內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計

1第9章內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計2壓力容器發(fā)展趨勢大型化選用高強度材料高參數(shù)根據(jù)給定的，遵循規(guī)定，在確保的前提下，經(jīng)濟、正確地，并進行結(jié)構(gòu)、強（剛）度和密封設(shè)計。壓力容器設(shè)計工藝設(shè)計條件現(xiàn)行的規(guī)范標準安全選擇材料9內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計3結(jié)構(gòu)設(shè)計——確定合理、經(jīng)濟的結(jié)構(gòu)形式，滿足制造、檢驗、裝配、運輸和維修等要求。強（剛）度設(shè)計——確定結(jié)構(gòu)尺寸，滿足強度或剛度及穩(wěn)定性要求，確保容器安全可靠運行密封設(shè)計——選擇合適的密封結(jié)構(gòu)和材料，保證密封性能良好。9內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）49內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）用戶提出基本設(shè)計要求↓分析容器的工作條件，確定設(shè)計參數(shù)↓結(jié)構(gòu)分析、初步選材↓選擇合適的規(guī)范和標準↓應(yīng)力分析和強度計算↓確定構(gòu)件尺寸和材料↓繪制圖紙，提供設(shè)計計算書和其它技術(shù)文件壓力容器設(shè)計的基本步驟5

壓力容器強度計算的內(nèi)容

——新容器的強度設(shè)計及在役容器的強度校核。9內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）

對已投入使用壓力容器要實施定期檢驗制度，根據(jù)實測的厚度進行強度校核——

（1）判定在下一個檢驗周期內(nèi)或在剩余壽命期間內(nèi)，容器是否還能在原設(shè)計條件下安全使用；（2）當容器已被判定不能在原設(shè)計條件下使用時，應(yīng)通過強度計算，提出容器監(jiān)控使用的條件；（3）當容器針對某一使用條件需要判廢時，應(yīng)提出判廢依據(jù)。69內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）9.2內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼強度計算1、薄壁圓筒強度計算公式（1）理論計算厚度（計算厚度）設(shè)一薄壁圓筒的平均直徑為D，厚度為δ，在承受介質(zhì)的內(nèi)壓為p時，其經(jīng)向薄膜應(yīng)力σm與環(huán)向薄膜應(yīng)力σθ分別為79內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）根據(jù)第三強度理論，筒壁一點處的相當應(yīng)力σr3為（a）按照薄膜應(yīng)力強度條件（b）式中[σ]t——鋼板在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力。89內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）筒體——鋼板卷焊而成99內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）

鋼板的許用應(yīng)力——強度較低的焊縫金屬許用應(yīng)力代替，將鋼板的許用應(yīng)力[σ]t乘以一個焊接接頭系數(shù)ф（ф≤1）（c）安全承受壓力p圓筒所需的最小理論計算厚度10接頭形式和無損檢測要求及長度比例焊縫缺陷夾渣、未熔透、裂紋、氣孔等焊縫熱影響區(qū)晶粒粗大母材強度或塑性降低薄弱環(huán)節(jié)焊接接頭系數(shù)——焊縫金屬與母材強度比值，反映容器強度受削弱程度影響因素9內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）119內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）（2）設(shè)計厚度與名義厚度——選用鋼板時需考慮兩個實際因素。（a）鋼板負偏差鋼板實際厚度>名義厚度——正偏差鋼板實際厚度<名義厚度——負偏差（名義厚度是鋼板出廠時所標明的厚度）鋼板和鋼管厚度負偏差按相應(yīng)的鋼板或鋼管標準選取。負偏差應(yīng)按名義厚度δn選取。當實際鋼板厚度負偏差不大于0.25mm，且不超過名義厚度的6%時，可取C1=0。129內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）139內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）（b）腐蝕裕量

——防止容器受壓元件由于均勻腐蝕、機械磨損而導(dǎo)致厚度削弱減薄。與腐蝕介質(zhì)直接接觸的筒體、封頭、接管等受壓元件，均應(yīng)考慮材料的腐蝕裕量。C2=λnλ——腐蝕速率(mm/a)，查腐蝕手冊或由實驗確定；

n——容器的設(shè)計壽命，通常為10~15年。149內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）

