化工机械基础10-2内压薄壁容器设计ppt课件

1、第二节第二节 内压薄壁容器设计内压薄壁容器设计一、薄壁容器设计的实际根底一、薄壁容器设计的实际根底薄壁容器薄壁容器 根据容器外径根据容器外径DODO与内径与内径DiDi的比值的比值K K来判别，来判别，iiiiDDDDDK2120当当K1.2K1.2为薄壁容器为薄壁容器 K K1.21.2那么为厚壁容器那么为厚壁容器圆筒形薄壁容器接受内压时圆筒形薄壁容器接受内压时的应力的应力只需拉应力无弯曲只需拉应力无弯曲“环向纤维和环向纤维和“纵纵向纤维遭到拉向纤维遭到拉力。力。s1 s1或或s s轴圆筒母轴圆筒母线方向即轴向线方向即轴向拉应力，拉应力，s2s2或或s s环圆周方环圆周方向的拉应力。向的拉应

2、力。圆筒的应力计算圆筒的应力计算 1. 1. 轴向应力轴向应力D-D-筒体平均直径，亦筒体平均直径，亦称中径，称中径，mmmm；404112pDDDp2. 2. 环向应力环向应力20222pDlpDl分析：分析：1 1薄壁圆筒受内压环向应力是轴薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍。向应力两倍。问题问题a a：筒体上开椭圆孔，如何开：筒体上开椭圆孔，如何开2/24/pDpD应使其短轴与筒体的应使其短轴与筒体的轴线平行，以尽量减轴线平行，以尽量减少开孔对纵截面的减少开孔对纵截面的减弱程度，使环向应力弱程度，使环向应力不致添加很多。不致添加很多。分析：分析：问题问题b b：钢板卷制圆筒：钢板卷制圆筒

3、描画器，纵焊缝与环描画器，纵焊缝与环焊缝哪个易裂？焊缝哪个易裂？2/24/pDpD筒体纵向焊缝受力大于筒体纵向焊缝受力大于环向焊缝，故纵焊缝易环向焊缝，故纵焊缝易裂，施焊时应予以留意。裂，施焊时应予以留意。2 2分析式分析式10-110-1和和10-210-2可可知，知，2/24/pDpDDp/2/内压筒壁的应力和内压筒壁的应力和d/Dd/D成反比，成反比，d/D d/D 值的大小表达着圆筒承压才干的上下。值的大小表达着圆筒承压才干的上下。因此，分析一个设备能耐多大压力，因此，分析一个设备能耐多大压力，不能只看厚度的绝对值。不能只看厚度的绝对值。二、无力矩实际根本方程式二、无力矩实际根本方程式

4、 根本概念与根本假设根本概念与根本假设 1 1 根本概念根本概念 1 1 旋转壳体旋转壳体 ：壳体中面等分壳体厚度：壳体中面等分壳体厚度是恣意直线或平面曲线作母线，绕其同平面是恣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。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几何外形、约束条件和所壳体的几何外形、约束条件和所受外力都是对称于某一轴。受外力都是对称于某一轴。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问题。问题。 3 3旋转壳体的几何概念旋转壳体的几何概念 母线与经线母线与经线法线、平行圆法线、平行圆第一曲率半径：第一曲率半径：经线曲率半径经

5、线曲率半径第二曲率半径：第二曲率半径：垂直于经线的垂直于经线的平面与中面相平面与中面相割构成的曲线割构成的曲线BEBE的曲率半径的曲率半径2 2 根本假设根本假设 假定壳体资料有延续性、均匀性假定壳体资料有延续性、均匀性和各向同性，即壳体是完全弹性的。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 各点位移都远小于厚度。可用变各点位移都远小于厚度。可用变形前尺寸替代变形后尺寸。变形分形前尺寸替代变形后尺寸。变形分析中高阶微量可忽略。析中高阶微量可忽略。 2 2 根本假设根本假设2 2直线法假设直线法假设 变形前垂直于中面直线段，变形后变形前垂直于中面直线段，变形后仍是直线并垂直于变

