第四章 壓力容器設(shè)計4.3

第四章壓力容器設(shè)計CHAPTERⅣDesignofPressureVessels14.3

常規(guī)設(shè)計第四章壓力容器設(shè)計CHAPTERⅣDesignofPressureVessels24.3常規(guī)設(shè)計

4.1概述

4.2設(shè)計準則

4.3常規(guī)設(shè)計

4.4分析設(shè)計

4.5疲勞分析

4.6壓力容器設(shè)計技術(shù)進展

4.3.3封頭設(shè)計4.3.4密封裝置設(shè)計4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計4.3.6支座和檢查孔4.3.7安全泄放裝置4.3.2圓筒設(shè)計4.3.1概述

4.3.8焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計4.3.9壓力試驗過程設(shè)備設(shè)計本章節(jié)主要內(nèi)容34.3常規(guī)設(shè)計教學重點：

（1）內(nèi)壓圓筒的強度設(shè)計；（2）外壓圓筒的圖算法；（3）開孔補強設(shè)計。教學難點：

螺栓法蘭連接的密封性設(shè)計。4.3常規(guī)設(shè)計本章重點過程設(shè)備設(shè)計4力載荷處理，不考慮交變載荷，也不區(qū)分短期載荷和永久載荷，不涉及容器的疲勞壽命問題。區(qū)別于分析設(shè)計一、設(shè)計思想——“按規(guī)則設(shè)計”（DesignbyRules），只考慮單一的最大載荷工況，按一次施加的靜應(yīng)力求解——依據(jù)材料力學及板殼理論，按最大拉

應(yīng)力準則來推導受壓元件的強度尺寸計算公式。校核——受壓元件的應(yīng)力強度

<材料許用應(yīng)力（強度）

<材料許用外壓力（失穩(wěn)）邊緣應(yīng)力——采用分析設(shè)計標準中的有關(guān)規(guī)定和思想，確定結(jié)構(gòu)的某些相關(guān)尺寸范圍，或由經(jīng)驗引入各種系數(shù)。4.3.1概述4.3.1概述過程設(shè)備設(shè)計5

（4-3）4.3.1概述

（4-4）

采用式（4-4）或式（4-5）較為合理。但對于內(nèi)壓薄壁回轉(zhuǎn)殼體，在遠離結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，σ式（4-3）簡單，成熟使用經(jīng)驗，將該式作為設(shè)計準則。壓力容器材料韌性較好，在彈性失效準則中，（4-5）二、彈性失效設(shè)計準則過程設(shè)備設(shè)計6內(nèi)壓薄壁圓筒：周向薄膜應(yīng)力

δ—計算厚度，mm；

D—筒體中面直徑，mm。經(jīng)向薄膜應(yīng)力第2章應(yīng)力分析中的厚度t是指實際厚度，與設(shè)計中需要確定的厚度并不是同一個概念，因此用δ代替t。4.3.1概述過程設(shè)備設(shè)計7顯然，σ1=σθ，由式（4-3）用D=（Di筒體內(nèi)直徑）代入上式，化簡

（4-10）取等號得徑比K為（4-11）筒體壁厚計算式為（4-12）中徑公式

δ=

，4.3.1概述過程設(shè)備設(shè)計8將第2章表2-1中僅受內(nèi)壓作用時，厚壁圓筒內(nèi)壁面處的三向應(yīng)力分量計算式，代入彈性失效設(shè)計準則式（4-3）～式（4-5），形狀改變比能準則

