《过程设备设计基础》32内压薄壁容器设计35

1第二节内压薄壁容器设计2一、薄壁容器设计的理论基础（一）薄壁容器根据容器外径DO与内径Di的比值K来判断，iiiiDDDDDK2120K≤1.2为薄壁容器，K＞1.2为厚壁容器3（二）圆筒形薄壁容器承受内压时的应力只有拉应力无弯曲，“环向纤维”和“纵向纤维”受到拉力。σ1（或σ轴）圆筒母线方向(即轴向拉应力）σ2（或σ环）圆周方向的拉应力。4（三）圆筒的应力计算1.轴向应力（D-筒体平均直径，亦称中径，mm；p-内压,MPa；δ-壁厚，mm）404112pDDDp2.环向应力20222pDlpDl5分析：（1）薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍。2/24/pDpD问题a：筒体上开椭圆孔，如何开？应使其短轴与筒体的轴线平行，以尽量减少开孔对纵截面的削弱程度，使环向应力不致增加很多。6问题b：钢板卷制圆筒形容器，纵焊缝与环焊缝哪个易裂？2/24/pDpD筒体纵向焊缝受力大于环向焊缝，故纵焊缝易裂，施焊时应予以注意。7二、无力矩理论基本方程式（一）基本概念与基本假设1．基本概念（1）旋转壳体：壳体中面（等分壳体厚度）是任意直线或平面曲线作母线，绕其同平面内的轴线旋转一周而成的旋转曲面。（2）轴对称壳体的几何形状、约束条件和所受外力都是对称于某一轴。化工用的压力容器通常是轴对称。8（3）旋转壳体的几何概念母线与经线、法线、平行圆第一曲率半径：经线曲率半径第二曲率半径：垂直于经线的平面与中面相割形成的曲线BE的曲率半径92．基本假设假定壳体材料有连续性、均匀性和各向同性，即壳体是完全弹性的。(1)小位移假设－尺寸不变各点位移都远小于厚度。可用变形前尺寸代替变形后尺寸。变形分析中高阶微量可忽略。(2)直线法假设－厚度不变变形前垂直于中面直线段，变形后仍是直线并垂直于变形后的中面。变形前后法向线段长度不变。沿厚度各点法向位移相同，厚度不变。(3)不挤压假设－两向应力各层纤维变形前后互不挤压。10（二）无力矩理论基本方程式1）无力矩理论（称薄膜理论）定义：它假设壁厚与直径相比很小，薄壳像薄膜一样，只能承受拉应力和压应力，完全不能承受弯矩和弯曲应力，即在薄壳的内力素中忽略了弯矩的作用。2）无力矩理论（称薄膜理论）是设计压力容器的基础。无力矩理论基本方程式：pRR2211（3-3）－平衡方程cos21kprσ（3-4）－区域平衡方程11三、基本方程式的应用1．圆筒形壳体第一曲率半径R1=∞，第二曲率半径R2=D/2代入方程（3-3）和（3-4）得：cos21kprσpRR22112421pDpD122．球形壳体球壳R1＝R2=D/2，得：直径与内压相同，球壳内应力仅是圆筒形壳体环向应力的一半，即球形壳体的厚度仅需圆筒容器厚度的一半。当容器容积相同时，球表面积最小，故大型贮罐制成球形较为经济。cos21kprσpRR2211421pD133．圆锥形壳体圆锥形壳半锥角为a，A点处半径为r，厚度为d，则在A点处：cos21rRRcos21kprcos2kpr锥形壳体环向应力是经向应力两倍，随半锥角a的增大而增大；a角要选择合适，不宜太大。在锥形壳体大端r=R时，应力最大，在锥顶处，应力为零。因此，一般在锥顶开孔。144．椭圆形壳体椭圆壳经线为一椭圆，a、b分别为椭圆的长短轴半径。由此方程可得第一曲率半径为：12222byaxbabaxadxyddxdyR42/32224222/321)]([])(1[bbaxaxR2/122242)]([sin])(2[)(2)(2222442224222241baxaabaxabpbaxabp15化工常用标准椭圆形封头，a/b=2，故顶点处：边缘处：顶点应力最大，经向应力与环向应力是相等的拉应力。顶点的经向应力比边缘处的经向应力大一倍；顶点处的环向应力和边缘处相等但符号相反。