第8章内压薄壁圆筒与封头的强度设计

强度 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 的任务：根据给定的公称直径以及设计压力和温度，确定合适的壁厚，设计出合理的结构，以保证设备安全可靠地运行。内压薄壁圆筒和封头的强度计算公式，推导过程：①根据薄膜理论进行应力分析，确定薄膜应力状态下的主应力；②根据弹性失效的设计准则，应用强度理论确定应力的强度判据；③对于封头，考虑到薄膜应力的变化和边缘应力的影响，按壳体中的应力状况在公式中引进应力增强系数。④根据应力强度判据，考虑腐蚀等实际因素导出具体的计算公式。*第一节强度设计的基本知识1.弹性失效准则容器上任一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点σs，容器即告失效（指容器失去正常的工作能力），也就是说，容器的每一部分必须处于弹性变形范围内。保证器壁内的相当应力必须小于材料由单向拉伸时测得的屈服点，即σ当<σs。2.强度安全条件为保证结构安全可靠地工作，必须留有一定的安全裕度，使结构中的最大工作应力与材料的许用应力之间满足一定的关系，即：*一、关于弹性失效的设计准则二、强度理论及其相应的强度条件复杂应力状态的强度条件，要解决两方面的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ：一是根据应力状态确定主应力；二是确定材料的许用应力。*内压薄壁容器的主应力：1.第一强度理论的强度条件*2.第三强度理论的强度条件3.第四强度理论的强度条件【备注】压力容器都是采用塑性材料制造的，但是由于历史原因我国压力容器设计采用第一强度理论。采用第一和第三强度理论，薄壁容器的强度条件形式上是一样的！第二节内压薄壁圆筒和球壳的强度设计*一、强度计算公式1.圆筒强度计算公式的推导平均直径D换算为圆筒内径（D=Di+S），压力换为计算压力pc，考虑焊接制造因素计算壁厚公式考虑腐蚀裕量C2，得到圆筒的设计壁厚设计壁厚公式1.1钢板卷制筒体（内径Di为基准）计算壁厚公式设计壁厚公式1.2无缝钢管作筒体（外径DO为基准）*设计壁厚加上钢板厚度负偏差C1，再根据钢板标准规格向上圆整确定选用钢板的厚度，即名义壁厚（Sn），即为图纸上标注厚度。2.圆筒强度校核与许用压力确定*2.2已有设备确定最大允许工作压力2.1已有设备强度校核外径为基准内径为基准外径为基准内径为基准3.球形容器厚度计算及校核计算公式*3.2校核计算公式3.1厚度计算公式设计壁厚计算壁厚确定最大允许工作压力已有设备强度校核4.公式符号意义*Pc－计算压力，MPa；Di－筒体内径，mm；Do－筒体外径，mm；Sc－筒体的计算壁厚，mm；Sd－筒体的设计壁厚，mm，Sd=Sc+C2；Sn－筒体的名义壁厚，mm。Sn=Sd+C1+Δ=Sc+C1+C2+Δ，Δ-圆整量Se－筒体的有效壁厚，mm，Se=Sn-C；[σ]t－筒体材料在设计温度下的许用应力，MPa；－焊缝系数；C2－腐蚀裕量，mm；C1－钢板厚度负偏差，mm；C－壁厚附加量，mm，C=C1+C2。 类型 设计压力 内压容器 无安全泄放装置 1.0～1.1倍工作压力 装有安全阀 不低于（等于或稍大于）安全阀开启压力（安全阀开启压力取1.05～1.1倍工作压力） 装有爆破片 取爆破片设计爆破压力＋制造范围上限 真空容器 无夹套真空容器 有安全泄放装置 设计外压力取1.25倍最大内外压力差或0.1MPa两者中的小值 无安全泄放装置 设计外压力取0.1MPa 夹套内为内压的带夹套真空容器 容器（真空） 设计外压力按无夹套真空容器规定选取 夹套（内压） 设计内压力按内压容器规定选取 夹套内为真空的带夹套内压容器 容器（内压） 设计内压力按内压容器规定选取 夹套（真空） 设计外压力按无夹套真空容器规定选取 外压容器 设计外压力取不小于在正常工作情况下可能产生的最大内外压力差二、设计参数的确定1.