第九章-内压薄壁圆筒与封头的强度设计.ppt

NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY,Nanjing University of Technology,食品机械基础,第三篇 化工容器设计,授课教师：仲兆祥,第九章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计,强度设计的基本知识,1,2,内压薄壁圆筒与球壳的强度设计,3,内压圆筒封头的设计,9.1.1,关于弹性失效的设计准则,容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点，该容器即告破坏。,(,中低压薄壁容器,),强度安全条件,：,9.1,强度设计的基本知识,9.1.2,强度理论及其相应的强度条件,由薄膜理论,圆筒壁内应力为经向应力、环向应力、法向应,力（被认为是,0,）则三项主应力为,：,第三强度理论的强度条件为：,因此圆筒强度条件为：,9.2,内压薄壁圆筒壳与球壳的强度设计,9.2.1,强度计算公式,依据第三强度理论，强度公式为：,参数变换,：,1.,将中径换算为圆筒内径，,D=,D,i,+,;,2.,压力换为计算压力,P,c,；,3.,考虑到焊缝处因气孔、夹渣等缺陷以及热影响区晶粒粗大等造成的强度削弱，,引进,焊缝系数,(1),；,4.,材料的许用应力与设计温度有关。,内压圆筒强度计算公式：,再考虑腐蚀裕量,C,2,于是得到圆筒的,设计壁厚,为：,计算壁厚,公式：,在公式（,9-2,）基础上，,考虑到钢板的负偏差,C,（钢板在轧制时产生了偏差）,名义壁厚,公式,：,再根据钢板标准规格,向上圆整,。,最终,名义厚度,。,这是写在图纸上的厚度,！,式中,e,有效壁厚,，,e,=,圆整后的壁厚,（,n,）,C,1,C,2,。,强度校核公式：,1,）在工作压力及温度下，现有容器强度够否？,2,）现有容器的最大允许工作压力如何？,1.,压力,工作压力,p,w,-,正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力,。,由工艺计算确定：,化学反应所要求的；,传递过程所必需的；,由液化气体的饱和蒸汽压所决定的。,9.2.2.,设计参数的确定,设计压力,p,：,设定的容器顶部的最高压力,-,设计载荷。,取值方法：,（,1,）容器上装有安全阀,取不低于安全阀开启压力：,p ,（,1.05,1.1,）,p,w,系数取决于弹簧起跳压力。,（,2,）容器内有爆炸性介质，安装有防爆膜时：,取,设计压力为爆破片设计爆破压力加制造范围上限。,P211,表,12-2,，表,12-3,。,防爆膜装置示意图,（,3,）,无安全泄放装置,取,p=,（,1.01.1,）,p,w,。,（,4,）,盛装液化气容器,设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。（地面安装的容器按不低于最高饱和蒸汽压,考虑，如,40,，,50,，,60,时的气体压力）。,注意：要考虑实际工作环境，如放置地区，保温，遮阳，喷水等。,（,5,）外压容器,取,p,正常操作下可能产生的最大压差。,（6,）真空容器,不设安全阀时，取,0.1MPa,；,设有安全阀时 取,Min,（,1.25,p,0.1MPa),。,釜壁可能承受压力情况：,釜内空料，夹套内充蒸汽,-,外,压,0.2,MPa;,釜内真空，夹套内充蒸汽,-,外压,0.3M,Pa;,釜内,0.3MPa,，,夹套内,0.2MPa-,内压,0.1MPa;,釜内,0.3MPa,，,夹套内空料,-,内压,0.3MPa;,釜壁承受的最大压差,:,内压,0.3MPa,或外压,0.3MPa.,（,7,）,带夹套容器,取正常操作时可能出现的最大内外压差。,例如,带夹套的反应釜：夹套内蒸汽压力为,0.2MPa,釜内开始抽真空，然后釜内升压至,0.3MPa,。,该釜壁承受压力如何？,计算压力,p,c,-,-,在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于,5%,设计压力时，可忽略不计。,即,计算压力,=,设计压力,+,液柱静压力,(,5%P,时计入,),可见，,计算压力,设计压力,工作压力,=,容器顶部表压,例：一立式容器，工作压力,0.5,MPa,，,液体深,10m,，,重度为,10,000N/m,3,。