1、第二章 中低壓容器設(shè)計(jì),目 錄,第一節(jié) 旋轉(zhuǎn)殼體的應(yīng)力分析,一、旋轉(zhuǎn)殼體的基本概念 旋轉(zhuǎn)殼體的形成及幾何特征, 旋轉(zhuǎn)曲面 任意平面曲線繞同平面內(nèi)某已知的直線旋轉(zhuǎn)而成的曲面稱為旋轉(zhuǎn)曲面。這一已知的直線稱為旋轉(zhuǎn)軸，繞其旋轉(zhuǎn)的平面曲線稱為母線。 旋轉(zhuǎn)殼體 以旋轉(zhuǎn)曲面為中間面的殼體稱為旋轉(zhuǎn)殼體。 中間面 與旋轉(zhuǎn)殼體內(nèi)外表面等距的曲面稱為中間面。, 第一曲率半徑 經(jīng)線上任一點(diǎn)的曲率半徑就是旋轉(zhuǎn)殼體在該點(diǎn)的第一曲率半徑，用r1表示。r1 =K01，O2為第一曲率中心。 第二曲率半徑 用過K點(diǎn)并與經(jīng)線在K點(diǎn)的切線垂直的平面切割中間面，所得交線為一曲線，此曲線在K點(diǎn)的曲率半徑稱為旋轉(zhuǎn)殼體在該點(diǎn)的第二曲率半徑，

2、用r2表示。r2=KO2，O2為第二曲率中心。, 平行圓及其半徑 用垂直旋轉(zhuǎn)軸的平面過K點(diǎn)切割中間面，所得交線為一個(gè)圓，此圓稱為旋轉(zhuǎn)殼體在該點(diǎn)的平行圓。該圓的半徑稱為旋轉(zhuǎn)殼體在該點(diǎn)的平行圓半徑，用r表示。r=KO= r2sin。, 典型殼體的第一、第二曲率半徑及平行圓半徑 圓筒形殼體 設(shè)殼體中間面半徑為R，由于經(jīng)線為直線，故r1=；與經(jīng)線的切線垂直的平面、也就是與旋轉(zhuǎn)軸垂直的平面，其切割中間面形成的曲線就是平行圓，所以 r2= r= R。, 球形殼體 設(shè)殼體中間面半徑為R， 由于經(jīng)線為半圓曲線，與經(jīng) 線垂直的平面就是半徑所在 的平面，故第一、第二曲率 中心重合，第一、第二曲率 半徑都等于球殼中

3、間面半徑 為R，K點(diǎn)的幾何參數(shù)為： r1= r2 =R ； r= r2sin= R sin。, 錐形殼體 設(shè)錐殼的半頂角為。則經(jīng)線是與旋轉(zhuǎn)軸夾角為的直線，K點(diǎn)的幾何參數(shù)為：r1=；r2=xtan； r= r2cos.,二、無力矩理論及應(yīng)用 無力矩理論的概念 旋轉(zhuǎn)殼體在內(nèi)壓力作用下發(fā)生變形，在殼壁中產(chǎn)生拉應(yīng)力和彎曲應(yīng)力，當(dāng)殼體的徑比K=Do/Di1.2時(shí)，為了簡化計(jì)算，常忽略彎曲應(yīng)力而只考慮拉應(yīng)力的影響，這對一般的工程設(shè)計(jì)有足夠的精度。這種分析問題的方法稱為“無力矩理論”，由此求得的旋轉(zhuǎn)殼體中的應(yīng)力稱為“薄膜應(yīng)力”。, 無力矩理論的基本方程 微體平衡方程 區(qū)域平衡方程,當(dāng)殼體只受氣體壓力作用時(shí)，

4、由于氣體密度很小、其靜壓力隨殼體位置的變化很小，所以可近似認(rèn)為 與 無關(guān) 。可得, 受氣體壓力作用典型殼體的薄膜應(yīng)力 圓筒形殼體 球形殼體, 錐形殼體,三、有力矩理論及邊緣問題 無力矩理論的適用范圍 殼體曲率半徑的變化是連續(xù)的、無突變，殼體的厚度也無突變； 構(gòu)成同一殼體材料的物理性能（E、等）是一致的； 作用在殼體上的外載荷是連續(xù)的，沒有突變或集中載荷作用； 殼體邊界處只有沿經(jīng)線切線方向的約束，而經(jīng)線的轉(zhuǎn)動(dòng)和法向位移均不受約束。 以上只要有一條不滿足，就不能應(yīng)用無力矩理論，而應(yīng)按有力矩理論進(jìn)行分析。, 有力矩理論的概念 考察受力平衡、幾何變形、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系等方面，建立各量之間的關(guān)系式，再結(jié)合邊

