內(nèi)壓薄壁殼體強度計算

1、無第三章、第三章、 3 31 1 內(nèi)壓薄壁殼體強度計算內(nèi)壓薄壁殼體強度計算目的要求：使學(xué)生掌握內(nèi)壓圓筒內(nèi)壓球形殼體的強度計算，以及各類厚度的相互關(guān)系。重點難點：掌握由第一強度理論推出的內(nèi)壓圓筒，內(nèi)壓球形殼體的強度計算公式。第三章第三章內(nèi)壓薄壁容皿內(nèi)壓薄壁容皿本章的任務(wù)就是在回轉(zhuǎn)薄壁殼體應(yīng)力分析的基礎(chǔ)上， 推導(dǎo)出內(nèi)壓薄壁容皿強度計公式。本章的壓力容皿設(shè)計計算公式，各種參數(shù)制造要求以及檢驗標(biāo)準(zhǔn)均與GB150-1998鋼制壓力容皿保持一致。第一節(jié)第一節(jié)壓內(nèi)薄壁殼體強度計算壓內(nèi)薄壁殼體強度計算一、內(nèi)壓圓筒為了保證圓筒受壓后不破裂，根據(jù)第一強度理論應(yīng)使筒體上最大應(yīng)力，即環(huán)向應(yīng)力2小于等于材料在設(shè)計溫度下

2、的許用應(yīng)力 t用公式表達(dá)：2 2tP D，其中 P-設(shè)計壓力。1）中徑0()2iDD此外還應(yīng)考慮到，筒體在焊接的過程中，對焊金屬組織的影響以及焊接缺陷（夾渣、氣孔、未焊透等）影響縫焊的強度（使整本強度降低） ，所以將鋼板的許用應(yīng)力乘以一個小于 1 的焊接接頭系數(shù)，以彌補焊接可能出現(xiàn)的強度削弱，故2 2tP D： 2tP D此外，工藝計算時通常以iD做為基本尺寸，故將iDD代入上式：則() 2tiP D可解出，同時根據(jù) GB150-1998 規(guī)定，確定厚度時的壓力用計算壓力cp代替。最終內(nèi)壓薄壁圓筒體的計算厚度：2 CitCP DP 適用：0.4 tCP考慮到介質(zhì)時皿壁的腐蝕，確定鋼板厚度時，再

3、加上腐蝕裕量：2Cd圓筒的設(shè)計厚度無再考慮到鋼板供貨時的厚度偏差，將設(shè)計厚度加上厚度負(fù)偏差，再向上圓整三規(guī)格厚度，這樣得到名義厚度。21dCC筒體強度計算公式，除了可以決定承壓筒體所需的最小壁厚外，還可用該公式確定設(shè)計溫度下圓筒的最大允許工作壓力，對容皿進(jìn)行強度校核；可以計算其設(shè)計溫度下計算應(yīng)力，判斷指定壓力下筒體的安全。例：設(shè)計溫度下圓筒的最大允用工作壓力由() 2tip D推導(dǎo)而來12()enCC2 teWiePD 設(shè)計溫度下圓筒的計算應(yīng)力：() 2ttcieeP D 采用計算壓力cp及iD代替 D，并考慮焊接頭系數(shù)的影響上式變形成：() 4tiP D 則設(shè)計溫度下球殼的厚度計算：0.6

4、4 tcictcPDPP 范圍:考慮腐蝕裕量，設(shè)計厚度：24 cidtcPDCP 再 考 慮 鋼 板 厚 度 負(fù) 偏 差 C1， 再 向 上 圖 整 得 到 鋼 板 的 名 義 厚 度12nCC，同理，確定球殼的最大允許工作壓力Pw，并對其強度進(jìn)行校核。4 ()() twietttceePDP Di 最大允許工作壓力設(shè)計溫度下球殼計算應(yīng)力對比內(nèi)壓薄壁球殼與圖筒的壁厚公式：當(dāng)前件相同時，球殼的壁厚約為圓筒無形壁厚的確 1/2，且球形的表面積也小，大多數(shù)大容容量儲罐多采用球罐。三、容皿最小厚度：例：一容皿 Di=1000mm，P=0.1MPa，溫度 150，材料為 Q235A，焊接接頭系數(shù)0.85

