化工機械基礎 4章教案內壓容器設計

1、1第四章第四章 內壓薄壁圓筒內壓薄壁圓筒與封頭的強度設計與封頭的強度設計4.1強度設計的基本知識4.1.1 關于彈性失效的設計準則 容器上一處的最大應力達到材料在設計溫度下的屈服點，該容器即告破壞。 強度安全條件強度安全條件： n0當24.1.2 強度理論及其相應的強度條件由薄膜理論,圓筒壁內應力為經向應力、環(huán)向應力、法向應力（被認為是0）。024Zm SpD SpD04 2321zmSpDSpD則三項主應力為：3第三強度理論的強度條件為： 31當因此圓筒強度條件為：SpD244.2 4.2 內壓薄壁圓筒殼與球殼的強度設計內壓薄壁圓筒殼與球殼的強度設計4.2.1 強度計算公式依據第三強度理論，

2、強度公式為：參數變換參數變換：1.將中徑換算為圓筒內徑，D=Di+S;2.壓力換為計算壓力Pc ；3.考慮到焊縫處因氣孔、夾渣等缺陷以及熱影響區(qū)晶粒粗大等造成的強度削弱，引進焊縫系數焊縫系數f f(1)；4.材料的許用應力與設計溫度有關。 pDS25內壓圓筒強度計算公式：內壓圓筒強度計算公式： 21)(4 (mm) pDpScticf再考慮腐蝕裕量C2 ,于是得到圓筒的設計壁厚設計壁厚為： 222)(4 (mm) CpDpScticdf計算壁厚計算壁厚公式：6 在公式（42）基礎上，考慮到鋼板的負偏差C1（鋼板在軋制時產生了偏差） 名義壁厚名義壁厚公式： 3 212)(4 (mm) CCpDp

3、Scticnf再根據鋼板標準規(guī)格向上圓整向上圓整。 最終名義厚度名義厚度。 這是寫在圖紙上的鋼板厚度這是寫在圖紙上的鋼板厚度！7() 5)(4 SSDpteeic 2t式中Se有效壁厚有效壁厚， Se=圓整后的壁厚（Sn）C1C2 。 6)(4 (MPa) SDSpeietw 2f強度校核公式：強度校核公式：1）在工作壓力及溫度下，現有容器強度夠否？2）現有容器的最大允許工作壓力如何？8球形容器強度計算公式？球形容器強度計算公式？ 由薄膜理論：0404213zm SpD SpD即由第三強度理論，強度條件： SpD4當則導出壁厚計算公式： (mm) CC pDp S(mm) C pDp S(mm

4、) pDpScticncticdctic122444 fff名義壁厚設計壁厚計算壁厚9() 4 4 tceietWteeicp SDSp SSDpff球殼允許工作壓力：球殼應力校核公式：104.2.2.設計參數的確定設計參數的確定1. 1.壓力壓力11 工作壓力工作壓力pw-正常工作情況下，容器頂部可能達到的最高壓力。 由工藝計算確定： 化學反應所要求的； 傳遞過程所必需的； 由液化氣體的飽和蒸汽壓所決定的。12設計壓力設計壓力p：設定的容器頂部的最高壓力-設計載荷。取值方法：取值方法：（1）容器上裝有安全閥取不低于安全閥開啟壓力 ： p （1.051.1）pw系數取決于彈簧起跳壓力 。13（

5、2）容器內有爆炸性介質，安裝有防爆膜時：取 設計壓力為爆破片設計爆破壓力加制造范圍上限。設計壓力為爆破片設計爆破壓力加制造范圍上限。P89 表-3，表4-4。防爆膜裝置示意圖14（3）無安全泄放裝置取 p=（1.01.1）pw 。（4）盛裝液化氣容器 設計壓力應根據工作條件下可能達到的最高金屬溫度確定。（地面安裝的容器按不低于最高飽和蒸汽壓考慮，如40，50，60時的氣體壓力）。 注意：要考慮實際工作環(huán)境，如放置地區(qū)，保溫，遮陽，噴水等。例如例如：液氨儲罐。金屬壁溫最高工作為50，氨的飽和蒸汽壓為2.07MPa。 1.容器的設計壓力？ 2.若容器安放有安全閥，設計壓力？15（5）外壓容器取 p

