內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)(2).ppt

第四章 內(nèi)壓薄壁容器的強(qiáng)度設(shè)計(jì),1 強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基本知識(shí),2 內(nèi)壓薄壁圓筒的強(qiáng)度計(jì)算,3 內(nèi)壓圓筒封頭的設(shè)計(jì),概 述,概 述 1、強(qiáng)度設(shè)計(jì)的任務(wù)： 內(nèi)壓容器的強(qiáng)度設(shè)計(jì)包含設(shè)備的壁厚設(shè)計(jì)和在用設(shè)備的強(qiáng)度校核兩方面。 1）設(shè)計(jì)型計(jì)算根據(jù)給定的公稱直徑以及設(shè)計(jì)壓力和溫度，設(shè)計(jì)出合適的壁厚，以保證設(shè)備安全可靠。 2）校核型計(jì)算根據(jù)已有的設(shè)備公稱直徑以及工作壓力和溫度，判斷設(shè)備的使用安全性。 2、內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強(qiáng)度計(jì)算公式，以殼體無力矩理論為推導(dǎo)基礎(chǔ)，其推導(dǎo)過程如下： 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)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。 第一節(jié) 強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基本知識(shí) 一、關(guān)于彈性失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，為了保證結(jié)構(gòu)安全可靠的工作，必須留有一定的安全裕度，即強(qiáng)度安全條件：,二、強(qiáng)度理論及其相應(yīng)的強(qiáng)度條件 借助于強(qiáng)度理論，將二向和三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換成單向拉伸應(yīng)力狀態(tài)的相當(dāng)應(yīng)力，同時(shí)須解決兩個(gè)問題：, 根據(jù)應(yīng)力狀態(tài)確定主應(yīng)力； 確定材料的許用應(yīng)力。 對(duì)承受均勻內(nèi)壓的薄壁容器，其主應(yīng)力為：,1）第一強(qiáng)度理論（最大主應(yīng)力理論）及相應(yīng)的強(qiáng)度條件 第一強(qiáng)度理論認(rèn)為在三向應(yīng)力中，若最大應(yīng)力小于許用應(yīng)力，則安全。 其強(qiáng)度條件為： 2）第二強(qiáng)度理論（最大線應(yīng)變理論）及相應(yīng)的強(qiáng)度條件 第二強(qiáng)度理論認(rèn)為在三向應(yīng)力中，若最大線應(yīng)變小于許用應(yīng)變，則安全。 其強(qiáng)度條件為：,3）第三強(qiáng)度理論（最大剪應(yīng)力理論）及相應(yīng)的強(qiáng)度條件 第三強(qiáng)度理論認(rèn)為最大剪應(yīng)力（1-3）是引起材料屈服破壞的主要因素。 其強(qiáng)度條件為：,3）第四強(qiáng)度理論（形狀改變比能理論）及相應(yīng)的強(qiáng)度條件 第四強(qiáng)度理論認(rèn)為設(shè)備構(gòu)件受外力產(chǎn)生彈性變形時(shí)物體內(nèi)部也就積蓄了能量，即變形能。單位變形體體積內(nèi)所積蓄的變形能稱為變形比能。當(dāng)構(gòu)件變形比能達(dá)到材料的極限值時(shí)，會(huì)引起屈服破壞。 其相應(yīng)的強(qiáng)度條件：,適用性： 第一強(qiáng)度理論適用于脆性材料； 第三、第四強(qiáng)度理論適用于塑性材料。 