内压容器设计

内压容器设计第一页，共三十一页，2022年，8月28日压力容器的载荷与应力容器设计核心问题：

研究容器在外载荷作用下，有效抵抗变形和破坏的能力，处理强度、刚度和稳定性问题，保证容器的安全性和经济性。第二页，共三十一页，2022年，8月28日圆筒轴向应力假设在内压薄壁容器的应力分析图（上沿AB圆周作一截面，将圆筒分为两部分，以下部为研究对象。作用在容器内表面的介质压力，分布在圆面积；容器的切割面是一圆环面，在此圆环面上，受均匀分布的拉应力。对（b）建立平衡方程：第三页，共三十一页，2022年，8月28日圆筒环向应力如内压薄壁容器的应力分析图所示，在图（b）上沿CD面再做一横截面，过圆筒轴线又再做一垂直截面，如图（c），建立水平方向的平衡条件：第四页，共三十一页，2022年，8月28日比较两式可知：薄壁圆筒受内压时，环向应力是轴向应力的两倍。因此，在设计过程中，如在筒体上开椭圆孔，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。筒体的纵向焊缝受力大于环向焊缝，施焊时应予以注意。第五页，共三十一页，2022年，8月28日压力容器的不连续分析a.不连续效应或边缘效应容器由于总体结构的不连续而在连接边缘的局部地区出现衰减很快的应力升高现象，称为“不连续效应”或“边缘效应”。

b.不连续应力或边缘应力由于不连续而引起的局部应力称为“不连续应力”或“边缘应力”。第六页，共三十一页，2022年，8月28日不连续应力的局部性和自限性

理论与实验均已证明，发生在连接边缘处的边缘应力具有局限性和自限性两个基本特性：1．局限性——不同性质的联接边缘产生不同的边缘应力，但它们大多数都有明显的衰减波特性，随着离开边缘的距离增大，边缘应力迅速衰减。2．自限性——由于边缘应力是两联接件弹性变形不一致，相互制约而产生的，一旦材料产生了塑性变形，弹性变形的约束就会缓解，边缘应力自动受到限制，这就是边缘应力的自限性。因此，若用塑性好的材料制造筒体，可减少容器发生破坏的危险性。正是由于边缘应力的局部性与自限性，设计中一般不按局部应力来确定厚度，而是在结构上作局部处理。但对于脆性材料，必须考虑边缘应力的影响。第七页，共三十一页，2022年，8月28日内压薄壁容器的设计圆筒和球壳的设计计算设计参数的规定压力实验封头的设计计算第八页，共三十一页，2022年，8月28日(一)设计内容：容器应根据工艺过程要求和条件，进行结构设计和强度设计。结构设计主要选择适用、合理、经济的结构形式，同时满足制造、检测、装配、运输和维修的要求。强度计算内容包括选择容器的材料，确定主要尺寸，满足确定、刚度和稳定性的要求，以确保容器安全可靠地运行。第九页，共三十一页，2022年，8月28日（二）设计方法常规设计：又称规则设计，依据“钢制压力容器”国家标准进行设计。该标准采用弹性失效准则，对壳体应力不作详细分析，只计算总体应力，并限制壳体的基本（薄膜）应力不超过材料的许用应力值。而由于总体结构不连续引起的附加应力，以应力增强系数引入壁厚计算。分析设计：要求对容器的载荷做详细的分析。并根据载荷的性质进行分类，在此基础上，对不同的应力加以限制。第十页，共三十一页，2022年，8月28日（三）强度理论按照强度理论，对于钢制容器适宜于采用第三、第四强度理论，但是，第一强度理论在容器设计历史上使用最早，有成熟的实践经验，而且由于强度条件不同而引起的误差已考虑在安全系数内，所以至今在容器常规设计中仍采用第一强度理论，对于内压薄壁回转壳体，通常，第一主应力为周向应力，第二主应力经向应力，另一个主应力为径向应力。第十一页，共三十一页，2022年，8月28日设计参数的规定（一）设计压力和设计温度容器的设计压力是指在相应的设计温度下，用以确定容器壳体厚度的表压力，其值不小于容器的最大工作压力，容器的最大工作压力是指在正常操作情况下容器顶部可能出现的最高表压力。对承装液化气体的容器，设计压力应根据容器规定的充装系数和操作条件下允许达到的最高金属温度确定。若容器装有液体，当容器各部位或受压元件所承受的液柱静压力达到设计压力的5%时，液柱静压力应计入该部位或元件的设计压力内。第十二页，共三十一页，2022年，8月28日（一）设计压力和设计温度设计温度指容器在正常操作情况下，在相应设计压力下设定的受压元件的金属温度，其值不得低于金属可能达到的最高金属温度。对于0度以下的金属温度，则设计温度不得低于元件金属可能达到的最低金属温度。容器金属温度可通过实测或由传热学估算。第十三页，共三十一页，2022年，8月28日（二）焊缝系数绝大多数容器采用焊接结构，焊接时由于可能出现的焊接缺陷，焊缝往往是容器强度比较薄弱的节，因此在设计中用焊缝系数来表示焊缝金属与母材强度的比值。它反映出容器受削弱的度。第十四页，共三十一页，2022年，8月28日(三)壁厚附加量

