第4章3节12-lin

1、第三节第三节 常规设计常规设计 一概述一概述 （一）、设计思想：（一）、设计思想：常规设计又称按规则设计，它只考虑单一的最大常规设计又称按规则设计，它只考虑单一的最大载荷工况，不考虑交变载荷，也不区分短期载荷载荷工况，不考虑交变载荷，也不区分短期载荷和永久载荷，不涉及容器的疲劳寿命问题。和永久载荷，不涉及容器的疲劳寿命问题。采用分析设计采用分析设计标准中标准中 的有关的有关规定和思想，规定和思想，或由经验引入或由经验引入各种系数。各种系数。受压元件的应力强度受压元件的应力强度 材料许用应力材料许用应力 （强度）（强度） 30mm）卷焊成直径不同但可）卷焊成直径不同但可过盈过盈配合配合的筒节，将

2、外层筒节加热到计算的温度进行的筒节，将外层筒节加热到计算的温度进行套合，冷却收缩后得到紧密贴合的厚壁筒节。套合，冷却收缩后得到紧密贴合的厚壁筒节。结构结构制造制造优点优点缺点缺点工序少，周期短，且具有工序少，周期短，且具有包扎式筒体的大多数优点。包扎式筒体的大多数优点。筒体要有较准确的过盈量，卷筒的精度筒体要有较准确的过盈量，卷筒的精度要求很高，且套合时需选配套合；要求很高，且套合时需选配套合；套合时贴紧程度不很均匀；套合时贴紧程度不很均匀；套合后，需热处理以消除套合预应力及套合后，需热处理以消除套合预应力及深环焊缝的焊接残余应力。深环焊缝的焊接残余应力。 3、绕板式、绕板式结构结构由内筒、绕

3、板层和外筒三部分组成，是在由内筒、绕板层和外筒三部分组成，是在多层包扎式筒体的基础上发展起来的。多层包扎式筒体的基础上发展起来的。制造制造内筒与多层包扎式内筒相同，外层是在内筒内筒与多层包扎式内筒相同，外层是在内筒外面连续缠绕若干层外面连续缠绕若干层3 35 5mmmm厚的薄钢板而构厚的薄钢板而构成筒节，只有内外两道纵焊缝，需要成筒节，只有内外两道纵焊缝，需要2 2个楔个楔形过渡段，外筒为保护层，由两块半圆或三形过渡段，外筒为保护层，由两块半圆或三块块“瓦片瓦片”制成。制成。优点优点缺点缺点机械化程度高，制造效率高，材料利机械化程度高，制造效率高，材料利用率高（可达用率高（可达 90%以上）。

4、以上）。中间厚两边薄，累积间隙。中间厚两边薄，累积间隙。图图4-4 绕板筒节绕板筒节4)、整体多层包扎式、整体多层包扎式结构结构错开环缝和采用液压夹钳逐层包扎的圆筒结构。错开环缝和采用液压夹钳逐层包扎的圆筒结构。制造制造 将内筒拼接到所需的长度，两端焊上法兰或封头；将内筒拼接到所需的长度，两端焊上法兰或封头； 在整个长度上逐层包扎层板，待全长度上包扎好并在整个长度上逐层包扎层板，待全长度上包扎好并 焊完磨平后再包扎第二层，直至所焊完磨平后再包扎第二层，直至所 厚度。厚度。优点优点各层环焊缝可以相互错开；每层的纵焊缝也可以错开；各层环焊缝可以相互错开；每层的纵焊缝也可以错开；避免出现深环焊缝。避

5、免出现深环焊缝。内筒内筒包扎层板包扎层板端部法兰端部法兰底封头底封头图图45 整体多层包扎式厚壁容器筒体整体多层包扎式厚壁容器筒体 5、绕带式、绕带式以钢带缠绕在内筒外面获得所需厚度筒壁以钢带缠绕在内筒外面获得所需厚度筒壁两种结构两种结构型槽绕带式型槽绕带式扁平钢带倾角错绕式扁平钢带倾角错绕式 型槽绕带式型槽绕带式 用特制的型槽钢带螺旋缠绕在特制的内用特制的型槽钢带螺旋缠绕在特制的内 筒上，端面形状见图筒上，端面形状见图4-4（a），内筒外表面上预先加），内筒外表面上预先加 工有与钢带相啮合的螺旋状凹槽。工有与钢带相啮合的螺旋状凹槽。图图4-6 （a）型槽绕带式筒体）型槽绕带式筒体 （b）型槽

