第二節(jié)內(nèi)壓薄壁容器設(shè)計(jì)1一、薄壁容器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)（一）薄壁容器

根據(jù)容器外徑DO與內(nèi)徑Di的比值K來(lái)判斷，K≤1.2為薄壁容器，K＞1.2為厚壁容器2（二）圓筒形薄壁容器承受內(nèi)壓時(shí)的應(yīng)力

只有拉應(yīng)力無(wú)彎曲，“環(huán)向纖維”和“縱向纖維”受到拉力。

σ1（或σ軸）圓筒母線(xiàn)方向(即軸向拉應(yīng)力）σ2（或σ環(huán)）圓周方向的拉應(yīng)力。3（三）圓筒的應(yīng)力計(jì)算1.軸向應(yīng)力（D-筒體平均直徑，亦稱(chēng)中徑，mm；p-內(nèi)壓,MPa；δ-壁厚，mm）

2.環(huán)向應(yīng)力4分析：（1）薄壁圓筒受內(nèi)壓環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力兩倍。

問(wèn)題a：筒體上開(kāi)橢圓孔，如何開(kāi)？應(yīng)使其短軸與筒體的軸線(xiàn)平行，以盡量減少開(kāi)孔對(duì)縱截面的削弱程度，使環(huán)向應(yīng)力不致增加很多。5問(wèn)題b：鋼板卷制圓筒形容器，縱焊縫與環(huán)焊縫哪個(gè)易裂？筒體縱向焊縫受力大于環(huán)向焊縫，故縱焊縫易裂，施焊時(shí)應(yīng)予以注意。6二、無(wú)力矩理論基本方程式（一）基本概念與基本假設(shè)1．基本概念（1）旋轉(zhuǎn)殼體：殼體中面（等分殼體厚度）是任意直線(xiàn)或平面曲線(xiàn)作母線(xiàn)，繞其同平面內(nèi)的軸線(xiàn)旋轉(zhuǎn)一周而成的旋轉(zhuǎn)曲面。（2）軸對(duì)稱(chēng)殼體的幾何形狀、約束條件和所受外力都是對(duì)稱(chēng)于某一軸。化工用的壓力容器通常是軸對(duì)稱(chēng)。7（3）旋轉(zhuǎn)殼體的幾何概念

母線(xiàn)與經(jīng)線(xiàn)、法線(xiàn)、平行圓第一曲率半徑：經(jīng)線(xiàn)曲率半徑第二曲率半徑：垂直于經(jīng)線(xiàn)的平面與中面相割形成的曲線(xiàn)BE的曲率半徑82．基本假設(shè)

假定殼體材料有連續(xù)性、均勻性和各向同性，即殼體是完全彈性的。

(1)小位移假設(shè)－尺寸不變

各點(diǎn)位移都遠(yuǎn)小于厚度?？捎米冃吻俺叽绱孀冃魏蟪叽纭Ｗ冃畏治鲋懈唠A微量可忽略。

(2)直線(xiàn)法假設(shè)－厚度不變

變形前垂直于中面直線(xiàn)段，變形后仍是直線(xiàn)并垂直于變形后的中面。變形前后法向線(xiàn)段長(zhǎng)度不變。沿厚度各點(diǎn)法向位移相同，厚度不變。

(3)不擠壓假設(shè)－兩向應(yīng)力

各層纖維變形前后互不擠壓。9（二）無(wú)力矩理論基本方程式1）無(wú)力矩理論（稱(chēng)薄膜理論）定義：它假設(shè)壁厚與直徑相比很小，薄殼像薄膜一樣，只能承受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，完全不能承受彎矩和彎曲應(yīng)力，即在薄殼的內(nèi)力素中忽略了彎矩的作用。2）無(wú)力矩理論（稱(chēng)薄膜理論）是設(shè)計(jì)壓力容器的基礎(chǔ)。無(wú)力矩理論基本方程式：（3-3）－平衡方程（3-4）－區(qū)域平衡方程

