化工设备基础内压薄壁圆筒和球壳的设计

第九章内压薄壁圆筒和球壳的设计教学重点：

内压薄壁圆筒的厚度计算教学难点：

厚度的概念和设计参数的确定1压力容器中强度设计的任务在压力容器的设计中，一般都是根据工艺要求先确定内外径。强度设计的任务就是根据给定的内径、设计压力、设计温度及介质腐蚀性等条件，设计出合理的厚度，以保证设备能在规定的使用寿命内安全可靠的运行。压力容器强度计算的主要内容是新容器的强度设计及在用容器的强度校核。第一节概述2新的压力容器的设计内容确定设计参数选择使用材料。确定容器的结构形式。计算筒体与封头的厚度。选取标准件。绘制设备图纸。3压力容器强度校核的意义判定在下一个检验周期内或在剩余寿命期间内，容器是否还能在原设计条件下使用。当容器已被判定不能在原设计条件下使用是，应通过强度计算，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，应提出判废依据。4根据薄膜理论进行应力分析，确定薄膜应力状态下的主应力根据弹性失效的设计准则，应用强度理论确定应力的强度判据对于封头，考虑到薄膜应力的变化和边缘应力的影响，按壳体中的应力状况在公式中引进应力增强系数根据应力强度判据，考虑腐蚀等实际因素导出具体的计算公式。内压薄壁圆筒与封头的强度设计公式推导过程5

容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点，容器即告失效(失去正常的工作能力)，也就是说，容器的每一部分必须处于弹性变形范围内。保证器壁内的相当应力必须小于材料由单向拉伸时测得的屈服点。关于弹性失效的设计准则1、弹性失效理论6为了保证结构安全可靠地工作，必须留有一定的安全裕度，使结构中的最大工作应力与材料的许用应力之间满足一定的关系，即