6、钢带结构示意图）型槽钢带结构示意图缠绕时，钢带先经缠绕时，钢带先经电加热，再进行螺电加热，再进行螺旋缠绕，绕制后依旋缠绕，绕制后依次用空气和水进行次用空气和水进行冷却，使其收缩产冷却，使其收缩产生预紧力，可保证生预紧力，可保证每层钢带贴紧；各每层钢带贴紧；各层钢带之间靠凹槽层钢带之间靠凹槽和凸肩相互啮合和凸肩相互啮合(见见图图4-4（b）)，缠绕，缠绕层能承受一部分由层能承受一部分由内压引起的轴向力。内压引起的轴向力。优点优点缺点缺点筒体具有较高的安全性，机械化程度高，筒体具有较高的安全性，机械化程度高，材料损耗少，且由于存在预紧力，在内材料损耗少，且由于存在预紧力，在内压作用下，筒壁应力分布

7、较均匀。压作用下，筒壁应力分布较均匀。钢带需由钢厂专门轧制，尺寸公差要求严，钢带需由钢厂专门轧制，尺寸公差要求严，技术要求高；为保证邻层钢带能相互啮合，技术要求高；为保证邻层钢带能相互啮合，需采用精度较高的专用缠绕机需采用精度较高的专用缠绕机 床。床。 扁平钢带倾角错绕式扁平钢带倾角错绕式中国首创的一种新型绕带式筒体；该结构已被列入中国首创的一种新型绕带式筒体；该结构已被列入 ASME -1和和ASME -2标准的规范案例，编号分别为标准的规范案例，编号分别为 2229和和2269。内筒内筒钢带层钢带层底封头底封头端部法兰端部法兰 图图4-6（c） 扁平钢带倾角错绕式筒体扁平钢带倾角错绕式筒体

8、 （二）内压圆筒的强度设计（二）内压圆筒的强度设计筒体强筒体强度设计度设计单层圆筒体单层圆筒体多层厚壁圆筒多层厚壁圆筒中径公式（薄壁筒体）中径公式（薄壁筒体）Mises屈服公式（厚壁筒体）屈服公式（厚壁筒体）Faupel爆破公式（厚壁筒体）爆破公式（厚壁筒体）1、单层筒体（薄壁圆筒）单层筒体（薄壁圆筒）cticp 2Dpa、厚度计算式、厚度计算式 由中径公式由中径公式0.4t式中式中 计算厚度，计算厚度，mmPc计算压力，计算压力，MPa焊接接头系数焊接接头系数条件：条件：Pcteeict2)D(pb、应力强度判别式、应力强度判别式 （对筒体进行强度校核，已知筒体尺寸（对筒体进行强度校核，已知

9、筒体尺寸Di、n或或e） 式中式中 e有效厚度，有效厚度，mm e=n C，mm n名义厚度，名义厚度，mm C厚度附加量，厚度附加量，mm t设计温度下圆筒的计算应力，设计温度下圆筒的计算应力，MPa主要计算主要计算公式公式eitewDp2c、筒体最大允许工作压力、筒体最大允许工作压力PwMPad、说明、说明 Pc0.4t厚度计算公式由筒体的薄膜应力按最大拉应力准则导出厚度计算公式由筒体的薄膜应力按最大拉应力准则导出的，用于一定厚度范围，如厚度过大，则由于实际应力情的，用于一定厚度范围，如厚度过大，则由于实际应力情况与应力沿厚度均布的假设相差太大而不能使用。况与应力沿厚度均布的假设相差太大而

10、不能使用。按照薄壳理论，按照薄壳理论，厚度计算公式厚度计算公式仅能在仅能在/D0.1即即K1.2范范围内适用。但作为工程设计，采用了最大拉应力准则、材围内适用。但作为工程设计，采用了最大拉应力准则、材料设计系数，厚度范围扩大到在最大承压（液压试验）时料设计系数，厚度范围扩大到在最大承压（液压试验）时圆筒内壁的应力强度在材料屈服点以内。圆筒内壁的应力强度在材料屈服点以内。 形状改变比能屈服失效判据计算出的内压厚壁筒体初始形状改变比能屈服失效判据计算出的内压厚壁筒体初始 屈服压力与实测值较为吻合，应力强度屈服压力与实测值较为吻合，应力强度 反映厚壁筒体的实际应力水平反映厚壁筒体的实际应力水平。4e

11、q能较好地能较好地4eq应力强度应力强度（认为是真实的）（认为是真实的） eqm应力强度应力强度（与中径公式相对应）（与中径公式相对应）4eq=cpKK1322ceqmpKK) 1(21eqmeq/4随径比随径比K K的增大而增大。的增大而增大。eqmeq/41.25当当K=1.5时，比值：时，比值：内壁实际应力强度是按中径公式计算的应力强度的内壁实际应力强度是按中径公式计算的应力强度的1.25倍。倍。由于由于GB150取取ns=1.6，若筒体径比不超过，若筒体径比不超过1.5，仍可按厚度，仍可按厚度计算式计算筒体厚度。计算式计算筒体厚度。cticipDpD 225. 0pc =0.4t 当当

