第4章 對(duì)容器設(shè)計(jì)的安全要求(2)內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

1、第四章第四章 對(duì)容器設(shè)計(jì)的安全要求對(duì)容器設(shè)計(jì)的安全要求4-2內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強(qiáng)度內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)設(shè)計(jì) 第四章第四章 對(duì)容器設(shè)計(jì)的安全要求對(duì)容器設(shè)計(jì)的安全要求容器的設(shè)計(jì)對(duì)它的安全運(yùn)行的影響主要有三個(gè)方面：一、壁厚：太小的壁厚會(huì)在壓力作用下產(chǎn)生過度的彈性及塑性變形，導(dǎo)致破裂。二、材料：韌性降低脆性斷裂工作介質(zhì)對(duì)其腐蝕腐蝕破裂。三、結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)不良會(huì)產(chǎn)生過高的局部應(yīng)力，在反復(fù)加壓卸壓過程中導(dǎo)致破裂。 關(guān)于彈性失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 容器上某處的最大應(yīng)力達(dá)到材料在設(shè)計(jì)溫度下的屈服點(diǎn) ts，容器即告破壞（這里所講的“破壞”，并不完全指容器破裂，而是泛指容器失去正常的工作能力，即工程上所說的“失效”

2、）。也就是說，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。為了保證結(jié)構(gòu)安全可靠地工作，還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。這就是強(qiáng)度安全條件，即 式中，當(dāng)當(dāng)可由主應(yīng)力借助于強(qiáng)度理論來確定；0為極限應(yīng)力，可由簡單拉伸試驗(yàn)確定；n為安全系數(shù)；為許用應(yīng)力。 n0當(dāng)強(qiáng)度理論 壓力容器零部件中各點(diǎn)的受力大多數(shù)是二向應(yīng)力狀態(tài)或三向應(yīng)力狀態(tài)，如圖所示。 建立這種應(yīng)力狀態(tài)的強(qiáng)度條件，必須借助于強(qiáng)度理論，將二向應(yīng)力狀態(tài)和三向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)換成相當(dāng)于單向拉伸應(yīng)力狀態(tài)的相當(dāng)應(yīng)力。欲建立式 所表示的強(qiáng)度條件，必須解

3、決兩方面的問題：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。 n0當(dāng)強(qiáng)度理論 對(duì)于承受均勻內(nèi)壓的薄壁圓筒形容器，其圓筒體主應(yīng)力為 第一強(qiáng)度理論 相應(yīng)的強(qiáng)度條件 第三強(qiáng)度理論 相應(yīng)的強(qiáng)度條件 第四強(qiáng)度理論 相應(yīng)的強(qiáng)度條件21pD42pDm03r2pD1當(dāng) 2pD當(dāng)2pD02pD31當(dāng) 2pD當(dāng)3 . 221212221213232221pD當(dāng) 3 . 2pD當(dāng)?shù)谝粡?qiáng)度理論用于脆性材料 第三強(qiáng)度理論和第四強(qiáng)度理論適用于塑性材料 壓力容器的載荷 工作壓力 是指正常工作情況下，容器頂部可能出現(xiàn)的最高壓力。對(duì)多數(shù)容器來說，壓力往往是確定其壁厚的唯一載荷。 重力載荷 容器的重力載荷包括容器的自重、

4、所容納的介質(zhì)重力以及永久性地連接于容器上的工藝附件、保溫材料及操作平臺(tái)等的重力。 風(fēng)載荷對(duì)于安置于室外的高聳設(shè)備必須考慮風(fēng)載荷的作用。當(dāng)風(fēng)載荷吹到設(shè)備的迎風(fēng)面上時(shí)， 相當(dāng)于對(duì)設(shè)備作用了一個(gè)脈動(dòng)的力矩。若將這類高聳直立容器當(dāng)作一個(gè)支承于地表的懸臂梁，由于風(fēng)力矩的作用將使設(shè)備受到平行于風(fēng)向的靜彎矩作用，在迎風(fēng)面的器壁產(chǎn)生軸向拉應(yīng)力，背風(fēng)面產(chǎn)生軸向壓應(yīng)力。 地震載荷 地震時(shí)，地面突然產(chǎn)生水平或垂直的運(yùn)動(dòng)，使固定于地面的容器產(chǎn)生慣性力，即地震力。地震波的作用下有三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)：水平方向振動(dòng)、垂直方向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)，其中以水平方向振動(dòng)危害較大。 溫度載荷對(duì)于操作溫度高于（或低于）室溫的容器，在使用時(shí)其壁溫將