,p,w,=0.5MPa,p=0.5MPa,p,c,=0.5+(10,10,000)/1,000,000=0.6MPa,2.,设计温度,指容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。,设计温度在容器设计中的作用：,选择材料；,确定许用应力。,确定设计温度的方法：,（,1,）对类似设备实测；（,2,）传热计算；（,3,）参照书,P213,表,12-5,。,例如：不被加热或冷却的器壁，且壁外有保温，取介质温度；用水蒸气、热水或其它内置加热元件间接加热时，取最高工作温度；等等。,3.,许用应力和安全系数,定义式,：,（,1,）,许用应力,的确定,：,工作温度为,中温,，取,工作温度为,常温,（,200,），取,工作温度为,高温,，取,式,中,n,t,D,t,-,设计温度下材料的蠕变强度和持久强度。,n,n,n,D,-,蠕变强度和持久强度的安全系数。,（,2安全系数及其确定：,影响安全系数的因素：,计算方法的准确性、可靠性和受力分析的精度；,材料质量和制造的技术水平；,容器的工作条件及其在生产中的重要性和危险性。,安全系数,材料,n,b,n,s,n,D,n,n,碳素钢、低合金钢,3.0,1.6,1.5,1.0,高合金钢,3.0,1.5,1.5,1.0,4.,焊接接头系数（,f,）,容器上存在有：,纵焊缝,-A,类焊缝,环焊缝,-B,类焊缝,需要进行无损检验。,检验方法主要是：,X,射线检查,和,超声波检查,。,为什麽要进行无损检验？,缺陷，夹渣，未焊透，晶粒粗大等，在外观看不出来；,熔池内金属从熔化到凝固的过程受到熔池外金属的刚性约束，内应力很大。,焊缝区强度比较薄弱,。,焊接后常出现：,为综合考虑筒体强度，,设计公式中将钢板母材的许用应力乘以,f,（,1,）。,f,焊接接头结构,100%,无损检验,局部无损检验,示意图,双面对接焊,1.0,0.85,带垫板单面对接焊,0.90,0.80,5.,壁厚附加量,容器壁厚附加量,（,1,）钢板或钢管厚度负偏差,C,1,:,在设计容器壁厚时要,-,预先考虑负偏差,。,钢板负偏差参见,p217,表,12-9,选取；,钢管厚度负偏差参见,P218,表,12-10,。,（,2,）腐蚀裕量,C,2,容器元件由于腐蚀或机械磨损,厚度减薄。,在设计壁厚时要考虑容器使用寿命期内的安全性！,具体规定,如下对有腐蚀或磨损的元件,:,C,2,=,K,a,B,K,a,-,腐蚀速率（,mm/a,），,由材料手册或实验确定。,B-,容器的设计寿命，通常为,10,15,年。,一般情况,K,a,=0.05,0.13mm/a,的轻微腐蚀时，,对,单面腐蚀,取,C,2,=1,2mm;,对,双面腐蚀,取,C,2,=2,4mm,。,容器各元件受到的腐蚀程度不同时，设计中可采用不同的腐蚀裕量。,介质为压缩空气、水蒸气或水的碳钢或低合金钢容器，单面腐蚀裕量不小于,1mm,；,对不锈钢容器，腐蚀轻微时可取,C,2,=0,。,6.,直径系列与钢板厚度,要按照,钢板,厚度尺寸系列,标准,GB/T 709-2001,的规定选取。,P219,表,12-13,。,钢板厚度是否可以随意取？,压力容器的,直径系列,已经施行标准化（,GB/T 9019-2001),，,筒体与封头的公称直径配套。见,P167,表,10-5,。,筒体直径是否可以随意定？,9.2.3,容器的壁厚和最小壁厚,1,、各厚度之间的关系,计算厚度,设计厚度,圆整值,名义厚度,有效厚度,毛坯厚度,加工减薄量,腐蚀裕量,钢材厚度的负偏差,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、安装的要求。限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求。,定义：,壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度,：,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,2,、最小厚度,c.,碳素钢、低合金钢制塔式容器,min,d,max,i,D,1000,2,4mm,；,d.,不锈钢制塔式容器,min,d,max,i,D,1000,2,3mm.,9.2.4,压力试验及强度校核,压力试验的时机,：,1,）容器制成后；,2,）检修后。