第四篇壓力容器設(shè)計(jì)第七章內(nèi)壓容器7.1概述

7.1.1容器的結(jié)構(gòu)

殼體(筒體)、封頭(端蓋)、法蘭、支座、接口管及人孔等組成。常低壓化工設(shè)備通用零部件標(biāo)準(zhǔn)直接選用。

典型的薄壁殼體結(jié)構(gòu)示例圖如下:7.1.2容器的分類壓力容器分類按容器壁厚按承壓性質(zhì)按管理按工藝過程的作用原理

1、按容器壁厚薄壁容器：或厚壁容器：或2、按承壓性質(zhì)

內(nèi)壓：內(nèi)部介質(zhì)壓力大于外界壓力外壓：內(nèi)部介質(zhì)壓力小于外界壓力真空：內(nèi)部壓力小于一個(gè)絕對(duì)大氣壓的外壓容器表7-1內(nèi)壓容器的分類

容器分類設(shè)計(jì)壓力p（MPa）低壓容器0.1≤p＜1.6中壓容器1.6≤p＜10高壓容器10≤p＜100超高壓容器p≥1003、根據(jù)TSGR0004《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》基于設(shè)計(jì)壓力、容積和介質(zhì)危害性三個(gè)因素對(duì)壓力容器進(jìn)行分類，將所適用范圍內(nèi)的壓力容器劃分為第Ⅰ類壓力容器、第Ⅱ類壓力容器和第Ⅲ類壓力容器。

①介質(zhì)分組

壓力容器的介質(zhì)為氣體、液化氣體以及介質(zhì)最高工作溫度高于或者等于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液體，按其毒性危害程度和爆炸危險(xiǎn)程度分為以下兩組：ⅰ.第一組介質(zhì)：毒性危害程度為極度危害、高度危害的化學(xué)介質(zhì)，易爆介質(zhì)，液化氣體。ⅱ.第二組介質(zhì)：除第一組介質(zhì)以外的介質(zhì)。

其分類方法簡述如下:

介質(zhì)危害性是指壓力容器在生產(chǎn)過程中因事故致使介質(zhì)與人體大量接觸，發(fā)生爆炸或者因經(jīng)常泄漏引起職業(yè)性慢性危害的嚴(yán)重程度，用介質(zhì)毒性程度和爆炸危害程度表示。

毒性程度：綜合考慮急性毒性、最高容許濃度和職業(yè)性慢性危害等因素，極度危害最高容許濃度小于0.1mg/m3；高度危害最高容許濃度0.1mg/m3～1.0mg/m3；中度危害最高容許濃度1.0mg/m3～10.0mg/m3；輕度危害最高容許濃度大于或者等于10.0mg/m3。

易爆介質(zhì)：指氣體或者液體的蒸汽、薄霧與空氣混合形成的爆炸混合物，并且其爆炸下限小于10%，或者爆炸上限和爆炸下限的差值大于或者等于20%的介質(zhì)。具體介質(zhì)毒性危害程度和爆炸危險(xiǎn)程度按照HG20660《壓力容器中化學(xué)介質(zhì)毒性危害和爆炸危險(xiǎn)程度分類》確定；HG20660沒有規(guī)定的，由壓力容器設(shè)計(jì)單位參照GB5044《職業(yè)性接觸毒物危害程度分級(jí)》的原則，決定介質(zhì)組別。

