第六章内压薄壁容器设计

会计学1第六章内压薄壁容器设计㈡圆筒形薄壁容器承受内压时的应力只有拉应力无弯曲“环向纤维”和“纵向纤维”受到拉力。s1（或s轴）圆筒母线方向(即轴向)拉应力，s2（或s环）圆周方向的拉应力。第1页/共31页㈢圆筒的应力计算

1.轴向应力D-筒体平均直径，亦称中径，mm；

第2页/共31页2.环向应力薄壁圆筒形压力容器环向应力轴向应力的二倍。第3页/共31页分析：（1）薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍。问题a：筒体上开椭圆孔，如何开?应使其短轴与筒体的轴线平行，以尽量减少开孔对纵截面的削弱程度，使环向应力不致增加很多。第4页/共31页分析：问题b：钢板卷制圆筒形容器，纵焊缝与环焊缝哪个易裂？筒体纵向焊缝受力大于环向焊缝，故纵焊缝易裂，施焊时应予以注意。第5页/共31页（2）分析式(4-1)和(4-2)也可知，内压筒壁的应力和d/D成反比，d/D

值的大小体现着圆筒承压能力的高低。因此，分析一个设备能耐多大压力，不能只看厚度的绝对值。第6页/共31页例题：有一外径为219mm的氧气瓶，最小厚度为6.5mm，材料为40Mn2A，工作压力为15MPa，试求氧气瓶壁应力解析：平均直径mm经向应力MPa环向应力MPa第7页/共31页二、筒体强度计算实际设计中须考虑三个因素：（1）焊接接头系数（2）容器内径（3）壁厚

筒体内较大的环向应力不应高于在设计温度下材料的许用应力，即[s]t-设计温度t℃下材料许用应力，MPa。第8页/共31页㈠焊接接头系数

钢板卷焊、夹渣、气孔、未焊透等缺陷，导致焊缝及其附近区域强度可能低于钢材本体的强度。钢板[σ]t乘以焊接接头系数φ，φ≤1

第9页/共31页㈡容器内径

工艺设计确定内径Di，制造测量也是内径，而受力分析中的D却是中面直径。解出d，得到内压圆筒的厚度计算式第10页/共31页㈢壁厚

考虑介质腐蚀，计算厚度d的基础上，增加腐蚀裕度C2。筒体的设计厚度为承受应力的厚度，又称计算壁厚设计壁厚考虑钢板厚度负偏差C1，名义壁厚为：式中:

d-圆筒计算厚度，mm；

dd-圆筒设计厚度，mm；δn-圆筒设计厚度，mm

Di-圆筒内径，mm；

p-容器设计压力，MPa；

j-焊接接头系数。第11页/共31页另一种情况：对于已有的圆筒，测量厚度为dn，则其最大许可承压的计算公式为：式中：dn-圆筒名义厚度圆整成钢材标准值；C1-钢板负偏差筒体设计厚度加上厚度负偏差后向上圆整，即为筒体名义厚度。第12页/共31页de-圆筒有效厚度C-厚度附加量。