10三、基本方方程式的應(yīng)應(yīng)用1．圓筒形殼殼體第一曲率半半徑R1=∞，第二曲率半半徑R2=D/2代入方程（（3-3）和（3-4）得：112．球形殼體體球殼R1＝R2=D/2，得：直徑與內(nèi)壓壓相同，球球殼內(nèi)應(yīng)力力僅是圓筒筒形殼體環(huán)環(huán)向應(yīng)力的的一半，即球形殼體的的厚度僅需需圓筒容器器厚度的一一半。當(dāng)容器容積相相同時(shí)，球表面積最最小，故大大型貯罐制制成球形較較為經(jīng)濟(jì)。。123．圓錐形殼殼體圓錐形殼半半錐角為a，A點(diǎn)處半徑為r，厚度為d，則在A點(diǎn)處：錐形殼體環(huán)環(huán)向應(yīng)力是是經(jīng)向應(yīng)力力兩倍，隨隨半錐角a的增大而增增大；a角要選擇合合適，不宜宜太大。在錐形殼體體大端r=R時(shí)，應(yīng)力最最大，在錐錐頂處，應(yīng)應(yīng)力為零。。因此，一一般在錐頂頂開(kāi)孔。134．橢圓形殼殼體橢圓殼經(jīng)線(xiàn)線(xiàn)為一橢圓圓，a、b分別為橢圓圓的長(zhǎng)短軸軸半徑。由此方程可可得第一曲曲率半徑為為：14化工常用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，a/b=2，故頂點(diǎn)處：