5、高于（或低于）安裝溫度。如果這種由于溫度變化產(chǎn)生的變形受到相鄰構(gòu)件或材料的限制，構(gòu)件內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力。 壓力容器的應(yīng)力分類壓力容器的應(yīng)力分類 一次應(yīng)力 P 一次應(yīng)力是指為平衡壓力與其他外加機(jī)械載荷所必需的應(yīng)力。 二次應(yīng)力Q 二次應(yīng)力是由于容器自身的約束或相鄰部件間的相互約束所引起的正應(yīng)力或切應(yīng)力。 峰值應(yīng)力F 峰值應(yīng)力是由局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)和局部熱應(yīng)力的影響而疊加到一次加二次應(yīng)力之上的應(yīng)力增量。 壓力容器的局部應(yīng)力壓力容器的局部應(yīng)力 邊緣應(yīng)力邊緣應(yīng)力 熱應(yīng)力熱應(yīng)力 制造偏差引起的附加應(yīng)力制造偏差引起的附加應(yīng)力 截面不圓引起的附加應(yīng)力截面不圓引起的附加應(yīng)力 錯(cuò)邊和角變形引起的附加應(yīng)力錯(cuò)邊和角變形

6、引起的附加應(yīng)力 表面凹凸不平引起的附加應(yīng)力面凹凸不平引起的附加應(yīng)力 焊接接頭的局部應(yīng)力焊接接頭的局部應(yīng)力 許用應(yīng)力及壁厚的確定許用應(yīng)力及壁厚的確定 一般情況下，僅僅考慮容器的壓力載荷，而且只考慮由壓力載荷而引起的主要應(yīng)力。 鋼制圓筒開容器由于曲率半徑的改變而產(chǎn)生的周向彎曲應(yīng)力可以由理論推算得出，約為 (p為內(nèi)壓力)，它比起其周向薄膜應(yīng)力 是一個(gè)可忽略的數(shù)值 p467. 0sPR2二容器壁厚的確定 一般的壓力容器只是根據(jù)它在各種載荷(主要是壓力載荷)下所產(chǎn)生的，能直接導(dǎo)致容器破壞的薄膜應(yīng)力(或加上彎曲應(yīng)力)來確定它的壁厚 至于在總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)處等所產(chǎn)生的，自限性應(yīng)力以及局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)處等所產(chǎn)生的

7、，并不引起重要變形的局部應(yīng)力則采用在結(jié)構(gòu)型式和尺寸上加以限制的方法，將其控制在一定的范圍內(nèi)。(一)計(jì)算壁厚的有關(guān)參數(shù) 壓力工作壓力pw 指在正常工作情況下，容器頂部可能達(dá)到的最高壓力。設(shè)計(jì)壓力p 指設(shè)定的容器頂部的最高壓力，它與相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度一起作為設(shè)計(jì)載荷條件，其值不低于工作壓力。計(jì)算壓力pc 指在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下，用以確定殼體各部位厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。當(dāng)殼體各部位或元件所承受的液柱靜壓力小于5%設(shè)計(jì)壓力時(shí)，可忽略不計(jì)。(一)計(jì)算壁厚的有關(guān)參數(shù) 設(shè)計(jì)溫度設(shè)計(jì)溫度指容器在正常工作情況下，在相應(yīng)的設(shè)計(jì)壓力下，設(shè)定的元件的金屬溫度（沿元件金屬截面厚度的溫度平均值）。設(shè)計(jì)溫度與設(shè)計(jì)壓力一起

