內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強度設(shè)計

內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強度設(shè)計第一頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/19第四章內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強度設(shè)計本章重點：內(nèi)壓薄壁圓筒的厚度計算本章難點：厚度的概念和設(shè)計參數(shù)的確定計劃學(xué)時：6學(xué)時第二頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/19第四章內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強度設(shè)計強度設(shè)計公式推導(dǎo)過程如下：①根據(jù)薄膜理論進行應(yīng)力分析，確定薄膜應(yīng)力狀態(tài)下的主應(yīng)力；②根據(jù)彈性失效的設(shè)計準(zhǔn)則，應(yīng)用強度理論確定應(yīng)力的強度判據(jù)；③對于封頭，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應(yīng)力增強系數(shù)。④根據(jù)應(yīng)力強度判據(jù)，考慮腐蝕等實際因素導(dǎo)出具體的計算公式。第三頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.1強度設(shè)計的基本知識關(guān)于彈性失效的設(shè)計準(zhǔn)則1、彈性失效理論對于中、低壓薄壁容器，目前通用的是彈性失效理論。依據(jù)這一理論，容器上一處的最大應(yīng)力達(dá)到材料在設(shè)計溫度下的屈服點σst，容器即告失效(失去正常的工作能力)，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測得的屈服點，即σ當(dāng)＜σs。第四頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.1強度設(shè)計的基本知識2．強度安全條件為了保證結(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σ0—極限應(yīng)力（由簡單拉伸試驗確定）n—安全系數(shù)[σ]—許用應(yīng)力σ當(dāng)—相當(dāng)應(yīng)力，由強度理論來確定。第五頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.1強度設(shè)計的基本知識強度理論及其相應(yīng)的強度條件以圓筒形容器作例：第六頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.1強度設(shè)計的基本知識第一強度理論——最大主應(yīng)力理論第二強度理論——最大變形理論（與實際相關(guān)較大，未用）第三強度理論——最大剪應(yīng)力理論第四強度理論——能量理論（適用于塑性材料）第七頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.1強度設(shè)計的基本知識第八頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼的強度設(shè)計設(shè)計計算一、圓筒形容器1、強度設(shè)計公式根據(jù)前面所講的第三強度理論，有：將平均直徑換為圓筒內(nèi)徑D=Di+S;將壓力p換為計算壓力pc；考慮焊接制造因素φ，將[σ]換為[σ]tφ則有：第九頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼的強度設(shè)計其中S—計算壁厚,mm[σ]t—材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，Mpa;2、厚度的定義

計算厚度：

設(shè)計厚度

Sd=S＋C2

名義厚度

Sn=Sd＋C1＋圓整值=S＋C＋圓整值

有效厚度

Se=Sn－C第十頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼的強度設(shè)計其中C1—鋼板壁厚負(fù)偏差；

C2—腐蝕裕度；C=C1＋C2

如圖所示C1C2圓整值加工減薄量C=C1+C2

第十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼的強度設(shè)計3、校核公式若已知，要計算一臺容器所能承受的載荷時4、采用無縫鋼管作圓體時，公稱直徑為鋼管的外徑。第十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼的強度設(shè)計上述計算公式的適用范圍為pc≤0.4[σ]tφ。二、球形容器對于球形容器，由于其主應(yīng)力為利用上述推導(dǎo)方法，可以得到球形容器壁厚設(shè)計計算公式，即上述球形容器計算公式的適用范圍為pc≤0.6[σ]tφ。第十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼的強度設(shè)計設(shè)計參數(shù)的確定1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)計溫度一起作為設(shè)計載荷條件，其值不低于工作壓力。

計算壓力pc：指在相應(yīng)設(shè)計溫度下，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)計壓力時，可忽略不計。第十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼的強度設(shè)計2設(shè)計溫度設(shè)計溫度：指容器在正常工作情況下，在相應(yīng)的設(shè)計壓力下，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)計溫度是選擇材料和確定許用應(yīng)力時不可少的參數(shù)。3許用應(yīng)力和安全系數(shù)（1）許用應(yīng)力的取法第十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼的強度設(shè)計（2）安全系數(shù)的取法安全系數(shù)是不斷發(fā)展變化的參數(shù)，科技發(fā)展，安全系數(shù)變??；

要求記憶：常溫下，碳鋼和低合金鋼nb=3.0，ns=1.6。第十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼的強度設(shè)計4焊接接頭系數(shù)焊縫區(qū)是容器上強度比較薄弱的地方。焊縫區(qū)的強度主要決定于熔焊金屬、焊縫結(jié)構(gòu)和施焊質(zhì)量。焊接接頭系數(shù)的大小決定于焊接接頭的型式和無損檢測的長度比率。5厚度附加量C=C1+C2C1—鋼板壁厚負(fù)偏差；按相應(yīng)的鋼板或鋼管標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定選取．當(dāng)鋼材的厚度負(fù)偏差不大于0.25mm，且不超過名義厚度的6%時，負(fù)偏差可以忽略不計。第十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/19C2—腐蝕裕量；為防止容器元件由于腐蝕、機械磨損而導(dǎo)致厚度削弱減薄，應(yīng)考慮腐蝕裕量。三壓力試驗與強度校核容器制成以后(或檢修后投入生產(chǎn)之前)．必須作壓力試驗或增加氣密性試驗，其目的在于檢驗容器的宏觀強度和有無滲漏現(xiàn)象，即考查容器的密封性，以確保設(shè)備的安全運行。對需要進行焊后熱處理的容器，應(yīng)在全部焊接工作完成并經(jīng)熱處理之后，才能進行壓力試驗和氣密試驗，對于分段交貨的壓力容器，可分段熱處理．在安裝4.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼的強度設(shè)計第十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼的強度設(shè)計工地組裝焊接，并對焊接的環(huán)焊縫進行局部熱處理之后，再進行壓力試驗。壓力試驗的種類、要求和試驗壓力值應(yīng)在圖樣上注明。壓力試驗一般采用液壓試驗。對于不適合作液壓試驗的容器，例如容器內(nèi)不允許有微量殘留液體．或由于結(jié)構(gòu)原因不能充滿液體的容器，可采用氣壓試驗。1、試驗壓力內(nèi)壓容器的試驗壓力：第十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼的強度設(shè)計式中：pT——試驗壓力，Mpa；