5、，腐蝕裕量 C2=1mm，計算其壁厚：Q235A 查 P500.52 citcPDmmP 對于這類中， 低壓容甲由強度公式求得的壁厚往往很薄， 剛度不足， 冷制造、運輸、安裝帶來材板易交形的困難。按照 GB150-1998 規(guī)定，對于形成后不包括腐蝕裕量的最小厚度min規(guī)定如下：1碳素鋼、低合金鋼制容皿min3mm離合金鋼制容皿min2mm2對標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭（0.9 ;0.17iRD rD的碳形封頭，其有效厚度Di0.15%） （封頭）四、各類厚度間的相互關(guān)系下面對計算厚度，設(shè)計厚度d，有效厚度e，名義厚度n，形成厚度，毛壞厚度作用。第三章第三章第二節(jié)第二節(jié)設(shè)計參數(shù)的確定設(shè)計參數(shù)的確定目的要求：

6、使學(xué)生初步掌握壓力參數(shù)、設(shè)計溫度，許用應(yīng)力 t，焊接接頭系數(shù)，厚度附加量 C 的選取。重點難點：壓力參數(shù)的選取以及各參數(shù)間的關(guān)系，許用應(yīng)力的選取。第二節(jié)第二節(jié)設(shè)計參數(shù)的確定設(shè)計參數(shù)的確定由強度公式可看出，其公式內(nèi)包含各種參數(shù)如：計算壓力、設(shè)計壓力、焊接接頭系數(shù)高計算、選取按 GB1998鋼制壓力容皿一、確定壓力參數(shù)：1、工作壓力 Pw：在正常工作情況下， 容皿頂部可能達(dá)到的最高壓力， 即也稱為最高工作壓力。2、計算壓力 Pc：在相應(yīng)設(shè)計溫度下，計算壁厚用到壓力，PcPP液（設(shè)計壓力+液柱靜壓）無若當(dāng)P液5%p，P液可以忽略不計。3、設(shè)計壓力 P：容皿頂部最高的設(shè)定壓力，其值不得低于工作壓力：1

7、當(dāng)容皿裝有安全閥：ZPP（安全閥開啟壓力）(1.05 1.1)PzPw2容皿裝有爆破片時，bPP（爆破壓力）(1.15 1.3)bP 倍最高工作壓力。二、溫度（設(shè)計）t指容皿在正常工作情況下，在相應(yīng)的設(shè)計壓力下，設(shè)定的受壓元件的金屬溫度。1對 0以上的，t 不得低于元件金屬工作狀態(tài)下可能達(dá)到最高溫度；2對 0以下的，t 不得高于元件金屬工作狀態(tài)下可能達(dá)到最低溫度；不可通過傳熱計算求得見表 3-33許用應(yīng)力 t指容皿殼體、封失等受壓元件的材料用強度，根據(jù)材料各項強度性能指標(biāo)分別除以相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的安全系數(shù)確定。GB150 給出了鋼板，鋼管、鍛以及螺栓材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，當(dāng) t20取 2

8、0。四、焊接接頭系數(shù)容皿都通過焊接制成，焊縫往往可能存在夾渣、氣孔、裂紋等缺陷，使縫及其熱影響區(qū)的強度受到削弱，為了補償焊接時可能出現(xiàn)的缺陷對強度的影響，引入，焊縫金屬強度母材金屬強度反映焊縫材料削弱程度1對雙面焊100%=1.0局部=0.852單面對接接頭（沿焊縫全長有緊貼基本金屬）a100%無損檢驗=0.9b局部無損檢驗=0.8五、厚度附加量 C確定容皿厚度時，不僅要依照強度計算公式得到，還要考慮鋼材的厚度負(fù)偏差及腐蝕裕量，即引入厚度附加最 C：無C=C1+C2C1鋼板在軋制過程中可能出現(xiàn)比實際厚度小的情況，平重影響其強度。C2由于腐蝕、機械磨損而導(dǎo)致厚度削弱減薄，需要考慮腐蝕余量。1Ct

9、 t預(yù)期的容皿使用壽命2對介質(zhì)為壓縮氣、水蒸氣或水的碳素鋼或低合金鋼2()Cmm，不銹鋼腐蝕輕微 C2=0。腐蝕裕只對全面腐蝕有意義，對于局部腐蝕效果并不好。六、壓力容皿的公稱直徑、公稱壓力為了便于設(shè)計和成批生產(chǎn)，增強零部件的互換性，降低生產(chǎn)成本，對化工設(shè)備及其零部件制定了系列標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計時可采用標(biāo)準(zhǔn)件，標(biāo)準(zhǔn)化的基本參數(shù)是公稱直接徑和公稱壓力。公稱直徑：用鋼板卷制成的筒體，其公稱直徑近的等于內(nèi)徑，封失的公稱直徑與筒體一致。若 Di=970mm，應(yīng)將其調(diào)整為最接近標(biāo)準(zhǔn)值的 1000mm，這樣選用公稱直徑1000 的各種標(biāo)準(zhǔn)零部件。公稱壓力：把壓力容皿所能承受的壓力范圍公成若干個標(biāo)準(zhǔn)壓力等級，稱公稱