8、作為設(shè)計(jì)載荷條件。標(biāo)志在產(chǎn)品銘牌上的設(shè)計(jì)溫度應(yīng)是殼體金屬設(shè)計(jì)溫度的最高值或最低值。設(shè)計(jì)溫度雖不直接反映在上述計(jì)算公式中，但它是設(shè)計(jì)中選擇材料和確定許用應(yīng)力時(shí)不可缺少的一個(gè)基本參數(shù)。 (一)計(jì)算壁厚的有關(guān)參數(shù) 設(shè)計(jì)溫度必須在材料允許的使用溫度范圍內(nèi)，可從-196至鋼材的蠕變范圍。材料的具體適用溫度范圍是： 壓力容器用碳素鋼：-19475； 低合金鋼：-40475； 低溫用鋼：至-70； 碳鉬鋼及錳鉬鈮鋼：至520； 鉻鉬低合金鋼：至580； 鐵素體高合金鋼：至500； 非受壓容器用碳素鋼：沸騰鋼0250，鎮(zhèn)靜鋼0350； 奧氏體高合金鋼：-196700低于-100使用時(shí)，需補(bǔ)做設(shè)計(jì)溫度下焊接接頭

9、的夏比（V形缺口）沖擊試驗(yàn)。 (一)計(jì)算壁厚的有關(guān)參數(shù) 許用應(yīng)力：許用應(yīng)力是應(yīng)力達(dá)到的極限值。許用應(yīng)力的選擇是強(qiáng)度計(jì)算的關(guān)鍵，是容器設(shè)計(jì)的一個(gè)主要參數(shù)。許用應(yīng)力以材料的極限應(yīng)力0（不包括局部應(yīng)力）為基礎(chǔ)，并選擇合理的安全系數(shù)。一般許用應(yīng)為材料的強(qiáng)度特性( )除以安全系數(shù)。強(qiáng)度特性還應(yīng)考慮溫度影響( )，持久級(jí)限 和蠕變極限 。2 . 0,sbtstb,tDtn 程度等的安全系數(shù)考慮制造、使用、危害力可能產(chǎn)生破壞的極限應(yīng)nt0極限應(yīng)力0的取法 選用哪一個(gè)強(qiáng)度指標(biāo)作為極限應(yīng)力來確定許用應(yīng)力，與部件的使用條件及失效準(zhǔn)則有關(guān)，根據(jù)不同的情況，極限應(yīng)力0可以是 、 、 和 。)( ,2 . 0sb)(

10、,2 . 0ttstDtn極限應(yīng)力0的取法 對(duì)于由塑性材料制造的承壓件，應(yīng)保證其在工作時(shí)不發(fā)生全面的塑性變形，即大面積屈服，以防止材料發(fā)生應(yīng)變硬化，強(qiáng)度升高，塑性、韌性和耐腐蝕性降低。一般都以屈服點(diǎn) 或屈服強(qiáng)度 作為確定許用應(yīng)力的基礎(chǔ)。s2 . 0極限應(yīng)力0的取法 對(duì)于脆性材料或沒有明顯屈服點(diǎn)的塑性材料，常以抗拉強(qiáng)度b來確定許用應(yīng)力，即以材料的斷裂作為限制條件。極限應(yīng)力0的取法 對(duì)于鍋爐和壓力容器的承壓部件，其最大的不安全性是斷裂，而且以b來確定許用應(yīng)力有悠久的歷史，已成習(xí)慣。因此，對(duì)于工作壁溫為常溫（200)時(shí)，其許用應(yīng)力應(yīng)滿足上述塑性變形和以斷裂為限制這兩個(gè)條件，即許用應(yīng)力 ssbbnn)

