第4章对容器设计的安全要求内压薄壁圆筒与封头的强度设计祥解

第四章对容器设计的平安要求§4-2内压薄壁圆筒与封头的强度设计

第四章对容器设计的平安要求容器的设计对它的平安运行的影响主要有三个方面：一、壁厚：太小的壁厚会在压力作用下产生过度的弹性及塑性变形，导致破裂。二、材料：韧性降低→脆性断裂工作介质对其腐蚀→腐蚀破裂。三、结构：结构不良会产生过高的局部应力，在反复加压卸压过程中导致破裂。关于弹性失效的设计准那么容器上某处的最大应力到达材料在设计温度下的屈服点σts，容器即告破坏〔这里所讲的“破坏〞，并不完全指容器破裂，而是泛指容器失去正常的工作能力，即工程上所说的“失效〞〕。也就是说，容器的每一局部必须处于弹性变形范围内，保证器壁内的相当应力必须小于材料由单向拉伸时测得的屈服点，即σ当＜σs。为了保证结构平安可靠地工作，还必须留有一定的平安裕度，使结构中的最大工作应力与材料的许用应力之间满足一定的关系。这就是强度平安条件，即

式中，σ当当可由主应力借助于强度理论来确定；σ0为极限应力，可由简单拉伸试验确定；n为平安系数；[σ]为许用应力。强度理论压力容器零部件中各点的受力大多数是二向应力状态或三向应力状态，如下图。建立这种应力状态的强度条件，必须借助于强度理论，将二向应力状态和三向应力状态转换成相当于单向拉伸应力状态的相当应力。欲建立式所表示的强度条件，必须解决两方面的问题：一是根据应力状态确定主应力；二是确定材料的许用应力。强度理论对于承受均匀内压的薄壁圆筒形容器，其圆筒体主应力为第一强度理论相应的强度条件第三强度理论相应的强度条件第四强度理论相应的强度条件第一强度理论用于脆性材料第三强度理论和第四强度理论适用于塑性材料压力容器的载荷工作压力是指正常工作情况下，容器顶部可能出现的最高压力。对多数容器来说，压力往往是确定其壁厚的唯一载荷。重力载荷容器的重力载荷包括容器的自重、所容纳的介质重力以及永久性地连接于容器上的工艺附件、保温材料及操作平台等的重力。风载荷对于安置于室外的高耸设备必须考虑风载荷的作用。当风载荷吹到设备的迎风面上时，相当于对设备作用了一个脉动的力矩。假设将这类高耸直立容器当作一个支承于地表的悬臂梁，由于风力矩的作用将使设备受到平行于风向的静弯矩作用，在迎风面的器壁产生轴向拉应力，背风面产生轴向压应力。地震载荷地震时，地面突然产生水平或垂直的运动，使固定于地面的容器产生惯性力，即地震力。地震波的作用下有三个方向的运动：水平方向振动、垂直方向振动和扭转，其中以水平方向振动危害较大。温度载荷对于操作温度高于〔或低于〕室温的容器，在使用时其壁温将高于〔或低于〕安装温度。如果这种由于温度变化产生的变形受到相邻构件或材料的限制，构件内部就会产生温差应力。压力容器的应力分类

一次应力P一次应力是指为平衡压力与其他外加机械载荷所必需的应力。二次应力Q二次应力是由于容器自身的约束或相邻部件间的相互约束所引起的正应力或切应力。峰值应力F峰值应力是由局部结构不连续和局部热应力的影响而叠加到一次加二次应力之上的应力增量。压力容器的局部应力

