1、第四章 內(nèi)壓薄壁容器的強度設計,1 強度設計的基本知識,2 內(nèi)壓薄壁圓筒的強度計算,3 內(nèi)壓圓筒封頭的設計,概 述,概 述 1、強度設計的任務： 內(nèi)壓容器的強度設計包含設備的壁厚設計和在用設備的強度校核兩方面。 1）設計型計算根據(jù)給定的公稱直徑以及設計壓力和溫度，設計出合適的壁厚，以保證設備安全可靠。 2）校核型計算根據(jù)已有的設備公稱直徑以及工作壓力和溫度，判斷設備的使用安全性。 2、內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強度計算公式，以殼體無力矩理論為推導基礎，其推導過程如下： 根據(jù)薄膜理論進行應力分析，確定薄膜應力狀態(tài)下的主應力； 根據(jù)彈性失效的設計準則，應用強度理論確定應力的強度判據(jù)；, 對封頭，考慮到薄

2、膜應力的變化和邊緣應力的影響，按殼體中的應力狀況在公式中引進應力增強系數(shù)。 根據(jù)應力強度判據(jù)，考慮腐蝕等實際因素導出具體的計算公式。 第一節(jié) 強度設計的基本知識 一、關于彈性失效的設計準則 設計壓力容器時，為了保證結構安全可靠的工作，必須留有一定的安全裕度，即強度安全條件：,二、強度理論及其相應的強度條件 借助于強度理論，將二向和三向應力狀態(tài)轉換成單向拉伸應力狀態(tài)的相當應力，同時須解決兩個問題：, 根據(jù)應力狀態(tài)確定主應力； 確定材料的許用應力。 對承受均勻內(nèi)壓的薄壁容器，其主應力為：,1）第一強度理論（最大主應力理論）及相應的強度條件 第一強度理論認為在三向應力中，若最大應力小于許用應力，則安

3、全。 其強度條件為： 2）第二強度理論（最大線應變理論）及相應的強度條件 第二強度理論認為在三向應力中，若最大線應變小于許用應變，則安全。 其強度條件為：,3）第三強度理論（最大剪應力理論）及相應的強度條件 第三強度理論認為最大剪應力（1-3）是引起材料屈服破壞的主要因素。 其強度條件為：,3）第四強度理論（形狀改變比能理論）及相應的強度條件 第四強度理論認為設備構件受外力產(chǎn)生彈性變形時物體內(nèi)部也就積蓄了能量，即變形能。單位變形體體積內(nèi)所積蓄的變形能稱為變形比能。當構件變形比能達到材料的極限值時，會引起屈服破壞。 其相應的強度條件：,適用性： 第一強度理論適用于脆性材料； 第三、第四強度理論適

4、用于塑性材料。 第二節(jié) 內(nèi)壓薄壁圓筒的強度計算 一、強度計算公式 1）圓柱筒體 由薄膜應力理論可知，圓柱筒體上任一點處薄膜應力如下： 1=pD中/2S，2=m=pD中/4S，3=0 由第三強度理論可得：1-3= pD中/2S,其安全條件為： 考慮到計算的方便準確性，對上式應作如下修正： 工作壓力p工作p設計（由于實際操作中工作壓力的波動，設計中應以工作壓力乘以放大系數(shù)表示設計壓力，并以設計壓力作為設計壁厚的計算壓力） t(考慮到材料的許用應力隨溫度的升高而降低，設計計算中應以材料在工作中所能達到的最高溫度下的許用應力為準) D中Di+S(考慮到工程中徑無法測量以內(nèi)徑代入計算更為方便),引入焊縫

5、系數(shù)（對焊接制成的壓力容器，考慮到焊縫處強度與整板強度的差異，用焊縫系數(shù)表示焊縫處強度與整板強度的比值，應以焊縫處的實際強度為評判是否安全的標準。） 考慮到上述四個修正并算出S后，上述表達式演變?yōu)椋?此處S0為計算壁厚。 設計中，對最終選定的名義壁厚Sn，應在計算壁厚的基礎上再作如下補充： 壁厚附加量C 考慮腐蝕裕量C2，得到圓筒的設計壁厚為：,同樣，取第四強度理論的應力強度可得： 所以對已有設備進行強度校驗和確定最大允許工作壓力的計算公式分別為：,采用無縫鋼管作圓筒體時，其公稱直徑為鋼管的外徑。將D=D0-S代入S=pD/2t中，并考慮焊縫，得到以外徑為基準的公式：,以上各式適用范圍是p0.