12、K=1.5时，时，=Di（K-1）/2=0.25Di，代入厚度计算公式得，代入厚度计算公式得这就是厚度计算公式的适用范围这就是厚度计算公式的适用范围pc0.4t的依据所在的依据所在 液压试验（液压试验（pT=1.25p）时，筒体内表面的实际应力强度最）时，筒体内表面的实际应力强度最大为许用应力的大为许用应力的1.251.25=1.56倍倍（1.6），说明筒体内，说明筒体内表面金属仍未达到屈服点，处于弹性状态。表面金属仍未达到屈服点，处于弹性状态。ceqpKK13224ceqmpKK121与中径公式对应与中径公式对应25. 14eqmeq若若K=1.5, , D25. 0若若K=1.5 tcp4

13、 . 0ppT25. 1液压试验时，液压试验时， 此时此时56. 14eqmeq而我国的安全系数等于而我国的安全系数等于1.61.6，所以是安全的，所以是安全的（ 2 ）pc0.4t 时（单层厚壁圆筒）时（单层厚壁圆筒）采用塑性失效设计准则或爆破失效设计准则进行设计。采用塑性失效设计准则或爆破失效设计准则进行设计。 A、按按Mises屈服条件：屈服条件： )1()1(23pniissoeRKRnso2.02.2。ASME -3 采用上式采用上式与与 Mises屈服失效判据相对应的全屈服压力可得屈服失效判据相对应的全屈服压力可得Kpnssoln32圆筒计算厚度：圆筒计算厚度：（ 2 ）pc0.4

14、t 时（单层厚壁圆筒）时（单层厚壁圆筒）采用塑性失效设计准则或爆破失效设计准则进行设计。采用塑性失效设计准则或爆破失效设计准则进行设计。 B、爆破失效设计爆破失效设计, ,按按FaupelFaupel公式公式 )1()2(23pnibssbeR 日本的日本的超高压圆筒容器设计规则超高压圆筒容器设计规则和和 中国的中国的超高压容器安全监察规程超高压容器安全监察规程等采用上式等采用上式( (n nb b2.52.53.0)3.0)2、多层厚壁圆筒多层厚壁圆筒1）pc0.4t otonoitinit组合许组合许用应力用应力2、多层厚壁筒体、多层厚壁筒体 预应力（内压）预应力（内压）筒体内壁应力筒体内

15、壁应力 降低，外壁应力降低，外壁应力 增增 加，壁厚方向应力分布趋于均匀，从而提高筒体的弹性承加，壁厚方向应力分布趋于均匀，从而提高筒体的弹性承 载能力。载能力。 但由于结构和制造上的原因，定量地控制预应力但由于结构和制造上的原因，定量地控制预应力 的大小是困难的。的大小是困难的。设计计算：设计计算：不考虑预应力，作强度储备用。不考虑预应力，作强度储备用。只有压力很高时，才考虑预应力。只有压力很高时，才考虑预应力。多层包扎式多层包扎式绕带式筒体绕带式筒体例如：例如：otonoitinitb、厚度计算式：厚度计算式：（热套式、多层包扎式、绕板式、扁平钢带倾角错绕式）（热套式、多层包扎式、绕板式、

16、扁平钢带倾角错绕式） 计算压力不超过计算压力不超过0.40.4t t时，时，按厚度计算公式计算按厚度计算公式计算多层圆筒的组合许用应力多层圆筒的组合许用应力cticp 2Dp式中式中 i多层圆筒多层圆筒内筒内筒的名义厚度，的名义厚度，mm； o多层圆筒多层圆筒层板总厚度层板总厚度，mm； it设计温度下多层圆筒设计温度下多层圆筒内筒内筒材料的许用应力，材料的许用应力，MPa； ot设计温度下多层圆筒设计温度下多层圆筒层板或带层材料层板或带层材料的许用应力，的许用应力， 对扁平钢带倾角错绕式筒体，应乘以钢带倾角错绕对扁平钢带倾角错绕式筒体，应乘以钢带倾角错绕 引起的环向削弱系数引起的环向削弱系数

17、0.9，MPa； i多层圆筒多层圆筒内筒内筒的焊接接头系数，一般取的焊接接头系数，一般取i=1.0； o多层圆筒多层圆筒层板层或带层层板层或带层的焊接接头系数，对于多层的焊接接头系数，对于多层 包扎式筒体，取包扎式筒体，取o=0.95，其余筒体取，其余筒体取o=1.0。c、热应力、热应力不考虑不考虑。较高温操作时，有热应力，但有保温。较高温操作时，有热应力，但有保温 设施，且严格控制设施，且严格控制 不考虑热应力（常规设计）。不考虑热应力（常规设计）。 （三）设计参数的确定（三）设计参数的确定设计压力设计压力设计温度设计温度厚度及厚度附加量厚度及厚度附加量焊接接头系数焊接接头系数许用应力等许用

