1第四章內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)4.1強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基本知識

在壓力容器的設(shè)計(jì)中，一般都要根據(jù)工藝要求確定其公稱直徑。強(qiáng)度設(shè)計(jì)的任務(wù)是選擇合適的材料，然后根據(jù)給定的公稱直徑以及設(shè)計(jì)壓力（計(jì)算壓力）和設(shè)計(jì)溫度，設(shè)計(jì)出合適的厚度，以保證設(shè)備安全可靠地運(yùn)行。

內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強(qiáng)度計(jì)算公式，是以殼體無力矩理論為基礎(chǔ)推導(dǎo)出來的，推導(dǎo)過程主要從以下幾方面進(jìn)行考慮：（1）根據(jù)薄膜應(yīng)力理論進(jìn)行分析，確定薄膜應(yīng)力狀態(tài)下的主應(yīng)力；

（2）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)；（3）對于封頭，應(yīng)力較為復(fù)雜，按殼體中的應(yīng)力狀況，在公式中引入應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)；（4）根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度判據(jù)，并考慮腐蝕等因素導(dǎo)出具體的計(jì)算公式。34.1.1關(guān)于彈性失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則1、失效的概念容器上只要有一處的最大應(yīng)力達(dá)到材料在設(shè)計(jì)溫度下的屈服點(diǎn)，設(shè)備便不能在設(shè)計(jì)條件下正常工作，即告失效。失效不完全等于破裂或破壞。

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。這就是強(qiáng)度安全條件，即

s當(dāng)￡

s0/n＝[s]

(4-1)

s當(dāng)可由主應(yīng)力通過強(qiáng)度理論來確定，s0為極限應(yīng)力，可由簡單拉伸試驗(yàn)確定，n為安全系數(shù)，[s]為許用應(yīng)力。2、彈性失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

設(shè)計(jì)中低壓容器時，容器壁內(nèi)的允許應(yīng)力限度為材料在設(shè)計(jì)溫度下的屈服點(diǎn)，即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)力必須小于材料由單向拉伸時測得的屈服點(diǎn)，即s當(dāng)<ss。54.1.2強(qiáng)度理論及其相應(yīng)的強(qiáng)度條件由薄膜理論,圓筒壁內(nèi)應(yīng)力為經(jīng)向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力、法向應(yīng)力。則三項(xiàng)主應(yīng)力為：

建立這種應(yīng)力狀態(tài)的強(qiáng)度條件，必須借助于強(qiáng)度理論，將二向和三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換為相當(dāng)于單向拉伸應(yīng)力狀態(tài)的相當(dāng)應(yīng)力。欲建立強(qiáng)度條件

s當(dāng)≤s0/n＝[s]

(4-1)

必須解決兩方面的問題：一是確定相當(dāng)應(yīng)力；二是確定材料的許用應(yīng)力。相當(dāng)應(yīng)力通過強(qiáng)度理論由主應(yīng)力計(jì)算確定；許用應(yīng)力由極限應(yīng)力和安全系數(shù)確定。1、第一強(qiáng)度理論及其相應(yīng)的強(qiáng)度條件

第一強(qiáng)度理論認(rèn)為最大拉應(yīng)力是引起材料破壞的因素。對于薄壁圓筒而言，相當(dāng)應(yīng)力就是s1。(4-2)強(qiáng)度條件為2、第三強(qiáng)度理論及其相應(yīng)的強(qiáng)度條件

第三強(qiáng)度理論認(rèn)為最大剪應(yīng)力是引起材料破壞的因素。對于薄壁容器而言，相當(dāng)應(yīng)力就是s1－s3。(4-3)

其強(qiáng)度條件為因此有：

由此可見，對于薄壁容器，由于s3=0，故按第三強(qiáng)度理論計(jì)算的相當(dāng)應(yīng)力及強(qiáng)度條件與按第一強(qiáng)度理論計(jì)算的結(jié)果相同。3、第四強(qiáng)度理論及其相應(yīng)的強(qiáng)度條件其強(qiáng)度條件為(4-4)

