化工设备基础内压薄壁圆筒和球壳的设计

1第九章内压薄壁圆筒和球壳的设计教学重点：内压薄壁圆筒的厚度计算教学难点：厚度的概念和设计参数的确定2压力容器中强度设计的任务•在压力容器的设计中，一般都是根据工艺要求先确定内外径。•强度设计的任务就是根据给定的内径、设计压力、设计温度及介质腐蚀性等条件，设计出合理的厚度，以保证设备能在规定的使用寿命内安全可靠的运行。•压力容器强度计算的主要内容是新容器的强度设计及在用容器的强度校核。第一节概述3新的压力容器的设计内容•确定设计参数•选择使用材料。•确定容器的结构形式。•计算筒体与封头的厚度。•选取标准件。•绘制设备图纸。CD、、、、P4压力容器强度校核的意义•判定在下一个检验周期内或在剩余寿命期间内，容器是否还能在原设计条件下使用。•当容器已被判定不能在原设计条件下使用是，应通过强度计算，提出容器监控使用的条件。•当容器针对某一使用条件需要判废时，应提出判废依据。][51.根据薄膜理论进行应力分析，确定薄膜应力状态下的主应力2.根据弹性失效的设计准则，应用强度理论确定应力的强度判据3.对于封头，考虑到薄膜应力的变化和边缘应力的影响，按壳体中的应力状况在公式中引进应力增强系数4.根据应力强度判据，考虑腐蚀等实际因素导出具体的计算公式。内压薄壁圆筒与封头的强度设计公式推导过程6容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点，容器即告失效(失去正常的工作能力)，也就是说，容器的每一部分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。关于弹性失效的设计准则1、弹性失效理论s当7为了保证结构安全可靠地工作，必须留有一定的安全裕度，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，即n0当=0—极限应力（由简单拉伸试验确定）n—安全系数—许用应力当—相当应力，由强度理论来确定。0当n][——相当应力，MPa，可由强度理论确定——极限应力，MPa，可由简单拉伸试验确定——安全裕度——许用应力,MPa2、强度安全条件8四种强度理论的相当应力11r)(3212r313r2132322214)()()(21r942pDm21pD03r径向应力第二节内压薄壁圆筒和球壳强度计算一、内压薄壁圆筒的应力状态应力状态10312210第一强度理论（最大主应力理论）第三强度理论（最大剪应力理论）21pDI当强度条件][2pDI当231pDIII当强度条件][2pDIII当适用于脆性材料适用于塑性材料2、常用强度理论11第四强度理论2.4433])()()[(212212221213232221pDPDIV当强度条件][4.2pDIV当适用于塑性材料第二强度理论（最大变形理论）与实际相差较大，目前很少采用。压力容器材料都是塑性材料，应采用三、四强度理论，GB150-98和GB150.1~4-2011采用第三强度理论.12iDDcticpDp222CpDpcticd考虑介质腐蚀性，引入腐蚀裕量考虑钢板厚度负偏差，引入3、内压薄壁圆筒强度计算公式考虑焊缝对材料强度的削弱，引入考虑温度对材料的影响引入t2C1C122CCpDpcticntpD2因圆筒内径由工艺计算决定，故用计算压力代设计压力ppc并圆整(+Δ)t][2pDIII当计算厚度设计厚度名义厚度，图样上标注的厚度tiσδDp2)(ccc2pDpσδit13（1)、厚度的定义计算厚度dn2C设计厚度1C圆整值Δ名义厚度有效厚度e21CCC毛坯厚度加工减薄量容器的厚度和最小厚度壁厚的概念腐蚀裕量钢板负偏差14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。壳体加工成形后不包括腐蚀裕量最小厚度：a.碳素钢和低合金钢制容器不小于3mmb．对高合金钢制容器，不小于2mm（均包括腐蚀裕量）min（2)、最小厚度低压、常压容器按厚度公式计算的厚度很薄cticpDp2Pc=0，δ=015强度校核公式求最大允许工作压力eietwDp2][2)(teeictDpcticpDp2厚度计算式Cne厚度算式的应用：16421pDcticpDp424CpDpcticd][4)(teeictDpeietwDp4二、内压球形壳体计算厚度设计厚度设计温度下球壳的强度校核：设计温度下球壳的最大允许工作压力：4)(iDpc4)(][iDpct17工作压力Pw指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。设计压力p设定的容器顶部的最高压力，它与相应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。计算压力pc=设计压力p+液柱静压力三、设计参数的确定1、压力18表9-1设计压力与计算压力的取值范围计算带夹套部分的容器时，应考虑在正常操作情况下可能出现的内外压差夹套容器7当有安全阀控制时，取1.25倍的内外最大压差与0.1Mpa两者中的较小值，当没有安全控制装置时，取0.1Mpa真空容器6取不小于在正常操作情况下可能产生的内外最大压差外压容器5根据容器的充装系数和可能达到的最高温度确定（设置在地面的容器可按不低于40℃，如50℃、60℃时的气体压力考虑）装有液化气体的容器4根据介质特性、气相容积、爆炸前的瞬时压力、防爆膜的破坏压力及排放面积等因素考虑（通常可取=1.15~1.3pw）容器内有爆炸性介质，装有防爆膜时3取等于或略高于最高工作压力，通常p=1.0~1.1pw单个容器不要装安全泄放装置2取不小于安全阀的初始起跳压力，通常取p=1.05~1.1pw容器上装有安全阀时1设计压力（P）取值类型19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）。