10第三章 內(nèi)壓薄壁容器設(shè)計(jì)第一節(jié) 內(nèi)壓薄壁圓筒設(shè)計(jì)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】公式。把握內(nèi)壓圓筒壁厚設(shè)計(jì)公式，了解邊緣應(yīng)力產(chǎn)生的緣由及特性。一、內(nèi)壓薄壁圓筒應(yīng)力分析當(dāng)圓筒壁厚與曲面中徑之比≤0.1或圓筒外徑、內(nèi)徑之比DD≤1.2時(shí)，可認(rèn)0 i為是薄壁圓筒。1、根本假設(shè)①圓筒材料連續(xù)、均勻、各向同性；②圓筒足夠長(zhǎng)，無視邊界影響〔如筒體兩端法蘭、封頭等影響；③圓筒受力后發(fā)生的變形是彈性微小變形；④殼體中各層纖維在受壓〔中、低壓力〕變形中互不擠壓，徑向應(yīng)力很小，無視不計(jì)；⑤器壁較薄，彎曲應(yīng)力很小，無視不計(jì)。2、圓筒變形分析3-1內(nèi)壓薄壁圓筒環(huán)向變形示意圖筒直徑增大，說明在其圓周的切線方向有拉應(yīng)力存在，即環(huán)向應(yīng)力〔周向應(yīng)力〕圓筒長(zhǎng)度增加，說明在其軸向方向有軸向拉應(yīng)力存在，即經(jīng)向應(yīng)力〔軸向應(yīng)力。應(yīng)力和經(jīng)向應(yīng)力很小，故無視不計(jì)。另外，對(duì)于受低、中壓作用的薄壁容器，垂直于圓筒壁厚方向的徑向應(yīng)力相對(duì)環(huán)向應(yīng)力和經(jīng)向應(yīng)力也很小，無視不計(jì)。3、經(jīng)向應(yīng)力分析承受“截面法”分析。依據(jù)力學(xué)平衡條件，由于內(nèi)壓作用產(chǎn)生的軸向合力〔外力〕與殼壁橫截面上的軸向總應(yīng)力〔內(nèi)力〕相等，即：

D2pD414由此可得經(jīng)向應(yīng)力： 1

pD43-2圓筒體橫向截面受力分析4、環(huán)向應(yīng)力分析承受“截面法”分析。3-3圓筒體縱向截面受力分析依據(jù)力學(xué)平衡條件，由于內(nèi)壓作用產(chǎn)生的環(huán)向合力〔外力〕與殼壁縱向截面上的環(huán)向總應(yīng)力〔內(nèi)力〕相等，即：LDp2L 〔3-3〕2由此可得環(huán)向應(yīng)力： 25、結(jié)論

pD2 〔3-4〕通過以上分析可以得到結(jié)論：221，即環(huán)向應(yīng)力是經(jīng)向應(yīng)力的2倍。因此，對(duì)于或手孔時(shí)，應(yīng)當(dāng)將短軸設(shè)計(jì)在縱向，長(zhǎng)軸設(shè)計(jì)在環(huán)向，以削減開孔對(duì)殼體強(qiáng)度的影響。6、薄壁無力矩理論向拉伸應(yīng)力，而由于彎曲應(yīng)力值很小無視不計(jì)、徑向應(yīng)力值很小無視不計(jì)，承受這一近似方法分析薄壁圓筒，稱為薄壁無力矩理論。二、內(nèi)壓薄壁圓筒壁厚計(jì)算公式依據(jù)第一強(qiáng)度理論〔最大主應(yīng)力理論，得到：引入焊接接頭系數(shù)，得到：

2 2 2 2①DD，D=D+δ，得到：i pDi

ii

i2 2依據(jù)GB150pc

，得到： pc2

i2 i

導(dǎo)出，得到設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算厚度公式為： pcDic考慮介質(zhì)腐蝕、機(jī)械磨損因素，加上腐蝕裕量C

，得到設(shè)計(jì)厚度為:2d2 Cd 2C

，最終圓整取鋼板標(biāo)準(zhǔn)厚度。1n1②DD，D=D-δ，得到：o op cD0 pc考慮介質(zhì)腐蝕、機(jī)械磨損因素，加上腐蝕裕量C

