内压薄壁容器设计

10第三章 内压薄壁容器设计第一节 内压薄壁圆筒设计【学习目标】公式。把握内压圆筒壁厚设计公式，了解边缘应力产生的缘由及特性。一、内压薄壁圆筒应力分析当圆筒壁厚与曲面中径之比≤0.1或圆筒外径、内径之比DD≤1.2时，可认0 i为是薄壁圆筒。1、根本假设①圆筒材料连续、均匀、各向同性；②圆筒足够长，无视边界影响〔如筒体两端法兰、封头等影响；③圆筒受力后发生的变形是弹性微小变形；④壳体中各层纤维在受压〔中、低压力〕变形中互不挤压，径向应力很小，无视不计；⑤器壁较薄，弯曲应力很小，无视不计。2、圆筒变形分析3-1内压薄壁圆筒环向变形示意图筒直径增大，说明在其圆周的切线方向有拉应力存在，即环向应力〔周向应力〕圆筒长度增加，说明在其轴向方向有轴向拉应力存在，即经向应力〔轴向应力。应力和经向应力很小，故无视不计。另外，对于受低、中压作用的薄壁容器，垂直于圆筒壁厚方向的径向应力相对环向应力和经向应力也很小，无视不计。3、经向应力分析承受“截面法”分析。依据力学平衡条件，由于内压作用产生的轴向合力〔外力〕与壳壁横截面上的轴向总应力〔内力〕相等，即：

D2pD414由此可得经向应力： 1

pD43-2圆筒体横向截面受力分析4、环向应力分析承受“截面法”分析。3-3圆筒体纵向截面受力分析依据力学平衡条件，由于内压作用产生的环向合力〔外力〕与壳壁纵向截面上的环向总应力〔内力〕相等，即：LDp2L 〔3-3〕2由此可得环向应力： 25、结论

pD2 〔3-4〕通过以上分析可以得到结论：221，即环向应力是经向应力的2倍。因此，对于或手孔时，应当将短轴设计在纵向，长轴设计在环向，以削减开孔对壳体强度的影响。6、薄壁无力矩理论向拉伸应力，而由于弯曲应力值很小无视不计、径向应力值很小无视不计，承受这一近似方法分析薄壁圆筒，称为薄壁无力矩理论。二、内压薄壁圆筒壁厚计算公式依据第一强度理论〔最大主应力理论，得到：引入焊接接头系数，得到：

2 2 2 2①DD，D=D+δ，得到：i pDi

ii

i2 2依据GB150pc

，得到： pc2

i2 i

导出，得到设计温度下圆筒的计算厚度公式为： pcDic考虑介质腐蚀、机械磨损因素，加上腐蚀裕量C

，得到设计厚度为:2d2 Cd 2C

，最终圆整取钢板标准厚度。1n1②DD，D=D-δ，得到：o op cD0 pc考虑介质腐蚀、机械磨损因素，加上腐蚀裕量C

，得到设计厚度为:2d2 Cd 2C

，最终圆整取钢板标准厚度。1n1

③按GB150规定，设计温度下的内压圆筒计算厚度公式适用范围为：p t ，c这意味着GB15035MPa的内压容器都适用该公式。三、边缘应力容器壳体两局部之间相连接形成的边界称为连接边缘，如筒体与筒体之间的焊接连接、筒体与封头之间的焊接连接、筒体与容器法兰之间的焊接连接等。在连接边缘，假设两局部经线外形不全都，曲率半径不相等，那么在介质压力作用下，两局部的变形也不全都，而且体内部产生附加应力——边缘应力。筒体与封头连接边缘受力状态分析如图3-4所示。边缘应力对壳体强度的影响表现出两个特征：①局部性②自限性5四、计算例如：100m3〔DN3000〕C5

原料罐筒体壁厚计算教学工程一：100教学工程一：100m3〔DN3000〕C5原料罐〔设计任务书见其次章〕工作压 计算压 工作温 设计温 筒体材ReL[б][б]t焊接接头系数腐蚀余0.6MPa力力70℃度80℃度Q245R料245，148147 局部检测〕2mm量五、压力容器公称直径GB/T9019-2023《压力容器公称直径》规定，压力容器公称直径以容器圆筒直径表示，分为两个系列：①以内径为基准的压力容器公称直径②以外径为基准的压力容器公称直径其次节 内压椭圆形封头设计【学习目标】学习GB150.35GB/T21598-2023《压力容器一、内压椭圆形封头应力分析椭圆曲线方程：

x2y21a2 b2

pa2①x=0即椭球壳顶点处，产生最大应力：1

2

2b当a/b=2时， 1 2

max

papD 2的环向应力〔最大应力〕相等，即在一样内压作用下，a/b=2的椭圆形封头的厚度与相焊接的圆筒厚度是相等的。所以GB150a/b=2 pa

pa a2②x=a即椭球壳的边缘处，

12，

22

2 b22ab2

时，222

0，说明ab

时，环向应力

为拉应力。2a/b=2则为压应力。2a/b的比值反映了椭圆形封头内曲面深度，a/b比值越小，则椭圆形封头内曲面深度越大，越不利于冲压成型。a/b=1a/b=2椭球壳最大应力的一半，因此半球壳厚度可以减薄一半，可以有效的节约材料。二、内压〔凹面受压〕椭圆形封头的计算2椭圆形封头的计算厚度公式：①椭圆形封头以内径为基准时：Kpi cKpih 2 t P0.5c②椭圆形封头以外径为基准时： h

