第九章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计

1. 第九章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计

2. 压力容器的设计=结构设计+强度设计 三大任务 确定设计参数 强度条件： 进行强度计算 应力分析：σθ，σm σlim/n 确定设计壁厚 强度理论： σr = f(σθ，σm) 压力容器设计总论

3. 强度计算的内容： 1、设计压力容器 2、校核在用容器

4. §9.1 强度设计的基本知识

5. 弹性失效的设计准则 对于中、低压薄壁容器，容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点σst，该容器即告破坏。 强度安全条件：

6. 问题 • 直杆的简单拉伸 • 两向受拉的薄壁容器 强度理论

7. 一点处的应力状态 • “一点处的应力状态”是指构件受力后，通过构件某一点的各截面上应力的全部情况。 • 目的：研究受力构件内危险点的应力状态，确定该点最大正应力和最大剪应力的大小及方向，进而建立其强度条件。 • “一点处应力状态”的表达：围绕该点取一个“微小正六面体”，称为单元体。由于单元体各边的长度极小，所以假设该单元体的任意一对平行平面上的应力是均匀分布的，且大小相等，方向相反。

8. P P σ σ σ θ σm σ m σ θ 一点处的应力状态 截面法 过该点任一斜截面上的应力 简单拉伸 承受内压的薄壁圆筒

9. σ σ σ θ σm σ m σ θ τ σm σ m τ τ τ 一点处的应力状态 承受集中力的简支梁 • 主平面——剪应力为零的平面。 • 主应力——主平面上的正应力。

10. σ 3 σ 2 σ1 σ 1 σ 2 σ 3 一点处的应力状态 可以证明，在受力构件内，围绕任意一点，总可以用截面法，找到一个由六个主平面构成的单元体，在其三对平面内只作用有正应力（或没有剪应力），这一单元体称为主单元体。 构件内任一点处的应力状态都可以用由主平面构成的单元微立方体及其三对主平面上的三个主应力来表达。

11. σ σ σ θ σm σ m σ θ τ σm σ m τ τ τ 三种应力状态 • 单向应力状态——三个面中只有一个主应力不为零。 例如：轴向拉伸或压缩的直杆；纯弯曲直梁内各点。 • 二向应力状态——三个面中有两个主应力不为零。 例如：内压薄壁容器；受扭的圆轴（除轴线上各点）；剪切弯曲（除上下边缘处各点）

12. σ 3 σ 2 σ1 σ 1 σ 2 σ 3 三种应力状态 • 三向应力状态——三个面中三个主应力都不为零。 例如：受内压的厚壁容器器壁上各点；两齿轮接触点处。

13. 强度理论 • 复杂应力状态下，通过实验测定材料破坏时的极限应力值，即： σ1 、σ２ 、σ３ 三者的比例关系是不可能的。 • 将问题简化，重点分析导致破坏的主要原因。 • 强度理论——根据材料破坏的类型和原因，对材料破坏现象进行分析，提出各种假设，这种假设称为强度理论。

14. 材料破坏形式 强度理论 断裂破坏：无明显塑性变形，破坏面较粗糙，多发生在最大正应力截面上。 屈服破坏：发生明显的塑性变形，导致构件不能正常工作。 研究材料在复杂应力条件下材料的失效准则。强度理论是否成立最终由实践检验。

15. 强度条件： 强度理论 • 第一强度理论——最大拉应力理论 假设：最大拉应力σ1是引起材料脆断破坏的因素，不论在什么样的应力状态下，只要构件内一点处的三个主应力中最大的拉应力σ1达到了材料的轴向拉伸时的极限应力，材料就发生脆性断裂。 适用范围：较正确地反映出脆性材料地强度特性，适用于某些承受拉应力的脆性材料，如：铸铁。 第一强度理论相当应力，反映了在用第一强度理论的观点来衡量的复杂应力状态下的该点处的应力水平。

16. 强度理论 • 第三强度理论——最大剪应力理论 假设：最大剪应力τmax是引起材料屈服破坏的因素，不论在什么样的应力状态下，只要构件内一点处的最大剪应力τmax达到了材料的轴向拉伸破坏时的最大剪应力数值，材料就发生屈服破坏。 适用范围：适用于塑性材料的屈服破坏及剪断破坏。但没有考虑中间主应力σ２的影响，故所设计的构件偏安全。

