《化工容器及设备》第5单元-厚壁容器

第5单元厚壁容器第五章厚壁容器第一节厚壁容器的结构和选材第二节厚壁容器的筒体结构形式第三节厚壁圆筒的强度计算第四节厚壁圆筒的自增强第五节厚壁容器的主要零部件第一节厚壁容器的结构和选材一、厚壁容器结构特点二、厚壁容器选材要求第一节厚壁容器结构和选材（续）

在人类历史上，将高压技术运用到化学反应以及其他物质的加工的时间并不是很长。1888年法国化学家、物理学家LeChatlier第一个提出了利用高压技术完成氮和氢反应的设想，并在10MPa以上的高压、500℃温度和有催化剂存在的条件下，直接实现了氨的合成。随后在德国化学家、工程师Haber等人的继续努力下，将操作压力提高到20MPa，并于1910年第一次获得了氨的工业品。第一节厚壁容器结构和选材（续）

一百多年过去了，高压技术除了在合成氨(15—60MPa)、合成甲醇(30MPa)、高压聚乙烯(10MPa以上)、石油加氢裂化(30MPa)、核反应堆等石油、化工、能源以及动力等领域得到了迅速发展外，高压技术还在其他许多物理过程中有着广泛的应用，如重型机械、高压锅炉、高压喷枪、材料挤压成型和深海探测等。而能使高压技术和大量工业过程得以实现，高压容器及设备在其中起到了关键性的作用。第一节厚壁容器结构和选材（续）

高压容器是在较高压力和应力水平下工作的一类特殊设备，因此，保证它能长期、稳定、安全地进行操作，便成为高压容器设计和结构形式选择的决定因素。一般来讲，容器承受的压力越高，其壁厚也就会越大，所以，高压容器大多又是厚壁容器，而且呈圆筒形。由于厚壁容器的操作条件极其苛刻，在承受高压的同时，往往还伴随有高温和介质的强烈腐蚀，因此，其应力状态和结构形式与薄壁容器有很大差异。第一节厚壁容器结构和选材（续）

工程上一般将设计压力在10MPa～100MPa之间的压力容器称为高压容器，而将100MPa压力以上的称为超高压容器。随着化学工业、石油工业、能源及动力工业的发展。对高压容器的需要日益增加，特别是70年代开始的工艺装置单系列、大型化、高压化的趋向继续发展，对高压容器的设计与制造提出了更高的要求。 高压容器在化工与石油化学工业中有着愈来愈广泛的应用。如合成氨工业中的高压设备压力为15～60MPa合成甲醇工业中的高压设备压力为第一节厚壁容器结构和选材（续）15～30MPa；合成尿素工业中的高压设备压力为20MPa；石油加氢工业中的高压设备压力为10～70MPa等。这类合成反应装置不但压力高，而且也伴有高温，例如合成氨就常在15～32MPa压力和500℃高温下进行合成反应。 高压容器的设计理论与制造技术起源于军事工业中的炮筒。化学工业中应用最早的是合成氨工业。随着化工及石油化工工业的发展，高压容器的直径、厚度、吨位都在不断地增加。20～30年代的氨合成塔内径一般为700～800mm，重30t左右。第一节厚壁容器结构和选材（续）五十年代内径增大到800～1000mm，长10m以上，重80t左右。六十年代发展到直径为1600～1700mm。而70年代以来，由于单机大型化生产的发展更快，直径已达2800～3600mm，长20m以上，重300～400t。加氢反应器也是如此，有的目前已达4.5m直径，厚度达280mm，重约1000t。从各方面的技术应用中表明，高压容器在现代石油化学工业中的应用是必不可少，而且是得到迅速发展的一个领域。第一节厚壁容器结构和选材（续）

高压容器和超高压容器结构上都属于厚壁容器，厚壁容器作为工业生产过程的高压装置，通常由外壳和内构件所组成。 厚壁容器在力学性能上具有以下3个特征：①厚壁容器是三向应力状态，三个应力中环向应力最大。第一节厚壁容器结构和选材（续）②环向应力的分布又以内壁应力最大，而且除经(轴)向应力，其余两个应力沿壁厚非均匀分布，并随着径比值的增大，不均匀程度会更为严重。③根据应力特性，在考虑如何降低操作状态下的应力水平时，厚壁容器不能单纯从增加厚度和提高材料强度级别来解决问题，而更需要从结构上改变应力的分布，由此，厚壁容器除采用常见的整体式结构外，还有多种组合形式。第一节厚壁容器结构和选材（续）一、厚壁容器结构特点

厚壁容器与薄壁容器一样，包括有圆筒体或球壳、筒体端部、平盖或凸形盖、密封结构和一些必要的附件。第一节厚壁容器结构和选材（续）

高压容器由于承压高．应力水平较高，考虑到轴对称受力情况好，以及制造方便、一般都用圆筒形容器，其结构有下列几个特点：⑴由于应力水平高，采用轴对称形状，容器直径愈大，壁厚也愈大。这就需要大型的机加工设备，同时还给焊接缺陷控制、残余应力消除、热处理等带来困难，增加制造成本。另外直径愈大密封就愈困难。因此高压容器的直径不宜太大。但工艺要求有相当的容积，所以其长度较大，长径比达12～15，甚至高达28，具有结构细长的特点。制造技术的提高，以逐渐降至6左右。第一节厚壁容器结构和选材（续）⑵厚壁容器由于承受高压作用，壁厚较大、质量大；⑶种类较多、结构复杂； 由于厚壁容器筒体结构的设计与选择，不仅要考虑受力状况的改善、设备制造厂的生产能力和操作条件，容器的技术经济指标是否先进，同时还要保证在工作条件下能长期连续使用并确保安全。高压容器由于器内直径小，器内安装内件不方便。因此，内件均在器外组装好，称为芯子，将整个芯子吊装入塔。如多层热套式、多层包扎式、多层绕板式、绕带式和绕丝式等第一节厚壁容器结构和选材（续）⑷开孔较小； 高压容器由于筒壁的应力水平比较高．如果在简壁开孔，乘上2～3倍的应力集中系数，则开口附近的应力必然很高，有达到屈服的危险。因此，为了不削弱简壁的强度，工艺性或其它必要的开孔，郡尽可能不在筒壁上开，而是开在端盖上，并尽量减小孔径（图5-2）。第一节厚壁容器结构和选材（续）第一节厚壁容器结构和选材（续）⑸广泛采用具有良好塑性和韧性的高强度钢； 过去厚壁容器大多采用屈服极限为200～300MPa级的高延性低碳钢，安全系数取得较高。随着各方面技术的提高，300～500MPa级的低合金高强度钢得到了广泛应用，这不仅减小了厚壁容器的壁厚尺寸，也大大提高了容器的安全可靠性。第一节厚壁容器结构和选材（续）⑹密封结构形式多样，要求较高； 高压容器的端盖，一般厚度都比较厚，同时密封结构也比较复杂，一般较小直径的可拆端盖不采用凸形的而采用平盖。但平盖受力条件差，材料消耗多、笨重，且大型锻件质量难以保证，故平盖仅在1m直径以下的高压容器中采用。近年来，由于深厚半球形端盖的锻造得到解决，大型高压容器趋向采用不可拆的半球形封头，结构更为合理经济。第一节厚壁容器结构和选材（续）

