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第四章第四章 内压薄壁容器强内压薄壁容器强度设计度设计1强度设计基本知识强度设计基本知识2内压薄壁圆筒强度计算内压薄壁圆筒强度计算3内压圆筒封头设计内压圆筒封头设计概概述述第1页概概述述1、强度设计任务：、强度设计任务：内内压压容容器器强强度度设设计计包包含含设设备备壁壁厚厚设设计计和和在在用用设设备备强强度度校校核核两两方面。方面。1 1）设设计计型型计计算算依依据据给给定定公公称称直直径径以以及及设设计计压压力力和和温温度度，设计出适当壁厚，以确保设备安全可靠。设计出适当壁厚，以确保设备安全可靠。2 2）校核型计算）校核型计算依据已经有设备公称直径以及工作压力依据已经有设备公称直径以及工作压力和温度，判断设备使用安全性。和温度，判断设备使用安全性。2、内压薄壁圆筒与封头强度计算公式，以壳体无力矩、内压薄壁圆筒与封头强度计算公式，以壳体无力矩理论为推导基础，其推导过程以下：理论为推导基础，其推导过程以下：依据薄膜理论进行应力分析，确定薄膜应力状态下依据薄膜理论进行应力分析，确定薄膜应力状态下主应力；主应力；依据弹性失效设计准则，应用强度理论确定应力强依据弹性失效设计准则，应用强度理论确定应力强度判据；度判据；第2页 对封头，考虑到薄膜应力改变和边缘应力影响，按对封头，考虑到薄膜应力改变和边缘应力影响，按壳体中应力情况在公式中引进应力增强系数。壳体中应力情况在公式中引进应力增强系数。依据应力强度判据，考虑腐蚀等实际原因导出详细依据应力强度判据，考虑腐蚀等实际原因导出详细计算公式。计算公式。第一节第一节 强度设计基本知识强度设计基本知识一、关于弹性失效设计准则一、关于弹性失效设计准则 设设计计压压力力容容器器时时，为为了了确确保保结结构构安安全全可可靠靠工工作作，必必须须留留有有一一定安全裕度，即强度安全条件：定安全裕度，即强度安全条件：第3页二、强度理论及其对应强度条件二、强度理论及其对应强度条件借借助助于于强强度度理理论论，将将二二向向和和三三向向应应力力状状态态转转换换成成单单向向拉拉伸伸应应力状态相当应力，同时须处理两个问题：力状态相当应力，同时须处理两个问题：第4页依据应力状态确定主应力；依据应力状态确定主应力；确定材料许用应力。确定材料许用应力。对承受均匀内压薄壁容器，其主应力为：对承受均匀内压薄壁容器，其主应力为：第5页1）第一强度理论（最大主应力理论）及对应强度条件）第一强度理论（最大主应力理论）及对应强度条件 第第一一强强度度理理论论认认为为在在三三向向应应力力中中，若若最最大大应应力力小小于于许许用用应应力力，则安全。则安全。其强度条件为：其强度条件为：2）第二强度理论（最大线应变理论）及对应强度条件）第二强度理论（最大线应变理论）及对应强度条件 第第二二强强度度理理论论认认为为在在三三向向应应力力中中，若若最最大大线线应应变变小小于于许许用用应应变，则安全。变，则安全。其强度条件为：其强度条件为：第6页3）第三强度理论（最大剪应力理论）及对应强度条件）第三强度理论（最大剪应力理论）及对应强度条件 第第三三强强度度理理论论认认为为最最大大剪剪应应力力（1-31-3）是是引引发发材材料料屈屈服服破坏主要原因。破坏主要原因。其强度条件为：其强度条件为：第7页3）第第四四强强度度理理论论（形形状状改改变变比比能能理理论论）及及对对应应强强度度条条件件 第第四四强强度度理理论论认认为为设设备备构构件件受受外外力力产产生生弹弹性性变变形形时时物物体体内内部部也也就就积积蓄蓄了了能能量量，即即变变形形能能。单单位位变变形形体体体体积积内内所所积积蓄蓄变变形形能能称称为为变变形形比比能能。当当构构件件变变形形比比能能到到达达材材料料极极限限值值时时，会会引引发发屈屈服服破破坏。坏。