内压薄壁圆筒与封头教学课件

内压薄壁圆筒与封头1、战鼓一响，法律无声。——英国2、任何法律的根本；不，不成文法本身就是讲道理……法律，也----即明示道理。——爱·科克3、法律是最保险的头盔。——爱·科克4、一个国家如果纲纪不正，其国风一定颓败。——塞内加5、法律不能使人人平等，但是在法律面前人人是平等的。——波洛克内压薄壁圆筒与封头内压薄壁圆筒与封头1、战鼓一响，法律无声。——英国2、任何法律的根本；不，不成文法本身就是讲道理……法律，也----即明示道理。——爱·科克3、法律是最保险的头盔。——爱·科克4、一个国家如果纲纪不正，其国风一定颓败。——塞内加5、法律不能使人人平等，但是在法律面前人人是平等的。——波洛克第四章内压薄壁圆筒与封头

的强度设计中低压容器回转壳体的设计以薄膜应力理论为基础，确定基本应力；采用弹性失效设计准则并以第一强度理论建立强度条件；组合壳体设计时，各壳体厚度分别计算，对具有明显弯曲应力或边缘应力的壳体，在设计公式中引入引进应力增强系数或局部增加壁厚。3/7/202124.1强度设计的基本知识4.1.1弹性失效设计准则弹性失效理论：容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下屈服点，容器即失效。强度条件：3/7/20213第四章内压薄壁圆筒与封头

的强度设计中低压容器回转壳体的设计以薄膜应力理论为基础，确定基本应力；采用弹性失效设计准则并以第一强度理论建立强度条件；组合壳体设计时，各壳体厚度分别计算，对具有明显弯曲应力或边缘应力的壳体，在设计公式中引入引进应力增强系数或局部增加壁厚。7/20/202324.1强度设计的基本知识4.1.1弹性失效设计准则弹性失效理论：容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下屈服点，容器即失效。强度条件：7/20/202334.1.2强度理论及相应的强度条件将二向与三向应力状态转换成相当于单向拉伸应力状态的相当应力，建立强度条件7/20/20234对承受均匀内压的薄壁容器，其主应力σ1＝σθ＝PD/2Sσ1＝σm＝PD/2Sσ1＝σr＝PD/2S7/20/202354.2内压薄壁圆筒的强度条件一、强度计算公式按第三强度理论：考虑焊缝系数再考虑腐蚀裕量7/20/20236强度校核7/20/202374.2.2设计参数的确定厚度设计参数按GBl50-1998中规定取值。设计压力、设计温度、许用应力、焊接接头系数厚度附加量等参数的选取。7/20/202381.设计压力（计算压力）设计压力:相应设计温度下确定壳壁厚度的压力，亦即标注在铭牌上的容器设计压力。其值稍高于最大工作压力。最大工作压力：是指容器顶部在工作过程中可能产生的最高压力（表压）。7/20/20239使用安全阀时设计压力不小于安全阀开启压力或取最大工作压力1.05～1.10倍；使用爆破膜根据其型式，一般取最大工作压力的1.15～1.4倍作为设计压力。容器内盛有液体，若其静压力不超过最大工作压力的5％，则设计压力可不计入静压力，否则，须在设计压力中计入液体静压力。此外，某些容器有时还必须考虑重力、风力、地震力等载荷及温度的影响，这些载荷不直接折算为设计压力，必须分别计算。7/20/2023102.设计温度选择材料和许用应力的确定直接有关。设计温度指容器正常工作中，在相应的设计条件下，金属器壁可能达到的最高或最低温度。7/20/202311器壁温度通过换热计算。不被加热或冷却，筒内介质最高或最低温度。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。不同部位出现不同温度分别计算7/20/2023123.许用应力许用应力是以材料的各项强度数据为依据，合理选择安全系数n得出的。抗拉强度、屈服强度，蠕变强度、疲劳强度。取其中最低值。当设计温度低于0℃时，取20℃时的许用应力。7/20/2023134.焊接接头系数焊接削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。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《压力容器安全技术检察规程》才允许作局部无损探伤。抽验长度不应小于每条焊缝长度的20％。7/20/2023145.厚度附加量满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚度量，包括由钢板负偏差(或钢管负偏差)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0.60.80.911.11.21.37/20/202315腐蚀裕量C2应根据各种钢材在不同介质中的腐蚀速度和容器设计寿命确定。塔类、反应器类容器设计寿命一般按20年考虑，换热器壳体、管箱及一般容器按10年考虑。腐蚀速度＜0.05mm／a(包括大气腐蚀)时：碳素钢和低合金钢单面腐蚀C2＝1mm，双面腐蚀取C2＝2mm，当腐蚀速度＞0.05mm／a时，单面腐蚀取C2＝2mm，双面腐蚀取C2＝4mm。不锈钢取C2＝0。7/20/202316氢脆、碱脆、应力腐蚀及晶间腐蚀等，增加腐蚀裕量不是有效办法，而应根据情况采用有效防腐措施。工艺减薄量，可由制造单位依据各自的加工工艺和加工能力自行选取，设计者在图纸上注明的厚度不包括加工减薄量。7/20/2023176.最小壁厚设计压力较低的容器计算厚度很薄。大型容器刚度不足，不满足运输、安装。限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求。壳体加工成形后不包括腐蚀裕量最小厚度Smin：

a.碳素钢和低合金钢制容器不小于3mm

b．对高合金钢制容器，不小于2mm

7/20/2023184.2.4压力试验及强度校核1.进行压力试验的原因：制造加工过程不完善，导致不安全，发生过大变形或渗漏。最常用的压力试验方法是液压试验。常温水。也可用不会发生危险的其它液体试验时液体的温度应低于其闪点或沸点。7/20/2023192.不适合作液压试验，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，或由于结构原因不易充满液体的容器以及容积很大的容器等，可用气压试验代替液压试验。7/20/2023203.对压力试验的规定情况如下表所示：试验类型试验压力强度条件说明备注液压试验

