内压薄壁壳体强度计算

第三章、3—1内压薄壁壳体强度计算目的要求：使学生掌握内压圆筒内压球形壳体的强度计算，以及各类厚度的相互关系。重点难点：掌握由第一强度理论推出的内压圆筒，内压球形壳体的强度计算公式。第三章内压薄壁容皿本章的任务就是在回转薄壁壳体应力分析的基础上，推导出内压薄壁容皿强度计公式。本章的压力容皿设计计算公式，各种参数制造要求以及检验标准均与GB150-1998《钢制压力容皿》保持一致。第一节压内薄壁壳体强度计算内压圆筒为了保证圆筒受压后不破裂，[根据第一强度理论]应使筒体上最大应力，即环向应力小于等于材料在设计温度下的许用应力用公式表达：，其中P-设计压力。1）中径此外还应考虑到，筒体在焊接的过程中，对焊金属组织的影响以及焊接缺陷（夹渣、气孔、未焊透等）影响缝焊的强度（使整本强度降低），所以将钢板的许用应力乘以一个小于1的焊接接头系数，以弥补焊接可能出现的强度削弱，故：此外，工艺计算时通常以做为基本尺寸，故将代入上式：则可解出，同时根据GB150-1998规定，确定厚度时的压力用计算压力代替。最终内压薄壁圆筒体的计算厚度：适用：考虑到介质时皿壁的腐蚀，确定钢板厚度时，再加上腐蚀裕量：——圆筒的设计厚度再考虑到钢板供货时的厚度偏差，将设计厚度加上厚度负偏差，再向上圆整三规格厚度，这样得到名义厚度。筒体强度计算公式，除了可以决定承压筒体所需的最小壁厚外，还可用该公式确定设计温度下圆筒的最大允许工作压力，对容皿进行强度校核；可以计算其设计温度下计算应力，判断指定压力下筒体的安全。例：设计温度下圆筒的最大允用工作压力由推导而来设计温度下圆筒的计算应力：采用计算压力及代替D，并考虑焊接头系数的影响上式变形成：则设计温度下球壳的厚度计算：考虑腐蚀裕量，设计厚度：再考虑钢板厚度负偏差C1，再向上图整得到钢板的名义厚度，同理，确定球壳的最大允许工作压力[Pw]，并对其强度进行校核。对比内压薄壁球壳与图筒的壁厚公式：当前件相同时，球壳的壁厚约为圆筒查表3-10得钢板的厚度负偏差C1=0.3mm，因而可双名义厚度，但对于低合金容皿规定不包括腐蚀裕量的最小厚度不应小于3mm，若如上1.5mm的腐蚀裕量，名义厚度至少取5mm。根据钢板厚度标准规格，名义厚度取6mm5）检查：没有变化，故取名义厚度6mm合适。第三章第三节内压封头结构和计算目的要求：使学生熟悉凸形封头，锥形封头和平盖结构，掌握凸形封头，锥形封头及平盖的计算重点难点：1、凸形封头的结构特点、分类2、凸形封头的结构计算第三节内压封头结构计算封头按结构形状可分为：凸形封头、锥形封头、平盖封头三类，本节着重介绍常用的这几种封头的结构和强度计算方法1、凸形封头常用的凸形封头有：半球有：半球形封头、椭圆形封头和碟形封头1、半球封头：其封头为半个球壳，其具有球壳所具有的优点（相同下，受力为筒体一半，相同受力下，壁厚最薄，容积表面积最小，最结省材料）但其制造最困难。一般对于中、小直径容皿很少用它，多用于高压容皿上。分析其受力：其厚度（强度）计算公式也与球壳相同选用范围：2、椭圆封头：由半个椭圆球面和高为h的短圆筒（直边）组成，直边段作用：避免筒体与封头间环向连接焊缝处出现边缘应力与热应力的叠加，改善受力情况由于封头的椭球部分经线曲率变化非常平滑连续，故优点应力分部均匀，而且易于冲压形型。是目前中、低压各皿中应用较广的一种封头的受力：受内压的椭圆形封头最大原合应力与椭圆封头的比值关有：（在椭圆顶点赤道处：）工程上对a/b=1.0~2.6的椭圆形封头，引入形状系数K，由此得到封头受最大综合应力：式中K—椭圆形封头形状系数K值可根据按P64表3-18查由第一强度理论：并考虑焊接系数：由推导出椭圆形封头厚度计注：椭圆封头的强度计算公式由K的化值推算出来，椭圆封头上最大应力圆筒体上最大应力=K，圆筒体上最大应力（=直径为原圆体2倍的球壳上最大应力当选取时，椭圆形封头是标准封头，此时则标准椭圆形封头的厚度计算公式可表示：与圆筒厚为：大致相等，考虑到受力情况用等厚钢板进行制造。椭圆形封头的最大许用工作应力3、碟形封头，又称带折边的球面封头，它由半径为Ri的球面中的一部分，高度为h的短圆筒以及联接此二者的过渡环壳半径r三部分组成，（其几何形状上看，曲面不连续，所以应力分部不均匀但制造较容易，一定场合下代替椭圆形封头的使用，一般碟形封头球面部分内半径，封头过渡环壳内半径）在建立其厚度公式时，引入形状系数M，得到碟形值M的选取可P65表3-19碟形封头的最大允许工作应力（与标准封头比，碟形封头厚增加33%，笨重不经济）例：3-3，为例3-2中储罐设计合适的凸形封头，封头材料与筒体一致，选16MnR，Pc=2.5uPa，操作温度-5~44℃，内径Di=1200mm，焊接封头系数，许用应力腐蚀裕量；解：分别算各类封头的强度和经济合理性进行比较1）半球球封头则查表3-10得钢板厚度负偏差C1=0.62）椭圆形封头（取标准椭圆封头K=1）则查表3-10取C1=0.8mm3）碟形封头（取）则查表3-10取C1=0.8mm可知：半球形封头用材最小，但制造难，碟形封头比较浅，制造比较容易，但比半球形厚厚8mm，但封头与筒体厚度相差悬殊结果不合理，因此，从强度到结构和制造等方面考虑，以采用椭圆形封头理想。