高压容器密封结构比较复杂，密封面加工要求比较高，一般采用金属密封圈，而且密封元件型式多样。高压容器应尽可能利用介质的高压作用来帮助将密封圈压紧．因此出现了多种型式的“自紧式”密封结构。另外为尽量减少可拆结构给密封带来的困难，一般仅一端可拆，另一端不可拆。第一节厚壁容器结构和选材（续）二、厚壁容器选材要求 生产中使用的厚壁容器的工作条件严格，要求苛刻，同时还要经受各种变动工况的考验。为了确保厚壁容器的使用安全，选用材料时，除了遵循一般压力容器的选材原则外，还应根据厚壁容器的使用特点，充分考虑载荷和载荷性质、工作温度、介质特性、结构形式以及加工制造等方面的影响，使所选材料尽量满足厚壁容器的特殊使用要求。第一节厚壁容器结构和选材（续）(1)具有较高的机械强度，塑性要好 由于厚壁容器特殊的使用条件，一般应选择具有较高强度的材料来制造容器。但对同一钢种，由于热处理条件不同，它的强度也会随之不同。另外，强度级别的提高，势必会引起材料塑性和韧性指标的降低，因此，在选用高强度钢材的同时，还应充分考虑材料的塑性指标，对于焊接或多层厚壁容器，一般选择材料的伸长率应不小于15％～20％。第一节厚壁容器结构和选材（续）(2)要有较好的冲击韧性和断裂韧性 厚壁容器在实际操作时有可能出现载荷波动，包括周期性循环载荷和操作条件突然变化而引起的压力变化，这样的工况已经超出静载荷的范围。因此，对于制造厚壁容器的材料，应当要有较高的冲击韧性，即要求冲击功值Akv＞40J。这一指标的控制对厚壁容器的安全性有着重要意义。另外，随着材料强度级别的提高，以及加载速度的增加，一些金属材料断裂韧性的数值将有所降低，难以预测的低应力破坏的倾向也就会增大，这时当强度指标相差不大时，应尽可能考虑选用断裂韧性较高的钢种来制造容器。第一节厚壁容器结构和选材（续）(3)具有较好的抗蠕变性能 厚壁容器除了承受高压外，有时还要受到高温的作用。在应力作用下，当温度超过所用材料决定的某一数值时，材料就会发生蠕变。应力越大，温度越高，蠕变速率也就越快。所以适当地选用钢种可避免出现过大的蠕变。第一节厚壁容器结构和选材（续）(4)有一定的抗腐蚀性能 用于石油和化工的厚壁容器，在高温、高压下都有可能受到介质的腐蚀，在选材时尤其要考虑应力腐蚀问题。这是因为在腐蚀环境中，无论是氢脆还是应力腐蚀，都会引起临界压力的降低并出现延迟断裂的现象。如果根据载荷选用的材料强度级别越高，应力腐蚀的敏感性也就越大。第一节厚壁容器结构和选材（续）(5)要有良好的加工工艺性能 由于厚壁容器有比较高的要求，选材时除了充分考虑钢材的可焊性、可锻性以及抗氧化性能外。对于厚壁容器的热套结构或必须对容器本身进行自增强处理的结构，还必须进行一些特殊考虑。如热套制造不仅需要进行精加工以保证理论计算的过盈量，同时还需要考虑热套温度的影响，因此，选用材料时，就必须考虑材料在最终热处理后必须具备的特性，并依此为依据来进行容器的设计与计算。第一节厚壁容器结构和选材（续）(6)要充分考虑本国资源及使用的经济性 考虑到材料的使用性能和供应问题，应尽量根据本国资源及冶金设备能力选用材料。特别是要以富产元素为基础，多选用发展性能好、合金元素利用更加节约和合理的新型钢种。第二节厚壁容器的筒体结构形式一、单层圆筒结构二、多层圆筒结构第二节厚壁容器的筒体形式（续）