當材料的腐蝕速率為0.05～0.1mm/a時，單面腐蝕取C2=1mm；雙面腐蝕取C2=2～4mm；當材料的腐蝕速率小于或等于0.05mm/a時，單面腐蝕取C2=1mm；雙面腐蝕取C2=2mm。一般對碳素鋼和低合金鋼，C2不小于1mm；對不銹鋼，當介質(zhì)的腐蝕性極微時，可取C2=0。容器厚度附加量C——鋼板或鋼管厚度的負偏差C1和介質(zhì)的腐蝕裕量C2之和C=C1+C2159內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）設(shè)計厚度——計算厚度與腐蝕裕量之和，用δd表示（9-2）名義厚度——將設(shè)計厚度加上鋼板負偏差后向上圓整至鋼板的標準規(guī)格厚度，用δn表示（9-3）常用鋼板的標準規(guī)格厚度——2，3，4，（5），6，8，10，12，14，16，18，20，22，25，28，30，32，….169內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）（3）有效厚度——從真正可作為依靠來承受介質(zhì)壓力的厚度而言，只有δ和Δ，把δ與Δ之和稱為圓筒的有效厚度，用δe表示，即或179內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）（4）壓力容器的最小厚度內(nèi)壓圓筒計算厚度僅從強度考慮得出的。當設(shè)計壓力不太低時，計算所得厚度基本符合使用要求，強度要求是決定容器厚度的主要考慮因素。當設(shè)計壓力很低時，按強度公式計算出的厚度就太小，不能滿足制造、運輸和安裝時的剛度要求。規(guī)定不包括腐蝕裕量的最小厚度。最小厚度δmin（不包括腐蝕裕量）按下面確定：（1）對碳素鋼、低合金鋼制容器，δmin

≥3mm；（2）對高合金鋼制容器，δmin≥2mm。189內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）因此，設(shè)計溫度下圓筒的計算應(yīng)力為（9-4）設(shè)計溫度下圓筒的最大允許工作壓力為（9-5）199內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）4.3.2圓筒設(shè)計（續(xù)）計算厚度（δ）——由公式采用計算壓力得到的厚度。必要時還應(yīng)計入其它載荷對厚度的影響。設(shè)計厚度（δd）——計算厚度與腐蝕裕量之和。δd＝δ＋C2名義厚度（δn）——設(shè)計厚度加上鋼材厚度負偏差后向上圓整至鋼材標準規(guī)格的厚度，即標注在圖樣上的厚度。δn＝δd＋C1＋Δ=δ＋C1

＋C2＋Δ有效厚度（δe）——名義厚度減去鋼材負偏差和腐蝕裕量。δe＝δn－C1－C2厚度附加量（C）——由鋼材的厚度負偏差C1和腐蝕裕量C2組成，不包括加工減薄量C3。C=C1+C2加工減薄量——根據(jù)具體制造工藝和板材實際厚度由制造廠而并非由設(shè)計人員確定。209內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）計算厚度δ有效厚度δe成型后厚度毛坯厚度名義厚度δn設(shè)計厚度δdC1+C2加工減薄量加工減薄量第一次厚度圓整值厚度負偏差C1腐蝕裕量C2第二次厚度圓整值厚度關(guān)系示意圖219內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）2、薄壁球殼強度計算公式對于薄壁球殼，由于其主應(yīng)力為

與薄壁圓筒的推導(dǎo)相似，球形容器的厚度計算厚度

（9-6）設(shè)計厚度

（9-7）229內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）設(shè)計溫度下球殼的計算應(yīng)力為（9-8）設(shè)計溫度下球殼的最大允許工作壓力為（9-9）式中，Di為球形容器的內(nèi)徑，其他符號同前。239內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）3、設(shè)計參數(shù)的確定（1）設(shè)計壓力p——在相應(yīng)設(shè)計溫度下用以確定容器殼體厚度及其元件尺寸的壓力，亦即標注的銘牌上的容器設(shè)計壓力，其值不得小于最大工作壓力?！斎萜鞲鞑课换蚴軌涸惺艿囊后w靜壓力達到5%設(shè)計壓力時，則應(yīng)取設(shè)計壓力和液體靜壓力之和進行該部位或元件的設(shè)計計算。249內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）——容器上裝有安全閥時，取1.05~1.1倍的最高工作壓力作為設(shè)計壓力；使用爆破膜作為安全裝置時，取1.15~1.3倍的最高工作壓力作為設(shè)計壓力；其余應(yīng)按GB150-1998相應(yīng)規(guī)定確定容器的設(shè)計壓力。2526279內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）——對盛裝液化氣體的容器，在規(guī)定安裝系數(shù)范圍內(nèi)，設(shè)計壓力根據(jù)工作條件下可能達到最高金屬溫度確定?！鈮喝萜鞯脑O(shè)計壓力，應(yīng)取不小于在正常操作情況下可能出現(xiàn)的最大內(nèi)外壓力差。真空容器—