17. 强度理论 • 第四强度理论——形状改变比能理论 假设：形状改变比能μf是引起材料屈服破坏的因素，不论在什么样的应力状态下，只要构件内一点处的形状改变比能μf达到材料的极限值，材料就发生屈服破坏。

18. 三种强度理论的适用情况小结 • 第一强度理论 • 脆性材料，常发生脆性断裂； • 在三向拉伸应力状态下的塑性和脆性材料。 • 第三、第四强度理论 塑性材料，常发生屈服破坏； 在三向压缩应力状态下的塑性和脆性材料。 • 三个强度理论所建立得强度条件可统一为： 根据不同强度理论所得到的构件危险点处三个主应力的某种组合

19. 薄膜应力强度条件 根据第三强度理论： 薄膜应力的强度条件 ： 内压圆筒强度条件为：

20. §9.2内压薄壁圆筒壳与球壳的强度设计 §9.2.1 强度计算公式

21. 内压薄壁圆筒壳的强度设计 依据第三强度理论，强度公式为： 参数变换： 1.将中径换算为圆筒内径，D=Di+δ; 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f(≤1)； 4.材料的许用应力与设计温度有关。

22. 内压圆筒强度计算公式： 内压薄壁圆筒壳的强度设计 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：

23. 内压薄壁圆筒壳的强度设计 再考虑到钢板的负偏差C1（钢板在轧制时产生了偏差）和根据钢板标准规格向上圆整——名义壁厚公式： 这是写在图纸上的钢板厚度！

24. 内压薄壁圆筒壳的强度设计 强度校核公式： 1）在工作压力及温度下，现有容器强度够否？ 2）现有容器的最大允许工作压力如何？ 式中δe——有效壁厚， δe=圆整后的壁厚（ δn）－C1－C2 。

25. 内压薄壁球壳的强度设计 • 由薄膜理论： 由第三强度理论，强度条件： 则导出壁厚计算公式：

26. 内压薄壁球壳的强度设计

27. §9.2.2 设计参数的确定

28. 压力（表压） • 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。

29. 设计压力p：相应于设计温度下容器顶部的最高压力---设计载荷。取值方法：设计压力p：相应于设计温度下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

30. 防爆膜装置示意图 （2）容器内有爆炸性介质，安装有防爆膜时： 设计压力不得低于爆破片设计爆破压力加制造范围上限，可取(1.15~1.75)Pw 。 （3）无安全泄放装置——取 p=（1.0~1.1）pw。 看看爆破片的工作情况

31. （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？

32. （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) 。

33. （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.

34. 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

35. 计算压力Pc与设计压力P的关系

36. 设计温度 • 设计温度指容器正常工作过程中，在相应的设计压力下，设定的受压元件的金属温度t（沿元件金属截面的温度平均值）。 • 金属温度不低于0℃：设计温度不得低于容器工作时器壁金属可能达到的最高温度； • 金属温度低于0℃：设计温度不能高于元件金属可能达到的最低温度。 • 设计温度在容器设计中的作用： ①选择材料； ②确定许用应力。

37. 设计温度的确定 （1）对类似设备实测；（2）传热计算；（3）按内部介质温度确定。

38. 许用应力和安全系数 定义式： （1）许用应力〔s〕的确定： • 工作温度为常温（＜200℃）取 • 工作温度为中温，取

39. 工作温度为高温，取 式中 sntsDt----设计温度下材料的蠕变强度和 持久强度。 nn,nD----蠕变强度和持久强度的安全系数。 • 在GB 150《钢制压力容器》中，对钢板、锻件、紧固件均规定了材料的许用应力。 注意：奥氏体不锈钢的许用应力有两组数值。

40. （2）安全系数及其确定： 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。

41. 焊接接头系数（φ） • 压力容器上有多种焊接接头，它们的强度直接影响容器的强度。 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。

42. 常见的焊接形式：

45. 常见对接焊 焊缝结构：

49. 焊接接头系数φ：焊缝金属与母材强度的比值，反映容器强度受削弱的程度。焊接接头系数φ：焊缝金属与母材强度的比值，反映容器强度受削弱的程度。 [] × φ []

50. 容器的焊接接头系数的选取