上述第一強(qiáng)度理論適用于脆性材料；第三和第四強(qiáng)度理論適用于塑性材料。壓力容器都是采用塑性材料制造的，應(yīng)該采用第三和第四強(qiáng)度理論。由于第三和第四強(qiáng)度理論計(jì)算結(jié)果接近，而第三強(qiáng)度理論的計(jì)算較為方便，故我國規(guī)定采用第三強(qiáng)度理論進(jìn)行計(jì)算。1、理論計(jì)算壁厚（又稱計(jì)算厚度）

它的含義是安全承受壓力為p的介質(zhì)，圓筒所需的最小理論厚度。根據(jù)第三強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件(4-3)

化工設(shè)備通常在一定的溫度下工作，因此，上式中常溫下的許用應(yīng)力[s]應(yīng)改為設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力[s]t。去掉不等號，有：一、內(nèi)壓圓筒壁厚的確定4.2內(nèi)壓薄壁圓筒殼與球殼的強(qiáng)度設(shè)計(jì)4.2.1強(qiáng)度計(jì)算公式

由于容器筒體大多是由鋼板卷焊而成，在焊接時，焊縫可能存在夾渣、氣孔、未焊透等缺陷，或者在焊接作業(yè)時的高溫對焊縫周圍的金屬可能產(chǎn)生不利影響，導(dǎo)致焊縫及其周圍金屬的強(qiáng)度可能低于鋼板的強(qiáng)度。因此，應(yīng)對上式中的[s]t進(jìn)行修正。通常乘以一個修正系數(shù)，即焊縫系數(shù)Φ。

一般工藝設(shè)計(jì)確定的是容器的內(nèi)徑Di，

D=Di+d，代入上式得：解得(4－5)式中：d－圓筒的計(jì)算厚度，mm；

pc－圓筒的設(shè)計(jì)壓力，MPa；

Di－圓筒的內(nèi)徑，mm；

[s]t－材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa，

見p311附錄9

φ－焊縫系數(shù)，見p96表4－8

。式中：

d

－圓筒的計(jì)算厚度，mm；

pc－圓筒的設(shè)計(jì)壓力，MPa；

D0－圓筒的外徑，mm；

[s]t－材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa，

見p311附錄9

φ－焊縫系數(shù)（無縫鋼管為1）。

采用無縫鋼管做筒體時，其公稱直徑為鋼管的外徑，D＝D0－d

。2、圓筒的設(shè)計(jì)壁厚（又稱設(shè)計(jì)厚度）dd

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，式(4－5)計(jì)算的結(jié)果不能直接使用。原因是：（1）鋼板的實(shí)際厚度與其標(biāo)注數(shù)值（名義厚度）存在正負(fù)偏差，必須考慮鋼板的負(fù)偏差C1

；（2）化工設(shè)備處理的介質(zhì)一般均有腐蝕性，在設(shè)計(jì)時就必須考慮腐蝕所需要的厚度，即腐蝕裕量C2

。將C1

與C2

之和稱為壁厚附加量C。

將d與C2

之和稱為設(shè)計(jì)厚度dd，即

dd＝d＋C23、名義厚度dn

通常鋼板的生產(chǎn)是按標(biāo)準(zhǔn)系列和規(guī)格要求制造，其尺寸并不一定與設(shè)計(jì)厚度完全一致，通用的做法是將設(shè)計(jì)厚度加上鋼板的負(fù)偏差后，再向上圓整至鋼板的規(guī)格厚度，就是鋼板的名義厚度，即dn＝dd＋C1

＋D

＝d＋C1

＋C2＋D

＝d＋C＋D

（4－6）

式中D－鋼板厚度圓整值，mm，通常D<1。

注意：常用鋼板厚度是5，6，8，10，12，14，16，18，20，22，25，28，30，36，40mm.4、有效壁厚（有效厚度）de

有效厚度是指鋼板壁厚中可用于承受介質(zhì)壓力的那部分厚度，

de＝d＋Dorde＝dn－C

（4－7）

在構(gòu)成名義厚度的四個參數(shù)中C1是鋼板負(fù)偏差，容器制造時采用的鋼板很可能就存在負(fù)偏差，C2是隨著容器的使用不斷減小的量。所以，真正賴以承受介質(zhì)壓力的厚度而言，只有d