其值不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度。对于0℃以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。设计温度是选择材料和确定许用应力时不可少的参数。2、设计温度20nt0][（1）极限应力极限应力的选取与结构的使用条件和失效准则有关0极限应力可以是:极限。设计温度下材料的蠕变极限、设计温度下材料的持久极限和名义屈服极限、设计温度下材料的屈服限）、屈服极限（名义屈服极强度极限、tntDttssb)()(2.02.0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。3、许用应力和安全系数21常温容器中温容器高温容器=min{bbn,ssn2.0}t=min{sttsbtbnn2.0,}t=min{DtDntnsttsnnn,,2.0}极限。设计温度下材料的蠕变极限、设计温度下材料的持久极限和名义屈服极限、设计温度下材料的屈服限）、屈服极限（名义屈服极强度极限、tntDttssb)()(2.02.022（2）安全系数常温下，碳钢和低合金钢6.10.3sbnn，表9-2钢材的安全系数≥1.0≥1.5≥1.5≥3.0高合金钢≥1.0≥1.5≥1.6≥3.0碳钢素、低合金钢设计温度经下经10万小时蠕变率为1%的蠕变极限设计温度下经10万小时断裂的持久强度的平均值常温或设计温度下的屈服点()或常温下最低抗拉强度nnnDnsnb材料安全系数s2.0ts)(2.0ttDtnb23焊缝区的强度主要取决于熔焊金属、焊缝结构和施焊质量。焊接接头系数的大小决定于焊接接头的型式和无损检测的长度比率。焊接接头系数φ是焊接削弱而降低设计许用应力的系数。4、焊接接头系数φ表9-3焊接接头系数焊接接头结构示意图焊接接头系数φ100%无损检测局部无损检测双面焊的对接接头和相当于双面焊的全焊透的对接接头1.00.85单面焊的对接接头（沿焊缝根部全长有紧贴基本金属垫板）0.90.824常见的焊接形式：25①缺陷，夹渣，未焊透，晶粒粗大等，在外观看不出来；②熔池内金属从熔化到凝固的过程受到熔池外金属的刚性约束，内应力很大。——焊缝区强度比较薄弱。为综合考虑筒体强度，设计公式中将钢板母材的许用应力乘以（1）。×26满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚度，包括钢板负偏差(或钢管负偏差)C1、腐蚀裕量C2即C＝C1十C21、按表9-10选取2、当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，负偏差可以忽略不计。为防止容器元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄，应考虑腐蚀裕量。C1钢板厚度负偏差C2腐蚀裕量5、厚度附加量C27标准化问题6、直径系列与钢板厚度表9-4常用钢板厚度2.02.53.03.54.04.5(5.0)6.07.08.09.010111214161820222528303234363840424650556065707580859095100105110115120125130140150160165170180185190195200注：5mm为不锈钢常用厚度。28在于检验容器的宏观强度和有无渗漏现象，即考察容器的密封性，以确保设备的安全运行。目的液压试验气压试验气密性试验压力试验的种类第三节容器的压力试验29液压试验气压试验内压容器试验压力tTpp][][25.1tTpp][][15.1试验压力[]/[]t大于1.8时，；如果容器各元件(圆筒、封头、接管、法兰及紧固件等)所用材料不同时，应取各元件材料的比值中最小者。容器铭牌上规定有最大允许工作压力时，公式中应以最大允许工作压力代替设计压力p设计温度小于200℃，t][][302、压力试验的试验要求与试验方法将容器充满液体（在容器的最高点设置排气口），待容器壁温与液体温度相同时缓慢升压到规定试验压力后，保压时间一般不小于30min，然后将压力降到规定试验压力的80%，并保持足够长时间以对所有焊缝和连接部分进行检查，如有泄露，修补后重新试验。液压试验：31压力试验分类：液压试验介质：一般为水；过程：充水排气设计压力无泄漏开始试验压力下保压30分钟卸压吹净结束试验压力的80%保压检查32气压试验•气压试验：对不适合作液压试验的容器，例如容器内部不允许有微量残留液体，或由于结构原因不能充满液体的容器，可采用气压试验。所用气体应为干燥、洁净的空气、氮气或其他惰性气体，试验气体温度一般应不低于15℃。•试验程序：缓慢升压到规定试验压力的10%，且不超过0.05MPa，保持5min，然后对所有焊缝和连接部位进行多次检查；合格后继续升压到规定试验压力的50%，其后按每级为规定试验压力的10%的极差逐渐升压到试验压力，保持10min后，然后再降至试验压力的87%，保持足够的时间并同时进行检查，如有泄露，补修后再按上述规定重新试验。33气密试验•容器须经压力试验合格后，方可进行气密试验。•方法：首先缓慢升压至试验压力保持10min，然后降至设计压力，同时进行检查，气体温度应不低于5℃。•注意事项：容器做定期检验时，若容器内有残留易燃气体存在会导致爆炸时，则不得使用空气作为试验介质。34eeiTTDp2)()(9.02)(2.0seeiTTDp液压试验气压试验)(8.02)(2.0seeiTTDp3、压力试验的应力校核圆筒壁在试验压力下的计算应力35例题9-1有一圆筒形锅炉汽包，内径Di=1200mm，操作压力为4MPa（表压），此时蒸汽压力为250℃，汽包上装有安全阀