近十几年来，随着高压技术的发展以及厚壁容器操作压力的提高，容器尺寸也越来越大，这就要求人们不断去研究厚壁容器的新结构、新的设计方法和制造方法。因此，已普遍使用或散见于有关文献中的厚壁容器的筒体结构形式比较多，常见的结构有以下几种。第二节厚壁容器的筒体形式（续）单层圆筒结构整体锻造式锻焊式单层卷焊式单层瓦片式等多层圆筒结构多层包扎式多层热套式多层焊缝错开式多层绕板式绕带式螺旋绕板式第二节厚壁容器的筒体形式（续）一、单层圆筒结构1.整体锻造式制造方法：最早采用的一种结构。它是用大型钢锭，经去除浇口、冒口等缺陷后，在钢锭中心穿孔，并加入心轴后经水压机多次锻造，然后进行内、外壁切削加工而成的圆筒体第二节厚壁容器的筒体形式（续）特点：主要优点：结构比较简单，组织密实，材料性质均匀，筒体无焊缝，机械强度高，安全可靠。如果在锻造过程中配合采用真空脱气加喷粉、钢包精炼电渣重熔等先进的冶金技术，锻造筒体的性能还会有明显的改善。缺点：需要大型的冶炼、锻造和热处理设备，并且生产周期长、金属切削量较大、制造成本高，因此在制造上受到一定的限制。第二节厚壁容器的筒体形式（续）使用范围： 一般为直径小于1500mm、长度不超过12m的压力容器。特别适用于直径为100～800mm的超高压容器。中国多数超高压水晶釜均采用这一结构。第二节厚壁容器的筒体形式（续）2.锻焊式制造方法：较大容量的厚壁容器，受到冶炼、锻造、加工设备的限制，先锻造成若干个筒节，然后通过深环焊缝将各个筒节连接起来，最后进行焊后热处理消除热应力和改善焊缝区的金相组织。第二节厚壁容器的筒体形式（续）特点：由于这种结构造价很高，故常用于制造一些有特殊要求和安全性较高的压力设备，如制造热壁加氢反应器、煤液化反应器、核容器等。第二节厚壁容器的筒体形式（续）3.单层卷焊式制造方法：只是需要将经检验合格的厚钢板在常温或加热后，在大型卷板机上卷成圆筒坯，然后焊接纵向焊缝成为筒节，再通过环焊缝焊接将筒节连接成需要长度的圆筒体。第二节厚壁容器的筒体形式（续）特点：优点：这种型式的容器具有结构成熟，理论较完善；制造工艺简单，加工工序少；自动化程度高，生产效率高；可以利用调质等热处理方法，提高材料性能等。缺点：要求大型的卷板机和热处理设备，而且还要有优质的厚钢板。第二节厚壁容器的筒体形式（续）使用范围： 目前，已经可以制造厚度为500mm的各种单层卷焊式厚壁容器，我国最大的卷板能力为250mm(厚度)。是迄今为止使用最多的一种压力容器圆筒结构。第二节厚壁容器的筒体形式（续）4.单层瓦片式 当没有大型卷板机而又有大型水压机时，可以将厚钢板加热后在水压机上压制成瓦片形状的“瓦坯”，再用焊接纵焊缝的方法将“瓦坯”组对成圆筒节，然后按照需要的长度组焊成圆筒体。由于每一个筒节都有两条或两条以上的纵焊缝，而且“瓦坯”组对时，需要一定数量的工夹具，因此，较费工时，且制造方法比上一种复杂，一般较少采用此种圆筒结构。第二节厚壁容器的筒体形式（续）5.无缝钢管式 用厚壁无缝钢管也可制造单层的厚壁容器，效率高，周期短。我国小型化肥厂的许多小型高压容器即采用此种结构。但高压无缝钢管的直径不超过500mm。第二节厚壁容器的筒体形式（续）

上述几种圆筒结构尽管结构简单，使用经验丰富，但它们都有一些共同的缺点。①除整体锻造式厚壁圆筒外，不能完全避免较薄弱的深焊缝(包括纵焊缝和环焊缝)，焊接检验和消除均较困难，结构本身缺乏阻止裂纹快速扩展的自保护能力；②大型锻件及厚钢板的性能不及薄钢板，不同方向力学性能差异较大，发生低应力脆性破坏的可能性也较大；③应力沿壁厚不是均匀分布，材料未得到充分利用。第二节厚壁容器的筒体形式（续）二、多层圆筒结构

1.多层包扎式圆筒 多层包扎式是由内筒和外面包扎的多层层板两部分组成。第二节厚壁容器的筒体形式（续）制造方法： 首先用厚度4～34mm的优质碳素钢板或8～13mm的不锈钢板卷焊成内筒筒节，然后将焊接后的纵焊缝磨平并进行无损检测和机械加工，再把厚度为4～12mm的薄钢板卷成半圆形瓦片，并作为层板包扎到内筒外面直至需要的厚度，以构成一个筒节。一个筒节的长度视所选择钢板的宽度而定，层数则随需要的厚度而定。最后，筒节两端再加工出环焊缝坡口，并通过深环焊缝焊接将筒节连成一个筒体。第二节厚壁容器的筒体形式（续）

每个筒节还开设有直径为6mm的安全孔和数个通气孔，如图5-6所示。一方面可以防止环焊缝焊接时把空气密封在层板间造成不良影响；另一方面可作为操作时的安全孔使用，一旦内筒因腐蚀或其他一些原因产生破裂，

高压介质必然会从安全孔

渗漏出来，通过该孔便能

很方便地进行观察和处理，

以防止恶性事故的发生。第二节厚壁容器的筒体形式（续）优点：①制造这种结构的厚壁容器不需要大型复杂的加工设备，一般中等规模的压力容器专业厂都能制造。②使用的层板较薄，其塑性较好，脆性转变温度较低，如果发生破裂，也只是逐层开裂，不会产生大量碎片；另外，层板部分的纵焊缝始终错开，任何轴向剖面上均无两条以上的焊缝，减小了焊缝区因缺陷或应力集中对整个容器强度的影响，因此具有较高的安全可靠性。第二节厚壁容器的筒体形式（续）②层板在包扎和焊接过程中，由于受到钢丝绳或液压钳的拉紧力，以及C类焊缝的冷却收缩作用，筒体沿壁厚将会产生一定的压缩预应力。当受内压作用时，该预应力即可以抵消一部分由内压引起的拉应力，使厚壁圆筒在壁厚方向的应力分布比单层简体更均匀，由此提高了容器的承载能力。④当介质有腐蚀时，内筒可选用耐蚀钢板，而层板则用普通碳钢材料，降低成本。第二节厚壁容器的筒体形式（续）缺点： 如制造工序多，包扎工艺难度大，生产周期长；对钢板厚度均匀性要求较高，钢材利用率较低(仅60％左右)；筒节间存在深环焊缝，对筒体的制造质量和安全有显著影响，特别是焊接缺陷，使其成为低应力脆性断裂的根源等。常用范围： 最大设计压力70MPa，设计温度-45～550℃，最大直径6000mm，最大壁厚533mm。第二节厚壁容器的筒体形式（续）2.多层热套式圆筒

