內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)(3).ppt

第八章 內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì),第一節(jié) 強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基本知識(shí) 第二節(jié) 內(nèi)壓薄壁圓筒的強(qiáng)度設(shè)計(jì) 第三節(jié) 內(nèi)壓圓筒封頭的設(shè)計(jì),1,強(qiáng)度設(shè)計(jì)的任務(wù)：根據(jù)給定的公稱直徑以及設(shè)計(jì)壓力和溫度，確定合適的壁厚，設(shè)計(jì)出合理的結(jié)構(gòu)，以保證設(shè)備安全可靠地運(yùn)行。 內(nèi)壓薄壁圓筒和封頭的強(qiáng)度計(jì)算公式，推導(dǎo)過(guò)程： 根據(jù)薄膜理論進(jìn)行應(yīng)力分析，確定薄膜應(yīng)力狀態(tài)下的主應(yīng)力； 根據(jù)彈性失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，應(yīng)用強(qiáng)度理論確定應(yīng)力的強(qiáng)度判據(jù)； 對(duì)于封頭，考慮到薄膜應(yīng)力的變化和邊緣應(yīng)力的影響，按殼體中的應(yīng)力狀況在公式中引進(jìn)應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)。 根據(jù)應(yīng)力強(qiáng)度判據(jù)，考慮腐蝕等實(shí)際因素導(dǎo)出具體的計(jì)算公式。,2,第一節(jié) 強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基本知識(shí),1.彈性失效準(zhǔn)則 容器上任一處的最大應(yīng)力達(dá)到材料在設(shè)計(jì)溫度下的屈服點(diǎn)s，容器即告失效（指容器失去正常的工作能力），也就是說(shuō)，容器的每一部分必須處于彈性變形范圍內(nèi)。保證器壁內(nèi)的相當(dāng)應(yīng)力必須小于材料由單向拉伸時(shí)測(cè)得的屈服點(diǎn)，即當(dāng)s。 2.強(qiáng)度安全條件 為保證結(jié)構(gòu)安全可靠地工作，必須留有一定的安全裕度，使結(jié)構(gòu)中的最大工作應(yīng)力與材料的許用應(yīng)力之間滿足一定的關(guān)系，即：,3,一、關(guān)于彈性失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,二、強(qiáng)度理論及其相應(yīng)的強(qiáng)度條件,復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)的強(qiáng)度條件，要解決兩方面的問(wèn)題： 一是根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)確定主應(yīng)力； 二是確定材料的許用應(yīng)力。,4,內(nèi)壓薄壁容器的主應(yīng)力：,1.第一強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件,5,2.第三強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件,3.第四強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件,【備注】壓力容器都是采用塑性材料制造的，但是由于歷史原因我國(guó)壓力容器設(shè)計(jì)采用第一強(qiáng)度理論。,采用第一和第三強(qiáng)度理論，薄壁容器的強(qiáng)度條件形式上是一樣的！,第二節(jié) 內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼的強(qiáng)度設(shè)計(jì),6,一、強(qiáng)度計(jì)算公式,1.