第二節(jié) 內(nèi)壓薄壁圓筒的強(qiáng)度計(jì)算 一、強(qiáng)度計(jì)算公式 1）圓柱筒體 由薄膜應(yīng)力理論可知，圓柱筒體上任一點(diǎn)處薄膜應(yīng)力如下： 1=pD中/2S，2=m=pD中/4S，3=0 由第三強(qiáng)度理論可得：1-3= pD中/2S,其安全條件為： 考慮到計(jì)算的方便準(zhǔn)確性，對(duì)上式應(yīng)作如下修正： 工作壓力p工作p設(shè)計(jì)（由于實(shí)際操作中工作壓力的波動(dòng)，設(shè)計(jì)中應(yīng)以工作壓力乘以放大系數(shù)表示設(shè)計(jì)壓力，并以設(shè)計(jì)壓力作為設(shè)計(jì)壁厚的計(jì)算壓力） t(考慮到材料的許用應(yīng)力隨溫度的升高而降低，設(shè)計(jì)計(jì)算中應(yīng)以材料在工作中所能達(dá)到的最高溫度下的許用應(yīng)力為準(zhǔn)) D中Di+S(考慮到工程中徑無法測(cè)量以內(nèi)徑代入計(jì)算更為方便),引入焊縫系數(shù)（對(duì)焊接制成的壓力容器，考慮到焊縫處強(qiáng)度與整板強(qiáng)度的差異，用焊縫系數(shù)表示焊縫處強(qiáng)度與整板強(qiáng)度的比值，應(yīng)以焊縫處的實(shí)際強(qiáng)度為評(píng)判是否安全的標(biāo)準(zhǔn)。） 考慮到上述四個(gè)修正并算出S后，上述表達(dá)式演變?yōu)椋?此處S0為計(jì)算壁厚。 設(shè)計(jì)中，對(duì)最終選定的名義壁厚Sn，應(yīng)在計(jì)算壁厚的基礎(chǔ)上再作如下補(bǔ)充： 壁厚附加量C 考慮腐蝕裕量C2，得到圓筒的設(shè)計(jì)壁厚為：,同樣，取第四強(qiáng)度理論的應(yīng)力強(qiáng)度可得： 所以對(duì)已有設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)度校驗(yàn)和確定最大允許工作壓力的計(jì)算公式分別為：,采用無縫鋼管作圓筒體時(shí)，其公稱直徑為鋼管的外徑。將D=D0-S代入S=pD/2t中，并考慮焊縫，得到以外徑為基準(zhǔn)的公式：,以上各式適用范圍是p0.4t，（即外徑與內(nèi)徑之比K1.5）。 對(duì)地球形容器由于其主應(yīng)力為 以上各式適用范圍是p0.6t，（即外徑與內(nèi)徑之比K1.35）。,二、設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 1、設(shè)計(jì)壓力 設(shè)計(jì)壓力是在相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度下用以確定殼壁厚度的壓力，其值不得小于最高工作壓力（容器頂部在工作中可能產(chǎn)生的最高表壓力）。 2、設(shè)計(jì)溫度 設(shè)計(jì)溫度是指容器在操作過程中在相應(yīng)的設(shè)計(jì)壓力下容器殼壁或受壓元件沿截面厚度可能達(dá)到的最高或最低的（指-20以下）平均壁溫。 容器的設(shè)計(jì)溫度指殼體的設(shè)計(jì)溫度。,3、許用應(yīng)力 許用應(yīng)力是以材料強(qiáng)度的極限應(yīng)力0為基礎(chǔ)，并合理選擇安全系數(shù)，即： （1）極限應(yīng)力0的取法 對(duì)常溫容器,實(shí)際中應(yīng)采用的許用壓力為下列二式中較小值:,對(duì)中溫容器,根據(jù)設(shè)計(jì)溫度下材料的抗拉強(qiáng)度或屈服點(diǎn)確定許用壓力,取下列二式中較小值: 對(duì)高溫容器,考慮到材料的高溫持久強(qiáng)度和蠕變強(qiáng)度的許用應(yīng)力,當(dāng)碳鋼和低合金鋼、合金鋼、奧氏體不銹鋼的設(shè)計(jì)溫度分別超過420、450、550時(shí)，許用應(yīng)力應(yīng)取下列式中較小值：,（2）安全系數(shù)的取法 如何選擇合理的安全系數(shù)時(shí)設(shè)計(jì)中比較復(fù)雜和關(guān)鍵的問題，因?yàn)樗c下列因素有關(guān)： 計(jì)算方法的準(zhǔn)確性、可靠性和受力分析的精確程度。 