化工设备设计基础--内压薄壁容器设计

1、第二节第二节 内压薄壁容器设计内压薄壁容器设计1一、薄壁容器设计的理论基础一、薄壁容器设计的理论基础（一）薄壁容器（一）薄壁容器 根据容器外径DO与内径Di的比值K来判断，iiiiDDDDDK2120K1.2K1.2为薄壁容器，为薄壁容器，K K1.21.2为厚壁容器为厚壁容器2（二）圆筒形薄壁容器承受内压时的应力（二）圆筒形薄壁容器承受内压时的应力 只有拉应力无弯曲，只有拉应力无弯曲，“环向纤维环向纤维”和和“纵纵向纤维向纤维”受到拉力。受到拉力。 1 1（或（或轴轴）圆筒母线方向）圆筒母线方向( (即轴向拉应力）即轴向拉应力）2 2（或（或环环）圆周方向的拉应力。）圆周方向的拉应力。3（三

2、）圆筒的应力计算（三）圆筒的应力计算 1. 1. 轴向应力轴向应力（D-筒体平均直径，亦称中径，mm； p-内压,MPa；-壁厚，mm） 404112pDDDp2. 2. 环向应力环向应力20222pDlpDl4分析：分析：（1 1）薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍。）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？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。5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

3、应予以注意。6二、无力矩理论基本方程式二、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 2）轴对称）轴对称 壳体的壳体的几何形状几何形状、约束条件约束条件和和所受外力所受外力都是对称于某一轴。都是对称于某一轴。 化工用的压力容器通常是轴对称。化工用的压力容器通常是轴对称。 7（3 3）旋转壳体的几何概念）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第一曲率半径：经线曲率半径第二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

4、径82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)(1)小位移假设小位移假设尺寸不变尺寸不变 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)(2)直线法假设厚度不变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)(3)不挤压假设两向应力不挤压假设两向应力 各层纤维变形前后互不挤压。9（二）无力矩理论基本方程式（二）无力矩理论基本方程式 1 1）无力矩理论（称薄膜理论）定义：它假设壁厚与直径相比很）无力矩理论（称薄膜理论）定义

5、：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。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 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（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：无力矩理论基本方程式：pRR2211（3-33-3）平衡方程）平衡方程cos21kpr（3-43-4）区域平衡方程）区域平衡方程 10三、基本方程式的应用三、基本方程式的应用1 1圆筒形壳体圆筒形壳体 第一曲率半径R1=， 第二曲率半径

6、R2=D/2 代入方程（3-3）和（3-4）得： cos21kprpRR22112 421pDpD112 2球形壳体球形壳体 球壳R1R2=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一一半半，即球形壳体的厚度仅需圆筒容器厚度的一半球形壳体的厚度仅需圆筒容器厚度的一半。当容器容积相同时容器容积相同时，球表面积最小，故大型贮罐制成球形较球表面积最小，故大型贮罐制成球形较为经济。为经济。cos21kprpRR2211 421pD123 3圆锥形壳体圆锥形壳体 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：cos 21rRRcos21kpr cos2kpr 锥形壳体环

7、向应力是经向应力两倍，随半锥角锥形壳体环向应力是经向应力两倍，随半锥角a a的增大而增大；的增大而增大； a a角要选择合适，不宜太大。角要选择合适，不宜太大。 在锥形壳体大端在锥形壳体大端r=Rr=R时，应力最大，在锥顶处，应力为零。因此，一般时，应力最大，在锥顶处，应力为零。因此，一般在锥顶开孔。在锥顶开孔。 134 4椭圆形壳体椭圆形壳体 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：12222byaxbabaxadxyddxdyR42/32224222/321)()(1bbaxaxR2/122242)(sin)(2 )(2)(22224422242222

8、41baxaabaxabpbaxabp14化工常用标准椭圆形封头，化工常用标准椭圆形封头，a a/ /b b=2=2，故，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。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。应力值连续变化。pa21papa21215四、筒体强度计算四、筒体强度计算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：实际设计中须考虑三个因素：（1 1）焊接接头

9、系数）焊接接头系数（2 2）容器内径）容器内径（3 3）壁厚）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：tpD216（1 1）焊接接头系数）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 t乘以焊接接头系数，1。 tpD2（2 2）容器内径）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。tiDp2)(解出，得到内压圆筒的厚度计算式厚度计算式：ppDti217（3 3） 壁厚壁厚考虑介质腐蚀，计算厚度的基础上，增加腐蚀裕度C2。筒体的设计厚度为式中 -圆筒计算厚度，mm； d-圆筒设计