圓筒強(qiáng)度計(jì)算公式的推導(dǎo),平均直徑D換算為圓筒內(nèi)徑（D=Di+S），壓力換為計(jì)算壓力pc，考慮焊接制造因素,計(jì)算壁厚公式,考慮腐蝕裕量C2，得到圓筒的設(shè)計(jì)壁厚,設(shè)計(jì)壁厚公式,1.1 鋼板卷制筒體（內(nèi)徑Di為基準(zhǔn)）,計(jì)算壁厚公式,設(shè)計(jì)壁厚公式,1.2 無(wú)縫鋼管作筒體（外徑DO為基準(zhǔn)）,7,設(shè)計(jì)壁厚加上鋼板厚度負(fù)偏差C1，再根據(jù)鋼板標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格向上圓整確定選用鋼板的厚度，即名義壁厚（Sn），即為圖紙上標(biāo)注厚度。,2.圓筒強(qiáng)度校核與許用壓力確定,8,2.2已有設(shè)備確定最大允許工作壓力,2.1已有設(shè)備強(qiáng)度校核,外徑為基準(zhǔn),內(nèi)徑為基準(zhǔn),外徑為基準(zhǔn),內(nèi)徑為基準(zhǔn),3.球形容器厚度計(jì)算及校核計(jì)算公式,9,3.2校核計(jì)算公式,3.1厚度計(jì)算公式,設(shè)計(jì)壁厚,計(jì)算壁厚,確定最大允許工作壓力,已有設(shè)備強(qiáng)度校核,4.公式符號(hào)意義,10,Pc計(jì)算壓力，MPa； Di筒體內(nèi)徑，mm； Do筒體外徑，mm； Sc筒體的計(jì)算壁厚，mm； Sd筒體的設(shè)計(jì)壁厚，mm，Sd=Sc + C2； Sn筒體的名義壁厚，mm。Sn=Sd+C1+=Sc+C1+C2+，-圓整量 Se筒體的有效壁厚，mm，Se=Sn-C； t筒體材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa； 焊縫系數(shù)； C2腐蝕裕量，mm； C1鋼板厚度負(fù)偏差，mm； C壁厚附加量，mm，C = C1 + C2。,二、設(shè)計(jì)參數(shù)的確定,1. 設(shè)計(jì)壓力與計(jì)算壓力,11,【聲明】壓力均指表壓 1.1最高工作壓力pw 正常工作情況下，容器頂部可能達(dá)到的最高壓力。 1.2設(shè)計(jì)壓力p 是指在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下用以確定容器殼體厚度及其元件尺寸的壓力，亦即標(biāo)注在銘牌上的容器設(shè)計(jì)壓力，其值不得小于最高工作壓力。 1.3計(jì)算壓力pc 在相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度下用以確定元件厚度的壓力，包括液柱靜壓力，當(dāng)液柱靜壓力小于5設(shè)計(jì)壓力時(shí)可忽略不計(jì)。 【注意】一個(gè)設(shè)備只有一個(gè)設(shè)計(jì)壓力，卻可能有多個(gè)計(jì)算壓力,12,2. 設(shè)計(jì)溫度,13,設(shè)計(jì)溫度是指容器正常工作情況下，設(shè)定的元件金屬溫度（元件沿截面厚度的溫度平均值）。設(shè)計(jì)溫度是選擇材料及確定材料許用應(yīng)力時(shí)的一個(gè)基本設(shè)計(jì)參數(shù)，按表中的I或II進(jìn)行選取。,【注意】溫度對(duì)材料性能的影響： 溫度超過(guò)15時(shí)，溫度越高，材料強(qiáng)度下降得越厲害 溫度不超過(guò)15時(shí)，溫度越低，材料越容易產(chǎn)生脆斷 設(shè)計(jì)溫度必須在材料允許的使用溫度范圍內(nèi)，可在-196鋼材的蠕變溫度內(nèi)確定。具體材料的使用溫度范圍見表9-3.,3.