②壓力力容器類類別劃分分方法壓力容器器分類的的劃分應(yīng)應(yīng)當(dāng)先按按照介質(zhì)質(zhì)特性，，按照以以下要求求選擇類類別劃分分圖，再再根據(jù)設(shè)設(shè)計(jì)壓力力p(單位MPa)和容積V(單位L)，標(biāo)出坐坐標(biāo)點(diǎn)，，確定壓壓力容器器類別。。ⅰ.對(duì)對(duì)于第一一組介質(zhì)質(zhì)，壓力力容器類類別的劃劃分見下下圖ⅱ.對(duì)于于第二組組介質(zhì)，，壓力容容器類別別的劃分分見下圖圖4、按應(yīng)應(yīng)用情況況反應(yīng)壓力力容器（（Ｒ）完完成物理理、化學(xué)學(xué)反應(yīng)，，如反應(yīng)應(yīng)器、反反應(yīng)釜、、分解鍋鍋、聚合合釜、變變換爐等等；換熱壓力力容器（（Ｅ）熱熱量交換換，如熱熱交換器器、管殼殼式余熱熱鍋爐、、冷卻器器、冷凝凝器、蒸蒸發(fā)器等等；分離壓力力容器（（Ｓ）流流體壓力力平衡緩緩沖和氣氣體凈化化分離，，如分離離器、過過濾器、、緩沖器器、吸收收塔、干干燥塔等等；儲(chǔ)存壓力力容器：：（Ｃ，，球罐為為Ｂ）儲(chǔ)儲(chǔ)存、盛盛裝氣體體、液體體、液化化氣體等等介質(zhì)，，如各種種形式的的貯罐、、貯槽、、高位槽槽、計(jì)量量槽、槽槽車等。。7.1.2壓壓力容器器的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)簡介壓力容器器標(biāo)準(zhǔn)是是全面總總結(jié)壓力力容器生生產(chǎn)、設(shè)設(shè)計(jì)、安安全等方方面的經(jīng)經(jīng)驗(yàn)，不不斷納入入新科技技成果而而產(chǎn)生的的。它是是壓力容容器設(shè)計(jì)計(jì)、制造造、驗(yàn)收收等必須須遵循的的準(zhǔn)則。。壓力容容器標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)涉及設(shè)設(shè)計(jì)方法法、選材材及制造造、檢驗(yàn)驗(yàn)方法等等。㈠國內(nèi)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)2011年我國國壓力容容器標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)化技術(shù)術(shù)委員會(huì)會(huì)修訂了了GB150-2011《壓壓力容器器》GB150《壓壓力容器器》內(nèi)容容包括：：通用要求求材料設(shè)計(jì)制造、檢檢驗(yàn)和驗(yàn)驗(yàn)收㈡國外外主要規(guī)規(guī)范國外的規(guī)規(guī)范主要要有四個(gè)個(gè)：美國ASME規(guī)規(guī)范，英國壓力力容器規(guī)規(guī)范（BS），，日本國家家標(biāo)準(zhǔn)（（JIS），德國壓力力容器規(guī)規(guī)范（AD）。。美國ASME規(guī)規(guī)范美國機(jī)械械工程師師協(xié)會(huì)（（ASME）制制定的《《鍋爐及及壓力容容器規(guī)范范》。美美國國家家標(biāo)準(zhǔn)該規(guī)范規(guī)規(guī)模龐大大、內(nèi)容容完善，，僅依靠靠其本身身即可完完成選材材、設(shè)計(jì)計(jì)、制造造、檢驗(yàn)驗(yàn)、試驗(yàn)驗(yàn)、安裝裝及運(yùn)行行等全部部工作環(huán)環(huán)節(jié)。美國ASME規(guī)規(guī)范與壓力容容器密切切相關(guān)有有：第第Ⅱ卷材材料技技術(shù)條件件、第ⅤⅤ卷無無損檢驗(yàn)驗(yàn)、第ⅧⅧ卷壓壓力容器器及第ⅨⅨ卷焊焊接及釬釬焊評(píng)定定。每年增補(bǔ)補(bǔ)一次，，每三年年出一新新版，技技術(shù)先進(jìn)進(jìn)，修訂訂及時(shí)，，能迅速速反映世世界壓力力容器科科技發(fā)展展的最新新成就，，為世界界上影響響最大的的一部規(guī)規(guī)范。7.1.4壓壓力容器器的失效效形式與與

