第九章 内压薄壁圆筒和球壳设计

第九章

内压薄壁圆筒和球壳设计一、课时安排：2学时二、本章的重点、难点：

1.内压薄壁圆筒和球壳的强度计算。三、本章授课内容：

9.1概述

9.2内压薄壁圆筒和球壳的强度计算

8.3容器的压力试验

9.1概述9.1.1新容器的强度设计包括的内容1.确定设计参数：p、D、δ等；2.选择使用的材料；3.确定容器的结构形式；4.计算筒体与封头厚度；5.选取标准件；6.绘制设备图纸。9.1概述9.1.2

在用容器的强度校核的目的1.判定在下一个检验周期内或在剩余寿命期间内，容器是否还能在原设计条件下安全使用；2.当容器已被判定不能在原设计条件下使用时，应通过强度计算提出容器监控使用的条件；3.当容器针对某一使用条件需要判废时，应提出判废依据。9.2内压薄壁圆筒和球壳强度计算9.2.1薄壁圆筒强度计算公式1.理论计算厚度设圆筒的平均直径为D，厚度为δ，介质压力为p时，其径向薄膜应力σm与环向薄膜应力σθ分别为：9.2内压薄壁圆筒和球壳强度计算9.2内压薄壁圆筒和球壳强度计算2.设计壁厚与名义壁厚9-1式中的δ只考虑了φ，还不能作为选材的依据，还应考虑以下两个因素：①钢板负偏差：C1②腐蚀裕度：假设钢板的年腐蚀率为：λ（mm/a），容器预计使用n年，在使用期内器壁减薄量:C2=nλ。设计壁厚：GB150-1998《钢制压力容器》中规定，计算壁厚与腐蚀裕度之和称为设计壁厚，用δd表示。δd=δ+C2名义壁厚：设计壁厚加上钢板负偏差后向上圆整至钢板的标准规格厚度称为圆筒的名义厚度，用δn表示。

δn=δd+C1+Δ=δ+C1+C2+Δ9.2内压薄壁圆筒和球壳强度计算3.有效厚度计算厚度δ和圆整值Δ是容器在整个使用期内均可依赖其抵抗介质压力破坏的厚度，所以把δ+Δ称为圆筒的有效厚度，用表示。即：δe

=δ+Δ或δe

=δn-C1-C24.压力容器的最小厚度δmin当设计压力太低时，计算出的厚度不能满足制造、运输和安装时的刚度要求时，主要矛盾不是强度，而是δmin(不包括C2)。①对碳素钢、低合金钢制容器，δmin≥3mm；②对高合金钢制容器不大于2mm。9.2内压薄壁圆筒和球壳强度计算9.2.2薄壁球壳强度计算公式对于薄壁球壳，由于其主应力为：9.2内压薄壁圆筒和球壳强度计算9.2.3设计参数的确定1.设计压力pc除注明者外，压力一律指表压。设计压力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，其值不得小于最大工作压力p。①液体静压达到5%的设计压力时，则取二者之和。②容器装有安全阀时，pc=(1.05-1.1)p③使用爆破膜作为安全装置时，pc=(1.15-1.3)p④外压容器：应取不小于在正常操作情况下可能出现的最大内外压力差。⑤真空容器：装安全控制装置时，取1.25(p内-p外)或0.1MPa,两者中的较小值；无安全装置时，取0.1MPa。9.2内压薄壁圆筒和球壳强度计算2.设计温度设计温度系指容器在正常操作情况下，在相应设计压力下，容器壁温或受压元件的金属温度，其值不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度。容器的壁温可实测或由化工操作的传热过程计算确定。当无法预测壁温时，可参照教材122页表9-1所列情况确定。3.许用应力许用应力是容器设计的重要参数之一，它的选择是强度计算的关键。许用应力是以材料的极限应力为基础，并选择合理的安全系数得到的，即：