设计压力与计算压力*【声明】－压力均指 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 压1.1最高工作压力pw正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。1.2设计压力p是指在相应设计温度下用以确定容器壳体厚度及其元件尺寸的压力，亦即标注在铭牌上的容器设计压力，其值不得小于最高工作压力。1.3计算压力pc在相应的设计温度下用以确定元件厚度的压力，包括液柱静压力，当液柱静压力小于5％设计压力时可忽略不计。【注意】一个设备只有一个设计压力，却可能有多个计算压力* 介质工作温度 设计温度 I II T<-20℃ 介质最低工作温度 介质工作温度－（0～10℃） -20℃≤T≤15℃ 介质最低工作温度 介质工作温度－（5～10℃） 15℃<T 介质最高工作温度 介质工作温度＋（15～30℃）2.设计温度*设计温度是指容器正常工作情况下，设定的元件金属温度（元件沿截面厚度的温度平均值）。设计温度是选择材料及确定材料许用应力时的一个基本设计参数，按表中的I或II进行选取。【注意】温度对材料性能的影响：温度超过15℃时，温度越高，材料强度下降得越厉害温度不超过15℃时，温度越低，材料越容易产生脆断设计温度必须在材料允许的使用温度范围内，可在-196℃～钢材的蠕变温度内确定。具体材料的使用温度范围见表9-3.3.许用应力和安全系数*3.1极限应力的取法压力容器设计中用屈服点σs、抗拉强度σb作为计算许用应力的极限应力（保证不发生塑性变形和断裂）常温容器中温容器高温容器 材料 安全系数 nb ns nD nn 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*3.2安全系数安全系数的影响因素：①计算方法的准确性、可靠性和受力分析的的精确程度；②材料的质量和制造的技术水平；③容器的工作条件以及容器在生产中的重要性和危险性。3.3许用应力对常见材料，有关技术部门已根据相关原则计算出其许用应力，可以根据选用材料的种类、牌号、尺寸规格及设计温度查表9-4获得4.焊缝系数*⑴焊缝区强度降低的原因：焊接焊缝时可能出现缺陷而未被发现；焊接热影响区往往形成粗大晶粒区而使强度和塑性降低；结构性约束造成焊接内应力过大等。⑵焊缝系数的影响因素焊接接头的型式和无损检测的比例。双面焊或相当于双面焊的全焊透结构对接接头：100％探伤=1.0；局部探伤=0.85。单面焊的对接接头：100％探伤=0.9；局部探伤=0.8。5.壁厚附加量*包括钢板或钢管厚度的负偏差Cl和腐蚀裕量C2，即C=Cl+C2⑴钢板和钢管厚度的负偏差C1钢板和钢管的厚度负偏差，按相应的钢板或钢管标准选取，应按名义厚度Sn选取（表9-10）。对压力容器专用钢板厚度负偏差统一取C1=0.25mm（钢号以R结尾）【注】GB713-2008《锅炉和压力容器用钢板》中统一取C1=0.30mm其余按相应的标准规定选取；当C1≤0.25mm且不超过名义厚度的6%时可取C1=0⑵腐蚀裕量C2腐蚀裕量由介质对金属材料的腐蚀速度与容器的设计寿命决定。C2=KaBKa为腐蚀速率(mm/a)，可由材料腐蚀手册查取或由试验确定。B为容器设计寿命，对塔、反应器等主要设备一般不应少于15a，一般容器、换热器不少于8a。容器的各元件受到的腐蚀程度不同时，可取不同的腐蚀裕量。