許用應(yīng)力和安全系數(shù),14,3.1極限應(yīng)力的取法 壓力容器設(shè)計(jì)中用屈服點(diǎn)s、抗拉強(qiáng)度b作為計(jì)算許用應(yīng)力的極限應(yīng)力（保證不發(fā)生塑性變形和斷裂）,常溫容器,中溫容器,高溫容器,15,3.2安全系數(shù) 安全系數(shù)的影響因素： 計(jì)算方法的準(zhǔn)確性、可靠性和受力分析的的精確程度； 材料的質(zhì)量和制造的技術(shù)水平； 容器的工作條件以及容器在生產(chǎn)中的重要性和危險(xiǎn)性。,3.3許用應(yīng)力 對(duì)常見材料，有關(guān)技術(shù)部門已根據(jù)相關(guān)原則計(jì)算出其許用應(yīng)力，可以根據(jù)選用材料的種類、牌號(hào)、尺寸規(guī)格及設(shè)計(jì)溫度查表9-4獲得,4.焊縫系數(shù),16,焊縫區(qū)強(qiáng)度降低的原因： 焊接焊縫時(shí)可能出現(xiàn)缺陷而未被發(fā)現(xiàn)； 焊接熱影響區(qū)往往形成粗大晶粒區(qū)而使強(qiáng)度和塑性降低； 結(jié)構(gòu)性約束造成焊接內(nèi)應(yīng)力過(guò)大等。 焊縫系數(shù)的影響因素 焊接接頭的型式和無(wú)損檢測(cè)的比例。 雙面焊或相當(dāng)于雙面焊的全焊透結(jié)構(gòu)對(duì)接接頭： 100探傷 =1.0；局部探傷 =0.85。 單面焊的對(duì)接接頭： 100探傷 =0.9；局部探傷 =0.8。,5.壁厚附加量,17,包括鋼板或鋼管厚度的負(fù)偏差Cl和腐蝕裕量C2，即 C = Cl + C2 鋼板和鋼管厚度的負(fù)偏差C1 鋼板和鋼管的厚度負(fù)偏差，按相應(yīng)的鋼板或鋼管標(biāo)準(zhǔn)選取，應(yīng)按名義厚度Sn選?。ū?-10）。 對(duì)壓力容器專用鋼板厚度負(fù)偏差統(tǒng)一取C1=0.25mm（鋼號(hào)以R結(jié)尾） 【注】GB713-2008鍋爐和壓力容器用鋼板中統(tǒng)一取C1=0.30mm 其余按相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定選??； 當(dāng)C10.25mm且不超過(guò)名義厚度的6%時(shí)可取C1=0,腐蝕裕量C2 腐蝕裕量由介質(zhì)對(duì)金屬材料的腐蝕速度與容器的設(shè)計(jì)壽命決定。C2=KaB Ka為腐蝕速率(mm/a)，可由材料腐蝕手冊(cè)查取或由試驗(yàn)確定。 B為容器設(shè)計(jì)壽命，對(duì)塔、反應(yīng)器等主要設(shè)備一般不應(yīng)少于15a，一般容器、換熱器不少于8a。 容器的各元件受到的腐蝕程度不同時(shí)，可取不同的腐蝕裕量。 當(dāng)材料的腐蝕速率為0.050.1mm/a時(shí)，單面腐蝕取C2=1mm，雙面腐蝕取C2=24mm； 當(dāng)材料的腐蝕速率小于或等于0.05mm/a時(shí)，單面腐蝕取C2=1mm，雙面腐蝕取C2=2mm； 一般對(duì)炭素鋼和低合金鋼，C2不小于1mm，對(duì)不銹鋼，當(dāng)介質(zhì)的腐蝕極微時(shí)，可取C2=0.,卷制壓力容器公稱直徑系列,19,6. 直徑系列與板材厚度,鋼板常用厚度,三、容器的壁厚和最小壁厚,1.各種壁厚之間的關(guān)系,20,計(jì)算壁厚、設(shè)計(jì)壁厚、名義壁厚和有效壁厚,2. 最小壁厚,壓力很低的容器，按強(qiáng)度公式計(jì)算出的壁厚很小，不能滿足制造、運(yùn)輸和安裝時(shí)的剛度要求，需規(guī)定一最小壁厚。 最小厚度：殼體加工成型后不包括腐蝕裕量的厚度,碳素鋼和低合金鋼容器：Smin3mm； 不銹鋼制容器：Smin2mm。 【注意】符合最小厚度規(guī)定容器的名義厚度Sn=Smin+C2+C1+,四、壓力試驗(yàn)及其強(qiáng)度校驗(yàn),壓力試驗(yàn)和氣密試驗(yàn)?zāi)康?檢驗(yàn)容器的宏觀強(qiáng)度和有無(wú)滲漏現(xiàn)象。,22,1.試驗(yàn)壓力,液壓試驗(yàn),氣壓試驗(yàn),pT試驗(yàn)壓力，立式容器臥置作液壓試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)壓力應(yīng)為立置時(shí)的試驗(yàn)壓力PT加液柱靜壓力； p設(shè)計(jì)壓力； 試驗(yàn)溫度下材料的許用應(yīng)力； t設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力；,2.