邊緣處：

頂點(diǎn)應(yīng)力最最大，經(jīng)向向應(yīng)力與環(huán)環(huán)向應(yīng)力是是相等的拉拉應(yīng)力。頂點(diǎn)的經(jīng)向向應(yīng)力比邊邊緣處的經(jīng)經(jīng)向應(yīng)力大大一倍；頂點(diǎn)處的環(huán)環(huán)向應(yīng)力和和邊緣處相相等但符號(hào)號(hào)相反。應(yīng)力值連續(xù)續(xù)變化。15四、筒體強(qiáng)強(qiáng)度計(jì)算[σ]t-設(shè)計(jì)溫度t℃下材料許用用應(yīng)力，MPa。實(shí)際設(shè)計(jì)中中須考慮三三個(gè)因素：：（1）焊接接頭頭系數(shù)（2）容器內(nèi)徑徑（3）壁厚筒體內(nèi)較大大的環(huán)向應(yīng)應(yīng)力不應(yīng)高高于在設(shè)計(jì)計(jì)溫度下材材料的許用用應(yīng)力，即即：16（1）焊接接頭頭系數(shù)鋼板卷焊。。夾渣、氣氣孔、未焊焊透等缺陷陷，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本體的強(qiáng)度度。鋼板板[σ]t乘以焊接接接頭系數(shù)φ，φ≤1。（2）容器內(nèi)徑徑工藝設(shè)計(jì)確確定內(nèi)徑Di，制造測(cè)量量也是內(nèi)徑徑，而受力力分析中的的D卻是中面直直徑。解出δ，得到內(nèi)壓壓圓筒的厚度計(jì)算式式：17（3）壁厚考慮介質(zhì)腐腐蝕，計(jì)算算厚度δ的基礎(chǔ)上，，增加腐蝕蝕裕度C2。筒體的設(shè)計(jì)計(jì)厚度為式中δ-圓筒計(jì)算厚度度，mm；δd-圓筒設(shè)計(jì)厚度度，mm；Di-圓筒內(nèi)徑，mm；p-容器設(shè)計(jì)壓力力，Mpa；φ-焊接接頭系數(shù)數(shù)。筒體設(shè)計(jì)厚度度δd+C1（厚度負(fù)偏差差）后向上圓整，即：筒體名義厚度度δn。對(duì)于已有的圓圓筒，測(cè)量厚厚度為δn，則其最大許許可承壓的計(jì)計(jì)算公式為：：δe-圓筒有效厚度度18五、球殼強(qiáng)度度計(jì)算設(shè)計(jì)溫度下球球殼的計(jì)算厚厚度：設(shè)計(jì)溫度下球球殼的計(jì)算應(yīng)應(yīng)力19六、設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)厚度設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)按GBl50-2010中規(guī)定取值。。設(shè)計(jì)壓力、、設(shè)計(jì)溫度、、許用應(yīng)力、、焊接接頭系系數(shù)、厚度附附加量等參數(shù)數(shù)的選取。（1）設(shè)計(jì)壓力（（計(jì)算壓力））設(shè)計(jì)壓力:相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度度下確定殼壁壁厚度的壓力力，亦即標(biāo)注注在銘牌上的容器器設(shè)計(jì)壓力。。其值稍高于于最大工作壓壓力。最大工作壓力力：指容器頂部部在工作過(guò)程程中可能產(chǎn)生生的最高壓力力（表壓）。1）使用安全閥閥時(shí)：設(shè)計(jì)壓力≥安安全閥開(kāi)啟壓壓力設(shè)計(jì)壓力＝（（1.05～1.10）*（最大工作壓力力）使用爆破膜根根據(jù)其型式：：設(shè)計(jì)壓力＝（（1.15～1.4）*（最大工作壓力力）2）容器內(nèi)盛有有液體，若其其靜壓力≤最最大工作壓力力的5％，則設(shè)計(jì)壓力力可不計(jì)入靜靜壓力，否則則，須在設(shè)計(jì)計(jì)壓力中計(jì)入入液體靜壓力力。3）有時(shí)還必須須考慮重力、、風(fēng)力、地震震力等載荷及及溫度的影響響，這些載荷荷不直接折算算為設(shè)計(jì)壓力力，必須分別別計(jì)算。21（2）設(shè)計(jì)溫度1）設(shè)計(jì)溫度對(duì)對(duì)選擇材料和和許用應(yīng)力的的確定直接有有關(guān).2）設(shè)計(jì)溫度：容器正常工工作，在相應(yīng)應(yīng)的設(shè)計(jì)條件件，金屬器壁壁可能達(dá)到的最最高或最低溫溫度。