化工设备设计基础-内压薄壁容器设计

第二节内压薄壁容器设计1一、薄壁容器设计的理论基础（一）薄壁容器

根据容器外径DO与内径Di的比值K来判断，K≤1.2为薄壁容器，K＞1.2为厚壁容器2（二）圆筒形薄壁容器承受内压时的应力

只有拉应力无弯曲，“环向纤维”和“纵向纤维”受到拉力。

σ1（或σ轴）圆筒母线方向(即轴向拉应力）σ2（或σ环）圆周方向的拉应力。3（三）圆筒的应力计算1.轴向应力（D-筒体平均直径，亦称中径，mm；p-内压,MPa；δ-壁厚，mm）

2.环向应力4分析：（1）薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍。

问题a：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？筒体纵向焊缝受力大于环向焊缝，故纵焊缝易裂，施焊时应予以注意。6二、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：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）轴对称壳体的几何形状、约束条件和所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。7（3）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：经线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)小位移假设－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)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)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1）无力矩理论（称薄膜理论）定义：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）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：（3-3）－平衡方程（3-4）－区域平衡方程

10三、基本方方程式的应应用1．圆筒形壳壳体第一曲率半半径R1=∞，第二曲率半半径R2=D/2代入方程（（3-3）和（3-4）得：112．球形壳体体球壳R1＝R2=D/2，得：直径与内压压相同，球球壳内应力力仅是圆筒筒形壳体环环向应力的的一半，即球形壳体的的厚度仅需需圆筒容器器厚度的一一半。当容器容积相相同时，球表面积最最小，故大大型贮罐制制成球形较较为经济。。123．圆锥形壳壳体圆锥形壳半半锥角为a，A点处半径为r，厚度为d，则在A点处：锥形壳体环环向应力是是经向应力力两倍，随随半锥角a的增大而增增大；a角要选择合合适，不宜宜太大。在锥形壳体体大端r=R时，应力最最大，在锥锥顶处，应应力为零。。因此，一一般在锥顶顶开孔。134．椭圆形壳壳体椭圆壳经线线为一椭圆圆，a、b分别为椭圆圆的长短轴轴半径。由此方程可可得第一曲曲率半径为为：14化工常用标准椭圆形封头，a/b=2，故顶点处：

边缘处：

顶点应力最最大，经向向应力与环环向应力是是相等的拉拉应力。顶点的经向向应力比边边缘处的经经向应力大大一倍；顶点处的环环向应力和和边缘处相相等但符号号相反。应力值连续续变化。15四、筒体强强度计算[σ]t-设计温度t℃下材料许用用应力，MPa。实际设计中中须考虑三三个因素：：（1）焊接接头头系数（2）容器内径径（3）壁厚筒体内较大大的环向应应力不应高高于在设计计温度下材材料的许用用应力，即即：16（1）焊接接头头系数钢板卷焊。。夹渣、气气孔、未焊焊透等缺陷陷，导致焊焊缝及其附附近区域强强度可能低低于钢材本本体的强度度。钢板板[σ]t乘以焊接接接头系数φ，φ≤1。（2）容器内径径工艺设计确确定内径Di，制造测量量也是内径径，而受力力分析中的的D却是中面直直径。解出δ，得到内压压圆筒的厚度计算式式：17（3）壁厚考虑介质腐腐蚀，计算算厚度δ的基础上，，增加腐蚀蚀裕度C2。筒体的设计计厚度为式中δ-圆筒计算厚度度，mm；δd-圆筒设计厚度度，mm；Di-圆筒内径，mm；p-容器设计压力力，Mpa；φ-焊接接头系数数。筒体设计厚度度δd+C1（厚度负偏差差）后向上圆整，即：筒体名义厚度度δn。对于已有的圆圆筒，测量厚厚度为δn，则其最大许许可承压的计计算公式为：：δe-圆筒有效厚度度18五、球壳强度度计算设计温度下球球壳的计算厚厚度：设计温度下球球壳的计算应应力19六、设计参数数厚度设计参数数按GBl50-2010中规定取值。。设计压力、、设计温度、、许用应力、、焊接接头系系数、厚度附附加量等参数数的选取。（1）设计压力（（计算压力））设计压力:相应设计温度度下确定壳壁壁厚度的压力力，亦即标注注在铭牌上的容器器设计压力。。其值稍高于于最大工作压压力。最大工作压力力：指容器顶部部在工作过程程中可能产生生的最高压力力（表压）。1）使用安全阀阀时：设计压力≥安安全阀开启压压力设计压力＝（（1.05～1.10）*（最大工作压力力）使用爆破膜根根据其型式：：设计压力＝（（1.15～1.4）*（最大工作压力力）2）容器内盛有有液体，若其其静压力≤最最大工作压力力的5％，则设计压力力可不计入静静压力，否则则，须在设计计压力中计入入液体静压力力。3）有时还必须须考虑重力、、风力、地震震力等载荷及及温度的影响响，这些载荷荷不直接折算算为设计压力力，必须分别别计算。21（2）设计温度1）设计温度对对选择材料和和许用应力的的确定直接有有关.2）设计温度：容器正常工工作，在相应应的设计条件件，金属器壁壁可能达到的最最高或最低温温度。3）器壁温度通通过换热计算算。不被加热或冷冷却，筒内介介质最高或最最低温度。用蒸汽、热水水或其它载热热体加热或冷冷却，载体最最高温度或最最低温度。不同部位出现现不同温度分分别计算。22(3)许用应力1）许用应力是以材料的各各项强度数据据为依据，合合理选择安全全系数n得出的。2）抗拉强度、、屈服强度，，蠕变强度、、疲劳强度,取其中最低值值。3）当设计温度度低于0℃时，取20℃时的许用应力力。23(4)焊接接头系数数焊接削弱而降降低设计许用用应力的系数数。根据接头型式式及无损检测测长度比例确确定。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《压力容器安全全技术检察规规程》才允许作局部部无损探伤。。抽验长度不不应小于每条条焊缝长度的的20％。24(5)厚度附加量满足强度要求求的计算厚度度δ之外，额外增增加的厚度量量，包括由钢板负偏差(或钢管负偏差差)Cl、腐蚀裕量C2，即C＝Cl十C2厚度22.22.52.8～3.03.2～3.53.8～44.5～5.5负偏差0.130.140.150.160.180.20.2厚度6～78～2526～3032～3436～4042～5052～60负偏差0.60.80.911.11.21.325腐蚀裕量C2：1）应根据各种种钢材在不同同介质中的腐腐蚀速度和容容器设计寿命确定。。2）塔类、反应应器类容器设设计寿命一般般按20年考虑，换热器壳体、管管箱及一般容容器按10年考虑。3）当腐蚀速度度＜0.05mm／a(包括大气腐蚀蚀)时：碳素钢和低合合金钢单面腐腐蚀C2＝1mm，双面腐蚀取取C2＝2mm。当腐蚀速度＞＞0.05mm／a时：单面腐蚀取C2＝2mm，双面腐蚀取取C2＝4mm。4）不锈钢取C2＝0。26七、最小壁厚厚1）设计压力较较低的容器计计算厚度很薄薄。大型容器器刚度不足，，不满足运输、、安装；限定最小厚度度以满足刚度度和稳定性要要求。2）壳体加工成成形后（不包括腐蚀裕裕量）的最小小厚度δmin：a.碳素钢和低合合金钢制容器器不小于3mm。b.对高合金钢制制容器，不小小于2mm。27八、压力试验验1）制造加工过过程不完善，，导致不安全全，发生过大大变形或渗漏漏。2）最常用的压力力试验方法是是液压试验。常温水，也也可用不会发发生危险的其它液液体，试验时液体的的温度应低于于其闪点或沸沸点。3）不适合作液压压试验,可用气压试验验代替液压试试验。a．装入贵重催催化剂要求内内部烘干;b．容器内衬耐耐热混凝土不不易烘干;c．由于结构原原因不易充满满液体的容器器以及容积很很大的容器等等．4）致密性试验：：检查密闭性，，主要有气密密性试验和煤煤油渗漏试验验。28二、压力试验验的相关规定定试验类型试验压力强度条件说明备注液压试验