18、应力等1、压力、压力工作压力工作压力 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（表压）。最高压力（表压）。 设计压力设计压力 指设定的容器顶部的最高压力，它与相应设指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，其值不低于计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。工作压力。 计算压力计算压力 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 表表4-1 设计压力与计算压力的

19、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，应分别确定各压力室的设计压力，计算带夹套部分的容器时，应分别确定各压力室的设计压力，确定公用元件的设计压力时，应考虑相邻室之间的最大压差确定公用元件的设计压力时，应考虑相邻室之间的最大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两者中两者中的较小值，当没有安全控制装置时，取的较小值，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

20、和可能达到的最高温度确定根据容器的充装系数和可能达到的最高温度确定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、防爆膜的破坏根据介质特性、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压力及排放面积等因素考虑(通常可取通常可取p1.151.3pw)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，通常取取等于或略高于最高工作压力，通常取p1.01.1pw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p1.051.1pw容

21、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 液化气体压力液化气体压力对盛装液化气体的固定式压力容器,原来规定50 饱和蒸汽压力为设计压力,现修订为工作压力。新容规规定了储存混合液化石油气的工作压力选取原则，由用户或设计单位考虑适当的设计余量和超压泄放装置的需要，在工作压力的基础上确定设计压力。 第三十八条第三十八条 盛装液化气体的固定式压力容器的最高工作压力规定如下：盛装液化气体的固定式压力容器的最高工作压力规定如下： (一一)固定式液化气体压力容器最高工作压力应当不低于表固定式液化气体压力容器最高工作压力应当不低于表3-1的规定。的规定。(二二)固定式液化

22、石油气储罐常温储存的最高工作压力应当按不低于固定式液化石油气储罐常温储存的最高工作压力应当按不低于 50时混合液化石油气组分的实际饱和蒸气压来确定，设计单位应时混合液化石油气组分的实际饱和蒸气压来确定，设计单位应当在图样上注明限定的组分和对应的压力。若无实际组分数据或不当在图样上注明限定的组分和对应的压力。若无实际组分数据或不做组分分析，其最高工作压力则应当不低于表做组分分析，其最高工作压力则应当不低于表3-2规定的压力。规定的压力。 第三十九条 确定常温储存压力容器的设计温度时，应当充分考虑到在正常工作状态下大气环境温度条件对于容器壳体金属温度的影响，其设计温度不得高于金属可能降至的最低温度

23、，对于零度以上的金属温度，其设计温度不得低于金属可能达到的最高温度。 第四十条 盛装液化气体或液化石油气的压力容器应当规定设计储存量，压力容器充装系数不得大于0.95。 按按GB150GB150，最大允许工作压力，最大允许工作压力“指在设计温度下，指在设计温度下，容器顶部所允许承受的最大表压力，该压力是根据容容器顶部所允许承受的最大表压力，该压力是根据容器各元件的有效厚度计算所得，且取最小值器各元件的有效厚度计算所得，且取最小值”。 2 2、最大允许工作压力、最大允许工作压力 指容器在正常工作情况下，在相应的设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（沿计压力下，设定的

24、元件的金属温度（沿元件金属截面厚度的温度平均值）。元件金属截面厚度的温度平均值）。设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少的参时不可少的参数。数。3、设计温度、设计温度金属温度不低于金属温度不低于0设计温度不得设计温度不得低于低于元件金属元件金属可能达到的可能达到的最高温度最高温度；金属温度低于金属温度低于0不得不得高于高于元件金属可能达元件金属可能达到的到的最低温度最低温度。计算厚度（计算厚度（）由公式采用计算压力得到的厚度。由公式采用计算压力得到的厚度。设计厚度（设计厚度（d）计算厚度与腐蚀裕量之和。计算厚度与腐蚀裕量之和。dC2 名义厚度（名义厚度（n）设

25、计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度。标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度。ndC1= C1 C2 有效厚度（有效厚度（e）名义厚度减去钢材负偏差和腐蚀裕量。名义厚度减去钢材负偏差和腐蚀裕量。 enC1C2厚度附加量（厚度附加量（C）由钢材的厚度负偏差由钢材的厚度负偏差C1和腐蚀裕量和腐蚀裕量 C2 组成，不包括加工减薄量组成，不包括加工减薄量C3。 C=C1+C2加工减薄量加工减薄量根据具体制造工艺和板材实际厚度由制造厂确定。根据具体制造工艺和板材实际厚度由制造厂确定。4、厚度及厚度附加量厚度及厚度附加量 计算

