内压薄壁圆筒和球壳设计

1第9章内压薄壁圆筒和球壳设计2压力容器发展趋势大型化选用高强度材料高参数根据给定的，遵循规定，在确保的前提下，经济、正确地，并进行结构、强（刚）度和密封设计。压力容器设计工艺设计条件现行的规范标准安全选择材料9内压薄壁圆筒和球壳设计3结构设计——确定合理、经济的结构形式，满足制造、检验、装配、运输和维修等要求。强（刚）度设计——确定结构尺寸，满足强度或刚度及稳定性要求，确保容器安全可靠运行密封设计——选择合适的密封结构和材料，保证密封性能良好。9内压薄壁圆筒和球壳设计（续）49内压薄壁圆筒和球壳设计（续）用户提出基本设计要求↓分析容器的工作条件，确定设计参数↓结构分析、初步选材↓选择合适的规范和标准↓应力分析和强度计算↓确定构件尺寸和材料↓绘制图纸，提供设计计算书和其它技术文件压力容器设计的基本步骤5

压力容器强度计算的内容

——新容器的强度设计及在役容器的强度校核。9内压薄壁圆筒和球壳设计（续）

对已投入使用压力容器要实施定期检验制度，根据实测的厚度进行强度校核——

（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。69内压薄壁圆筒和球壳设计（续）9.2内压薄壁圆筒和球壳强度计算1、薄壁圆筒强度计算公式（1）理论计算厚度（计算厚度）设一薄壁圆筒的平均直径为D，厚度为δ，在承受介质的内压为p时，其经向薄膜应力σm与环向薄膜应力σθ分别为79内压薄壁圆筒和球壳设计（续）根据第三强度理论，筒壁一点处的相当应力σr3为（a）按照薄膜应力强度条件（b）式中[σ]t——钢板在设计温度下的许用应力。89内压薄壁圆筒和球壳设计（续）筒体——钢板卷焊而成99内压薄壁圆筒和球壳设计（续）

钢板的许用应力——强度较低的焊缝金属许用应力代替，将钢板的许用应力[σ]t乘以一个焊接接头系数ф（ф≤1）（c）安全承受压力p圆筒所需的最小理论计算厚度10接头形式和无损检测要求及长度比例焊缝缺陷夹渣、未熔透、裂纹、气孔等焊缝热影响区晶粒粗大母材强度或塑性降低薄弱环节焊接接头系数——焊缝金属与母材强度比值，反映容器强度受削弱程度影响因素9内压薄壁圆筒和球壳设计（续）119内压薄壁圆筒和球壳设计（续）（2）设计厚度与名义厚度——选用钢板时需考虑两个实际因素。（a）钢板负偏差钢板实际厚度>名义厚度——正偏差钢板实际厚度<名义厚度——负偏差（名义厚度是钢板出厂时所标明的厚度）钢板和钢管厚度负偏差按相应的钢板或钢管标准选取。负偏差应按名义厚度δn选取。当实际钢板厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，可取C1=0。129内压薄壁圆筒和球壳设计（续）139内压薄壁圆筒和球壳设计（续）（b）腐蚀裕量

——防止容器受压元件由于均匀腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄。与腐蚀介质直接接触的筒体、封头、接管等受压元件，均应考虑材料的腐蚀裕量。C2=λnλ——腐蚀速率(mm/a)，查腐蚀手册或由实验确定；

n——容器的设计寿命，通常为10~15年。149内压薄壁圆筒和球壳设计（续）

当材料的腐蚀速率为0.05～0.1mm/a时，单面腐蚀取C2=1mm；双面腐蚀取C2=2～4mm；当材料的腐蚀速率小于或等于0.05mm/a时，单面腐蚀取C2=1mm；双面腐蚀取C2=2mm。一般对碳素钢和低合金钢，C2不小于1mm；对不锈钢，当介质的腐蚀性极微时，可取C2=0。容器厚度附加量C——钢板或钢管厚度的负偏差C1和介质的腐蚀裕量C2之和C=C1+C2159内压薄壁圆筒和球壳设计（续）设计厚度——计算厚度与腐蚀裕量之和，用δd表示（9-2）名义厚度——将设计厚度加上钢板负偏差后向上圆整至钢板的标准规格厚度，用δn表示（9-3）常用钢板的标准规格厚度——2，3，4，（5），6，8，10，12，14，16，18，20，22，25，28，30，32，….169内压薄壁圆筒和球壳设计（续）（3）有效厚度——从真正可作为依靠来承受介质压力的厚度而言，只有δ和Δ，把δ与Δ之和称为圆筒的有效厚度，用δe表示，即或179内压薄壁圆筒和球壳设计（续）（4）压力容器的最小厚度内压圆筒计算厚度仅从强度考虑得出的。当设计压力不太低时，计算所得厚度基本符合使用要求，强度要求是决定容器厚度的主要考虑因素。当设计压力很低时，按强度公式计算出的厚度就太小，不能满足制造、运输和安装时的刚度要求。规定不包括腐蚀裕量的最小厚度。最小厚度δmin（不包括腐蚀裕量）按下面确定：（1）对碳素钢、低合金钢制容器，δmin

≥3mm；（2）对高合金钢制容器，δmin≥2mm。189内压薄壁圆筒和球壳设计（续）因此，设计温度下圆筒的计算应力为（9-4）设计温度下圆筒的最大允许工作压力为（9-5）199内压薄壁圆筒和球壳设计（续）4.3.2圆筒设计（续）计算厚度（δ）——由公式采用计算压力得到的厚度。必要时还应计入其它载荷对厚度的影响。设计厚度（δd）——计算厚度与腐蚀裕量之和。δd＝δ＋C2名义厚度（δn）——设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度。δn＝δd＋C1＋Δ=δ＋C1