将两个或多个圆筒套在一起组成的厚壁圆筒。第二节厚壁容器的筒体形式（续）制造方法： 首先是把25～80mm的中厚钢板卷焊成几个直径不同但可以过盈配合的筒节，然后将外层筒节加热，套入内层筒节，当外筒冷却后产生收缩，紧紧地贴在内筒上，使内筒受到一定的压应力。最后再将套好后的厚壁筒节通过深环焊缝组焊成一个筒体。当设计压力大于100MPa时，需要由过盈产生的套合力来提高其承载能力，此时套合面需经精密机械加工；当设计压力小于35MPa时，套合面只需进行粗加工或喷砂处理，甚至可以不加工。第二节厚壁容器的筒体形式（续）特点：①多层包扎式圆筒相比，不仅具有前者大多数优点，而且还避免了工序多、生产周期长的缺点；②热套容器大多采用25～80mm的中厚钢板制作圆筒，故抗脆性能又比单层筒体好；③各层圆筒贴合紧密，不存在间隙，除了可以改善筒体操作时的应力状态外，对用筒壁作传热的容器也十分有利；④各层圆筒纵焊缝能进行100％探伤，因此，纵向焊缝质量易于保证。第二节厚壁容器的筒体形式（续）⑤由于热套式结构只能热套短圆筒，故筒体节连接较多，深环焊缝存在缺陷的可能性较大，同时也增加了环焊缝焊接和探伤检测的工作量；⑥需要大型设备加工坡口和进行整体热处理的加热炉。常用范围是：设计压力10～70MPa，设计温度-45～538℃，

内直径600～4000mm，壁厚50～500mm，

筒体长度2.4～38m。第二节厚壁容器的筒体形式（续）3.多层焊缝错开式圆筒

这种结构是多层包扎式圆筒的改进型，其主要区别是避免了深环焊缝的影响。第二节厚壁容器的筒体形式（续）制造方法： 首先将内筒组焊到需要的长度，在筒体两端焊上带斜面的端部法兰和另一端的封头，然后在整个简体长度上包扎瓦片状层板，第一层完成后打磨焊缝表面，再继续包扎第二层瓦片，直至包扎到需要的厚度。包扎过程中相邻两层焊缝需错开一个角度（如错开750），同时环焊缝沿轴线错开一段距离（如200mm），如图5-8所示。第二节厚壁容器的筒体形式（续）该结构具有与多层包扎式圆筒相类似的特点和相同的适用范围。目前直径在3200mm以下的多层焊缝错开式容器在国内已有生产。第二节厚壁容器的筒体形式（续）4.多层绕板式圆筒 在多层包扎式圆筒基础上发展起来的，其主要目的是为了克服多层包扎结构中焊缝多、生产周期长的缺点。它由内筒、绕板层、保护筒和楔形板组成，多层绕板式圆筒横截面如图5-9所示。第二节厚壁容器的筒体形式（续）制造方法： 把筒体分成多个筒节，其内筒厚度为10～40mm，内筒的长度与所绕钢板的宽度相同。开绕时，由于绕板的厚度会在起始端出现一个台阶，为此在起绕处先点焊一个楔形板，并且一端磨尖，另一端与绕板厚度相同并与绕板连接。第二节厚壁容器的筒体形式（续）

绕板时，首先将厚度为3～5mm的薄板端部与楔形板的厚端焊接，然后将薄板连续地缠绕在内筒上，达到筒体的设计厚度为止。最后与起始处一样，焊接一块外楔形板，再包上6～10mm厚的钢板作为保护筒，即构成一个厚壁筒节。图5-10和图5-11所示即是绕板式圆筒筒节的制作过程和卷制示意。第二节厚壁容器的筒体形式（续）第二节厚壁容器的筒体形式（续）特点：绕板式厚壁圆筒与多层包扎式相比，有下列优点：(1)材料供应方便，绕板式厚壁圆筒的绕板是普通的、厚度为2～3mm钢板。(2)生产效率高。因绕板过程是连续的，劳动强度小，生产周期短。(3)材料利用率高、绕板时基本上没有边角余料。(4)制造过程中机械化程度高，占用场地面积小，工序少。第二节厚壁容器的筒体形式（续）缺点：①筒节长度与钢板宽度相等，因此，筒节和封头均需要用深环焊缝进行连接，增加了焊接和检验的工作量；②钢板厚度误差累积会使圆筒圆度增大；③绕板不容易绕紧，层间存在间隙等。使用范围： 内直径500～7000mm，单个筒节最大长度2200mm，制作容器最大质量1000t，最高设计压力147.2MPa，最高设计温度468℃。第二节厚壁容器的筒体形式（续）5.多层绕带式圆筒 中国1965年试制成功，首创的一种结构，被列入ASMEVM-1和ASMEW-2标准的规范案例。它是在内筒外壁上以一定的预应力绕上数层钢带制造而成。钢带有两种，即扁平钢带和型槽钢带。前一种钢带制作的圆筒称为扁平钢带式，后一种称为绕带式。由于绕带式所使用的钢带带有槽，公差要求高，扎制困难，还需要大型高精度的加工设备，已经很少使用。使用更多的是扁平钢带式圆筒。第二节厚壁容器的筒体形式（续）制造方法： 扁平钢带式圆筒，是在厚度不小于1/6总壁厚的内筒外面，以相对于圆筒体环向150～300的倾角错绕80～160mm、厚度为4～8mm的热轧扁平钢带，如图5-12所示。 开绕时，钢带的起始端与筒体的端部焊牢，每层钢带按多头螺纹方式绕制，并相互左右螺旋错开。同时通过一个油压装置压紧钢带以产生一定的拉力，使筒内产生必要的预压缩力。扁平钢带式圆筒绕带制作示意如图5-13所示第一节厚壁容器结构和选材（续）第一节厚壁容器结构和选材（续）第二节厚壁容器的筒体形式（续）特点： 该结构兼有绕带式和多层包扎式筒体的优点，可以用轧制容易的扁平钢带代替轧制困难的型槽钢带，钢带只需冷绕；与厚板卷焊圆筒相比，它能够提高工效1倍，降低焊接和热处理能耗80％，减少钢材消耗20％，降低制造成本约30％～50％；另外筒体全长没有深的纵向和环向焊缝该结构，制造方法易掌握，制造设备简单。但绕制倾角对带层及内筒承受轴向、环向应力的分配极为敏感。第二节厚壁容器的筒体形式（续）①扁平钢带以一定倾角带绕在内筒上，使筒体既能承受韧向力．又能承受周向力。②加工工艺过程及所用的加工设备筒单，都能做。③整体统制，无深厚环焊缝。④绕制时机械化程度高，可节省大量手工劳动周期短。⑤扁平钢带容易轧制、材料来源广，利用率高，制造成本低。⑥内、外层材料可以不同。内筒较薄．带层呈网状结构，爆破时不容易整个裂开，比较安全。第二节厚壁容器的筒体形式（续）使用范围： 这种结构主要适用于压力不小于1MPa，内直径大于或等于300mm的内压容器。在过去的三十多年中，中国已经制造内径达1000mm的扁平钢带式合成塔、水压机蓄能器和高压气体储罐1000多台，目前国内可以生产直径达2500mm的扁平钢带式厚壁容器。第二节厚壁容器的筒体形式（续）6.螺旋绕板式圆筒制造方法： 螺旋绕板式圆筒与扁平钢带式圆筒在结构上没有实质性的区别，只是前者使用的钢板宽度比钢带大而已。该结构是根据内筒直径的大小，在内筒外面以0.2～2.2倍的筒体内径为螺距，使用厚度约4mm，宽度为400～2500mm的薄钢板进行螺旋错绕，直到所需厚度，如图5-14所示。第二节厚壁容器的筒体形式（续）第二节厚壁容器的筒体形式（续）特点： 这种结构除了具有扁平钢带式圆筒的一些优点外，没有深环焊缝，制造时不需进行热处理；另外，与单层卷焊式圆筒相比较，制造工时节约60％，能耗降低90％，制造成本降低6％，使用更加安全可靠。但由于采用了大宽度的钢板进行缠绕，显然增加了制造难度，如圆筒端部对接处钢板的切削比较困难；螺距控制和精度调节要求更高；而且随着钢板厚度和宽度的增加，为了保证一定的缠绕力，需要大功率的绕板机床等。第二节厚壁容器的筒体形式（续）使用范围： 目前，螺旋绕板式圆筒适用于最高设计压力为100MPa，设计温度为-40～350℃，圆筒体最大壁厚为200mm，筒体最大长度可达到9.5m。第三节厚壁圆筒的强度计算一、厚壁圆筒弹性失效准则及强度计算二、中国现行规范中的厚壁圆筒计算*三、厚壁圆筒当量综合应力校核第三节厚壁圆筒的强度计算（续）