壓力試驗(yàn)的要求與試驗(yàn)方法,23,2.1 液壓試驗(yàn) 將容器充滿液體，緩慢升壓到規(guī)定試驗(yàn)壓力后，保壓時(shí)間一般不小于30分鐘，然后將壓力降到規(guī)定試驗(yàn)壓力的80，并保持足夠長(zhǎng)時(shí)間以對(duì)所有焊縫和連接部位進(jìn)行檢查。 一般采用潔凈水進(jìn)行試驗(yàn)。 采用石油蒸餾產(chǎn)品進(jìn)行液壓試驗(yàn)，試驗(yàn)溫度應(yīng)低于石油產(chǎn)品的閃點(diǎn)或沸點(diǎn)。 試驗(yàn)溫度應(yīng)低于液體沸點(diǎn)溫度，對(duì)新鋼種的試驗(yàn)溫度應(yīng)高于材科脆性轉(zhuǎn)變溫度。 碳素鋼、16MnR和正火的15MnVR鋼制容器液壓試驗(yàn)時(shí)，液體溫度不得低于5，其他低合金鋼制容器（不包括低溫容器）液壓試驗(yàn)時(shí)，液體溫度不得低于15。 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。,2.2氣壓試驗(yàn) 氣壓試驗(yàn)適用場(chǎng)合。 試驗(yàn)介質(zhì)要求：干燥、潔凈的空氣、氮?dú)饣蚱渌栊詺怏w，試驗(yàn)氣體溫度一般應(yīng)不低于15。 試驗(yàn)程序：緩慢升壓至規(guī)定試驗(yàn)壓力的10，且不超過(guò)0.05MPa，保持5分鐘，然后對(duì)所有焊縫和連接部位進(jìn)行初次檢查；合格后繼續(xù)升壓到規(guī)定試驗(yàn)壓力的50，其后按每級(jí)為規(guī)定試驗(yàn)壓力的10的級(jí)差逐漸升壓到試驗(yàn)壓力，保持10分鐘后，然后再降到試驗(yàn)壓力的87，保持足夠時(shí)間并同時(shí)進(jìn)行檢查。 2.3氣密性試驗(yàn) 介質(zhì)的毒性程度為極毒或高度危害的容器，在液壓試驗(yàn)合格后，方可進(jìn)行氣密性試驗(yàn)。,24,3.壓力試驗(yàn)時(shí)的強(qiáng)度校核,25,壓力試驗(yàn)時(shí)，容器壁內(nèi)的最大應(yīng)力不得超過(guò)所用材料在試驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn)的90（液壓試驗(yàn)）或80（氣壓試驗(yàn)）。,液壓試驗(yàn),氣壓試驗(yàn),26,【例】一鍋爐汽包，內(nèi)徑為Di=1300 mm，工作壓力pw=15.6 MPa，裝有安全閥，設(shè)計(jì)溫度為350，材質(zhì)為18MnMoNbR，采用雙面對(duì)接焊縫，100探傷，試確定汽包的壁厚Sn。,解（1）確定設(shè)計(jì)參數(shù) pc=1.1pw=1.1 15.6=17.16 MPa, Di=1300 mm， 查表得該材料在350 時(shí)的許用應(yīng)力為t=190MPa 雙面對(duì)接焊縫，100探傷，故 =1，取腐蝕裕量C2=1.0mm,（1）計(jì)算厚度,根據(jù)Sd=62.5mm，查表得C1=0.25mm Sd+C1=62.75mm 圓整后取名義厚度為Sn=65mm。 復(fù)驗(yàn)Sn 6%=65 6%=3.9mm0.25mm，故最后取C1=0.25mm。該設(shè)備可用65mm厚的18MnMoNbR鋼板制作。,（3）校核水壓實(shí)驗(yàn)強(qiáng)度,式中,p=pc=17.16MPa Se=Sn-C=65-1.25=63.75mm s=410MPa(查表獲得）,28,所以，水壓試驗(yàn)合格。,第三節(jié) 內(nèi)壓圓筒封頭的設(shè)計(jì),29,一、半球形封頭,30,計(jì)算壁厚公式,【備注】球形封頭壁厚較相同直徑與壓力的圓筒殼減薄一半，主要用作高壓容器的封頭。