設(shè)計(jì)計(jì)準(zhǔn)則1、壓力力容器的的失效形形式（1）強(qiáng)強(qiáng)度失效效（2）剛剛度失效效（3）失失穩(wěn)失效效（4）泄泄漏失效效2、壓力力容器的的設(shè)計(jì)準(zhǔn)準(zhǔn)則（1）彈彈性失效效設(shè)計(jì)準(zhǔn)準(zhǔn)則（2）塑塑性失效效設(shè)計(jì)準(zhǔn)準(zhǔn)則（3）爆爆破失效效設(shè)計(jì)準(zhǔn)準(zhǔn)則7.2內(nèi)內(nèi)壓薄薄壁容器器設(shè)計(jì)的理論基基礎(chǔ)下圖為一一般回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)薄壁殼殼體的中中間面，，由于回回轉(zhuǎn)薄壁壁殼體的的厚度很很小，故故通?？捎糜弥虚g面面來代表表回轉(zhuǎn)薄薄壁殼體體的幾何何特性。。7.2.1回回轉(zhuǎn)薄壁壁殼體的的幾何特特性坐標(biāo)系：：采用柱坐坐標(biāo)，在在r-z坐標(biāo)面面上研究究回轉(zhuǎn)薄薄殼的幾幾何特性性經(jīng)線、平平行圓(1)通通過回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)軸的平平面稱為為經(jīng)線平平面，經(jīng)線平面面與殼體體中間面面的交線線稱為經(jīng)經(jīng)線。(2)垂直于回回轉(zhuǎn)軸的的平面與與中間面面的交線線形成的的圓稱為為平行圓圓，該圓的的半徑稱稱為平行行圓半徑徑，用r表示。第一曲率率半徑、、第二曲曲率半徑徑(1)經(jīng)經(jīng)線上任任一點(diǎn)A處的曲曲率半徑徑稱為第第一曲率率半徑，，用R1表示。(2)通過經(jīng)線線上任一一點(diǎn)A作垂直直于經(jīng)線線的平面面，該平平面與中中間面相相交形成成一條平平面曲線線，如圖圖(a)中D、A、C三三點(diǎn)所在在的曲線線，該曲曲線在A點(diǎn)的曲曲率半徑徑稱為第第二曲率率半徑，，用R2表示。(3)第一和第第二曲率率半徑的的曲率中中心都位位于A點(diǎn)的法法線上，，且第二二曲率半半徑的曲曲率中心心必落在在對(duì)稱軸軸上。在圖中，，R1=AK1，R2=AK2。(4)由由高等數(shù)數(shù)學(xué)知，，只要已已知經(jīng)線線方程z=z(r)，，經(jīng)線上上任一點(diǎn)點(diǎn)的第一一曲率半半徑R1可用下式求解：：(5)平平行圓半半徑r與第二二曲率半半徑R2之間有如如下關(guān)系系：7.2.2回回轉(zhuǎn)薄壁壁殼體的的無力矩矩理論如果回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)薄壁殼殼體受到到軸對(duì)稱稱載荷作作用，支支承容器器的邊界界也對(duì)稱稱于軸線線，則殼殼體因外外載荷作作用而引引起的內(nèi)內(nèi)力和變變形問題題屬于軸軸對(duì)稱問問題。軸對(duì)稱問問題中在在殼體內(nèi)內(nèi)產(chǎn)生的的應(yīng)力在在同一平平行圓上上沒有變變化，但但沿經(jīng)線線(如圖中的的曲線O1B)一般是是變化的的。內(nèi)壓薄壁壁容器承承受的載載荷通常常為氣體體壓力和和液體的的靜壓力力。一般般情況下下，氣體體壓力是是主要的的載荷，，液體的的靜壓力力相對(duì)較較小。一、無無力矩理理論概述述為了分析析薄壁殼殼體中一一點(diǎn)的應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)態(tài)，通常常如前面面圖示截截取微元元體。用經(jīng)向平平面截殼殼體形成成的截面面稱為縱截面或或經(jīng)向截截面，以第二二曲率半半徑R2為母線形形成的錐錐面截殼殼體形成成的截面面稱為錐截截面。一般情況況下，經(jīng)經(jīng)向截面面兩側(cè)材材料在經(jīng)經(jīng)向和殼殼體法線線方向，，錐截面面兩側(cè)材材料在周周向，都都不會(huì)存存在相對(duì)對(duì)錯(cuò)動(dòng)的的剪切變變形，因因而在經(jīng)經(jīng)向截面面上和錐錐截面的的周向都都不可能能存在剪剪力。彎彎矩、、是是由由于周向向和經(jīng)向向的曲率率變化引引起的，，橫剪力力則則是是由于錐錐截面兩兩側(cè)材料料在沿殼殼體法線線方向可可能存在在的剪切切變形引引起的。。和是是由于于殼體中中間面的的拉伸或或壓縮變變形而產(chǎn)產(chǎn)生的，，稱為薄薄膜內(nèi)力力。在殼體理理論中，，如果全全部考慮慮上述內(nèi)內(nèi)力，這這種理論論稱為““有力矩矩理論””或“彎彎曲理論論”。一般只承承受氣體體壓力和和液體靜靜壓力的的情況下下，在容容器殼體體的大部部分區(qū)域域，其彎彎矩和橫橫剪力與與薄膜內(nèi)內(nèi)力相比比是很小小的，如如果略去去不計(jì)，，將使殼殼體的應(yīng)應(yīng)力分析析大大簡簡化而不不致引起起大的誤誤差。此此時(shí)，殼體的應(yīng)應(yīng)力狀態(tài)態(tài)僅由薄薄膜內(nèi)力力和和確確定定，稱為為“無矩矩應(yīng)力狀狀態(tài)”，，如圖(c)所示。?；谶@一一近似假假設(shè)求解解這些薄薄膜內(nèi)力力的理論論，稱為為“無力力矩理論論”或““薄膜理理論”。。薄壁容器器殼體的的應(yīng)力分分析和強(qiáng)強(qiáng)度計(jì)算算都是以以無力矩矩理論為為基礎(chǔ)的的。二、無無力矩理理論的基基本方程程式殼體處于于“無矩矩應(yīng)力狀狀態(tài)”時(shí)時(shí)，類似似于薄膜膜(如氣球承承受內(nèi)部部氣壓)僅靠張張力承承壓，，故稱稱為““薄膜膜理論論”。。假設(shè)該該微段段柔索索上作作用的的法向向總力力是一一微小小的力力，在在圖7-3中為為水平平方向向，用用dP表示示。由由于柔柔索具具有一一定的的曲率率，截截面上上的拉拉伸內(nèi)內(nèi)力(張力)N不是是作用用在同同一條條直線線上，，其合合力可可以平平衡法法向總總力dP。。由圖圖7-3易易知其其平衡衡方程程，即

