化工设备设计基础第8章内压薄壁圆筒与封头的强度设计课件

第八章内压薄壁圆筒与封头的强度设计第一节强度设计的基本知识第二节内压薄壁圆筒的强度设计第三节内压圆筒封头的设计强度设计的任务：根据给定的公称直径以及设计压力和温度，确定合适的壁厚，设计出合理的结构，以保证设备安全可靠地运行。内压薄壁圆筒和封头的强度计算公式，推导过程：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。第一节强度设计的基本知识一、关于弹性失效的设计准则二、强度理论及其相应的强度条件二、强度理论及其相应的强度条件复杂应力状态的强度条件，要解决两方面的问题：一是根据应力状态确定主应力；二是确定材料的许用应力。内压薄壁容器的主应力：二、强度理论及其相应的强度条件1.第一强度理论的强度条件2.第三强度理论的强度条件3.第四强度理论的强度条件【备注】压力容器都是采用塑性材料制造的，我国压力容器设计采用第一强度理论。

采用第一和第三强度理论，薄壁容器的强度条件形式上是一样的！第二节内压薄壁圆筒和球壳的强度设计一、强度计算公式二、设计参数的确定三、容器的壁厚和最小壁厚四、压力试验及其强度校验一、强度计算公式1.圆筒强度计算公式的推导计算壁厚公式设计壁厚公式1.2无缝钢管作筒体（外径DO为基准）一、强度计算公式2.圆筒强度校核与许用压力确定2.2已有设备确定许用压力2.1已有设备强度校核

外径为基准内径为基准外径为基准内径为基准一、强度计算公式3.球形容器厚度计算及校核计算公式3.2校核计算公式3.1厚度计算公式

设计壁厚计算壁厚确定最大允许工作压力已有设备强度校核二、设计参数的确定1.设计压力与计算压力1.1最高工作压力Pw正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。1.2设计压力P指设定的容器顶部的最高工作压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不得小于最高工作压力。指整台设备的载荷条件。【注意】设计压力的确定：1.容器上装安全阀时：取P≥1.05Pw～1.1Pw2.单个容器无安全泄放装置：P=1.0～1.1Pw3.外压容器：取不小于在正常操作工况下可能产生的内外压差1.3计算压力Pc在相应的设计温度下用以确定元件厚度的压力，包括液柱静压力，当液柱静压力小于5％设计压力时可忽略不计。二、设计参数的确定2.设计温度设计温度是指容器正常工作情况下，设定的元件金属温度（沿元件金属截面温度平均值）。设计温度是选择材料及确定材料许用应力时的一个基本设计参数。

设计温度必须在材料允许的使用温度范围内，可在-196℃～钢材的蠕变温度内确定。

二、设计参数的确定3.许用应力和安全系数3.1极限应力的取法压力容器设计中用屈服点σs、抗拉强度σb作为计算许用应力的极限应力

常温容器中温容器高温容器二、设计参数的确定4.焊缝系数⑴焊缝区强度降低的原因：焊接焊缝时可能出现缺陷而未被发现；焊接热影响区往往形成粗大晶粒区而使强度和塑性降低；结构性约束造成焊接内应力过大等。⑵焊缝系数的影响因素焊接接头的型式和无损检测的比例。双面焊或相当于双面焊的全焊透结构对接接头：100％探伤=1.0；局部探伤=0.85。单面焊的对接接头：100％探伤=0.9；局部探伤=0.8。

二、设计参数的确定5.壁厚附加量壁厚附加量包括钢板或钢管厚度的负偏差Cl和腐蚀裕量C2，即C=Cl+C2⑴钢板和钢管厚度的负偏差C1钢板和钢管的厚度负偏差，按相应的钢板或钢管标准选取，应按名义厚度Sn选取。⑵腐蚀裕量C2腐蚀裕量由介质对金属材料的腐蚀速度与容器的设计寿命决定。容器的各元件受到的腐蚀程度不同时，可取不同的腐蚀裕量。300(350)400(450)500(550)600(650)700(750)8009001000(1100)1200(1300)1400(1500)1600(1700)1800(1900)2000(2100)2200(2300)24002500260028003000320034003500360038004000420044004500460048005000520054005500560058006000

