化工设备机械基础(第四版)第4章内压薄壁圆筒与封头的强度设计

1、第第4章章内压薄壁圆筒与封头的强度设计内压薄壁圆筒与封头的强度设计第一节、强度设计的基本知识第一节、强度设计的基本知识第二节、内压薄壁圆筒与球壳的强度设计第二节、内压薄壁圆筒与球壳的强度设计第三节、内压圆筒封头的设计第三节、内压圆筒封头的设计第一节第一节、强度设计的基本知识强度设计的基本知识v强度设计强度设计：根据给定的公称直径以及计算压力和温度，根据给定的公称直径以及计算压力和温度，设计出合适的壁厚，以保证设备安全可靠地运行。设计出合适的壁厚，以保证设备安全可靠地运行。v新压力容器新压力容器强度计算的内容：强度计算的内容：确定设计参数；确定设计参数；选择所使用的材料；选择所使用的材料；确定容

2、器的结构形式；确定容器的结构形式；计算筒体与封头壁厚；计算筒体与封头壁厚；选取标准件；选取标准件；绘制设备图纸。绘制设备图纸。v 再用压力容器再用压力容器的强度校核：我国对压力容器实施定期检查制度。压的强度校核：我国对压力容器实施定期检查制度。压力容器在使用一定年限后会因腐蚀而导致壁厚减薄，所以在每次检力容器在使用一定年限后会因腐蚀而导致壁厚减薄，所以在每次检查时，应根据实测壁厚进行强度校核，其目的是：查时，应根据实测壁厚进行强度校核，其目的是：判定在下一个检验周期内，或在剩余寿命期间，容器是否能判定在下一个检验周期内，或在剩余寿命期间，容器是否能够在原设计条件下安全使用；够在原设计条件下安全

3、使用；当容器已被判定不能在原设计条件下使用，应通过强度计算，当容器已被判定不能在原设计条件下使用，应通过强度计算，提出容器监控使用的条件；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，应提出判废标准。当容器针对某一使用条件需要判废时，应提出判废标准。 弹性失效：弹性失效：内压容器一处的最大应力达到材料在设计温度下的内压容器一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点时，容器即为受到破坏，也就是说，容器的每一部分都必屈服点时，容器即为受到破坏，也就是说，容器的每一部分都必须处于弹性变形范围之内；须处于弹性变形范围之内； 设计准则：设计准则：为了保证安全，必须留有一定的安全裕度：为了保证

4、安全，必须留有一定的安全裕度：1. 1. 关于弹性失效的设计准则关于弹性失效的设计准则0n当2. 2. 强度理论及其相应的强度条件强度理论及其相应的强度条件SPD21SPDm4203r环向应力环向应力轴向应力轴向应力径向应力径向应力对于承受均匀内压的薄壁容器，其主应力规定为：对于承受均匀内压的薄壁容器，其主应力规定为：2.1 2.1 第一强度理论第一强度理论 根据：当作用在构件上的外力过大时，材料就会沿着根据：当作用在构件上的外力过大时，材料就会沿着最大拉应力最大拉应力所在的截面发生脆性断裂，也就是说，不论在什么样的应力状态所在的截面发生脆性断裂，也就是说，不论在什么样的应力状态下，只要三个主

5、应力中最大拉应力下，只要三个主应力中最大拉应力1达到了达到了 材料的极限应力，材材料的极限应力，材料就发生破坏；料就发生破坏； 强度条件：强度条件： 在在17世纪提出，最早的强度理论，也称为世纪提出，最早的强度理论，也称为最大拉应力理论最大拉应力理论； 只适用于脆性材料。只适用于脆性材料。 SPDI21当 认为材料沿最大主应力方向破坏并不是由最大主应力认为材料沿最大主应力方向破坏并不是由最大主应力达到某一极限值所引起的，而是由于最大拉伸应变达达到某一极限值所引起的，而是由于最大拉伸应变达到某一极限所引起的；到某一极限所引起的； 也称为也称为最大主应变理论最大主应变理论； 因为应变难以测量，因此