6、4t，（即外徑與內(nèi)徑之比K1.5）。 對地球形容器由于其主應力為 以上各式適用范圍是p0.6t，（即外徑與內(nèi)徑之比K1.35）。,二、設計參數(shù)的確定 1、設計壓力 設計壓力是在相應的設計溫度下用以確定殼壁厚度的壓力，其值不得小于最高工作壓力（容器頂部在工作中可能產(chǎn)生的最高表壓力）。 2、設計溫度 設計溫度是指容器在操作過程中在相應的設計壓力下容器殼壁或受壓元件沿截面厚度可能達到的最高或最低的（指-20以下）平均壁溫。 容器的設計溫度指殼體的設計溫度。,3、許用應力 許用應力是以材料強度的極限應力0為基礎，并合理選擇安全系數(shù)，即： （1）極限應力0的取法 對常溫容器,實際中應采用的許用壓力為下列

7、二式中較小值:,對中溫容器,根據(jù)設計溫度下材料的抗拉強度或屈服點確定許用壓力,取下列二式中較小值: 對高溫容器,考慮到材料的高溫持久強度和蠕變強度的許用應力,當碳鋼和低合金鋼、合金鋼、奧氏體不銹鋼的設計溫度分別超過420、450、550時，許用應力應取下列式中較小值：,（2）安全系數(shù)的取法 如何選擇合理的安全系數(shù)時設計中比較復雜和關鍵的問題，因為它與下列因素有關： 計算方法的準確性、可靠性和受力分析的精確程度。 材料的質(zhì)量和制造的技術水平。 容器的工作條件的重要性和危險性。 4、焊縫系數(shù) 1）設計中考慮焊縫系數(shù)的原因： 焊接時可能出現(xiàn)缺陷而未被發(fā)現(xiàn)； 焊接熱影響區(qū)形成粗大晶粒導致強度和塑性降低

8、； 結構剛性約束造成焊接內(nèi)應力過大。 以上原因可能造成焊接區(qū)強度降低。,5、壁厚附加量 壁厚附加量包括鋼板或鋼管厚度的負偏差C1和介質(zhì)的腐蝕裕量C2，即 C=C1+C2 （1）鋼板或鋼管厚度的負偏差C1 鋼板或鋼管的厚度負偏差，應按名義壁厚Sn選取。 當鋼板厚度負偏差不大于0.25mm，且不超過名義壁厚的6%時，可取C1=0。 （2）腐蝕裕量C2 腐蝕裕量由介質(zhì)對材料的均勻腐蝕速率與容器的設計壽命決定 。 C2 =KaB,當材料的腐蝕速率為0.050.1mm/a時,單面腐蝕取C2=12mm;雙面腐蝕取C2=24mm。 一般對碳素鋼和低合金鋼，C2不小于1mm。 對不銹鋼，當介質(zhì)的腐蝕性極微時，

9、可取C2=0。 三、容器的壁厚和最小壁厚 1、壁厚 在強度設計的諸多公式中，壁厚（S），設計壁厚（Sd），名義壁厚（Sn）和有效壁厚（Se）有如下關系：,S Sd Sn Se SnC,2、最小壁厚 對碳素鋼和低合金鋼容器 當內(nèi)徑Di3800mm時，Smin=2Di/1000 mm，且不小于3mm，腐蝕裕量另加； 當內(nèi)徑Di3800mm時，Smin按運輸和現(xiàn)場制造條件確定。 對不銹鋼容器, Smin=2 mm。 此時筒體的名義厚度Sn可視以下情況而定： 當SminSC1時， Sn= Smin+C2+（ 可以等于零） 當SminSC1時， Sn= Smin+ C1 +C2+,四、壓力試驗及其強度校

10、驗 容器在投入生產(chǎn)之前，必須作壓力試驗和氣密試驗，目的在于檢驗容器的宏觀強度和有無滲漏現(xiàn)象，以確保設備的安全與正常運行。 1、試驗壓力 （1）液壓試驗壓力按下式確定： 1.25p/ t （MPa） pt= (取兩者中較大值) p+0.1 (Mpa),（2）氣壓試驗壓力按下式確定： 1.15p/ t （MPa） pt= (取兩者中較大值) p+0.1 (Mpa) 2、壓力試驗的要求與試驗方法 （1）液壓試驗 （2）氣壓試驗 （3）氣密試驗,3、壓力試驗時的應力校核 在壓力試驗時，容器壁內(nèi)所產(chǎn)生的最大應力不得超過所用材料在實驗溫度下屈服點的90%（液壓試驗）或80%（氣壓試驗）。 液壓實驗時： 氣