和D。實(shí)際上，有效厚度就是指容器在整個有效使用期內(nèi)均可依賴其抵抗介質(zhì)壓力破壞的厚度。18內(nèi)壓圓筒強(qiáng)度計(jì)算公式：再考慮腐蝕裕量C2,于是得到圓筒的設(shè)計(jì)壁厚為：計(jì)算壁厚公式：19名義壁厚公式：再根據(jù)鋼板標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格向上圓整。

——最終名義厚度。這是寫在圖紙上的鋼板厚度！20式中e——有效壁厚

強(qiáng)度校核公式：1）在工作壓力及溫度下，現(xiàn)有容器強(qiáng)度夠否？2）現(xiàn)有容器的最大允許工作壓力如何？21球形容器強(qiáng)度計(jì)算公式？由薄膜應(yīng)力理論：由第三強(qiáng)度理論，強(qiáng)度條件：則導(dǎo)出壁厚計(jì)算公式：22234.2.2設(shè)計(jì)參數(shù)的確定1.壓力——表壓24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。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。25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。26（2）容器內(nèi)有爆炸性介質(zhì)，安裝有防爆膜時：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。P93表4-3，表4-4。防爆膜裝置示意圖27（3）無安全泄放裝置——取p=（1.0~1.1）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40℃，50℃，60℃時的氣體壓力）。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？根據(jù)《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定：2.16MPa28（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，取0.1MPa；

※設(shè)有安全閥時取Min（1.25Δp,0.1MPa)。29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，夾套內(nèi)0.2MPa----內(nèi)壓0.1MPa;※釜內(nèi)0.3MPa，夾套內(nèi)無蒸汽---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？30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，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，液體深10m，重度為10,000N/m3。pw=0.5MPa,p=0.5MPapc=0.5+(10×10,000)/1,000,000=0.6MPa312.設(shè)計(jì)溫度——指容器在正常工作情況下，設(shè)定的元件的金屬溫度（沿元件金屬截面的溫度平均值）?！O(shè)計(jì)溫度在容器設(shè)計(jì)中的作用：①選擇材料；②確定許用應(yīng)力?！_定設(shè)計(jì)溫度的方法：（1）對類似設(shè)備實(shí)測；（2）傳熱計(jì)算；（3）參照書P94表4-5。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。323.許用應(yīng)力和安全系數(shù)定義式：（1）許用應(yīng)力[s]的確定：※工作溫度為中溫※工作溫度為常溫（＜200℃）

33※工作溫度為高溫式中snt

sDt----設(shè)計(jì)溫度下材料的蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度。

nn,nD----蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度的安全系數(shù)。34（2）安全系數(shù)及其確定：影響安全系數(shù)的因素：①計(jì)算方法的準(zhǔn)確性、可靠性和受力分析的精度；②材料質(zhì)量和制造的技術(shù)水平；③容器的工作條件及其在生產(chǎn)中的重要性和危險性。

安全系數(shù)材料nbnsnDnn碳素鋼、低合金鋼≥3.0≥1.6≥1.5≥1.0

高合金鋼≥3.0≥1.5≥1.5≥1.0

需要注意的是，作為設(shè)計(jì)人員關(guān)心的是許用應(yīng)力，國家有關(guān)部門已經(jīng)把各種材料的許用應(yīng)力計(jì)算了出來供設(shè)計(jì)人員選用。鋼板、鋼管、鍛件和螺栓材料的許用應(yīng)力見P311附錄9。364.焊接接頭系數(shù)（f）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。為什麼要進(jìn)行無損檢驗(yàn)？37常見的焊接形式：383940常見對接焊焊縫結(jié)構(gòu)：414243①缺陷，夾渣，未焊透，晶粒粗大等，在外觀看不出來；②熔池內(nèi)金屬從熔化到凝固的過程受到熔池外金屬的剛性約束，內(nèi)應(yīng)力很大?！缚p區(qū)強(qiáng)度比較薄弱。焊接后常出現(xiàn)：44焊接缺陷45