6、形后的中面。变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。沿厚度各形前后法向线段长度不变。沿厚度各点法向位移一样，厚度不变。点法向位移一样，厚度不变。 3 3不挤压假设不挤压假设 各层纤维变形前后互不挤压。各层纤维变形前后互不挤压。 无力矩实际根本方程式无力矩实际根本方程式 无力矩实际是在旋转薄壳的受无力矩实际是在旋转薄壳的受力分析中忽略了弯矩的作用。力分析中忽略了弯矩的作用。此时应力形状和接受内压的薄此时应力形状和接受内压的薄膜类似。又称薄膜实际膜类似。又称薄膜实际cos21kpr 4-34-3平衡方平衡方程程4-44-4区区域平衡方程域平衡方程 无力矩实际根本方程式：无力矩实际

7、根本方程式：pRR2211三、根本方程式的运用三、根本方程式的运用1 1圆筒形壳体圆筒形壳体 第一曲率半径第一曲率半径R1=R1=，第二曲率半径第二曲率半径R2=D/2R2=D/2 代入方程代入方程10-310-3和和10-410-4得：得： 与式与式10-110-1、10-210-2同。同。cos21kpr pRR22112 421pDpD2 2球形壳体球形壳体 球壳球壳R1R1R2=D/2R2=D/2，得：，得： 直径与内压一样，球壳内应力仅是圆筒形壳直径与内压一样，球壳内应力仅是圆筒形壳体环向应力的一半，即球形壳体的厚度仅需圆体环向应力的一半，即球形壳体的厚度仅需圆筒容器厚度的一半。筒容

8、器厚度的一半。 当容器容积一样时，球外表积最小，故大型当容器容积一样时，球外表积最小，故大型贮罐制成球形较为经济。贮罐制成球形较为经济。 制造制造cos21kpr pRR2211 421pD3 3圆锥形壳体圆锥形壳体圆锥形壳半锥角为圆锥形壳半锥角为a a，A A点处半径为点处半径为r r，厚度为，厚度为d d，那，那么在么在A A点处：点处：代入代入4-34-3、4-44-4可得可得A A点处的点处的应力：应力：cos 21rRR ， 4-6 锥形壳体环向应力是经向应力两倍，锥形壳体环向应力是经向应力两倍，随半锥角随半锥角a a的增大而增大；的增大而增大； a a角要选择适宜，不宜太大。角要选

9、择适宜，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，时，应力最大，在锥顶处，应力为零。因此，普通在在锥顶处，应力为零。因此，普通在锥顶开孔。锥顶开孔。 cos21kpr cos2kpr4 4椭圆形壳体椭圆形壳体 椭圆壳经线为一椭圆，椭圆壳经线为一椭圆，a a、b b分别为椭圆的长短轴半径。分别为椭圆的长短轴半径。由此方程可得第一曲率半径为：由此方程可得第一曲率半径为：12222byaxbabaxadxyddxdyR42/32224222/321)()(1 bbaxaxR2/122242)(sin 4-7 )(2 )(2)(2222442224222241baxaabaxa

10、bpbaxabp化工常用规范椭圆形封头，化工常用规范椭圆形封头，a/b=2，故，故 顶点处：顶点处： 边缘处：边缘处： 顶点应力最大，经向应力与顶点应力最大，经向应力与环向应力是相等的拉应力。环向应力是相等的拉应力。 顶点的经向应力比边缘处的顶点的经向应力比边缘处的经向应力大一倍；经向应力大一倍；顶点处的环向应力和边缘处顶点处的环向应力和边缘处相等但符号相反。相等但符号相反。 应力值延续变化。应力值延续变化。pa21papa212 受液体静压的圆筒形壳体的受力分析受液体静压的圆筒形壳体的受力分析 筒壁上任一点的压力值不思索气体筒壁上任一点的压力值不思索气体压力为：压力为： 根据式根据式4-34

11、-34-44-4可得：可得：ghp22ghD2 421pDpDv 底部支承的圆筒底部支承的圆筒a a，液体分量，液体分量由支承传送给根底，筒壁不受液体轴由支承传送给根底，筒壁不受液体轴向力作用，那么向力作用，那么s1=0s1=0。v 上部支承圆筒上部支承圆筒b b，液体分量使，液体分量使得圆筒壁受轴向力作用，在圆筒壁上得圆筒壁受轴向力作用，在圆筒壁上产生经向应力：产生经向应力：422121gHDgHRgHRR例题例题10-110-1：有一外径为：有一外径为219mm219mm的氧气瓶，的氧气瓶，最小厚度为最小厚度为6.5mm6.5mm，资料为，资料为40Mn2A40Mn2A，任务压力为任务压力

