壓力容器設(shè)計(jì)內(nèi)壓薄壁容器圓筒強(qiáng)度設(shè)計(jì)

1、1 第三節(jié) 內(nèi)壓薄壁圓筒的強(qiáng)度設(shè)計(jì) 教學(xué)重點(diǎn)： 內(nèi)壓薄壁圓筒的厚度計(jì)算 教學(xué)難點(diǎn)： 厚度的概念和設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 2 根據(jù)薄膜理論進(jìn)行應(yīng)力分析，確定薄膜應(yīng)力狀態(tài)下 的主應(yīng)力 根據(jù)彈性失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，應(yīng)用強(qiáng)度理論確定應(yīng)力 的強(qiáng)度判據(jù) 對(duì)于封頭，考慮到薄膜應(yīng)力的變化和邊緣應(yīng)力的影 響，按殼體中的應(yīng)力狀況在公式中引進(jìn)應(yīng)力增強(qiáng)系 數(shù) 根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度判據(jù)，考慮腐蝕等實(shí)際因素導(dǎo)出具體 的計(jì)算公式。 內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式推導(dǎo)過程 3 容器上一處的最大應(yīng)力達(dá)到材料在設(shè)計(jì) 溫度下的屈服點(diǎn)，容器即告失效( (失去正常 的工作能力) )，也就是說，容器的每一部分 必須處于彈性變形范圍內(nèi)。 保證器壁內(nèi)的相當(dāng)應(yīng)

2、力必須小于材料由單 向拉伸時(shí)測得的屈服點(diǎn)。 一、強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基本知識(shí) （一）、關(guān)于彈性失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 1、彈性失效理論 s 當(dāng)當(dāng) 4 為了保證結(jié)構(gòu)安全可靠地工作，必須留有一定的安 全裕度，使結(jié)構(gòu)中的最大工作應(yīng)力與材料的許用應(yīng) 力之間滿足一定的關(guān)系，即 n 0 當(dāng) = 0 當(dāng) n 相當(dāng)應(yīng)力，MPa，可由強(qiáng)度理論 確定 極限應(yīng)力，MPa，可由簡單拉伸 試驗(yàn)確定 安全裕 度 許用應(yīng)力, ,MPa 2、強(qiáng)度安全條件 5 4 2 pD m 2 1 pD 0 3 r 徑向應(yīng) 力 （二）、強(qiáng)度理論及其相應(yīng)的強(qiáng)度條件 1、薄壁壓力容器的應(yīng)力狀態(tài) 圖4-1 應(yīng)力狀態(tài) 6 第一強(qiáng)度 理論 （最大主應(yīng)力理論） 第三強(qiáng)

3、度 理論 （最大剪應(yīng)力理論） 2 1 pD I 當(dāng) 強(qiáng)度條 件 2 pD I 當(dāng) 2 31 pD III 當(dāng) 強(qiáng)度條 件 2 pD III 當(dāng) 適用于 脆性材料 適用于 塑性材料 2、常用強(qiáng)度理論 7 第四強(qiáng)度 理論 （能量理論） 2.3 2 1 )()()( 2 1 21 2 2 2 1 2 13 2 32 2 21 pD IV 當(dāng) 強(qiáng)度條 件 3 . 2 pD IV 當(dāng) 適用于 塑性材料 第二強(qiáng)度理論（最大變形理論）與實(shí)際相差較大，目前很少采用。 壓力容器材料都是塑性材料，應(yīng)采用三、四強(qiáng)度理論， GB150-98 采用第三強(qiáng)度理論. 8 2 pD III 當(dāng) t pD 2 i DD 考慮實(shí)