10、壓力，以 PN表示，選用容皿時必須將操作溫度下的最高操作壓力調(diào)整為整一公稱壓力等級。例：3-1 設(shè)計壓力 P=0.4MPa，設(shè)計溫度 t=70，圓筒內(nèi)徑Di=1000mmm， H=3000mm， 盛裝液體介質(zhì)， 液柱靜壓力為 0.03MPa， 圓筒材料 16MnR。腐蝕余量 C2取 1.5mm，焊接接頭系數(shù)0.85，試求該容皿的筒體厚度。1）根據(jù)設(shè)計壓力 P 和液柱靜壓力 P液確定計算壓力 PC。液柱靜壓力 0.03uPa，已大于設(shè)計壓力的 5%所以應(yīng)計入計算壓力中。PC=P+P液=0.4+0.03=0.43MPa2）求計算厚度先假設(shè)筒體厚度為 616mm，查表 3-6 得設(shè)計溫度為 70時許

11、用應(yīng)力 170tMPa，得以上參數(shù)帶入式（3-2）得筒體計算厚度為：1.492 tPcDimmPc 3）求設(shè)計厚度d22.99dCmm4）求名義厚度 S無查表 3-10 得鋼板的厚度負(fù)偏差 C1=0.3mm，因而可雙名義厚度4nmm，但對于低合金容皿規(guī)定不包括腐蝕裕量的最小厚度min不應(yīng)小于 3mm， 若如上1.5mm 的腐蝕裕量，名義厚度至少取 5mm。根據(jù)鋼板厚度標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，名義厚度n取 6mm5）檢查：6, tnmm沒有變化，故取名義厚度 6mm 合適。第三章第三章第三節(jié)內(nèi)壓封頭結(jié)構(gòu)和計算第三節(jié)內(nèi)壓封頭結(jié)構(gòu)和計算目的要求：使學(xué)生熟悉凸形封頭，錐形封頭和平蓋結(jié)構(gòu)，掌握凸形封頭，錐形封頭及平蓋

12、的計算重點難點：1、凸形封頭的結(jié)構(gòu)特點、分類2、凸形封頭的結(jié)構(gòu)計算第三節(jié)第三節(jié)內(nèi)壓封頭結(jié)構(gòu)計算內(nèi)壓封頭結(jié)構(gòu)計算封頭按結(jié)構(gòu)形狀可分為：凸形封頭、錐形封頭、平蓋封頭三類，本節(jié)著重介紹常用的這幾種封頭的結(jié)構(gòu)和強度計算方法1、凸形封頭常用的凸形封頭有：半球有：半球形封頭、橢圓形封頭和碟形封頭1、半球封頭：其封頭為半個球殼，其具有球殼所具有的優(yōu)點（相同下，受力為筒體一半，相同受力下，壁厚最薄，容積表面積最小，最結(jié)省材料）但其制造最困難。一般對于中、小直徑容皿很少用它，多用于高壓容皿上。分析其受力：124PD其厚度（強度）計算公式也與球殼相同4 tPcDiPc 選用范圍：0.6 tPc 2、橢圓封頭：由半

13、個橢圓球面和高為 h 的短圓筒（直邊）組成，直邊段作用：避免筒體與封頭間環(huán)向連接焊縫處出現(xiàn)邊緣應(yīng)力與熱應(yīng)力的疊加， 改善受力情況由于封頭的橢球部分經(jīng)線曲率變化非常平滑連續(xù)，故優(yōu)點應(yīng)力分部均勻，而且易于沖壓形型。是目前中、低壓各皿中應(yīng)用較廣的一種封頭的受力：受內(nèi)壓的橢圓形封頭最大原合應(yīng)力max與橢圓封頭的比值關(guān)有： （在橢圓頂點12( )2Pa ab無赤道處：12Pa2(2)2Paab）工程上對 a/b=1.02.6 的橢圓形封頭，引入形狀系數(shù) K，由此得到封頭受最大綜合應(yīng)力：max2KPD212() 62DiKhi式中 K橢圓形封頭形狀系數(shù)K 值可根據(jù)/2a bDihi按 P64表 3-18