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f（≤1）。[σ][σ]

f焊縫區(qū)的強(qiáng)度主要決定于熔焊金屬、焊縫結(jié)構(gòu)和施焊質(zhì)量。設(shè)計(jì)所取的焊縫系數(shù)大小主要根據(jù)焊接接頭的形式和保證焊接質(zhì)量的受檢驗(yàn)程度而定。46焊接接頭系數(shù)（f）：焊接接頭結(jié)構(gòu)100%無損檢驗(yàn)局部無損檢驗(yàn)示意圖雙面對接焊1.00.85

帶墊板單面對接焊0.900.8047你能回答下列問題嗎？1.可否采用搭接焊結(jié)構(gòu)制作壓力容器殼體？2.焊縫處為什麼要進(jìn)行無損探傷檢查？3.焊縫系數(shù)（φ）為什麼小于等于1？4.取焊縫系數(shù)的依據(jù)是什么？5.壁厚計(jì)算公式中的[σ]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，墊板的作用是什么？是否起加強(qiáng)作用？485.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，49

在設(shè)計(jì)容器壁厚時要----預(yù)先考慮負(fù)偏差。鋼板負(fù)偏差參見p97表4-9選??；鋼管厚度負(fù)偏差參見P97表4-10。50（2）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)壁厚時要考慮容器使用壽命期內(nèi)的安全性！具體規(guī)定如下：對有腐蝕或磨損的元件:C2=KaBKa---腐蝕速率（mm/a），由材料手冊或?qū)嶒?yàn)確定。

B----容器的設(shè)計(jì)壽命，通常為10～15年。一般情況,Ka=0.05～0.13mm/a的輕微腐蝕時，對單面腐蝕取C2=1～2mm;

對雙面腐蝕取C2=2～4mm。511.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，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器，單面腐蝕裕量不小于1mm；＊對不銹鋼容器，腐蝕輕微時可取C2=0。還要記??！526.直徑系列與鋼板厚度

要按照鋼板厚度尺寸系列標(biāo)準(zhǔn)GB709-2001的規(guī)定選取。P99表4-13。鋼板厚度是否可以隨意??？

壓力容器的直徑系列已經(jīng)施行標(biāo)準(zhǔn)化（GB9019-2001)，筒體與封頭的公稱直徑配套。見P60表2-5。筒體直徑是否可以隨意定？534.2.3容器的壁厚和最小壁厚1.容器壁厚※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，加工單位應(yīng)預(yù)先考慮加工減薄量！δδdδnδe壁厚的構(gòu)成附加厚度C有效厚度de圓整值D計(jì)算厚度d腐蝕裕量C2設(shè)計(jì)厚度dd負(fù)偏差C1加工減薄量C3名義厚度dn毛坯厚度552.最小壁厚

為保證容器制造、運(yùn)輸、安裝時的剛度要求，限定容器實(shí)際最小壁厚（指不含腐蝕裕量的壁厚）：●碳鋼和低合金鋼制容器≥3mm?！窀吆辖痄撝迫萜鳌?mm。1.標(biāo)注在圖紙上的容器壁厚是如何確定的？2.壁厚加工減薄量由誰定？3.加工后容器的實(shí)際壁厚不能小于多厚才可以在使用壽命期內(nèi)保證安全？4.規(guī)定容器最小壁厚的目的是什么？思考如下問題：564.2.4壓力試驗(yàn)及強(qiáng)度校核※壓力試驗(yàn)的時機(jī)：1）容器制成后；

2）檢修后?！囼?yàn)?zāi)康模?）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。要知道?。?）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，在工地組裝并對環(huán)焊縫進(jìn)行熱處理后，進(jìn)行壓力試驗(yàn)；（3）塔器須安裝后進(jìn)行水壓試驗(yàn)；57壓力試驗(yàn)分類：①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58注意：