5、界和變形協(xié)調(diào)條件，求出各種應(yīng)力，這種方法稱為有力矩理論。 邊緣問題 邊緣及邊緣應(yīng)力 在殼體上不滿足無力矩理論應(yīng)用條件的部位稱為連接邊緣，在邊緣處殼體相互之間產(chǎn)生的約束力稱為邊緣應(yīng)力。, 常見的連接邊緣 殼體與封頭的連接處。 直徑和材料相同但壁厚不同兩殼體的連接處。 殼體上有法蘭、接管等部位。 殼體上有集中載荷、或邊界法向有約束的部位。 不同材料制造的同直徑和同壁厚圓筒的連接處等。, 邊緣應(yīng)力的特點(diǎn) 局部性 自限性, 邊緣應(yīng)力在工程設(shè)計(jì)中的考慮 對于塑性較好的低碳鋼、奧氏體不銹鋼，以及銅、鋁等有色金屬材料制成的殼體，當(dāng)承受靜載荷時(shí)，一般可以不對邊緣應(yīng)力特殊考慮或具體計(jì)算。 對于塑性很差的脆性材料

6、制造的容器殼體，必須充分考慮邊緣應(yīng)力的影響，正確計(jì)算邊緣應(yīng)力并按應(yīng)力分類的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行驗(yàn)算，否則，將在邊緣高應(yīng)力區(qū)導(dǎo)致脆性或疲勞破壞。,由于邊緣應(yīng)力具有局部性，在設(shè)計(jì)中可以進(jìn)行局部處理。 用高強(qiáng)度、低塑性的低合金鋼材料制造容器殼體時(shí)，在連接焊縫處及其熱影響區(qū)，材料容易變脆，并使該局部區(qū)域產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力。因此，在焊縫區(qū)域要采取焊后熱處理以消除熱應(yīng)力；另外，在結(jié)構(gòu)上也可進(jìn)行一些處理，使其更加合理，例如，采用等厚度連接；盡量使焊縫遠(yuǎn)離連接邊緣；正確選用加強(qiáng)圈等。, 對受脈動(dòng)載荷或循環(huán)載荷作用的殼體，當(dāng)邊緣應(yīng)力可能超過材料的屈服極限時(shí)，容易引起材料的應(yīng)變硬化現(xiàn)象。如果在同樣載荷繼續(xù)作用下，還可能在

7、該處出現(xiàn)裂紋并形成裂紋源，因此，對承受這類載荷的連接邊緣結(jié)構(gòu)，應(yīng)采取適當(dāng)措施以降低邊緣應(yīng)力的影響。,第二節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器的強(qiáng)度計(jì)算,一、容器的設(shè)計(jì)計(jì)算 圓筒型容器 設(shè)內(nèi)壓薄壁圓筒的中間面直徑為D，壁厚為，內(nèi)部受到介質(zhì)壓力p的作用。 徑向（軸向）應(yīng)力： 環(huán)向應(yīng)力：, 圓筒的強(qiáng)度計(jì)算 對內(nèi)壓薄圓筒而言，其環(huán)向應(yīng)力遠(yuǎn)大于軸向應(yīng)力，故按環(huán)向應(yīng)力建立強(qiáng)度條件： 式中：t -筒體材料在設(shè)計(jì)溫度下的的許用應(yīng)力., 工程應(yīng)用中，還需考慮以下因素 ： 焊縫接頭系數(shù) :由于焊縫的存在會(huì)使筒體強(qiáng)度減弱,所以要將鋼的許用應(yīng)力適當(dāng)降低，將許用應(yīng)力乘以一個(gè)小于1的數(shù)值，稱為焊縫接頭系數(shù)。引入焊縫接頭系數(shù)后的強(qiáng)度條件為：

8、t=pD/2 t 內(nèi)徑：因圓筒的內(nèi)直徑是由工藝計(jì)算決定的，則中間面直徑可表示為為：D = Di+ 計(jì)算壓力PC : 以計(jì)算壓力取代上式中的 p 可得：, 圓筒的計(jì)算厚度 =pcDi/(2t -pc) 式中：-圓筒的計(jì)算厚度； pc-圓筒的計(jì)算壓力； t-圓筒材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力； -圓筒的焊縫接頭系數(shù)。 此式適用范圍為pc0.4t ，且不超過35MPa。, 球形容器 =pD/4 球形容器的強(qiáng)度計(jì)算 =pcD/4 t 設(shè)內(nèi)徑為Di，則中間面直徑為： D = Di+ ,則強(qiáng)度條件為 =pc（Di +）/4t 球形容器的計(jì)算厚度 =pcDi/(4t -pc) 式中各項(xiàng)參數(shù)的意義與內(nèi)壓薄壁圓筒相