6、正常操作下可能產生的最大壓差。 注意：注意：“正常操作正常操作”含空料，真空檢漏，含空料，真空檢漏，穩(wěn)定生產，中間停車等情況。穩(wěn)定生產，中間停車等情況。（6）真空容器不設安全閥時，取0.1MPa ； 設有安全閥時 取Min（1.25p ,0.1MPa) 。16釜壁可能承受壓力情況： 釜內空料，夾套內充蒸汽-外壓0.2MPa; 釜內真空，夾套內充蒸汽-外壓0.3MPa; 釜內0.3MPa，夾套內0.2MPa-內壓0.1MPa; 釜內0.3MPa，夾套內空料-內壓0.3MPa;釜壁承受的最大壓差:內壓0.3MPa或外壓0.3MPa.（7）帶夾套容器取正常操作時可能出現的最大內外壓差。例例如如 帶夾

7、套的反應釜：夾套內蒸汽壓力為0.2MPa,釜內開始抽真空，然后釜內升壓至0.3MPa。該釜壁承受壓力如何？17計算壓力計算壓力pc在相應設計溫度下，用以確定元件厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。當元件所承受的液柱靜壓力小于5%設計壓力時，可忽略不計。即計算壓力計算壓力 設計壓力設計壓力 液柱靜壓力液柱靜壓力( (5%P時計入時計入)可見，計算壓力計算壓力設計壓力設計壓力工作壓力工作壓力 容器頂部表壓容器頂部表壓 例：一立式容器，工作壓力0.5MPa，液體深10m， 重度為10,000N/m3。pw=0.5MPa, p=0.5MPapc=0.5+(1010,000)/1,000,000=0.6MP

8、a182.設計溫度設計溫度指容器在正常工作情況下，設定的元件的金屬溫度（沿元件金屬截面的溫度平均值）。設計溫度在容器設計溫度在容器設計中的作用：設計中的作用： 選擇材料；選擇材料； 確定許用應力。確定許用應力。確定設計溫度的方法：（1）對類似設備實測；（2）傳熱計算；（3）參照書P90表4-5。 例如：不被加熱或冷卻的器壁，且壁外有保溫，取介質溫度；用水蒸氣、熱水或其它液體加熱或冷卻的器壁，取熱介質的溫度；等等。193.許用應力和安全系數許用應力和安全系數定義式： ）安全系數（）極限應力（n0（1 1）許用應力許用應力 的確定的確定：bbssnnMin,)(2 . 0工作溫度為中溫中溫，取bt

9、bsttsnnMin,)(2 . 0工作溫度為常溫常溫（200） 取20工作溫度為高溫高溫，取DtDntnsttsnnnMin,)(2 .0式中 nt Dt-設計溫度下材料的蠕變強度和 持 久強度。 nn,nD-蠕變強度和持久強度的安全系數。21（2 2）安全系數及其確定：）安全系數及其確定：影響安全系數的因素：計算方法的準確性、可靠性和受力分析的精度；材料質量和制造的技術水平；容器的工作條件及其在生產中的重要性和危險性。 安全系數 材料 nb ns nD nn碳素鋼、低合金鋼3.01.61.51.0 高合金鋼3.01.51.51.0224.焊接接頭系數（焊接接頭系數（f f）容器上存在有：縱

10、焊縫A類焊縫環(huán)焊縫B類焊縫需要進行無損檢驗。檢驗方法主要是：X射線檢查射線檢查和超聲波檢查超聲波檢查。23常見的焊接形式：242526272829 缺陷，夾渣，未焊透，晶粒粗大等，在外觀看不出來； 熔池內金屬從熔化到凝固的過程受到熔池外金屬的剛性約束，內應力很大。焊縫區(qū)強度比較薄弱焊縫區(qū)強度比較薄弱。30焊接缺陷31 為綜合考慮筒體強度，設計公式中將鋼板母材的許用應力乘以f（1）。 f32焊接接頭系數（f）：焊接接頭結構100%無損檢驗 局部無損檢驗示意圖雙面對接焊 1.0 0.85 帶墊板單面對接焊 0.90 0.80331.可否采用搭接焊結構制作壓力容器殼體？為什麼？2.焊縫處為什麼要進行

11、無損探傷檢查？3.焊縫系數（）為什麼小于等于1？4.取焊縫系數的依據是什麼？5.壁厚計算公式中的t是鋼板的許用應力，還是焊縫材料的許用應力？6.帶墊板的焊縫結構中，墊板的作用是什麼？是否起加強作用？345.壁厚附加量壁厚附加量容器壁厚附加量（1）鋼板或鋼管厚度負偏差負偏差 C1: 例如，35 在設計容器壁厚時要在設計容器壁厚時要 預先考慮負偏差預先考慮負偏差。 鋼板負偏差參見p93表4-9選取； 鋼管厚度負偏差參見P93表4-10。36（2）腐蝕裕量腐蝕裕量C2 容器元件由于腐蝕或機械磨損厚度減薄。在設計壁厚時要考慮容器使用壽命期內的安全性！在設計壁厚時要考慮容器使用壽命期內的安全性！具體規(guī)定

