内压薄壁圆筒和球壳的设计概述

1、第九章第九章 内压薄壁圆筒和球壳的设计内压薄壁圆筒和球壳的设计教学重点：教学重点： 内压薄壁圆筒的厚度计算内压薄壁圆筒的厚度计算 教学难点：教学难点： 厚度的概念和设计参数的确定厚度的概念和设计参数的确定1压力容器中强度设计的任务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。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理的厚度，以保证设备能在规定的使用

2、寿命内安全可靠的运行。安全可靠的运行。 压力容器强度计算的主要内容是压力容器强度计算的主要内容是新容器新容器的强度的强度设计及设计及在用容器在用容器的强度校核。的强度校核。第一节第一节 概述概述2新的压力容器的设计内容 确定设计参数确定设计参数 选择使用材料。选择使用材料。 确定容器的结构形式。确定容器的结构形式。 计算筒体与封头的厚度。计算筒体与封头的厚度。 选取标准件。选取标准件。 绘制设备图纸。绘制设备图纸。CD、P3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，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。容器是否还能在原设计条件下使用。

3、 当容器已被判定不能在原设计条件下使用是，应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。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，应提出判当容器针对某一使用条件需要判废时，应提出判废依据。废依据。41.1. 根据薄膜理论进行应力分析，确定薄膜应力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状态下的主应力2.2. 根据弹性失效的设计准则，应用强度理论确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定应力的强度判据3.3. 对于封头，考虑到薄膜应力的变化和边缘应对于封头，考虑到薄膜应力的变化和边缘应力的影响，按壳体

4、中的应力状况在公式中引力的影响，按壳体中的应力状况在公式中引进应力增强系数进应力增强系数4.4. 根据应力强度判据，考虑腐蚀等实际因素导根据应力强度判据，考虑腐蚀等实际因素导出具体的计算公式。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内压薄壁圆筒与封头的强度设计公式推导过程5 容器上一处的最大应力达到材料在设计温度容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的下的屈服点屈服点，容器即告失效，容器即告失效( (失去正常的工作能失去正常的工作能力力) )，也就是说，容器的每一部分必须处于弹性变，也就是说，容器的每一部分必须处于弹性变形范围内。形范围内。保证器壁内的相当应力必须小于材料由

5、单向拉伸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。时测得的屈服点。 关于弹性失效的设计准则关于弹性失效的设计准则1、弹性失效理论、弹性失效理论s 当当6为了保证结构安全可靠地工作，必须留有一定的安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，即力之间满足一定的关系，即 n0当= 0当n 相当应力，相当应力，MPa，可由强度理论确定可由强度理论确定 极限应力，极限应力，MPa，可由简单拉伸试验确定可由简单拉伸试验确定 安全裕度安全裕度 许用应力许用应力, ,MPa2、强度安

6、全条件、强度安全条件7四种强度理论的相当应力11r)(3212r313r2132322214)()()(21r8 42pDm 21pD 03r径向应力径向应力第二节第二节 内压薄壁圆筒和球壳强度计算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一、内压薄壁圆筒的应力状态应力状态应力状态1 03 1 2 2 9第一强度理论第一强度理论（最大主应力理论）（最大主应力理论）第三强度理论第三强度理论（最大剪应力理论）（最大剪应力理论） 21pDI当强度条件强度条件 2pDI当 231pDIII当强度条件强度条件 2pDIII当适用于适用于脆性材料脆性材料适用于适用于塑性材料塑性材料2、常用强度理

7、论、常用强度理论10第四强度理论第四强度理论2.4433 )()()(212212221213232221pDPDIV当强度条件强度条件 4 . 2pDIV当适用于适用于塑性材料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。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、四强度理论压力容器材料都是塑性材料，应采用三、四强度理论， GB150-98和和GB150.14-2011采用第三强度理论采用第三强度理论.11iDD cticpDp2 22CpDpcticd考虑介质腐蚀性，引入腐蚀裕量考虑介质腐蚀性，引入腐蚀裕量考虑钢板厚度负