随着高压技术水平的提高，厚壁容器出现了大型化、高参数和选用高强度材料的趋势。由此，针对压力容器的设计和计算思想也由传统的防止容器发生弹性失效，逐步发展成针对不同失效形式的多种设计准则，并形成了常规设计与分析设计两个自成体系又相互独立的设计与计算方法。第三节厚壁圆筒的强度计算（续）一、厚壁圆筒弹性失效准则及强度计算失效形式失效判据（选择）设计准则（相应）设计是否合理（判别）第三节厚壁圆筒的强度计算（续）压力容器失效定义

——压力容器在规定的使用环境和时间内，因尺寸、形状或材料性能发生改变而危及安全或葬失正常功能（完全失去或不能达到原设计要求和寿命等）的现象。失效表现形式

泄漏过度变形断裂失效原因

—多种多样第三节厚壁圆筒的强度计算（续）压力容器基本失效形式（1）强度失效（2）刚度失效（3）失稳失效（4）泄漏失效失效形式第三节厚壁圆筒的强度计算（续）（1）强度失效——因材料屈服或断裂引起的压力容器失效。（a）韧性断裂、（b）脆性断裂、（c）疲劳断裂、（d）蠕变断裂、（e）腐蚀断裂等。强度失效第三节厚壁圆筒的强度计算（续）a.韧性断裂—压力容器在载荷作用下，产生的应力达到或接近所用材料的强度极限而发生的断裂。特征原因断后有肉眼可见的宏观变形，如整体鼓胀，长伸长率可达10～20%，断口处厚度显著减薄；没有碎片，或偶尔有碎片；按实测厚度计算的爆破压力与实际爆破压力相当接近。壁厚过薄和内压过高壁厚未经设计计算和壁厚因腐蚀而减薄操作失误、液体受热膨胀、化学反应失控等。第三节厚壁圆筒的强度计算（续）严格按照规范设计、选材，配备相应的安全附件，且运输、安装、使用、检修遵循有关的规定韧性断裂可以避免第三节厚壁圆筒的强度计算（续）b.脆性断裂——是指变形量很小、且在壳壁中的应力值远低于材料的强度极限时发生的断裂。这种断裂是在较低应力状态下发生，故又称为低应力脆断。

断裂时无明显的塑性变形；其断口齐平，并与最大应力方向垂直；断裂的速度极快，常使容器断裂成碎片；发生时容器的实际应力值往往很低，爆破片、安全阀等安全附件不会动作；其后果要比韧性断裂严重得多。特征第三节厚壁圆筒的强度计算（续）脆性断裂

原因——材料脆性和缺陷。a.材料选用不当、焊接与热处理不当使材料脆化；长期在低温、高温下运行、应变时效等也会使材料脆化；b.压力容器用钢一般韧性较好，但若存在严重的原始缺陷（如原材料的夹渣、分层、折叠等）、制造缺陷（如焊接引起的未熔透、裂纹等）或使用中产生的缺陷，也会导致脆性断裂发生。第三节厚壁圆筒的强度计算（续）c.疲劳断裂——在交变载荷作用下，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生断裂失效的过程。交变载荷—指大小和（或）方向都随时间周期性（或无规则）变化的载荷。包括—压力波动、开车停车；加热或冷却时温度变化引起的热应力变化；振动或容器接管引起的附加载荷的交变而形成的交变载荷。需要指出—原材料或制造过程中产生的裂纹，也会在交变载荷的反复作用下扩展