厚度附加量由两部分组成：钢板或钢管的厚度负偏差C1和腐蚀裕度C2。C=C1+C2。C1按相应钢板或钢管标准选取。容器用钢板负公差不超过0.25mm,。C2由介质的腐蚀性和容器的使用寿命确定。对于碳素钢和低合金钢，C2不小于1mm，对于不锈钢，当介质的腐蚀性极少时，可取为零。此外，对于冲压成型后的封头和热卷的圆筒，制造厂应保证成品的实际厚度不小于名义厚度剪去钢材厚度的负偏差。第十五页，共三十一页，2022年，8月28日（四）许用应力和安全系数许用应力是容器壳体等受压元件的材料许用强度，取材料的极限强度与相应的安全系数之比。极限强度要根据失效类型来确定，安全系数则受操作工况、材料、制造质量和计算方法等因素的影响。采用过小的许用应力或过大的安全系数，会使设计的部分过分笨重而浪费材料，反之会使部件过于单薄而破损，因此合理选择许用应力或安全系数是关系设计先进可靠与否的问题。

第十六页，共三十一页，2022年，8月28日(五)最小壁厚

最小壁厚确定：对碳钢和低合金钢，当内直径Di≤3800mm时，其最小壁厚

且不小于3mm，腐蚀裕度另加。当内直径Di>3800mm时，其最小壁厚tmin按运输与现场制造条件确定。对不锈钢容器，取tmin不小于2mm。第十七页，共三十一页，2022年，8月28日压力实验(一)试验内容

包括强度试验和致密性试验(二)试验目的

强度试验：检查容器在超工作压力下的宏观强度，包括检查材料的缺陷、容器各部分的变形，焊接接管的强度和容器法兰连接的泄漏检查。通常包括液压和气压试验。致密性试验：对密封性要求非常高的重要容器在强度合格后进行的泄漏检查。

液压试验的介质一般是水，对于碳素钢、16MnR钢、和正火15MnVR钢，液体温度不得低于5度，其他低合金钢容器，液体温度不得低于15度。第十八页，共三十一页，2022年，8月28日封头的设计

第十九页，共三十一页，2022年，8月28日第二十页，共三十一页，2022年，8月28日(一)封头的种类常见的容器封头包括：半球形椭圆形碟形无折边球形封头圆锥形平板封头第二十一页，共三十一页，2022年，8月28日对于受均匀内压封头的强度计算，由于封头和圆筒形器身相连接，所以不仅需要考虑封头本身因内压引起的薄膜应力外，还要考虑与筒身连接处的不连续应力。连接处总应力的大小与封头的几何形状和尺寸，封头与筒身壁厚的比值大小有关。封头设计中采用了比较简单的方法，在导出基本公式时利用内压薄膜应力作为强度计算中的基本应力，而把因不连续效应产生的应力增强影响以应力增强系数的形式引入厚度计算。应力增强系数由有力矩理论解析导出，并辅以试验修正。第二十二页，共三十一页，2022年，8月28日(二)封头的结构特性（1）半球形封头是半个球壳。从受力来看，球形封头是最理想的结构。但整体冲压困难，加工工作量大。第二十三页，共三十一页，2022年，8月28日(二)封头的结构特性（2）碟形封头是球面、过渡段及圆柱直边段三段组成。成型加工方便，但在三部分连接处，由于经线曲率发生突变，受力状况不佳。第二十四页，共三十一页，2022年，8月28日(二)封头的结构特性（3）椭圆形封头由半个椭球面和一圆柱直边段组成。由于椭圆部分经线曲率平滑连续，故封头中的应力分布比较均匀。结构特性介于半球形和碟形封头之间。第二十五页，共三十一页，2022年，8月28日(二)封头的结构特性（4）无折边球形封头由部分球面封头与圆筒直接连接。结构简单，制造方便，但在球面与圆筒连接处存在相当大的不连续应力。只能用于压力不高的场合。第二十六页，共三十一页，2022年，8月28日(二)封头的结构特性（5）锥形封头有两种，一种是无折边锥形封头，另一种是与筒体连接处有一过渡圆弧和一圆柱直边段的折边锥形封头。对于气体的均匀进入和引出，不同直径圆筒的过渡是理想的结构，在厚度较薄时，制造比较方便。第二十七页，共三十一页，2022年，8月28日(二)封头的结构特性（6）平板封头是最简单，制造最容易的一种封头。但相同直径和压力的容器，平板封头厚度过大，材料耗费过多而且十分笨重。第二十八页，共三十一页，2022年，8月28日(二)封头的结构特性

综上所述，从受力情况来看，半球形最好，椭圆形、碟形其次、锥形更次值、而平板最差。从制造角度来看，平板最容易，锥形其次，碟形、椭圆形更次之，而半球形最难。在实际生产中，大多采用椭圆形封头，常压或直径不大的高压容器常用平板封头，半球形封头一般用于低压，锥形封头的受力情况仅优于平板盖，它只在容器的生产工艺确实需要的情况下才采用。

第二十九页，共三十一页，2022年，8月28日（一）密封机理预紧螺栓时，螺栓力通过法兰压紧面使垫片发弹性或塑性变形，从而阻止流体泄漏，当设备操作时，由于内压升起，螺栓被拉长，法兰压紧面分开，如果垫片与压紧面之间没有足够的压紧力，