其对应强度条件：其对应强度条件：第8页适用性：适用性：第一强度理论适合用于脆性材料；第一强度理论适合用于脆性材料；第三、第四强度理论适合用于塑性材料。第三、第四强度理论适合用于塑性材料。第二节第二节 内压薄壁圆筒强度计算内压薄壁圆筒强度计算一、强度计算公式一、强度计算公式1）圆柱筒体）圆柱筒体 由薄膜应力理论可知，圆柱筒体上任一点处薄膜应力以下：由薄膜应力理论可知，圆柱筒体上任一点处薄膜应力以下：1=pD中中/2S，2=m=pD中中/4S，3=0 由第三强度理论可得：由第三强度理论可得：1-3=pD中中/2S第9页其安全条件为：其安全条件为：考虑到计算方便准确性，对上式应作以下修正：考虑到计算方便准确性，对上式应作以下修正：工工作作压压力力p工工作作p设设计计（因因为为实实际际操操作作中中工工作作压压力力波波动动，设设计计中中应应以以工工作作压压力力乘乘以以放放大大系系数数表表示示设设计计压压力力，并并以以设设计计压压力力作作为为设计壁厚计算压力）设计壁厚计算压力）t(考考虑虑到到材材料料许许用用应应力力随随温温度度升升高高而而降降低低，设设计计计计算算中应以材料在工作中所能到达最高温度下许用应力为准中应以材料在工作中所能到达最高温度下许用应力为准)D中中Di+S(考考虑虑到到工工程程中中径径无无法法测测量量以以内内径径代代入入计计算算更更为为方方便便)第10页引引入入焊焊缝缝系系数数（对对焊焊接接制制成成压压力力容容器器，考考虑虑到到焊焊缝缝处处强强度度与与整整板板强强度度差差异异，用用焊焊缝缝系系数数表表示示焊焊缝缝处处强强度度与与整整板板强强度度比比值值，应以焊缝处实际强度为评判是否安全标准。）应以焊缝处实际强度为评判是否安全标准。）考虑到上述四个修正并算出考虑到上述四个修正并算出S S后，上述表示式演变为：后，上述表示式演变为：此处此处S0S0为计算壁厚。为计算壁厚。设设计计中中，对对最最终终选选定定名名义义壁壁厚厚SnSn，应应在在计计算算壁壁厚厚基基础础上上再再作作以下补充：以下补充：壁厚附加量壁厚附加量C C 考虑腐蚀裕量考虑腐蚀裕量C2C2，得到圆筒设计壁厚为：，得到圆筒设计壁厚为：第11页 一样，取第四强度理论应力强度可得：一样，取第四强度理论应力强度可得：所所以以对对已已经经有有设设备备进进行行强强度度校校验验和和确确定定最最大大允允许许工工作作压压力力计计算公式分别为：算公式分别为：第12页 采取无缝钢管作圆筒体时，其公称直径为钢管外径。采取无缝钢管作圆筒体时，其公称直径为钢管外径。将将D=D0-S代入代入S=pD/2t中，并考虑焊缝中，并考虑焊缝，得到以外，得到以外径为基准公式：径为基准公式：第13页以以上上各各式式适适用用范范围围是是p0.4t，（即即外外径径与与内内径径之之比比K1.5）。）。对地球形容器因为其主应力为对地球形容器因为其主应力为 以以上上各各式式适适用用范范围围是是p0.6t，（即即外外径径与与内内径径之比之比K1.35）。）。第14页二、设计参数确实定二、设计参数确实定1、设计压力、设计压力 设计压力是在对应设计温度下用以确定壳壁厚度压力，其值设计压力是在对应设计温度下用以确定壳壁厚度压力，其值不得小于最高工作压力（容器顶部在工作中可能产生最高表压力）不得小于最高工作压力（容器顶部在工作中可能产生最高表压力）。2、设计温度、设计温度设设计计温温度度是是指指容容器器在在操操作作过过程程中中在在对对应应设设计计压压力力下下容容器器壳壳壁壁或或受受压压元元件件沿沿截截面面厚厚度度可可能能到到达达最最高高或或最最低低（指指-20-20以以下下）平平均壁温。均壁温。容器设计温度指壳体设计温度。容器设计温度指壳体设计温度。