，得到設(shè)計(jì)厚度為:2d2 Cd 2C

，最終圓整取鋼板標(biāo)準(zhǔn)厚度。1n1

③按GB150規(guī)定，設(shè)計(jì)溫度下的內(nèi)壓圓筒計(jì)算厚度公式適用范圍為：p t ，c這意味著GB15035MPa的內(nèi)壓容器都適用該公式。三、邊緣應(yīng)力容器殼體兩局部之間相連接形成的邊界稱為連接邊緣，如筒體與筒體之間的焊接連接、筒體與封頭之間的焊接連接、筒體與容器法蘭之間的焊接連接等。在連接邊緣，假設(shè)兩局部經(jīng)線外形不全都，曲率半徑不相等，那么在介質(zhì)壓力作用下，兩局部的變形也不全都，而且體內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力——邊緣應(yīng)力。筒體與封頭連接邊緣受力狀態(tài)分析如圖3-4所示。邊緣應(yīng)力對(duì)殼體強(qiáng)度的影響表現(xiàn)出兩個(gè)特征：①局部性②自限性5四、計(jì)算例如：100m3〔DN3000〕C5

原料罐筒體壁厚計(jì)算教學(xué)工程一：100教學(xué)工程一：100m3〔DN3000〕C5原料罐〔設(shè)計(jì)任務(wù)書見其次章〕工作壓 計(jì)算壓 工作溫 設(shè)計(jì)溫 筒體材ReL[б][б]t焊接接頭系數(shù)腐蝕余0.6MPa力力70℃度80℃度Q245R料245，148147 局部檢測(cè)〕2mm量五、壓力容器公稱直徑GB/T9019-2023《壓力容器公稱直徑》規(guī)定，壓力容器公稱直徑以容器圓筒直徑表示，分為兩個(gè)系列：①以內(nèi)徑為基準(zhǔn)的壓力容器公稱直徑②以外徑為基準(zhǔn)的壓力容器公稱直徑其次節(jié) 內(nèi)壓橢圓形封頭設(shè)計(jì)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】學(xué)習(xí)GB150.35GB/T21598-2023《壓力容器一、內(nèi)壓橢圓形封頭應(yīng)力分析橢圓曲線方程：

x2y21a2 b2

pa2①x=0即橢球殼頂點(diǎn)處，產(chǎn)生最大應(yīng)力：1

2

2b當(dāng)a/b=2時(shí)， 1 2

max

papD 2的環(huán)向應(yīng)力〔最大應(yīng)力〕相等，即在一樣內(nèi)壓作用下，a/b=2的橢圓形封頭的厚度與相焊接的圓筒厚度是相等的。所以GB150a/b=2 pa

pa a2②x=a即橢球殼的邊緣處，

12，

22

2 b22ab2

時(shí)，222

0，說明ab

時(shí)，環(huán)向應(yīng)力

為拉應(yīng)力。2a/b=2則為壓應(yīng)力。2a/b的比值反映了橢圓形封頭內(nèi)曲面深度，a/b比值越小，則橢圓形封頭內(nèi)曲面深度越大，越不利于沖壓成型。a/b=1a/b=2橢球殼最大應(yīng)力的一半，因此半球殼厚度可以減薄一半，可以有效的節(jié)約材料。二、內(nèi)壓〔凹面受壓〕橢圓形封頭的計(jì)算2橢圓形封頭的計(jì)算厚度公式：①橢圓形封頭以內(nèi)徑為基準(zhǔn)時(shí)：Kpi cKpih 2 t P0.5c②橢圓形封頭以外徑為基準(zhǔn)時(shí)： h

KpD 2 t公式中：K——橢圓形封頭外形系數(shù)

1 D

2K0.5Pc2 hK622i hi3-1橢圓封頭外形系數(shù)KD/2hi i2.62.52.42.32.22.12.01.91.8K1.461.371.291.211.141.071.000.930.87D/2hi i1.71.61.51.41.31.21.11.0K0.810.760.710.660.610.570.530.505三、計(jì)算例如：100m3〔DN3000〕C5