9、同 此式適用范圍為pc0.6t ，且不超過35MPa 二、 容器厚度的確定 1、計(jì)算厚度 按各強(qiáng)度公式計(jì)算得到的厚度，是滿足容器強(qiáng)度要求的最小值。,2、設(shè)計(jì)厚度d 計(jì)算厚度與腐蝕裕量之和,即d=+C2。 3、名義厚度n 指設(shè)計(jì)厚度加上鋼材厚度負(fù)偏差向上圓整至鋼材的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格厚度。即標(biāo)注在圖樣上的厚度。 4、有效厚度e 名義厚度減去厚度附加量（鋼材厚度負(fù)偏差+腐蝕裕量） 即： e= n-(C1+C2)= n-C,5、最小厚度min 不包括腐蝕裕量的最小厚度。是滿足容器剛度要求的最小值。 （1）對于碳素鋼、低合金鋼制容器，不小于3mm； （2）對有高合金鋼制容器，不小于2mm。,三、容器的校核計(jì)算

10、圓筒形容器 pw= 2te/(Di+e) 球形容器 pw= 4te/(Di+e) 式中 pw 容器的最大允許工作壓力，MPa； e 容器的有效厚度， n 容器的名義厚度，mm； C 容器的厚度附加量， C1 鋼板或鋼管的厚度負(fù)偏差，mm； C2 腐蝕裕量，mm。,第三節(jié) 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定,一、設(shè)計(jì)壓力 定義 設(shè)計(jì)壓力 設(shè)計(jì)壓力是指設(shè)定的容器頂部的最高工作壓力，用p表示，設(shè)計(jì)壓力應(yīng)標(biāo)在容器的名牌上；其值不低于工作壓力。 工作壓力 工作壓力是指正常操作情況下容器頂部可能出現(xiàn)的最高壓力，用pw表示。, 計(jì)算壓力 在相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度下，用以確定容器元件厚度的壓力稱為計(jì)算壓力，用pc表示，計(jì)算壓力等于設(shè)計(jì)壓

11、力加上容器工作時(shí)所承受的液注靜壓力，當(dāng)元件各部位的液注靜壓力小于5%的設(shè)計(jì)壓力時(shí)，也可忽略不計(jì)。 設(shè)計(jì)壓力的確定 當(dāng)容器上裝有安全閥時(shí)，設(shè)計(jì)壓力應(yīng)大于等于安全閥的開啟壓力，取開啟壓力為（1.11.05）倍的工作壓力；當(dāng)容器上裝有爆破片裝置時(shí)，容器的設(shè)計(jì)壓力隨爆破片的形式、載荷的性質(zhì)及爆破片的制造精度等因素有關(guān)，具體數(shù)值可按GB150的有關(guān)規(guī)定進(jìn)行確定, 當(dāng)容器系統(tǒng)中裝有安全控制裝置，而單個(gè)容器上無安全控制裝置且各個(gè)容器之間的壓力降難以確定時(shí)，其設(shè)計(jì)壓力可按表2-1確定。 盛裝液化氣體或混合液化石油氣的容器，設(shè)計(jì)壓力可按表2-2確定,二、設(shè)計(jì)溫度 定義 設(shè)計(jì)溫度是指容器在正常工作情況下，設(shè)定的元

12、件的金屬溫度（沿元件金屬截面溫度的平均值），用t表示。 設(shè)計(jì)溫度的確定： 容器內(nèi)介質(zhì)被熱載體或冷載體直接加熱時(shí)，設(shè)計(jì)溫度按表2-3確定 。 容器內(nèi)壁與介質(zhì)直接接觸且有外保溫時(shí)，設(shè)計(jì)溫度按表2-4確定, 容器內(nèi)介質(zhì)用蒸汽直接加熱或被內(nèi)置加熱元件（如加熱盤管、電熱元件等）間接加熱時(shí)，其設(shè)計(jì)溫度取被加熱介質(zhì)的最高工作溫度。 對液化氣用壓力容器當(dāng)設(shè)計(jì)壓力確定后，其設(shè)計(jì)溫度就是與其對應(yīng)的飽和蒸氣的溫度。 對儲存用壓力容器（包括液化氣儲罐）當(dāng)殼體溫度僅由大氣環(huán)境條件確定時(shí)，其設(shè)計(jì)溫度可取該地區(qū)歷年來月平均氣溫的最低值，或據(jù)實(shí)計(jì)算。,三、許用應(yīng)力 許用應(yīng)力是容器殼體、封頭等受壓元件所用材料的許用強(qiáng)度，它是由