不銹鋼容器——水中氯離子不得超過25mg/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）σb≥540MPa的材料，表面經(jīng)無損檢驗(yàn)無裂紋。59②氣壓試驗(yàn)——不適合液壓試驗(yàn)的，如因結(jié)構(gòu)緣故排液或充液困難，或容器內(nèi)不允許殘留微量液體時采用。③氣密試驗(yàn)—針對介質(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；

——?dú)饷茉囼?yàn)壓力取設(shè)計(jì)壓力。60④壓力試驗(yàn)強(qiáng)度校核

——名義壁厚確定后，校核壓力試驗(yàn)條件下的強(qiáng)度是否滿足要求，以免進(jìn)行壓力試驗(yàn)時出現(xiàn)危險。1).試驗(yàn)壓力的確定：內(nèi)壓容器的試驗(yàn)壓力：p——設(shè)計(jì)壓力MPa;[s]---元件材料在實(shí)驗(yàn)溫度下的許用應(yīng)力，MPa;[s]t——元件材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa。61【注】（1）容器銘牌上規(guī)定有最大允許工作壓力時，公式中應(yīng)以最大允許工作壓力代替設(shè)計(jì)壓力。（2）容器各元件（圓筒、封頭、接管、法蘭及緊固件）所用材料不同時，應(yīng)取各元件材料的[s]/[s]t比值中較小者。思考：1.壓力試驗(yàn)?zāi)康?？壓力試?yàn)強(qiáng)度校核目的？何時進(jìn)行？2.在進(jìn)行壓力試驗(yàn)過程中，檢查什么？何時檢查？3.是否所有壓力容器在制成后都要進(jìn)行氣密試驗(yàn)檢查？622).壓力試驗(yàn)應(yīng)力校核式中sT---圓筒壁在試驗(yàn)壓力下的計(jì)算應(yīng)力，MPa；

Di——圓筒內(nèi)徑，mm；

pT——試驗(yàn)壓力，MPa；

de——圓筒的有效壁厚，mm；

ss（s0.2）——圓筒材料在試驗(yàn)溫度下的屈服點(diǎn)（或條件屈服點(diǎn)），MPa；

f——圓筒的焊接接頭系數(shù)。63例題例1：設(shè)計(jì)乙烯精餾塔。由工藝計(jì)算得出塔體公稱直徑為600mm,工作壓力為2.2MPa（不計(jì)液注高度），工作溫度t=-3～-20℃，塔體保溫。確定該塔壁厚及選用的材料?！窘狻?.選材介質(zhì)腐蝕性——輕微；工作溫度——常溫；工作壓力——中壓。故選用16MnR。

2.確定參數(shù)（1）由DN=600mm,筒體采用板卷，Di=600mm；（2）由題意“不計(jì)液注高度”，無安全泄放裝置，pc=2.2MPa；（3）因壓力為中壓，直徑較小，故采用帶墊板單面對接焊結(jié)構(gòu)，局部無損探傷，查表4-8，f=0.8；（4）塔體保溫，由表4-5，設(shè)計(jì)溫度取介質(zhì)溫度，[s]t=170MPa

；（5）常溫屈服點(diǎn)ss=345MPa；（6）腐蝕輕微，單面腐蝕，C2=1mm

。64（3）確定計(jì)算壁厚由dd=d+C2=4.9+1.0=5.9(mm),16MnR屬GB6654-1996標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)的材料，查表4-9，得C1=0.25mm，則C=C1+C2=0.25+1.0=1.25(mm)。名義壁厚dn=d+C+圓整量，d+C=4.9+1.25=6.15(mm),圓整為7mm。（4）校核水壓試驗(yàn)強(qiáng)度水壓試驗(yàn)強(qiáng)度條件為：65式中pT=1.25p=1.25×2.2=2.75(MPa),([s]/[s]t≈1);