而导致压力容器疲劳。第三节厚壁圆筒的强度计算（续）疲劳破坏（突发性破坏，接近脆断，危险性很大）

——包括裂纹萌生、扩展和最后断裂三个阶段。疲劳断口—裂纹源、裂纹扩展区和瞬时断裂区组成。往往位于接管根部、焊接接头等高应力区或有缺陷的部位。是疲劳断口最重要的特征区域。常呈现贝纹状，是疲劳裂纹扩展过程中留下的痕迹。裂纹扩展到一定程度时的快速断裂区。失效形式——“未爆先漏”，破坏需要有一定时间。第三节厚壁圆筒的强度计算（续）从变形看——具有韧性断裂特征从应力看——具有脆性断裂特征d.蠕变断裂——压力容器在高温下长期受载，随时间的增加材料不断发生蠕变变形，造成壁厚明显减薄与鼓胀变形，最终导致压力容器断裂。蠕变现象（Creep）：——金属材料在长时间的恒温、恒应力作用下，发生缓慢的塑性变形。e.腐蚀断裂——韧性断裂特征／脆性断裂特征。第三节厚壁圆筒的强度计算（续）均匀腐蚀的减薄和局部腐蚀的凹坑引起的断裂晶间腐蚀和应力腐蚀引起的断裂第三节厚壁圆筒的强度计算（续）（2）刚度失效——由于构件过度的弹性变形引起的失效。（3）失稳失效——在压应力作用下，压力容器突然失去其原有的规则几何形状引起的失效。（4）泄漏失效——泄漏而引起的失效。危害：可能引起中毒、燃烧和爆炸等事故，

造成环境污染等。如塔受风载荷，产生过大的弯曲变形第三节厚壁圆筒的强度计算（续）失效判据和设计准则压力容器最可能发生的失效形式分析思路求得压力容器在稳态或瞬态工况下的力学响应（如应力、应变、固有频率等）确定力学响应的限制值以判断压力容器

能否安全使用是否获得满意的使用效果（根据）第三节厚壁圆筒的强度计算（续）(1)失效判据——将力学分析结果与简单实验测量结果相比较，判别压力容器是否会失效。这种判据称为失效判据。(2)设计准则

——根据失效判据，再考虑各种不确定因素，引入安全系数，得到与失效判据相对应的准则。分类强度失效设计准则刚度失效设计准则稳定失效设计准则泄漏失效设计准则第三节厚壁圆筒的强度计算（续）工作程序：第三节厚壁圆筒的强度计算（续）1.强度失效设计准则常用的强度失效

设计准则：弹性失效设计准则塑性失效设计准则爆破失效设计准则弹塑性失效设计准则疲劳失效设计准则蠕变失效设计准则脆性断裂失效设计准则两种主要形式：（在常温、静载作用下）断裂屈服第三节厚壁圆筒的强度计算（续）⑴弹性失效设计准则（韧性材料）——将容器总体部位的初始屈服视为失效。1.单向拉伸——最大拉应力准则（第一强度理论）屈服失效的数学表达试相应的设计准则最大拉应力准则—屈服应力—许用应力—最大拉应力第三节厚壁圆筒的强度计算（续）

2.任意应力状态——最大切应力准则屈雷斯卡(Tresca)屈服失效判据任意应力状态——最大切应力屈服失效判据——第三强度理论第三节厚壁圆筒的强度计算（续）3.任意应力状态——形状改变比能准则——形状改变比能失效判据——第四强度理论任意应力状态第三节厚壁圆筒的强度计算（续）4.应力强度或相当应力弹性失效设计准则统一：第三节厚壁圆筒的强度计算（续）⑵塑性失效设计准则——理想弹塑性材料，内压厚壁圆筒——设计压力——全屈服压力——全屈服安全系数第三节厚壁圆筒的强度计算（续）⑶爆破失效设计准则——容器爆破作为失效判据——压力容器一般具有应变硬化现象爆破压力大于全屈服压力爆破失效设计准则：——爆破压力——爆破安全系数第三节厚壁圆筒的强度计算（续）⑷弹塑性失效设计准则——又称为安定性准则，认为载荷变化范围达到安定载荷，容器就失效。应用场合：适用于各种载荷不按同一比例递增、载荷大小反复变化。第三节厚壁圆筒的强度计算（续）安定状态——容器承受稍大于初始屈服载荷的载荷少量的局部塑性变形残余应力场应力叠加后小于屈服点

保持弹性行为

无新塑性变形“安定”状态若容器所受的载荷较小——最大应力点进入塑性相对应的载荷。第三节厚壁圆筒的强度计算（续）“安定”状态“不安定”状态载荷继续增大反向屈服，或塑性变形累积；

丧失安定，塑性变形渐增工程上：由于超过安定载荷后容器并不立即破坏，危险性较小，安定载荷的安全系数＝1.0，

最大载荷变化范围<安定载荷。安定载荷

——安定和不安定的临界状态相对应的载荷变化范围。第三节厚壁圆筒的强度计算（续）⑸疲劳失效设计准则——最大虚拟应力幅按低周疲劳设计曲线所确定的许用循环次数大于容器所需的循环次数，容器就不会发生疲劳失效。低周疲劳设计曲线——由试验及理论得，虚拟应力幅与许用循环次数之间的关系曲线。低周疲劳——每次循环中材料都将产生一定的塑性应变，疲劳破坏时的循环次数较低，一般在105次以下。第三节厚壁圆筒的强度计算（续）⑹蠕变失效设计准则——将应力限制在由蠕变极限和持久强度确定的许用应力以内。⑺脆性断裂失效设计准则1.破损安全设计——假设裂纹存在时，结构还能承受工作载荷——容器裂纹容限问题。2.先漏后爆设计——材料具有足够韧性，快速断裂前，裂纹已穿透壁厚，导致泄漏发生，可避免突发快速断裂，减少损失。说明：假设裂纹，真实裂纹（漏检或在使用中产生）第三节厚壁圆筒的强度计算（续）⑻刚度失效设计准则——在载荷作用下，要求构件的弹性位移、转角不超过规定的数值第三节厚壁圆筒的强度计算（续）⑺失稳失效设计准则⑻泄漏失效设计准则——密封装置的介质泄漏率不得超过许用泄漏率。——防止失稳发生周向失稳轴向失稳局部失稳失效判据：设计准则：第三节厚壁圆筒的强度计算（续）2.受内压厚壁圆筒强度计算 若厚壁圆筒的当量应力为σeq，材料在设计温度下的许用应力为[σ]t，按照弹性失效设计准则可以写出强度条件的统一形式，即：第三节厚壁圆筒的强度计算（续）

