内压薄壁容器

内压薄壁容器第一页，共五十二页，2022年，8月28日§8-1内压薄壁筒体和球壳一、内压薄壁圆筒强度计算公式1.理论计算厚度δ

应用第三强度理论：（7-22）

实际设计中还须考虑三个因素：①容器内径Di：D=Di+δ②焊接接头系数φ，［σ］t

［σ］tφ

③压力ppc2第二页，共五十二页，2022年，8月28日则（7-22）式变为：解出δ，得到内压圆筒的厚度计算式：式中δ-圆筒的理论计算厚度，

mm；

Di-圆筒内径，mm；

pc-筒体的计算压力，MPa；(8-1)［σ］t

－钢板在设计温度下的许用应力，MPa；φ－焊接接头系数。3第三页，共五十二页，2022年，8月28日2.设计厚度考虑介质腐蚀，在计算厚度δ的基础上，增加腐蚀裕度C2。筒体的设计厚度为：(8-2)3.名义厚度筒体设计厚度加上钢板厚度负偏差后向上圆整，即为筒体名义厚度，再进一步圆整为钢板标准厚度，则：(8-3)即：(8-3')4第四页，共五十二页，2022年，8月28日4.有效厚度真正可以承受介质压力的厚度称为有效厚度。(8-4)5.筒壁的应力校核公式：(8-5)6.筒壁的最大允许工作压力计算公式为：

5第五页，共五十二页，2022年，8月28日二、薄壁球壳强度计算公式利用上述推导方法，可以得到球壳壁厚设计计算公式，(8-7)

优点：当容器直径、压力相同时，球壳内应力仅是圆筒形壳体环向应力的一半，即球形壳体的厚度仅需圆筒容器厚度的一半。同时球表面积最小，故大型贮罐制成球形较为经济。缺点：球形容器加工困难，需分瓣冲压后再组焊成型。且不宜安装内件。δd、δn的计算同圆筒体。6第六页，共五十二页，2022年，8月28日§8-2设计参数的确定

一、容器直径钢板卷焊筒体：Di即DN，见表8-1。无缝钢管作筒体：外径Do为公称直径，见表8-2。二、工作压力与设计压力最大工作压力pw：是指容器顶部在工作过程中可能产生的最高压力（表压）。设计压力p：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，P≥Pw。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，Pc=P+PL(当PL≤5%P时，PL可忽略不计)7第七页，共五十二页，2022年，8月28日设计压力p≥pw，具体可参照以下情况定：一般情况下取P=Pw。容器上装有安全阀时，设计压力不小于安全阀开启压力或取P=(1.05~1.10)Pw

；容器上装有爆破膜时，

P=(1.15~1.30)Pw

；对于装有液化气体的容器，取工作时可能达到的最高温度下液化气体的饱和蒸气压作为设计压力。容器内盛有液体，若其静压力不超过最大工作压力的5％，则设计压力可不计入静压力，否则，须在设计压力中计入液体静压力。8第八页，共五十二页，2022年，8月28日当容器内的介质易于结晶或聚合，或带有较多的粘性物质，容易堵塞安全阀，此时应选用爆破片。夹持器爆破片9第九页，共五十二页，2022年，8月28日三、设计温度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。可参照以下情况确定：不被加热或冷却，取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，取载体最高温度或最低温度；储存容器的设计温度，按气象资料，最低温度取历年来月平均最低值。10第十页，共五十二页，2022年，8月28日四、许用应力GB150-98规定：[σ]t=σbt/nbσst/nsσnt/nnσDt/nD取小值可参考表8-6，8-7，8-8，8-9（要会查表）。当设计温度低于0℃时，取20℃时的许用应力。11第十一页，共五十二页，2022年，8月28日12第十二页，共五十二页，2022年，8月28日五、焊接接头系数夹渣、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强度。用钢板[σ]t乘以焊接接头系数φ，φ≤1，φ根据接头型式及无损检测比例确定。13第十三页，共五十二页，2022年，8月28日六、壁厚附加量C

C=C1+C2⑴钢板负偏差(或钢管负偏差)

C1（mm）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

0.2

0.2

厚度6～78～2526～3032～34

36～4042～50

52～60

负偏差0.60.8

0.91

1.11.21.3

14第十四页，共五十二页，2022年，8月28日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。

C2=nλn：设计寿命，λ：年腐蚀率塔类、反应器类容器设计寿命n一般按20年考虑，换热器壳体、管箱及一般容器按10年考虑。①腐蚀速度λ＜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；②当腐蚀速度λ＞0.05mm／a时，单面腐蚀取C2＝2mm，双面腐蚀取C2＝4mm。③不锈钢取C2＝0。⑵腐蚀裕量C215第十五页，共五十二页，2022年，8月28日七、容器最小壁厚δmin设计压力较低的容器按式（8-1）计算出的厚度很薄，最小厚度是指为满足容器在制造、运输、及安装过程中的刚度要求而规定的。壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小壁厚δmin：