材料的質(zhì)量和制造的技術(shù)水平。 容器的工作條件的重要性和危險(xiǎn)性。 4、焊縫系數(shù) 1）設(shè)計(jì)中考慮焊縫系數(shù)的原因： 焊接時(shí)可能出現(xiàn)缺陷而未被發(fā)現(xiàn)； 焊接熱影響區(qū)形成粗大晶粒導(dǎo)致強(qiáng)度和塑性降低； 結(jié)構(gòu)剛性約束造成焊接內(nèi)應(yīng)力過大。 以上原因可能造成焊接區(qū)強(qiáng)度降低。,5、壁厚附加量 壁厚附加量包括鋼板或鋼管厚度的負(fù)偏差C1和介質(zhì)的腐蝕裕量C2，即 C=C1+C2 （1）鋼板或鋼管厚度的負(fù)偏差C1 鋼板或鋼管的厚度負(fù)偏差，應(yīng)按名義壁厚Sn選取。 當(dāng)鋼板厚度負(fù)偏差不大于0.25mm，且不超過名義壁厚的6%時(shí)，可取C1=0。 （2）腐蝕裕量C2 腐蝕裕量由介質(zhì)對(duì)材料的均勻腐蝕速率與容器的設(shè)計(jì)壽命決定 。 C2 =KaB,當(dāng)材料的腐蝕速率為0.050.1mm/a時(shí),單面腐蝕取C2=12mm;雙面腐蝕取C2=24mm。 一般對(duì)碳素鋼和低合金鋼，C2不小于1mm。 對(duì)不銹鋼，當(dāng)介質(zhì)的腐蝕性極微時(shí)，可取C2=0。 三、容器的壁厚和最小壁厚 1、壁厚 在強(qiáng)度設(shè)計(jì)的諸多公式中，壁厚（S），設(shè)計(jì)壁厚（Sd），名義壁厚（Sn）和有效壁厚（Se）有如下關(guān)系：,S Sd Sn Se SnC,2、最小壁厚 對(duì)碳素鋼和低合金鋼容器 當(dāng)內(nèi)徑Di3800mm時(shí)，Smin=2Di/1000 mm，且不小于3mm，腐蝕裕量另加； 當(dāng)內(nèi)徑Di3800mm時(shí)，Smin按運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)制造條件確定。 對(duì)不銹鋼容器, Smin=2 mm。 此時(shí)筒體的名義厚度Sn可視以下情況而定： 當(dāng)SminSC1時(shí)， Sn= Smin+C2+（ 可以等于零） 當(dāng)SminSC1時(shí)， Sn= Smin+ C1 +C2+,四、壓力試驗(yàn)及其強(qiáng)度校驗(yàn) 容器在投入生產(chǎn)之前，必須作壓力試驗(yàn)和氣密試驗(yàn)，目的在于檢驗(yàn)容器的宏觀強(qiáng)度和有無滲漏現(xiàn)象，以確保設(shè)備的安全與正常運(yùn)行。 1、試驗(yàn)壓力 （1）液壓試驗(yàn)壓力按下式確定： 1.25p/ t （MPa） pt= (取兩者中較大值) p+0.1 (Mpa),（2）氣壓試驗(yàn)壓力按下式確定： 1.15p/ t （MPa） pt= (取兩者中較大值) p+0.1 (Mpa) 2、壓力試驗(yàn)的要求與試驗(yàn)方法 （1）液壓試驗(yàn) （2）氣壓試驗(yàn) （3）氣密試驗(yàn),3、壓力試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力校核 在壓力試驗(yàn)時(shí)，容器壁內(nèi)所產(chǎn)生的最大應(yīng)力不得超過所用材料在實(shí)驗(yàn)溫度下屈服點(diǎn)的90%（液壓試驗(yàn)）或80%（氣壓試驗(yàn)）。 液壓實(shí)驗(yàn)時(shí)： 氣壓實(shí)驗(yàn)時(shí)：,第三節(jié) 內(nèi)壓圓筒封頭的設(shè)計(jì) 容器封頭(又稱端蓋)分類: 凸形封頭(半球形封頭、橢圓形封頭、蝶形封頭、無折邊球形封頭)、錐形封頭和平板形封頭。 