13、材料的各極限應(yīng)力 除以相應(yīng)的安全系數(shù)來確定的。 四、焊接接頭系數(shù) 焊接接頭系數(shù)，它是接頭處材料的強(qiáng)度與母材強(qiáng)度之比，用表示。焊接接頭系數(shù)的取值與接頭的形式及對其進(jìn)行無損檢測的長度比例有關(guān)。,當(dāng)采用雙面焊對接接頭和相當(dāng)于雙面焊的全焊透對接接頭時(shí)： 100%無損檢測 =1.0； 局部無損檢測 =0.85。 當(dāng)采用單面焊對接接頭（沿焊縫根部有緊貼基本金屬的墊板）時(shí)： 100%無損檢測 =0.90； 局部無損檢測 =0.80。 至于在什么情況下需要采取100%無損檢測，可查閱GB150。,五、厚度附加量 厚度負(fù)偏差C1和腐蝕裕量C2，二者之和稱為厚度附加量，用C表示。,第四節(jié) 內(nèi)壓封頭的結(jié)構(gòu)及強(qiáng)度計(jì)算

14、, 常用封頭的形狀 壓力容器封頭可分為凸形封頭、錐形封頭、平板形封頭等。 凸形封頭包括半球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭和球冠形封頭四種。,一、半球形封頭 半球形封頭即為半個(gè)球殼，半球形封頭的設(shè)計(jì)計(jì)算與球形容器相同。,半球形封頭,橢圓形封頭,二、橢圓形封頭 結(jié)構(gòu)組成 橢圓形封頭是由半個(gè)橢球殼和一段高度為h的直邊部分所組成。直邊部分的作用是使橢圓殼和圓筒的連接邊緣與封頭和圓筒焊接連接的接頭錯(cuò)開，避免邊緣應(yīng)力與熱應(yīng)力疊加的現(xiàn)象，改善封頭和圓筒連接處的受力狀況。 強(qiáng)度計(jì)算 當(dāng)橢圓形封頭的Di/2hi=2時(shí)，稱為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭。, 設(shè)計(jì)計(jì)算 校核計(jì)算 式中 K橢圓形封頭的形狀系數(shù)，,三、碟形封頭 結(jié)構(gòu)組成

15、 碟形封頭是由半徑為 Ri的部分球面、高度為h的 直邊部分及連接以上兩部 分的半徑為r的過渡區(qū)所組 成。GB150中推薦取 Ri=0.9Di, r=0.17Di,碟形封頭, 強(qiáng)度計(jì)算 設(shè)計(jì)計(jì)算 校核計(jì)算 式中： Ri碟形封頭球面部分內(nèi)半徑，mm； M碟形封頭的形狀系數(shù),四、錐形封頭, 結(jié)構(gòu)及適用范圍 當(dāng)半頂角300時(shí)，大、小端均可無折邊，當(dāng)半頂角300450時(shí)，小端可無折邊，大端須有折邊，當(dāng)450600時(shí)，大、小端均須有折邊，當(dāng)半頂角600時(shí)，按平封頭考慮或用應(yīng)力分析方法確定。 設(shè)計(jì)計(jì)算 無折邊錐形封頭,錐體部分厚度 大端加強(qiáng)厚度 小端加強(qiáng)厚度 式中 Q1、Q2大、小端應(yīng)力增值系數(shù),兩端加強(qiáng)段

16、長度按以下規(guī)定確定： 大端封頭上加強(qiáng)段長度 大端筒體上加強(qiáng)段長度 小端封頭上加強(qiáng)段長度 小端筒體上加強(qiáng)段長度,大端有折邊、小端無折邊錐形封頭 大端過渡厚度 中間錐體部分厚度 小端是否要加強(qiáng)，加強(qiáng)端厚度與兩端都無折邊時(shí)小端的情況相同.,兩端都有折邊的錐形封頭 小端過渡段厚度 五、圓形平封頭 圓形平封頭厚度 計(jì)算公式為：,第五節(jié) 容器的壓力試驗(yàn),一、壓力試驗(yàn)的目的 壓力試驗(yàn)的目的是檢查容器的宏觀強(qiáng)度、焊縫的致密性及密封結(jié)構(gòu)的可靠性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)容器鋼材、制造及檢修過程中存在的缺陷，是對材料、設(shè)計(jì)、制造及檢修等各環(huán)節(jié)的綜合性檢查。 二、壓力試驗(yàn)的對象 對下列容器應(yīng)進(jìn)行壓力試驗(yàn) 1、新制造的容器。 2、改

