行适当防腐蚀处理。碳素钢、低合金钢：C2不小于1mm；不锈钢：介质腐蚀性极微时，可取C2=0。腐蚀裕量——防止容器受压元件由于均匀腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄。与腐蚀介质直接接触的筒体、封头、接管等受压元件，均应考虑材料的腐蚀裕量。4.3.2.3设计技术参数的确定过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定腐蚀裕量＝均匀腐蚀速率×容器设计寿命腐蚀裕量只对防止均匀腐蚀4.3.2.3设计技术参数的确定接头形式无损检测要求及长度比例焊缝缺陷夹渣、未熔透、裂纹、气孔等焊缝热影响区晶粒粗大母材强度或塑性降低薄弱环节4、焊接接头系数——焊缝金属与母材强度的比值，反映容器强度受削弱的程度。影响因素过程设备设计4.3.2.3设计技术参数的确定4.3.2.3设计技