12、为15MPa15MPa，试求氧气瓶壁应力，试求氧气瓶壁应力解析：解析：平均直径平均直径 mm mm经向应力经向应力 MPa MPa环向应力环向应力 MPaMPa5 .2125 .62190DD6 .1225 . 645 .2121541pD2 .2455 . 625 .2121522pD四、筒体强度计算四、筒体强度计算实践设计中须思索三个要素：实践设计中须思索三个要素：1焊接接头系数焊接接头系数2容器内径容器内径3 壁厚壁厚 筒体内较大的环向应力不筒体内较大的环向应力不应高于在设计温度下资料应高于在设计温度下资料的许用应力，即的许用应力，即st-st-设计温度设计温度tt下资料许用应力，下资料

13、许用应力，MPaMPa。tpD2 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能够低于钢材本体的强度。 钢板 st乘以焊接接头系数j，j1 tpD2 容器内径容器内径工艺设计确定内径Di，制造丈量也是内径，而受力分析中的D却是中面直径。解出解出d d，得到内压圆筒的厚度计算式，得到内压圆筒的厚度计算式tiDp2)( ppDti2 壁厚壁厚思索介质腐蚀，计算厚度d的根底上，添加腐蚀裕度C2。筒体的设计厚度为式中式中 d- d-圆筒计算厚度，圆筒计算厚度， mm mm； dd- dd-圆筒设计厚度，圆筒设计厚度， mm mm； Di- Di-圆筒内径，圆筒内

14、径， mm mm； p- p-容器设计压力，容器设计压力， MPa MPa； j- j-焊接接头系数。焊接接头系数。 22CppDtid ppDti2另一种情况：另一种情况：筒体设计厚度加上厚度负偏向后筒体设计厚度加上厚度负偏向后向上圆整，即为筒体名义厚度。向上圆整，即为筒体名义厚度。对于已有的圆筒，丈量厚度为对于已有的圆筒，丈量厚度为dndn，那么其最大答应承压的计算公式那么其最大答应承压的计算公式为：为：式中式中 ：dn-dn-圆筒名义厚度圆筒名义厚度 圆整成钢材规范值；圆整成钢材规范值； eietnintDCDCp221Cdnee圆筒有效厚度圆筒有效厚度C-C-厚度附加量。厚度附加量。

15、设计温度下圆筒的计算应力 teeictDp2Cne21CCC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设计温度下球壳的计算应力 teeictDp4 ppDti4六、设计参数六、设计参数厚度设计参数按厚度设计参数按GBl50-1998GBl50-1998中规中规定取值。定取值。 设计压力、设计压力、 设计温度、设计温度、 许用应力、许用应力、 焊接接头系数焊接接头系数 厚度附加量等参数的选取。厚度附加量等参数的选取。 22CppDtid1Cdn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相应设计温度下确定壳壁厚度的压力，亦即标

16、注在铭牌壁厚度的压力，亦即标注在铭牌上的容器设计压力。其值稍高于上的容器设计压力。其值稍高于最大任务压力。最大任务压力。最大任务压力：是指容器顶部在最大任务压力：是指容器顶部在任务过程中能够产生的最高压力任务过程中能够产生的最高压力表压。表压。设计压力计算压力设计压力计算压力运用平安阀时设计压力不小于平运用平安阀时设计压力不小于平安阀开启压力或取最大任务压力安阀开启压力或取最大任务压力1.051.051.101.10倍；倍；运用爆破膜根据其型式，普通取运用爆破膜根据其型式，普通取最大任务压力的最大任务压力的1.151.151.41.4倍作为倍作为设计压力。设计压力。容器内盛有液体，假设其静压力

17、容器内盛有液体，假设其静压力不超越最大任务压力的不超越最大任务压力的5 5，那，那么设计压力可不计入静压力，否么设计压力可不计入静压力，否那么，须在设计压力中计入液体那么，须在设计压力中计入液体静压力。静压力。 此外，某些容器有时还必需思索此外，某些容器有时还必需思索重力、风力、地震力等载荷及温重力、风力、地震力等载荷及温度的影响，这些载荷不直接折算度的影响，这些载荷不直接折算为设计压力，必需分别计算。为设计压力，必需分别计算。 设计温度设计温度选择资料和许用应力确实定直接选择资料和许用应力确实定直接有关。有关。 设计温度指容器正常任务中，在设计温度指容器正常任务中，在相应的设计条件下，金属器

