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课时授课计划（教案） 04-2学科： 化工设备机械基础 章节：第四章第二节 内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计教学目的：理解四个强度理论的内容，为设计依据的规定奠定理论基础。重点及难点：本章重点：内压薄壁圆筒与球壳的强度设计及各种封头的优势。本章难点：四种不同壁厚的概念及关系。1复习旧课： 分钟讲授强度理论的内容。2讲解新课： 分钟第二节 内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计一、设计计算（一）圆筒形容器1、强度设计公式根据前面所讲的第三强度理论，有将平均直径换为圆筒内径；压力换为计算压力；考虑焊接制造因素，将换为，则有：故： 其中计算壁厚，mm材料在设计温度下的许用应力，；2、厚度的定义计算厚度设计厚度名义厚度 有效厚度其中钢板壁厚负偏差；腐蚀裕度；。如图所示。3、校核公式若已知，要计算一台容器所能承受的载荷时4、采用无缝钢管作圆体时，公称直径为钢管的外径， （49） （49a） （410） （411）上述计算公式的适用范围为。（二）球形容器对于球形容器，由于其主应力为利用上述推导方法，可以得到球形容器壁厚设计计算公式，即 （412） （412a） （413） （414） 上述球形容器计算公式的适用范围为二、设计参数的确定1、压力工作压力：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：指设定的容器顶部的最高压力，它与相应的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：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。当壳体各部位或元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。2、设计温度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）。设计温度是选择材料和确定许用应力时不可少的参数。3、许用应力和安全系数（1）许用应力的取法常温容器中温容器高温容器（2）安全系数的取法安全系数是不断发展变化的参数，科技发展，安全系数变小；要求记忆：常温下，碳钢和低合金钢，4、焊接接头系数焊缝区是容器上强度比较薄弱的地方。焊缝区的强度主要决定于熔焊金属、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。5、厚度附加量钢板壁厚负偏差；按相应的钢板或钢管标准的规定选取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。腐蚀裕量；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。三、压力试验与强度校核容器制成以后(或检修后投入生产之前)必须作压力试验或增加气密性试验，其目的在于检验容器的宏观强度和有无渗漏现象，即考查容器的密封性，以确保设备的安全运行。对需要进行焊后热处理的容器，应在全部焊接工作完成并经热处理之后，才能进行压力试验和气密试验，对于分段交货的压力容器，可分段热处理在安装工地组装焊接，并对焊接的环焊缝进行局部热处理之后，再进行压力试验。压力试验的种类、要求和试验压力值应在图样上注明。压力试验一般采用液压试验。对于不适合作液压试验的容器，例如容器内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。1试验压力2压力试验的应力校核3压力试验的试验要求与试验方法各种类型例题共3个第三节 内压圆筒封头的设计容器封头又称端盖，按其形状可分为三类；凸形封头、锥形封头和平板形封头。其中凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头(或称带折边的球形封头)和球冠封头(无折边球形封头)四种。一、半球形封头半球形封头(图43)是由半个球壳构成的，它的计算壁厚公式与球壳相同 (mm)二、椭圆形封头椭圆形封头(图44)是由长短半轴分别为a和b的半椭球和高度为h的短圆筒(通称为直边)两部分所构成。直边的作用是为了保证封头的制造质量和避免筒体与封头间的环向焊缝受边缘应力作用。有以下结论：当椭球壳的长短半轴 a/b2时，椭球壳赤道上出现很大的环向应力(图325(c)，其绝对值远大于顶点的应力。从而引入形状系数K（也称应力增加系数）。根据强度理论（具体推导过程可参阅华南理工大学P57），受内压（凹面受压）的椭圆形封头的计算厚度公式为： (mm)标准椭圆封头K=1（a/b=2），计算厚度公式为 (mm)椭圆封头最大允许工作压力计算公式为： (MPa)GB150-1998规定：K1时，K1时，但当确定封头厚度时，已考虑了内压下的弹性失稳问题，可不受此限制。现行的椭圆形封头标准为JBT473795。三、碟形封头由三部分构成：以为半径的球面；以r为半径的过渡圆弧(即折边)；高度为的直边。同样，引入形状系数，则其计算厚度公式为 (mm)碟形封头球面部分内半径，mm；过渡圆弧内半径，mm；碟形封头形状系数；，其值列于表4-12，其他符号同前。标准碟形封头：球面内半径，过渡圆弧内半径。此时M1.325，计算壁厚公式： (mm)碟形封头最大允许工作压力为 (MPa)GB150-1998规定：M1.34时，M1.34时，但当确定封头厚度时，已考虑了内压下的弹性失稳问题，可不受此限制。碟形封头标准为JB57664。四、球冠形封头五、锥形封头六、平板封头平板封头是化工设备常用的一种封头。平板封头的几何形状有圆形、椭圆形、长圆形、矩形和方形等，最常用的是圆形平板封头。在各种封头中，平板结构最简单，制造就方便，但在同样直径、压力下所需的厚度最大，因此一般只用于小直径和压力低的容器。但有时在高压容器中，如合成塔中也用平盖，这是因为它的端盖很厚且直径较小，制造直径小厚度大的凸形封头很困难。设计公式是半经验公式，推导不要求。 (mm)平板封头的计算壁厚，mm；计算压力，MPa；结构特征系数；计算直径，mm；焊接接头系数；材料在设计温度下的许用应力，Mpa。(计算预紧状态时，为常温的许用应力)第四节 封头的选择一、几何方面二、力学方面三、制造及材料消耗方面3教学手段与方法： 多媒体与课堂互动4参考资料（文献、书籍）1 郑津洋等过程设备设计.北京：化学工业出版社，2001.82 郑津洋等过程设备设计（第二版）.北京：化学工业出版社，2005.7 3 董大勤化工设备机械基础. 北京：化学工业出版社 20034 编写组化工设备设计基础. 上海：上海科学技术出版社 2000 5 聂清德化工设备设计. 北京：化学工业出版社，20