卷制压力容器公称直径系列二、设计参数的确定6.直径系列与板材厚度

钢板常用厚度四、压力试验及其强度校验压力试验和气密试验目的检验容器的宏观强度和有无渗漏现象。

1.试验压力液压试验气压试验PT－试验压力，立式容器卧置作液压试验时，试验压力应为立置时的试验压力PT加液柱静压力；P－设计压力；[σ]－试验温度下材料的许用应力；[σ]t－设计温度下材料的许用应力；四、压力试验及其强度校验2.压力试验的要求与试验方法2.1液压试验将容器充满液体，待容器壁温与液体温度相同时缓慢升压到规定试验压力后，保压时间一般不小于30分钟，然后将压力降到规定试验压力的80％，并保持足够长时间以对所有焊缝和连接部位进行检查。①一般采用洁净水进行试验。不锈钢容器用水进行试验时，水中氯离子含量不超过25ppm，以防氯离子腐蚀。②采用石油蒸馏产品进行液压试验，试验温度应低于石油产品的闪点或沸点。③试验温度应低于液体沸点温度，对新钢种的试验温度应高于材科脆性转变温度。④碳素钢、16MnR和正火的15MnVR钢制容器液压试验时，液体温度不得低于5℃，其他低合金钢制容器（不包括低温容器）液压试验时，液体温度不得低于15℃。⑤液压试验完毕后，应将液体排尽并用压缩空气将内部吹干。四、压力试验及其强度校验2.压力试验的要求与试验方法2.2气压试验气压试验适用场合。试验介质要求：干燥、洁净的空气、氮气或其他惰性气体，试验气体温度一般应不低于15℃。试验程序是：缓慢升压至规定试验压力的10％，且不超过0.05MPa，保持5分钟，然后对所有焊缝和连接部位进行初次检查；合格后继续升压到规定试验压力的50％，其后按每级为规定试验压力的10％的级差逐渐升压到试验压力，保持10分钟后，然后再降到试验压力的87％，保持足够时间并同时进行检查。2.3气密试验容器须经液压试验合格后，方可进行气密试验。首先缓慢升压至试验压力保持10分钟，然后降至设计压力，同时进行检查，气体温度应不低于5℃。

五、典型例题【例8－1】一锅炉汽包，Di=1300mm，Pw=15.6MPa，装有安全阀，设计温度为350℃，材质为18MnMoNbR，采用双面对接焊缝，100％探伤，试确定汽包的壁厚Sn。【例8－2】一旧氧气瓶，材质为40Mn2A，D0＝219mm，系无缝钢管收口而成，实测最小壁厚Sn＝6.5mm，已知材料σb=784.8MPa，σs=510.12MPa，δ=18%，设计温度为常温。今预充15MPa的压力使用，问强度是否够？如不够，该气瓶的最大允许工作压力为多大？第三节内压圆筒封头的设计一、半球形封头二、椭圆形封头三、碟形封头四、无折边球形封头五、锥形封头六、平板封头七、封头的选择二、椭圆形封头

椭圆形封头是由长短半轴分别为a和b的半椭球和高度为h0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缝受边缘应力作用。1.结构特点二、椭圆形封头

当m=a/b≤2时，最大应力在椭圆壳的顶点2.壁厚计算公式将a/b=m，a=D/2代入得：

强度条件考虑焊缝系数，D=Di+S，m=Di/2hi代入强度条件得：标准椭圆封头m=a/b=2二、椭圆形封头

如果m=a/b>2时，椭圆封头赤道上出现很大的环向应力，绝对值远大于顶点的应力，引入封头的形状系数K，得椭圆封头的通用壁厚计算公式为：

2.壁厚计算公式3.许用压力计算公式【备注】封头的直边高度与材质、壁厚和圆筒的公称直径有关。三、碟形封头

1.几何特点半径Ri的球面；

半径为r的过渡圆弧；高度为h0的直边。2.壁厚计算公式Ri－碟形封头球面部分内半径；

r－过渡圆弧内半径；

M－碟形封头形状系数；三、碟形封头

2.壁厚计算公式球面内半径Ri=0.9Di，过渡圆弧内半径r=0.17Di时为标准碟形封头。M=1.325，标准碟形封头的壁厚计算公式为：3.碟形封头的许用压力公式四、无折边球形封头

1.结构特点2.壁厚计算公式Q-系数，查相关图表求得。

【注意】任何情况下，与无折边球形封头连接的圆筒厚度应不小于封头厚度。四、无折边球形封头

五、锥形封头

1.结构特点优点：便于收集与卸除设备中的固体物料；还可作为塔设备的变径段。

最大应力公式强度条件壁厚计算公式2.壁厚计算公式五、锥形封头

3.工程中的锥形封头结构无折边锥形封头带折边锥形封头六、平板封头

1.平板封头应力特点

根据弹性力学的小挠度薄板理论，受均布载荷的平板，壁内产生两向弯曲应力：一是径向弯曲应力σr，一是切向弯曲应力σt。

周边固支周边简支薄板的最大弯曲应力σmax与(R/S)2成正比，而薄壳的最大拉(压)应力σmax与R/S成正比。

六、平板封头

2.平板封头的用途

平板封头结构简单，制造方便，在压力不高，直径较小的容器中，采用平板封头比较经济简便。压力容器人孔、手孔；高压容器平板封头。

3.平板封头壁厚计算公式

K-与约束情况相关的结构特征系数七、封头的选择

1.几何方面半球形封头单位容积的表面积最小。椭圆形和碟形封头的容积和表面积基本相同。

2.力学方面半球形封头>标准椭圆形封头>碟形封