应力值连续变化。pa21papa21216四、筒体强度计算[σ]t-设计温度t℃下材料许用应力，MPa。实际设计中须考虑三个因素：（1）焊接接头系数（2）容器内径（3）壁厚筒体内较大的环向应力不应高于在设计温度下材料的许用应力，即：tpD][217（1）焊接接头系数钢板卷焊。夹渣、气孔、未焊透等缺陷，导致焊缝及其附近区域强度可能低于钢材本体的强度。钢板[σ]t乘以焊接接头系数φ，φ≤1。tpD][2（2）容器内径工艺设计确定内径Di，制造测量也是内径，而受力分析中的D却是中面直径。tiDp][2)(解出δ，得到内压圆筒的厚度计算式：ppDti218（3）壁厚考虑介质腐蚀，计算厚度δ的基础上，增加腐蚀裕度C2。筒体的设计厚度为式中δ-圆筒计算厚度，mm；δd-圆筒设计厚度，mm；Di-圆筒内径，mm；p-容器设计压力，Mpa；φ-焊接接头系数。22CppDtid筒体设计厚度δd+C1（厚度负偏差）后向上圆整，即：筒体名义厚度δn。对于已有的圆筒，测量厚度为δn，则其最大许可承压的计算公式为：1CdneietnintDCDCp22δe-圆筒有效厚度19五、球壳强度计算设计温度下球壳的计算厚度：设计温度下球壳的计算应力teeictDp4ppDti4六、设计参数厚度设计参数按GBl50-2010中规定取值。设计压力、设计温度、许用应力、焊接接头系数、厚度附加量等参数的选取。22CppDtid1Cdn（1）设计压力（计算压力）设计压力:相应设计温度下确定壳壁厚度的压力，亦即标注在铭牌上的容器设计压力。其值稍高于最大工作压力。最大工作压力：指容器顶部在工作过程中可能产生的最高压力（表压）。211）使用安全阀时：设计压力≥安全阀开启压力设计压力＝（1.05～1.10）*（最大工作压力）使用爆破膜根据其型式：设计压力＝（1.15～1.4）*（最大工作压力）2）容器内盛有液体，若其静压力≤最大工作压力的5％，则设计压力可不计入静压力，否则，须在设计压力中计入液体静压力。3）有时还必须考虑重力、风力、地震力等载荷及温度的影响，这些载荷不直接折算为设计压力，必须分别计算。22（2）设计温度1）设计温度对选择材料和许用应力的确定直接有关.2）设计温度：容器正常工作，在相应的设计条件，金属器壁可能达到的最高或最低温度。3）器壁温度通过换热计算。不被加热或冷却，筒内介质最高或最低温度。用蒸汽、热水或其它载热体加热或冷却，载体最高温度或最低温度。不同部位出现不同温度分别计算。23(3)许用应力1）许用应力是以材料的各项强度数据为依据，合理选择安全系数n得出的。2）抗拉强度、屈服强度，蠕变强度、疲劳强度,取其中最低值。3）当设计温度低于0℃时，取20℃时的许用应力。n024(4)焊接接头系数焊接削弱而降低设计许用应力的系数。根据接头型式及无损检测长度比例确定。焊接接头形式无损检测的长度比例100%局部双面焊对接接头或相当于双面焊的对接接头1.00.85单面焊对接接头或相当于单面焊的对接接头0.90.8符合《压力容器安全技术检察规程》才允许作局部无损探伤。抽验长度不应小于每条焊缝长度的20％。25(5)厚度附加量满足强度要求的计算厚度δ之外，额外增加的厚度量，包括由钢板负偏差(或钢管负偏差)Cl、腐蚀裕量C2，即C＝Cl十C2厚度22.22.52.8～3.03.2～3.53.8～44.5～5.5负偏差0.130.140.150.160.180.20.2厚度6～78～2526～3032～3436～4042～5052～60负偏差0.60.80.911.11.21.326腐蚀裕量C2：1）应根据各种钢材在不同介质中的腐蚀速度和容器设计寿命确定。2）塔类、反应器类容器设计寿命一般按20年考虑，换热器壳体、管箱及一般容器按10年考虑。3）当腐蚀速度＜0.05mm／a(包括大气腐蚀)时：碳素钢和低合金钢单面腐蚀C2＝1mm，双面腐蚀取C2＝2mm。