圖7-3柔索承受法向力示意圖由于夾夾角很很微小小，則則有薄膜或或薄壁壁殼體體承受受內(nèi)壓壓與柔柔索承承受法法向力力是相相似的的，區(qū)區(qū)別僅僅在于于薄壁壁殼體體是在在經(jīng)向向和周周向均均有曲曲率，，兩個(gè)個(gè)方向向的薄薄膜內(nèi)內(nèi)力都都對(duì)平平衡內(nèi)內(nèi)壓p有貢獻(xiàn)獻(xiàn)，但但每一一方向向所平平衡的的內(nèi)壓壓部分分都可可應(yīng)用用上式式進(jìn)行行計(jì)算算。于于是有有式中dP為為在殼殼體微微元內(nèi)內(nèi)表面面上作作用的的法向向總力力，其其值為為內(nèi)壓壓p與殼體體微元元中間間面(可視視為矩矩形平平面)面積積的乘乘積。。設(shè)殼體體微元元的厚厚度為δ，，經(jīng)向向截面面上的的薄膜膜應(yīng)力力為，稱為為周向向應(yīng)力力或環(huán)環(huán)向應(yīng)應(yīng)力，，錐截截面上上的薄薄膜應(yīng)應(yīng)力為為，稱為為經(jīng)向向應(yīng)力力，則則有上式表示了了回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)殼體體上任任一點(diǎn)點(diǎn)的兩兩向薄薄膜應(yīng)應(yīng)力與與內(nèi)壓壓力p的平平衡關(guān)關(guān)系，，稱為為微體體平衡衡方程程式。微體平平衡方方程式式(7-1)在軸對(duì)對(duì)稱問問題中中，殼殼體中中點(diǎn)的的應(yīng)力力在同同一平平行圓圓上是是不變變的，，但沿沿經(jīng)線線一般般來說說是變變化的的。由由于經(jīng)經(jīng)向應(yīng)應(yīng)力作作用在在錐截截面上上，因因此，，可以以按照錐錐截面面把薄薄壁殼殼體截截開，，取其其中任任一部部分，，研究究所取取殼體體的軸軸向平平衡條條件，，就可可將經(jīng)經(jīng)向應(yīng)應(yīng)力求求出來來。如如此截截取殼殼體的的部分分區(qū)域域得到到的軸軸向平平衡方方程稱稱為區(qū)區(qū)域平平衡方方程式式。(a)(b)圖7-4回轉(zhuǎn)薄薄殼的的軸向向平衡衡殼體承承受均均布?xì)鈿鈮簳r(shí)時(shí)的軸軸向平平衡條條件，，即區(qū)區(qū)域平平衡方方程式式為以上兩兩式即即為承受氣氣體壓壓力作作用的的容器器殼體體內(nèi)兩兩向薄薄膜應(yīng)應(yīng)力的的計(jì)算算公式式。故代入微微體平平衡方方程式式，得(7-2)(7-3)7.2.3無力矩矩理論論在容容器應(yīng)應(yīng)力分分析中中的應(yīng)應(yīng)用

分析析幾種種工程程中典典型回回轉(zhuǎn)薄薄殼的的薄膜膜應(yīng)力力：承受氣氣體內(nèi)內(nèi)壓的的回轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)薄殼殼球形殼殼體薄壁圓圓筒錐形殼殼體橢球形形殼體體1.球球形殼殼體球形殼殼體上上各點(diǎn)點(diǎn)的第第一曲曲率半半徑與與第二二曲率率半徑徑相等等，即R1=R2=R將曲率率半徑徑代入入式（（7-2））和式式（7-3）得得：（7-4）2.薄薄壁圓圓筒薄壁圓圓筒中中各點(diǎn)點(diǎn)的第第一曲曲率半半徑和和第二二曲率率半徑徑分別別為R1=∞；；R2=R將R1、R2代入（（7-2））和式式（7-3）得得：薄壁圓圓筒中中，周周向應(yīng)應(yīng)力是是軸向向應(yīng)力力的2倍（7-5）3.錐錐形殼殼體錐形殼殼體的的應(yīng)力力（7-6））R1=式（7-2）（7-3）由式（7-6）可知：①周向應(yīng)力和經(jīng)向應(yīng)力與x呈線性關(guān)系，錐頂處應(yīng)力為零，離錐頂越遠(yuǎn)應(yīng)力越大，且周向應(yīng)力是經(jīng)向應(yīng)力的兩倍；②錐殼的半錐角α是確定殼體應(yīng)力的一個(gè)重要參量。當(dāng)α0°時(shí)，錐殼的應(yīng)力圓筒的殼體應(yīng)力。當(dāng)α90°時(shí)，錐體變成平板，應(yīng)力無限大。推導(dǎo)思思路：：式（7-2）（（7-3））橢圓曲線方程R1和R2（7-7）

又稱胡金伯格方程4.橢橢球球形殼殼體工程上常用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，其a/b=2。