11、(,min2 . 0 特別是對(duì)高強(qiáng)度鋼制的承壓部件，以b為基準(zhǔn)確定許用應(yīng)力就更為必要。 極限應(yīng)力0的取法 對(duì)于工作壁溫高于常溫而低于高溫的中溫容器承壓部件，其許用應(yīng)力 sttbttnnsb)(,min2 . 0極限應(yīng)力0的取法 對(duì)于高溫條件下（達(dá)到材料蠕變溫度，即對(duì)碳鋼和低合金鋼420，鉻鉬合金鋼450，奧氏體不銹鋼550)的承壓部件,一方面要考慮高溫蠕變( ),另一方面還要考慮材料的長期高溫強(qiáng)度指標(biāo) 。因此，高溫承壓部件的許用應(yīng)力tntD ,)(min2 . 0DtntnstttnnnDsnb,ns,nn,nD抗拉強(qiáng)度、屈服點(diǎn)（屈服強(qiáng)度）、蠕 變極限和持久強(qiáng)度的安全系數(shù)。安全系數(shù)及其取法 安

12、全系數(shù)的合理選擇是設(shè)計(jì)中一個(gè)比較復(fù)雜和關(guān)鍵的問題，因?yàn)樗c許多因素有關(guān)，其中包括： 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、焊接檢驗(yàn)等制造技術(shù)水平； 容器的工作條件，如壓力、溫度和溫壓波動(dòng)及容器在生產(chǎn)中的重要性和危險(xiǎn)性等。安全系數(shù)及其取法 安全系數(shù)是一個(gè)不斷發(fā)展變化的參數(shù)。按照科學(xué)技術(shù)發(fā)展的總趨勢(shì)，安全系數(shù)將逐漸變小。目前我國推薦的中低壓容器用材的安全系數(shù)見表。 焊接接頭系數(shù) 焊縫區(qū)是容器上強(qiáng)度比較薄弱的地方。焊縫區(qū)強(qiáng)度降低的原因在于焊接時(shí)可能出現(xiàn)缺陷而未被發(fā)現(xiàn)；焊接熱影響區(qū)往往形成粗大晶粒區(qū)；結(jié)構(gòu)剛性約束造成焊接內(nèi)應(yīng)力過大等。 焊縫區(qū)的強(qiáng)度主要取決于熔焊金屬、焊縫結(jié)構(gòu)和施

13、焊質(zhì)量。設(shè)計(jì)所需的焊接接頭系數(shù)的大小主要根據(jù)焊接接頭的型式和無損檢測(cè)的長度比率確定。 焊接接頭系數(shù)表示焊縫強(qiáng)度受影響的程度而引出的、確定容器壁厚的一個(gè)參數(shù)。它表示接焊接接頭強(qiáng)度與母材強(qiáng)度之比值。用以反映由于焊接材料、焊接缺陷和焊接殘余應(yīng)力等因素使焊接接頭強(qiáng)度被削弱的程度，是焊接接頭力學(xué)性能的綜合反映。 常見的焊接形式：焊接接頭系數(shù) 實(shí)際上焊接接頭系數(shù)并不真正反映焊縫處材料強(qiáng)度被削弱的程度，而且一個(gè)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，表示焊縫質(zhì)量的可靠程度。 焊接接頭系數(shù) 焊接接頭系數(shù)只為壓力容器強(qiáng)度計(jì)算所用，并應(yīng)根據(jù)焊縫型式和無損探傷檢測(cè)要求選取，焊縫熔敷金屬（焊縫金屬由兩部分組成，一部分是熔化的焊條或焊絲，另一部分是