8、偏差，考虑钢板厚度负偏差，引入引入3 3、内压薄壁圆筒强度计算公式、内压薄壁圆筒强度计算公式考虑焊缝对材料强度的削弱，引入考虑焊缝对材料强度的削弱，引入考虑温度对材料的影响引入考虑温度对材料的影响引入 t2C1C 122CCpDpcticntpD2因圆筒内径由工艺计算决定，故因圆筒内径由工艺计算决定，故用计算压力代设计压力用计算压力代设计压力ppc并圆整并圆整(+)t 2pDIII当计算厚度计算厚度设计厚度设计厚度名义厚度，图样上标注的厚度名义厚度，图样上标注的厚度 tiDp2)(c cc2pDpit12计算厚度计算厚度 d n 2C设计厚度设计厚度1C圆整值圆整值名义厚度名义厚度有效厚度有效

9、厚度e21CCC毛坯厚度毛坯厚度加工减薄量加工减薄量容器的厚度和最小厚度容器的厚度和最小厚度壁厚的概念壁厚的概念腐蚀裕量腐蚀裕量钢板负偏差钢板负偏差13设计压力较低的容器计算厚度很薄。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。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。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：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，不小于对高合金钢制容器，不小于2mm（均包括腐蚀裕量）min（2)、最小厚

10、度、最小厚度 低压、常压容器按厚度公式计算的厚度很薄低压、常压容器按厚度公式计算的厚度很薄 cticpDp2Pc=0，=014强度校核公式强度校核公式求最大允许工作压力求最大允许工作压力 eietwDp2 2)(teeictDp cticpDp2厚度计算式厚度计算式Cne厚度算式的应用：厚度算式的应用：15421pD cticpDp4 24CpDpcticd 4)(teeictDp eietwDp4二、内压球形壳体二、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：设计温度下球壳的强度校核：设计温度下球壳的最大允许工作压力：设计温度下球壳的最大允许工作压力：4)(iDpc4)(iDpct

11、16工作压力工作压力PwPw 指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。最高压力。 设计压力设计压力p p 设定的容器顶部的最高压力，它与相应设计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，其值温度一起作为设计载荷条件，其值不低于不低于工工作压力。作压力。 计算压力计算压力PcPc 指在相应设计温度下，用以确定壳体各部位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。厚度的压力，其中包括液柱静压力。 计算压力计算压力pc=设计压力设计压力p+液柱静压力液柱静压力 三、设计参数的确定三、设计参数的确定1、压力、

12、压力17表表9-1 设计压力与计算压力的取值范围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出现的内外压差夹套容器夹套容器7当有安全阀控制时，取当有安全阀控制时，取1.25倍的内外最大压差与倍的内外最大压差与0.1Mpa两两者中的较小值，当没有安全控制装置时，取者中的较小值，当没有安全控制装置时，取0.1Mpa真空容器真空容器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（设置在根据容器的充

13、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地面的容器可按不低于40，如，如50 、60 时的气体压时的气体压力考虑）力考虑）装有液化气体的容器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（通常可取破坏压力及排放面积等因素考虑（通常可取=1.151.3pw）容器内有爆炸性介质，容器内有爆炸性介质，装有防爆膜时装有防爆膜时3取等于或略高于最高工作压力，通常取等于或略高于最高工作压力，通常 p=1.01.1pw单个容器不要装安全单个容器不要装安全泄放装置泄放装置2取不小于安全阀的初

14、始起跳压力，通常取取不小于安全阀的初始起跳压力，通常取 p= =1.051.1pw容器上装有安全阀时容器上装有安全阀时1设计压力（设计压力（P）取值）取值类型类型18指容器在正常工作情况下，在相应的设计压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。对件金属在工作状态可能达到的最高温度。对于于00以下的金属温度，设计温度不得高于以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。元件金属可能达到的最低温度。设

15、计温度是设计温度是选择材料选择材料和和确定许用应力确定许用应力时不可时不可少的参数。少的参数。 2、设计温度、设计温度19nt0（1）极限应力）极限应力极限应力的选取与结构的使极限应力的选取与结构的使用条件和失效准则有关用条件和失效准则有关0极限应力可以是极限应力可以是: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，合理选择安全系数依据，合理选择安全系数n n得出的。得出的。3、许用应力和安全系数、

16、许用应力和安全系数20常温容器常温容器 中温容器中温容器 高温容器高温容器 =minbbn,ssn2 . 0 t=minsttsbtbnn2 . 0, t=minDtDntnsttsnnn,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 . 021（2）安全系数）安全系数常温下，碳钢和低合金钢常温下，碳钢和低合金钢6 . 1 0 . 3sbnn，表表9-2 钢材的安全系数钢材的安全系数1.01.51.53.0高合金钢高合金钢1.01.51.63.0碳钢素、低合金钢