边缘应力热应力制造偏差引起的附加应力截面不圆引起的附加应力错边和角变形引起的附加应力外表凹凸不平引起的附加应力焊接接头的局部应力许用应力及壁厚确实定一般情况下，仅仅考虑容器的压力载荷，而且只考虑由压力载荷而引起的主要应力。钢制圆筒开容器由于曲率半径的改变而产生的周向弯曲应力可以由理论推算得出，约为(p为内压力)，它比起其周向薄膜应力是一个可忽略的数值二．容器壁厚确实定一般的压力容器只是根据它在各种载荷(主要是压力载荷)下所产生的，能直接导致容器破坏的薄膜应力(或加上弯曲应力)来确定它的壁厚至于在总体结构不连续处等所产生的，自限性应力以及局部结构不连续处等所产生的，并不引起重要变形的局部应力那么采用在结构型式和尺寸上加以限制的方法，将其控制在一定的范围内。(一)计算壁厚的有关参数压力工作压力pw指在正常工作情况下，容器顶部可能到达的最高压力。设计压力p指设定的容器顶部的最高压力，它与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。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，其中包括液柱静压力。当壳体各部位或元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。(一)计算壁厚的有关参数设计温度设计温度指容器在正常工作情况下，在相应的设计压力下，设定的元件的金属温度〔沿元件金属截面厚度的温度平均值〕。设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。标志在产品铭牌上的设计温度应是壳体金属设计温度的最高值或最低值。设计温度虽不直接反映在上述计算公式中，但它是设计中选择材料和确定许用应力时不可缺少的一个根本参数。(一)计算壁厚的有关参数设计温度必须在材料允许的使用温度范围内，可从-196℃至钢材的蠕变范围。材料的具体适用温度范围是：①压力容器用碳素钢：-19〜475℃；②低合金钢：-40〜475℃；③低温用钢：至-70℃；④碳钼钢及锰钼铌钢：至520℃；⑤铬钼低合金钢：至580℃；⑥铁素体高合金钢：至500℃；⑦非受压容器用碳素钢：沸腾钢0〜250℃，镇静钢0〜350℃；⑧奥氏体高合金钢：-196〜700℃[低于-100℃使用时，需补做设计温度下焊接接头的夏比〔V形缺口〕冲击试验]。(一)计算壁厚的有关参数许用应力：许用应力是应力到达的极限值。许用应力的选择是强度计算的关键，是容器设计的一个主要参数。许用应力以材料的极限应力σ0〔不包括局部应力〕为根底，并选择合理的平安系数。一般许用应为材料的强度特性()除以平安系数。强度特性还应考虑温度影响()，持久级限和蠕变极限。极限应力σ0的取法选用哪一个强度指标作为极限应力来确定许用应力，与部件的使用条件及失效准那么有关，根据不同的情况，极限应力σ0可以是、、和。极限应力σ0的取法对于由塑性材料制造的承压件，应保证其在工作时不发生全面的塑性变形，即大面积屈服，以防止材料发生应变硬化，强度升高，塑性、韧性和耐腐蚀性降低。一般都以屈服点或屈服强度作为确定许用应力的根底。极限应力σ0的取法对于脆性材料或没有明显屈服点的塑性材料，常以抗拉强度σb来确定许用应力，即以材料的断裂作为限制条件。极限应力σ0的取法对于锅炉和压力容器的承压部件，其最大的不平安性是断裂，而且以σb来确定许用应力有悠久的历史，已成习惯。因此，对于工作壁温为常温〔<200℃)时，其许用应力应满足上述塑性变形和以断裂为限制这两个条件，即许用应力特别是对高强度钢制的承压部件，以σb为基准确定许用应力就更为必要。极限应力σ0的取法对于工作壁温高于常温而低于高温的中温容器承压部件，其许用应力极限应力σ0的取法对于高温条件下〔到达材料蠕变温度，即对碳钢和低合金钢＞420℃，铬钼合金钢＞450℃，奥氏体不锈钢＞550℃)的承压部件,一方面要考虑高温蠕变(),另一方面还要考虑材料的长期高温强度指标。因此，高温承压部件的许用应力nb,ns,nn,nD——抗拉强度、屈服点〔屈服强度〕、蠕变极限和持久强度的平安系数。平安系数及其取法平安系数的合理选择是设计中一个比较复杂和关键的问题，因为它与许多因素有关，其中包括：①计算方法的准确性、可靠性和受力分析的精确程度。②材料的质量、焊接检验等制造技术水平；③容器的工作条件，如压力、温度和温压波动及容器在生产中的重要性和危险性等。平安系数及其取法平安系数是一个不断开展变化的参数。按照科学技术开展的总趋势，平安系数将逐渐变小。目前我国推荐的中低压容器用材的平安系数见表。焊接接头系数焊缝区是容器上强度比较薄弱的地方。