的數(shù)值在頂點(diǎn)處和赤道處大小相等但符號(hào)相反，即頂點(diǎn)處為，赤道上為-，恒是拉伸應(yīng)力，在頂點(diǎn)處達(dá)最大值為。7.2.4無無力矩矩理論論的應(yīng)應(yīng)用條條件1、殼殼體的的厚度度、中中面曲曲率和和載荷荷連續(xù)續(xù)，材材料的的物理理性能能相同同。2、殼殼體的的邊界界處不不受橫橫向剪剪力、、彎矩矩和轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩作作用。。3、殼殼體的的邊界界處的的約束束沿徑徑向的的切線線方向向，不不得限限制邊邊界處處的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角與與撓度度。7.3容容器邊緣應(yīng)應(yīng)力及其處處理7.3.1邊緣應(yīng)應(yīng)力的產(chǎn)生生相鄰兩段性性能不同，，或所受溫溫度或壓力力不同，導(dǎo)致致兩部分變變形量不同同，但又相相互約束，從從而產(chǎn)生較較大的剪力力與彎矩。。筒體與封頭頭聯(lián)接為例例，邊緣應(yīng)應(yīng)力數(shù)值很很大，有時(shí)導(dǎo)導(dǎo)致容器失失效，應(yīng)重重視。無力矩理論論忽略了剪剪力與彎矩矩的影響，，可以滿足足工程設(shè)計(jì)計(jì)精度的要要求。但對(duì)圖中所所示的一些些情況，就就須考慮彎彎矩的影響響。7.3.2邊緣應(yīng)應(yīng)力的特點(diǎn)點(diǎn)邊緣應(yīng)力具具有局限性性和自限性性兩個(gè)基本本特性：1．局限性性——大大多數(shù)都有有明顯的衰衰減波特性性，隨離開開邊緣的距距離增大，，邊緣應(yīng)力力迅速衰減減。2．自限性性——彈彈性變形相相互制約，，一旦材料料產(chǎn)生塑性性變形，彈彈性變形約約束就會(huì)緩緩解，邊緣緣應(yīng)力自動(dòng)動(dòng)受到限制制，即邊緣緣應(yīng)力的自自限性。塑性好的材材料可減少少容器發(fā)生生破壞。局部性與自自限性，設(shè)設(shè)計(jì)中一般般不按局部部應(yīng)力來確確定厚度，，而是在結(jié)結(jié)構(gòu)上作局局部處理。。但對(duì)于脆性性材料，必必須考慮邊邊緣應(yīng)力的的影響。7.4內(nèi)壓壓薄壁容器器的設(shè)計(jì)7.4.1內(nèi)壓筒筒體設(shè)計(jì)（一）內(nèi)壓壓圓筒的厚厚度計(jì)算筒體內(nèi)較大大的環(huán)向應(yīng)應(yīng)力不應(yīng)高高于在設(shè)計(jì)溫度下材材料的許用用應(yīng)力，即即[σ]t-設(shè)計(jì)溫度度t℃下材材料許用應(yīng)應(yīng)力，MPa。實(shí)際設(shè)計(jì)中中須考慮三三個(gè)因素：：（1）焊接接接頭系數(shù)數(shù)（2）容器器內(nèi)徑（3）壁壁厚（1）焊接接接頭系數(shù)數(shù)鋼板卷焊。。夾渣、氣氣孔、未焊焊透等缺陷，導(dǎo)致焊焊縫及其附附近區(qū)域強(qiáng)強(qiáng)度可能低低于鋼材本體體的強(qiáng)度。。鋼板[σ]t乘以焊接接接頭系數(shù)φ，φ≤1（2）容容器內(nèi)徑工藝設(shè)計(jì)確確定內(nèi)徑Di，制造測量也也是內(nèi)徑，，而受力分析析中的D卻是中面直徑。。解出δ，得到內(nèi)壓壓圓筒的厚度計(jì)算算式(二）內(nèi)壓壓球殼的厚厚度計(jì)算設(shè)計(jì)溫度下下球殼的計(jì)計(jì)算厚度：：對(duì)于受均勻勻內(nèi)壓封頭頭的設(shè)計(jì)，，原則上應(yīng)應(yīng)根據(jù)封頭頭的幾何形形狀和尺寸寸，除了考考慮由內(nèi)壓壓引起的薄薄膜應(yīng)力之之外，還應(yīng)應(yīng)考慮連接接邊緣的不不連續(xù)應(yīng)力力，但實(shí)際際上由于按按照應(yīng)力分分析進(jìn)行設(shè)設(shè)計(jì)甚為復(fù)復(fù)雜，故封封頭設(shè)計(jì)中中采用了比比較簡單的的方法。對(duì)承受靜載載荷的一般般封頭，僅僅以遠(yuǎn)離邊邊緣區(qū)域的的薄膜應(yīng)力力或彎曲應(yīng)應(yīng)力進(jìn)行分分析并加以以限制，對(duì)對(duì)于由各種種原因引起起的邊緣應(yīng)應(yīng)力，僅在在結(jié)構(gòu)形式式上定性地地加以限制制，或在設(shè)設(shè)計(jì)公式中中引入形狀狀系數(shù)或應(yīng)應(yīng)力增強(qiáng)系系數(shù)，把按按薄膜應(yīng)力力或彎曲應(yīng)應(yīng)力求得的的厚度適當(dāng)當(dāng)予以放大大。