中徑公式

最大切應(yīng)力準則

最大拉應(yīng)力準則

筒體計算厚度δ筒體徑比K應(yīng)力強度σeqi

設(shè)計準則4.3.1概述表4-1按彈性失效設(shè)計準則的內(nèi)壓厚壁圓筒強度計算式過程設(shè)備設(shè)計9Psi/σs代表筒體的彈性承載能力，它和徑比K的關(guān)系見圖4-1。Psi為內(nèi)壁初始屈服時所對應(yīng)的壓力。圖4-1各種強度理論的比較4.3.1概述過程設(shè)備設(shè)計104.3.1概述（3）在同一承載能力下，最大切應(yīng)力準則計算出的壁厚最厚，中徑公式算出的壁厚最薄。（2）在壁厚較薄時即壓力較低時，各種設(shè)計準則差別不大；（1）按形狀改變比能屈服失效判據(jù)計算出的內(nèi)壁初始屈服壓力和實測值最為接近；過程設(shè)備設(shè)計返回由圖4-1可見：114.3.2圓筒設(shè)計4.3.2圓筒設(shè)計筒體結(jié)構(gòu)單層式優(yōu)點——結(jié)構(gòu)簡單①深環(huán)、縱焊縫，焊接缺陷檢測和消除困難；且結(jié)構(gòu)本身缺乏阻止裂紋快速擴展的能力；②大型鍛件、厚鋼板性能比薄鋼板差，不同方向力學性能差異大，韌脆轉(zhuǎn)變溫度較高，發(fā)生低應(yīng)力脆性破壞的可能性也較大；③加工設(shè)備要求高。缺點——組合式4.3.2.1筒體結(jié)構(gòu)過程設(shè)備設(shè)計124.3.2.1圓筒結(jié)構(gòu)2、制造：用裝置將層板逐層、同心地包扎在內(nèi)筒上；借縱焊縫的焊接收縮力使層板和內(nèi)筒、層板與層板之間互相貼緊，產(chǎn)生一定的預緊力；筒節(jié)上均開有安全孔——報警。筒體深環(huán)焊縫筒節(jié)內(nèi)層——12～25mm外層——4～12mm的多層層板為避免裂紋沿壁厚方向擴展，各層板之間的縱焊縫應(yīng)相互錯開75°。筒節(jié)的長度視鋼板的寬度而定，層數(shù)則隨所需的厚度而定。一、多層包扎式1、結(jié)構(gòu)：過程設(shè)備設(shè)計134.3.2.1圓筒結(jié)構(gòu)圖4-2(a)多層包扎筒節(jié)過程設(shè)備設(shè)計144.3.2.1圓筒結(jié)構(gòu)5、應(yīng)用情況：目前世界上使用最廣泛、制造和使用經(jīng)驗最為豐富的組合式筒體結(jié)構(gòu)。3、優(yōu)點：①制造工藝簡單，不需大型復雜加工設(shè)備；②安全可靠性高，層板間隙具有阻止缺陷和裂紋向厚度方向擴展的能力；③減少了脆性破壞的可能性；④包扎預應(yīng)力改善筒體的應(yīng)力分布；⑤對介質(zhì)適應(yīng)性強，可選擇合適的內(nèi)筒材料。4、缺點：①筒體制造工序多、周期長、效率低、鋼材利用率低（僅60%左右）；②深環(huán)焊縫對制造質(zhì)量和安全有顯著影響。③無損檢測困難，環(huán)焊縫的兩側(cè)均有層板，無法用超聲檢測，只能射線檢測；④焊縫部位存在很大的焊接殘余應(yīng)力，且焊縫晶粒易變得粗大而韌性下降；⑤環(huán)焊縫的坡口切削工作量大，且焊接復雜。過程設(shè)備設(shè)計154.3.2.1圓筒結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)，制造：內(nèi)筒（厚度>30mm）卷焊成直徑不同但可過盈配合的筒節(jié)，將外層筒節(jié)加熱到計算的溫度進行套合，冷卻收縮后得到緊密貼合的厚壁筒節(jié)。圖4-2(b)熱套筒節(jié)二、熱套式過程設(shè)備設(shè)計164.3.2.1圓筒結(jié)構(gòu)2、優(yōu)點：工序少，周期短，且具有包扎式筒體的大多數(shù)優(yōu)點。3、缺點：筒體要有較準確的過盈量，卷筒的精度要求很高，且套合時需選配套合；套合時貼緊程度不很均勻；套合后，需熱處理以消除套合預應(yīng)力及深環(huán)焊縫的焊接殘余應(yīng)力。過程設(shè)備設(shè)計174.3.2.1圓筒結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)：由內(nèi)筒、繞板層和外筒三部分組成，是在多層包扎式筒體的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。2、制造：內(nèi)筒與多層包扎式內(nèi)筒相同，外層是在內(nèi)筒外面連續(xù)纏繞若干層3～5mm厚的薄鋼板而構(gòu)成筒節(jié)，只有內(nèi)外兩道縱焊縫，需要2個楔形過渡段，外筒為保護層，由兩塊半圓或三塊“瓦片”制成。3、優(yōu)點：機械化程度高，制造效率高，材料利用率高（可達90%以上）。4、缺點：中間厚兩邊薄，累積間隙。圖4－2（c）繞板式三、繞板式過程設(shè)備設(shè)計184.3.2.1圓筒結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)：錯開環(huán)縫和采用液壓夾鉗逐層包扎的圓筒結(jié)構(gòu)。2、制造：