14、熔化的母材，熔敷金屬指的是焊縫中熔化的焊條或焊絲部分。）的強(qiáng)度不應(yīng)低于強(qiáng)度較低一側(cè)母材的強(qiáng)度下限。規(guī)定的系數(shù)值是以焊接接頭設(shè)計(jì)及制造要求符合GB150第十章的規(guī)定為前提。 GB150第十章的規(guī)定 焊縫坡口表面不得有裂紋、分層、夾渣等缺陷； 焊前坡口表面及鄰近區(qū)域應(yīng)除去油污等；. 控制焊縫對(duì)口錯(cuò)邊量； 不等厚度鋼板對(duì)接，板厚差超限，單、雙面消?。?任何A類焊接接頭之間的距離應(yīng)大于三倍名義厚度，且不小于100mm； 焊接接頭余高的要求； 抗拉強(qiáng)度540MPa及Cr-Mo和奧氏體不銹鋼制容器及焊縫系數(shù)為1的容器，其焊接接頭表面不得有咬邊；其它容器焊接接頭表面咬邊深度不得大于0.5mm，其連續(xù)長度不得

15、大于100mm，且兩側(cè)咬邊總長不得超過該焊縫長度的10%； 限制焊接接頭返修次數(shù)不得超過規(guī)定，并保證原有的抗腐蝕性能； 厚度超限應(yīng)按規(guī)定進(jìn)行熱處理； 低溫容器A類焊接接頭如果采用墊板，焊后須去除，B類焊接接頭如受結(jié)構(gòu)的限制，墊板可以不折除； 低溫容器應(yīng)按焊接工藝嚴(yán)格控制焊接線能量。 厚度附加量 容器厚度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+C25.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(fù)偏差負(fù)偏差 C1: 例如，鋼板和鋼管厚度的負(fù)偏差C1 按相應(yīng)的鋼板標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定選取，當(dāng)鋼板厚度的負(fù)偏差不大于0.25 mm，且不超過名義厚度的6%時(shí)，鋼板厚度的

16、負(fù)偏差可以忽略不計(jì)。一般情況下鋼板厚度的負(fù)偏差C1可根據(jù)名義厚度n按表4-9選取。鋼管厚度的負(fù)偏差亦按鋼管標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定選取，一般可按表4-104-10選取。腐蝕裕量C2 為防止容器元件由于腐燭、機(jī)械磨損而導(dǎo)致厚度減薄削弱，對(duì)與工作介質(zhì)接觸的筒體、封頭、接管、人（手)孔及內(nèi)部構(gòu)件等，應(yīng)考慮腐蝕裕量。對(duì)有腐蝕或磨損的元件，應(yīng)根據(jù)預(yù)期的容器壽命和介質(zhì)對(duì)金屬材料的腐蝕速度來確定腐蝕裕量C2 ，即 C2=KaB 式中，Ka為腐蝕速度（mm/a)，可由材料腐蝕手冊(cè)查得或由試驗(yàn)確定；B為容器的設(shè)計(jì)壽命。容器的設(shè)計(jì)壽命除有特殊要求外，對(duì)塔、反應(yīng)器等主要容器一般不應(yīng)少于15 a，一般容器、換熱器等不少于8 a。腐

17、蝕裕量的選取原則和方法 介質(zhì)為壓縮空氣、水蒸氣或水的碳素鋼或低合金鋼制容器，其腐蝕裕量不得小于1.0 mm;對(duì)不銹鋼，當(dāng)介質(zhì)腐蝕性極微時(shí)，可取C2=0。 除上述情況以外的其他情況，筒體和封頭的腐蝕裕量按表4-11確定。直徑系列壓力容器的直徑根據(jù)生產(chǎn)需要確定。根據(jù)機(jī)械工業(yè)的要求，筒體和封頭的直徑不能是任意的，必須考慮標(biāo)準(zhǔn)化的系列尺寸，否則，將提高壓力容器的制造成本。筒體和封頭的內(nèi)徑系列見表。鋼板厚度 GB/T 709-2001規(guī)定的鋼板厚度尺寸系列，可供設(shè)計(jì)時(shí)選擇。 薄壁容器壁厚的計(jì)算 厚度 為了便于設(shè)計(jì)以及滿足設(shè)計(jì)和制造不同階段厚度的變化，明確指出了計(jì)算厚度（），設(shè)計(jì)厚度（d），名義厚度（n）

