内压薄壁圆筒与封头的强度设计

内压薄壁圆筒与封头的强度设计第一页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/19第四章内压薄壁圆筒与封头的强度设计本章重点：内压薄壁圆筒的厚度计算本章难点：厚度的概念和设计参数的确定计划学时：6学时第二页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/19第四章内压薄壁圆筒与封头的强度设计强度设计公式推导过程如下：①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；②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；③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数。④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。第三页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.1强度设计的基本知识关于弹性失效的设计准则1、弹性失效理论对于中、低压薄壁容器，目前通用的是弹性失效理论。依据这一理论，容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点σst，容器即告失效(失去正常的工作能力)，也就是说，容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屈服点，即σ当＜σs。第四页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.1强度设计的基本知识2．强度安全条件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力之间满足一定的关系。即σ0—极限应力（由简单拉伸试验确定）n—安全系数[σ]—许用应力σ当—相当应力，由强度理论来确定。第五页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.1强度设计的基本知识强度理论及其相应的强度条件以圆筒形容器作例：第六页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.1强度设计的基本知识第一强度理论——最大主应力理论第二强度理论——最大变形理论（与实际相关较大，未用）第三强度理论——最大剪应力理论第四强度理论——能量理论（适用于塑性材料）第七页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.1强度设计的基本知识第八页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.2内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计设计计算一、圆筒形容器1、强度设计公式根据前面所讲的第三强度理论，有：将平均直径换为圆筒内径D=Di+S;将压力p换为计算压力pc；考虑焊接制造因素φ，将[σ]换为[σ]tφ则有：第九页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.2内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计其中S—计算壁厚,mm[σ]t—材料在设计温度下的许用应力，Mpa;2、厚度的定义

计算厚度：

设计厚度

Sd=S＋C2

名义厚度

Sn=Sd＋C1＋圆整值=S＋C＋圆整值

有效厚度

Se=Sn－C第十页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.2内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计其中C1—钢板壁厚负偏差；

C2—腐蚀裕度；C=C1＋C2

如图所示C1C2圆整值加工减薄量C=C1+C2

第十一页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.2内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计3、校核公式若已知，要计算一台容器所能承受的载荷时4、采用无缝钢管作圆体时，公称直径为钢管的外径。第十二页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.2内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计上述计算公式的适用范围为pc≤0.4[σ]tφ。二、球形容器对于球形容器，由于其主应力为利用上述推导方法，可以得到球形容器壁厚设计计算公式，即上述球形容器计算公式的适用范围为pc≤0.6[σ]tφ。第十三页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.2内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计设计参数的确定1压力

工作压力pw：指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。

设计压力p：指设定的容器顶部的最高压力，它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。

计算压力pc：指在相应设计温度下，用以确定壳体各部位厚度的压力，其中包括液柱静压力。当壳体各部位或元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。第十四页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.2内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计2设计温度设计温度：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（沿元件金属截面厚度的温度平均值）。设计温度是选择材料和确定许用应力时不可少的参数。3许用应力和安全系数（1）许用应力的取法第十五页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.2内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计（2）安全系数的取法安全系数是不断发展变化的参数，科技发展，安全系数变小；

要求记忆：常温下，碳钢和低合金钢nb=3.0，ns=1.6。第十六页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.2内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计4焊接接头系数焊缝区是容器上强度比较薄弱的地方。焊缝区的强度主要决定于熔焊金属、焊缝结构和施焊质量。焊接接头系数的大小决定于焊接接头的型式和无损检测的长度比率。5厚度附加量C=C1+C2C1—钢板壁厚负偏差；按相应的钢板或钢管标准的规定选取．当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，负偏差可以忽略不计。第十七页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/19C2—腐蚀裕量；为防止容器元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄，应考虑腐蚀裕量。三压力试验与强度校核容器制成以后(或检修后投入生产之前)．必须作压力试验或增加气密性试验，其目的在于检验容器的宏观强度和有无渗漏现象，即考查容器的密封性，以确保设备的安全运行。对需要进行焊后热处理的容器，应在全部焊接工作完成并经热处理之后，才能进行压力试验和气密试验，对于分段交货的压力容器，可分段热处理．在安装4.2内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计第十八页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.2内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计工地组装焊接，并对焊接的环焊缝进行局部热处理之后，再进行压力试验。压力试验的种类、要求和试验压力值应在图样上注明。压力试验一般采用液压试验。对于不适合作液压试验的容器，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。1、试验压力内压容器的试验压力：第十九页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.2内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计式中：pT——试验压力，Mpa；