p——設(shè)計壓力，Mpa；

[σ]——容器元件材料在試驗溫度下的許用應(yīng)力，Mpa；

[σ]t——容器元件材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，Mpa。2壓力試驗的應(yīng)力校核第二十頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.2內(nèi)壓薄壁圓殼體與球殼的強度設(shè)計σT應(yīng)滿足下列條件：3壓力試驗的試驗要求與試驗方法（1）液壓試驗（2）氣壓試驗（3）氣密性試驗4例題第二十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.3內(nèi)壓圓筒封頭的設(shè)計容器封頭又稱端蓋，按其形狀可分為三類；凸形封頭、錐形封頭和平板形封頭。其中凸形封頭包括半球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭(或稱帶折邊的球形封頭)和球冠封頭(無折邊球形封頭)四種。半球形封頭半球形封頭(圖4－3)是由半個球殼構(gòu)成的，它的計算壁厚公式與球殼相同。第二十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.3內(nèi)壓圓筒封頭的設(shè)計橢圓形封頭橢圓形封頭(圖4－4)是由長短半袖分別為a和b的半橢球和高度為h。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)向焊受邊緣應(yīng)力作用。有以下結(jié)論：當(dāng)橢球殼的長短半軸a/b＞2時，橢球殼赤道上出現(xiàn)很大的環(huán)向應(yīng)力(圖3－25(c))，其絕對值遠(yuǎn)大于頂點的應(yīng)力。從而引入形狀系數(shù)K。（也稱應(yīng)力增加系數(shù)）第二十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.3內(nèi)壓圓筒封頭的設(shè)計根據(jù)強度理論（具體推導(dǎo)過程可參閱華南理工大學(xué)P57），受內(nèi)壓（凹面受壓）的橢圓形封頭的計算厚度公式為：標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭K=1（a/b=2），計算厚度公式為：第二十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.3內(nèi)壓圓筒封頭的設(shè)計橢圓封頭最大允許工作壓力計算公式為：GB150-1998規(guī)定：

K≤1時，Se≥0.15DiK＞1時，Se≥0.30Di

但當(dāng)確定封頭厚度時，已考慮了內(nèi)壓下的彈性失穩(wěn)問題，可不受此限制。現(xiàn)行的橢圓形封頭標(biāo)準(zhǔn)為JB／T4737—95。第二十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.3內(nèi)壓圓筒封頭的設(shè)計碟形封頭由三部分構(gòu)成：以Ri為半徑的球面；以r為半徑的過渡圓弧(即折邊)；高度為h0的直邊。同樣，引入形狀系數(shù)M，則其計算厚度公式為：第二十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.3內(nèi)壓圓筒封頭的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭：球面內(nèi)半徑Ri＝0.9Di，過渡圓弧內(nèi)半徑r=0.17Di，此時M＝1.325，計算壁厚公式：碟形封頭最大允許工作壓力為：第二十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.3內(nèi)壓圓筒封頭的設(shè)計GB150-1998規(guī)定：

M≤1.34時，Se≥0.15DiM＞1.34時，Se≥0.30Di

但當(dāng)確定封頭厚度時，已考慮了內(nèi)壓下的彈性失穩(wěn)問題，可不受此限制。碟形封頭標(biāo)準(zhǔn)為JB576—64。4.3.4球冠形封頭把碟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，就構(gòu)成球冠形封頭。第二十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.3內(nèi)壓圓筒封頭的設(shè)計受內(nèi)壓的球冠形端封頭的計算厚度公式：4.3.5錐形封頭由錐形殼體的應(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：第二十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.3內(nèi)壓圓筒封頭的設(shè)計其強度條件為：厚度計算公式為：錐殼的計算厚度公式：（4－27）按4－27式計算的錐形封頭的厚度，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。連接處的邊緣應(yīng)力如下頁圖所示。第三十頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.3內(nèi)壓圓筒封頭的設(shè)計為降低連接處的邊緣應(yīng)力，一般采用兩種方法：（1）、局部加強：將連接處附近的封頭及筒體厚度增大——無折邊錐形封頭；（2）、增加過渡圓?。涸诜忸^與筒體之間增加一個過渡圓弧，整個封頭由錐體、過渡圓弧及高度為h0折邊三部分構(gòu)成——帶折邊的錐形封頭。第三十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.3內(nèi)壓圓筒封頭的設(shè)計第三十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.3內(nèi)壓圓筒封頭的設(shè)計第三十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日2023/1/194.3內(nèi)壓圓筒封頭的設(shè)計1、受內(nèi)壓無折邊錐形封頭（1）、錐殼大端連接處的厚度（適用于錐殼半頂角α≤30o時）首先判斷是否需要加強（利用表4－15），若不需要加強，用4－27式計算；若需要加強，加強