儲(chǔ)罐標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭壁厚計(jì)算教學(xué)工程一：100教學(xué)工程一：100m3〔DN3000〕C儲(chǔ)罐〔設(shè)計(jì)任務(wù)書見其次章〕5工作壓計(jì)算壓工作溫設(shè)計(jì)溫封頭材ReL[б] [б]t焊接接頭系數(shù)腐蝕余0.6MPa 70℃80℃Q245R245，148，147 0.85〔局部檢測(cè)〕 2mm四、橢圓形封頭標(biāo)記1：公稱直徑3000mm、封頭名義厚度12mm、封頭最小成形厚度8.74mm、材質(zhì)為Q245R以內(nèi)徑為基準(zhǔn)的橢圓形封頭，標(biāo)記如下：EHA3000×12〔8.74〕——Q245R GB/T251982：325mm12mm10.4mmQ345R以外徑為基準(zhǔn)的橢圓形封頭，標(biāo)記如下：EHB325×12〔10.4〕——Q345R GB/T25198五、標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭成形標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭依據(jù)類型、規(guī)格、材質(zhì)，可承受冷沖壓、熱沖壓、冷旋壓、熱旋壓等方法成形。以內(nèi)徑為基準(zhǔn)的橢圓形封頭類型代號(hào)：EHA；以外徑為基準(zhǔn)的橢圓形封頭類型代號(hào)：EHB。DN≤2023mmh宜為25mm；當(dāng)封頭公稱直徑DN＞2023mmh40mm。直邊高度公差為〔-5～10〕%h。GB150.46.1形后的實(shí)際厚度不小于設(shè)計(jì)圖樣標(biāo)注的最小成形厚度。封頭成形后，應(yīng)檢測(cè)封頭的成品厚度，具體測(cè)厚部位與數(shù)量，依封頭的外形與規(guī)格，可〔封頭頂部和轉(zhuǎn)角過渡部位等〕以及直邊部位為必測(cè)部位。3-4。EHA橢圓形封頭總深度、內(nèi)外表積、容積見表3-5。EHA3-6。EHB橢圓形封頭總深度、內(nèi)外表積、容積和質(zhì)量見表3-7。六、其他類型封頭封頭類型包括：凸形封頭、平蓋、錐形封頭〔含偏心錐殼、變徑段、緊縮口等，其中凸形封頭包括：橢圓形封頭、碟形封頭、球冠形封頭和半球形封頭。表3-2半球形、橢圓形、碟形和球冠形封頭的斷面外形、類型及型式參數(shù)表〔摘自GB/T25198〕3-3平底形、錐形封頭的斷面外形、類型及型式參數(shù)表〔GB/T25198〕第三節(jié) 開孔應(yīng)力與開孔補(bǔ)強(qiáng)【學(xué)習(xí)目標(biāo)】分析壓力容器開孔應(yīng)力集中現(xiàn)象。學(xué)習(xí)GB150.3《設(shè)計(jì)》第6JB4736-2023〕標(biāo)準(zhǔn)，把握補(bǔ)強(qiáng)圈構(gòu)造。一、開孔四周的應(yīng)力集中現(xiàn)象由于工藝要求和構(gòu)造需要，設(shè)備殼體上要開孔焊接接收，如進(jìn)出料口接收、檢查孔等。容器開孔后，在介質(zhì)壓力作用下，開孔處會(huì)產(chǎn)生較大的附加應(yīng)力，結(jié)果使開孔四周區(qū)域的局3大的現(xiàn)象稱為應(yīng)力集中。開孔應(yīng)力集中現(xiàn)象具有以下特點(diǎn)：①②3倍甚至更高；③開孔孔徑的相對(duì)尺寸D越大，應(yīng)力集中作用越大；被開孔殼體的D集中作用越大；④在凸形封頭上開孔優(yōu)于在圓筒上開孔；⑤增大殼體壁厚、增大接收壁厚可以緩解應(yīng)力集中程度。二、開孔范圍及一般要求《固定容規(guī)》規(guī)定，壓力容器應(yīng)當(dāng)依據(jù)需要設(shè)置人孔、手孔等檢查孔，檢查孔的開設(shè)位器，設(shè)計(jì)單位應(yīng)當(dāng)提出具體技術(shù)措施，例如增加制造時(shí)的檢測(cè)工程或者比例，并且對(duì)設(shè)備使用中定期檢驗(yàn)的重點(diǎn)檢驗(yàn)工程、方法提出要求?！秹毫θ萜鳌芬?guī)定，壓力容器本體的開孔及其補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算，包括等面積法和分析法。1、等面積法適用范圍開橢圓形或長(zhǎng)圓形孔時(shí)，孔的長(zhǎng)徑與短徑之比應(yīng)不大于2.0，本方法的適用范圍：當(dāng)圓筒內(nèi)徑D≤1500mm時(shí)，開孔最大直徑d ≤1/2D，且d