7.4.2內(nèi)壓封封頭設(shè)計(jì)(1)半球球形封頭與內(nèi)壓球殼殼的厚度設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)算相相同:受內(nèi)壓時(shí)，，由于半球球形封頭的的薄膜應(yīng)力力較其它封封頭為最小小，所以所所需壁厚最最薄。根據(jù)據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)定定，封頭中中只有半球球形封頭的的最小厚度度可以小于于筒體厚度度。不過，，有時(shí)為了焊焊接方便，，也可取與與筒體等厚厚度。(2)橢圓圓形封頭橢圓形封頭頭中最大薄薄膜應(yīng)力與與橢圓的長長短軸之比比a/b有關(guān)，從橢橢球形殼體體的應(yīng)力分分析中可看看出，其計(jì)計(jì)算公式較較為復(fù)雜。。橢圓形封封頭上的最最大綜合應(yīng)應(yīng)力(薄膜應(yīng)力與與邊緣應(yīng)力力的合成應(yīng)應(yīng)力)可由下式式計(jì)算：式中K——橢圓形形封頭形狀狀系數(shù)，由由a/b=Di/2hi的比值確定定：根據(jù)彈性失失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)準(zhǔn)則，考慮慮焊接接頭頭系數(shù)φ，，并代入D=Di+δδ，則有有：進(jìn)行適當(dāng)簡簡化后，即即得一般橢橢圓形封頭頭的設(shè)計(jì)公公式為：對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)橢橢圓形封頭頭(a/b=Di/2hi=2)，K=1，，則上式可可寫成當(dāng)橢圓形封封頭Di≤≤1500mm時(shí)，，一般采用整整塊鋼板沖沖壓成型，，此時(shí)φ=1.0；當(dāng)Di＞＞1500mm時(shí)，，因受鋼板板尺寸的限限制，需要要由幾塊鋼鋼板拼焊成成坯料，然然后加熱沖沖壓成型，，此時(shí)φ值值須視焊接接結(jié)構(gòu)及其其無損檢測測情況而定定。(3)碟形形封頭碟形封頭又又稱帶折邊邊的球形封頭，，它由三部部分組成：：第一部分是是以Ri≤Di的球面部分分；第二部分是是r≥10%Di且r≥3δδn的過渡圓弧弧部分；第三部分是是高度為h0=25mm、40mm的直邊邊段，如圖圖所示。為了不使碟碟形封頭過過淺而成為為平板狀并并降低過渡渡圓弧與球球面部分和和柱面部分分聯(lián)接處的的邊緣應(yīng)力力，通常取取Ri=0.9Di,r=0.17Di。由于在球面面、柱面與與過渡環(huán)殼殼的連接點(diǎn)點(diǎn)，都存在在曲率半徑徑的不連續(xù)續(xù)，因而在在這兩點(diǎn)處處必須按照照有力矩理理論求解其其邊緣應(yīng)力力。但這樣樣處理，在在設(shè)計(jì)時(shí)又又過于復(fù)雜雜，因而在在工程設(shè)計(jì)時(shí)時(shí)，在橢圓圓形封頭設(shè)設(shè)計(jì)公式的的基礎(chǔ)上并并考慮到碟碟形封頭的的形狀特征征，得到碟碟形封頭的的設(shè)計(jì)公式式為：式中M——碟形形封頭的形形狀系數(shù)，，由Ri/r的比比值確定；；Ri——碟形封封頭的球面面部分內(nèi)半半徑，Ri≤Di。(4)其他他封頭對(duì)于承受內(nèi)內(nèi)壓的球冠冠形封頭、、錐形封頭頭和平蓋的的設(shè)計(jì)詳見見GB150。上述容器及及其封頭厚厚度設(shè)計(jì)公公式中的一一些參數(shù)，，均應(yīng)按國國家標(biāo)準(zhǔn)GB150《壓力容容器》的有有關(guān)規(guī)定取取值，現(xiàn)介紹如下：(1)設(shè)計(jì)計(jì)壓力與計(jì)計(jì)算壓力1)設(shè)計(jì)壓壓力在介紹設(shè)計(jì)計(jì)壓力的概概念之前，，下面先介介紹國家標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)GB150有關(guān)壓力的的有關(guān)定義義。7.2.3壓力容容器設(shè)計(jì)技技術(shù)參數(shù)的的確定①壓力除除注明者外外，壓力系指表表壓力。②工作壓壓力pw工作壓力是是指正常工工作情況下下，容器頂頂部可能達(dá)達(dá)到的最高高壓力。③設(shè)計(jì)壓力p設(shè)計(jì)壓力是是指設(shè)定的的容器頂部部的最高壓壓力，與相相應(yīng)的設(shè)計(jì)計(jì)溫度一起起作為設(shè)計(jì)計(jì)載荷條件件，其值不不低于工作作壓力。設(shè)計(jì)壓力的的確定原則則是應(yīng)該根根據(jù)容器最最危險(xiǎn)的操操作情況而而定。④計(jì)算壓力pc計(jì)算壓力是是指相應(yīng)設(shè)設(shè)計(jì)溫度下下，用以確確定元件厚厚度的壓力力,包括液液柱靜壓力力等附加載載荷。