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。如一容器内径为1m，P=0.1MPa，t≤150℃，材料为Q235-A，其［σ］t=113MPa，C2=1mm16第十六页，共五十二页，2022年，8月28日§8-3容器的压力试验和致密性试验容器制成后或经长时期使用进行大修后，在交付使用前须进行压力试验，试验合格后方能交付使用。

压力试验的目的：检查容器的宏观强度，以及密封结构和焊缝有无渗漏，把容器的潜在缺陷在使用以前充分暴露出来，以确保容器的安全运行。压力试验液压试验气压试验17第十七页，共五十二页，2022年，8月28日压力试验选择18第十八页，共五十二页，2022年，8月28日试验介质一般用洁净的水—水压试验。试验压力pT试验应力校核

∵PT>P，∴要进行试验应力校核。（8-6b）

式中：σs—

常温屈服极限若不满足（8-6b）条件，则应适当增加由式（8-3'）计

算所得壁厚。（8-6a）一、液压试验19第十九页，共五十二页，2022年，8月28日液压试验步骤20第二十页，共五十二页，2022年，8月28日二、气压试验试验介质可用干燥洁净的空气、氮气、无毒的惰性气体。

试验前要做好防护准备，主要焊缝要100%无损探伤。试验压力pT（8-6c）试验应力校核

式中：σs—

常温屈服极限若不满足（8-6d）条件，则应适当增加由式（8-3'）计

算所得壁厚。（8-6d）21第二十一页，共五十二页，2022年，8月28日气压试验步骤22第二十二页，共五十二页，2022年，8月28日三、气密性试验对压力较高或盛装有毒或易燃介质的压力容器，在液压试验合格后还需进行致密性试验，以检查其密封的可靠性。23第二十三页，共五十二页，2022年，8月28日例题8-1：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。式中p＝2.2MPa，Di=600mm，[σ]＝170MPa，φ=0.8，C2=1.0mm考虑钢板厚度负偏差C1＝0.6mm，圆整取δn=7mm解：1.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(8-3´)δe=δn－C=7－（0.6+1）=5.4mm24第二十四页，共五十二页，2022年，8月28日16MnR的屈服限σs=345MPa（附表）∴水压试验时满足强度要求。2.水压试验时的应力校核

∴塔体可用7mm厚的钢板制作。25第二十五页，共五十二页，2022年，8月28日§8-4内压薄壁封头壁厚计算封头凸形封头椭圆形封头碟形封头半球形封头球面形封头锥形封头折边锥形封头无折边锥形封头平板形封头26第二十六页，共五十二页，2022年，8月28日封头无折边锥形封头折边锥形封头平板形封头27第二十七页，共五十二页，2022年，8月28日半球形封头椭圆形封头碟形封头折边锥形封头球冠形封头平板封头28第二十八页，共五十二页，2022年，8月28日一、半球形封头半球形封头由半个球壳构成，计算壁厚公式与球壳相同(8-7)δ

d、δ

n的计算同筒体；壁厚大约为筒体一半；小型（Di≤1.2m）可整体冲压，Di≤1.2m时，φ=1；大型分瓣冲压后再组焊。29第二十九页，共五十二页，2022年，8月28日二、椭圆形封头组成：长短轴分别为Di和2h的半椭球和高度为h0的短圆筒(直边)直边的作用：避免筒体与封头间环向焊缝受边缘应力的影响

计算厚度

K－椭圆形封头形状系数30第三十页，共五十二页，2022年，8月28日标准椭圆形封头当Di/2h=2时最大薄膜应力位于椭球顶点，其值与筒体的环向应力相同（与筒体等强度），且封头深度适中，较易加工，∴定义Di/2h=2的椭圆封头为标准椭圆封头。标准椭圆封头K=1，计算厚度公式为

忽略分母上微小差异，大多数椭圆封头与筒体同厚。

δd、δn的计算同筒体；小型（Di≤1.2m）可整体冲压，此时φ=1。（8-8）注意：教材中的简化公式一律不准用！31第三十一页，共五十二页，2022年，8月28日

标准椭圆形封头的直边高度（mm）由表8-12确定。封头材料碳钢、普低钢、复合钢板不锈钢、耐酸钢

封头壁厚4～8

10～18≥20

3～910～18≥20

直边高度254050254050

现行的椭圆形封头标准为JB／T4737—95。椭圆形封头和碟形封头的直边高度32第三十二页，共五十二页，2022年，8月28日δ三、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。（加折边和直边的目的？）