18、和有效厚度（e）的含義。實(shí)際壁厚不得小于名義壁厚減去鋼板負(fù)偏差，可保證強(qiáng)度要求！熱加工封頭時(shí)，加工單位應(yīng)預(yù)先考慮加工減薄量！薄壁容器壁厚的計(jì)算 最小厚度最小厚度在容器設(shè)計(jì)中，對(duì)于計(jì)算壓力很低的容器，按強(qiáng)度計(jì)算公式計(jì)算出的厚度很小，不能滿足制造、運(yùn)輸和安裝時(shí)的剛度要求。因此，對(duì)容器規(guī)定一最小厚度。最小厚度是指殼體加工成型后不包括腐蝕裕量的最小厚度。GB1501998鋼制壓力容器中對(duì)容器最小厚度的規(guī)定是：對(duì)碳素鋼和低合金鋼制容器，取min3mm；對(duì)高合金鋼制容器，取min2mm。另外，碳素鋼和低合金鋼制塔式容器的最小厚度為塔體內(nèi)直徑的2/1000，且不小于4mm，不銹鋼制塔式容器的最小厚度不小于3

19、mm；對(duì)于名義厚度取決于最小厚度且公稱直徑較大、厚度較薄的容器，為防止在制造、運(yùn)輸或安裝時(shí)產(chǎn)生過大的變形，應(yīng)根據(jù)具體情況采取臨時(shí)加固措施，如在容器內(nèi)部設(shè)置臨時(shí)性支承元件等。圓筒形容器圓筒體壁厚的計(jì)算圓筒形容器圓筒體壁厚的計(jì)算 若采用第三強(qiáng)度理論，則 按容器零部件標(biāo)準(zhǔn)化的基本參數(shù)規(guī)定，容器的公稱直徑是指內(nèi)徑Di。將上式中的平均直徑換算成圓筒內(nèi)徑，D=Di+，壓力p換為計(jì)算壓力pc，并考慮焊接接頭系數(shù)，即得到圓筒的計(jì)算壁厚公式:2)(,4)(PDPDm周向徑向 tpD2 cticpDp2圓筒形容器圓筒體壁厚的計(jì)算圓筒形容器圓筒體壁厚的計(jì)算 再考慮腐蝕裕量C2，于是得到圓筒的設(shè)計(jì)壁厚為 22CpDp

20、cticd圓筒形容器圓筒體壁厚的計(jì)算圓筒形容器圓筒體壁厚的計(jì)算 若采用第四強(qiáng)度理論，可得 cticpDp3 . 2 23 . 2CpDpcticd 我國國家標(biāo)準(zhǔn)鋼制壓力容器中規(guī)定采用第三強(qiáng)度理論，最后加上鋼板厚度的負(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，此厚度稱為名義厚度，以n表示，即圖紙上標(biāo)注的厚度。 圓筒形容器圓筒體壁厚的計(jì)算圓筒形容器圓筒體壁厚的計(jì)算 對(duì)已有設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)度校核 : 確定最大允許工作壓力的計(jì)算公式 : teeictDp2)( eietwDp2圓筒形容器圓筒體壁厚的計(jì)算圓筒形容器圓筒體壁厚的計(jì)算 采用無縫鋼管制作圓筒體時(shí)，其工程直徑為鋼管的外徑。 將D=D0

21、-代入中，并考慮焊接接頭系數(shù)，可以得到以外徑為基準(zhǔn)的公式： ctcpDp20 202CpDpctcd teectDp2)(0 eietwDp2上述計(jì)算公式的適用范圍為pc0.4t。球形容器壁厚的計(jì)算球形容器壁厚的計(jì)算 對(duì)于球形容器，其主應(yīng)力為 221sPR2sDRi利用上述推導(dǎo)方法，可得到球形容器厚度設(shè)計(jì)的計(jì)算公式，即 cticpDp4 24CpDpcticd teeictDp4)( eietwDp4上述球形容器計(jì)算公式的適用范圍為pc0.6t。圓筒殼和球殼的計(jì)算公式圓筒殼和球殼的計(jì)算公式 半球形封頭壁厚的計(jì)算半球形封頭壁厚的計(jì)算 半球形封頭是由半個(gè)球殼構(gòu)成的，它的厚度計(jì)算公式與球殼的相同。即