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，由于容器承受的压力pT

高于设计压力p，故必要时需进行强度效核。

气压试验

pT-试验压力，MPa；p-设计压力，MPa；

[σ]一试验温度下的材料许用应力，MPa；

[σ]T

一设计温度下的材料许用应力，MPa29三、液压试验验要求和步骤骤：1）液压试验时水温不不能过低(碳素钢、16MnR,T≥5℃，其它低合金金钢,T≥15℃℃)，试验过程外壳应保持干干燥。2）试验步骤：：设备充满水后，待壁温大致相等时，缓慢升压到规定试验压力，稳压30min，然后将压力力降低到设计压压力，保持30min以检查有无损坏，有无宏观变形，有无泄漏及微量渗透。3）对于夹套容容器，先进行内筒液液压试验，合格后再焊焊接夹套，然后进行夹套套内的液压试验验。4）水压试验后及时排排水，用压缩空气及其其它惰性气体，将容器内表面吹干。。30四、气压试验验要求和步骤骤：1）必须对容器器焊缝进行100%的无损检测。。2）试验使用气气体：干燥洁净的空空气、氮气和和其他惰性气气体。3）对高压及超高压压容器不宜采采用气压试验验。4）试验步骤：：压力缓慢升至至规定试验压压力的10%，且不超过0.05MPa时，保压5min，进行检查。。继续缓慢升至至规定试验压压力的50%，保压5min，进行检查。。其后按照每每级为规定试试验压力的10%的级差逐级增增至规定试验验压力，保压压10min，进行检查。。将压力降至规规定试验压力力的87%，保压较长时时间，进行检检查。31五、致致密性性试验验要求求和步步骤：：1）气密密性试试验试验压压力一一般为为设计计压力力的1.05倍（没装有有安全全阀时时试验验压力力为设设计压压力；；装有有安全全阀时时试验验压力力为容容器最最高工工作压压力））步骤：：a.压力缓缓慢升升至规规定试试验压压力后后，保保压10min，进行行检查查；b.然后压压力降降至设设计压压力，，保压压较长长时间间，进进行检检查。。2）煤油油渗漏漏试验验步骤：：将待待检查查的面面清理理干净净，涂涂上白白粉浆浆，晾晾干后后在其其对面面涂抹抹煤油油，使使表面面足够够润湿湿，30min后进行检检查。。32九、边边缘应应力无力矩矩理论论忽略略了剪剪力与与弯矩矩的影影响，，可以以满足足工程程设计计精度度的要要求。。但对对图中中所示示的一一些情情况，，就须须考虑虑弯矩矩的影影响。。33(a)、(b)、(c)是壳体体与封封头联联接处处经线线突然然折断断；(d)是两段段厚度度不等等的筒筒体相相连接接；(e)、(f)、(g)有法兰兰、加加强圈圈、管管板等等刚度度大的的构件件。相