同样引入形状系数M

计算厚度33第三十三页，共五十二页，2022年，8月28日标准碟形封头：球面内半径Ri

=0.9Di，过渡圆弧内半径r=0.17Di，此时M＝1.325，MRi=1.325×0.9Di=1.2Di标准碟形封头（8-11）计算壁厚公式：相同受力条件下，碟形封头壁厚比椭圆形封头壁厚要大，而且碟形封头存在应力不连续，因此没有椭圆形封头应用广泛，已逐步淘汰。优点是加工较易，既可以模压成型，也可以人工打制。第三十四页，共五十二页，2022年，8月28日四、球冠形封头为降低凸形封头高度，将碟形封头的直边及过圆弧部分去掉，只留下球面部分；边缘应力大，易开裂；可用于容器中两个相邻承压空间的中间封头，也可用于容器的端封头。35第三十五页，共五十二页，2022年，8月28日广泛用于化工设备(如蒸发器、喷雾干燥器、结晶器及沉降器等)的底盖，便于收集与卸除设备中的固体物料。塔设备上、下部分的直径不等，也常用锥形壳体连接，称为变径段。五、锥形封头36第三十六页，共五十二页，2022年，8月28日（一）无折边锥形封头或锥形筒体边缘应力大，适用于锥壳半锥角α≤30°可得计算壁厚：判断是否需要加强仅考虑薄膜应力时，大端应力（8-14）（7-10）第三十七页，共五十二页，2022年，8月28日图8-638第三十八页，共五十二页，2022年，8月28日式（8-14）是按薄膜应力推出的，无折边锥形封头在与筒体连接处有很大的边缘应力，∴仅根据式（8-14）计算出的壁厚不一定能满足强度要求，实际计算时常将（8-14）写为：（8-15）式中Q—

系数，可查图8-7，若点落在直线上，说明按薄膜应力计算的壁厚满足强度要求，此时Q=1/cosα，若点落在斜线上，说明式（8-15）考虑了边缘应力，Q>1/cosα，此时筒体在连接处也应局部加厚。如图（8-7）示。39第三十九页，共五十二页，2022年，8月28日Q=1/cosα图8-7系数Q无折边锥形封头40第四十页，共五十二页，2022年，8月28日（二）折边锥形封头或锥形筒体组成：锥体、折边、直边；边缘应力存在情况；边缘应力较无折边时小，可用于锥壳半锥角α

＞

30°时；当锥壳半锥角α＞60°时，按平盖计算。41第四十一页，共五十二页，2022年，8月28日1.应力：以锥体大端和折边两部分的应力为主，其中锥体大端应力大于折边部分应力，∴壁厚计算以锥体大端为准。

2.计算壁厚（8-16）f0—系数，见表8-14

；标准折边锥形封头：α=30°，45°，r/Di=0.15折边锥形封头壁厚计算42第四十二页，共五十二页，2022年，8月28日

壁厚大于筒体。可冷卷或热冲压加工。43第四十三页，共五十二页，2022年，8月28日六、平板封头平板封头是化工设备常用的一种封头。有圆形、椭圆形、长圆形、矩形和方形等，最常用的是圆形平板封头。平板封头结构最简单，制造方便，但在同样直径、压力下所需的厚度最大，因此一般只用于小直径和压力很低的容器以及人孔、手孔盖等。但有时在高压容器中，如合成塔中也用平盖，这是因为它的端盖很厚且直径较小，制造直径小厚度大的凸形封头很困难。44第四十四页，共五十二页，2022年，8月28日平板封头的壁厚计算式设计公式是半经验公式

（8-17）δB——平板封头的计算壁厚，mm；

pc——计算压力，MPa；

K——结构特征系数（表8-15）；

Dc——计算直径（表8-15）mm；φ——焊接接头系数45第四十五页，共五十二页，2022年，8月28日平盖（平板封头）46第四十六页，共五十二页，2022年，8月28日封头选择1.受力角度：由半球形－椭圆形－碟形－锥形－平板变差2.加工角度：由半球形－椭圆形－碟形－锥形－平板变易

一般中低压容器常用标准椭圆形封头！47第四十七页，共五十二页，2022年，8月28日内压薄壁容器设计计算步骤1.选材：Q235-A、Q235-B、20R、16MnR、不锈钢等2.选取参数：P、t、[σ]t、φ、σs、C1、C23.计算筒体壁厚：4.筒体水压试验应力校核：5.设计封头①选型：中低压容器常用标准椭圆形封头；②壁厚计算。48第四十八页，共五十二页，2022年，8月28日§8-5在用压力容器的强度校核1.工作应力校核2.水压试验应力校核

筒体、椭圆形封头：