KpD 2 t公式中：K——椭圆形封头外形系数

1 D

2K0.5Pc2 hK622i hi3-1椭圆封头外形系数KD/2hi i2.62.52.42.32.22.12.01.91.8K1.461.371.291.211.141.071.000.930.87D/2hi i1.71.61.51.41.31.21.11.0K0.810.760.710.660.610.570.530.505三、计算例如：100m3〔DN3000〕C5

储罐标准椭圆形封头壁厚计算教学工程一：100教学工程一：100m3〔DN3000〕C储罐〔设计任务书见其次章〕5工作压计算压工作温设计温封头材ReL[б] [б]t焊接接头系数腐蚀余0.6MPa 70℃80℃Q245R245，148，147 0.85〔局部检测〕 2mm四、椭圆形封头标记1：公称直径3000mm、封头名义厚度12mm、封头最小成形厚度8.74mm、材质为Q245R以内径为基准的椭圆形封头，标记如下：EHA3000×12〔8.74〕——Q245R GB/T251982：325mm12mm10.4mmQ345R以外径为基准的椭圆形封头，标记如下：EHB325×12〔10.4〕——Q345R GB/T25198五、标准椭圆形封头成形标准椭圆形封头依据类型、规格、材质，可承受冷冲压、热冲压、冷旋压、热旋压等方法成形。以内径为基准的椭圆形封头类型代号：EHA；以外径为基准的椭圆形封头类型代号：EHB。DN≤2023mmh宜为25mm；当封头公称直径DN＞2023mmh40mm。直边高度公差为〔-5～10〕%h。GB150.46.1形后的实际厚度不小于设计图样标注的最小成形厚度。封头成形后，应检测封头的成品厚度，具体测厚部位与数量，依封头的外形与规格，可〔封头顶部和转角过渡部位等〕以及直边部位为必测部位。3-4。EHA椭圆形封头总深度、内外表积、容积见表3-5。EHA3-6。EHB椭圆形封头总深度、内外表积、容积和质量见表3-7。六、其他类型封头封头类型包括：凸形封头、平盖、锥形封头〔含偏心锥壳、变径段、紧缩口等，其中凸形封头包括：椭圆形封头、碟形封头、球冠形封头和半球形封头。表3-2半球形、椭圆形、碟形和球冠形封头的断面外形、类型及型式参数表〔摘自GB/T25198〕3-3平底形、锥形封头的断面外形、类型及型式参数表〔GB/T25198〕第三节 开孔应力与开孔补强【学习目标】分析压力容器开孔应力集中现象。学习GB150.3《设计》第6JB4736-2023〕标准，把握补强圈构造。一、开孔四周的应力集中现象由于工艺要求和构造需要，设备壳体上要开孔焊接接收，如进出料口接收、检查孔等。容器开孔后，在介质压力作用下，开孔处会产生较大的附加应力，结果使开孔四周区域的局3大的现象称为应力集中。开孔应力集中现象具有以下特点：①②3倍甚至更高；③开孔孔径的相对尺寸D越大，应力集中作用越大；被开孔壳体的D集中作用越大；④在凸形封头上开孔优于在圆筒上开孔；⑤增大壳体壁厚、增大接收壁厚可以缓解应力集中程度。二、开孔范围及一般要求《固定容规》规定，压力容器应当依据需要设置人孔、手孔等检查孔，检查孔的开设位器，设计单位应当提出具体技术措施，例如增加制造时的检测工程或者比例，并且对设备使用中定期检验的重点检验工程、方法提出要求。《压力容器》规定，压力容器本体的开孔及其补强计算，包括等面积法和分析法。1、等面积法适用范围开椭圆形或长圆形孔时，孔的长径与短径之比应不大于2.0，本方法的适用范围：当圆筒内径D≤1500mm时，开孔最大直径d ≤1/2D，且d

≤520mm；当圆筒内i op i op径D＞1500mm时，开孔最大直径d ≤1/3D，且d ≤1000mm；i op i op凸形封头或球壳开孔的最大允许直径dop

