第三节内压薄壁圆筒的强度设计

第三节内压薄壁圆筒的强度设计 教学重点：内压薄壁圆筒的厚度计算教学难点：厚度的概念和设计参数的确定

内压薄壁圆筒与封头的强度设计公式推导过程 • 根据薄膜理论进行应力分析，确定薄膜应力状态下的主应力 • 根据弹性失效的设计准则，应用强度理论确定应力的强度判据 • 对于封头，考虑到薄膜应力的变化和边缘应力的影响，按壳体中的应力状况在公式中引进应力增强系数 • 根据应力强度判据，考虑腐蚀等实际因素导出具体的计算公式。

一、强度设计的基本知识 （一）、关于弹性失效的设计准则 1、弹性失效理论容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点，容器即告失效(失去正常的工作能力)，也就是说，容器的每一部分必须处于弹性变形范围内。保证器壁内的相当应力必须小于材料由单向拉伸时测得的屈服点。

2、强度安全条件 为了保证结构安全可靠地工作，必须留有一定的安全裕度，使结构中的最大工作应力与材料的许用应力之间满足一定的关系，即 ——相当应力，MPa，可由强度理论确定 ——极限应力，MPa，可由简单拉伸试验确定 ——安全裕度 ——许用应力,MPa

（二）、强度理论及其相应的强度条件 1、薄壁压力容器的应力状态图4-1 应力状态径向应力

2、常用强度理论 第一强度理论（最大主应力理论）适用于脆性材料强度条件第三强度理论（最大剪应力理论）强度条件适用于塑性材料

第四强度理论 （能量理论）适用于塑性材料强度条件第二强度理论（最大变形理论）与实际相差较大，目前很少采用。压力容器材料都是塑性材料，应采用三、四强度理论，GB150-98 采用第三强度理论.

二、内压薄壁圆筒壳体与球壳的强度设计 （一）、强度设计公式 1、内压薄壁圆筒考虑介质腐蚀性考虑实际情况，引入pc等参数考虑钢板厚度负偏差并圆整

参数变换： • 1.将中径换算为圆筒内径，D=Di+S; • 2.压力换为计算压力Pc ； • 3.考虑到焊缝处因气孔、夹渣等缺陷以及热影响区晶粒粗大等造成的强度削弱，引进焊缝系数Φ(≤1)； • 4.材料的许用应力与设计温度有关。

内压圆筒强度计算公式： 计算壁厚公式：再考虑腐蚀裕量C2 ,于是得到圆筒的设计壁厚为：

在公式（3-6a）基础上，考虑到钢板的负偏差C1（钢板在轧制时产生了偏差） 在公式（3-6a）基础上，考虑到钢板的负偏差C1（钢板在轧制时产生了偏差） ——名义壁厚公式： • 再根据钢板标准规格向上圆整。 • Sn——最终名义厚度。 • 这是写在图纸上的钢板厚度！

强度校核公式 最大允许工作压力计算公式 1、当筒体采用无缝钢管时，应将式中的Di换为D0 2、以上公式的适用范围为 3、用第四强度理论计算结果相差不大

2、内压球形壳体 公式的适用范围为

（二）、设计参数的确定 1、压力指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。工作压力指设定的容器顶部的最高压力，它与相应设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。设计压力指在相应设计温度下，用以确定壳体各部位厚度的压力，其中包括液柱静压力。计算压力pc=设计压力p+液柱静压力计算压力

工作压力pw ---正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。 • 由工艺计算确定： • 化学反应所要求的； • 传递过程所必需的； • 由液化气体的饱和蒸汽压所决定的。

设计压力p：设定的容器顶部的最高压力---设计载荷。取值方法：设计压力p：设定的容器顶部的最高压力---设计载荷。取值方法：（1）容器上装有安全阀取不低于安全阀开启压力： p ≤（1.05～1.1）pw 系数取决于弹簧起跳压力。看看安全阀的工作情况

（2）容器内有爆炸性介质，安装有防爆膜时：（2）容器内有爆炸性介质，安装有防爆膜时：防爆膜装置示意图取设计压力为爆破片设计爆破压力加制造范围上限。P44 表3-1。看看爆破片的工作情况