6、第二强度理论用得不多。因为应变难以测量，因此第二强度理论用得不多。2.2 2.2 第二强度理论第二强度理论 根据：当作用在构件上的外力过大时，材料就会沿着根据：当作用在构件上的外力过大时，材料就会沿着最大剪应力最大剪应力所在的截面滑移而发生流动破坏；所在的截面滑移而发生流动破坏； 不论在什么样的应力状态下，只要最大剪应力达到了材料的极限不论在什么样的应力状态下，只要最大剪应力达到了材料的极限值，就会引起材料的流动破坏；值，就会引起材料的流动破坏； 强度条件：强度条件： 也称为也称为最大剪应力理论最大剪应力理论。2.3 2.3 第三强度理论第三强度理论231SPDIII当 根据：不论在什么样的应

7、力状态下，只要构件内一点的根据：不论在什么样的应力状态下，只要构件内一点的形状改变形状改变比能比能达到了材料的极限值，就会引起材料的流动破坏；达到了材料的极限值，就会引起材料的流动破坏； 形状改变比能：随着弹性体发生变形而积蓄在其内部的能量，如形状改变比能：随着弹性体发生变形而积蓄在其内部的能量，如拉满的弓、机械表的发条被拧紧时拉满的弓、机械表的发条被拧紧时； 强度条件：强度条件： 也称为也称为形状改变比能理论形状改变比能理论。2.4 2.4 第四强度理论第四强度理论 213232221213 . 2SPDIV当第二节、内压薄壁圆筒壳与球壳的第二节、内压薄壁圆筒壳与球壳的强度设计强度设计1.

8、1. 内压薄壁圆筒壳的强度条件内压薄壁圆筒壳的强度条件若取第三强度理论， tPDS2ticSDPS 2整理得到计算壁厚计算壁厚S的公式，cticPDPS 2基于内径的圆筒计算壁厚公式同样取第三强度理论， tPDS2tocSDPS 2整理得到计算壁厚S的公式，ctocPDPS 2基于外径的圆筒计算壁厚公式v 若基于内径：若基于内径：v 若基于外径：若基于外径：若考虑腐蚀裕量若考虑腐蚀裕量C2，得到，得到 设计壁厚设计壁厚Sd， 2CSSd名义壁厚名义壁厚1CSSdn有效壁厚有效壁厚SCCSSne21 对已有设备进行强度校核：强度校核 teeictSSDP2 最大允许工作压力：eietwSDSP

9、22. 2. 内压球形容器的强度条件内压球形容器的强度条件cticPDPS 4 eietwSDSp4 相同压力、直径条件下，球壳的计算壁厚约为相同条件下圆筒壁相同压力、直径条件下，球壳的计算壁厚约为相同条件下圆筒壁厚的一半；厚的一半； 在相同的壁厚、直径条件下，球壳的耐压能力是圆筒的两倍。在相同的壁厚、直径条件下，球壳的耐压能力是圆筒的两倍。3. 3. 设计参数的确定设计参数的确定3.1 3.1 设计压力设计压力工作压力工作压力：是指在正常情况下，容器顶部可能达到的最高压力；：是指在正常情况下，容器顶部可能达到的最高压力；由工艺过程决定的；由工艺过程决定的；设计压力设计压力：标注在设备铭牌上的

10、压力，其值不低于工作压力；根：标注在设备铭牌上的压力，其值不低于工作压力；根据具体条件而规定的；据具体条件而规定的；计算压力计算压力：在相应设计条件下，用以确定元件厚度的压力，包括：在相应设计条件下，用以确定元件厚度的压力，包括液体静压力。液体静压力。设计压力的取值设计压力的取值 设计温度是指容器在正常工作温度下，设定的元件的金属温度；设计温度是指容器在正常工作温度下，设定的元件的金属温度； 标注在产品铭牌上的设计温度，应该是壳体在金属设计温度的最标注在产品铭牌上的设计温度，应该是壳体在金属设计温度的最高值或最低值；高值或最低值； 设计温度虽然不直接反映在上述计算公式中，但它是设计中选择设计温