設(shè)計(jì)壓力的的確定一般般可以根據(jù)據(jù)下列原則則：①對(duì)于裝有超超壓泄放裝裝置的壓力力容器，其其設(shè)計(jì)壓力力p應(yīng)根據(jù)據(jù)超壓泄放放裝置的不不同種類分分別進(jìn)行確確定。例如如，裝有有安安全全閥閥的的壓壓力力容容器器，，考考慮慮到到安安全全閥閥開開啟啟動(dòng)動(dòng)作作的的滯滯后后而而使使容容器器不不能能及及時(shí)時(shí)泄泄壓壓，，其其設(shè)設(shè)計(jì)計(jì)壓壓力力p不不應(yīng)應(yīng)低低于于安安全全閥閥的的開開啟啟壓壓力力，，通通常常可可取取最最高高工工作作壓壓力力的的1.05～～1.10倍倍；；裝有爆爆破片片的壓壓力容容器，，其設(shè)設(shè)計(jì)壓壓力p不得得低于于爆破破片的的爆破破壓力力。②對(duì)于盛盛裝液液化氣氣體的的容器器，其其設(shè)計(jì)計(jì)壓力力取決決于正正常操操作時(shí)時(shí)可能能達(dá)到到的最最高介介質(zhì)溫溫度即即最高高操作作溫度度下對(duì)對(duì)應(yīng)的的飽和和蒸汽汽壓，，設(shè)計(jì)計(jì)壓力力的具具體確確定方方法可可參考考TSGR0004確確定。。(2)設(shè)計(jì)計(jì)溫度度設(shè)計(jì)溫溫度系系指容容器在在正常常工作作情況況下，，設(shè)定定元件件的金金屬溫溫度(沿元件件金屬屬截面面的溫溫度平平均值值)。設(shè)計(jì)溫溫度不不得低低于元元件金金屬在在工作作狀態(tài)態(tài)可能能達(dá)到到的最最高溫溫度。。對(duì)于0°C以下下的金金屬溫溫度，，設(shè)計(jì)計(jì)溫度度不得得高于于元件件金屬屬可能能達(dá)到到的最最低溫溫度。。容器各各部分分在工工作狀狀態(tài)下下的金金屬溫溫度不不同時(shí)時(shí)，可可分別別設(shè)定定每部部分的的設(shè)計(jì)計(jì)溫度度。設(shè)計(jì)溫溫度與與設(shè)計(jì)計(jì)壓力力一起起作為為設(shè)計(jì)計(jì)載荷荷條件件，對(duì)有有不同同工況況的壓壓力容容器，，應(yīng)按按最苛苛刻的的工況況設(shè)計(jì)計(jì)，必必要時(shí)時(shí)還需需考慮慮不同同工況況的組組合，，并在在圖樣樣或相相應(yīng)技技術(shù)文文件中中注明明各工工況操操作條條件和和設(shè)計(jì)計(jì)條件件下的的壓力力和溫溫度值值。(3)許用用應(yīng)力力與安安全系系數(shù)材料的的許用用應(yīng)力力[σ]t是壓力容容器筒筒體、、封頭頭等受受壓元元件的的材料料許用用強(qiáng)度度，其其確定定方法法與前前述第第5章章介紹紹的方方法相相同，，即取材料料的極極限應(yīng)應(yīng)力與與材料料安全全系數(shù)數(shù)之比比而得得到，其中中材料料的極極限應(yīng)應(yīng)力有有屈服服強(qiáng)度度ReL(或Rp0.2)、抗拉拉強(qiáng)度度Rm、蠕變變極限限Rn和持久久強(qiáng)度度RD等。為便于于設(shè)計(jì)計(jì)，表表14-4列出出了國國家標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)GB150規(guī)定定的安安全系系數(shù)，，附錄錄中還還列出出了國國家標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)GB150中常常用的的鋼板板和鋼鋼管許許用應(yīng)應(yīng)力值值。(4)焊接接接頭頭系數(shù)數(shù)大多數(shù)數(shù)壓力力容器器采用用焊接接結(jié)構(gòu)構(gòu)，而而焊縫縫又是是容器器上比比較薄薄弱的的環(huán)節(jié)節(jié)，較較多事事故發(fā)發(fā)生都都是由由于焊焊接接接頭金金屬部部分焊焊接熱熱影響響區(qū)的的破裂裂引起起的。。由于焊焊接過過程會(huì)會(huì)使金金屬組組織成成分發(fā)發(fā)生變變化，，導(dǎo)致致晶粒粒變粗粗、韌韌性下下降，，同時(shí)時(shí)可能能存在在夾渣渣、氣氣孔及及未焊焊透等等缺陷陷致使使焊接接接頭頭本身身的強(qiáng)強(qiáng)度削削弱。。因此，，在設(shè)計(jì)計(jì)中引引入焊焊接接接頭系系數(shù)φ，應(yīng)根根據(jù)受受壓元元件的的焊接接接頭頭型式式及無無損檢檢測的的長度度比例例確定定，其其具體體數(shù)值值按下下表選選取。。焊接接頭型式結(jié)構(gòu)簡圖焊接接頭系數(shù)φ全部無損檢測局部無損檢測雙面焊對(duì)接接頭和相當(dāng)于雙面焊的全焊透對(duì)接接頭1.000.85單面焊對(duì)接接頭(沿焊縫根部全長有緊貼基本金屬的墊板)