11、壓實驗時：,第三節(jié) 內(nèi)壓圓筒封頭的設計 容器封頭(又稱端蓋)分類: 凸形封頭(半球形封頭、橢圓形封頭、蝶形封頭、無折邊球形封頭)、錐形封頭和平板形封頭。 一、半球形封頭 構成：半個球殼 壁厚計算公式：,二、橢圓形封頭 1、構成：由長短半軸分別為a和b的半球殼和高度為h0的短圓筒（統(tǒng)稱為直邊）構成。 2、當m=a/b2時，最大應力點在橢球殼頂點。 即：,將a/b=m，a=D/2代入上式得： 其強度條件為： 將許用應力乘以焊縫系數(shù)，并將D=Di+S，m=Di/2hi代入上式得到m=a/b=Di/2hi2時的橢圓封頭壁厚計算公式為：,式中 hi橢圓封頭內(nèi)壁曲面高度。 當m=2時，則： m=Di/2h

12、i2時，引入應力增強系數(shù)K，以取代Di/4hi，因此得到： 3、橢圓形封頭許用壓力計算公式：,三、蝶形封頭 1、構成：以為半徑的球面，以r為半徑的過渡圓?。凑圻叄┖透叨葹閔0的直邊。,2、考慮到蝶形封頭邊緣應力的影響，在設計中引入形狀系數(shù)M，其壁厚計算公式為： 3、蝶形封頭許用壓力計算公式： 當Ri=0.9Di, r=0.17Di時,稱為標準蝶形封頭，此時M=1.325，于是標準蝶形封頭壁厚計算公式： 4、對于標準蝶形封頭，其有效壁厚Se應不小于封頭內(nèi)徑的0.15%，其它蝶形封頭不小于0.30%。,四、無折邊球形封頭 1、構成：將蝶形封頭的直邊及過渡圓弧部分去掉，只留下球面部分，并把它直接焊

13、在筒體上，構成無折邊球形封頭。 2、壁厚計算公式：,五、錐形封頭 一）錐形封頭的結構形式 通常在設備底部，便于出料，也有倆段圓弧過渡的連接。就封頭來說，分為：帶折邊錐封和不帶折邊錐封。 1）不帶折邊：邊界應力較大，焊接要求較高。 因為同壓p、同壁厚s下，越大，越大，故此時不易過大。通常30 2）帶折邊：受邊界應力較小，這邊的高度同其余封頭，角可適當加大，通常60（60按平板理論）。,3）=45，大端必須加折邊，小端可加可不加。 二）封頭壁厚的計算 1）不帶折邊錐形封頭 a）如果不考慮邊界應力： 由以前的知識可知：在最大段最大。 b）考慮邊界應力 實際上，不考慮邊界應力是不現(xiàn)實的，邊界應力本身客

14、觀存在，理論上規(guī)定，邊3t時，不考慮是錯誤的。那如何考慮,i）邊在什么方向上？ 如果在方向上，最大力為邊+ 如果在M方向上，最大力為邊+M或之間較大的一值。 結果：邊在M同方向上。 這使得：環(huán)向：=pD/2S 軸向：邊+。且： 問題演變?yōu)榕袛嗯c（邊+M）的大小 ii）判斷：如果（邊+M），仍按上式計算； 如果（邊+M），重新推導公式。,六、平板封頭 1、分析： 對周邊固定（夾持）受均勻載荷的圓平板，最大應力是徑向彎曲應力，產(chǎn)生在圓板邊緣，其值為： 對周邊簡支受均勻載荷的圓平板，最大應力產(chǎn)生在平板的中心，且徑向彎曲應力與切向彎曲應力相等，其值為：,2、壁厚計算公式： 根據(jù)強度條件：max,由(4-32)和(4-33)可得到相應的圓平板封頭壁厚計算公式: 在化工容器設計規(guī)定中，利用結構特征系數(shù)K將平板封頭厚度的設計歸納為：,2）帶折邊的錐形封頭 形狀特點：a-b段是錐形，b-c段是環(huán)狀殼體。 a）最大力位置分析 ab