,试验目的,：,1,）检验容器宏观强度,是否出现裂纹,是否变形过大；,2,）密封点及焊缝的密封情况。,要知道,！,（,1,）需要焊后热处理的容器，须热处理后进行压力试验和气密试验；,（,2,）须分段交货的容器，在工地组装并对环焊缝进行热处理后，进行压力试验；,（,3,）塔器须安装后进行水压试验；,压力试验的其他作用：,1,）通过短时超压，有可能减缓某些局部区域的峰值应力，在一定程度上起到消除或降低应力，使,应力分布趋于均匀,的作用；,2,）根据近代断裂力学的观点，短时超压可以使裂纹产生闭合效应，钝化了裂纹尖端，使容器在正常工作压力下运行时更为安全。,压力试验分类,：,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,注意：,不锈钢容器,水中氯离子不得超过,25mg/L,。,试压合格的条件,：,1,）无渗漏；,2,）无可见变形；,3,）试验过程中无异常响声；,4,）,b,540MPa,的材料，表面经无损检验无裂纹。,气压试验,不适合液压试验的，如因结构缘故排液或充液困难，或容器内不允许残留微量液体时采用。,气密试验,针对介质具有毒性程度为极度或具有高度危害的容器；,在液压试验后进行；,气密试验压力取设计压力。,例,1,：,设计乙烯精馏塔。由工艺计算得出塔体公称直径为,600mm,工作压力为,2.2MPa,（,不计液注高度），工作温度,t=-3,20,，,塔体保温。确定该塔壁厚及选用的材料,。,【,解,】1.,选材,介质腐蚀性,轻微；工作温度,-3,20,；,工作压力,中压。故选用,Q345R,。,2.,确定参数,（,1,）由,DN=600mm,筒体采用板卷，,D,i,=600mm,；,（2,）,由题意,“,不计液注高度,”,，无安全泄放装置，,p,c,=2.2MPa,；,（,3,）,因压力为中压，直径较小，故采用带垫板单面对接 焊结构，局部无损探 伤，,查表,12-8,，,=0.8,；,（,4,）,塔体保温，由表,12-5,，设计温度取介质温度，,t,=170MPa,；,（,5,）,常温屈服点,s,=345MPa,；,（,6,）腐蚀轻微，单面腐蚀，,C,2,=1mm,。,（,3,）确定计算壁厚,设计厚度,d,=,+C,2,=4.9+1.0=5.9(mm),查表,12-9,，得,C,1,=0.25mm,，,则,C=C,1,+C,2,=0.25+1.0=1.25(mm),。,名义壁厚,n,=,+C,+,圆整量，,+C,=4.9+1.25=6.15(mm),圆整为,7mm,。,（,4,）,校核水压试验强度,水压试验强度条件为：,式中,p,T,=1.25p=1.25,2.2=2.75(MPa),(,s/s,t,1);,e,=,n,-C,1,-C,2,=7-0.25-1.0=5.75(mm),则,而,0.9s,s,f=0.93450.8=248.4,（,MPa),可见,s,T,0.9s,s,f,，,所以水压试验强度足够。,结构简图：,9.3,内压圆筒封头的设计,封头,（按结构形状）,凸形封头,锥形封头,平板封头,半球形封头,椭圆形封头,碟形封头,内压圆筒封头的分类,球冠形封头,一、半球形封头,半球形封头,1,、,结构特点：,半球形封头是由半个,球壳构成的。,2,、受力特点：,半球形封头是由半个,球壳构成的，因此在内压作用下，,其应力状态与球壳完全相同,。,即：,其厚度计算公式也与球壳厚度计算公式相同,：,优点,缺点,但封头深度大，直径较小时，整体冲压制造较困难；直径大时，采用分瓣冲压其拼焊工作量较大。,应用场合：多用于高压容器,3,、半球形封头的优缺点：,与其它封头相比在直径和压力相同的情况下，其,厚度最薄（受力最好）；当容积一定的情况下，,表面积最小（最省材料）,。,直边的作用：,是为了避免筒体与封头间的环向焊缝处出现边缘应力和热应力的叠加。,椭圆形封头,二椭圆形封头,1,、,结构特点：,椭圆形封头是由半个椭球面和高为的,h,短圆筒（直边段）构成的。,边缘应力与热应力叠加,经分析：,受内压的椭圆形封头最大的综合应力与椭圆形封头长短轴的比值有关，引入形状系数,K,。