de=dn-C1-C2=7-0.25-1.0=5.75(mm)則而0.9ssf=0.9×345×0.8=248.4（MPa)可見sT＜

0.9ssf，所以水壓試驗(yàn)強(qiáng)度足夠。結(jié)構(gòu)簡圖：66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350℃,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)。ss=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)必須是雙面對接焊結(jié)構(gòu)或其他等強(qiáng)度焊接，100%無損探傷，φ=1。（2）筒體需保溫，則筒壁設(shè)計(jì)溫度取介質(zhì)溫度，[s]=[s]350=190MPa（3）需安裝安全閥，pc=p=1.1×15.6=17.16(MPa)。（4）水蒸氣對低合金鋼有輕微腐蝕，且為單面腐蝕，C2=1mm。67

3.計(jì)算壁厚4.設(shè)計(jì)壁厚：

dd=d+C2=61.5+1.0=62.5(mm),

查表4-9得C1=0.25(mm)

壁厚附加量C=C1+C2=0.25+1.0=1.25(mm)5.名義厚度

dn=d+C+圓整量

61.5+1.25=62.75(mm)，圓整后為65（mm)。686.校核水壓試驗(yàn)強(qiáng)度水壓試驗(yàn)強(qiáng)度條件為：式中de=dn-C=65-1.25=63.75(mm)則sT=229.4(MPa)。而0.9fss=0.9×1×410=369(MPa)sT＜0.9fss水壓試驗(yàn)合格。69例3校驗(yàn)舊氣瓶。資料記載該氣瓶材質(zhì)為40Mn2A，系無縫鋼管收口而成。實(shí)測其外徑為219mm,最小壁厚為6.5mm。查材料手冊得該材料的sb=785MPa,ss=510MPa,d5=18%。

（1）常溫下可否充15MPa氧氣？

（2）如強(qiáng)度不夠，最高允許工作壓力多少？【解】1.確定參數(shù)

pc=15MPa,D0=219mm,dn=6.5mm,

無縫鋼管f=1，C2=1mm,

實(shí)測壁厚6.5mm，則C1=0,

de=6.5-1=5.5mm,

許用應(yīng)力求?。?/p>

[s]t=min｛sb/nb,ss/ns｝=min｛785/3,510/1.6｝=261.6(MPa)。702.強(qiáng)度校核校核公式為充15MPa強(qiáng)度不夠。3.確定最高允許工作壓力計(jì)算公式為該氣瓶的最大安全使用壓力為13.48MPa。714.3內(nèi)壓圓筒封頭的設(shè)計(jì)半球形封頭橢圓形封頭蝶形封頭球冠形封頭錐形封頭724.3.1半球形封頭1.結(jié)構(gòu)：（1）整體半球殼體；（2）焊接半球殼體--瓜瓣組焊。

3.與筒體連接結(jié)構(gòu)：

※與筒體連接部位要圓滑過渡。(為什麼？）

※與筒體連接的環(huán)焊縫屬于球殼內(nèi)的部分，確定封頭厚度時應(yīng)考慮這一環(huán)焊縫的焊接接頭系數(shù)。2.壁厚計(jì)算公式：734.3.2橢圓形封頭——橢圓殼應(yīng)力分布pa/d-pa/dpa/2dpa/d741.橢圓封頭的結(jié)構(gòu)

：為什麼要有直邊？（1）保證封頭的制造質(zhì)量；（2）不連續(xù)點(diǎn)與環(huán)焊縫分開，從而避免邊緣應(yīng)力與焊接應(yīng)力、薄膜應(yīng)力集聚，降低合應(yīng)力。2.壁厚的計(jì)算公式橢球殼壁內(nèi)應(yīng)力的大小及變化受a/b值的影響，——形狀系數(shù)K。厚度計(jì)算公式為：d75標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭(a/b=2)K=1，其他，

K值見p104表4－14。當(dāng)（m=a/b）>2時，橢圓封頭赤道上出現(xiàn)很大的環(huán)向應(yīng)力，其絕對值遠(yuǎn)大于頂點(diǎn)處的應(yīng)力（因此國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定m值不大于2.6）。橢圓形封頭的最大允許工作壓力計(jì)算公式：76最小壁厚