≤520mm；當(dāng)圓筒內(nèi)i op i op徑D＞1500mm時(shí)，開孔最大直徑d ≤1/3D，且d ≤1000mm；i op i op凸形封頭或球殼開孔的最大允許直徑dop

≤1/2D；idop

，Di

為開孔中心處的錐殼內(nèi)直徑。注：dop對(duì)橢圓形或長(zhǎng)圓形開孔指長(zhǎng)軸尺寸。2、分析法適用范圍〔略〕3、不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開孔直徑殼體開孔滿足下述全部要求時(shí)，可不另行補(bǔ)強(qiáng)：a〕設(shè)計(jì)壓力P≤2.5MPa；b〕兩相鄰開孔中心的間距〔對(duì)曲面間距以弧長(zhǎng)計(jì)算〕應(yīng)不小于兩孔直徑之和；對(duì)于3個(gè)或以上相鄰開孔，任意兩孔中心的間距〔對(duì)曲面間距以弧長(zhǎng)計(jì)算〕應(yīng)不小于兩孔直徑之和2.589mm；3-81mm，需要加大腐蝕裕量時(shí)，應(yīng)相應(yīng)增加壁厚；開孔不得位于A、B類焊接接頭上；鋼材的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值Rm≥540MPa時(shí)，接收與殼體的連接宜承受全焊透的構(gòu)造型式。接收外徑253238454857接收外徑253238454857657689接收壁厚接收壁厚≥3.5≥4.0≥5.0≥6.04、開孔附件的焊接接頭2dop范圍內(nèi)的接頭不存在有任何超標(biāo)缺陷。三、單個(gè)開孔補(bǔ)強(qiáng)的等面積法1、單個(gè)開孔的適用范圍在等面積法適用范圍內(nèi)，滿足以下條件的多個(gè)開孔均按單個(gè)開孔分別設(shè)計(jì)：a〕殼體上兩個(gè)開孔中心間距〔對(duì)曲面間距以弧長(zhǎng)計(jì)算〕不小于該兩孔直徑之和；b〕平封頭〔平板〕0.5倍，任意兩相鄰開孔中心的間距不小于兩孔直徑之和。2、補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)造型式與補(bǔ)強(qiáng)件材料①補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)GB150.3附錄DJB/T4736注：補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)構(gòu)造見第五節(jié)圖D.，應(yīng)符合以下規(guī)定：a〕低合金鋼的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強(qiáng)度下限值Rb〕1.5δ；nc〕δ＜38mm。n

＜540MPa；m假設(shè)條件許可，推舉以厚壁接收代替補(bǔ)強(qiáng)圈進(jìn)展補(bǔ)強(qiáng)，其δ/δnt n②整體補(bǔ)強(qiáng)

0.5～2。增加殼體的厚度，或用全截面焊透的構(gòu)造型式將厚壁接收或整體補(bǔ)強(qiáng)鍛件與殼體相焊。構(gòu)造可參見GB150.3D。③補(bǔ)強(qiáng)件材料應(yīng)按殼體材料與補(bǔ)強(qiáng)材料許用應(yīng)力之比而增加。假設(shè)補(bǔ)強(qiáng)材料許用應(yīng)力大于殼體材料許用應(yīng)力，則所需補(bǔ)強(qiáng)面積不得削減。對(duì)于接收材料與殼體材料不同時(shí)，引入強(qiáng)度減弱系數(shù)fr

t t，表示設(shè)計(jì)溫度下t接收材料與殼體材料許用應(yīng)力的比值，當(dāng)f＞1.0f=1.0。r r3、殼體開孔補(bǔ)強(qiáng)①開孔補(bǔ)強(qiáng)的計(jì)算截面選取孔中心點(diǎn)與筒體軸線；對(duì)于凸形封頭或球殼開孔，該截面通過封頭開孔中心點(diǎn)，沿開孔最大尺寸方向，且垂直于殼體外表。dop2dop取所考慮截面上的尺寸〔弦長(zhǎng)〕2②內(nèi)壓容器3-20Ad op et r③外壓容器殼體開孔所需補(bǔ)強(qiáng)面積按式〔3-23〕計(jì)算：f=1.0；r