——

相当应力，MPa，可由强度理论确定——

极限应力，MPa，可由简单拉伸试验确定——

安全裕度——

许用应力,MPa2、强度安全条件7四种强度理论的相当应力8径向应力第二节内压薄壁圆筒和球壳强度计算一、内压薄壁圆筒的应力状态应力状态9第一强度理论（最大主应力理论）第三强度理论（最大剪应力理论）强度条件强度条件适用于脆性材料适用于塑性材料2、常用强度理论10第四强度理理论强度条件适用于塑性材料第二强度理理论（最大大变形理论论）与实际际相差较大大，目前很很少采用。。压力容器材材料都是塑塑性材料，，应采用三三、四强度度理论，GB150-98和GB150.1~4-2011采用第三强强度理论.11考虑介质腐腐蚀性，引引入腐蚀裕裕量考虑钢板厚厚度负偏差差，引入3、内压薄壁壁圆筒强度度计算公式式考虑焊缝对对材料强度度的削弱，，引入考虑温度对对材料的影影响引入因圆筒内径径由工艺计计算决定，，故用计算压力力代设计压压力并圆整(+Δ)计算厚度设计厚度名义厚度，，图样上标标注的厚度度12（1)、厚度的定定义计算厚度设计厚度圆整值Δ名义厚度有效厚度毛坯厚度加工减薄量容器的厚度度和最小厚厚度壁厚的概念念腐蚀裕量钢板负偏差差13设计压力较较低的容器器计算厚度度很薄。大型容器刚刚度不足，，不满足运运输、安装装。限定最小厚厚度以满足足刚度和稳稳定性要求求。壳体加工成成形后不包包括腐蚀裕裕量最小厚厚度：a.碳素素钢和低合合金钢制容容器不小于于3mmb．对高合合金钢制容容器，不小小于2mm（均包括腐蚀蚀裕量）（2)、最小厚度度低压、常压压容器按厚厚度公式计计算的厚度度很薄Pc=0，δ=014强度校核公公式求最大允许许工作压力力厚度计算式式厚度算式的的应用：15二、内压球球形壳体计算厚度设计厚度设计温度下下球壳的强强度校核：：设计温度下下球壳的最最大允许工工作压力：：16工作压力Pw指在正常工工作情况下下，容器顶顶部可能达达到的最高高压力。设计压力p设定的容器器顶部的最最高压力，，它与相应应设计温度度一起作为为设计载荷荷条件，其其值不低于工作压力。。计算压力Pc指在在相相应应设设计计温温度度下下，，用用以以确确定定壳壳体体各各部部位位厚厚度度的的压压力力，，其其中中包包括括液液柱柱静静压压力力。。计算算压压力力pc=设计计压压力力p+液柱柱静静压压力力三、、设设计计参参数数的的确确定定1、压压力力17表9-1设计计压压力力与与计计算算压压力力的的取取值值范范围围计算带夹套部分的容器时，应考虑在正常操作情况下可能出现的内外压差夹套容器7当有安全阀控制时，取1.25倍的内外最大压差与0.1Mpa两者中的较小值，当没有安全控制装置时，取0.1Mpa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外压容器5根据容器的充装系数和可能达到的最高温度确定（设置在地面的容器可按不低于40℃，如50℃、60℃时的气体压力考虑）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、防爆膜的破坏压力及排放面积等因素考虑（通常可取=1.15~1.3pw）容器内有爆炸性介质，装有防爆膜时3取等于或略高于最高工作压力，通常p=1.0~1.1pw单个容器不要装安全泄放装置2取不小于安全阀的初始起跳压力，通常取p=1.05~1.1pw容器上装有安全阀时1设计压力（P）取值类型18指容容器器在在正正常常工工作作情情况况下下，，在在相相应应的的设设计计压压力力下下，，设设定定的的元元件件的的金金属属温温度度（（沿沿元元件件金金属属截截面面厚厚度度的的温温度度平平均均值值））。。其其值值不不得得低低于于元元件件金金属属在在工工作作状状态态可可能能达达到到的的最最高高温温度度。。对对于于0℃以下的金属温温度，设计温温度不得高于于元件金属可可能达到的最最低温度。设计温度是选择材料和确定许用应力力时不可少的参参数。2、设计温度19（1）极限应力极限应力的选选取与结构的的使用条件和和失效准则有有关极限应力可以以是:许用应力是以以材料的各项项强度数据为为依据，合理理选择安全系系数n得出的。3、许用应力和和安全系数20常温容器中温容器高温容器21（2）安全系数常温下，碳钢钢和低合金钢钢表9-2钢材的安全系系数≥1.0≥1.5≥1.5≥3.0高合金钢≥1.0≥1.5≥1.6≥3.0碳钢素、低合金钢设计温度经下经10万小时蠕变率为1%的蠕变极限设计温度下经10万小时断裂的持久强度的平均值常温或设计温度下的屈服点()或常温下最低抗拉强度nnnDnsnb材料安全系数22焊缝区的强度度主要取决于于熔焊金属、、焊缝结构和和施焊质量。。焊接接头系数数的大小决定定于焊接接头头的型式和无无损检测的长长度比率。焊接接头系数数φ是焊接削弱而而降低设计许许用应力的系系数。4、焊接接头系系数φ表9-3焊接接头系数数23常见的焊接形形式：24①缺陷，夹渣渣，未焊透，，晶粒粗大等等，在外观看看不出来；焊接后常出现现：②熔池内金属属从熔化到凝凝固的过程受受到熔池外金金属的刚性约约束，内应力力很大。——焊缝区强度比比较薄弱。为综合考虑筒筒体强度，设设计公式中将将钢板母材的的许用应力乘乘以f（≤1）。