当材料的腐蚀速率为0.05~0.1mm/a时，单面腐蚀取C2=1mm，双面腐蚀取C2=2~4mm；当材料的腐蚀速率小于或等于0.05mm/a时，单面腐蚀取C2=1mm，双面腐蚀取C2=2mm；一般对炭素钢和低合金钢，C2不小于1mm，对不锈钢，当介质的腐蚀极微时，可取C2=0.卷制压力容器公称直径系列*6.直径系列与板材厚度钢板常用厚度三、容器的壁厚和最小壁厚1.各种壁厚之间的关系*计算壁厚、设计壁厚、名义壁厚和有效壁厚2.最小壁厚压力很低的容器，按强度公式计算出的壁厚很小，不能满足制造、运输和安装时的刚度要求，需规定一最小壁厚。最小厚度：壳体加工成型后不包括腐蚀裕量的厚度碳素钢和低合金钢容器：Smin≥3mm；不锈钢制容器：Smin≥2mm。【注意】符合最小厚度规定容器的名义厚度Sn=Smin+C2+C1+Δ四、压力试验及其强度校验压力试验和气密试验目的检验容器的宏观强度和有无渗漏现象。*1.试验压力液压试验气压试验pT－试验压力，立式容器卧置作液压试验时，试验压力应为立置时的试验压力PT加液柱静压力；p－设计压力；[σ]－试验温度下材料的许用应力；[σ]t－设计温度下材料的许用应力； 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 (5.0) 6.0 7.0 8.0 9.0 10 11 12 14 16 18 20 22 25 28 30 32 34 36 38 40 42 46 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120 125 130 140 150 160 165 170 180 185 190 195 2002.压力试验的要求与试验方法*2.1液压试验将容器充满液体，缓慢升压到规定试验压力后，保压时间一般不小于30分钟，然后将压力降到规定试验压力的80％，并保持足够长时间以对所有焊缝和连接部位进行检查。①一般采用洁净水进行试验。②采用石油蒸馏产品进行液压试验，试验温度应低于石油产品的闪点或沸点。③试验温度应低于液体沸点温度，对新钢种的试验温度应高于材科脆性转变温度。④碳素钢、16MnR和正火的15MnVR钢制容器液压试验时，液体温度不得低于5℃，其他低合金钢制容器（不包括低温容器）液压试验时，液体温度不得低于15℃。⑤液压试验完毕后，应将液体排尽并用压缩空气将内部吹干。2.2气压试验气压试验适用场合。试验介质要求：干燥、洁净的空气、氮气或其他惰性气体，试验气体温度一般应不低于15℃。试验程序：缓慢升压至规定试验压力的10％，且不超过0.05MPa，保持5分钟，然后对所有焊缝和连接部位进行初次检查；合格后继续升压到规定试验压力的50％，其后按每级为规定试验压力的10％的级差逐渐升压到试验压力，保持10分钟后，然后再降到试验压力的87％，保持足够时间并同时进行检查。2.3气密性试验介质的毒性程度为极毒或高度危害的容器，在液压试验合格后，方可进行气密性试验。*3.压力试验时的强度校核*压力试验时，容器壁内的最大应力不得超过所用材料在试验温度下屈服点的90％（液压试验）或80％（气压试验）。液压试验气压试验*【例】一锅炉汽包，内径为Di=1300mm，工作压力pw=15.6MPa，装有安全阀，设计温度为350℃，材质为18MnMoNbR，采用双面对接焊缝，100％探伤，试确定汽包的壁厚Sn。解（1）确定设计参数pc=1.1pw=1.1×15.6=17.16MPa,Di=1300mm，查表得该材料在350℃时的许用应力为[σ]t=190MPa双面对接焊缝，100％探伤，故=1，取腐蚀裕量C2=1.0mm（1）计算厚度根据Sd=62.5mm，查表得C1=0.25mmSd+C1=62.75mm圆整后取名义厚度为Sn=65mm。复验Sn×6%=65×6%=3.9mm>0.25mm，故最后取C1=0.25mm。