设计温度下圆筒的计算应力C1—钢材厚度负偏差C2—腐蚀裕量第13页/共31页负偏差腐蚀余量有效厚度第14页/共31页三、设计参数厚度设计参数按GBl50-1998中规定取值。设计压力、设计温度、许用应力、焊接接头系数厚度附加量等参数的选取。第15页/共31页㈠设计压力（计算压力）设计压力:相应设计温度下确定壳壁厚度的压力，亦即标注在铭牌上的容器设计压力。其值稍高于最大工作压力。最大工作压力：是指容器顶部在工作过程中可能产生的最高压力（表压）。使用安全阀时设计压力不小于安全阀开启压力或取最大工作压力1.05～1.10倍；使用爆破膜根据其型式，一般取最大工作压力的1.15～1.4倍作为设计压力。第16页/共31页㈡设计温度选择材料和许用应力的确定直接有关。设计温度指容器正常工作中，在相应的设计条件下，金属器壁可能达到的最高或最低温度。器壁温度通过换热计算。不被加热或冷却，筒内介质最高或最低温度。用蒸汽、热水或其它载热体加热或冷却，载体最高温度或最低温度。不同部位出现不同温度分别计算。第17页/共31页㈢许用应力许用应力是以材料的各项强度数据为依据，合理选择安全系数n得出的。抗拉强度、屈服强度，蠕变强度、疲劳强度。取其中最低值。当设计温度低于0℃时，取20℃时的许用应力。第18页/共31页㈣焊接接头系数焊接削弱而降低设计许用应力的系数。根据接头型式及无损检测长度比例确定。焊接接头形式无损检测的长度比例100%局部双面焊对接接头或相当于双面焊的对接接头1.00.85单面焊对接接头或相当于单面焊的对接接头0.90.8符合《压力容器安全技术检察规程》才允许作局部无损探伤。抽验长度不应小于每条焊缝长度的20％。第19页/共31页㈤厚度附加量满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚度量，包括由钢板负偏差(或钢管负偏差)Cl、腐蚀裕量

C2，即C＝

Cl十

C2厚度22.22.52.8～3.03.2～3.53.8～4

4.5～5.5负偏差0.130.140.150.160.18

0.20.2厚度6～78～2526～3032～34

36～4042～50

52～60

负偏差0.60.80.911.11.21.3

第20页/共31页腐蚀裕量C2：应根据各种钢材在不同介质中的腐蚀速度和容器设计寿命确定。塔类、反应器类容器设计寿命一般按20年考虑，换热器壳体、管箱及一般容器按10年考虑。第21页/共31页腐蚀速度＜0.05mm／a(包括大气腐蚀)时：碳素钢和低合金钢单面腐蚀C2＝1mm，双面腐蚀取C2＝2mm，当腐蚀速度＞0.05mm／a时，单面腐蚀取C2＝2mm，双面腐蚀取C2＝4mm。不锈钢取C2＝0。设计者适当加入工艺减薄量，第22页/共31页四、最小壁厚设计压力较低的容器计算厚度很薄。大型容器刚度不足，不满足运输、安装。限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求。壳体加工成形后不包括腐蚀裕量最小厚度dmin：

a.碳素钢和低合金钢制容器不小于3mm

b．对高合金钢制容器，不小于2mm第23页/共31页五、压力试验目的：制造加工过程不完善，导致不安全，发生过大变形或渗漏。最常用的压力试验方法是液压试验。常温水。也可用不会发生危险的其它液体试验时液体的温度应低于其闪点或沸点。第24页/共31页不适合作液压试验，如装入贵重催化剂要求内部烘干，或容器内衬耐热混凝土不易烘干，或由于结构原因不易充满液体的容器以及容积很大的容器等，可用气压试验代替液压试验。第25页/共31页对压力试验的规定情况表试验类型试验压力强度条件说明备注液压试验

立式容器卧置进行水压试验时，试验压力应取立置试验压力加液柱静压力。压力试验时，由于容器承受的压力pT

高于设计压力p，故必要时需进行强度效核。

气压试验

pT-试验压力，MPa；p-设计压力，MPa；

[s]一试验温度下的材料许用应力，MPa；

[s]T

一设计温度下的材料许用应力，MPa

第26页/共31页例：某化工厂欲设计一台石油气分离工程中的乙烯精馏塔。工艺要求为塔体内径Di=600mm；设计压力p＝2.2MPa；工作温度t＝-3～-20℃。试选择塔体材料并确定塔体厚度。解：由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在-20℃以上，承受一定的压力，故选用16MnR。根据式式中p＝2.2MPa；Di=600mm；[s]＝170MPaj=0.8(查表)；C2=1.0mm

得：第27页/共31页考虑钢板厚度负偏差C1＝0.6mm圆正取dn=7mm水压试验时的应力

16MnR的屈服限ss=34