12、具體規(guī)定如下：對有腐蝕或磨損的元件: C2=KaB Ka-腐蝕速率（mm/a），由材料手冊或實驗確定。 B-容器的設計壽命，通常為1015年。一般情況, Ka=0.050.13mm/a的輕微腐蝕時， 對單面腐蝕單面腐蝕取C2=12mm; 對雙面腐蝕雙面腐蝕取C2=24mm。 對于不銹鋼，一般取0。 37 1. 確定腐蝕裕度的依據？2.腐蝕裕度的有效期？3.列管換熱器的管子、殼體腐蝕裕度如何定？ 容器各元件受到的腐蝕程度不同時，設計中可采用不同的腐蝕裕量。 介質為壓縮空氣、水蒸氣或水的碳鋼或低合金鋼容器，單面腐蝕裕量不小于1mm； 對不銹鋼容器，腐蝕輕微時可取C2=0。386.直徑系列與鋼板厚度

13、直徑系列與鋼板厚度 要按照鋼板厚度尺寸系列厚度尺寸系列標準GB709-88的規(guī)定選取。P95表4-13。 壓力容器的直徑系列直徑系列已經施行標準化（GB9019-88)，筒體與封頭的公稱直徑配套。見P56表2-5。394.2.3 容器的壁厚和最小壁厚容器的壁厚和最小壁厚1.容器壁厚實際壁厚不得小于名義壁厚減去鋼板負偏差，可保證強度要求！熱加工封頭時，加工單位應預先考慮加工減薄量！402.最小壁厚 為保證容器制造、運輸、安裝時的剛度要求剛度要求，限定容器實際最小壁厚（指不含腐蝕裕量的壁厚）：碳鋼和低合金鋼制容器3mm。 高合金鋼制容器2mm。1.標注在圖紙上的容器壁厚是如何確定的？2.壁厚加工減

14、薄量由誰定？3.加工后容器的實際壁厚不能小于多厚才可以在使用壽命期內保證安全？4.規(guī)定容器最小壁厚的目的是什麼？414.2.4 壓力試驗及強度校核壓力試驗及強度校核壓力試驗的時機壓力試驗的時機：1）容器制成后； 2）檢修后。試驗目的試驗目的：1）檢驗容器宏觀強度是否出現裂紋,是否變形過大； 2）密封點及焊縫的密封情況。 要知道！要知道！ （1）需要焊后熱處理的容器，須熱處理后進行 壓力試驗和氣密試驗； （2）須分段交貨的容器，在工地組裝并對環(huán)焊 縫進行熱處理后，進行壓力試驗； （3）塔器須安裝后進行水壓試驗；42壓力試驗分類壓力試驗分類：液壓試驗液壓試驗介質：一般為水；過程：充水排氣設計壓力無

15、泄漏開始試驗壓力下保壓30分鐘卸壓吹凈結束試驗壓力的80%保壓檢查43注意： 不銹鋼容器水中氯離子不得超過25mg/L25mg/L。 試壓合格的條件試壓合格的條件： 1）無滲漏； 2）無可見變形； 3）試驗過程中無異常響聲； 4）b 540MPa的材料，表面經無損檢驗 無裂紋。44氣壓試驗氣壓試驗不適合液壓試驗的，如因結構緣故排液或充液困難，或容器內不允許殘留微量液體時采用。氣密試驗氣密試驗針對介質具有毒性程度為極度或具有高度危害的容器； 在液壓試驗后進行； 氣密試驗壓力取設計壓力。45 壓力試驗強度校核名義壁厚確定后，校核壓力試驗條件下的強度是否滿足要求，以免進行壓力試驗時出現危險。1).

16、試驗壓力的確定：內壓容器的試驗壓力試驗壓力：ttpp15.1p 25.1p TT氣壓試驗液壓試驗p設計壓力 MPa ;元件材料在實驗溫度下的許用應力，MPa;t元件材料在設計溫度下的許用應力，MPa。46【注】（1）容器銘牌上規(guī)定有最大允許工作壓力時，公式中應以最大允許工作壓力代替設計壓力。 （2）容器各元件（圓筒、封頭、接管、法蘭及緊固件）所用材料不同時，應取各元件材料的/t比值中較小者。思考：1.壓力試驗目的？壓力試驗強度校核目的？何時進行？2.在進行壓力試驗過程中，檢查什麼？何時檢查？3.是否所有壓力容器在制成後都要進行氣密試驗檢查？472). 壓力試驗應力校核壓力試驗應力校核式中T圓筒