4、際情況， 引入pc等參數(shù) c t ic p Dp 2 2 2 C p Dp c t ic d 考慮介質(zhì) 腐蝕性 考慮鋼板厚度 負(fù)偏差并圓整 n 二、內(nèi)壓薄壁圓筒殼體與球殼的強(qiáng)度設(shè)計(jì) （一）、強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式 1、內(nèi)壓薄壁圓筒 9 參數(shù)變換： 1.將中徑換算為圓筒內(nèi)徑，D=Di+S; 2.壓力換為計(jì)算壓力Pc ； 3.考慮到焊縫處因氣孔、夾渣等缺陷以及熱影 響區(qū)晶粒粗大等造成的強(qiáng)度削弱，引進(jìn)焊縫系 數(shù)(1)； 4.材料的許用應(yīng)力與設(shè)計(jì)溫度有關(guān)。 10 內(nèi)壓圓筒強(qiáng)度計(jì)算公式： 36 2 ci t c p D S (mm) () p 再考慮腐蝕裕量C2 ,于是得到圓筒的設(shè)計(jì)壁厚為： 2 36 2 ci

5、dt c p D SC (mm) (a) p 計(jì)算壁厚公式： 11 在公式（36a）基礎(chǔ)上，考慮到鋼板的負(fù)偏差 C1（鋼板在軋制時(shí)產(chǎn)生了偏差） 名義壁厚公式： 21 2 ci n t c pD SCC (mm) p 再根據(jù)鋼板標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格向上圓整。 Sn最終名義厚度。 這是寫在圖紙上的鋼板厚度！ 12 強(qiáng)度校核公式 最大允許工作壓力計(jì)算公式 22 (38) tt ne w inie C p DCD t () (37) 2 t cie e pD 1、當(dāng)筒體采用無縫鋼管時(shí)，應(yīng)將式 中的Di換為D0 2、以上公式的適用范圍為 3、用第四強(qiáng)度理論計(jì)算結(jié)果相差不 大 t c p 4 . 0 13 4 21

6、pD c t ic p Dp 4 2 4 C p Dp c t ic d 4 )( t e eic t Dp ei e t w D p 4 公式的適用范圍為 t c p 6 . 0 2、內(nèi)壓球形殼體 14 工作壓力 指在正常工作情況下，容器頂部 可能達(dá)到的最高壓力。 設(shè)計(jì)壓力 指設(shè)定的容器頂部的最高壓力， 它與相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度一起作為設(shè)計(jì) 載荷條件，其值不低于工作壓力 。 計(jì)算壓力 指在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下，用以確定 殼體各部位厚度的壓力，其中包 括液柱靜壓力。 計(jì)算壓力pc=設(shè)計(jì)壓力p+液柱靜 壓力 （二）、設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 1、壓力 15 工作壓力pw -正常工作情況下，容 器頂部可能達(dá)到的最高 壓力

7、。 由工藝計(jì)算確定： 化學(xué)反應(yīng)所要求的； 傳遞過程所必需的； 由液化氣體的飽和蒸 汽壓所決定的。 16 設(shè)計(jì)壓力p：設(shè)定的容器頂部的最高壓力-設(shè)計(jì)載荷。 取值方法： （1）容器上裝有安全閥 取不低于安全閥開啟壓力 ： p （1.05 1.1）pw 系數(shù)取決于彈簧起跳壓力 。 17 （2）容器內(nèi)有爆炸性介質(zhì)，安裝有防爆膜時(shí)： 取 設(shè)計(jì)壓力為爆破片設(shè)計(jì)爆破壓力加制造范圍上限。 P44 表3-1。 防爆膜裝置示意圖 18 （3）無安全泄放裝置取 p=（1.01.1）pw 。 （4）盛裝液化氣容器 設(shè)計(jì)壓力應(yīng)根據(jù)工作條件下 可能達(dá)到的最高金屬溫度確定。（地面安裝的容器按 不低于最高飽和蒸汽壓考慮，如4

8、0，50，60時(shí) 的氣體壓力）。 注意：要考慮實(shí)際工作環(huán)境，如放置地區(qū)，保 溫，遮陽，噴水等。 例如：液氨儲(chǔ)罐。金屬壁溫最高工作為50，氨的飽 和蒸汽壓為2.07MPa。 1.容器的設(shè)計(jì)壓力？ 2.若容器安放有安全閥，設(shè)計(jì)壓力？ 19 （5）外壓容器取 p正常操作下可能產(chǎn)生的 最大壓差。 注意：“正常操作”含空料，真空檢漏 ，穩(wěn)定生產(chǎn)，中間停車等情況。 （6）真空容器 不設(shè)安全閥時(shí)，取0.1MPa ； 設(shè)有安全閥時(shí) 取Min（1.25p ,0.1MPa) 。 20 釜壁可能承受壓力情況： 釜內(nèi)空料，夾套內(nèi)充蒸汽-外壓0.2MPa; 釜內(nèi)真空，夾套內(nèi)充蒸汽-外壓0.3MPa; 釜內(nèi)0.3MPa，