不設(shè)安全閥時，取0.1MPa；設(shè)有安全閥時，取Min（1.25×△p,0.1MPa)。帶夾套容器取正常操作時可能出現(xiàn)的最大內(nèi)外壓差。289內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）（2）計算壓力——在相應(yīng)設(shè)計溫度下，用以確定元件厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。通常情況下，計算壓力等于設(shè)計壓力加上液柱靜壓力。當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。計算壓力=設(shè)計壓力+液柱靜壓力（≥5%p時計入）計算壓力≥設(shè)計壓力≥工作壓力=容器頂部表壓299內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）（3）設(shè)計溫度——指容器在正常工作情況下，設(shè)定的元件的金屬溫度（指容器受壓元件沿截面厚度的平均溫度），其值不得低于元件金屬在工作狀態(tài)可能達到的最高溫度。對于0℃以下的金屬溫度，設(shè)計溫度不得高于元件金屬可能達到的最低溫度?！O(shè)計溫度在容器設(shè)計中的作用——選擇材料、確定許用應(yīng)力※確定設(shè)計溫度的方法（1）對類似設(shè)備實測；（2）傳熱計算；（3）參照書P123表9-1。309內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）319內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）（4）許用應(yīng)力——容器殼體、封頭等受壓元件材料許用強度，取材料強度失效判據(jù)的極限值與相應(yīng)的材料設(shè)計系數(shù)（又稱安全系數(shù)）之比?！ぷ鳒囟葹槌兀ǎ?00℃）時，取329內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）※工作溫度為中溫，取※工作溫度為高溫，取——設(shè)計溫度下材料的強度極限和屈服極限

——設(shè)計溫度下材料的持久強度和蠕變極限

——各安全系數(shù)。339內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）安全系數(shù)及其確定影響安全系數(shù)的因素：①計算方法的準確性、可靠性和受力分析的精度；②材料質(zhì)量和制造的技術(shù)水平；③容器的工作條件及其在生產(chǎn)中的重要性和危險性。

安全系數(shù)材料nbnsnDnn碳素鋼、低合金鋼≥3.0≥1.6≥1.5≥1.0

高合金鋼≥3.0≥1.5≥1.5≥1.0349內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）液壓試驗氣壓試驗?zāi)蛪涸囼灇饷苄栽囼瀴毫υ囼灴紤]缺陷對壓力容器安全性的影響。在制造完畢后或定期檢驗時，都要進行壓力試驗。9.3容器的壓力試驗359內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）——容器制成后、檢修后投入生產(chǎn)前——試驗?zāi)康摹鶛z驗容器宏觀強度—是否出現(xiàn)裂紋,是否變形過大；※密封點及焊縫的密封情況?！枰负鬅崽幚淼娜萜?，須熱處理后進行壓力試驗和氣密試驗；——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；——塔器須安裝后進行水壓試驗；耐壓試驗369內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）1、試驗壓力液壓試驗壓力，按下式確定（9-12）氣壓試驗壓力，按下式確定（9-13）當容器各元件所用材料不同時，應(yīng)取各元件之[σ]/[σ]t比值中最小者。當設(shè)計溫度小于200℃時，[σ]t與[σ]接近，此項可以忽略不計。379內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）2、壓力試驗的要求與試驗方法（a）液壓試驗介質(zhì)：一般為水充水排氣設(shè)計壓力無泄漏開始試驗壓力下保壓30分鐘卸壓吹凈結(jié)束試驗壓力的80%保壓檢查389內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）注意：不銹鋼容器——水中氯離子不得超過25mg/L。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）σb≥540MPa的材料，表面經(jīng)無損檢驗無裂紋。399內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）（b）氣壓試驗——不適合液壓試驗的，如因結(jié)構(gòu)緣故排液或充液困難，或容器內(nèi)不允許殘留微量液體時采用?！稍铩崈艨諝?，氮氣或其他惰性氣體，試驗氣體溫度一般不低于15℃。（c）氣密試驗——針對介質(zhì)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(shè)計壓力。409內(nèi)壓薄壁圓筒和球殼設(shè)計（續(xù)）3、壓力試驗前的應(yīng)力校核

在壓力試驗前，應(yīng)對試驗壓力下產(chǎn)生的圓筒應(yīng)力進行校核，即容器壁內(nèi)所產(chǎn)生的最大應(yīng)力不超過所用材料在試驗溫度上屈服極限的90%（液壓試驗）或80%（氣壓試驗）。即液壓試驗時：（9-14）

氣壓試驗時：