17、壁在試驗壓力下的計算應力，MPa； Di圓筒內徑，mm； pT試驗壓力，MPa； Se圓筒的有效壁厚，mm； s（0.2）圓筒材料在試驗溫度下的屈服點 （或條件屈服點），MPa； f圓筒的焊接接頭系數。氣壓試驗液壓試驗計算應力應滿足： )(8 . 0 )(9 . 02)(2 . 02 . 0TffSSeeiTSSDp48例題例題例1：設計乙烯精餾塔。由工藝計算得出塔體公稱直徑為600mm,工作壓力為2.2MPa（不計液注高度），工作溫度t=-3-20，塔體保溫。確定該塔壁厚及選用的材料?！窘狻?.選材 介質腐蝕性輕微；工作溫度低溫； 工作壓力中壓。故選用16MnR。 2.確定參數 （1） 由D

18、N=600mm,筒體采用板卷， Di=600mm； （2） 由題意“不計液注高度”，無安全泄放裝置，pc=2.2MPa ； （3）因壓力為中壓，直徑較小，故采用帶墊板單面對接 焊結構，局部無損探傷，查表48， f0.8 ； （4）塔體保溫，由表45，設計溫度取介質溫度， t=170MPa ；（5）常溫屈服點s=345MPa；（6） 腐蝕輕微，單面腐蝕， C2 =1mm 。49（3）確定計算壁厚 )(9 . 42 . 28 . 017026002 . 22mmpDpScticf由S+C2=4.9+1.0=5.9(mm),16MnR屬GB6654-96標準內的材料，查表4-9，得C1=0.25mm

19、，則 C=C1+C2=0.25+1.0=1.25(mm)。名義壁厚Sn=S+C+圓整量 ，S+C=4.9+1.25=6.15(mm), 圓整為7mm。（4）校核水壓試驗強度水壓試驗強度條件為：SeeiTSSDpf9 . 02)(T50式中pT=1.25p=1.252.2=2.75(MPa),(/t1); Se=Sn-C1-C2=7-0.25-1.0=5.75(mm)則 )(2 .1544 . 52)75. 5600(75. 2MPaT而 0.9sf0.93450.8248.4（MPa)可見 T 0.9sf ，所以水壓試驗強度足夠。結構簡圖：51例2 設計鍋爐汽包的筒體壁厚。工作壓力為15.6M

20、Pa,工作溫度為350,其內徑為1300mm?！窘狻?.選材：選材：工作溫度中溫，工作壓力為高壓，有輕微腐蝕。 故采用低合金鋼18MnMoNbR（GB6654-96)。s=410MPa。2.確定參數確定參數（1）工作壓力15.6MPa,是高壓容器，屬于三類容器。其焊縫結構必須是雙面對接焊結構或其他等強度焊接，100%無損探傷， =1 。（2） 筒體需保溫，則筒壁設計溫度取介質溫度， 350190MPa（3）需安裝安全閥，pc=p=1.115.6=17.16(MPa)。（4）水蒸氣對低合金鋼有輕微腐蝕，且為單面腐蝕，C2=1mm。52 3.計算壁厚計算壁厚 61.5(mm) 130017.16

21、pDpSctic16.17119022f4.4.設計壁厚設計壁厚： Sd=S+C2=61.5+1.0=62.5(mm), 查表4-9得C1=1.8(mm)C1=1.8(mm) 壁厚附加量C=C1+C2=0.25+1.0=1.25(mm)5.5.名義厚度名義厚度 Sn=S+C+圓整量 61.5+1.25=62.75(mm) ， 圓整后為65（mm)。536.校核水壓試驗強度校核水壓試驗強度水壓試驗強度條件為：SeeiTSSDpf9 . 02)(T式中 )(45.2119019016.1725. 125. 1pTMPaptSe=Sn-C=65-2.8=62.2(mm)則 T=234.9(MPa)。

22、而 0.9fs=0.91410=369(MPa)T 0.9fs水壓試驗合格。54例3 校驗舊氣瓶。資料記載該氣瓶材質為40Mn2A，系無縫鋼管收口而成。實測其外徑為219mm,最小壁厚為6.5mm。查材料手冊得該材料的b=785MPa,s=510MPa,d5=18%。（1）常溫下可否充15MPa氧氣？（2）如強度不夠，最高允許工作壓力多少？【解】1.確定參數確定參數 pc=15MPa, DO=219mm, Sn=6.5mm, 無縫鋼管f1， C2=1mm, 實測壁厚6.5mm ，則C1=0, Se=6.5-1=5.5mm, 許用應力求?。?t=minb/nb ,s/ns=min785/3 ,5