（3）无安全泄放装置——取 p=（1.0~1.1）pw。 （4）盛装液化气容器—— 设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。（地面安装的容器按不低于最高饱和蒸汽压考虑，如40℃，50℃，60℃时的气体压力）。注意：要考虑实际工作环境，如放置地区，保温，遮阳，喷水等。例如：液氨储罐。金属壁温最高工作为50℃，氨的饱和蒸汽压为2.07MPa。 1.容器的设计压力？ 2.若容器安放有安全阀，设计压力？

（5）外压容器——取 p≥正常操作下可能产生的最大压差。注意：“正常操作”——含空料，真空检漏，稳定生产，中间停车等情况。（6）真空容器— ※不设安全阀时，取0.1MPa ； ※设有安全阀时取Min（1.25×△p ,0.1MPa) 。

（7）带夹套容器——取正常操作时可能出现的最大内外压差。例如 带夹套的反应釜：夹套内蒸汽压力为0.2MPa,釜内开始抽真空，然后釜内升压至0.3MPa。该釜壁承受压力如何？釜壁可能承受压力情况： ※釜内空料，夹套内充蒸汽-----外压0.2MPa; ※釜内真空，夹套内充蒸汽-----外压0.3MPa; ※釜内0.3MPa，夹套内0.2MPa----内压0.1MPa; ※釜内0.3MPa，夹套内空料—--内压0.3MPa; 釜壁承受的最大压差:内压0.3MPa或外压0.3MPa.

计算压力pc---在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。计算压力pc---在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。即计算压力=设计压力+液柱静压力(≥5%P时计入) 可见，计算压力≥设计压力≥工作压力=容器顶部表压例：一立式容器，工作压力0.5MPa，液体深10m，重度为10,000N/m3。 pw=0.5MPa, p=0.5MPa pc=0.5+(10×10,000)/1,000,000=0.6MPa

2、设计温度 指容器在正常工作情况下，在相应的设计压力下，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面厚度的温度平均值）。设计温度是选择材料和确定许用应力时不可少的参数。

确定设计温度的方法： （1）对类似设备实测；（2）传热计算；（3）参照书P44表3-2。例如：不被加热或冷却的器壁，且壁外有保温，取介质温度；用水蒸气、热水或其它液体加热或冷却的器壁，取热介质的温度；等等。

3、许用应力和安全系数 许用应力是以材料的各项强度数据为依据，合理选择安全系数n得出的。（1）极限应力极限应力的选取与结构的使用条件和失效准则有关极限应力可以是

常温容器 中温容器高温容器高温式中 ----设计温度下材料的蠕变强度和持久强度。 ----蠕变强度和持久强度的安全系数。

（2）安全系数 安全系数是一个不断发展变化的参数。随着科技发展，安全系数将逐渐变小。钢材的安全系数常温下，碳钢和低合金钢

影响安全系数的因素： ①计算方法的准确性、可靠性和受力分析的精度； ②材料质量和制造的技术水平； ③容器的工作条件及其在生产中的重要性和危险性。

4.焊接接头系数（f） 容器上存在有：纵焊缝----A类焊缝环焊缝----B类焊缝需要进行无损检验。检验方法主要是： X射线检查和超声波检查。为什麽要进行无损检验？

常见的焊接形式：

常见对接焊 焊缝结构：

焊接后常出现： ①缺陷，夹渣，未焊透，晶粒粗大等，在外观看不出来； ②熔池内金属从熔化到凝固的过程受到熔池外金属的刚性约束，内应力很大。 ——焊缝区强度比较薄弱。

焊接缺陷

焊缝区的强度主要取决于熔焊金属、焊缝结构和施焊质量。焊缝区的强度主要取决于熔焊金属、焊缝结构和施焊质量。焊接接头系数的大小决定于焊接接头的型式和无损检测的长度比率。焊接接头系数φ是焊接削弱而降低设计许用应力的系数。为综合考虑筒体强度，设计公式中将钢板母材的许用应力乘以f（≤1）。 [σ] × f [σ]