11、度虽然不直接反映在上述计算公式中，但它是设计中选择材料和确定许用应力时不可缺少的一个参数。材料和确定许用应力时不可缺少的一个参数。3.2 3.2 设计温度设计温度设计温度的确定v 极限应力的取法取决于材料的类型：极限应力的取法取决于材料的类型：3.3 3.3 许用应力与安全系数许用应力与安全系数 nt0塑性材料制成的承压件：一般以屈服点为许用应力；塑性材料制成的承压件：一般以屈服点为许用应力；脆性材料制成的容器，一般以抗拉强度为许用应力；脆性材料制成的容器，一般以抗拉强度为许用应力；对于锅炉和压力容器的承压部件，一般也以抗拉强度作为对于锅炉和压力容器的承压部件，一般也以抗拉强度作为许用应力。许

12、用应力。许用应力许用应力极限应力极限应力安全系数安全系数材料性能的稳定、可靠性及其可能存在偏差的大小；材料性能的稳定、可靠性及其可能存在偏差的大小；估算的载荷状态及其数值上的偏差；估算的载荷状态及其数值上的偏差；计算方法的精确程度；计算方法的精确程度；制造工艺及其允许的偏差；制造工艺及其允许的偏差；检验手段及其严格的程度；检验手段及其严格的程度；使用操作的经验。使用操作的经验。v 影响安全系数的主要因素影响安全系数的主要因素按照科技发展的总趋势，安全系数将逐渐变小。按照科技发展的总趋势，安全系数将逐渐变小。3.4 3.4 焊接接头系数焊接接头系数对于壁厚不超过对于壁厚不超过38mm的容器，对其

13、接头的焊接处，采用射线探伤；的容器，对其接头的焊接处，采用射线探伤；由于结构不明，不能采用射线探伤的，采取超声波探伤。由于结构不明，不能采用射线探伤的，采取超声波探伤。钢板出厂时标注的厚度是钢板的名义厚度，钢板的实际厚度可能钢板出厂时标注的厚度是钢板的名义厚度，钢板的实际厚度可能大于名义厚度大于名义厚度( (正偏差正偏差) )，也有可能小于名义厚度，也有可能小于名义厚度( (负偏差负偏差) )。钢板。钢板的标准中规定了允许的正、负偏差值。因此如果按照设计壁厚去的标准中规定了允许的正、负偏差值。因此如果按照设计壁厚去购置钢板，就有可能购得实际厚度小于设计壁厚的钢板。为了杜购置钢板，就有可能购得实

14、际厚度小于设计壁厚的钢板。为了杜绝这种情况，在确定筒体壁厚时，应在设计壁厚的基础上将钢板绝这种情况，在确定筒体壁厚时，应在设计壁厚的基础上将钢板的负偏差加上去。的负偏差加上去。3.5 3.5 壁厚附加量壁厚附加量C=C1+C2 3.5.1 钢板负偏差钢板负偏差C1由于容器在使用过程中会受到介质的腐蚀，因此必须考虑一定的由于容器在使用过程中会受到介质的腐蚀，因此必须考虑一定的腐蚀裕量；腐蚀裕量；介质不同、材料不同，所考虑的腐蚀裕量值也不尽相同。介质不同、材料不同，所考虑的腐蚀裕量值也不尽相同。3.5.2 腐蚀裕量腐蚀裕量C2设计时，必须考虑钢板厚度标准问题，否则可能提高制造成本。设计时，必须考虑