23、10/1.6=262(MPa) 。552.強度校核強度校核校核公式為() )(262)(2915 . 52)5 . 5219(152t0tMPa MPa SSDpteecf充15MPa強度不夠。 3. 3.確定最高允許工作壓力確定最高允許工作壓力 計算公式為)(48.135 . 52195 . 5126220MPa2 p (MPa) SDSpweetwf該氣瓶的最大安全使用壓力為13.48MPa。56注意注意 “實測壁厚”概念。即無需考慮負偏差問題，C1=0 。無縫鋼管制的容器公稱直徑為外經，壁厚計算公式中應采用外徑。公式應該如何？自己試推導一下。574.3 內壓圓筒封頭的設計內壓圓筒封頭的設

24、計584.3.1 4.3.1 半球形封頭半球形封頭1.結構：（1）整體半球殼體； （2）焊接半球殼體瓜瓣組焊。 (mm) c pDpScticnf4 3.與筒體連接結構與筒體連接結構： 與筒體連接部位要圓滑過渡。(為什麼？） 與筒體連接的環(huán)焊縫屬于球殼內的部分，確定封頭厚度時應考慮這一環(huán)焊縫的焊接接頭系數。2.壁厚計算公式：594.3.2 橢圓形封頭橢圓形封頭橢圓殼應力分布橢圓殼應力分布601.橢圓封頭的結構橢圓封頭的結構 ：為什麼要有直邊？為什麼要有直邊？（1）保證封頭的制造質量；（2）不連續(xù)點與環(huán)焊縫分開，從而避免邊緣應力與焊接應力、膜應力集聚，降低合應力。 2. 壁厚的計算公式壁厚的計算

25、公式 橢球殼壁內應力的大小及變化受a/b值的影響，形狀系數K。 厚度計算公式為： (mm) c pDKpScticn5.02f61名義壁厚名義壁厚 計算壁厚計算壁厚 壁厚附加量壁厚附加量 圓整量圓整量標準橢圓封頭(a/b=2)K1。橢圓形封頭的最大允許工作壓力計算公式： (MPa) SKDSpeietw5.02f注意注意：1.加工減薄量由制作單位確定。 2.各參數的單位- 公式中只用公式中只用 MPa MPa 和和 mmmm 。 3.對于同一容器上的圓筒與橢圓形封頭，如果壁厚相同，橢圓形封頭的強度高于圓筒。所以，水壓試驗強度校核時，校核筒體強度就可以了。（為什麼?） 4.直邊高度按P101表4

26、-15選取。624.3.3 碟形封頭碟形封頭 碟形殼的應力分布：碟形殼的應力分布：631.碟形封頭的結構碟形封頭的結構：2. 2.壁厚計算公式：壁厚計算公式： (mm) c pRMpScticn5 . 02f式中M形狀系數。 （Ri/r值不同；球面與摺邊連接處的曲率突變。） 標準碟形封頭標準碟形封頭 壁厚計算公式為： (mm) c pDpScticn5 . 022 . 1f644.3.4 球冠形封頭（無折邊球形封頭）65 (mm) 2 ctcpDipQS式中 Di封頭和筒體的內直徑； Q 系數，見書圖4-9。2.壁厚計算公式：664.3.5 4.3.5 常用錐形封頭常用錐形封頭 錐殼應力分布？

27、錐殼應力分布？67 為減小邊緣應力，錐形封頭結構常有如下結構為減小邊緣應力，錐形封頭結構常有如下結構（1）局部加強30的大端及45 的小端(2)加過渡圓弧 30的大端及45 的小端受內壓無折邊錐形封頭受內壓帶折邊錐形封頭684.3.6 圓平板封頭691.平板內應力狀態(tài)周邊簡支：根據強度條件：t0.31pDS70周邊固支： tpDS 188.0根據強度條件： 實際情況是介于簡支和固支中間實際情況是介于簡支和固支中間，系數在0.1880.31之間，歸結為一個結構特征系數K, 平板壁厚計算公式為： (mm) c KpDStccpf 見表19714.3.7 例題 確定精流塔封頭形式及尺寸。塔徑確定精流塔封頭形式及尺寸。塔徑DiDi=600mm=600mm，壁厚，壁厚SnSn=7mm=7mm，材，材質為質為16MnR16MnR（GB6654-96) GB6654-96) ，計算壓力，計算壓力Pc=2.2MPa, Pc=2.2MPa, 工作溫度工