橢圓形封頭受內(nèi)壓時，在赤道處產(chǎn)生環(huán)向壓縮應(yīng)力，如果封頭過薄，赤道處的環(huán)向壓縮應(yīng)力有可能將封頭壓出折皺，這種現(xiàn)象稱為失穩(wěn)。為了避免失穩(wěn)，規(guī)定K≤1時，橢圓形封頭最小有效厚度demin≥0.15％Di，K＞1時，橢圓形封頭最小有效厚度demin≥0.30％Di。

標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的直邊高度按p105表4－15確定。直邊高度774.3.3碟形封頭

碟形殼的應(yīng)力分布：781.碟形封頭的結(jié)構(gòu)：d

碟形封頭的球面半徑越大，折邊半徑越小，則封頭的深度將越淺，這對于人工鍛打成型有利。但是考慮到球面部分與過渡區(qū)連接處的局部高應(yīng)力，規(guī)定碟形封頭球面部分的半徑Ri一般不大于筒體內(nèi)徑（通常取0.9倍封頭內(nèi)徑），而折邊內(nèi)半徑r在任何情況下，均不得小于筒體內(nèi)徑的10％，且應(yīng)不小于3倍封頭名義壁厚。791.碟形封頭的結(jié)構(gòu)：2.壁厚計(jì)算公式：d式中M---形狀系數(shù)。（①Ri/r值不同；②球面與摺邊連接處的曲率突變。）其值見p106表4－16。803.標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭厚度計(jì)算：d標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭

壁厚計(jì)算公式為：當(dāng)?shù)畏忸^之球面內(nèi)半徑Ri＝0.9Di，過渡圓弧內(nèi)半徑r＝0.17Di時，稱為標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭，此時M＝1.325。81最小壁厚

與標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭的直邊規(guī)定一致。直邊高度

對于M≤1.34碟形封頭，其有效壁厚de應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.15%；其他碟形封頭有效壁厚de應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.30%。824.3.4球冠形封頭（無折邊球形封頭）1.結(jié)構(gòu)球冠形封頭83式中Di——封頭和筒體的內(nèi)直徑；

Q——系數(shù)，見P107圖4-9。2.壁厚計(jì)算公式：特別強(qiáng)調(diào)：在任何情況下，與無折邊球形封頭連接的圓筒厚度應(yīng)不小于封頭厚度，否則，應(yīng)當(dāng)增加連接處部分的筒體的壁厚。844.3.5常用錐形封頭

錐殼應(yīng)力分布？D85為減小邊緣應(yīng)力，錐形封頭結(jié)構(gòu)常有如下結(jié)構(gòu)（1）局部加強(qiáng)α≤30的大端及α≤45的小端(2)加過渡圓弧α＞30的大端及α＞45的小端受內(nèi)壓無折邊錐形封頭受內(nèi)壓帶折邊錐形封頭1、無折邊錐形封頭

（1）錐體大端連接處的壁厚式中Q為系數(shù)，其值由p110圖4－16查得。（2）錐體小端連接處的壁厚式中：Dis－錐體小端內(nèi)直徑，mm；

Q－為系數(shù)，其值由p111圖4－18查得。2、帶折邊錐形封頭或錐形筒體

對于錐體大端，半頂角a＞30°或?qū)τ阱F體小端，半頂角a＞45°時，必須采用帶折邊的錐形封頭。

帶折邊錐形封頭大端的壁厚，按過渡段與相接處錐體兩部分分別計(jì)算。取下述二式計(jì)算結(jié)果中的較大值。A、過渡段的計(jì)算壁厚按下式計(jì)算:式中K－系數(shù)，查p112表4－17B、與過渡段相接處的錐殼計(jì)算壁厚按下式計(jì)算:式中f－系數(shù)，查p112表4－18pfpcDdti5.0][-=φspKpcDdti5.0][2-=φs884.3.6平板封頭