由应力分析可知，仅承受内压作用的厚壁圆筒，危险点在其内壁，因此需要对内壁进行强度计算。内壁三个主应力(按材料力学的主应力排列顺序)分别为：第三节厚壁圆筒的强度计算（续）

根据第一、第二、第三、第四强度理论，得到以下强度条件：第三节厚壁圆筒的强度计算（续）

将厚壁圆筒内壁三个主应力的值分别代人以上各式，通过化简整理，即得到相应的强度条件表达式；如果已知厚壁圆筒所承受的内压力p和材料的许用应力值[σ]t

，根据强度条件以及简体的内径或外径等几何尺寸，即可推导出厚壁圆筒的壁厚计算表达式(见表5—1)。第三节厚壁圆筒的强度计算（续）第三节厚壁圆筒的强度计算（续）关于中径公式 对于承受内压的薄壁圆筒，仿效上述分析方法，危险点的三个主应力分别为由第一强度理论得第三节厚壁圆筒的强度计算（续）将中径与壁厚的关系转换成用径比K来表示，即经简化得到第三节厚壁圆筒的强度计算（续）取等号得到径比为最后，得到薄壁圆筒的厚度计算式

(又称为中径公式)，即：第三节厚壁圆筒的强度计算（续）3.强度理论公式分析第三节厚壁圆筒的强度计算（续）①在同一承载能力下，按最大剪应力理论计算出的K值最大(壁厚最厚)，而按中径公式计算出的K值最小(即壁厚最薄)。②在圆筒承载能力较低(如ps/σs＜0.2)时，由各强度理论计算的K值差别不大。尤其是K≤1.2，各曲线几乎趋于重合，说明各公式计算的结果基本一致。故在此条件下，中国和外国的一些规范中，提出选用较简单的中径公式对圆筒形壳体进行强度计算。第三节厚壁圆筒的强度计算（续）③按最大应变能理论计算出的内壁初始屈服压力与试验值最为接近。K≤1.5，适当调整安全系数，可以使中径公式的计算结果与最大应变能理论的结果相近，使公式得以简化。因此，不少国家为了计算方便，规定在K≤1.5时可以采用中径公式进行设计计算。当K＞1.5，各强度理论计算的结果相差会越来越大，这时采用最大应变能理论计算更合适。④当承载能力达到一定水平时，各强度理论的径比K值将趋于无穷大，且曲线向上陡直，这说明强度理论已达到了各自的应用极限。第三节厚壁圆筒的强度计算（续）二、中国现行规范中的厚壁圆筒计算

设计压力≤35MPa的厚壁容器，中国采用GB150《钢制压力容器》中有关规定进行设计和计算。在第5章“内压圆筒和内压球壳”中规定了单层、多层包扎和热套等厚壁圆筒的计算方法。

该方法采用弹性失效准则和最大主应力理论，强度控制不区分应力性质和危险程度而全部采用同一许用应力，但计算中将按照载荷和结构的不同给出相应的系数。第三节厚壁圆筒的强度计算（续）1.单层内压厚壁圆筒计算设计温度下圆筒的计算厚度可以直接采用表5-1中的中径公式计算，但式中的内压力p应使用计算压力pc，考虑焊接可能引起的强度削弱，经简化后得到厚壁圆筒的壁厚计算式为：该公式适用范围为用塑性失效设计准则或爆破失效设计准则进行计算否则，常采第三节厚壁圆筒的强度计算（续）在设计温度下圆筒强度按以下判别式进行强度校核圆筒的最大允许工作压力(多层圆筒也适用于)第三节厚壁圆筒的强度计算（续）2.多层内压厚壁圆筒计算为了改善厚壁圆筒的应力分布，提高其承载能力，多层厚壁圆筒在制造过程中都施加了一定大小的预应力。但由于结构和制造上的原因，定量控制预应力的大小是比较困难的。因此，在对多层厚壁圆筒进行计算时，从安全角度考虑一般不计人预应力的影响，而仅将其作为圆筒自身的强度储备。只有当压力很高时，才考虑预应力的作用。第三节厚壁圆筒的强度计算（续）

多层圆筒(含包扎、热套式、绕板式和扁平钢带式)的壁厚计算方法与单层厚壁圆筒基本一样，只要用组合许用应力代替原有的许用应力即可。组合许用应力为：第三节厚壁圆筒的强度计算（续）第三节厚壁圆筒的强度计算（续）

例题5-1

设计一台多层包扎式高压容器的筒体，已知设计压力为32.0MPa，设计温度＜200℃，容器内径为1000mm，内筒厚度为18mm，材料为16MnR，层板材料选用16MnRC，层板厚度为6mm，内筒的腐蚀裕量取2mm，试计算需要层板多少层?第三节厚壁圆筒的强度计算（续）解1.确定有关计算参数(1)许用应力根据厚度18mm，温度200℃，材料为16MnR钢板，以及厚度为6mm，温度200℃，层板材料为16MnRC的题设条件，查表3-6分别得到内筒材料许用应力[σi]t＝159MPa，层板材料许用应力[σ0]t＝170MPa。(2)焊接接头系数 采用双面焊对接焊缝，100％无损探伤，取内筒焊接接头系数φ＝1.0；层板层的焊接接头系数取φ＝0.95。第三节厚壁圆筒的强度计算（续）(3)厚度附加量 多层包扎圆筒只考虑内筒的C值，查表3-10得到厚度为18mm的内筒的钢板负偏差C1＝0.8mm，故厚度附加系数C＝C1+C2＝0.8+2＝2.8mm。(4)计算压力取计算压力pc＝p＝32.0MPa。第三节厚壁圆筒的强度计算（续）2．计算层板层数 采用试算法。即选取一个层板数，通过壁厚计算，如果δe-δ＜6mm，说明层板数取得合适；如果δe-δ≥6mm，说明层板数取得过多；如δe-δ＜0则说明层板数取得太少，后两种情况都需要重新假设层板数进行试算，直至合适为止。。首先假设层板数N＝17第三节厚壁圆筒的强度计算（续）组合许用应力第三节厚壁圆筒的强度计算（续）由此可知，取层板数为N＝17偏多，不合适。再取N＝16计算，直至满足要求为止第三节厚壁圆筒的强度计算（续）*三、厚壁圆筒当量综合应力校核