二、锥形封头：广泛地用低容皿的底盖，优点便于收集并剖除固体颗粒或结晶料液，避免洗淀堆积。锥形封头的有两种结构，当锥形半核角选用无折边的结构：当时采用带有边液段的折边结构。大端折边的锥形封头的过液段的转角半径；对于小端时采用无折边结构；时，则采用带过液段的折边结构。根据第一强度理化考虑焊接接头系数影响：用由此可得设计温度下锥形封头计算厚度公式：考虑腐蚀裕量：考虑钢板厚度负偏差三平盖平盖是容皿和设备中结构最简单的一种封头，常用在常压小直径的设备上，平盖总处于爱弯曲应力的小利状态，当条件相同时，平盖的厚度总比各种凸形封头和锥形封头的厚度大得多。平盖的模型：圆形、椭圆形、长圆形、矩形等。分析其受力：在工程计算中，一般采用平板理论的经验公式，引入结构特征系数K，平盖周边支撑情况根据强度理论，并考虑焊接接头系数可得圆形平盖厚度公式：对于K值可见P73表3-22中查取例：选3-2储罐用圆形平盖，试求其厚度已知材料16MAR，操低温为-5~44℃，腐蚀余量取解：查表3-22中序号为2的圆形平盖，其结构特征系数K=0.27，采用整块钢制造，按式子（3-27）计算平盖的厚度考虑腐蚀裕量，查表得钢板厚度反偏差可以看出平盖的厚度一般远远大于筒体的厚度，平盖一般只宜用于常压或压力很低的压力容皿。第三章第四节压力试验目的要求：使学生了解什么是液压试验，气压试验以及气密性试验，这些试验的目的是什么，各用于什么场合。重要难点：各种压力试验的试验过程以及试验压力的确定。第四节压力试验按强度，刚度设计算确定出各壁厚度，由于材质、钢板卷弯，焊接及安装加工制造过程的不完善，导致容皿不安全，有可能在规定的工作压力下出现过大度形或焊缝有渗漏现象。因此，容皿在制成或检修后还需进行压力试验或增加气密性试验。压力试验的目的：在超设计压力下，检查容皿的强度以及密封结构和焊缝有无泄漏等。气密性试验的目的：是对密封性要求高的重要容皿在强度试验合格后进行的泄露检查，压力试验和气密性试验均是打压试验。分为液压试验和气压试验：eq\o\ac(○,1)对于不适合进行液压试验的容皿内不允许有微量列留液体，由于结构原因不能充满液体的容皿，如高塔，液压的液体重力可能超过基础承受能力等，均采取气压试验。eq\o\ac(○,2)其余都采取液压试验一、液压试验：定义：将液体注满容皿后，再用泵打压增至试验压力，来检验容皿的强度和致密性。如图，试验用两个程量相同的表且试2P浅≈P压表量程eq\o\ac(○,1)试验介质要求：通常用清水，特殊要求时采用无危险液体其温度低于闪点或沸点温度。当奥氏体不锈钢：碳素钢、16MnR等容皿：液体不低于5eq\o\ac(○,2)试验过程：eq\o\ac(○,1)容皿顶部设有排气口，以便排尽空气充满液体eq\o\ac(○,2)压力应缓慢上升，达到试验压力后，保压时间≥30min，降压时先降80%，并对所有焊接接头和连接部位检查。有渗漏、依标记、卸压后修补，重新试验。eq\o\ac(○,3)对夹套容皿，先进行内筒液压试验，合格后再焊夹套，对夹套内进行液压试验。eq\o\ac(○,4)液压试验完毕，排尽液体并用压缩空气将内部吹干。3、试验压力的确定：试验压力是：进行压力试验时规定容皿应达到的压力，该值反映在容皿顶部的压力表上。P—设计压力—材料在试验温度下的许用应力—材料在设计温度下的许用应力注意事项：eq\o\ac(○,1)若容皿铬牌上规定有最大允用工作压力时，公式中用最大允许工作压力替代设计压力Peq\o\ac(○,2)容皿各元件（圆筒、封头、接管、法兰及紧固件等）所用材料不同，应取各元件最小值。eq\o\ac(○,3)若立式容皿水平放置进行液压试验时，其试验压力再加上容皿直立时圆筒承受的最大液体静压力。4、试验应力校核：压力试验前，按下式校核圆筒应力且为了防止容皿产生过大的应力，要求在试验压力下圆筒应力满足：液压：—圆筒材料在试验温度下屈服点（或0.2%的屈服强度）二、气压试验：要求：气压试验前必须对容皿的主要焊缝进行100%无损检验，且试验所用的气体应为干燥洁净的空气，氮气或其它惰性气体。试验压力的计算公式：气压试验的校核条件为试验过程：eq\o\ac(○,1)压力应缓慢上升至规定试验压力的10%，且不超过0.05MPa时，保压5min，然后对所有焊接接头和连接部位进行初次泄漏检查（补修）至合格后，再继续缓慢升夺至规定试验压力的50%，其后，以每级试验压力的10%的级差逐级增至试验压力。三、气密性试验：对于介质为易烯或毒性程度为极度、高度危害或设计上不允许有微量泄漏的压力容皿，必须进行所密性试验。要求：应在液压试验合格后进行，且在气密性试验之