(4-15)

（4-18)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

(4-16）

(4-19)pT-试验压力，MPa；p-设计压力，MPa；

[s]一试验温度下的材料许用应力，MPa；

[s]T一设计温度下的材料许用应力，MPa7/20/202321液压试验时水温不能过低(碳素钢、16MnR不低于5℃，其它低合金钢不低于15℃)，外壳应保持干燥。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，然后将压力降低到设计压力，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。水压试验后及时排水，用压缩空气及其它惰性气体，将容器内表面吹干7/20/2023223.气密性试验7/20/202323例题4-2：某化工厂欲设计一台石油气分离工程中的乙烯精馏塔。工艺要求为塔体内径Di=600mm；设计压力p＝2.2MPa；工作温度t＝-3～-20℃。试选择塔体材料并确定塔体厚度。解析：由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在-20℃以上，承受一定的压力，故选用16MnR。根据式(4-12)式中p＝2.2MPa；Di=600mm；[s]＝170MPaj=0.8(表4-9)；C2=1.0mm

得：7/20/202324考虑钢板厚度负偏差C1＝0.6mm圆正取Sn=7mm

水压试验时的应力16MnR的屈服限ss=345MPa（附录表6）水压试验时满足强度要求。7/20/2023254.3内压圆筒封头设计封头又称端盖。其分类7/20/2023264.3.1半球形封头受内压球形封头计算壁厚与球壳相同。球形封头壁厚可较圆筒壳减薄一半。但为焊接方便以及降低边缘压力，半球形封头常和筒体取相同的厚度。7/20/2023274.3.2椭圆形封头半椭球和高度为h的短圆筒(通称直边)两部分构成，直边保证封头制造质量和避免边缘应力作用。7/20/202328受内压的椭圆形封头计算厚度K-椭圆形封头形状系数，标准椭圆形封头(长短轴之比值为2)，K=1。壁厚计算公式：7/20/202329忽略分母上微小差异，大多数椭圆封头壁厚与筒体同，或比筒体稍厚。国家标准规定：K≤1的椭圆形封头的Se≥0.15％Di，K﹥1的椭圆形封头的Se≥0.30％Di,但确定封头厚度时，已考虑了内压下的弹性失稳问题，可不受此限制。当封头是由整块钢板冲压时，φ值取为1。筒体设计壁厚计算公式：7/20/202330椭圆形封头最大允许工作压力标准椭圆形封头的直边高度由表4-15确定。封头材料碳素钢、普低钢、复合钢板不锈钢、耐酸钢

封头壁厚4～8

10～18≥20

3～910～18≥20

直边高度2540502540507/20/2023314.3.3碟形封头7/20/202332碟形封头壁厚计算式

当碟形封头的球面内半径Ri=0.9Di，过渡圆弧内半径r=0.17Di时称标准碟形封头。此时M=1.325，壁厚计算式：7/20/202333碟形封头的最大允许工作压力封头与筒体可用法兰联结，也可用焊接联结7/20/2023344.3.4球冠形封头降低凸形封头高度，将碟形封头的直边及过圆弧部分去掉，只留下球面部分。也称无折边球形封头。主要用作容器中两独立受压室的中间封头，也可作端封头7/20/2023357/20/2023364.3.5锥形封头7/20/202337广泛用于化工设备(如蒸发器、喷雾干燥器、结晶器及沉降器等)的底盖便于收集与卸除设备中的固体物料。塔设备上、下部分的直径不等，也常用锥形壳体连接，称为变径段。7/20/202338（一）无折边锥形封头或锥形筒体适用于锥壳半锥角a3001、锥壳大端a.查图4-15，大端是否须加强7/20/202339b.不必局部加强，计算壁厚为

c.需加强，以降低联接处的局部应力。锥壳加强段和圆筒加强段厚度相同Q为锥壳与圆筒联接处的应力增值系数，查图4-187/20/2023407/20/2023412、锥壳小端

a.查图4-17，小端是否须加强7/20/202342b.不必局部加强，计算壁厚同大端7/20/202343c.需加强，加强段和圆筒加强段厚度相同

Q为锥壳与圆筒联接处的应力增值系数，查图4-187/20/202344图4－18锥体小端与圆筒体连接处的Q值图

7/20/2023453、无折边锥壳的厚度锥壳厚度（4-27）（4-28）（4-29）（4-30）统一厚度7/20/202346（二）折边锥形封头或锥形筒体

可降低应力集中，适用于锥壳大端半锥角a>300，小端半锥角a>450

当锥壳半锥角a>600时，按平盖计算。

7/20/2023471、锥壳大端a.过渡段的计算壁厚

7/20/202348b.与过渡段相连接处的锥壳计算壁厚7/20/2023492、锥壳小端a.半锥角a450，小端无折边计算同前b.小端有折边，过渡段厚度按（4-29）确定，Q值查图4-19。c.半锥角a>450，小端过渡段厚度仍按（4-1）确定，Q值查图4-18。7/20/202350锥形封头的小端与接口管相连，一般不加过渡弧，但接口管应增厚，厚度取锥体厚度，加厚的长度：7/20/2023514.3.6平板封头化工设备常用的一种封头。圆形、椭圆形、长圆形、矩形和方形等，相同(R／S)和受载下，薄板应力比薄壳大得多，即平板封头比凸形封头厚得多。平板封头结构简单，制造方便，在压力不高，直径较小的容器中采用。承压设备人孔、手孔以及在操作时需要用