9、夾套內(nèi)0.2MPa-內(nèi)壓0.1MPa; 釜內(nèi)0.3MPa，夾套內(nèi)空料-內(nèi)壓0.3MPa; 釜壁承受的最大壓差:內(nèi)壓0.3MPa或外壓0.3MPa. （7）帶夾套容器取正常操作時(shí)可 能出現(xiàn)的最大內(nèi)外壓差。例如 帶夾套 的反應(yīng)釜：夾套內(nèi)蒸汽壓力為0.2MPa, 釜內(nèi)開始抽真空，然后釜內(nèi)升壓至 0.3MPa。該釜壁承受壓力如何？ 21 計(jì)算壓力pc在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下，用以確定元件厚度的 壓力，其中包括液柱靜壓力。當(dāng)元件所承受的液柱靜 壓力小于5%設(shè)計(jì)壓力時(shí)，可忽略不計(jì)。 即計(jì)算壓力 設(shè)計(jì)壓力 液柱靜壓力 5%P時(shí)計(jì)入) 可見，計(jì)算壓力設(shè)計(jì)壓力工作壓力 容器頂部表壓 例：一立式容器，工作壓力0.5MPa

10、，液 體深10m， 重度為10,000N/m3。 pw=0.5MPa, p=0.5MPa pc=0.5+(1010,000)/1,000,000=0.6MPa 22 指容器在正常工作情況下，在相應(yīng)的設(shè) 計(jì)壓力下，設(shè)定的元件的金屬溫度（沿 元件金屬截面厚度的溫度平均值）。 設(shè)計(jì)溫度是選擇材料和確定許用應(yīng)力時(shí) 不可少的參數(shù)。 2、設(shè)計(jì)溫度 23 確定設(shè)計(jì)溫度的方法： （1）對(duì)類似設(shè)備實(shí)測；（2）傳熱計(jì)算；（3） 參照書P44表3-2。 例如：不被加熱或冷卻的器壁，且壁外有保溫， 取介質(zhì)溫度；用水蒸氣、熱水或其它液體加熱 或冷卻的器壁，取熱介質(zhì)的溫度；等等。 24 n t 0 （1）極限應(yīng)力 極限應(yīng)

11、力的選取與結(jié)構(gòu)的使 用條件和失效準(zhǔn)則有關(guān) 0 極限應(yīng)力可以是 t n t D tt ssb 、)()( 2 . 02 . 0 許用應(yīng)力是以材料的 各項(xiàng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)為依據(jù) ，合理選擇安全系數(shù)n n 得出的。 3、許用應(yīng)力和安全系數(shù) 25 常溫容 器 中溫容 器 高溫容 器 =min b b n , s s n 2 . 0 t =min s tt s b t b nn 2 . 0 , t =min D t D n t n s tt s nnn , 2 . 0 高溫式中 -設(shè)計(jì)溫度下材料的 蠕變強(qiáng)度和 持 久強(qiáng)度。 -蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度的 安全系數(shù)。 tt nD 、 Dn n 、n 26 （2）安全系數(shù)