17、碳钢素、低合金钢设计温度经下经设计温度经下经10万万小时蠕变率为小时蠕变率为1%的蠕的蠕变极限变极限设计温度下经设计温度下经10万万小时断裂的持久强小时断裂的持久强度的平均值度的平均值常温或设计温度下常温或设计温度下的屈服点的屈服点 ( )或或常温下最低抗拉强常温下最低抗拉强度度nnnDnsnb材料材料安全系数安全系数s 2 . 0 ts )(2 . 0t tD tn b 22焊缝区的强度主要取决于熔焊金属、焊缝结构和施焊缝区的强度主要取决于熔焊金属、焊缝结构和施焊质量。焊质量。焊接接头系数的大小决定于焊接接头的型式和无损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。检测的长度比

18、率。焊接接头系数焊接接头系数是焊接削弱而降低设计许用应力的是焊接削弱而降低设计许用应力的系数。系数。4、焊接接头系数、焊接接头系数表表9-3 焊接接头系数焊接接头系数23常见的焊接形式：24 缺陷，夹渣，未焊透，晶粒粗大等，在外观看不出来； 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）。 25满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚度，满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚度，包括钢板负偏差包括钢板负偏差( (或钢管负偏差或钢管负偏差) ) C1、腐蚀裕量、腐蚀裕量 C2

19、 即即 C C1十十 C21 1、按表按表9-10选取选取2、当钢材的厚度负偏差不大于、当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名且不超过名义厚度的义厚度的6%时，负偏差可以忽略不计。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，应考虑腐蚀裕而导致厚度削弱减薄，应考虑腐蚀裕量。量。C1 钢板厚度负偏差钢板厚度负偏差 C2 腐蚀裕量腐蚀裕量 5、厚度附加量、厚度附加量C26标准化问题标准化问题6、直径系列与钢板厚度、直径系列与钢板厚度表表9-4 常用钢板厚度常用钢板厚度 注：5mm为不锈钢常用厚度。27在于检验容器的宏观强度和

20、有无渗漏现象，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，以确保设备的安全即考察容器的密封性，以确保设备的安全运行。运行。目的目的液压试验液压试验气压试验气压试验气密性试验气密性试验压力试验的种类压力试验的种类第三节第三节 容器的压力试验容器的压力试验28液压试验液压试验气压试验气压试验内压容器试验压力内压容器试验压力tTpp25. 1tTpp15. 1试验压力试验压力 / t大于大于1.8时，；时，；如果容器各元件如果容器各元件(圆筒、封头、接管、法兰及圆筒、封头、接管、法兰及紧固件等紧固件等)所用材料不同时，应取各元件材料的比值中最小者。所用材料不同时，应取各元件材料的比值中

21、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许工作压力代替设计压力p设计温度小设计温度小于于200，t292、压力试验的试验要求与试验方法、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，相同时缓慢升压到规定试验压力后，保压时间一般不小于保压时间一般不小于30min30min，然后将压，然后将压力降到规定试验压力的力降到规定试验压力的80%80%，并保持足，并保持足够

22、长时间以对所有焊缝和连接部分进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。行检查，如有泄露，修补后重新试验。液压试验：液压试验：30压力试验分类压力试验分类：液压试验液压试验介质：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31气压试验气压试验 气压试验气压试验：对不适合作液压试验的容器，例如容：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、

23、氮气或其他惰性气体，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试验气体温度一般应不低于1515。 试验程序试验程序：缓慢升压到规定试验压力的：缓慢升压到规定试验压力的10%10%，且不，且不超过超过0.05MPa0.05MPa，保持，保持5min5min，然后对所有焊缝和连接，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部位进行多次检查；合格后继续升压到规定试验压力的压力的50%50%，其后按每级为规定试验压力的，其后按每级为规定试验压力的10%10%的的极差逐渐升压到试验压力，保持极差逐渐升压到试验压力，保持10min10min后，然后再后，然后再

24、降至试验压力的降至试验压力的87%87%，保持足够的时间并同时进行，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。检查，如有泄露，补修后再按上述规定重新试验。32气密试验 容器须经压力试验合格后，方可进行气容器须经压力试验合格后，方可进行气密试验。密试验。 方法：首先缓慢升压至试验压力保持方法：首先缓慢升压至试验压力保持10min10min，然后降至设计压力，同时进行检，然后降至设计压力，同时进行检查，气体温度应不低于查，气体温度应不低于55。 注意事项：容器做定期检验时，若容器注意事项：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，内有残留易燃气体存在会导致