第15页3、许用应力、许用应力许许用用应应力力是是以以材材料料强强度度极极限限应应力力0为为基基础础，并并合合理理选选择择安安全全系数，即：系数，即：（1）极限应力）极限应力0取法取法对常温容器对常温容器,实际中应采取许用压力为以下二式中较小值实际中应采取许用压力为以下二式中较小值:第16页对对中中温温容容器器,依依据据设设计计温温度度下下材材料料抗抗拉拉强强度度或或屈屈服服点点确确定定许许用用压力压力,取以下二式中较小值取以下二式中较小值:对高温容器对高温容器,考虑到材料高温持久强度和蠕变强度许用应力考虑到材料高温持久强度和蠕变强度许用应力,当当碳钢和低合金钢、合金钢、奥氏体不锈钢设计温度分别超出碳钢和低合金钢、合金钢、奥氏体不锈钢设计温度分别超出420420、450450、550550时，许用应力应取以下式中较小值：时，许用应力应取以下式中较小值：第17页（2）安全系数取法）安全系数取法 怎怎样样选选择择合合理理安安全全系系数数时时设设计计中中比比较较复复杂杂和和关关键键问问题题，因因为为它与以下原因相关：它与以下原因相关：计算方法准确性、可靠性和受力分析准确程度。计算方法准确性、可靠性和受力分析准确程度。材料质量和制造技术水平。材料质量和制造技术水平。容器工作条件主要性和危险性。容器工作条件主要性和危险性。4、焊缝系数、焊缝系数1 1）设计中考虑焊缝系数原因：）设计中考虑焊缝系数原因：焊接时可能出现缺点而未被发觉；焊接时可能出现缺点而未被发觉；焊接热影响区形成粗大晶粒造成强度和塑性降低；焊接热影响区形成粗大晶粒造成强度和塑性降低；结构刚性约束造成焊接内应力过大。结构刚性约束造成焊接内应力过大。以上原因可能造成焊接区强度降低。以上原因可能造成焊接区强度降低。第18页5、壁厚附加量、壁厚附加量 壁壁厚厚附附加加量量包包含含钢钢板板或或钢钢管管厚厚度度负负偏偏差差C1和和介介质质腐腐蚀蚀裕裕量量C2，即即 C=C1+C2（1）钢板或钢管厚度负偏差）钢板或钢管厚度负偏差C1 钢板或钢管厚度负偏差，应按名义壁厚钢板或钢管厚度负偏差，应按名义壁厚Sn选取。选取。当当钢钢板板厚厚度度负负偏偏差差小小于于0.25mm0.25mm，且且不不超超出出名名义义壁壁厚厚6%6%时时，可可取取C1=0。（2）腐蚀裕量）腐蚀裕量C2 腐腐蚀蚀裕裕量量由由介介质质对对材材料料均均匀匀腐腐蚀蚀速速率率与与容容器器设设计计寿寿命命决决定定 。C2=KaB第19页 当当 材材 料料 腐腐 蚀蚀 速速 率率 为为 0.050.1mm/a0.050.1mm/a时时,单单 面面 腐腐 蚀蚀 取取C2=12mm;双面腐蚀取双面腐蚀取C2=24mm。普通对碳素钢和低合金钢，普通对碳素钢和低合金钢，C2大于大于1mm1mm。对不锈钢，当介质腐蚀性极微时，可取对不锈钢，当介质腐蚀性极微时，可取C2=0。三、容器壁厚和最小壁厚三、容器壁厚和最小壁厚1、壁厚、壁厚 在在强强度度设设计计很很多多公公式式中中，壁壁厚厚（S S），设设计计壁壁厚厚（Sd），名名义壁厚义壁厚（SnSn）和有效壁厚和有效壁厚（Se）有以下关系：有以下关系：S Sd SnSe SnC第20页2、最小壁厚、最小壁厚对碳素钢和低合金钢容器对碳素钢和低合金钢容器当当内内径径Di3800mm3800mm时时，Smin=2Di/1000mm，且且大大于于3mm3mm，腐蚀裕量另加；腐蚀裕量另加；当内径当内径Di3800mm3800mm时，时，Smin按运输和现场制造条件确定。按运输和现场制造条件确定。对不锈钢容器对不锈钢容器,Smin=2 mm,Smin=2 mm。此时筒体名义厚度此时筒体名义厚度SnSn可视以下情况而定：可视以下情况而定：当当SminSC1时，时，Sn=Smin+C2+（能够等于零）能够等于零）当当SminSC1时，时，Sn=Smin+C1+C2+第21页四、压力试验及其强度校验四、压力试验及其强度校验 容容器器在在投投入入生生产产之之前前，必必须须作作压压力力试试验验和和气气密密试试验验，目目标标在在于于检检验验容容器器宏宏观观强强度度和和有有没没有有渗渗漏漏现现象象，以以确确保保设设备备安安全全与与正正常常运行。