12、 安全系數(shù)是一個(gè)不斷發(fā)展變化的參數(shù)。 隨著科技發(fā)展，安全系數(shù)將逐漸變小。 常溫下，碳鋼和低 合金鋼 6 . 1 0 . 3 sb nn， 鋼材的安全系數(shù) 27 影響安全系數(shù)的因素： 計(jì)算方法的準(zhǔn)確性、可靠性和受力分析的精度； 材料質(zhì)量和制造的技術(shù)水平； 容器的工作條件及其在生產(chǎn)中的重要性和危險(xiǎn) 性。 28 4.焊接接頭系數(shù)（ ） 容器上存在有： 縱焊縫A類焊縫 環(huán)焊縫B類焊縫 需要進(jìn)行無損檢驗(yàn)。 檢驗(yàn)方法主要是： X射線檢查和超聲波檢查。 29 常見的焊接形式： 30 31 32 33 34 35 缺陷，夾渣，未焊透，晶粒粗大等， 在外觀看不出來； 熔池內(nèi)金屬從熔化到凝固的過程受到 熔池外金屬

13、的剛性約束，內(nèi)應(yīng)力很大。 焊縫區(qū)強(qiáng)度比較薄弱。 36 焊接缺陷 37 焊縫區(qū)的強(qiáng)度主要取決于熔焊金屬、焊縫結(jié)構(gòu)和施 焊質(zhì)量。 焊接接頭系數(shù)的大小決定于焊接接頭的型式和無損 檢測的長度比率。 焊接接頭系數(shù)是焊接削弱而降低設(shè)計(jì)許用應(yīng)力的 系數(shù)。 為綜合考慮筒體強(qiáng)度，設(shè)計(jì)公式中將鋼板 母材的許用應(yīng)力乘以（1）。 38 焊接接頭系數(shù)（）： 焊接接頭結(jié)構(gòu)100%無損檢驗(yàn) 局部無損檢驗(yàn)示意圖 雙面對(duì)接焊 1.0 0.85 帶墊板單面對(duì) 接焊 0.90 0.80 39 1.可否采用搭接焊結(jié)構(gòu)制作壓力容器殼 體？為什麼？ 2.焊縫處為什麼要進(jìn)行無損探傷檢查？ 3.焊縫系數(shù)（）為什麼小于等于1？ 4.取焊縫系數(shù)

14、的依據(jù)是什麼？ 5.壁厚計(jì)算公式中的t是鋼板的許用 應(yīng)力，還是焊縫材料的許用應(yīng)力？ 6.帶墊板的焊縫結(jié)構(gòu)中，墊板的作用是 什麼？是否起加強(qiáng)作用？ 40 5.壁厚附加量 容器壁厚附加量 （1）鋼板或鋼管厚度負(fù)偏差 C1: 例如， 滿足強(qiáng)度要求的計(jì)算厚度之外，額外增加的厚度， 包括鋼板負(fù)偏差( (或鋼管負(fù)偏差) ) C1、腐蝕裕量 C2 即 C C1十 C2 41 在設(shè)計(jì)容器壁厚時(shí)要 預(yù)先考慮負(fù)偏差。 C1 鋼板厚度 負(fù)偏差 1、鋼板負(fù)偏差參見P49表3-7選取； 鋼管厚度負(fù)偏差參見相關(guān)文件。 2、當(dāng)鋼材的厚度負(fù)偏差不大于0.25mm，且 不超過名義厚度的6%時(shí)，負(fù)偏差可以忽略不 計(jì)。 42 （2

15、）腐蝕裕量C2 容器元件由于腐蝕或機(jī)械磨損厚度減薄。 在設(shè)計(jì)壁厚時(shí)要考慮容器使用壽命期內(nèi)的安全性！ 具體規(guī)定如下： 對(duì)有腐蝕或磨損的元件: C2=KaB Ka-腐蝕速率（mm/a），由材料手冊(cè)或?qū)嶒?yàn)確定。 B-容器的設(shè)計(jì)壽命，通常為1015年。 一般情況, Ka=0.050.13mm/a的輕微腐蝕時(shí)， 對(duì)單面腐蝕取C2=12mm; 對(duì)雙面腐蝕取C2=24mm。 對(duì)于不銹鋼，一般取0。 43 1. 確定腐蝕裕度的依據(jù)？ 2.腐蝕裕度的有效期？ 3.列管換熱器的管子、殼體腐蝕裕度如何定？ 容器各元件受到的腐蝕程度不同時(shí)，設(shè) 計(jì)中可采用不同的腐蝕裕量。 介質(zhì)為壓縮空氣、水蒸氣或水的碳鋼 或低合金鋼容