18、壁相应的设计条件下，金属器壁能够到达的最高或最低温度。能够到达的最高或最低温度。设计温度设计温度器壁温度经过换热计算。器壁温度经过换热计算。不被加热或冷却，筒内介质最高或不被加热或冷却，筒内介质最高或最低温度。最低温度。用蒸汽、热水或其它载热体加热或用蒸汽、热水或其它载热体加热或冷却，载体最高温度或最低温度。冷却，载体最高温度或最低温度。不同部位呈现不同温度分别计算不同部位呈现不同温度分别计算许用应力许用应力许用应力是以资料的各项强度数据为许用应力是以资料的各项强度数据为根据，合理选择平安系数根据，合理选择平安系数n n得出的。得出的。抗拉强度、屈服强度，蠕变强度、疲抗拉强度、屈服强度，蠕变强

19、度、疲劳强度。取其中最低值。劳强度。取其中最低值。当设计温度低于当设计温度低于00时，取时，取2020时的时的许用应力。许用应力。 n0焊接接头系数焊接接头系数焊接减弱而降低设计许用应力的系数。焊接减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。焊接接头方式焊接接头方式无损检测的长度比例无损检测的长度比例100%100%部分部分双面焊对接接头或相当双面焊对接接头或相当于双面焊的对接接头于双面焊的对接接头1.01.00.850.85单面焊对接接头或相当单面焊对接接头或相当于单面焊的对接接头于单面焊的对接接头0.90.90.80.8符合符合?压

20、力容器平安技术检察规程压力容器平安技术检察规程?才允许作部分无才允许作部分无损探伤。抽验长度不应小于每条焊缝长度的损探伤。抽验长度不应小于每条焊缝长度的20。厚度附加量厚度附加量满足强度要求的计算厚度之外，额外满足强度要求的计算厚度之外，额外添加的厚度量，包括由钢板负偏向添加的厚度量，包括由钢板负偏向或钢管负偏向或钢管负偏向 Cl Cl、腐蚀裕量、腐蚀裕量 C2C2，即，即 C C Cl Cl十十 C2 C2厚度厚度22.22.52.83.03.23.53.84 4.55.5 负偏向负偏向 0.13 0.14 0.150.160.18 0.2 0.2 厚度厚度6782526303234 364

21、04250 5260 负偏向负偏向0.60.8 0.91 1.11.21.3 腐蚀裕量腐蚀裕量C2C2应根据各种钢材在应根据各种钢材在不同介质中的腐蚀速度和容器不同介质中的腐蚀速度和容器设计寿命确定。设计寿命确定。塔类、反响器类容器设计寿命普塔类、反响器类容器设计寿命普通按通按2020年思索，换热器壳体、年思索，换热器壳体、管箱及普通容器按管箱及普通容器按1010年思索。年思索。腐蚀速度腐蚀速度0.05mm0.05mma a包括大包括大气腐蚀时：气腐蚀时：碳素钢和低合金钢单面腐蚀碳素钢和低合金钢单面腐蚀C2C21mm1mm，双面腐蚀取，双面腐蚀取C2C22mm2mm， 当腐蚀速度当腐蚀速度0.

22、05mm0.05mma a时，单时，单面腐蚀取面腐蚀取C2C22mm2mm，双面腐蚀，双面腐蚀取取C2C24mm4mm。不锈钢取不锈钢取C2C20 0。v氢脆、碱脆、应力腐蚀及晶间氢脆、碱脆、应力腐蚀及晶间腐蚀等，添加腐蚀裕量不是有腐蚀等，添加腐蚀裕量不是有效方法，而应根据情况采用有效方法，而应根据情况采用有效防腐措施。效防腐措施。 v工艺减薄量，可由制造单位根工艺减薄量，可由制造单位根据各自的加工工艺和加工才干据各自的加工工艺和加工才干自行选取，设计者在图纸上注自行选取，设计者在图纸上注明的厚度不包括加工减薄量。明的厚度不包括加工减薄量。七、最小壁厚七、最小壁厚设计压力较低的容器计算厚度很设