≤1/2D；idop

，Di

为开孔中心处的锥壳内直径。注：dop对椭圆形或长圆形开孔指长轴尺寸。2、分析法适用范围〔略〕3、不另行补强的最大开孔直径壳体开孔满足下述全部要求时，可不另行补强：a〕设计压力P≤2.5MPa；b〕两相邻开孔中心的间距〔对曲面间距以弧长计算〕应不小于两孔直径之和；对于3个或以上相邻开孔，任意两孔中心的间距〔对曲面间距以弧长计算〕应不小于两孔直径之和2.589mm；3-81mm，需要加大腐蚀裕量时，应相应增加壁厚；开孔不得位于A、B类焊接接头上；钢材的标准抗拉强度下限值Rm≥540MPa时，接收与壳体的连接宜承受全焊透的构造型式。接收外径253238454857接收外径253238454857657689接收壁厚接收壁厚≥3.5≥4.0≥5.0≥6.04、开孔附件的焊接接头2dop范围内的接头不存在有任何超标缺陷。三、单个开孔补强的等面积法1、单个开孔的适用范围在等面积法适用范围内，满足以下条件的多个开孔均按单个开孔分别设计：a〕壳体上两个开孔中心间距〔对曲面间距以弧长计算〕不小于该两孔直径之和；b〕平封头〔平板〕0.5倍，任意两相邻开孔中心的间距不小于两孔直径之和。2、补强构造型式与补强件材料①补强圈补强GB150.3附录DJB/T4736注：补强圈补强构造见第五节图D.，应符合以下规定：a〕低合金钢的标准抗拉强度下限值Rb〕1.5δ；nc〕δ＜38mm。n

＜540MPa；m假设条件许可，推举以厚壁接收代替补强圈进展补强，其δ/δnt n②整体补强

0.5～2。增加壳体的厚度，或用全截面焊透的构造型式将厚壁接收或整体补强锻件与壳体相焊。构造可参见GB150.3D。③补强件材料应按壳体材料与补强材料许用应力之比而增加。假设补强材料许用应力大于壳体材料许用应力，则所需补强面积不得削减。对于接收材料与壳体材料不同时，引入强度减弱系数fr

t t，表示设计温度下t接收材料与壳体材料许用应力的比值，当f＞1.0f=1.0。r r3、壳体开孔补强①开孔补强的计算截面选取孔中心点与筒体轴线；对于凸形封头或球壳开孔，该截面通过封头开孔中心点，沿开孔最大尺寸方向，且垂直于壳体外表。dop2dop取所考虑截面上的尺寸〔弦长〕2②内压容器3-20Ad op et r③外压容器壳体开孔所需补强面积按式〔3-23〕计算：f=1.0；r

2op

rm。④②和③的要求。4、平盖开孔补强①平盖开单个孔，且开孔直径d ≤0.5D〔D取平盖计算直径，对非圆形平盖取短轴op 0 0长度〕时，所需最小补强面积按式〔3-24〕计算：A0.5d op p②平盖开单个孔，且开孔直径d ＞0.5D 时，其设计计算按GB150.3中6.5的要求。op O5、有效补强范围及补强面积计算开孔补强时，有效补强范围及补强面积按图3-6WXYZ范围确定。3-6〔a〕3-6〔b〕①有效补强范围B按式〔3-25〕计算，取二者中较大值：2dB B d 2op n

2nt有效高度按式〔3-26〕和式〔3-27〕计算，分别取式中较小值。外伸接收有效补强高度：d d op nth 内伸接收有效补强高度：②补强面积

1 接收实际外伸高度d op nt2 接收实际内伸高度在有效补强范围内，可作为补强的截面积按式〔3-28〕计算：式中：

A AA Ae 1 2 3A——补强面积，mm2；eA——壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，按式〔3-29〕计算，mm2；1ABdop

e

et

1fr

〔3-29〕fr=1.0。A——接收有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，按式〔3-30〕计算，mm2；2A 1 et

ft

2

cf2

〔3-30〕A——焊缝金属截面积〔见图3-，m2。3AA，则开孔不需另加补强；eAA，则开孔需另加补强，其另加补强面积按式〔3-31〕计算：eA≥AA4 e

〔3-31〕A——有效补强范围内另加的补强面积〔见图3-m。4四、补强圈JB/T4736-2023〕标准规定了补强圈的构造型式和尺寸系列。1、补强圈坡口型式依据补强圈焊接构造的要求，补强圈坡口分为A、B、C、D、E五种型式，见图3-7。2、各种坡口型式的适用条件A型——适用于壳体为内坡口的填角焊构造；B型——适用于壳体为内坡口的局部焊透构造；C型——适用于壳体为外坡口的全焊透构造；D型——适用于壳体为内坡口的全焊透构造；E型——适用于壳体为内坡口的全焊透构造。3-73、技术要求①补强圈厚度按GB1503-9②补强圈与壳体、接收相连的焊接接头应依据设计条件及构造要求，参考JB/T4736录A的表A.1③补强圈材料一般与壳体材料一样，并应符合相应材料标准的规定。④强圈无法安装的场合。拼接焊妥后焊缝外表应修磨光滑并与补强圈母材齐平，并按JB/T4730-2023⑤合。⑥GB/T197-19817HGB/T1804-2023m级。⑦补强圈与壳体、接收的焊接，应承受经NB/T47014〔注：替代JB/T4708-2023〕评定合格的焊接工艺进展施焊