真空壓力容器設(shè)計(jì)課件

第4章壓力容器設(shè)計(jì)§4-1概述壓力容器設(shè)計(jì)基本要求合理選取結(jié)構(gòu)、材料、參數(shù)等合理選擇設(shè)計(jì)方法常規(guī)設(shè)計(jì)和分析設(shè)計(jì)結(jié)果比較壓力容器設(shè)計(jì)基本內(nèi)容用戶提出基本設(shè)計(jì)要求

↓分析容器的工作條件，確定設(shè)計(jì)參數(shù)

↓結(jié)構(gòu)分析、初步選材

↓選擇合適的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)

↓應(yīng)力分析和強(qiáng)度計(jì)算

↓確定構(gòu)件尺寸和材料

↓繪制圖紙，提供設(shè)計(jì)計(jì)算書和其它技術(shù)文件

壓力容器設(shè)計(jì)的基本步驟設(shè)計(jì)條件§4-2設(shè)計(jì)準(zhǔn)則壓力容器失效判據(jù)—判斷壓力容器是否失效由力學(xué)分析得到力學(xué)分析結(jié)果由實(shí)驗(yàn)測(cè)得失效數(shù)值失效判據(jù)壓力容器設(shè)計(jì)準(zhǔn)則§4-3常規(guī)設(shè)計(jì)一、概述基于彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則不連續(xù)應(yīng)力的考慮二、圓筒設(shè)計(jì)

單層式圓筒的優(yōu)點(diǎn)：不存在層間松動(dòng)等薄弱環(huán)節(jié)，能較好地保證筒體的強(qiáng)度。單層式圓筒的缺點(diǎn)：1、單層厚壁圓筒對(duì)制造設(shè)備的要求高。2、材料的浪費(fèi)大。3、鍛焊式圓筒存在較深的縱、環(huán)焊縫，不便于焊接和檢驗(yàn)。層板包扎式

（1）包扎工序繁瑣，費(fèi)工費(fèi)時(shí)，效率低。（2）層板材料利用率低。3）層間松動(dòng)問(wèn)題。缺點(diǎn)

（1）對(duì)加工設(shè)備的要求不高。（2）壓縮預(yù)應(yīng)力可防止裂紋的擴(kuò)展。（3）內(nèi)筒可采用不銹鋼防腐。（4）層板厚度薄，韌性好，不易發(fā)生脆性斷裂。優(yōu)點(diǎn)整體多層包扎式

（1）套合層數(shù)少，效率高，成本低。（2）縱焊縫質(zhì)量容易保證。

（1）只能套合短筒，筒節(jié)間深環(huán)焊縫多。（2）要求準(zhǔn)確的過(guò)盈量，對(duì)筒節(jié)的制造要求高。熱套式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：（1）機(jī)械化程度高，操作簡(jiǎn)便，材料利用率高。（2）縱焊縫少。缺點(diǎn)：（1）繞板薄，不宜制造壁厚很大的容器。（2）層間松動(dòng)問(wèn)題。繞板式優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)槽形繞帶式（1）筒壁應(yīng)力分布均勻且能承受一部分由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力。（2）機(jī)械化程度高，材料利用率高。（1）鋼帶成本高，公差要求嚴(yán)格。（2）繞帶時(shí)鋼帶要求嚴(yán)格嚙合，否則無(wú)法貼緊。優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)

（1）機(jī)械化程度高，材料利用率高。（2）整體繞制，無(wú)環(huán)焊縫。（3）帶層呈網(wǎng)狀，不會(huì)整體裂開(kāi)。（4）扁平鋼帶成本低，繞制方便。扁平鋼帶傾角錯(cuò)繞式特點(diǎn)內(nèi)壓圓筒強(qiáng)度設(shè)計(jì)單層內(nèi)壓圓筒壁厚計(jì)算強(qiáng)度校核工作應(yīng)力最大允許工作壓力按塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：按爆破失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：多層圓筒壁厚注意最小厚度碳素鋼、低合金鋼制容器：δmin≥3mm高合金鋼制容器：δmin≥2mm設(shè)計(jì)參數(shù)的選取設(shè)計(jì)壓力p1、設(shè)計(jì)壓力由工藝條件確定，在設(shè)計(jì)過(guò)程中是一個(gè)定值；工作壓力在容器正常工作過(guò)程中可能變動(dòng)，容器頂部和底部的工作壓力也可能不同。2、要求設(shè)計(jì)壓力不低于最大工作壓力。即：P≥PW3、PC=P+PL(當(dāng)PL≤5%