焊缝区强度降低的原因在于焊接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；结构刚性约束造成焊接内应力过大等。焊缝区的强度主要取决于熔焊金属、焊缝结构和施焊质量。设计所需的焊接接头系数的大小主要根据焊接接头的型式和无损检测的长度比率确定。焊接接头系数表示焊缝强度受影响的程度而引出的、确定容器壁厚的一个参数。它表示接焊接接头强度与母材强度之比值。用以反映由于焊接材料、焊接缺陷和焊接剩余应力等因素使焊接接头强度被削弱的程度，是焊接接头力学性能的综合反映。常见的焊接形式：常见对接焊焊接接头系数实际上焊接接头系数并不真正反映焊缝处材料强度被削弱的程度，而且一个经验数据，表示焊缝质量的可靠程度。焊接接头系数焊接接头系数只为压力容器强度计算所用，并应根据焊缝型式和无损探伤检测要求选取，焊缝熔敷金属〔焊缝金属由两局部组成，一局部是熔化的焊条或焊丝，另一局部是熔化的母材，熔敷金属指的是焊缝中熔化的焊条或焊丝局部。〕的强度不应低于强度较低一侧母材的强度下限。规定的系数值是以焊接接头设计及制造要求符合GB150第十章的规定为前提。GB150第十章的规定⑴焊缝坡口外表不得有裂纹、分层、夹渣等缺陷；⑵焊前坡口外表及邻近区域应除去油污等；⑶.控制焊缝对口错边量；⑷不等厚度钢板对接，板厚差超限，单、双面消薄；⑸任何A类焊接接头之间的距离应大于三倍名义厚度，且不小于100mm；⑹焊接接头余高的要求；⑺抗拉强度＞540MPa及Cr-Mo和奥氏体不锈钢制容器及焊缝系数为1的容器，其焊接接头外表不得有咬边；其它容器焊接接头外表咬边深度不得大于0.5mm，其连续长度不得大于100mm，且两侧咬边总长不得超过该焊缝长度的10%；⑻限制焊接接头返修次数不得超过规定，并保证原有的抗腐蚀性能；⑼厚度超限应按规定进行热处理；⑽低温容器A类焊接接头如果采用垫板，焊后须去除，B类焊接接头如受结构的限制，垫板可以不折除；⑾低温容器应按焊接工艺严格控制焊接线能量。厚度附加量容器厚度附加量包括钢板或钢管厚度的负偏差C1和介质的腐蚀裕量C2，即C=C1+C25.壁厚附加量容器壁厚附加量——〔1〕钢板或钢管厚度负偏差C1:例如，钢板和钢管厚度的负偏差C1按相应的钢板标准的规定选取，当钢板厚度的负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，钢板厚度的负偏差可以忽略不计。一般情况下钢板厚度的负偏差C1可根据名义厚度δn按表4-9选取。钢管厚度的负偏差亦按钢管标准的规定选取，一般可按表4-10选取。腐蚀裕量C2为防止容器元件由于腐烛、机械磨损而导致厚度减薄削弱，对与工作介质接触的筒体、封头、接管、人〔手)孔及内部构件等，应考虑腐蚀裕量。对有腐蚀或磨损的元件，应根据预期的容器寿命和介质对金属材料的腐蚀速度来确定腐蚀裕量C2，即C2=KaB式中，Ka为腐蚀速度〔mm/a)，可由材料腐蚀手册查得或由试验确定；B为容器的设计寿命。容器的设计寿命除有特殊要求外，对塔、反响器等主要容器一般不应少于15a，一般容器、换热器等不少于8a。腐蚀裕量的选取原那么和方法介质为压缩空气、水蒸气或水的碳素钢或低合金钢制容器，其腐蚀裕量不得小于1.0mm;对不锈钢，当介质腐蚀性极微时，可取C2=0。除上述情况以外的其他情况，筒体和封头的腐蚀裕量按表4-11确定。直径系列压力容器的直径根据生产需要确定。根据机械工业的要求，筒体和封头的直径不能是任意的，必须考虑标准化的系列尺寸，否那么，将提高压力容器的制造本钱。筒体和封头的内径系列见表。钢板厚度GB/T709-2001规定的钢板厚度尺寸系列，可供设计时选择。薄壁容器壁厚的计算厚度为了便于设计以及满足设计和制造不同阶段厚度的变化，明确指出了计算厚度〔δ〕，设计厚度〔δd〕，名义厚度〔δn〕和有效厚度〔δe〕的含义。※实际壁厚不得小于名义壁厚减去钢板负偏差，可保证强度要求！※热加工封头时，加工单位应预先考虑加工减薄量！薄壁容器壁厚的计算最小厚度在容器设计中，对于计算压力很低的容器，按强度计算公式计算出的厚度很小，不能满足制造、运输和安装时的刚度要求。因此，对容器规定一最小厚度。最小厚度是指壳体加工成型后不包括腐蚀裕量的最小厚度。GB150—1998?钢制压力容器?中对容器最小厚度的规定是：对碳素钢和低合金钢制容器，取δmin≥3mm；对高合金钢制容器，取δmin≥2mm。另外，碳素钢和低合金钢制塔式容器的最小厚度为塔体内直径的2/1000，且不小于4mm，不锈钢制塔式容器的最小厚度不小于3mm；对于名义厚度取决于最小厚度且公称直径较大、厚度较薄的容器，为防止在制造、运输或安装时产生过大的变形，应根据具体情况采取临时加固措施，如在容器内部设置临时性支承元件等。圆筒形容器圆筒体壁厚的计算