9.2内压薄壁圆筒和球壳强度计算极限应力的选择对于不同的材料，在不同的温度下取值不同。9.2内压薄壁圆筒和球壳强度计算4.焊接接头系数焊缝区是容器上强度比较薄弱的地方，焊缝区强度降低的原因在于焊接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是材料强度和塑性降低；由于结构的刚性约束造成焊缝内应力过大等。焊缝区的强度主要取决于溶焊金属、焊缝结构和施焊质量。设计所取的焊缝接头系数大小主要根据焊接接头的型式和焊缝质量的受检验程度而确定，可按表9-6选取。焊缝的射线和超声波探伤检验要求见表9-7。超声波探伤的合格标准见表9-8。为了消除焊接内应力并恢复组织，钢制压力容器及其受压元件应按GB150-1998《钢制压力容器》或《压力容器安全监察规程》的有关规定进行焊后热处理，需要进行焊后热处理的焊缝厚度范围见表9-9。9.2内压薄壁圆筒和球壳强度计算表9-6焊接接头系数9.2内压薄壁圆筒和球壳强度计算5.厚度附加量容器厚度附加量包括钢板或钢管厚度的负偏差C1和介质的腐蚀裕度C2。即C=C1+C2①钢板和钢管厚度的负偏差C1：按名义厚度δn选取。见教材127页，表9-10、表9-11。②腐蚀裕度：由介质对材料的均匀腐蚀速率与容器的设计寿命确定。

C2=λn式中，n-容器的设计寿命，通常为10-15年，

λ-腐蚀速率（mm/a),查材料腐蚀手册或实验确定。当λ=0.05-0.1mm/a时，单面腐蚀取C2=1mm；双面腐蚀取C2=2-4mm；当λ≤0.05mm/a时，单面腐蚀取C2=1mm，双面腐蚀取C2=2mm；一般对低碳钢和低合金钢，C2不小于1mm，不锈钢可取0。8.3容器的压力试验8.3.1试验压力液压试验压力，按下式确定：式中，PT-试验压力，MPa;P-设计压力，MPa;[σ]-试验温度下材料的许用应力，MPa；

[σ]t-设计温度下材料的许用应力，MPa；

[σ]/[σ]t-其比值最高不超过1.8，如超过1.8，按1.8计算。当容器各元件所用材料不同时，应取比值最小者。气压试验压力，按下式确定：8.3容器的压力试验8.3.2压力试验的要求与试验方法1.液压试验：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，保压时间一般不小于30min，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检查，如有漏泄，修补后重新试验。液压试验时，应注意下列事项。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。②使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。8.3容器的压力试验③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50C，其他低合金钢制容器液压试验时，液体温度不得低于150C。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。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.2.气压试验：对不适合做液压试验的容器，例如容器内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。所用气体为：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150C。8.3容器的压力试验试验程序是：缓慢升压到规定试验压力的10%，且不超过0.05MPa，保持5分钟，然后对所有的焊缝和连接部位进行多次检查；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。如有泄漏，修补后再按上述规定重新进行试验。3.气密试验：容器须经液压试验合格后，方可进行气密试验。其方法是：首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50C。容器作定期检验时，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。8.3容器的压力试验8.3.3压力试验前的应力校核在压力试验前，应对试验压力下产生的圆筒应力进行校核，即容器壁内所产生的最大应力不超过所用材料在试验温度上屈服极限的90%（液压试验）或80%（气压试验）。例9-1：已知：圆筒锅炉汽包内经Di=1200mm，操作压力为4MPa，蒸汽温度为2500C，装有安全阀，材料为20R，采用垫板对焊，全部探伤。试求：该汽包的厚度。解：1.确定参数Pc=1.1P工作=1.1×4=4.4MPa，Di=1200mm，[σ]t=104MPa（查表9-4，预计汽包厚度在17-36mm之间），φ=0.9(表9-6）。2.计算厚度3.确定厚度附加量预计δn在32-34mm之间，查表9-10得钢板负偏差C1=1mm,取C2=1mm，则C=C1+C2=2mm。所以，该汽包的厚度δn=δ+C1+C2+Δ=28.9+1+1+1.1=32mm。例9-2：已知：某石油分离中的乙烯精馏塔工艺要求为：塔体内径Di=600mm,设计压力P=2.2MPa;工作温度t=-3～-200C。试选择塔体的材料并确定厚度。

解：由于介质对材料腐蚀不大，根据压力、温度，查表9-3，选用20Ｒ或16MnR等容器用钢较为合适。1.选用20R钢板由于Pc=P=2.2MPa;Di=600mm;[σ]t=133MPa(查表9-4）;φ=0.8(表9-6）；C1=0.8mm,取C2=1mm。例9-3：已知：液氨贮罐内经Di=1200mm,贮罐长L=4m，工作温度为-10～500C，试决定贮罐筒体部分的尺寸。解：1.确定贮罐的设计压力和计算压力已知:在-100C时，氨的饱和蒸汽压力P=0.29MPa；500C时P=2.033MPa，因而取设计压力和计算压力为