一、半球形封頭 構(gòu)成：半個(gè)球殼 壁厚計(jì)算公式：,二、橢圓形封頭 1、構(gòu)成：由長(zhǎng)短半軸分別為a和b的半球殼和高度為h0的短圓筒（統(tǒng)稱為直邊）構(gòu)成。 2、當(dāng)m=a/b2時(shí)，最大應(yīng)力點(diǎn)在橢球殼頂點(diǎn)。 即：,將a/b=m，a=D/2代入上式得： 其強(qiáng)度條件為： 將許用應(yīng)力乘以焊縫系數(shù)，并將D=Di+S，m=Di/2hi代入上式得到m=a/b=Di/2hi2時(shí)的橢圓封頭壁厚計(jì)算公式為：,式中 hi橢圓封頭內(nèi)壁曲面高度。 當(dāng)m=2時(shí)，則： m=Di/2hi2時(shí)，引入應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)K，以取代Di/4hi，因此得到： 3、橢圓形封頭許用壓力計(jì)算公式：,三、蝶形封頭 1、構(gòu)成：以為半徑的球面，以r為半徑的過渡圓?。凑圻叄┖透叨葹閔0的直邊。,2、考慮到蝶形封頭邊緣應(yīng)力的影響，在設(shè)計(jì)中引入形狀系數(shù)M，其壁厚計(jì)算公式為： 3、蝶形封頭許用壓力計(jì)算公式： 當(dāng)Ri=0.9Di, r=0.17Di時(shí),稱為標(biāo)準(zhǔn)蝶形封頭，此時(shí)M=1.325，于是標(biāo)準(zhǔn)蝶形封頭壁厚計(jì)算公式： 4、對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)蝶形封頭，其有效壁厚Se應(yīng)不小于封頭內(nèi)徑的0.15%，其它蝶形封頭不小于0.30%。,四、無折邊球形封頭 1、構(gòu)成：將蝶形封頭的直邊及過渡圓弧部分去掉，只留下球面部分，并把它直接焊在筒體上，構(gòu)成無折邊球形封頭。 2、壁厚計(jì)算公式：,五、錐形封頭 一）錐形封頭的結(jié)構(gòu)形式 通常在設(shè)備底部，便于出料，也有倆段圓弧過渡的連接。就封頭來說，分為：帶折邊錐封和不帶折邊錐封。 1）不帶折邊：邊界應(yīng)力較大，焊接要求較高。 因?yàn)橥瑝簆、同壁厚s下，越大，越大，故此時(shí)不易過大。通常30 2）帶折邊：受邊界應(yīng)力較小，這邊的高度同其余封頭，角可適當(dāng)加大，通常60（60按平板理論）。,3）=45，大端必須加折邊，小端可加可不加。 二）封頭壁厚的計(jì)算 1）不帶折邊錐形封頭 a）如果不考慮邊界應(yīng)力： 由以前的知識(shí)可知：在最大段最大。 b）考慮邊界應(yīng)力 實(shí)際上，不考慮邊界應(yīng)力是不現(xiàn)實(shí)的，邊界應(yīng)力本身客觀存在，理論上規(guī)定，邊3t時(shí)，不考慮是錯(cuò)誤的。那如何考慮,i）邊在什么方向上？ 如果在方向上，最大力為邊+ 如果在M方向上，最大力為邊+M或之間較大的一值。 結(jié)果：邊在M同方向上。 這使得：環(huán)向：=pD/2S 軸向：邊+。且： 問題演變?yōu)榕袛嗯c（邊+M）的大小 ii）判斷：如果（邊+M），仍按上式計(jì)算； 如果（邊+M），重新推導(dǎo)公式。,六、平板封頭 1、分析： 對(duì)周邊固定（夾持）受均勻載荷的圓平板，最大應(yīng)力是徑向彎曲應(yīng)力，產(chǎn)生在圓板邊緣，其值為： 對(duì)周邊簡(jiǎn)支受均勻載荷的圓平板，最大應(yīng)力產(chǎn)生在平板的中心，且徑向彎曲應(yīng)力與切向彎曲應(yīng)力相等，其值為：,2、壁厚計(jì)算公式： 根據(jù)強(qiáng)度條件：max,由(4-32)和(4-33)可得到相應(yīng)的圓平板封頭壁厚計(jì)算公式: 在化工容器設(shè)計(jì)規(guī)定中，利用結(jié)構(gòu)特征系數(shù)K將平板封頭厚度的設(shè)計(jì)歸納為：,2）帶折邊的錐形封頭 形狀特點(diǎn)：a-b段是錐形，b-c段是環(huán)狀殼體。 a）最大力位置分析 ab