14、查由第一強度理論：max t并考慮焊接系數(shù)： 2tKPD 由,DDiPcP推導(dǎo)出橢圓形封頭厚度計2 0.5tKPcDiPc 注：橢圓封頭的強度計算公式由 K 的化值推算出來，橢圓封頭上最大應(yīng)力圓筒體上最大應(yīng)力=K，圓筒體上最大應(yīng)力（=直徑為原圓體 2 倍的球殼上最大應(yīng)力2maxDSK橢球殼4 2 0.5ttKPcDiKPcDiPcPcPctKPcPi球=橢橢4 當(dāng)選取/2a b 時，橢圓形封頭是標(biāo)準(zhǔn)封頭，此時22()162Dih1K=Di/2hi=2K=則標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的厚度計算公式可表示：2 0.5tPcDiPc 與圓筒厚為：2 tPcDiPc 大致相等，考慮到受力情況用等厚鋼板進(jìn)行制造。橢

15、圓形封頭的最大許用工作應(yīng)力2 0.5tcPwKDic 3、碟形封頭，又稱帶折邊的球面封頭，它由半徑為 Ri的球面中的一部分，高度為 h 的短圓筒以及聯(lián)接此二者的過渡環(huán)殼半徑 r 三部分組成， （其幾何形狀上看，曲面不連續(xù)，所以應(yīng)力分部不均勻但制造較容易，一定場合下代替橢圓形封頭的使 用 ，一般 碟形 封頭球 面部分 內(nèi)半 徑RiDi，封 頭過渡 環(huán)殼 內(nèi)半徑10%,3rDir且）在建立其厚度公式時，引入形狀系數(shù) M，得到碟形無2 0.5tMPcRiPc 1(3)4RiMr值 M 的選取可 P65表 3-19碟形封頭的最大允許工作應(yīng)力2 0.5tcPwMRic （與標(biāo)準(zhǔn)封頭比，碟形封頭厚增加 3

16、3%，笨重不經(jīng)濟(jì)）例： 3-3， 為例 3-2 中儲罐設(shè)計合適的凸形封頭， 封頭材料與筒體一致， 選 16MnR，Pc=2.5uPa，操作溫度-544，內(nèi)徑 Di=1200mm，焊接封頭系數(shù)0.85，許用應(yīng)力 170tMPa腐蝕裕量21Cmm；解：分別算各類封頭的強度和經(jīng)濟(jì)合理性進(jìn)行比較1）半球球封頭5.214 tPcDimmPc 則26.71dCmm查 表 3-10 得 鋼 板 厚 度 負(fù) 偏 差 C1=0.618ndCmm 2）橢圓形封頭（取標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭 K=1）10.432 0.5tPcDimmPc 則210.4311.93dCmm查表3-10取C1=0.8mm114ndCmm 3）碟形

17、封頭（取0.9RiDi0.17rDi1.33M 均）12.482 0.5tMPcRimmPc 則212.4813.98dCmm查表 3-10 取 C1=0.8mm116ndCmm 可知：半球形封頭用材最小，但制造難，碟形封頭比較淺，制造比較容易，但比半球形厚 厚 8mm，但封頭與筒體厚度相差懸殊結(jié)果不合理，因此，從強度到結(jié)構(gòu)和制造等方面考慮，以采用橢圓形封頭理想。二、錐形封頭：廣泛地用低容皿的底蓋，優(yōu)點便于收集并剖除固體顆?；蚪Y(jié)晶料液，避免洗淀堆積。錐形封頭的有兩種結(jié)構(gòu)，當(dāng)錐形半核角30o 選用無折邊的結(jié)構(gòu)：當(dāng)30o 時采用帶有邊液段的折邊結(jié)構(gòu)。無大端折邊的錐形封頭的過液段的轉(zhuǎn)角半徑10%,3

18、rDir過且；對于小端45o 時采用無折邊結(jié)構(gòu)；45o 時，則采用帶過液段的折邊結(jié)構(gòu)。根據(jù)第一強度理化maxPr 3tco考慮焊接接頭系數(shù)影響：maxPr 3tco 用,PcP Dcr代(8) 23tPc Dcco由此可得設(shè)計溫度下錐形封頭計算厚度公式：12 3tPcDccPcco 考慮腐蝕裕量：2dccC考慮鋼板厚度負(fù)偏差1ncdcC三平蓋平蓋是容皿和設(shè)備中結(jié)構(gòu)最簡單的一種封頭，常用在常壓小直徑的設(shè)備上，平蓋總處于愛彎曲應(yīng)力的小利狀態(tài)，當(dāng)條件相同時，平蓋的厚度總比各種凸形封頭和錐形封頭的厚度大得多。平蓋的模型：圓形、橢圓形、長圓形、矩形等。分析其受力：在工程計算中，一般采用平板理論的經(jīng)驗公式