P時(shí)，PL可忽略不計(jì))設(shè)計(jì)壓力的規(guī)定1、容器上裝有安全閥時(shí)

P=(1.05~1.10)PW2、容器上裝有爆破膜時(shí)

P=(1.15~1.30)PW3、盛裝液化氣體的容器

設(shè)計(jì)壓力取工作時(shí)可能達(dá)到的最高溫度下液化氣體的飽和蒸氣壓設(shè)計(jì)溫度t----容器在正常工作情況下設(shè)定元件的金屬溫度。元件金屬溫度高于零度時(shí)，設(shè)計(jì)溫度不得低于元件可能達(dá)到的最高溫度；元件金屬溫度低于零度時(shí)，設(shè)計(jì)溫度不得高于元件可能達(dá)到的最低溫度。根據(jù)規(guī)定：當(dāng)鋼板厚度負(fù)偏差不大于0.25mm，且不超過(guò)名義厚度的6%時(shí)，可取C1=0。所以在設(shè)計(jì)計(jì)算中，對(duì)于GB6654-1996、GB3531-1996種的鋼板（如20R、16MnR、16MnDR等），均可取C1=0。鋼板厚度負(fù)偏差焊接接頭系數(shù)材料許用應(yīng)力安全系數(shù)碳素鋼、低合金鋼及鐵素體高合金鋼：nb≥3.0ns≥1.6nD≥1.5nn≥1.0

奧氏體高合金鋼：nb≥3.0ns≥1.5nD≥1.5nn≥1.0

壓力試驗(yàn)1、試驗(yàn)壓力

●

內(nèi)壓容器：

●外壓容器和真空容器：

●夾套容器：視內(nèi)筒為內(nèi)壓或外壓容器，分別按內(nèi)壓或外壓容器的試驗(yàn)壓力公式確定試驗(yàn)壓力；夾套按內(nèi)壓容器確定試驗(yàn)壓力。

*需校核內(nèi)筒在夾套液壓試驗(yàn)壓力下的穩(wěn)定性，如不滿足穩(wěn)定性要求，則需在夾套液壓試驗(yàn)時(shí)，內(nèi)筒內(nèi)保持一定的壓力。液壓試驗(yàn)如果直立容器臥置進(jìn)行液壓試驗(yàn)，則在應(yīng)力校核時(shí)，PT應(yīng)加上容器立置充滿水時(shí)的最大液柱壓力。2、強(qiáng)度校核注意氣壓試驗(yàn)●

內(nèi)壓容器：

●外壓容器和真空容器：

1、氣壓試驗(yàn)

2、強(qiáng)度校核

●

容器上沒(méi)有安全泄放裝置，氣密性試驗(yàn)壓力PT=1.0P。

●容器上設(shè)置了安全泄放裝置，氣密性試驗(yàn)壓力應(yīng)低于安全閥的開(kāi)啟壓力或爆破片的設(shè)計(jì)爆破壓力。通常取PT=1.0PW。氣密性試驗(yàn)設(shè)計(jì)壓力為1.6Mpa的儲(chǔ)液罐罐體，材料Q235-A，

Di=1800mm，罐體高度4500mm，液料高度3000mm，C1=0.8mm，腐蝕裕量C2=1.5mm，焊縫系數(shù)φ=1.0，液體密度為1325kg/m3，罐內(nèi)最高工作溫度50oC。

試計(jì)算罐體厚度并進(jìn)行水壓試驗(yàn)應(yīng)力校核。注：Q235-A材料的許用應(yīng)力[σ]20=113MPa，[σ]50=113MPa，屈服極限σS=235Mpa試確定罐體厚度并進(jìn)行水壓試驗(yàn)校核。