22、 cticpDp4 所以，球形封頭厚度可較相同直徑與壓力的圓筒殼減薄一半。但在實(shí)際工作中，為了焊接方便以及降低邊界處的邊緣應(yīng)力，半球形封頭也常和筒體取相同的厚度。半球形封頭多用于壓力較高的貯罐上。 橢圓封頭壁厚的計(jì)算橢圓封頭壁厚的計(jì)算 橢圓形封頭是由長短半軸分別為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。橢圓封頭壁厚的計(jì)算橢圓封頭壁厚的計(jì)算 在a/b2時(shí)，頂點(diǎn)具有最大拉伸應(yīng)力： 由橢球殼的應(yīng)力分析可知，當(dāng)橢球殼的長短半軸之比a/b2(即橢圓形封頭的Di/2hi2)時(shí)，橢球殼赤道上出現(xiàn)很大的環(huán)向壓應(yīng)

23、力，其絕對(duì)值遠(yuǎn)大于頂點(diǎn)的應(yīng)力。為考慮這種應(yīng)力變化對(duì)橢圓封頭強(qiáng)度的影響，引入了形狀系數(shù)K 。國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在工程應(yīng)用中，K值不大于2.6。 cticpDKp5 . 02式中， 是一經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，稱為橢圓形封頭的形狀系數(shù)，又稱為應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)。)2(2612iihDk)(221basPaChDPD)2( 4橢圓形封頭的形狀系數(shù) K標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的厚度計(jì)算 工程上將Di/2hi = 2，即a/b=2的橢圓形封頭稱為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，此時(shí)形狀系數(shù)K=l，于是得到標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的計(jì)算厚度公式 cticpDp5 . 02標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的厚度計(jì)算 橢圓形封頭的最大允許工作壓力 eietwKDp5 . 02標(biāo)準(zhǔn)橢圓

24、封頭的直邊高度 錐形封頭壁厚的計(jì)算錐形封頭壁厚的計(jì)算 錐形封頭廣泛應(yīng)用于多種化工設(shè)備（如蒸發(fā)器、噴霧干燥器、結(jié)晶器及沉降器等）的底蓋，它的優(yōu)點(diǎn)是便于收集與卸除這些設(shè)備中的固體物料。此外，有一些塔設(shè)備上、下部分的直徑不等，也常用錐形殼體將之連接起來，這時(shí)的錐形殼體稱為變徑段。 錐形封頭壁厚的計(jì)算錐形封頭壁厚的計(jì)算 由錐形殼體的應(yīng)力分析可知，受均勻內(nèi)壓的錐形封頭的最大應(yīng)力在錐殼的大端，其值為 （周向）cos2maxpD其強(qiáng)度條件為 tpDcos2max錐形封頭厚度計(jì)算公式為 cos2tpD錐形封頭壁厚的計(jì)算錐形封頭壁厚的計(jì)算 將上式中的壓力p換成計(jì)算壓力pc，將錐殼大端中徑D換成錐殼計(jì)算內(nèi)徑Dc，