厚壁圆筒除了承受由压力引起的应力外，当容器在较高温度下操作时，还不可避免地要承受较大的温差应力。因此，除了在结构和使用过程中采取一定措施外，为了确保安全，还需要对这一类圆筒进行校核．并按最不利的条件来确定强度壁厚。第三节厚壁圆筒的强度计算（续）1.内压内加热圆筒应力校核 计算出厚度δe后，考虑附加量及钢板规格，确定名义厚度δn

，即可按下式校核圆筒外壁上的当量综合应力，即第三节厚壁圆筒的强度计算（续）——厚壁圆筒外壁上的当量温差应力，可以证明该应力等于圆简外壁上的环向温差应力(见表2-2)——圆筒外壁上的当且综合应力，MPa；——厚壁圆筒外壁上内压产生的当量应力，采用第四强度理论，将外壁的三个主应力(见表2-1),代入，经化简得到第三节厚壁圆筒的强度计算（续）2.内压外加热圆简应力校核

内压外加热厚望圆筒，最危险处是在内壁上，故按内压圆筒求得名义厚度δn后，按以下条件校核内壁上的当量综合应力，即第三节厚壁圆筒的强度计算（续）——厚壁圆筒外壁上的当量温差应力，可以证明该应力等于圆简外壁上的环向温差应力(见表2-2)——圆筒外壁上的当且综合应力，MPa；——厚壁圆筒外壁上内压产生的当量应力，采用第四强度理论，将外壁的三个主应力(见表5-1),代入，经化简得到第三节厚壁圆筒的强度计算（续）从上述计算内容可知，在进行当且综合应力校核时应注意以下两点。①校核计算公式中使用的壁厚，应该是圆筒的名义厚度；②校核时使用的强度条件是2[σ]t

。考虑温差应力，当器壁中当量综合应力达到材料屈服极限而发生变形时，某些约束即得到缓解，温差应力不会继续增加。对塑性材料制作的厚壁容器，温差应力的自限性，其对强度的危害性要比内压力或其他机械载荷引起的应力小得多。第四节厚壁圆筒的自增强一、自增强圆筒的应用特点二、自增强处理的方法第四节厚壁圆筒的自增强（续）

通过应力分析可知，仅受内压作用的厚壁圆筒，其内壁上的当量应力为最大，外壁为最小，但应力沿壁厚分布不均匀。这就意味着厚壁圆筒在承载时，只要圆筒未进入整体塑性变形状态，外层材料总是没有得到充分利用。为了解决这一问题，人们提出了采用预应力的方法来改善简体的应力分布，从而提高材料利用率和降低简体的使用厚度。自增强技术的起因第四节厚壁圆筒的自增强（续）自增强厚壁容器弹性操作筒体厚壁圆筒产生预应力的常用方法第四节厚壁圆筒的自增强（续）方法：通过某种制作工艺或技术，将一个圆筒缩套在另一个圆筒外，使内筒产生压缩应力，而所有应力和应变都限制在弹性范围内，故称为弹性操作筒体。弹性操作筒体具体应用：多层包扎式、热套式、绕带式等多种组合式圆筒即属于这类方法的。第四节厚壁圆筒的自增强（续）方法：在厚壁容器操作使用前进行加压处理，此压力一般超过操作压力，使圆筒内壁屈服，产生径向扩大的残余变形并形成一塑性区，而外层仍保持弹性变形。保压一段时间后卸载，由于外层材料的弹性收缩，使已经进入塑性状态的内层材料在弹性恢复后产生压缩应力。由于此类方法是利用圆筒自身外层的弹性收缩来获得预应力，故称为自增强。自增强厚壁容器第四节厚壁圆筒的自增强（续）一、自增强圆筒的应用特点①经过自增强处理的圆筒，因为产生了预压缩应力，使圆筒内壁原有的最大应力降低应力分布更为均匀，而且全部应力维持在弹性范围内，弹性操作范围扩大，弹性承载能得到较大提高。

例如，试验证明0Cr18Ni9的不锈钢圆筒，经超应变处理4％的变形率后，内壁材料的屈服极限。σ0.2可以提高43％；经过自增强处理的管子，其屈服压力提高40％～59％由此可以代用强度较低的管子或使壁厚减薄。第四节厚壁圆筒的自增强（续）②经过自增强处理的圆筒，由于内壁存在压缩残余应力，操作时使内壁平均应力降低，疲劳强度显著提高。特别是对有径向小孔和内壁有缺陷或有裂纹的圆筒，经自增强处理后，其疲劳持久极限和疲劳寿命均比非自增强圆筒有显著提高。 例如，国外曾用En25钢制圆筒做自增强与非自增强的疲劳比较试验。圆筒开设多个不同直径的孔，自增强压力为325MPa时，不开孔部位刚好超应变时，开孔处已产生相当大的超应变，其疲劳持久极限比非自增强圆筒至少增加50％。第四节厚壁圆筒的自增强（续）③尽管过去认为高压和超高压自增强圆筒，在高温或交变内压循环作用下会产生残余应力松弛。但经过试验证明，经自增强处理的圆筒在高温（如454℃）下经一定时间后，内壁残余应力的松弛会趋于缓和稳定，但仍留下较高的环向压缩残余应力，对提高圆筒的弹性承载能力依然有很大作用。因此，只要选择抗蠕变性能良好、合适的材料，自增强圆筒仍然可以很好地应用在高温工作环境。第四节厚壁圆筒的自增强（续）二、自增强处理的方法自增强加压处理主要方法：1.液压法；2.机械挤压法；3.爆炸胀压法。第四节厚壁圆筒的自增强（续）1.液压法；液压法是一种使用最早和最常用的加压处理方法，广泛应用于各种大、高压或超高压容器以及高压管道的