17、變使用條件，且超過原設(shè)計(jì)參數(shù)并經(jīng)強(qiáng)度校核合格的容器。 3、停止使用兩年后重新啟用的容器。 4、使用單位從外單位拆來新安裝的或本單位內(nèi)部移裝的容器。 5、用焊接方法修理改造、更換主要受壓元件的容器。 6、需要更換襯里（重新更換襯里前）的容器。 7、使用單位對安全性能有懷疑的容器。,三、壓力試驗(yàn)的方法 液壓試驗(yàn)： 試驗(yàn)介質(zhì) 凡是在壓力試驗(yàn)時(shí)不會(huì)導(dǎo)致發(fā)生危險(xiǎn)的液體，在低于其沸點(diǎn)溫度下都可作為液壓試驗(yàn)的介質(zhì)，一般用清潔水作為試壓液體。 試驗(yàn)裝置, 試驗(yàn)方法與要求 液壓試驗(yàn)時(shí)應(yīng)先打開放空口，充液至放空口有液體溢出時(shí)，表明容器內(nèi)空氣已排盡，再關(guān)閉放空口的排氣閥，試驗(yàn)過程中應(yīng)保持容器表面干燥。待容器壁溫與液

18、體溫度接近時(shí)開始緩慢升壓至設(shè)計(jì)壓力，確認(rèn)無泄漏后繼續(xù)升壓到規(guī)定的試驗(yàn)壓力，保壓30min，然后將壓力降至規(guī)定試驗(yàn)壓力的80%，并保持足夠長的時(shí)間（一般不少于30min），以便對所有的焊接接頭及連接部位進(jìn)行檢查，如發(fā)現(xiàn)有泄漏應(yīng)進(jìn)行標(biāo)記，卸壓修補(bǔ)后重新試壓，直至合格為止。在保壓期間不得采用連續(xù)加壓的做法維持壓力不變，也不得帶壓緊固螺栓或向受壓元件施加外力。, 液壓試驗(yàn)時(shí)無滲漏、無可見的變形，試驗(yàn)過程中無異常的聲響，對拉伸強(qiáng)度b510MPa的鋼材、經(jīng)表面無損檢測抽查未發(fā)現(xiàn)裂紋即為合格。 對碳素鋼、16MnR和正火15MnVR鋼容器液壓試驗(yàn)時(shí)，液體溫度不得低于5，其他低合金鋼容器液體溫度不得低于15；

19、如果由于板厚等因素造成材料的無延性轉(zhuǎn)變溫度升高時(shí)，則需要相應(yīng)提高試驗(yàn)液體的溫度。其他鋼種容器液壓試驗(yàn)溫度按圖樣規(guī)定。 液壓試驗(yàn)完畢后，應(yīng)將液體排盡并用壓縮空氣將內(nèi)部吹干。對奧氏體不銹鋼制造的容器用水進(jìn)行試驗(yàn)后，應(yīng)采取措施除去水漬，防止氯離子腐蝕；無法達(dá)到這一要求時(shí)，應(yīng)控制水中氯離子的含量不超過25mg/L。, 氣壓試驗(yàn)： 試驗(yàn)介質(zhì) 干燥、清潔的空氣、氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w。 試驗(yàn)方法與要求 容器作定期檢查時(shí)若其內(nèi)有殘留易燃?xì)怏w存在將導(dǎo)致爆炸時(shí)，不得使用空氣作為試驗(yàn)介質(zhì)。對碳素鋼和低合金鋼容器，試驗(yàn)用氣體溫度不得低于15，其他鋼種的容器按圖樣規(guī)定。, 氣壓試驗(yàn)時(shí)應(yīng)緩慢升壓至規(guī)定試驗(yàn)壓力的10%且不超過0.05MPa，保壓5min后對容器的所有焊接接頭和連接部位進(jìn)行初步泄漏檢查，合格后繼續(xù)緩慢升壓至規(guī)定試驗(yàn)壓力的50%，然后按每級為規(guī)定試驗(yàn)壓力10%的級差逐步升到規(guī)定的試驗(yàn)壓力。保壓10min后將壓力降至規(guī)定試驗(yàn)壓力的87%，并保壓不少于30min，進(jìn)行全面的檢查，如有泄漏則卸壓修補(bǔ)后再按上述規(guī)定重新試驗(yàn)。在保壓期間不得采用連續(xù)加壓的做法維持壓力不變，也不得帶壓緊固螺栓或向受壓元件施加外力。 氣壓試驗(yàn)時(shí)容器無異常響聲，經(jīng)肥皂液