化工机械基础-第09章-内压薄壁圆筒与球壳设计

Page1第九章内压薄壁圆筒和球壳设计§1、概述；§2、内压薄壁圆筒和球壳强度计算；§3、容器的压力试验。Page2§9.1概述压力容器的设计中，其强度设计就是根据工艺要求和条件，设计合适的厚度，以保证设备在规定使用寿命内安全可靠的运行。压力容器强度计算包含新容器的强度设计和在用容器的强度校核。需要注意的是，在用压力容器的检验，要根据其实测厚度，进行计算和判定。Page3薄壁圆筒平均直径D，厚度δ，承受内压p，经向薄膜应力与环向薄膜应力分别为：§9.2内压薄壁圆筒和球壳强度计算一、薄壁圆筒强度计算公式

1)理论计算厚度（计算厚度）Page4其中，为钢板在设计温度下的许用应力根据第三强度理论，筒壁一点处的相当应力为：按照薄膜应力强度条件Page5考虑到焊缝的影响，许用应力用钢板的许用应力乘以焊接接头系数，于是：其中一般由工艺条件确定的为圆筒内径，在上述计算中，用内径Di代替平均直径D代入上式并取等号，得：Page6

δ:圆筒计算厚度，mm

pc:圆筒的计算压力，MPaDi:圆筒内径，mm:钢板在设计温度下的许用应力，MPa:焊接接头系数其中：Page7

2)设计厚度与名义厚度

①钢板负偏差C1钢板的厚度是钢板的名义厚度，实际厚度可能大于（正偏差），也可能小于（负偏差）名义厚度。钢板标准中规定了正、负偏差的值。在确定筒体厚度时，应在计算厚度基础上加上钢板的负偏差。

②腐蚀裕量C2容器与介质接触，会有腐蚀。腐蚀速率λ(mm/a),容器的使用寿命n年，C2=nλ为保证容器的使用安全，腐蚀裕量C2也需要包含在容器厚度中。Page8

2)设计厚度与名义厚度计算厚度与腐蚀裕量之和称为设计厚度，表示为：将设计厚度加上钢板负偏差向上圆整的钢板的标准厚度称为名义厚度，表示为：Page9其中：——圆筒的设计厚度，mm;——圆筒的计算厚度，mm;——钢板的负偏差，mm;——腐蚀裕量，mm;——圆整值，mm;Page10计算厚度δ和钢板向上的圆整值Δ是容器在使用期内都能依赖抵抗强度破坏的厚度。将计算厚度与钢板向上的圆整值相加得到有效厚度，表示为：3)有效厚度

或者Page11

成形后厚度

制造厂考虑加工减薄量，并按钢板厚度系列向上圆整得到的坯板厚度，减掉实际加工减薄量，得到容器实际出厂的厚度。

只要成形后的厚度大于名义厚度，就可满足强度要求。

Page12

4)压力容器的最小厚度

①对碳素钢、低碳合金钢制容器，不小于3mm；②对高合金钢制容器不小于2mm。

设计温度下圆筒的计算应力：

设计温度下圆筒最大允许工作压力：计算厚度过小，

就满足不了制造、运输和安装要求，不包括腐蚀裕量的最小厚度。由下列方法确定：Page13

对于薄壁球壳，其主应力：与薄壁圆筒类似的，球形容器的厚度设计计算公式为：计算厚度设计厚度设计温度下球壳的计算应力：二、薄壁球壳强度计算公式设计温度下球壳的最大允许工作压力：Page14三、设计参数的确定

1)设计压力p指容器顶部的最高压力，与相应设计温度一起作为容器的基本设计载荷条件，其值不小于工作压力。对无安全泄放装置的压力容器，设计压力不低于1.0~1.1倍工作压力。装有安全泄放装置的压力容器，设计压力不低于安全阀开启压力和爆破片装置的设计爆破压力加制造范围上限。外压容器的设计压力，应不小于正常情况下可能出现的最大内外压力差。Page15对无安全泄放装置的压力容器，取0.1MPa。装有安全泄放装置的压力容器，设计压力取1.25倍的最大内外压力差与0.1MPa两者中的小者。由两个或两个以上压力室组成的容器，根据各自的工作压力确定各自腔的设计压力。

2)计算压力在设计温度下，用以确定受压元件厚度的压力，包括液柱静压力等附加载荷。通常，计算压力等于设计压力加液柱静压力。当液柱静压力小于设计压力的5%，可忽略。Page16

3)设计温度

指容器在正常工作情况下，设定的元件金属温度，与相应设计压力一起作为容器的基本设计载荷条件。通常其值不低于金属元件在工作状态下可能的最高温度。对于0℃以下的金属温度，设计温度不高于所能达到的最低温度。容器各部分在工作情况下的金属温度不同时，可分别设定各部分的设计温度。对具有不同工况的容器，可按最苛刻的工况设计，并在设计文件或设计图样中注明各工况下的设计压力和设计温度。Page17当金属温度无法确定时，按如下规定：容器内壁与介质直接接触，且有外保温，按下表选取。容器内的介质用蒸汽直接加热或内置加热元件间接加热时，设计温度取介质的最高工作温度。Page18容器的受压元件两侧与不同温度的介质接触时，按较苛刻一侧的工作温度（如高温或低温），确定该元件的设计温度。