練習(xí)題斷裂前發(fā)生較大的塑性變形，容器發(fā)生明顯的鼓脹，斷口處厚度減薄，斷裂時(shí)幾乎不形成碎片。返回韌性斷裂壓力容器在載荷作用下，應(yīng)力達(dá)到或接近材料的強(qiáng)度極限而發(fā)生的斷裂。特點(diǎn)失效原因①容器厚度不夠。②壓力過(guò)大。①斷口平齊，且與最大主應(yīng)力方向垂直。②容器斷裂時(shí)可能裂成碎片飛出，往往引起嚴(yán)重后果。③斷裂前沒(méi)有明顯塑性變形，斷裂時(shí)應(yīng)力很低，安全閥、爆破膜等安全附件不起作用，斷裂具有突發(fā)性。脆性斷裂（低應(yīng)力脆斷）器壁中的應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料強(qiáng)度極限時(shí)發(fā)生的斷裂。①材料的脆性。②材料中的裂紋、未焊透、夾渣等缺陷。特點(diǎn)失效原因返回①交變載荷。②疲勞裂紋。疲勞斷裂在交變載荷作用下，由于材料中的裂紋擴(kuò)展導(dǎo)致容器的斷裂。特點(diǎn)①斷口上有貝紋狀的疲勞裂紋。②斷裂時(shí)容器整體應(yīng)力較低，斷裂前無(wú)明顯塑性變形。③如果材料韌性較好，通過(guò)合理設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)“未爆先漏”。失效原因返回返回①在恒定載荷和低應(yīng)力（應(yīng)力低于屈服點(diǎn)）下也會(huì)發(fā)生蠕變斷裂。②蠕變斷裂前材料會(huì)由于蠕變變形而導(dǎo)致蠕變損傷，使材料在性能上產(chǎn)生蠕變脆化。③斷裂前發(fā)生較大的塑性變形，具有韌性斷裂的特征；斷裂時(shí)又具有脆性斷裂的特征。蠕變斷裂壓力容器長(zhǎng)時(shí)間在高溫下受載，材料的蠕變變形會(huì)隨時(shí)間而增長(zhǎng)，容器發(fā)生鼓脹變形，厚度明顯減薄，最終導(dǎo)致壓力容器斷裂。特點(diǎn)高溫蠕變失效原因①對(duì)于全面腐蝕和局部腐蝕，容器斷裂前發(fā)生明顯的塑性變形，具有韌性斷裂的特征。②對(duì)于晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕，斷裂前無(wú)明顯塑性變形，具有脆性斷裂的特征。返回腐蝕斷裂材料受到介質(zhì)腐蝕（全面腐蝕或局部腐蝕），形成容器整體厚度減薄或局部凹坑、裂紋等，從而造成容器的斷裂。特點(diǎn)失效原因介質(zhì)腐蝕外壓圓筒設(shè)計(jì)解析法圖解法短圓筒的臨界壓力長(zhǎng)圓筒的臨界壓力幾何參數(shù)計(jì)算圖壁厚計(jì)算圖外壓圓筒設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)步驟：薄壁圓筒假設(shè)δn計(jì)算δe計(jì)算（D0/δe)和（L/

D0)幾何參數(shù)計(jì)算圖（A）壁厚計(jì)算圖（B）驗(yàn)算PC≤[P]，若滿足，則假設(shè)δn合適，否則重新計(jì)算。厚壁圓筒需同時(shí)考慮穩(wěn)定性和強(qiáng)度（穩(wěn)定性）（強(qiáng)度）其中：(m=4)軸向受壓圓筒:圖算法1、真空容器有安全裝置時(shí)：無(wú)安全裝置時(shí)：p=0.1Mpa

2、帶夾套的真空容器p取真空容器的設(shè)計(jì)壓力加上夾套壓力3、其它外壓容器（包括帶夾套的外壓容器）p應(yīng)不小于容器正常工作過(guò)程中可能出現(xiàn)的最大內(nèi)外壓力差即：p≥(p0-pi)max設(shè)計(jì)壓力注意：最大內(nèi)外壓差的取值設(shè)計(jì)參數(shù)的規(guī)定穩(wěn)定性安全系數(shù)圓筒：m

=

3.0球殼：m

=

14.52計(jì)算長(zhǎng)度加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)帶加強(qiáng)圈的外壓圓筒兩個(gè)條件1、筒體不失穩(wěn)要求：LS≤Lmax2、加強(qiáng)圈不失穩(wěn)要求：IS≥I1、筒體不失穩(wěn)要求：LS≤Lmax2、加強(qiáng)圈不失穩(wěn)要求：IS≥I1、初步取加強(qiáng)圈的數(shù)目和間距

3、計(jì)算加強(qiáng)圈和圓筒組合而成的當(dāng)量圓筒所需的組合截面慣性矩I

。2、選擇加強(qiáng)圈材料，按型鋼規(guī)格初定加強(qiáng)圈的截面形狀和尺寸，計(jì)算實(shí)際組合截面慣性矩IS。

4、比較IS和I，若IS≥I且比較接近，則加強(qiáng)圈的尺寸、數(shù)目和間距滿足要求，否則重新選擇加強(qiáng)圈，重復(fù)以上步驟，直到滿足要求為止。