,得到最大的综合应力,：,理论分析证明，当,K=1,椭圆形封头的应力分布较好，标准椭圆形的厚度计算公式：,2,、受力特点：,由于封头的椭球部分经线曲率变化平滑连续，没有突变，故应力分布比较均匀。受力状态仅次于半球封头。,3,、椭圆形封头的特点：,从标准椭圆形封头的厚度计算公式中可以看出，其厚度大致和其相连的圆筒厚度相等，因此圆筒体和封头可采用等厚焊接，封头深度较浅便于加工，受力较好，故在工程上广泛应用。,三、碟形封头,碟形封头,1,、结构特点：,2,、受力特点：,由于球面与过度区及过,渡区与直边的连接处经线曲率半径突变，产生边缘应力，故应力分布不均匀。,形状系数,计算厚度公式,GB150-1998,规定,标准碟形封头计算厚度公式,M,1.34,时，,e,0.15%,i,D,M,1.34,时，,e,0.30%,i,D,四、球冠形封头（无折边球形封头）,式中,Di,封头和筒体的内直径；,Q,系数，见书,P231,，图,12-10,。,2.,壁厚计算公式：,广泛应用于许多化工设备的底盖，它的优点是便于收集与卸除这些设备中的固体物料。此外，有一些塔设备上、下部分的直径不等，也常用锥形壳体将直径不等的两段塔体连接起来，这时的锥形壳体称为变径段。,锥形封头厚度计算公式,D,c,锥壳大端内直径,五、锥形封头,为减小边缘应力，锥形封头结构常有如下结构,（,1,）局部加强,30,的大端,及,45,的小端,(2),加过渡圆弧,30,的大端,及,45,的小端,受内压无折边锥形封头,受内压带折边锥形封头,六、平板封头,是常用的一种封头。其几何形状有圆形、椭圆形、长圆形、矩形和方形等，最常用的是圆形平板封头。,在各种封头中，平板结构最简单，制造就方便，但在同样直径、压力下所需的厚度最大，因此一般只用于小直径和压力低的容器。,但有时在高压容器中，如合成塔中也用平盖，这是因为它的端盖很厚且直径较小，制造直径小厚度大的凸形封头很困难。,平板封头厚度设计公式,平板封头的计算厚度,mm,计算直径,mm,计算压力,MPa,焊接接头系数,结构特征系数,(,见表,12-22),材料在设计温度下的许用应力,MPa,例题,确定精馏塔封头形式及尺寸。塔径,Di,=600mm,，,壁厚,n,=7mm,，材质为,Q345R,，计算压力,P,c,=2.2MPa,工作温度,t=-3,+20,。,【,解,】,确定参数：,P,c,=2.2MPa,，,Di,=600mm,，,C,2,=1mm,t,=,170MPa,。,1.,半球形封头,补充参数：半球形封头与筒体连接的环焊缝属于封头内的部分，采用带垫板单面对接焊局部无损探伤，,=0.8,。,计算壁厚为：,d,=2.4+1.0=3.4(mm)C,1,=0.25mm,名义壁厚为,n,=3.4+0.25=3.65(mm),取,4mm,。,2.,用标准椭圆形封头,此封头可以整板冲压，,=1,。,计算壁厚为：,d,=3.9+1.0=4.9(mm),取,C,1,=0.25mm,名义壁厚为,n,=4.9+0.25=5.15(mm),板厚为,6mm,。,3.,采用标准碟型封头,d,=4.67+1.0=5.67(mm),取,C,1,=0.25mm,名义壁厚为,n,=5.67+0.25=5.92(mm),取,6mm,。,（,4,）采用平板封头,板厚计算公式为：,选结构形式为表,12-22,中第,9,种，,K=0.3,，,f,=1,，,Dc=600mm,。,p,=37.4(mm).,d,=37.4+1=38.4(mm),查得,C,1,=0.25mm,名义壁厚为,n,=38.65mm,圆整后取,40mm,。,各种封头计算结果比较,封头形式,壁厚,（,mm),总深度,（,mm),理论面积,（）,重量,（,kg),制造难易程度,半球形,4,300,0.565,17.8,较难,椭圆形,6,175,0.466,21,较易,碟型,6,161,0.410,22.4,较易,平板形,40,-,0.283,88.3,易,单位容积的表面积，半球形封头为最小。,椭圆形和碟形封头的容积和表面积基本相同，,可以认为近似相等。,封头的选择主要根据设计对象的要求，,并考虑经济技术指标。,六、封头的选择,1,、几何方面,半球形封头的应力分布最好,椭圆形封头应力情况第二,碟形封头在力学上的最大缺点在于其具有较小的折边半径,r,平板受力情况最差,封头愈深，直径和厚度愈大，制造愈困难,2,、力学方面,3,、制造及材料消耗方面,