25、爆炸时，则不得使用空气作为试验介质。则不得使用空气作为试验介质。33eeiTTDp2)()(9 . 02)(2 . 0seeiTTDp液压试验液压试验气压试验气压试验)(8 . 02)(2 . 0seeiTTDp3、压力试验的应力校核、压力试验的应力校核圆筒壁在试验压圆筒壁在试验压力下的计算应力力下的计算应力34例题例题 9-1有一圆筒形锅炉汽包，内径有一圆筒形锅炉汽包，内径Di=1200mmDi=1200mm，操作压力为，操作压力为4MPa4MPa（表压），此时蒸汽压力为（表压），此时蒸汽压力为250250，汽包上装有安全阀，汽包上装有安全阀，材料为材料为20R20R，筒体采用带垫板的对接焊

26、，全部探伤，试设，筒体采用带垫板的对接焊，全部探伤，试设计该汽包的厚度。计该汽包的厚度。解（1）：确定参数 Pc=1.1Pw=1.1x4=4.4MPa,Di=1200mm）（表699 . 0 )mm361749(104之间，预计汽包厚度在表 MPat(2)计算厚度 mmpct9 .284 . 49 . 0104212004 . 42PcDi（3）确定厚度附加量mmccc221。mm9 .3029 .28。钢板来制造此锅炉汽包的度，取圆整成钢板标准规格厚R203235例例9-2：某化工厂欲设计一台石油气分离用乙烯精馏：某化工厂欲设计一台石油气分离用乙烯精馏塔。工艺参数为塔。工艺参数为: :塔体内

27、径塔体内径 ；计算压；计算压力力 ；工作温度；工作温度t t-3-3-20-20。试选择塔。试选择塔体材料并确定塔体厚度。体材料并确定塔体厚度。mmDi600 MPapc2 . 2 由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在-3-3-20-20，压力为中压，故选用，压力为中压，故选用16MnR16MnR。（2 2）确定参数）确定参数mmC0 . 1 2 MPapc2 . 2 mmDi600 MPat170 ( (附表附表9-4)9-4)； 0.8 ( (采用带垫板的单面焊对接接头采用带垫板的单面焊对接接头, ,局部无损检测局部无损检测) )；取取,解：解： （1 1）选材

28、）选材 36 )(9 . 42 . 28 . 017026002 . 22mmpDptic mmC6 . 01（3 3）厚度计算）厚度计算计算厚度计算厚度设计厚度设计厚度)(9 . 50 . 19 . 42mmCd 根据根据mmd9 . 5 , ,查表查表9-109-10得：得：名义厚度名义厚度圆整量圆整量圆整量5 . 66 . 09 . 51Cdn圆整后圆整后, ,取名义厚度为取名义厚度为 。mmn8该塔体可用该塔体可用8mm8mm厚的厚的16MnR16MnR钢板制作钢板制作 。37（4 4）校核水压试验强度）校核水压试验强度)(3 .1304 . 62)4 . 6600(75. 2MPaT

29、seeiTTDp9 . 02)(式中，式中，)(75. 22 . 225. 125. 1MPappT )2 . 2; 1/ ,200(MPapptct)(4 . 66 . 18mmCne则则而而)(4 .2483458 . 09 . 09 . 0MPas 可见可见sT 9 . 0 ，所以水压试验强度足够。，所以水压试验强度足够。38例例9-3 设计锅炉汽包的筒体壁厚。工作压力为设计锅炉汽包的筒体壁厚。工作压力为15.6MPa,15.6MPa,工作温度为工作温度为350,350,其内径为其内径为1300mm1300mm。【解解】1.选材：工作温度中温，工作压力为高压，有轻微腐蚀。选材：工作温度中温，工作压力为高压，有轻微腐蚀。 故采用低合金钢故采用低合金钢18MnMoNbR（GB6654-96)。 s=410MPa。2.确定参数确定参数（1）工作压力）工作压力15.6MPa,是高压容器，属于三类容器。其焊缝是高压容器，属于三类容器。其焊缝结构必须是双面对接焊结构或其他等强度焊接，结构必须是双面对接焊结构或其他等强度焊接，100%无损无损探伤，探伤， =1 。（2） 筒体需保温，则筒壁设计温度取介质温度，筒体需保温，则筒壁设计温度取介质温度， 350350190190MPa（3）需安装安全阀，需安装安全阀，pc=p=1.115.6=17.16(M