15、钢板厚度标准问题，否则可能提高制造成本。3.6 3.6 钢板厚度钢板厚度S 对于容器，不能认为器壁越薄就越能节省钢材、降低造价。因为对于容器，不能认为器壁越薄就越能节省钢材、降低造价。因为越是薄的圆筒，在制造过程中为了维持必要的圆度，在运输过程越是薄的圆筒，在制造过程中为了维持必要的圆度，在运输过程中为了保持必要的刚度，都必须使用大量的辅助钢材，将圆筒撑中为了保持必要的刚度，都必须使用大量的辅助钢材，将圆筒撑圆，而这些钢材所需费用都要计入设备的制造成本中去，所以规圆，而这些钢材所需费用都要计入设备的制造成本中去，所以规定容器的最小壁厚在经济上是合理的。定容器的最小壁厚在经济上是合理的。S GB

16、150-1998规定：规定：3.7 3.7 容器的最小壁厚容器的最小壁厚碳素钢和低合金钢制容器，取 高合金钢制容器，取 mmS3minmmS2min 为了检查容器的宏观强度和有无渗漏情况，容器投入使用之前，为了检查容器的宏观强度和有无渗漏情况，容器投入使用之前，必须作压力试验或气密性试验；必须作压力试验或气密性试验； 压力试验一般采用液压试验，对于不适合液压试验的容器，可进压力试验一般采用液压试验，对于不适合液压试验的容器，可进行气压试验；行气压试验； 与气压试验相比，液压试验相对安全。与气压试验相比，液压试验相对安全。4. 4. 压力试验及其强度校核压力试验及其强度校核 最高不超过1.8，若

17、超过1.8，也按1.8计算； 当设计温度低于200 时， 可以忽略不计。4.1 4.1 试验压力试验压力tTPP25. 1液压试验：tTPP15. 1气压试验：tt4.2 4.2 压力试验的应力校核压力试验的应力校核液压试验：气压试验：2 . 09 . 02SeeiTTSSDP2 . 08 . 02SeeiTTSSDP第三节第三节、内压圆筒封头的设计内压圆筒封头的设计( 所需的壁厚是相同压力、直径圆筒的一半，但在实际中，为了减少边缘应力，往往采取与圆筒相同的厚度；( 半球形封头多用于压力较高的贮罐上；( 制造方法：1. 1. 半球形封头半球形封头cticPDPS 4直径较小、器壁较薄的半球形封

18、头可以整体热压成型；直径较小、器壁较薄的半球形封头可以整体热压成型；大直径的半球形封头需先分瓣冲压、再焊接的工艺；分瓣冲压可大直径的半球形封头需先分瓣冲压、再焊接的工艺；分瓣冲压可使模具尺寸减小，降低对水压机吨位的要求，但加工质量不如整使模具尺寸减小，降低对水压机吨位的要求，但加工质量不如整体热压好。体热压好。GB规定：在工程应用上，K2.6；标准椭圆形的形状系数K=1；2. 2. 椭圆形封头椭圆形封头cticPDKPS5 . 0 222261iihDKeietwSKDSP5 . 0 2计算壁厚：形状系数：最大允许工作压力：GB还规定：标准椭圆形封头的有效壁厚应不小于内直径的0.15%，其它椭

19、圆形封头壁厚应不小于其内径的0.30%，为什么？这是因为：受内压后，椭圆形封头有变圆的趋这是因为：受内压后，椭圆形封头有变圆的趋势，因而在赤道处产生环向压缩薄膜应力，其势，因而在赤道处产生环向压缩薄膜应力，其值与顶点处所产生的最大拉伸薄膜应力相等。值与顶点处所产生的最大拉伸薄膜应力相等。当半个椭球作为封头使用时，虽然在其赤道处当半个椭球作为封头使用时，虽然在其赤道处有圆柱形短节有圆柱形短节(直边封头直边封头)与其相连，但如果封与其相连，但如果封头厚度过薄，赤道处的环向压缩应力仍有可能头厚度过薄，赤道处的环向压缩应力仍有可能将封头压出褶皱，这个现象称为将封头压出褶皱，这个现象称为“失稳失稳”。当碟形封头的球面内半径Ri=0.9Di，过度圆弧内半径r=0.17Di时，称为标准碟形封头，此时，M=1.325。 . . 碟形封头碟形封头cticPRMP