第九章 內壓薄壁圓筒和球殼設計

1、第九章 內壓薄壁圓筒和球殼的設計,根據給定的內直徑，設計壓力，設計溫度以及介質腐蝕性等條件，設計出合適的厚度，以保證在規(guī)定的使用壽命內安全可靠地運行。壓力容器強度計算的內容主要是新容器的強度及在用容器的強度校核。,第一節(jié) 概述,壓力容器設計的內容,1、確定設計參數：p（設計壓力）、t（設計溫度——正常工作的情況下設定的元件金屬的溫度）、DN（公稱直徑）、[σ]t（設計溫度下的許用應力）、φ（焊接接頭系數）等。2、選擇材料 只討論鋼

2、制化工容器。 壓力低、按剛度設計的容器：盡量用低碳鋼； 壓力較高之大型容器：普通低合金鋼。價格比碳鋼高20%，強度高30~60%。 介質腐蝕嚴重或產品純度要求高：不銹鋼； 深冷容器：銅及其合金。,4、確定殼體（筒體、封頭）壁厚?！獜姸扔嬎恪?、選取標準件。 法蘭、支座、開孔附件等。6、繪制設備圖紙。 本章主要討論中低壓化工容器筒體與封頭的強度計算問題。,一、薄壁圓筒強度計算公式承受內

3、壓的圓筒，薄膜應力為根據第三強度理論工藝設計中一般給出內直徑考慮焊縫區(qū)金屬強度一般低于母材,第二節(jié) 內壓薄壁圓筒和球殼強度計算,pc —— 計算壓力，MPaDi —— 圓筒內直徑，mmδ —— 計算厚度，mmφ —— 焊接接頭系數[σ]t —— 設計溫度下材料許用應力，MPa適用范圍,殼體厚度計算厚度δ設計厚度?d=?+C2名義厚度?n=?d+C1并圓整有效厚度?e=?n-C1-C2=?n-C毛坯厚度=?n+加

4、工減薄量C3最小厚度δmin為滿足制造工藝要求及運輸和安裝的剛度要求,對殼體規(guī)定的最小厚度,設計厚度與名義厚度,內壓圓筒應力校核內壓圓筒許可壓力確定,四、關于最小厚度的規(guī)定按壁厚公式計算得到的壁厚很小，不能滿足制造工藝要求以及運輸和安裝過程中的剛度要求，規(guī)定殼體加工成型后不包括腐蝕裕量的最小厚度對碳素鋼、低合金鋼制容器，不小于3mm對高合金鋼制容器，不小于2mm,與薄壁圓筒的推導相似，可以得到球形容器的厚度設計計算公式如下

5、：計算厚度應力校核,二、內壓球殼的強度計算,許可壓力,1. 設計壓力 p 表壓，設計壓力是指在相應設計溫度下用以確定容器殼體厚度及其元件尺寸的壓力，是標注在銘牌上的容器設計壓力。 液體靜壓力>5%p時，取設計壓力+靜壓力為計算壓力，有安全閥時?。?.05~1.1）最高工作壓力，有爆破膜時?。?.15~1.3）倍的最高工作壓力,三、 設計參數的確定,2. 計算壓力3. 設計溫度 (表 9-1）

6、4.許用應力和安全系數許用應力：強度性能/安全系數安全系數：考慮到材料性能、載荷條件、設計方法、加工制造和操作等方面的不確定因素而確定的質量保證系數到材料性能、載荷條件、設計方法、加工制造和操作等方面的不確定因素而確定的質量保證系數,碳素鋼、低合金鋼 高合金鋼 GB150許用應力表（表9-4）,5. 焊接接頭系數 表示焊縫區(qū)金屬與母材金屬強度的比值。 焊縫熱影響區(qū)有熱應力的存在

7、，焊縫金屬晶粒粗大，焊縫中存在缺陷——影響焊縫的強度。 采用焊接接頭系數，以補償焊接型式、焊接工藝及焊縫探傷檢驗的嚴格程度對焊縫區(qū)材料強度的影響。 焊接接頭系數的大小取決于焊縫結構和探傷方法。GB150規(guī)定：,,GB150規(guī)定： 雙面焊或相當雙面焊的全焊透的對接接頭 當采用100%探傷時,φ=1.00 當采用局部探傷時,φ=0.85 單面焊的對接接頭（沿焊縫根部全長有

8、緊貼基本金屬的墊板） 當采用100%探傷時,φ=0.90 當采用局部探傷時,φ=0.80,6. 厚度附加量 C=C1+C2C1——鋼材厚度負偏差C2——腐蝕裕量容器厚度附加量包括鋼板或鋼管厚度的負偏差C1和介質的腐蝕裕量C2。,鋼材厚度負偏差C1薄鋼板厚度負偏差按GB708規(guī)定選取厚鋼板厚度負偏差按GB709規(guī)定選取,腐蝕裕量C2為防止容器元件由于腐蝕、機械磨損導致的厚度減薄而附加的厚度量

9、根據腐蝕速度和設計壽命選取腐蝕裕量容器的各元件受到的腐蝕程度不同時，會采用不同的腐蝕裕量介質為水、水蒸氣、空氣的碳素鋼或低合金鋼制容器，C2≥1mm。,對于碳素鋼和低合金鋼：腐蝕速度<0.05mm/a，C2=0腐蝕速度0.05～0.13mm/a，C2≥1mm腐蝕速度0.13～0.25mm/a，C2≥2mm腐蝕速度≥0.25mm/a，C2≥3mm,容器制成后需進行壓力試驗，包括強度試驗和致密性試驗強度試驗在超工作壓力

10、下進行液壓（或氣壓）試驗試驗目的檢查容器在超工作壓力下的宏觀強度，包括材料的缺陷、容器各部分的變形、焊接接管的強度、容器法蘭連接的泄漏,第三節(jié) 容器的壓力試驗,致密性試驗對密封性要求高的重要容器在強度試驗合格后進行的泄漏檢查壓力試驗有液壓試驗和氣壓試驗兩種,□介質：一般為水，所以又稱為水壓試驗。也可以使用不會導致危險的其它液體（揮發(fā)性小、易流動、不易燃和無毒性）。 □水溫度：C鋼、16MnR、15MnVR容器≮5℃；其它低

11、合金鋼≮15℃。 預防試壓管道凍結及脆性破裂。一般在常溫下進行。 □實驗步驟：,一、液壓試驗,達到試驗壓力后關閉直通閥保壓30分鐘，此間壓力表讀數應保持不變。然后降至規(guī)定試驗壓力的80%并保持足夠長時間對所有焊縫及連接部位進行檢查，如有汗珠、水滴，表明有泄漏（壓力表讀數下降），應做標記，卸壓后修補，修好后重新試驗。直至合格。,試驗壓力： 內壓容器使試驗條件下的應力安全狀況與操作條件下相同

12、 應力校核 ∵ PT > P ∴試驗前應對圓筒在試驗壓力下的最大應力進行應力校核： （防止應力過大，試驗前進行）,將容積為V的容器充滿壓力為P的氣體所需壓縮功比液體壓縮功大幾百到幾萬倍，一旦破裂壓縮功轉化為爆破能，所以氣體比液體造成的危害要大得多。因為壓力試驗的目的就是檢驗容器的強度，所以存在破裂的可能性。所以：只有在不宜做液壓試驗的容器才進行氣壓試驗（100%探傷并采取有效的防護措施）。如：內襯耐火材料不易