19、，引入結(jié)構(gòu)特征系數(shù) K，平蓋周邊支撐情況2max()DKP根據(jù)強度理論，并考慮焊接接頭系數(shù)可得圓形平蓋厚度公式： tKPcpDc 對于 K 值可見 P73 表 3-22 中查取例：選 3-2 儲罐用圓形平蓋，試求其厚度已知2.5/PcPc a1200Dimm材料 16MAR，操低溫為-544，腐蝕余量取21.5 , 170tCmMPa無解：查表 3-22 中序號為 2 的圓形平蓋，其結(jié)構(gòu)特征系數(shù) K=0.27，采用整塊鋼制造1，按式子（3-27）計算平蓋的厚度0.272.5120075.6 170 1tKPcpDcmm考慮腐蝕裕量21.5Cmm，查表得鋼板厚度反偏差11.8Cmm1275.6

20、1.5 1.880ppCCmm 可以看出平蓋的厚度一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于筒體的厚度， 平蓋一般只宜用于常壓或壓力很低的壓力容皿。第三章第三章第四節(jié)第四節(jié)壓力試驗壓力試驗?zāi)康囊螅菏箤W(xué)生了解什么是液壓試驗，氣壓試驗以及氣密性試驗，這些試驗的目的是什么，各用于什么場合。重要難點：各種壓力試驗的試驗過程以及試驗壓力的確定。第四節(jié)第四節(jié)壓力試驗壓力試驗按強度，剛度設(shè)計算確定出各壁厚度，由于材質(zhì)、鋼板卷彎，焊接及安裝加工制造過程的不完善，導(dǎo)致容皿不安全，有可能在規(guī)定的工作壓力下出現(xiàn)過大度形或焊縫有滲漏現(xiàn)象。因此，容皿在制成或檢修后還需進(jìn)行壓力試驗或增加氣密性試驗。壓力試驗的目的：在超設(shè)計壓力下，檢查容皿的強度以及

21、密封結(jié)構(gòu)和焊縫有無泄漏等。氣密性試驗的目的： 是對密封性要求高的重要容皿在強度試驗合格后進(jìn)行的泄露檢查，壓力試驗和氣密性試驗均是打壓試驗。分為液壓試驗和氣壓試驗：1對于不適合進(jìn)行液壓試驗的容皿內(nèi)不允許有微量列留液體， 由于結(jié)構(gòu)原因不能充滿液體的容皿，如高塔，液壓的液體重力可能超過基礎(chǔ)承受能力等，均采取氣壓試驗。2其余都采取液壓試驗一、液壓試驗：定義：將液體注滿容皿后，再用泵打壓增至試驗壓力，來檢驗容皿的強度和致密性。如圖，試驗用兩個程量相同的表且試 2P淺P壓表量程1試驗介質(zhì)要求：無通常用清水，特殊要求時采用無危險液體其溫度低于閃點或沸點溫度。當(dāng)奧氏體不銹鋼：25/dmg L含量碳素鋼、16MnR 等容皿：液體不低于 52試驗過程：1容皿頂部設(shè)有排氣口，以便排盡空氣充滿液體2壓力應(yīng)緩慢上升，達(dá)到試驗壓力后，保壓時間30min，降壓時先降 80%，并對所有焊接接頭和連接部位檢查。有滲漏、依標(biāo)記、卸壓后修補，重新試驗。3對夾套容皿，先進(jìn)行內(nèi)筒液壓試驗，合格后再焊夾套，對夾套內(nèi)進(jìn)行液壓試驗。4液壓試驗完畢，排盡液體并用壓縮空氣將內(nèi)部吹干。3、試驗壓力的確定：試驗壓力是：進(jìn)行壓力試驗時規(guī)定容皿應(yīng)達(dá)到的壓力，該值反映在容皿頂部的壓力表上。 P1.25 ttPP設(shè)計壓力 材料在試驗溫度下的許用應(yīng)力 t材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力注意事項：1若容皿鉻牌上規(guī)定有最大允用工作壓力時， 公