0.90

0.80(5)厚度度及厚厚度附附加量量1)厚厚度附附加量量厚度附附加量量C按下式式確定定：C=C1＋C2式中C1——鋼鋼板厚厚度負(fù)負(fù)偏差差，mm；；C2——腐腐蝕裕裕量，，mm。鋼板厚厚度負(fù)負(fù)偏差差應(yīng)按按相應(yīng)應(yīng)鋼材材標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)的規(guī)規(guī)定選選取。。Q245R、Q345R和16MnDR等等鍋爐爐和壓壓力容容器常常用鋼鋼板的的厚度度負(fù)偏偏差均均為0.30mm。。GB24511《承承壓設(shè)設(shè)備用用不銹銹鋼鋼鋼板和和鋼帶帶》中中對(duì)于于熱軋軋不銹銹鋼厚厚鋼板板(公稱厚厚度≥≥5mm)的負(fù)偏偏差也也規(guī)定定為0.30mm。。為防止止壓力力容器器受壓壓元件件由于于腐蝕蝕、機(jī)機(jī)械磨磨損而而導(dǎo)致致厚度度削弱弱減薄薄，對(duì)對(duì)與腐腐蝕介介質(zhì)直直接接接觸的的筒體體、封封頭、、接管管等受受壓元元件，，均應(yīng)應(yīng)考慮慮腐蝕蝕裕量量C2，具體體規(guī)定定如下下：ⅰ.對(duì)對(duì)有均均勻腐腐蝕或或磨損損的元元件，，應(yīng)根根據(jù)預(yù)預(yù)期的的容器器設(shè)計(jì)計(jì)使用用年限限和介介質(zhì)對(duì)對(duì)金屬屬材料料的腐腐蝕速速率(及磨蝕蝕速率率)確定定腐蝕蝕裕量量；ⅱ.容容器各各元件件受到到的腐腐蝕程程度不不同時(shí)時(shí)，可可采取取不同同的腐腐蝕裕裕量；；ⅲ.介介質(zhì)為為壓縮縮空氣氣、水水蒸汽汽或水水的碳碳素結(jié)結(jié)構(gòu)鋼鋼或低低合金金結(jié)構(gòu)構(gòu)鋼制制容器器，腐腐蝕裕裕量不不小于于1mm。2)為便于計(jì)算算以及滿足足設(shè)計(jì)和制制造不同階階段厚度的的變化，GB150對(duì)各種厚厚度的含義義進(jìn)行了如如下的敘述述：①計(jì)算厚度δδ計(jì)算厚度是是指按相應(yīng)應(yīng)公式計(jì)算算得到的厚厚度。需要時(shí)，尚尚應(yīng)計(jì)入其其他載荷所所需厚度。。②設(shè)計(jì)厚度δδd設(shè)計(jì)厚度是是指計(jì)算厚厚度與腐蝕蝕裕量之和和，即δd=δ+C2。③名義厚度δδn名義厚度是是指設(shè)計(jì)厚厚度加上鋼鋼板負(fù)偏差差后向上圓圓整至鋼材材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格格的厚度，，即標(biāo)注注在圖樣上上的厚度。。④有效厚度δδe有效厚度是是指名義厚厚度減去鋼鋼板厚度負(fù)負(fù)偏差和腐腐蝕裕量，，即δe=δn-C1-C2。它也是容器器在整個(gè)使使用期內(nèi)可可以依靠用用于承受介介質(zhì)壓力的的厚度。3)壓力容容器的最小小厚度在壓力容器器設(shè)計(jì)中，，對(duì)于壓力力較低(如低壓或常常壓)的容器，，按強(qiáng)度計(jì)計(jì)算公式得得到的厚度度很小，往往往不能滿滿足制造、、運(yùn)輸和安安裝時(shí)的剛剛度要求，，因此，對(duì)對(duì)殼體元件件規(guī)定了加加工成形后后不包括腐腐蝕裕量的的最小厚度度。GB150對(duì)對(duì)壓力容容器殼體體的最小小厚度的的規(guī)定為為：ⅰ.對(duì)對(duì)碳素鋼鋼、低合合金鋼制制容器，，不小于于3mm；ⅱ.對(duì)對(duì)高合金金鋼制容容器，一一般應(yīng)不不小于2mm。。4）各種種厚度的的定義及及表示厚度計(jì)算厚度δ設(shè)計(jì)厚度δd名義厚度δn有效厚度δe成型厚度計(jì)算厚度度（δ））——由由公式采采用計(jì)算算壓力得得到的厚厚度。必要時(shí)還還應(yīng)計(jì)入入其它載載荷對(duì)厚厚度的影影響。設(shè)計(jì)厚度度（δd）———計(jì)算厚厚度與腐腐蝕裕量量之和。。δd＝δδ＋C2名義厚度度（δn）———設(shè)計(jì)厚厚度加上上鋼材厚厚度負(fù)偏偏差后向向上圓整整至鋼材材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)規(guī)格的厚厚度，即即標(biāo)注在在圖樣上上的厚度度。δn＝δδd＋C1＋Δ=δδ＋＋C1＋C2＋Δ有效厚度度（δe）———名義厚厚度減去去鋼材負(fù)負(fù)偏差和和腐蝕裕裕量。δe＝δn－C1－C2厚度附加