＋C2＋Δ有效厚度（δe）——名义厚度减去钢材负偏差和腐蚀裕量。δe＝δn－C1－C2厚度附加量（C）——由钢材的厚度负偏差C1和腐蚀裕量C2组成，不包括加工减薄量C3。C=C1+C2加工减薄量——根据具体制造工艺和板材实际厚度由制造厂而并非由设计人员确定。209内压薄壁圆筒和球壳设计（续）计算厚度δ有效厚度δe成型后厚度毛坯厚度名义厚度δn设计厚度δdC1+C2加工减薄量加工减薄量第一次厚度圆整值厚度负偏差C1腐蚀裕量C2第二次厚度圆整值厚度关系示意图219内压薄壁圆筒和球壳设计（续）2、薄壁球壳强度计算公式对于薄壁球壳，由于其主应力为

与薄壁圆筒的推导相似，球形容器的厚度计算厚度

（9-6）设计厚度

（9-7）229内压薄壁圆筒和球壳设计（续）设计温度下球壳的计算应力为（9-8）设计温度下球壳的最大允许工作压力为（9-9）式中，Di为球形容器的内径，其他符号同前。239内压薄壁圆筒和球壳设计（续）3、设计参数的确定（1）设计压力p——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，亦即标注的铭牌上的容器设计压力，其值不得小于最大工作压力。——当容器各部位或受压元件所承受的液体静压力达到5%设计压力时，则应取设计压力和液体静压力之和进行该部位或元件的设计计算。249内压薄壁圆筒和球壳设计（续）——容器上装有安全阀时，取1.05~1.1倍的最高工作压力作为设计压力；使用爆破膜作为安全装置时，取1.15~1.3倍的最高工作压力作为设计压力；其余应按GB150-1998相应规定确定容器的设计压力。2526279内压薄壁圆筒和球壳设计（续）——对盛装液化气体的容器，在规定安装系数范围内，设计压力根据工作条件下可能达到最高金属温度确定。——外压容器的设计压力，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。真空容器—

不设安全阀时，取0.1MPa；设有安全阀时，取Min（1.25×△p,0.1MPa)。带夹套容器取正常操作时可能出现的最大内外压差。289内压薄壁圆筒和球壳设计（续）（2）计算压力——在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。通常情况下，计算压力等于设计压力加上液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。计算压力=设计压力+液柱静压力（≥5%p时计入）计算压力≥设计压力≥工作压力=容器顶部表压299内压薄壁圆筒和球壳设计（续）（3）设计温度——指容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度（指容器受压元件沿截面厚度的平均温度），其值不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度。对于0℃以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。※设计温度在容器设计中的作用——选择材料、确定许用应力※确定设计温度的方法（1）对类似设备实测；（2）传热计算；（3）参照书P123表9-1。309内压薄壁圆筒和球壳设计（续）319内压薄壁圆筒和球壳设计（续）（4）许用应力——容器壳体、封头等受压元件材料许用强度，取材料强度失效判据的极限值与相应的材料设计系数（又称安全系数）之比。※工作温度为常温（＜200℃）时，取329内压薄壁圆筒和球壳设计（续）※工作温度为中温，取※工作温度为高温，取——设计温度下材料的强度极限和屈服极限

——设计温度下材料的持久强度和蠕变极限

——各安全系数。339内压薄壁圆筒和球壳设计（续）安全系数及其确定影响安全系数的因素：①计算方法的准确性、可靠性和受力分析的精度；②材料质量和制造的技术水平；③容器的工作条件及其在生产中的重要性和危险性。

安全系数材料nbnsnDnn碳素钢、低合金钢≥3.0≥1.6≥1.5≥1.0

高合金钢≥3.0≥1.5≥1.5≥1.0349内压薄壁圆筒和球壳设计（续）液压试验气压试验耐压试验气密性试验压力试验考虑缺陷对压力容器安全性的影响。在制造完毕后或定期检验时，都要进行压力试验。9.3容器的压力试验359内压薄壁圆筒和球壳设计（续）——容器制成后、检修后投入生产前——试验目的※检验容器宏观强度—是否出现裂纹,是否变形过大；※密封点及焊缝的密封情况。——需要焊后热处理的容器，须热处理后进行压力试验和气密试验；——须分段交货的容器，在工地组装并对环焊缝进行热处理后，进行压力试验；——塔器须安装后进行水压试验；耐压试验369内压薄壁圆筒和球壳设计（续）1、试验压力液压试验压力，按下式确定（9-12）气压试验压力，按下式确定（9-13）当容器各元件所用材料不同时，应取各元件之[σ]/[σ]t比值中最小者。当设计温度小于200℃时，[σ]t与[σ]接近，此项可以忽略不计。379内压薄壁圆筒和球壳设计（续）2、压力试验的要求与试验方法（a）液压试验介质：一般为水充水排气设计压力无泄漏开始试验压力下保压30分钟卸压吹净结束试验压力的80%保压检查389内压薄壁圆筒和球壳设计（续）注意：不锈钢容器——水中氯离子不得超过25mg/L。试压合格的条件——1）无渗漏；

2）无可见变形；

3）试验过程中无异常响声；

4）σb≥540MPa的材料，表面经无损检验无裂纹。399内压薄壁圆筒和球壳设计（续）（b）气压试验——不适合液压试验的，如因结构缘故排液或充液困难，或容器内不允许残留微量液体时采用。——干燥、洁净空气，氮气或其他惰性气体，试验气体温度一般不低于15℃。（c）气密试验——针对介质具有毒性程度为极度或具有高度危害的容器；——在液压试验后进行；——气密试验压力取设计压力。409内压薄壁圆筒和球壳设计（续）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）。即液压试验时：（9-14）

气压试验时：