25、并考慮焊接接頭系數(shù)，則： cos12ctcccpDp式中Dc錐殼計(jì)算內(nèi)直徑，mm。無折邊時(shí)Dc= Di，如圖4-13所示； 錐殼半頂角，（)； c錐殼計(jì)算厚度，mm。錐形封頭壁厚的計(jì)算錐形封頭壁厚的計(jì)算 計(jì)算的錐形封頭厚度，由于沒有考慮封頭與筒體連接處的邊緣應(yīng)力，因而此厚度是不夠的。與前面分析球冠形封頭與筒體連接處的受力情況類似，錐形封頭與筒體的連接處也存在著邊緣應(yīng)力。正是由于存在上述邊緣應(yīng)力，在設(shè)計(jì)錐形封頭時(shí)，就不能單純以計(jì)算公式為依據(jù)，需要在考慮上述邊緣應(yīng)力的基礎(chǔ)上，建立一些補(bǔ)充設(shè)計(jì)公式。 盡管連接處附近的邊緣應(yīng)力數(shù)值很高，但卻具有局部性和自限性，所以這里發(fā)生小量的塑性變形是允許的。從這樣

26、的觀點(diǎn)出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可使所需厚度大為降低。 錐形封頭壁厚的計(jì)算錐形封頭壁厚的計(jì)算 將連接處附近的封頭及筒體厚度增大，這種方法叫做局部加強(qiáng)。 在封頭與筒體間增加一個(gè)過渡圓弧，則整個(gè)封頭由錐體、過渡圓弧及高度為h0的直邊三部分所構(gòu)成，如圖所示，這種封頭叫做帶折邊的錐形封頭。平板封頭壁厚的計(jì)算平板封頭壁厚的計(jì)算 平板封頭是化工設(shè)備常用的一種封頭。平板封頭的幾何形狀有圓形、橢圓形、長圓形、矩形和方形等，最常用的是圓形平板封頭。根據(jù)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，其最大應(yīng)力可能在板的中心，也可能在板的邊緣，這要視壓力作用面積的大小和邊緣支承情況而

27、定，由受均布載荷圓平板的應(yīng)力分析可知。平板封頭壁厚的計(jì)算平板封頭壁厚的計(jì)算 對(duì)于周邊固定（夾持）受均布載荷的圓平板，其最大應(yīng)力是徑向彎曲應(yīng)力，產(chǎn)生在圓平板的邊緣，其值由下式計(jì)算： 222max)(188. 0)(163)(43)(DDpRpr平板封頭壁厚的計(jì)算平板封頭壁厚的計(jì)算 對(duì)于周邊簡支受均布載荷的圓平板，其最大應(yīng)力產(chǎn)生在圓平板的中心，且此處的徑向彎曲應(yīng)力與切向彎曲應(yīng)力相等，其值由下式計(jì)算： 2222)3 . 0(22maxmax31. 024. 18)3(3)()(pDpRpRtr時(shí)當(dāng)取平板封頭壁厚的計(jì)算平板封頭壁厚的計(jì)算 根據(jù)強(qiáng)度條件max 周邊固定（夾持） 周邊自由支撐（簡支） tp

28、D188. 0 tpD31. 0 以上兩種情況的厚度計(jì)算公式形式相同，系數(shù)不同。由于實(shí)際上平板封頭的邊緣支承情況很難確定，它不屬于純剛性固定也不屬于純簡支的情況，往往是介于這兩種情況之間，即系數(shù)在0.1880.31。 平板封頭壁厚的計(jì)算平板封頭壁厚的計(jì)算 在化工容器設(shè)計(jì)規(guī)定中，利用一個(gè)結(jié)構(gòu)特征系數(shù)K，將平板封頭厚度的設(shè)計(jì)公式歸納為 tccpKpD式中P平板封頭的計(jì)算厚度，mm;Dc計(jì)算直徑（見表4-19中簡圖），mm; pc計(jì)算壓力，MPa;焊接接頭系數(shù)；K結(jié)構(gòu)特征系數(shù)（見表4-19);t材料在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa。封頭的選擇封頭的選擇 (1) 幾何方面 就單位容積的表面積來說，以半球形封頭為最小。 橢圓形和碟形封頭的容積和表面積基本相同，可以認(rèn)為近似相等。 錐殼的容積和表面積取決于錐頂角（2)的大小，顯然2= 0即為圓筒體。與具有同樣直徑和高度的圓筒體相比較，錐形封頭的容積