当腐蚀速度＞0.05mm／a时：单面腐蚀取C2＝2mm，双面腐蚀取C2＝4mm。4）不锈钢取C2＝0。27七、最小壁厚1）设计压力较低的容器计算厚度很薄。大型容器刚度不足，不满足运输、安装；限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求。2）壳体加工成形后（不包括腐蚀裕量）的最小厚度δmin：a.碳素钢和低合金钢制容器不小于3mm。b.对高合金钢制容器，不小于2mm。22CppDtid28八、压力试验1）制造加工过程不完善，导致不安全，发生过大变形或渗漏。2）最常用的压力试验方法是液压试验。常温水，也可用不会发生危险的其它液体，试验时液体的温度应低于其闪点或沸点。3）不适合作液压试验,可用气压试验代替液压试验。a．装入贵重催化剂要求内部烘干;b．容器内衬耐热混凝土不易烘干;c．由于结构原因不易充满液体的容器以及容积很大的容器等．4）致密性试验：检查密闭性，主要有气密性试验和煤油渗漏试验。29二、压力试验的相关规定试验类型试验压力强度条件说明备注液压试验立式容器卧置进行水压试验时，试验压力应取立置试验压力加液柱静压力。压力试验时，由于容器承受的压力pT高于设计压力p，故必要时需进行强度效核。气压试验pT-试验压力，MPa；p-设计压力，MPa；[σ]一试验温度下的材料许用应力，MPa；[σ]T一设计温度下的材料许用应力，MPa30三、液压试验要求和步骤：1）液压试验时水温不能过低(碳素钢、16MnR,T≥5℃，其它低合金钢,T≥15℃)，试验过程外壳应保持干燥。2）试验步骤：设备充满水后，待壁温大致相等时，缓慢升压到规定试验压力，稳压30min，然后将压力降低到设计压力，保持30min以检查有无损坏，有无宏观变形，有无泄漏及微量渗透。3）对于夹套容器，先进行内筒液压试验，合格后再焊接夹套，然后进行夹套内的液压试验。4）水压试验后及时排水，用压缩空气及其它惰性气体，将容器内表面吹干。四、气压试验要求和步骤：1）必须对容器焊缝进行100%的无损检测。2）试验使用气体：干燥洁净的空气、氮气和其他惰性气体。3）对高压及超高压容器不宜采用气压试验。4）试验步骤：压力缓慢升至规定试验压力的10%，且不超过0.05MPa时，保压5min，进行检查。继续缓慢升至规定试验压力的50%，保压5min，进行检查。其后按照每级为规定试验压力的10%的级差逐级增至规定试验压力，保压10min，进行检查。将压力降至规定试验压力的87%，保压较长时间，进行检查。31五、致密性试验要求和步骤：1）气密性试验试验压力一般为设计压力的1.05倍（没装有安全阀时试验压力为设计压力；装有安全阀时试验压力为容器最高工作压力）步骤：a.压力缓慢升至规定试验压力后，保压10min，进行检查；b.然后压力降至设计压力，保压较长时间，进行检查。2）煤油渗漏试验步骤：将待检查的面清理干净，涂上白粉浆，晾干后在其对面涂抹煤油，使表面足够润湿，30min后进行检查。3233九、边缘应力无力矩理论忽略了剪力与弯矩的影响，可以满足工程设计精度的要求。但对图中所示的一些情况，就须考虑弯矩的影响。34(a)、(b)、(c)是壳体与封头联接处经线突然折断；(d)是两段厚度不等的筒体相连接；(e)、(f)、(g)有法兰、加强圈、管板等刚度大的构件。相邻两段性能不同，或所受温度或压力不同，导致两部分变形量不同，但又相互约束，从而产生较大的剪力与弯矩。边缘应力数值很大，有时导致容器失效。35边缘应力具有局限性和自限性两个基本特性．1.局限性—有明显的衰减波特性，随离开边缘的距离增大，迅速衰减。2.自限性—弹性变形相互制约，一旦材料产生塑性变形，弹性变形约束就会缓解，边缘应力自动受到限制，即:边缘应力的自限性。塑性好的材料可减少容器发生破坏。