假设采用第三强度理论，那么按容器零部件标准化的根本参数规定，容器的公称直径是指内径Di。将上式中的平均直径换算成圆筒内径，D=Di+δ，压力p换为计算压力pc，并考虑焊接接头系数φ，即得到圆筒的计算壁厚公式:圆筒形容器圆筒体壁厚的计算再考虑腐蚀裕量C2，于是得到圆筒的设计壁厚为圆筒形容器圆筒体壁厚的计算假设采用第四强度理论，可得我国国家标准?钢制压力容器?中规定采用第三强度理论，最后加上钢板厚度的负偏差C1,再根据钢板标准规格向上圆整，确定选用钢板的厚度，此厚度称为名义厚度，以δn表示，即图纸上标注的厚度。圆筒形容器圆筒体壁厚的计算对已有设备进行强度校核:确定最大允许工作压力的计算公式:圆筒形容器圆筒体壁厚的计算采用无缝钢管制作圆筒体时，其工程直径为钢管的外径。将D=D0-δ代入中，并考虑焊接接头系数φ，可以得到以外径为基准的公式：上述计算公式的适用范围为pc≤0.4[σ]tφ。球形容器壁厚的计算

对于球形容器，其主应力为利用上述推导方法，可得到球形容器厚度设计的计算公式，即上述球形容器计算公式的适用范围为pc≤0.6[σ]tφ。圆筒壳和球壳的计算公式

半球形封头壁厚的计算

半球形封头是由半个球壳构成的，它的厚度计算公式与球壳的相同。即所以，球形封头厚度可较相同直径与压力的圆筒壳减薄一半。但在实际工作中，为了焊接方便以及降低边界处的边缘应力，半球形封头也常和筒体取相同的厚度。半球形封头多用于压力较高的贮罐上。椭圆封头壁厚的计算

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〕两局部所构成。直边的作用是为了保证封头的制造质量和防止筒体与封头间的环向焊缝受边缘应力作用。椭圆封头壁厚的计算

在a/b≤2时，顶点具有最大拉伸应力：

由椭球壳的应力分析可知，当椭球壳的长短半轴之比a/b＞2(即椭圆形封头的Di/2hi＞2)时，椭球壳赤道上出现很大的环向压应力，其绝对值远大于顶点的应力。为考虑这种应力变化对椭圆封头强度的影响，引入了形状系数K。国家标准规定，在工程应用中，K值不大于2.6。式中，是一经验关系式，称为椭圆形封头的形状系数，又称为应力增强系数。椭圆形封头的形状系数K标准椭圆形封头的厚度计算工程上将Di/2hi=2，即a/b=2的椭圆形封头称为标准椭圆形封头，此时形状系数K=l，于是得到标准椭圆形封头的计算厚度公式标准椭圆形封头的厚度计算椭圆形封头的最大允许工作压力标准椭圆封头的直边高度锥形封头壁厚的计算