10、厚度圆筒设计厚度，mm； Di-圆筒内径，mm； p-容器设计压力，Mpa； -焊接接头系数。22CppDtid筒体设计厚度 d+ C1（厚度负偏差）后向上圆整向上圆整，即：筒体名义厚度筒体名义厚度 n n 。对于已有的圆筒，测量厚度为 n，则其最大许可承压的计算公式为：1CdneietnintDCDCp22 e e- -圆筒有效厚度圆筒有效厚度18五、球壳强度计算五、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teeictDp4ppDti419六、设计参数六、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

11、的选取。22CppDtid1Cdn（1 1）设计压力（计算压力）设计压力（计算压力）设计压力设计压力: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）（表压）。1 1）使用安全阀时：）使用安全阀时：设计压力设计压力安全阀开启压力安全阀开启压力设计压力（设计压力（1.051.051.101.10）* *（最大工作压力）最大工作压力） 使用爆破膜根据其型式：使用爆破膜根据其型式：设计压力（设计压力（1.151.151.41.4）* *（最大工作压力）最大工作压力）2）容器内盛有液体

12、，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。 21（2 2）设计温度）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。22(3)(3)许用应力许用应力1）许用应力许用应力是以材料的各项强度

13、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。n023(4)(4)焊接接头系数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。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 符合符合压力容器安全技术检察规程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小于每条焊缝长度的2

14、020。24(5)(5)厚度附加量厚度附加量 满足强度要求的计算厚度之外，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厚度厚度22.22.52.83.0 3.23.53.84 4.55.5 负偏差负偏差0.130.140.150.160.18 0.2 0.2 厚度厚度6782526303234 36404250 5260 负偏差负偏差0.60.8 0.91 1.11.21.3 25腐蚀裕量腐蚀裕量C C2 2：1）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

15、10年考虑。3 3）当腐蚀速度）当腐蚀速度0.05mm0.05mma(a(包括大气腐蚀包括大气腐蚀) )时时：碳素钢和低合金钢单面腐蚀C21mm，双面腐蚀取C22mm。 当腐蚀速度当腐蚀速度0.05mm0.05mma a时：时：单面腐蚀取C22mm，双面腐蚀取C24mm。4 4）不锈钢取）不锈钢取C C2 20 0。26七、最小壁厚七、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）的最小厚度不包括腐蚀裕量）的最小厚度 minmin： a.a.碳素钢和低

16、合金钢制容器不小于碳素钢和低合金钢制容器不小于3mm 3mm 。 b.b.对高合金钢制容器，不小于对高合金钢制容器，不小于2mm2mm。 22CppDtid27八、压力试验八、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。试验时液体的温度应低于其闪点或沸点。3）不适合作液压试验不适合作液压试验, ,可用气压试验代替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

17、体的容器以及容积很大的容器等4）致密性试验：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。28二、压力试验的相关规定二、压力试验的相关规定试试验验类类型型试验压力试验压力强度条件强度条件说明说明 备注备注液液压压试试验验 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，由压力试验时，由于容器承受的压于容器承受的压力力p pT T 高于设计高于设计压力压力p p，故必要，故必要时需进行强度效时需进行强度效核。核。气气压压试试验验 p pT T - -试验压力，试验压力， MPaMPa； p p - -设计压力，设计压力， MPaMPa； 一试验温度下的材料

18、许用应力，一试验温度下的材料许用应力， MPaMPa； T T 一设计温度下的材料许用应力，一设计温度下的材料许用应力， MPa MPa 29三、液压试验要求和步骤：三、液压试验要求和步骤：1）液压试验时水温不能过低试验时水温不能过低(碳素钢、16MnR,T5，其它低合金钢,T15)，试验过程外壳应保持干燥外壳应保持干燥。2）试验步骤： 设备充满水后充满水后，待壁温待壁温大致相等相等时，缓慢升压缓慢升压到规定试验压力试验压力，稳压稳压30min30min，然后将压力降低到设计压力降低到设计压力，保持保持30min30min以检查检查有无损坏损坏，有无宏观变形变形，有无泄漏泄漏及微量渗透渗透。3

19、）对于夹套容器，先进行内筒液压试验先进行内筒液压试验，合格后再焊接夹套，然然后进行夹套后进行夹套内的液压试验。4）水压试验后及时排水试验后及时排水，用用压缩空气及其它惰性气体气体，将容器内内表面吹干。表面吹干。30四、气压试验要求和步骤：四、气压试验要求和步骤：1）必须对容器焊缝进行100%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%10%，且不超过0.05MPa0.05MPa时，保压5min5min，进行检查。 继续缓慢升至规定试验压力的50%50%，保压，保压5min5min，进行检查。其后按照每级为规定试验压力的1010%的级差逐级增至规定试验压力，保压10min10min，进行检查。 将压力降至规定试验压力的87%87%，保压较长时间，进行检查。31五、致密性试验要求和步骤：五、致密性试验要求和步骤：1 1）气密性试验）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没装有安全阀时试验压力为设计压力；