运行。1、试验压力、试验压力（1）液压试验压力按下式确定：液压试验压力按下式确定：1.25p/t（MPa）pt=(取二者中较大值取二者中较大值)p+0.1(Mpa)第22页（2）气压试验压力按下式确定：）气压试验压力按下式确定：1.15p/t（MPa）pt=(取二者中较大值取二者中较大值)p+0.1(Mpa)2、压力试验要求与试验方法、压力试验要求与试验方法（1 1）液压试验）液压试验（2 2）气压试验）气压试验（3 3）气密试验）气密试验第23页3、压力试验时应力校核、压力试验时应力校核 在在压压力力试试验验时时，容容器器壁壁内内所所产产生生最最大大应应力力不不得得超超出出所所用用材材料料在试验温度下屈服点在试验温度下屈服点90%90%（液压试验）或（液压试验）或80%80%（气压试验）。（气压试验）。液压试验时：液压试验时：气压试验时：气压试验时：第24页第三节第三节 内压圆筒封头设计内压圆筒封头设计容器封头容器封头(又称端盖又称端盖)分类分类:凸凸形形封封头头(半半球球形形封封头头、椭椭圆圆形形封封头头、蝶蝶形形封封头头、无无折折边边球球形形封封头头)、锥形封头和平板形封头。、锥形封头和平板形封头。一、半球形封头一、半球形封头组成：半个球壳组成：半个球壳壁厚计算公式：壁厚计算公式：第25页二、椭圆形封头二、椭圆形封头1、组组成成：由由长长短短半半轴轴分分别别为为a a和和b b半半球球壳壳和和高高度度为为h h0 0短短圆圆筒筒（统统称为直边）组成。称为直边）组成。2、当当m=a/b2m=a/b2时，最大应力点在椭球壳顶点。时，最大应力点在椭球壳顶点。即：即：第26页将将a/b=ma/b=m，a=D/2a=D/2代入上式得：代入上式得：其强度条件为：其强度条件为：将许用应力乘以焊缝系数将许用应力乘以焊缝系数，并将，并将D=Di+S，m=Di/2hi代入上代入上式得到式得到m=a/b=Di/2hi2时椭圆封头壁厚计算公式为：时椭圆封头壁厚计算公式为：第27页式中式中hi椭圆封头内壁曲面高度。椭圆封头内壁曲面高度。当当m=2m=2时，则：时，则：m=Di/2hi2时，引入应力增强系数时，引入应力增强系数K K，以取代，以取代Di/4hi，所以得所以得到：到：3 3、椭圆形封头许用压力计算公式：椭圆形封头许用压力计算公式：第28页三、蝶形封头三、蝶形封头1、组组成成：认认为为半半径径球球面面，以以r r为为半半径径过过渡渡圆圆弧弧（即即折折边边）和和高高度为度为h0直边。直边。第29页2、考考虑虑到到蝶蝶形形封封头头边边缘缘应应力力影影响响，在在设设计计中中引引入入形形状状系系数数M M，其其壁厚计算公式为：壁厚计算公式为：3 3、蝶形封头许用压力计算公式：蝶形封头许用压力计算公式：当当Ri=0.9Di,r=0.17Di时时,称为标准蝶形封头，此时称为标准蝶形封头，此时M=1.325M=1.325，于，于是标准蝶形封头壁厚计算公式：是标准蝶形封头壁厚计算公式：4 4、对对于于标标准准蝶蝶形形封封头头，其其有有效效壁壁厚厚S Se e应应大大于于封封头头内内径径0.15%0.15%，其其它蝶形封头大于它蝶形封头大于0.30%0.30%。第30页四、无折边球形封头四、无折边球形封头1 1、组成：、组成：将蝶形封头直边及过渡圆弧部分去掉，只留下球面部将蝶形封头直边及过渡圆弧部分去掉，只留下球面部分，并把它直接焊在筒体上，组成无折边球形封头。分，并把它直接焊在筒体上，组成无折边球形封头。2 2、壁厚计算公式：、壁厚计算公式：第31页五、锥形封头五、锥形封头一）锥形封头结构形式一）锥形封头结构形式通通常常在在设设备备底底部部，便便于于出出料料，也也有有俩俩段段圆圆弧弧过过渡渡连连接接。就就封封头头来来说，分为：带折边锥封和不带折边锥封。说，分为：带折边锥封和不带折边锥封。