锥形封头广泛应用于多种化工设备〔如蒸发器、喷雾枯燥器、结晶器及沉降器等〕的底盖，它的优点是便于收集与卸除这些设备中的固体物料。此外，有一些塔设备上、下局部的直径不等，也常用锥形壳体将之连接起来，这时的锥形壳体称为变径段。锥形封头壁厚的计算

由锥形壳体的应力分析可知，受均匀内压的锥形封头的最大应力在锥壳的大端，其值为其强度条件为锥形封头厚度计算公式为

锥形封头壁厚的计算

将上式中的压力p换成计算压力pc，将锥壳大端中径D换成锥壳计算内径Dc，并考虑焊接接头系数φ，那么：式中Dc——锥壳计算内直径，mm。无折边时Dc=Di，如图4-13所示；α——锥壳半顶角，〔°)；δc——锥壳计算厚度，mm。锥形封头壁厚的计算

计算的锥形封头厚度，由于没有考虑封头与筒体连接处的边缘应力，因而此厚度是不够的。与前面分析球冠形封头与筒体连接处的受力情况类似，锥形封头与筒体的连接处也存在着边缘应力。正是由于存在上述边缘应力，在设计锥形封头时，就不能单纯以计算公式为依据，需要在考虑上述边缘应力的根底上，建立一些补充设计公式。尽管连接处附近的边缘应力数值很高，但却具有局部性和自限性，所以这里发生小量的塑性变形是允许的。从这样的观点出发进行设计，可使所需厚度大为降低。锥形封头壁厚的计算

将连接处附近的封头及筒体厚度增大，这种方法叫做局部加强。在封头与筒体间增加一个过渡圆弧，那么整个封头由锥体、过渡圆弧及高度为h0的直边三局部所构成，如下图，这种封头叫做带折边的锥形封头。平板封头壁厚的计算

平板封头是化工设备常用的一种封头。平板封头的几何形状有圆形、椭圆形、长圆形、矩形和方形等，最常用的是圆形平板封头。根据薄板理论，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，其最大应力可能在板的中心，也可能在板的边缘，这要视压力作用面积的大小和边缘支承情况而定，由受均布载荷圆平板的应力分析可知。平板封头壁厚的计算

对于周边固定〔夹持〕受均布载荷的圆平板，其最大应力是径向弯曲应力，产生在圆平板的边缘，其值由下式计算：平板封头壁厚的计算

对于周边简支受均布载荷的圆平板，其最大应力产生在圆平板的中心，且此处的径向弯曲应力与切向弯曲应力相等，其值由下式计算：平板封头壁厚的计算

根据强度条件σmax≤[σ]周边固定〔夹持〕周边自由支撑〔简支〕以上两种情况的厚度计算公式形式相同，系数不同。由于实际上平板封头的边缘支承情况很难确定，它不属于纯刚性固定也不属于纯简支的情况，往往是介于这两种情况之间，即系数在0.188〜0.31。

平板封头壁厚的计算

在化工容器设计规定中，利用一个结构特征系数K，将平板封头厚度的设计公式归纳为式中δP——平板封头的计算厚度，mm;Dc——计算直径〔见表4-19中简图〕，mm;pc——计算压力，MPa;φ——焊接接头系数；K——结构特征系数〔见表4-19);[σ]t——材料在设计温度下的许用应力，MPa。封头的选择

(1)几何方面就单位容积的外表积来说，以半球形封头为最小。椭圆形和碟形封头的容积和外表积根本相同，可以认为近似相等。锥壳的容积和外表积取决于锥顶角〔2α)的大小，显然2α=0即为圆筒体。与具有同样直径和高度的圆筒体相比较，锥形封头的容积为圆筒体的1/3，单位容积的外表积比圆筒体大50%以上。封头