16、器，單面腐蝕裕量不小于1mm； 對(duì)不銹鋼容器，腐蝕輕微時(shí)可取C2=0。 44 6.直徑系列與鋼板厚度 要按照鋼板厚度尺寸系列標(biāo)準(zhǔn)GB/T709-2001 的規(guī)定選取。P50表3-10。 壓力容器的直徑系列已經(jīng)施行標(biāo)準(zhǔn)化（GB9019-88) ，筒體與封頭的公稱直徑配套。 45 （三）、容器的壁厚和最小壁厚 實(shí)際壁厚不得小于名義壁厚 減去鋼板負(fù)偏差，可保證強(qiáng)度 要求！ 熱加工封頭時(shí)，加工單位應(yīng) 預(yù)先考慮加工減薄量！ 46 設(shè)計(jì)壓力較低的容器計(jì)算厚度很薄。 大型容器剛度不足，不滿足運(yùn)輸、安裝。 限定最小厚度以滿足剛度和穩(wěn)定性要求。 殼體加工成形后不包括腐蝕裕量最小厚 度： a.碳素鋼和低合金鋼制容

17、器不小于3mm b.對(duì)高合金鋼制容器，不小于2mm min 2、最小厚度 c 碳素鋼、低合金鋼制塔式容器 min max i D 1000 2 , 4mm； 不銹鋼制塔式容器 min maxi D 1000 2 , 3mm. 47 在于檢驗(yàn)容器的宏觀強(qiáng)度和有無滲漏現(xiàn)象 ，即考察容器的密封性，以確保設(shè)備的安 全運(yùn)行。 目的 1）檢驗(yàn)容器宏觀強(qiáng)度是否出現(xiàn)裂紋,是否變 形過大； 2）密封點(diǎn)及焊縫的密封情況。 （四）、容器耐壓試驗(yàn)及其強(qiáng)度校核 要知道 ！ （1）需要焊后熱處理的容器，須熱處理后進(jìn) 行 壓力試驗(yàn)和氣密試驗(yàn)； （2）須分段交貨的容器，在工地組裝并對(duì)環(huán) 焊 縫進(jìn)行熱處理后，進(jìn)行壓力試驗(yàn)； （

18、3）塔器須安裝后進(jìn)行水壓試驗(yàn)； 48 液壓試驗(yàn) 氣壓試驗(yàn) 內(nèi)壓容器試驗(yàn)壓力 t T pp 25. 1 t T pp 15. 1 1、試驗(yàn)壓力 / t大于1.8時(shí)，按1.8計(jì)算；如果容器各元件(圓筒、封頭、 接管、法蘭及緊固件等)所用材料不同時(shí)，應(yīng)取各元件材料的比 值中最小者。 容器銘牌上規(guī)定有最大允許工作壓力時(shí)，公式中應(yīng)以最大允許 工作壓力代替設(shè)計(jì)壓力p p設(shè)計(jì)壓力 MPa ; -元件材料在實(shí)驗(yàn)溫度下的許用應(yīng)力，MPa; t元件材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa。 49 e eiT T Dp 2 )( )(9 . 0 2 )( 2 . 0 s e eiT T Dp 液壓試驗(yàn) 氣壓試驗(yàn) )(8

19、. 0 2 )( 2 . 0 s e eiT T Dp 2、壓力試驗(yàn)的應(yīng)力校核 圓筒壁在試 驗(yàn)壓力下的 計(jì)算應(yīng)力 50 液壓試驗(yàn) 氣壓試驗(yàn) 氣密性試驗(yàn) 壓力試驗(yàn)的種類 3.壓力試驗(yàn)的要求與試驗(yàn)方法 51 液壓試驗(yàn)介質(zhì)：一般為水； 過程： 充水排氣 設(shè)計(jì)壓力 無泄漏 開始 試驗(yàn)壓力下 保壓30分鐘 卸壓 吹凈 結(jié)束 試驗(yàn)壓力的80% 保壓檢查 52 注意： 不銹鋼容器水中氯離子不得超過25mg/L25mg/L。 試壓合格的條件： 1）無滲漏； 2）無可見變形； 3）試驗(yàn)過程中無異常響聲； 4）b 540MPa的材料，表面經(jīng)無損檢驗(yàn) 無裂紋。 53 氣壓試驗(yàn) 不適合液壓試驗(yàn)的，如因結(jié)構(gòu)緣故排液或