3）器壁溫度通通過(guò)換熱計(jì)算算。不被加熱或冷冷卻，筒內(nèi)介介質(zhì)最高或最最低溫度。用蒸汽、熱水水或其它載熱熱體加熱或冷冷卻，載體最最高溫度或最最低溫度。不同部位出現(xiàn)現(xiàn)不同溫度分分別計(jì)算。22(3)許用應(yīng)力1）許用應(yīng)力是以材料的各各項(xiàng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)據(jù)為依據(jù)，合合理選擇安全全系數(shù)n得出的。2）抗拉強(qiáng)度、、屈服強(qiáng)度，，蠕變強(qiáng)度、、疲勞強(qiáng)度,取其中最低值值。3）當(dāng)設(shè)計(jì)溫度度低于0℃時(shí)，取20℃時(shí)的許用應(yīng)力力。23(4)焊接接頭系數(shù)數(shù)焊接削弱而降降低設(shè)計(jì)許用用應(yīng)力的系數(shù)數(shù)。根據(jù)接頭型式式及無(wú)損檢測(cè)測(cè)長(zhǎng)度比例確確定。焊接接頭形式無(wú)損檢測(cè)的長(zhǎng)度比例100%局部雙面焊對(duì)接接頭或相當(dāng)于雙面焊的對(duì)接接頭1.00.85單面焊對(duì)接接頭或相當(dāng)于單面焊的對(duì)接接頭0.90.8符合《壓力容器安全全技術(shù)檢察規(guī)規(guī)程》才允許作局部部無(wú)損探傷。。抽驗(yàn)長(zhǎng)度不不應(yīng)小于每條條焊縫長(zhǎng)度的的20％。24(5)厚度附加量滿(mǎn)足強(qiáng)度要求求的計(jì)算厚度度δ之外，額外增增加的厚度量量，包括由鋼板負(fù)偏差(或鋼管負(fù)偏差差)Cl、腐蝕裕量C2，即C＝Cl十C2厚度22.22.52.8～3.03.2～3.53.8～44.5～5.5負(fù)偏差0.130.140.150.160.180.20.2厚度6～78～2526～3032～3436～4042～5052～60負(fù)偏差0.60.80.911.11.21.325腐蝕裕量C2：1）應(yīng)根據(jù)各種種鋼材在不同同介質(zhì)中的腐腐蝕速度和容容器設(shè)計(jì)壽命確定。。2）塔類(lèi)、反應(yīng)應(yīng)器類(lèi)容器設(shè)設(shè)計(jì)壽命一般般按20年考慮，換熱器殼體、管管箱及一般容容器按10年考慮。3）當(dāng)腐蝕速度度＜0.05mm／a(包括大氣腐蝕蝕)時(shí)：碳素鋼和低合合金鋼單面腐腐蝕C2＝1mm，雙面腐蝕取取C2＝2mm。當(dāng)腐蝕速度＞＞0.05mm／a時(shí)：?jiǎn)蚊娓g取C2＝2mm，雙面腐蝕取取C2＝4mm。4）不銹鋼取C2＝0。26七、最小壁厚厚1）設(shè)計(jì)壓力較較低的容器計(jì)計(jì)算厚度很薄薄。大型容器器剛度不足，，不滿(mǎn)足運(yùn)輸、、安裝；限定最小厚度度以滿(mǎn)足剛度度和穩(wěn)定性要要求。2）殼體加工成成形后（不包括腐蝕裕裕量）的最小小厚度δmin：a.碳素鋼和低合合金鋼制容器器不小于3mm。b.對(duì)高合金鋼制制容器，不小小于2mm。27八、壓力試驗(yàn)驗(yàn)1）制造加工過(guò)過(guò)程不完善，，導(dǎo)致不安全全，發(fā)生過(guò)大大變形或滲漏漏。2）最常用的壓力力試驗(yàn)方法是是液壓試驗(yàn)。常溫水，也也可用不會(huì)發(fā)發(fā)生危險(xiǎn)的其它液液體，試驗(yàn)時(shí)液體的的溫度應(yīng)低于于其閃點(diǎn)或沸沸點(diǎn)。3）不適合作液壓壓試驗(yàn),可用氣壓試驗(yàn)驗(yàn)代替液壓試試驗(yàn)。a．裝入貴重催催化劑要求內(nèi)內(nèi)部烘干;b．容器內(nèi)襯耐耐熱混凝土不不易烘干;c．由于結(jié)構(gòu)原原因不易充滿(mǎn)滿(mǎn)液體的容器器以及容積很很大的容器等等．4）致密性試驗(yàn)：：檢查密閉性，，主要有氣密密性試驗(yàn)和煤煤油滲漏試驗(yàn)驗(yàn)。28二、壓力試驗(yàn)驗(yàn)的相關(guān)規(guī)定定試驗(yàn)類(lèi)型試驗(yàn)壓力強(qiáng)度條件說(shuō)明備注液壓試驗(yàn)