焊接接头系数（f）：

1.可否采用搭接焊结构制作压力容器壳体？为什麽？1.可否采用搭接焊结构制作压力容器壳体？为什麽？ 2.焊缝处为什麽要进行无损探伤检查？ 3.焊缝系数（φ）为什麽小于等于1？ 4.取焊缝系数的依据是什麽？ 5.壁厚计算公式中的[σ]t是钢板的许用应力，还是焊缝材料的许用应力？ 6.带垫板的焊缝结构中，垫板的作用是什麽？是否起加强作用？你能回答下列问题吗？

5.壁厚附加量 满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚度，包括钢板负偏差(或钢管负偏差) C1、腐蚀裕量 C2 即 C＝ C1十 C2 容器壁厚附加量—— （1）钢板或钢管厚度负偏差 C1: 例如，

在设计容器壁厚时要 • ----预先考虑负偏差。 C1钢板厚度负偏差 1、钢板负偏差参见P49表3-7选取；钢管厚度负偏差参见相关文件。 2、当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，负偏差可以忽略不计。

（2）腐蚀裕量C2 容器元件由于腐蚀或机械磨损——厚度减薄。 ——在设计壁厚时要考虑容器使用寿命期内的安全性！具体规定如下：对有腐蚀或磨损的元件: C2=KaB Ka---腐蚀速率（mm/a），由材料手册或实验确定。 B----容器的设计寿命，通常为10～15年。一般情况, Ka=0.05～0.13mm/a的轻微腐蚀时，对单面腐蚀取C2=1～2mm; 对双面腐蚀取C2=2～4mm。对于不锈钢，一般取0。

1. 确定腐蚀裕度的依据？ 2.腐蚀裕度的有效期？ 3.列管换热器的管子、壳体腐蚀裕度如何定？还要记住！＊容器各元件受到的腐蚀程度不同时，设计中可采用不同的腐蚀裕量。＊介质为压缩空气、水蒸气或水的碳钢或低合金钢容器，单面腐蚀裕量不小于1mm；＊对不锈钢容器，腐蚀轻微时可取C2=0。

6.直径系列与钢板厚度 筒体直径是否可以随意定？压力容器的直径系列已经施行标准化（GB9019-88)，筒体与封头的公称直径配套。钢板厚度是否可以随意取？要按照钢板厚度尺寸系列标准GB/T709-2001的规定选取。P50表3-10。

（三）、容器的壁厚和最小壁厚 ※实际壁厚不得小于名义壁厚减去钢板负偏差，可保证强度要求！ ※热加工封头时，加工单位应预先考虑加工减薄量！ 1.容器壁厚的定义

2 D i 1000 2 d D i min 1000 2、最小厚度设计压力较低的容器计算厚度很薄。大型容器刚度不足，不满足运输、安装。限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求。壳体加工成形后不包括腐蚀裕量最小厚度： a.碳素钢和低合金钢制容器不小于3mm b.对高合金钢制容器，不小于2mm 碳素钢、低合金钢制塔式容器 d max{ , c 4mm} ． ≥ ； min 不锈钢制塔式容器 max{ 3mm}. ≥ ,

（四）、容器耐压试验及其强度校核 在于检验容器的宏观强度和有无渗漏现象，即考察容器的密封性，以确保设备的安全运行。目的 1）检验容器宏观强度—是否出现裂纹,是否变形过大； 2）密封点及焊缝的密封情况。要知道！（1）需要焊后热处理的容器，须热处理后进行压力试验和气密试验；（2）须分段交货的容器，在工地组装并对环焊缝进行热处理后，进行压力试验；（3）塔器须安装后进行水压试验；

1、试验压力 内压容器试验压力液压试验气压试验 p——设计压力 MPa ; []---元件材料在实验温度下的许用应力，MPa; []t——元件材料在设计温度下的许用应力，MPa。 []/[]t大于1.8时，按1.8计算；如果容器各元件(圆筒、封头、接管、法兰及紧固件等)所用材料不同时，应取各元件材料的比值中最小者。容器铭牌上规定有最大允许工作压力时，公式中应以最大允许工作压力代替设计压力p

2、压力试验的应力校核 圆筒壁在试验压力下的计算应力液压试验气压试验

3.压力试验的要求与试验方法 液压试验压力试验的种类气压试验气密性试验

第三节 内压薄壁圆筒的强度设计