26、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厚度e 21CCC 毛坯厚度毛坯厚度加工减薄量加工减薄量图图4-7 壁厚的概念壁厚的概念碳素钢、低合金钢容器：碳素钢、低合金钢容器：min不小于不小于3mm； 高合金制容器：高合金制容器：min不小于不小于2mm；最小厚度（最小厚度（min）考虑容器的刚性考虑容器的刚性 制造、运输、吊装；制造、运输、吊装； 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 即即 C C1十十

27、 C21 1、按相应钢材的标准选取按相应钢材的标准选取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。 C1 钢板厚度负偏差钢板厚度负偏差 厚度附加量厚度附加量C其它常用钢板（如其它常用钢板（如20g、Q235-A以及以及0Cr18Ni9等）的厚度负偏差见教材等）的厚度负偏差见教材表表4-2为防止容器元件由于腐蚀、机械磨损而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。导致厚度削弱减薄，应考虑腐蚀裕量。C2 腐蚀裕量腐蚀裕量 腐蚀裕量均匀腐蚀速率腐蚀裕量均匀腐蚀速

28、率容器设计寿命容器设计寿命腐蚀裕量只对防止均匀腐蚀破坏有意义；腐蚀裕量只对防止均匀腐蚀破坏有意义；对于应力腐蚀、对于应力腐蚀、氢脆和缝隙腐蚀等非均匀腐蚀，效果不佳，应着重选择耐氢脆和缝隙腐蚀等非均匀腐蚀，效果不佳，应着重选择耐腐蚀材料或进行适当防腐蚀处理。腐蚀材料或进行适当防腐蚀处理。碳素钢、低合金钢：碳素钢、低合金钢： C2不小于不小于1mm；不锈钢：介质腐蚀性极微时，可取不锈钢：介质腐蚀性极微时，可取C2=0。5、焊接接头系数、焊接接头系数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。焊接接头系数焊接接头系数是焊接削弱而降低设计许用

29、应力的系数。是焊接削弱而降低设计许用应力的系数。焊接接头系数的大小决定于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焊接接头的型式和无损检测的长度比率。比率。表表4-3 焊接接头系数焊接接头系数焊缝金属与母材强度的比值，反焊缝金属与母材强度的比值，反映容器强度受削弱的程度。映容器强度受削弱的程度。6、许用应力、许用应力 许用应力是容器壳体、封头等受压元件的许用强度，许用应力是容器壳体、封头等受压元件的许用强度，取材料强度失效判据的极限值与相应的材料设计系数取材料强度失效判据的极限值与相应的材料设计系数( (安全系数安全系数) ) 之比。之比。 屈服点屈服点s(或或0.2)、抗拉强度、

30、抗拉强度b、持久强度、持久强度D、蠕变极限、蠕变极限n等等根据失效类型确定极限值。根据失效类型确定极限值。 材料强度失效判据的极限值用不同的方式表示：材料强度失效判据的极限值用不同的方式表示： nt0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 安全系数安全系数主要是保证受压元件有足够的安全储备量，其大小与主要是保证受压元件有足够的安全储备量，其大小与应力计算的应力计算的精确

31、性、材料性能的均匀性、载荷的确切程度、制造工艺和使用精确性、材料性能的均匀性、载荷的确切程度、制造工艺和使用管理的先进性以及检验水平管理的先进性以及检验水平等因素有着密切关系。等因素有着密切关系。 安全系数是一个不断发展变化的参数。安全系数是一个不断发展变化的参数。随着科技发展，安全系数将逐渐变小。随着科技发展，安全系数将逐渐变小。 对钢材常规设计，抗拉强度的安全系数由对钢材常规设计，抗拉强度的安全系数由3.03.0调整为调整为2.72.7、屈服强度的安全、屈服强度的安全系数由系数由1.61.6调整为调整为1.51.5。对铝、铜、钛、镍及其合金的没有改变。对铝、铜、钛、镍及其合金的没有改变。

32、分析设计，抗拉强度的安全系数由分析设计，抗拉强度的安全系数由2.62.6调整为调整为2.42.4、屈服强度的安全系数屈服强度的安全系数1.51.5不变。不变。 设计使用寿命pppabc 讨论：受讨论：受周向周向均匀外压均匀外压薄壁薄壁回转壳体的回转壳体的弹性失稳弹性失稳问题问题临界压力临界压力失稳现象失稳现象外载荷达到某一临界值，发生径向挠曲，并外载荷达到某一临界值，发生径向挠曲，并迅速增加，沿周向出现迅速增加，沿周向出现压扁或波纹压扁或波纹。壳体失稳时所承受的相应压力，称为临界压力，壳体失稳时所承受的相应压力，称为临界压力，用用Pcr表示。表示。（四）外压圆筒设计（四）外压圆筒设计外压圆筒分