20、充液困難，或容器內(nèi)不允許殘留微量液體時(shí)采用 。 氣密試驗(yàn) 針對(duì)介質(zhì)具有毒性程度為極度或具有高度危 害的容器； 在液壓試驗(yàn)后進(jìn)行； 氣密試驗(yàn)壓力取設(shè)計(jì)壓力。 54 五、 例題 【例1】：某化工廠欲設(shè)計(jì)一臺(tái)石油氣分離用 乙烯精餾塔。工藝參數(shù)為: :塔體內(nèi)徑 ；計(jì)算壓力 ；工作溫度t t-3-3- - 2020。試選擇塔體材料并確定塔體厚度。 mmDi600 MPapc2 . 2 由于石油氣對(duì)鋼材腐蝕不大，溫度在-3-3-20-20，壓力為中壓，故 選用16MnR16MnR。 （2 2）確定參 數(shù) mmC0 . 1 2 MPapc2 . 2 mmDi600 MPa t 170 ( (附表9-1)9-

21、1) ； 0.8 ( (采用帶墊板的單面焊對(duì)接接頭, ,局部無損檢測)()(表4-8)4-8)； 取 , 解： （1 1）選材 55 )(9 . 4 2 . 28 . 01702 6002 . 2 2 mm p Dp t ic mmC25. 0 1 （3 3）厚度計(jì) 算 計(jì)算厚度 設(shè)計(jì)厚度)(9 . 50 . 19 . 4 2 mmC d 根據(jù)mm d 9 . 5 , ,查表4-94-9得 名義厚度 圓圓整整量量圓圓整整量量圓圓整整量量 15. 625. 09 . 5 1 C dn 圓整后, ,取名義厚度為 。mm n 7 復(fù)驗(yàn) mmmm n 25. 042. 0%67%6 , ,故最后取 。

22、mmC25. 0 1 該塔體可用7mm7mm厚的16MnR16MnR鋼板制作 。 56 （4 4）校核水壓試驗(yàn) 強(qiáng)度 )(9 .144 75. 52 )75. 5600(75. 2 MPa T s e eiT T Dp 9 . 0 2 )( 式中， )(75. 22 . 225. 125. 1MPappT )2 . 2; 1/ ,200(MPappt c t )(75. 525. 17mmC ne 則 而 )(4 .2483458 . 09 . 09 . 0MPa s 可見 sT 9 . 0 ，所以水壓試驗(yàn)強(qiáng)度足夠。 57 例2 設(shè)計(jì)鍋爐汽包的筒體壁厚。工作壓力為15.6MPa, 工作溫度為3

23、50,其內(nèi)徑為1300mm。 【解】 1.選材：工作溫度中溫，工作壓力為高壓，有輕微腐蝕。 故采用低合金鋼18MnMoNbR（GB6654-96)。s=410MPa。 2.確定參數(shù) （1）工作壓力15.6MPa,是高壓容器，屬于三類容器。其焊縫結(jié)構(gòu) 必須是雙面對(duì)接焊結(jié)構(gòu)或其他等強(qiáng)度焊接，100%無損探傷， =1 。 （2） 筒體需保溫，則筒壁設(shè)計(jì)溫度取介質(zhì)溫度， 350190MPa （3）需安裝安全閥，pc=p=1.115.6=17.16(MPa)。 （4）水蒸氣對(duì)低合金鋼有輕微腐蝕，且為單面腐蝕，C2=1mm。 58 3.計(jì)算壁厚 61.5(mm) 130017.16 p Dp S c t ic 16.1711902 2 4.4.設(shè)計(jì)壁厚： Sd=S+C2=61.5+1.0=62.5