[σ][σ]×f25满足强强度要要求的的计算算厚度度之外外，额额外增增加的的厚度度，包括钢钢板负负偏差差(或或钢管管负偏偏差)C1、腐蚀蚀裕量量C2即C＝C1十C21、按表9-10选取2、当钢材的的厚度负偏偏差不大于于0.25mm，且不超过名名义厚度的的6%时，，负偏差可可以忽略不不计。为防止容器器元件由于于腐蚀、机机械磨损而而导致厚度度削弱减薄薄，应考虑虑腐蚀裕量量。C1钢板厚度负负偏差C2腐蚀裕量5、厚度附加加量C26标准化问题题6、直径系列列与钢板厚厚度表9-4常用钢板厚厚度注：5mm为不锈钢常常用厚度。。27在于检验容容器的宏观观强度和有有无渗漏现现象，即考考察容器的的密封性，，以确保设设备的安全全运行。目的液压试验气压试验气密性试验验压力试验的的种类第三节容容器的压力力试验28液压试验气压试验内压容器试试验压力试验压力[]/[]t大于1.8时，；如果容器器各元件件(圆筒筒、封头头、接管管、法兰兰及紧固固件等)所用材材料不同同时，应应取各元元件材料料的比值值中最小小者。容器铭牌牌上规定定有最大大允许工工作压力力时，公公式中应应以最大大允许工工作压力力代替设设计压力力p设计温度小于于200℃，292、压力试验的的试验要求与与试验方法将容器充满液液体（在容器器的最高点设设置排气口）），待容器壁壁温与液体温温度相同时缓缓慢升压到规规定试验压力力后，保压时时间一般不小小于30min，然后将压力力降到规定试试验压力的80%，并保持足够够长时间以对对所有焊缝和和连接部分进进行检查，如如有泄露，修修补后重新试试验。液压试验：30压力试验分类类：液压试验介质：一般为水；过程：充水排气设计压力无泄漏开始试验压力下保压30分钟卸压吹净结束试验压力的80%保压检查31气压试验气压试验：对不适合作作液压试验的的容器，例如如容器内部不不允许有微量量残留液体，，或由于结构构原因不能充充满液体的容容器，可采用用气压试验。。所用气体应应为干燥、洁洁净的空气、、氮气或其他他惰性气体，，试验气体温温度一般应不不低于15℃℃。试验程序：缓慢升压到到规定试验压压力的10%，且不超过过0.05MPa，保持持5min，，然后对所有有焊缝和连接接部位进行多多次检查；合合格后继续升升压到规定试试验压力的50%，其后后按每级为规规定试验压力力的10%的的极差逐渐升升压到试验压压力，保持10min后后，然后再降降至试验压力力的87%，，保持足够的的时间并同时时进行检查，，如有泄露，，补修后再按按上述规定重重新试验。32气密试验容器须经压力力试验合格后后，方可进行行气密试验。。方法：首先缓缓慢升压至试试验压力保持持10min，然后降至至设计压力，，同时进行检检查，气体温温度应不低于于5℃。注意事项：容容器做定期检检验时，若容容器内有残留留易燃气体存存在会导致爆爆炸时，则不不得使用空气气作为试验介介质。33液压试验气压试验3、压力试验的的应力校核圆筒壁在试验验压力下的计计算应力34例题9-1有一圆筒形锅锅炉汽包，内内径Di=1200mm，操作压力力为4MPa（表压），，此时蒸汽压压力为250℃，汽包上上装有安全阀阀，材料为20R，筒体体采用带垫板板的对接焊，，全部探伤，，试设计该汽汽包的厚度。。解（1）：确定定参数Pc=1.1Pw=1.1x4=4.4MPa,Di=1200mm(2)计算厚度度（3）确定厚厚度附加加量35例9-2：某化工工厂欲设设计一台台石油气气分离用用乙烯精精馏塔。。工艺参参数为:塔体内径径；；计算压压力；；工作温温度t＝-3～-20℃℃。试选择择塔体材材料并确确定塔体体厚度。。由于石油油气对钢钢材腐蚀蚀不大，，温度在在-3～-20℃℃，压力为为中压，，故选用用16MnR。（2）确定参参数(附表9-4)；(采用带垫垫板的单单面焊对对接接头头,局部无损损检测)；取,,解：（（1）选材36（3）厚度计计算计算厚度度设计厚度度根据,查表9-10得：名义厚度度圆整后,取名义厚厚度为。该塔体可可用8mm厚的16MnR钢板制作作。37（4）校核水水压试验验强度式中，则而可见，所以水水压试验验强度足足够。38例9-3设计锅炉炉汽包的的筒体壁壁厚。工工作压力力为15.6MPa,工作温温度为350℃℃,其内内径为1300mm。【解】1.选材材：工作作温度中中温，工工作压力力为高压压，有轻轻微腐蚀蚀。故采用低低合金钢钢18MnMoNbR（GB6654-96)。。ss=410MPa。2.确定定参数（1）工工作压力力15.6MPa,是是高压容容器，属属于三类类容器。。其焊缝缝结构必必须是双双面对接接焊结构构或其他他等强度度焊接，，100%无损损探伤，，φ=1。。（2）筒筒体需需保温，，则筒壁壁设计温温度取介介质温度度，[s]=[s]350=190MPa（3）需需安装安安全阀，，pc=p=1.1××15.6=17.16(MPa)。（4）水水蒸气对对低合金金钢有轻轻微腐蚀蚀，且为为单面腐腐蚀，C2=1mm。393.计算算壁厚4.设计壁厚厚：δd=δ+C2=61.5+1.0=62.5(mm),查表得C1=1.5(mm)壁厚附加量量C=C1+C2=1.5+1.0=2.5(mm)5.名义厚度δn=δ+C+圆整量61.5+2.5=64(mm)，圆整后为65（mm)。406.校核水压试试验强度水压试验强强度条件为为：式中δ