33、成三类：外压圆筒分成三类：长圆筒长圆筒两端的边界影响可以忽略，压瘪时波数两端的边界影响可以忽略，压瘪时波数 n=2 ，临，临界压力界压力Pcr仅与仅与t / Do有关，而与有关，而与L/Do无关。无关。短圆筒短圆筒两端的边界影响显著，压瘪时波数为两端的边界影响显著，压瘪时波数为 n2 的正整的正整数，数， Pcr不仅与不仅与t / Do有关，而且与有关，而且与L/Do有关。有关。刚性圆筒刚性圆筒这种壳体的这种壳体的L/Do较小，而较小，而t / Do较大，故刚性较好。较大，故刚性较好。其破坏原因是由于器壁内的应力超过了材料屈服其破坏原因是由于器壁内的应力超过了材料屈服极限所致。计算时，只要满足

34、强度要求即可。极限所致。计算时，只要满足强度要求即可。长长圆筒临界压力：圆筒临界压力：32 . 2ocrDtEptDLDEtpOOcr259. 2短短圆筒临界压力：圆筒临界压力：临界长度临界长度Lcr ：tDDLoocr17. 1(四四)、外压圆筒设计、外压圆筒设计1、外压圆筒用公式计算的步骤外压圆筒用公式计算的步骤(解析法解析法)： 假设筒体的名义厚度，计算有效厚度，求出临界长度；假设筒体的名义厚度，计算有效厚度，求出临界长度； 判断短或长圆筒，根据类型，选择公式求取临界压力，判断短或长圆筒，根据类型，选择公式求取临界压力， 选取合适的稳定性安全系数选取合适的稳定性安全系数m m，计算许用外

35、压，比较设计计算许用外压，比较设计压力和许用外压的大小。若设计外压小于且比较接近许用外压，压力和许用外压的大小。若设计外压小于且比较接近许用外压，则可以。否则重算。则可以。否则重算。验算临界应力，校核是否弹性失稳。验算临界应力，校核是否弹性失稳。若此式成立，属弹性失稳，前面计算正确；否则改用图算法若此式成立，属弹性失稳，前面计算正确；否则改用图算法22eecrcrmpDDpE在塑性状态下是变量，采用公式在塑性状态下是变量，采用公式2、图算法的原理、图算法的原理 ：假设：仅受径向均匀外压，而不受轴向外压假设：仅受径向均匀外压，而不受轴向外压tecrtcrEDpE2)(0 圆筒受外压时，其临界压力

36、的计算公式为：圆筒受外压时，其临界压力的计算公式为： 在临界压力作用下，筒壁产生相应的应力在临界压力作用下，筒壁产生相应的应力302 . 2 DEpetcr 5 . 200/59. 2DLDEpetcr (4-1) (4-2) a、几何参数计算图：、几何参数计算图：L/DoDo/eA 关系曲线关系曲线ecrcrDp 20 失稳时，周向应变仅与筒体失稳时，周向应变仅与筒体结构特征参数结构特征参数L/Do、Do /e 有关。有关。)(00DLDfe，令令Acr20030)(1.12)()(2.2DEDDEeteet 05.10005.20)(3.12)()(59.2DLDEDLDDEeteet 长

37、圆筒长圆筒短圆筒短圆筒令令 A= ， 以以A作为横坐标，作为横坐标，L/Do作为纵坐标，作为纵坐标， Do/e作为作为参量参量绘成曲线；见图绘成曲线；见图4-8),(00DLDfe L/Do Do/e与纵坐标平行的，表示与纵坐标平行的，表示长圆筒，失稳时长圆筒，失稳时cr与与L/Do无关无关斜平行线簇，表示短圆斜平行线簇，表示短圆筒，失稳时筒，失稳时cr与与L/Do和和Do /e 都有关。都有关。Acr适用于任适用于任何材料何材料 图图4-8 外压或轴向受压圆筒和管子外压或轴向受压圆筒和管子几何参数计算图几何参数计算图（用于所有材料）（用于所有材料）已知已知 L/Do，Do/e查查几何算图几何

38、算图周向应变周向应变A（横坐标）（横坐标）找出找出APcr 的关系（类似于的关系（类似于crcr）判定筒体在操作外压力下是否安全判定筒体在操作外压力下是否安全（图（图4-8）厚度计算图（不同材料）：厚度计算图（不同材料）：BA关系曲线关系曲线 厚度计算图（不同材料）：厚度计算图（不同材料）：BA关系曲线关系曲线 eocrEDpmA2 creoEmDp202 ()tepEmD0 ep DB令0DBpe由于由于 ttEEmB322 若以若以 为横坐标，为横坐标，B为纵坐标，将为纵坐标，将B与与 (即图中即图中A)关系用曲线表示关系用曲线表示出来，就得到了如下所示的曲线。出来，就得到了如下所示的曲线