p——设计压力，Mpa；

[σ]——容器元件材料在试验温度下的许用应力，Mpa；

[σ]t——容器元件材料在设计温度下的许用应力，Mpa。2压力试验的应力校核第二十页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.2内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计σT应满足下列条件：3压力试验的试验要求与试验方法（1）液压试验（2）气压试验（3）气密性试验4例题第二十一页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.3内压圆筒封头的设计容器封头又称端盖，按其形状可分为三类；凸形封头、锥形封头和平板形封头。其中凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头(或称带折边的球形封头)和球冠封头(无折边球形封头)四种。半球形封头半球形封头(图4－3)是由半个球壳构成的，它的计算壁厚公式与球壳相同。第二十二页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.3内压圆筒封头的设计椭圆形封头椭圆形封头(图4－4)是由长短半袖分别为a和b的半椭球和高度为h。的短圆筒(通称为直边)两部分所构成。直边的作用是为了保证封头的制造质量和避免筒体与封头间的环向焊受边缘应力作用。有以下结论：当椭球壳的长短半轴a/b＞2时，椭球壳赤道上出现很大的环向应力(图3－25(c))，其绝对值远大于顶点的应力。从而引入形状系数K。（也称应力增加系数）第二十三页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.3内压圆筒封头的设计根据强度理论（具体推导过程可参阅华南理工大学P57），受内压（凹面受压）的椭圆形封头的计算厚度公式为：标准椭圆封头K=1（a/b=2），计算厚度公式为：第二十四页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.3内压圆筒封头的设计椭圆封头最大允许工作压力计算公式为：GB150-1998规定：

K≤1时，Se≥0.15DiK＞1时，Se≥0.30Di

但当确定封头厚度时，已考虑了内压下的弹性失稳问题，可不受此限制。现行的椭圆形封头标准为JB／T4737—95。第二十五页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.3内压圆筒封头的设计碟形封头由三部分构成：以Ri为半径的球面；以r为半径的过渡圆弧(即折边)；高度为h0的直边。同样，引入形状系数M，则其计算厚度公式为：第二十六页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.3内压圆筒封头的设计标准碟形封头：球面内半径Ri＝0.9Di，过渡圆弧内半径r=0.17Di，此时M＝1.325，计算壁厚公式：碟形封头最大允许工作压力为：第二十七页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.3内压圆筒封头的设计GB150-1998规定：

M≤1.34时，Se≥0.15DiM＞1.34时，Se≥0.30Di

但当确定封头厚度时，已考虑了内压下的弹性失稳问题，可不受此限制。碟形封头标准为JB576—64。4.3.4球冠形封头把碟形封头的直边及过渡圆弧部分去掉，只留下球面部分，并把它直接焊在筒体上，就构成球冠形封头。第二十八页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.3内压圆筒封头的设计受内压的球冠形端封头的计算厚度公式：4.3.5锥形封头由锥形壳体的应力分析可知，受均匀内压的锥形封头的最大应力在锥壳的大端，其值为：第二十九页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.3内压圆筒封头的设计其强度条件为：厚度计算公式为：锥壳的计算厚度公式：（4－27）按4－27式计算的锥形封头的厚度，由于没有考虑封头与筒体连接处的边缘应力，因而此厚度是不够的。连接处的边缘应力如下页图所示。第三十页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.3内压圆筒封头的设计为降低连接处的边缘应力，一般采用两种方法：（1）、局部加强：将连接处附近的封头及筒体厚度增大——无折边锥形封头；（2）、增加过渡圆弧：在封头与筒体之间增加一个过渡圆弧，整个封头由锥体、过渡圆弧及高度为h0折边三部分构成——带折边的锥形封头。第三十一页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.3内压圆筒封头的设计第三十二页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.3内压圆筒封头的设计第三十三页，共三十七页，2022年，8月28日2023/1/194.3内压圆筒封头的设计1、受内压无折边锥形封头（1）、锥壳大端连接处的厚度（适用于锥壳半顶角α≤30o时）首先判断是否需要加强（利用表4－15），若不需要加强，用4－27式计算；若需要加强，加强