加強(qiáng)圈設(shè)計(jì)步驟1、加強(qiáng)圈可采用扁鋼、角鋼、工字鋼或其它型鋼，這樣材料供應(yīng)方便且型鋼具有較大的截面慣性矩。加強(qiáng)圈可設(shè)置在容器的內(nèi)部或外部，并應(yīng)環(huán)繞容器整個(gè)圓周。2、加強(qiáng)圈和殼體的連接必須足夠緊密，以保證加強(qiáng)圈和殼體一起承載，加強(qiáng)圈和殼體之間可采用連續(xù)焊或間斷焊。

3、為保證筒體和加強(qiáng)圈的穩(wěn)定性，加強(qiáng)圈不得被任意削弱或割斷。

加強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外加強(qiáng)圈加強(qiáng)圈每側(cè)間斷焊接的總長(zhǎng)不小于圓筒外圓周長(zhǎng)度的1/2內(nèi)加強(qiáng)圈加強(qiáng)圈每側(cè)間斷焊接的總長(zhǎng)不小于圓筒內(nèi)圓周長(zhǎng)度的1/3外壓圓筒練習(xí)題

某圓筒形容器，內(nèi)徑2400mm，長(zhǎng)14000mm，兩端為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，直邊高度為50mm，圓筒和封頭材料均為1Cr18Ni9Ti，腐蝕裕量取1mm，設(shè)計(jì)溫度510oC，真空下操作，無(wú)安全控制裝置。用圖算法求筒體厚度

一圓筒形容器，材料為Q235-A，內(nèi)徑2800mm，長(zhǎng)10m（含封頭直邊段），兩端為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，圓筒和封頭名義厚度均為12mm，其中壁厚附加量C=2mm；容器負(fù)壓操作，最高操作溫度50oC。（1）試確定容器最大允許真空度為多少mmHg？（2）該容器是否應(yīng)設(shè)置安全控制裝置？外壓圓筒和加強(qiáng)圈練習(xí)題現(xiàn)有一真空塔，材料為Q235-A，Di=2500mm，封頭為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，塔體部分高20m(包括直邊段)，設(shè)計(jì)溫度250oC，腐蝕裕量2.5mm。1、確定塔體圓筒壁厚。2、塔體上均勻設(shè)置6個(gè)加強(qiáng)圈（材料與塔體相同）后的筒體壁厚。三、封頭設(shè)計(jì)封頭形式α＜30o30o＜α＜60o內(nèi)壓半球形封頭凸形封頭半球形封頭外壓半球形封頭橢圓形封頭內(nèi)壓橢圓形封頭標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭：δe≥0.15%Di非標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭：δe≥0.30%Di橢圓形封頭的最小厚度外壓橢圓形封頭與外壓半球形封頭計(jì)算方法相同R0=K1D0K1----系數(shù)（表4-5）

碟形封頭要求：r≥0.1Di且r≥3δRi≤Di標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭：r=0.17DiRi=0.9Di碟形封頭內(nèi)壓碟形封頭標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭：δe≥0.15%Di非標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭：δe≥0.30%Di碟形封頭的最小厚度外壓碟形封頭與外壓半球形封頭計(jì)算方法相同R0----碟形封頭球面部分外半徑外壓凸形封頭

1、半球形封頭

2、橢圓形封頭按半球形封頭計(jì)算壁厚R0=K1D0

3、碟形封頭按半球形封頭計(jì)算壁厚，R0取球面部分外半徑。

4、無(wú)折邊球形封頭

按半球形封頭計(jì)算壁厚

總結(jié)α≤30o

α＞30o大端應(yīng)設(shè)折邊，r≥0.1Di且r≥3δ

α＞45o小端也應(yīng)設(shè)折邊，rs≥0.05Dis且rs≥3δr

錐形封頭內(nèi)壓無(wú)折邊錐形封頭厚度：

加強(qiáng)后的厚度：

判斷是否需要加強(qiáng)（圖4-19）大端：

取大值

內(nèi)壓帶折邊錐形封頭外壓錐形封頭等效圓筒與外壓圓筒的壁厚計(jì)算方法相同壁厚：DC----平蓋計(jì)算直徑K----結(jié)構(gòu)特征系數(shù)（表4-8）圓形平蓋1、有時(shí)候讀書是一種巧妙地避開(kāi)思考的方法。2023/7/172023/7/17Monday,July17,20232、閱讀一切好書如同和過(guò)去最杰出的人談話。2023/7/172023/7/172023/7/177/17/20236:23:26AM3、越是沒(méi)有本領(lǐng)的就越加自命不凡。2023/7/172023/7/172023/7/17Jul-2317-Jul-234、越是無(wú)能的人，越喜歡挑剔別人的錯(cuò)兒。2023/7/172023/7/172023/7/17Monday,July17,20235、知人者智，自知者明。勝人