,二、橢圓形封頭,31,橢圓形封頭是由長(zhǎng)短半軸分別為a和b的半橢球和高度為h0的短圓筒（通稱為直邊）兩部分所構(gòu)成。直邊的作用是為了保證封頭的制造質(zhì)量和避免筒體與封頭間的環(huán)向焊縫受邊緣應(yīng)力作用。,1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn),32,當(dāng)m=a/b2時(shí)，最大應(yīng)力在橢圓殼的頂點(diǎn),2.壁厚計(jì)算公式,將a/b=m，a=D/2代入得：,強(qiáng)度條件,考慮焊縫系數(shù) ，D=Di+S，m=Di/2hi代入強(qiáng)度條件得：,標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭m=a/b=2,33,如果m=a/b2時(shí)，橢圓封頭赤道上出現(xiàn)很大的環(huán)向壓應(yīng)力，絕對(duì)值大于頂點(diǎn)的應(yīng)力，引入封頭的形狀系數(shù)K，得橢圓封頭的通用壁厚計(jì)算公式為：,國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定： K1的橢圓形封頭的有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.15%； K1的橢圓形封頭的有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.30%；,3.許用壓力計(jì)算公式,【備注】封頭的直邊高度與材質(zhì)、壁厚和圓筒的公稱直徑有關(guān)。,三、碟形封頭,34,1.幾何特點(diǎn),半徑Ri的球面； 半徑為r的過(guò)渡圓??；高度為h0的直邊。,2.壁厚計(jì)算公式,Ri球面部分內(nèi)半徑； r過(guò)渡圓弧內(nèi)半徑； M碟形封頭形狀系數(shù)；,由于折邊部分存在較高的局部應(yīng)力規(guī)定其球面部分的內(nèi)半徑Ri應(yīng)不大于筒體內(nèi)徑，而折邊內(nèi)半徑r在任何情況下均不得小于筒體內(nèi)徑的10%，且不應(yīng)小于封頭名義厚度的3倍,35,2.壁厚計(jì)算公式,球面內(nèi)半徑Ri=0.9Di，過(guò)渡圓弧內(nèi)半徑r=0.17Di時(shí)為標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭。M=1.325，標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭的壁厚計(jì)算公式為：,3.碟形封頭的許用壓力公式,四、無(wú)折邊球形封頭,36,1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn),2.壁厚計(jì)算公式,Q-系數(shù)，查相關(guān)圖表求得。 【注意】任何情況下，與無(wú)折邊球形封頭連接的圓筒厚度應(yīng)不小于封頭厚度。,將碟形封頭的直邊和過(guò)渡圓弧部分去掉，球面部分直接焊在筒體上。又稱為球冠形封頭,37,五、錐形封頭,38,1.結(jié)構(gòu)特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：便于收集與卸除設(shè)備中的固體物料；還可作為塔設(shè)備的變徑段。,最大應(yīng)力公式,強(qiáng)度條件,壁厚計(jì)算公式,2.壁厚計(jì)算公式,39,3.工程中的錐形封頭結(jié)構(gòu),無(wú)折邊錐形封頭,帶折邊錐形封頭,六、平板封頭,40,1.平板封頭應(yīng)力特點(diǎn),根據(jù)彈性力學(xué)的小撓度薄板理論，受均布載荷的平板，壁內(nèi)產(chǎn)生兩向彎曲應(yīng)力：一是徑向彎曲應(yīng)力r，一是切向彎曲應(yīng)力t。,周邊固支,周邊簡(jiǎn)支,薄板的最大彎曲應(yīng)力max與(R/S)2成正比，而薄殼的最大拉(壓)應(yīng)力max與R/S成正比。,中心應(yīng)力最大r=t,周邊應(yīng)力最大- r,41,2.平板封頭的用途,平