39、。利用这组曲线可以方便而迅速地利用这组曲线可以方便而迅速地从从 找到与之相对应的系数找到与之相对应的系数B，并，并进而用进而用(43)式求出式求出p。AB图图4-9 外压圆筒的许用应力与应变的关系外压圆筒的许用应力与应变的关系厚度计算图（不同材料）：厚度计算图（不同材料）：BA关系曲线关系曲线 可得可得BA关系曲线，称为厚度计算图关系曲线，称为厚度计算图此时将此时将A关系曲线纵坐标乘关系曲线纵坐标乘2/3通过这个曲线图，当知道通过这个曲线图，当知道A后后，就，就可以求出可以求出B，进，进而求出许用外压。而求出许用外压。 A关系曲线已知，关系曲线已知， A即即 关系曲线已知，关系曲线已知，由于由

40、于 ttEEmB322 =ttEEA弹性范围内，钢的弹性模量为常数，塑性应变时候，弹性范围内，钢的弹性模量为常数，塑性应变时候， E 仍然仍然成立，只是此时成立，只是此时E是变量，所以用图表示。是变量，所以用图表示。图图4-12 外压圆筒、管子和球壳厚度计算图（外压圆筒、管子和球壳厚度计算图（0Cr18Ni9）图图4-11 外压圆筒、管子和球壳厚度计算图（外压圆筒、管子和球壳厚度计算图（16MnR、15CrMo）同一种材料在不同温度下有不同的拉伸性能曲线，又称材料温度曲线同一种材料在不同温度下有不同的拉伸性能曲线，又称材料温度曲线 不同的材料有不同的厚度计算图不同的材料有不同的厚度计算图图图4

41、-13图算法求解过程图算法求解过程几何参数图几何参数图厚度计算图厚度计算图3、工程计算方法、工程计算方法 200eD厚壁圆筒厚壁圆筒,破坏方式：破坏方式：强度破坏和失稳破坏强度破坏和失稳破坏 200eD薄壁圆筒薄壁圆筒,破坏方式出破坏方式出现失稳破坏现失稳破坏 1）对于）对于 的薄壁圆筒的薄壁圆筒 200eD假设名义厚度假设名义厚度n，令令e=n-C，求出求出 eDDL00及以值由以值由138页图页图4-6查取查取A值，若值，若L L/ /D Do o值大值大于于50，则用，则用L L/ /D Do o =50查取查取A值；值； 此时此时A已经与已经与L L/ /D Do o无关，周边支撑无关

42、，周边支撑不会影响它的大小不会影响它的大小 eoDAEp32由材料选由材料选厚度计算图（图厚度计算图（图4-7图图4-9）温度对应的温度对应的E线在线在图上没有时，插值图上没有时，插值32AEB 系系 数数 A设计温度设计温度根根据据B与厚度图与厚度图无无交点交点A在材料线左方在材料线左方 eoDBp与厚度图与厚度图有有交点交点图图4-13图算法求解过程图算法求解过程几何参数图几何参数图厚度计算图厚度计算图d. pcp且较接近且较接近假设的名义厚度假设的名义厚度n合理合理pcp假设假设n不合理不合理重设重设n，直到满足直到满足2）对于）对于 的厚壁圆筒的厚壁圆筒2040eDBDpe0625.

43、025. 20eeDDp000112ttst2 . 0000009 . 09 . 0 2min或，应力，满足强度满足强度满足稳定性满足稳定性取小取小求取求取B值的计算步骤同值的计算步骤同Do/e20的薄壁筒体；的薄壁筒体；防止圆筒体的失稳和强度失效，厚壁筒体的许用外防止圆筒体的失稳和强度失效，厚壁筒体的许用外压力必须取上面两式中的压力必须取上面两式中的较小值较小值。3）对于）对于 的厚壁圆筒的厚壁圆筒40eD20)(1 . 1eDABDpe0625. 025. 20eeDDp000112ttst2 . 0000009 . 09 . 0 2min或，应力，满足强度满足强度满足稳定性满足稳定性根据

44、圆筒材料选用相应的壁厚根据圆筒材料选用相应的壁厚计算图，由计算图，由A A值查取值查取B值。值。若所得若所得A值落在设计温度下材料值落在设计温度下材料线的左方，则用下式计算线的左方，则用下式计算B B： 32AEB 取小取小解题思路小结解题思路小结设设n，由，由L/Do、Do/e几何算图几何算图ABPcr厚度计算图厚度计算图cr与曲线相交、不相交与曲线相交、不相交n是否合理是否合理4、设计参数的确定设计参数的确定 定义与内压容器相同，取值方法不同。定义与内压容器相同，取值方法不同。外压容器设计外压容器设计压力：考虑正压力：考虑正常工作情况下常工作情况下可能出现的最可能出现的最大内外压力差；大内