4)许用应力以材料的极限应力为基础，选择合理的安全因数得到。

Rm,ReL分别为抗拉强度（强度极限）和屈服强度。nb,ns分别为抗拉和屈服强度的安全因数。Page19

金属的力学性能指标随温度发生变化。对于中温容器，应按设计温度确定许用应力，取两式中的较小值。

高温下，材料会出现蠕变，高温容器的失效往往是蠕变造成的。碳钢和低合金钢，设计温度高于420℃，其它合金钢，450℃，奥氏体不锈钢，550℃，取下式中的较小值。Page20Page21

5)焊缝接头系数焊接接头系数为小于等于1的数，数值见表9-6。

6)厚度附加量厚度附加量由两部分组成①钢板厚度的负偏差C1②腐蚀裕量C2C=C1+C2Page22

5)焊缝接头系数受压元件间的焊缝接头分为A,B,C,D四类，非受压元件与受压元件间的焊缝接头为E类焊缝接头。Page23

焊缝处往往出现夹渣、未焊透、气孔、裂纹等焊接缺陷焊缝热影响区往往形成粗大晶体而使其强度、塑性降低。结构的刚性约束造成焊后应力过大。焊缝接头处往往是容器上强度较薄弱的地方。为此，引入焊缝系数表示出焊缝对材料的许用应力的影响程度。焊缝形式和无损检测的长度比例都影响焊缝系数取值。Page25

6)厚度附加量厚度附加量由两部分组成①钢板厚度的负偏差C1②腐蚀裕量C2C=C1+C2Page26②腐蚀裕量C2C2=λnλ-腐蚀速率，mm/a，由腐蚀手册或实验确定n-容器的设计寿命，通常10-15年。λ=0.05-0.1mm/a,单面腐蚀，C2=1mm,双面腐蚀，C2=2-4mmλ≤0.05mm/a,单面腐蚀，C2=1mm,双面腐蚀，C2=2mm对碳钢和低合金钢，C2不小于1mm对不锈钢，介质腐蚀性极微，C2=0腐蚀裕量只针对均匀腐蚀，应对非均匀腐蚀，需要进行防腐蚀处理。Page27§9.3容器的压力试验制造加工过程不完善，导致不安全，发生过大变形或焊缝渗漏。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。Page28不适合作液压试验的情况，包括装入贵重催化剂，要求内部烘干，容器内衬耐热混凝土不易烘干，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。Page29§9.3容器的压力试验压力容器制造完成后，需要进行耐压试验（液压、气压、气-液组合），考察产品的整体强度。一般采用液压试验，对不宜进行液压试验的容器，采用气压或气-液组合试验。试验压力取值与设计压力、设计温度、试验温度、容器材料有个。液压试验气压（气液组合）试验压力试验设备Page30电动泵-液压压力试验Page31Page32水压爆破试验Page33Page34pT:试验压力p:设计压力:试验温度下材料的许用应力，MPa;:设计温度下材料的许用应力，MPa。压力容器各受压元件所用材料不同时，取各元件材料的最小值。

Page35三、压力试验前的应力校核液压试验时：气压（气液组合）试验时：其中，为圆筒壁在使用压力下的应力，MPa。在压力试验前，应对试验压力下筒体进行强调校核。Page36二、压力试验的要求与试验方法1）液压试验（介质：水）

a.将容器充满液体；b.压力容器温度与液体温度接近时，缓慢升压到设计压力。

c.确认无泄漏后，缓慢升压到规定试验压力，保压时间不小于30分钟；

d.将压力降到设计压力，保压足够长时间，检查期间压力保持不变；Page37e.试验温度应该比容器金属脆性转变温度高30℃。

f.对所有焊缝和连接部位检查

g.如有泄漏，修补后重新试验。h.试验完毕，用压缩空气将容器内壁吹干。Page381）液压试验若液压试验过程中无渗漏、无可见的变形、无异常的响声，即为合格。2）气压试验由于结构和支撑原因，不能向容器内充满液态、运行条件下不允许残留试验液体的压力容器，可采用气压试验。试验过程中无渗漏、无可见的变形、无异常的响声，经检漏液检测无泄漏，即为合格。

Page392）气压试验。

a.缓慢升压到规定试验压力的10%，且不超过0.05MPa，保压5min；

b.对所有焊缝和连接部位检查；

c.合格后，将压力升压规定试验压力50%;d.按照每级为规定试验压力的10%的级差升压到试验压力，保压10min；

e.降到设计压力，保压足够长时间并进行检查；

f.如有泄漏，修补后重新试验。

g.试验温度应该比容器金属脆性转变温度高3