立式容器臥置進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)壓力應(yīng)取立置試驗(yàn)壓力加液柱靜壓力。壓力試驗(yàn)時(shí)，由于容器承受的壓力pT

高于設(shè)計(jì)壓力p，故必要時(shí)需進(jìn)行強(qiáng)度效核。

氣壓試驗(yàn)

pT-試驗(yàn)壓力，MPa；p-設(shè)計(jì)壓力，MPa；

[σ]一試驗(yàn)溫度下的材料許用應(yīng)力，MPa；

[σ]T

一設(shè)計(jì)溫度下的材料許用應(yīng)力，MPa29三、液壓試驗(yàn)驗(yàn)要求和步驟驟：1）液壓試驗(yàn)時(shí)水溫不不能過(guò)低(碳素鋼、16MnR,T≥5℃，其它低合金金鋼,T≥15℃℃)，試驗(yàn)過(guò)程外殼應(yīng)保持干干燥。2）試驗(yàn)步驟：：設(shè)備充滿(mǎn)水后，待壁溫大致相等時(shí)，緩慢升壓到規(guī)定試驗(yàn)壓力，穩(wěn)壓30min，然后將壓力力降低到設(shè)計(jì)壓壓力，保持30min以檢查有無(wú)損壞，有無(wú)宏觀變形，有無(wú)泄漏及微量滲透。3）對(duì)于夾套容容器，先進(jìn)行內(nèi)筒液液壓試驗(yàn)，合格后再焊焊接夾套，然后進(jìn)行夾套套內(nèi)的液壓試驗(yàn)驗(yàn)。4）水壓試驗(yàn)后及時(shí)排排水，用壓縮空氣及其其它惰性氣體，將容器內(nèi)表面吹干。。30四、氣壓試驗(yàn)驗(yàn)要求和步驟驟：1）必須對(duì)容器器焊縫進(jìn)行100%的無(wú)損檢測(cè)。。2）試驗(yàn)使用氣氣體：干燥潔凈的空空氣、氮?dú)夂秃推渌栊詺鈿怏w。3）對(duì)高壓及超高壓壓容器不宜采采用氣壓試驗(yàn)驗(yàn)。4）試驗(yàn)步驟：：壓力緩慢升至至規(guī)定試驗(yàn)壓壓力的10%，且不超過(guò)0.05MPa時(shí)，保壓5min，進(jìn)行檢查。。繼續(xù)緩慢升至至規(guī)定試驗(yàn)壓壓力的50%，保壓5min，進(jìn)行檢查。。其后按照每每級(jí)為規(guī)定試試驗(yàn)壓力的10%的級(jí)差逐級(jí)增增至規(guī)定試驗(yàn)驗(yàn)壓力，保壓壓10min，進(jìn)行檢查。。將壓力降至規(guī)規(guī)定試驗(yàn)壓力力的87%，保壓較長(zhǎng)時(shí)時(shí)間，進(jìn)行檢檢查。31五、致致密性性試驗(yàn)驗(yàn)要求求和步步驟：：1）氣密密性試試驗(yàn)試驗(yàn)壓壓力一一般為為設(shè)計(jì)計(jì)壓力力的1.05倍（沒(méi)裝有有安全全閥時(shí)時(shí)試驗(yàn)驗(yàn)壓力力為設(shè)設(shè)計(jì)壓壓力；；裝有有安全全閥時(shí)時(shí)試驗(yàn)驗(yàn)壓力力為容容器最最高工工作壓壓力））步驟：：a.壓力緩緩慢升升至規(guī)規(guī)定試試驗(yàn)壓壓力后后，保保壓10min，進(jìn)行行檢查查；b.然后壓壓力降降至設(shè)設(shè)計(jì)壓壓力，，保壓壓較長(zhǎng)長(zhǎng)時(shí)間間，進(jìn)進(jìn)行檢檢查。。2）煤油油滲漏漏試驗(yàn)驗(yàn)步驟：：將待待檢查查的面面清理理干凈凈，涂涂上白白粉漿漿，晾晾干后后在其其對(duì)面面涂抹抹煤油油，使使表面面足夠夠潤(rùn)濕濕，30min后進(jìn)行檢檢查。。32九、邊邊緣應(yīng)應(yīng)力無(wú)力矩矩理論論忽略略了剪剪力與與彎矩矩的影影響，，可以以滿(mǎn)足足工程程設(shè)計(jì)計(jì)精度度的要要求。。但對(duì)對(duì)圖中中所示示的一一些情情況，，就須須考慮慮彎矩矩的影影響。。33(a)、(b)、(c)是殼體體與封封頭聯(lián)聯(lián)接處處經(jīng)線(xiàn)線(xiàn)突然然折斷斷；(d)是兩段段厚度度不等等的筒筒體相相連接接；(e)、(f)、(g)有法蘭蘭、加加強(qiáng)圈圈、管管板等等剛度度大的的構(gòu)件件。相