该设备可用65mm厚的18MnMoNbR钢板制作。（3）校核水压实验强度式中p=pc=17.16MPaSe=Sn-C=65-1.25=63.75mmσs=410MPa(查表获得）*所以，水压试验合格。第三节内压圆筒封头的设计*一、半球形封头*计算壁厚公式【备注】球形封头壁厚较相同直径与压力的圆筒壳减薄一半，主要用作高压容器的封头。二、椭圆形封头*椭圆形封头是由长短半轴分别为a和b的半椭球和高度为h0的短圆筒（通称为直边）两部分所构成。直边的作用是为了保证封头的制造质量和避免筒体与封头间的环向焊缝受边缘应力作用。1.结构特点*当m=a/b≤2时，最大应力在椭圆壳的顶点2.壁厚计算公式将a/b=m，a=D/2代入得：强度条件考虑焊缝系数，D=Di+S，m=Di/2hi代入强度条件得：标准椭圆封头m=a/b=2 凸形封头 半球形封头 椭圆形封头 压力容器封头 碟形封头（带折边球形封头） 无折边球形封头 锥形封头 平板形封头 *如果m=a/b>2时，椭圆封头赤道上出现很大的环向压应力，绝对值大于顶点的应力，引入封头的形状系数K，得椭圆封头的通用壁厚计算公式为：国家标准还规定：K≤1的椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内直径的0.15%；K＞1的椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内直径的0.30%；3.许用压力计算公式【备注】封头的直边高度与材质、壁厚和圆筒的公称直径有关。三、碟形封头*1.几何特点半径Ri的球面；半径为r的过渡圆弧；高度为h0的直边。2.壁厚计算公式Ri－球面部分内半径；r－过渡圆弧内半径；M－碟形封头形状系数；由于折边部分存在较高的局部应力规定其球面部分的内半径Ri应不大于筒体内径，而折边内半径r在任何情况下均不得小于筒体内径的10%，且不应小于封头名义厚度的3倍*2.壁厚计算公式球面内半径Ri=0.9Di，过渡圆弧内半径r=0.17Di时为标准碟形封头。M=1.325，标准碟形封头的壁厚计算公式为：3.碟形封头的许用压力公式四、无折边球形封头*1.结构特点2.壁厚计算公式Q-系数，查相关图表求得。【注意】任何情况下，与无折边球形封头连接的圆筒厚度应不小于封头厚度。将碟形封头的直边和过渡圆弧部分去掉，球面部分直接焊在筒体上。又称为球冠形封头*五、锥形封头*1.结构特点优点：便于收集与卸除设备中的固体物料；还可作为塔设备的变径段。最大应力公式强度条件壁厚计算公式2.壁厚计算公式*3. 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 中的锥形封头结构无折边锥形封头带折边锥形封头六、平板封头*1.平板封头应力特点根据弹性力学的小挠度薄板理论，受均布载荷的平板，壁内产生两向弯曲应力：一是径向弯曲应力σr，一是切向弯曲应力σt。周边固支周边简支薄板的最大弯曲应力σmax与(R/S)2成正比，而薄壳的最大拉(压)应力σmax与R/S成正比。中心应力最大σr=σt周边应力最大-σr*2.平板封头的用途平板封头结构简单，制造方便，在压力不高，直径较小的容器中，采用平板封头比较经济简便。压力容器人孔、手孔；高压容器平板封头。3.平板封头壁厚计算公式K-与约束情况相关的结构特征系数精品课件！精品课件！七、封头的选择*1.几何方面半球形封头单位容积的表面积最小。椭圆形和碟形封头的容积和表面积基本相同。2.力学方面半球形封头>标准椭圆形封头>碟形封头>无折边球形封头锥形封头锥顶部分强度很高，锥顶尖开孔一般不需要补强。3.制造及耗材敲打、冲压、滚卷或爆炸成型。封头愈深，直径和壁厚愈大，则封头制造愈困难，尤其是当选用强度级别较高的钢材时更是如此。