2op

rm。④②和③的要求。4、平蓋開孔補(bǔ)強(qiáng)①平蓋開單個(gè)孔，且開孔直徑d ≤0.5D〔D取平蓋計(jì)算直徑，對(duì)非圓形平蓋取短軸op 0 0長(zhǎng)度〕時(shí)，所需最小補(bǔ)強(qiáng)面積按式〔3-24〕計(jì)算：A0.5d op p②平蓋開單個(gè)孔，且開孔直徑d ＞0.5D 時(shí)，其設(shè)計(jì)計(jì)算按GB150.3中6.5的要求。op O5、有效補(bǔ)強(qiáng)范圍及補(bǔ)強(qiáng)面積計(jì)算開孔補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，有效補(bǔ)強(qiáng)范圍及補(bǔ)強(qiáng)面積按圖3-6WXYZ范圍確定。3-6〔a〕3-6〔b〕①有效補(bǔ)強(qiáng)范圍B按式〔3-25〕計(jì)算，取二者中較大值：2dB B d 2op n

2nt有效高度按式〔3-26〕和式〔3-27〕計(jì)算，分別取式中較小值。外伸接收有效補(bǔ)強(qiáng)高度：d d op nth 內(nèi)伸接收有效補(bǔ)強(qiáng)高度：②補(bǔ)強(qiáng)面積

1 接收實(shí)際外伸高度d op nt2 接收實(shí)際內(nèi)伸高度在有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)，可作為補(bǔ)強(qiáng)的截面積按式〔3-28〕計(jì)算：式中：

A AA Ae 1 2 3A——補(bǔ)強(qiáng)面積，mm2；eA——?dú)んw有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積，按式〔3-29〕計(jì)算，mm2；1ABdop

e

et

1fr

〔3-29〕fr=1.0。A——接收有效厚度減去計(jì)算厚度之外的多余面積，按式〔3-30〕計(jì)算，mm2；2A 1 et

ft

2

cf2

〔3-30〕A——焊縫金屬截面積〔見圖3-，m2。3AA，則開孔不需另加補(bǔ)強(qiáng)；eAA，則開孔需另加補(bǔ)強(qiáng)，其另加補(bǔ)強(qiáng)面積按式〔3-31〕計(jì)算：eA≥AA4 e

〔3-31〕A——有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)另加的補(bǔ)強(qiáng)面積〔見圖3-m。4四、補(bǔ)強(qiáng)圈JB/T4736-2023〕標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了補(bǔ)強(qiáng)圈的構(gòu)造型式和尺寸系列。1、補(bǔ)強(qiáng)圈坡口型式依據(jù)補(bǔ)強(qiáng)圈焊接構(gòu)造的要求，補(bǔ)強(qiáng)圈坡口分為A、B、C、D、E五種型式，見圖3-7。2、各種坡口型式的適用條件A型——適用于殼體為內(nèi)坡口的填角焊構(gòu)造；B型——適用于殼體為內(nèi)坡口的局部焊透構(gòu)造；C型——適用于殼體為外坡口的全焊透構(gòu)造；D型——適用于殼體為內(nèi)坡口的全焊透構(gòu)造；E型——適用于殼體為內(nèi)坡口的全焊透構(gòu)造。3-73、技術(shù)要求①補(bǔ)強(qiáng)圈厚度按GB1503-9②補(bǔ)強(qiáng)圈與殼體、接收相連的焊接接頭應(yīng)依據(jù)設(shè)計(jì)條件及構(gòu)造要求，參考JB/T4736錄A的表A.1③補(bǔ)強(qiáng)圈材料一般與殼體材料一樣，并應(yīng)符合相應(yīng)材料標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。④強(qiáng)圈無法安裝的場(chǎng)合。拼接焊妥后焊縫外表應(yīng)修磨光滑并與補(bǔ)強(qiáng)圈母材齊平，并按JB/T4730-2023⑤合。⑥GB/T197-19817HGB/T1804-2023m級(jí)。⑦補(bǔ)強(qiáng)圈與殼體、接收的焊接，應(yīng)承受經(jīng)NB/T47014〔注：替代JB/T4708-2023〕評(píng)定合格的焊接工藝進(jìn)展施焊