23、计压力较低的容器计算厚度很薄。薄。大型容器刚度缺乏，不满足运输、大型容器刚度缺乏，不满足运输、安装。安装。限定最小厚度以满足刚度和稳定限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求。性要求。 22CppDtid壳体加工成形后不包括腐蚀裕量壳体加工成形后不包括腐蚀裕量最小厚度最小厚度dmindmin：a. a. 碳素钢和低合金钢制容器不小碳素钢和低合金钢制容器不小于于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2mm 2mm 八、压力实验八、压力实验为什麽要进展压力实验呢？为什麽要进展压力实验呢？制造加工过程不完善，导致不平安，制造加工过程不完善，导致不平安，发生过大变形或渗漏。发

24、生过大变形或渗漏。最常用的压力实验方法是液压实验。最常用的压力实验方法是液压实验。常温水。也可用不会发生危险的其常温水。也可用不会发生危险的其它液体它液体实验时液体的温度应低于其闪点或实验时液体的温度应低于其闪点或沸点。沸点。八、压力实验八、压力实验不适宜作液压实验，不适宜作液压实验，如装入贵重催化剂要求内部烘干，如装入贵重催化剂要求内部烘干，或容器内衬耐热混凝土不易烘干，或容器内衬耐热混凝土不易烘干，或由于构造缘由不易充溢液体的或由于构造缘由不易充溢液体的容器以及容积很大的容器等，容器以及容积很大的容器等，可用气压实验替代液压实验。可用气压实验替代液压实验。对压力实验的规定情况如下表所示：对

25、压力实验的规定情况如下表所示：实实验验类类型型实验压力实验压力强度条件强度条件阐明阐明 备注备注液液压压实实验验 (4-17) 4-19)立式容器卧置进立式容器卧置进展水压实验时，展水压实验时，实验压力应取立实验压力应取立置实验压力加液置实验压力加液柱静压力。柱静压力。压力实验时，压力实验时，由于容器接由于容器接受的压力受的压力pT 高于设计压高于设计压力力p，故必，故必要时需进展要时需进展强度效核。强度效核。气气压压实实验验 (4-18 (4-20)pT -实验压力，实验压力， MPa； p -设计压力，设计压力， MPa；s 一实验温度下的资料许用应力，一实验温度下的资料许用应力， MPa

26、； sT 一设计温度下的资料许用应力，一设计温度下的资料许用应力， MPa v液压实验时水温不能过低碳素钢、液压实验时水温不能过低碳素钢、16MnR16MnR不低于不低于55，其它低合金钢不，其它低合金钢不低于低于1515，外壳应坚持枯燥。，外壳应坚持枯燥。v设备充溢水后，待壁温大致相等时，设备充溢水后，待壁温大致相等时，缓慢升压到规定实验压力，稳压缓慢升压到规定实验压力，稳压30min30min，然后将压力降低到设计压力，然后将压力降低到设计压力，坚持坚持30min30min以检查有无损坏，有无宏以检查有无损坏，有无宏观变形，有无走漏及微量浸透。观变形，有无走漏及微量浸透。v水压实验后及时排

27、水，用紧缩空气水压实验后及时排水，用紧缩空气及其它惰性气体，将容器内外表吹及其它惰性气体，将容器内外表吹干干例题例题10-210-2：某化工厂欲设计一台石油气分别工程：某化工厂欲设计一台石油气分别工程中的乙烯精馏塔。工艺要求为塔体内径中的乙烯精馏塔。工艺要求为塔体内径Di=600mmDi=600mm；设计压力设计压力p p2.2MPa2.2MPa；任务温度；任务温度t t-3-3-20-20。试选择塔体资料并确定塔体厚度。试选择塔体资料并确定塔体厚度。解析：由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在解析：由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在- -2020以上，接受一定的压力，应选用以上，接受一定的压力，应选

28、用16MnR16MnR。 根根据式据式10-1210-12式中式中p2.2MPa；Di=600mm；s170MPa j=0.8表表10-9； C2=1.0 mm 得：得： 22CppDtidmmd89. 50 . 12 . 28 . 017026002 . 2思索钢板厚度负偏向思索钢板厚度负偏向C1C10.6mm0.6mm圆正取圆正取dn=7mmdn=7mm水压实验时的应水压实验时的应力力 16MnR16MnR的屈服限的屈服限ss=345MPass=345MPa附录表附录表6 6水压实验时满足强度要求。水压实验时满足强度要求。sT9 .0九、边缘应力九、边缘应力无力矩实际忽略无力矩实际忽略了剪力与弯矩的了剪力与弯矩的影响，可以满足影响，可以满足工程设计精度的