45、外压力差；真空容器设计压力：真空容器设计压力：按承受外压考虑，当按承受外压考虑，当装有安全控制装置时装有安全控制装置时（如真空泄放阀），（如真空泄放阀），设计压力取设计压力取1.25倍最倍最大内外压力差或大内外压力差或0.1 MPa两者中的较小值；两者中的较小值；当无安全控制装置时，当无安全控制装置时，取取0.1MPa。带夹套容器带夹套容器:考虑可能出现考虑可能出现最大压差的危最大压差的危险工况，如内险工况，如内压容器突然泄压容器突然泄压而夹套内仍压而夹套内仍有压力时所产有压力时所产生的最大压差。生的最大压差。2）稳定性安全系数）稳定性安全系数 考虑稳定性安全系数主要是为了考虑考虑稳定性安全系

46、数主要是为了考虑容器的几何容器的几何形状和尺寸的偏差、材料的不均匀性和各种原始形状和尺寸的偏差、材料的不均匀性和各种原始缺陷缺陷等等。等等。 对圆筒，对圆筒，m=3，对球壳，对球壳，m=14.52。特殊要求：形状偏差（取特殊要求：形状偏差（取m m3 3的同时）如的同时）如GB150GB150规定，受规定，受外压及真空的圆筒体在同一断面一定弦长范围内，实际外压及真空的圆筒体在同一断面一定弦长范围内，实际形状与真正圆形之间的正负偏差不得超过一定值，具体形状与真正圆形之间的正负偏差不得超过一定值，具体规定可参见文献规定可参见文献GB150- 98GB150- 98。3）外压计算长度外压计算长度 计

47、算长度是指圆筒外部或内部两相邻刚性构件间的最计算长度是指圆筒外部或内部两相邻刚性构件间的最大距离。端盖、容器法兰和加强圈等均是刚性构件。大距离。端盖、容器法兰和加强圈等均是刚性构件。 1、椭圆形封头、椭圆形封头和碟形封头和碟形封头2、无折边锥壳、无折边锥壳3、带折边锥壳、带折边锥壳4、对于带夹套、对于带夹套5、有加强圈、有加强圈(或或可作为加强的构可作为加强的构件件)5 5、加强圈的设计计算、加强圈的设计计算 要提高圆筒的临界压力，有以下几种方法：一是要提高圆筒的临界压力，有以下几种方法：一是增加筒体的厚度，二是减少筒体的直径，三是减增加筒体的厚度，二是减少筒体的直径，三是减少筒体的计算长度。

48、厚度增加，增加成本，筒体少筒体的计算长度。厚度增加，增加成本，筒体直径一般也是由工艺条件规定的。所以最好的方直径一般也是由工艺条件规定的。所以最好的方法是减少筒体的计算长度。法是减少筒体的计算长度。 加强圈的作用：将长圆筒转化为短圆筒，可以有加强圈的作用：将长圆筒转化为短圆筒，可以有效地减小圆筒厚度，提高圆筒稳定性。效地减小圆筒厚度，提高圆筒稳定性。(1) 加强圈的间距：加强圈的间距：30)(2 . 2DtEpcr长圆筒长圆筒改变长度对长圆筒改变长度对长圆筒的临界压力不产生作用的临界压力不产生作用所以必须使其属于短圆筒。所以必须使其属于短圆筒。5 . 200max)(59. 2ecDmpEDL

49、由短圆筒临界公式由短圆筒临界公式加强圈截面尺寸的确定加强圈截面尺寸的确定方法思路方法思路目目 的的增强筒壁截面的抗弯曲能力增强筒壁截面的抗弯曲能力通过增加截面惯性矩通过增加截面惯性矩 I 来提高筒壁截面的抗来提高筒壁截面的抗弯曲能力，满足弯曲能力，满足 Is大于并接近大于并接近II保持稳定时加强圈和圆筒体组合段所需的最小惯性矩保持稳定时加强圈和圆筒体组合段所需的最小惯性矩Is加强圈与当量圆筒实际所具有的组合惯性矩加强圈与当量圆筒实际所具有的组合惯性矩0esssspcr图图4-15 每个加强圈所承受的载荷每个加强圈所承受的载荷A、保持稳定时加强圈和圆筒体组合段所需的最小惯性矩、保持稳定时加强圈和圆筒体组合段所需的最小惯性矩I：A9 .10)L/A(LDIsses2oLs从加强圈中心线到相临两侧加强圈中心线距离之从加强圈中心线到相临两侧加强圈中心线距离之和的一半；若与凸型封头相邻，在长度中还应计入封头和的一半；若与凸型封头相邻，在长度中还应计入封头曲面深度的曲面深度的 1/3，mmAs单个加强圈的截面积，单个加强圈的截面积，mm2，手册查得，手册查得A系数，按下述方法求得系数，按下述方法求得根