平板封頭是化工設(shè)備常用的一種封頭。平板封頭的幾何形狀有圓形、橢圓形、長圓形、矩形和方形等，最常用的是圓形平板封頭。

根據(jù)薄板理論，受均布載荷的平板，壁內(nèi)產(chǎn)生兩向彎曲應(yīng)力，一是徑向彎曲應(yīng)力sr（直徑方向產(chǎn)生變形），一是切向彎曲應(yīng)力st（環(huán)向產(chǎn)生變形）。對于周邊簡支，其最大應(yīng)力在平板的中心；對于周邊固定，最大應(yīng)力在平板的邊緣。對于周邊固定對于周邊簡支(對于鋼m=0.3)222maxmax)(31.0)(24.1)(8)3(3dDpdRpdRptrmmm==+==mss222max)(188.0)(163)(43dDpdDpdRp±=±=±=s應(yīng)力大小按下面的公式計(jì)算：

由上兩式可知，薄板的最大彎曲應(yīng)力smax

與(D／d)2

成正比，而薄殼的最大拉(壓)應(yīng)力smax與(D／d)成正比。因此，在相同的D／d和相同的載荷的情況下，薄板所需厚度要比薄殼大得多，即在相同操作壓力下，平板封頭要比凸形封頭厚得多。另外，在高壓容器中，平板封頭用得較為普遍。這是因?yàn)楦邏喝萜鞯姆忸^很厚，直徑又相對較小，凸形封頭的制造較為困難。隨著制造技術(shù)的發(fā)展，半球形封頭在高壓容器中已經(jīng)開始應(yīng)用。但到目前為止，平板封頭仍然是高壓容器應(yīng)用得最多的一種形式。

但是，由于平板封頭結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，在壓力不高，直徑較小的容器中，采用平板封頭比較經(jīng)濟(jì)簡便。對于壓力容器的人孔、手孔等在操作時需要用盲板封閉的地方，廣泛采用平板蓋。921.平板內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)周邊簡支：根據(jù)強(qiáng)度條件：93

實(shí)際情況是介于簡支和固定中間，系數(shù)在0.188--0.31之間，歸結(jié)為一個結(jié)構(gòu)特征系數(shù)K,平板壁厚計(jì)算公式為：

見P115表4-19根據(jù)強(qiáng)度條件：周邊固定：944.3.7例題

確定精餾塔封頭形式及尺寸。塔徑Di=600mm，壁厚dn=7mm，材質(zhì)為16MnR（GB6654-96)，計(jì)算壓力Pc=2.2MPa,工作溫度t=-3～-20°C?！窘狻看_定參數(shù)：Pc=2.2MPa,Di=600mm,C2=1mm,

封頭材質(zhì)16MnR（GB6654-96),C1=0.25mm,[s]=170MPa1.半球形封頭

補(bǔ)充參數(shù)：半球形封頭與筒體連接的環(huán)焊縫屬于封頭內(nèi)的部分，采用帶墊板單面對接焊，局部無損探傷，φ=0.8。計(jì)算壁厚為：dd=2.4+1.0=3.4(mm)C1=0.25mm名義壁厚為dn=3.4+0.25=3.65(mm)取4mm。952.用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭此封頭可以整板沖壓，φ=1。計(jì)算壁厚為：dd=3.9+1.0=4.9(mm)取C1=0.25mm名義壁厚為dn=4.9+0.25=5.15(mm)板厚為6mm。3.采用標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭dd=4.67+1.0=5.67(mm)取C1=0.25mm,名義壁厚為dn=5.67+0.25=5.92(mm)取6mm。96（4）采用平板封頭板厚計(jì)算公式為：

選結(jié)構(gòu)形式為表4-19中第9種，K=0.3，f=1，Dc=600mm。dp=37.4(mm).dd=37.4+1=38.4(mm)查得C1=0.25mm,名義壁厚為dn=38.65mm,圓整后取40mm。97各種封頭計(jì)算結(jié)果比較封頭形式

壁厚（mm)

總深度（mm)理論面積（m2）

重量（