1）不带折边：）不带折边：边界应力较大，焊接要求较高。边界应力较大，焊接要求较高。因因为为同同压压p p、同同壁壁厚厚s s下下，越越大大，越越大大，故故此此时时不不易易过过大大。通常通常30302）带带折折边边：受受边边界界应应力力较较小小，这这边边高高度度同同其其余余封封头头，角角可可适当加大，通常适当加大，通常6060（6060按平板理论）。按平板理论）。第32页3 3）=45=45，大端必须加折边，小端可加可不加。，大端必须加折边，小端可加可不加。二）封头壁厚计算二）封头壁厚计算1 1）不带折边锥形封头）不带折边锥形封头a a）假如不考虑边界应力：）假如不考虑边界应力：由以前知识可知：由以前知识可知：在最大段最大。在最大段最大。b b）考虑边界应力）考虑边界应力 实实际际上上，不不考考虑虑边边界界应应力力是是不不现现实实，边边界界应应力力本本身身客客观观存存在在，理论上要求，理论上要求，边边33t t时，不考虑是错误。那怎样考虑时，不考虑是错误。那怎样考虑第33页i i）边边在什么方向上？在什么方向上？假如在假如在方向上，最大力为方向上，最大力为边边+假如在假如在M M方向上，最大力为方向上，最大力为边边+M M或或之间较大一值。之间较大一值。结果：结果：边边在在M M同方向上。同方向上。这使得：环向：这使得：环向：=pD/2S=pD/2S 轴向：轴向：边边+。且：且：问题演变为判断问题演变为判断与与（边边+M M）大小大小iiii）判断：假如）判断：假如（边边+M M），），仍按上式计算；仍按上式计算；假如假如（边边+M M），），重新推导公式。重新推导公式。第34页六、平板封头六、平板封头1、分析：、分析：对对周周围围固固定定（夹夹持持）受受均均匀匀载载荷荷圆圆平平板板，最最大大应应力力是是径径向向弯弯曲曲应力，产生在圆板边缘，其值为：应力，产生在圆板边缘，其值为：对对周周围围简简支支受受均均匀匀载载荷荷圆圆平平板板，最最大大应应力力产产生生在在平平板板中中心心，且且径向弯曲应力与切向弯曲应力相等，其值为：径向弯曲应力与切向弯曲应力相等，其值为：第35页2、壁厚计算公式：、壁厚计算公式：依依据据强强度度条条件件：max,由由(4-32)(4-32)和和(4-33)(4-33)可可得得到到对对应应圆圆平平板封头壁厚计算公式板封头壁厚计算公式:在在化化工工容容器器设设计计要要求求中中，利利用用结结构构特特征征系系数数K K将将平平板板封封头头厚厚度设计归纳为：度设计归纳为：第36页2）带折边锥形封头）带折边锥形封头 形状特点：形状特点：a-ba-b段是锥形，段是锥形，b-cb-c段是环状壳体。段是环状壳体。a）最大力位置分析）最大力位置分析 ab ab段上最大力为段上最大力为b b点，为点，为b bc bc段上力特点是各点力都一样，为段上力特点是各点力都一样，为患患。经过分析比较，以环状壳与锥体经过分析比较，以环状壳与锥体Dci处罚别计算取大值处罚别计算取大值b）锥体）锥体b处计算处计算第37页c c）环壳处计算）环壳处计算3）封头小端壁厚设计标准）封头小端壁厚设计标准为为何何要要进进行行小小端端壁壁厚厚计计算算？如如按按薄薄膜膜应应力力理理论论S小小4545，小端必须加折边；，小端必须加折边；b b）假如小端接管厚度）假如小端接管厚度 封头厚度，接管处必须加厚到壁厚值。不封头厚度，接管处必须加厚到壁厚值。不论小端有没有折边论小端有没有折边 第38页第四章作业：第四章作业：1、名词解释：弹性失效设计准则、设计压力、壁厚附加量、名词解释：弹性失效设计准则、设计压力、壁厚附加量、名义厚度、焊接接头系数、水压试验名义厚度、焊接接头系数、水压试验2、教材、教材P207（2、4、9)第39页
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