將內(nèi)筒拼接到所需的長度，兩端焊上法蘭或封頭；

在整個長度上逐層包扎層板，待全長度上包扎好并焊完磨平后再包扎第二層，直至所需厚度。3、優(yōu)點：環(huán)、縱焊縫錯開，筒體與封頭或法蘭間的環(huán)焊縫為一定角度的斜面焊縫，承載面積增大。內(nèi)筒包扎層板端部法蘭底封頭圖4－3整體多層包扎式厚壁容器筒體四、整體多層包扎式過程設(shè)備設(shè)計194.3.2.1圓筒結(jié)構(gòu)以鋼帶纏繞在內(nèi)筒外面獲得所需厚度筒壁兩種結(jié)構(gòu)型槽繞帶式扁平鋼帶傾角錯繞式型槽繞帶式用特制的型槽鋼帶螺旋纏繞在特制的內(nèi)筒上，端面形狀見圖4-4（a），內(nèi)筒外表面上預先加工有與鋼帶相嚙合的螺旋狀凹槽。纏繞時，鋼帶先經(jīng)電加熱，再進行螺旋纏繞，繞制后依次用空氣和水進行冷卻，使其收縮產(chǎn)生預緊力，可保證每層鋼帶貼緊；各層鋼帶之間靠凹槽和凸肩相互嚙合(見圖4-4（b）)，纏繞層能承受一部分由內(nèi)壓引起的軸向力。五、繞帶式過程設(shè)備設(shè)計204.3.2.1圓筒結(jié)構(gòu)圖4-4（a）型槽繞帶式筒體（b）型槽鋼帶結(jié)構(gòu)示意圖縮套環(huán)雙錐面墊片焊縫（a）（b）過程設(shè)備設(shè)計214.3.2.1圓筒結(jié)構(gòu)缺點：鋼帶需由鋼廠專門軋制，尺寸公差要求嚴，技術(shù)要求高；為保證鄰層鋼帶能相互嚙合，需采用精度較高的專用纏繞機床。優(yōu)點：筒體具有較高的安全性，機械化程度高，材料損耗少，且由于存在預緊力，在內(nèi)壓作用下，筒壁應(yīng)力分布較均勻。過程設(shè)備設(shè)計224.3.2.1圓筒結(jié)構(gòu)（2）扁平鋼帶傾角錯繞式中國首創(chuàng)的一種新型繞帶式筒體；該結(jié)構(gòu)已被列入

ASMEⅧ-1和ASMEⅧ-2標準的規(guī)范案例，編號分別為2229和2269。內(nèi)筒鋼帶層底封頭端部法蘭圖4-4（c）扁平鋼帶傾角錯繞式筒體過程設(shè)備設(shè)計234.3.2.1圓筒結(jié)構(gòu)與其它類型厚壁筒體相比，扁平鋼帶傾角錯繞式筒體結(jié)構(gòu)具有設(shè)計靈活、制造方便、可靠性高、在線安全監(jiān)控容易等優(yōu)點。結(jié)構(gòu)：內(nèi)筒厚度約占總壁厚的1/6～1/4，采用“預應(yīng)力冷繞”和“壓棍預彎貼緊”技術(shù)，環(huán)向15°～30°傾角在薄內(nèi)筒外交錯纏繞扁平鋼帶。鋼帶寬約80～160mm、厚約4～16mm，其始末兩端分別與底封頭和端部法蘭相焊接。優(yōu)點：過程設(shè)備設(shè)計244.3.2.2內(nèi)壓圓筒的強度設(shè)計4.3.2.2內(nèi)壓圓筒的強度設(shè)計筒體強度設(shè)計單層圓筒體多層厚壁圓筒中徑公式（薄壁筒體）Mises屈服公式（厚壁筒體）Faupel爆破公式（厚壁筒體）過程設(shè)備設(shè)計251、厚度計算式：由中徑公式（4-13）0.4[σ]tφ式中δ—計算厚度，mm；Pc—計算壓力，MPa；φ—焊接接頭系數(shù)。條件：Pc2、應(yīng)力強度判別式：（對筒體進行強度校核，已知筒體尺寸Di、δn或δe）（4-14）式中δe—有效厚度，δe=δn–C，mm；δn—名義厚度，mm；

C—厚度附加量，mmσt—設(shè)計溫度下圓筒的計算應(yīng)力，MPa。

一、單層筒體（薄壁筒體）

k1.5（工程）4.3.2.2內(nèi)壓圓筒的強度設(shè)計主要計算公式過程設(shè)備設(shè)計26

3、筒體最大允許工作壓力[Pw]：MPa

（4-15）4、說明：Pc0.4[σ]tφ式（4-13）由筒體的薄膜應(yīng)力按最大拉應(yīng)力準則導出的，用于一定厚度范圍，如厚度過大，則由于實際應(yīng)力情況與應(yīng)力沿厚度均布的假設(shè)相差太大而不能使用。按照薄殼理論，（4－13）僅能在δ/D≤0.1即K≤1.2范圍內(nèi)適用。但作為工程設(shè)計，采用了最大拉應(yīng)力準則、材料設(shè)計系數(shù)，厚度范圍擴大到在最大承壓（液壓試驗）時圓筒內(nèi)壁的應(yīng)力強度在材料屈服點以內(nèi)。(K1.5)4.3.2.2內(nèi)壓圓筒的強度設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計27

形狀改變比能屈服失效判據(jù)計算出的內(nèi)壓厚壁筒體初始屈服壓力與實測值較為吻合，應(yīng)力強度能較好地反映厚壁筒體的實際應(yīng)力水平，應(yīng)力強度（認為是真實的）

應(yīng)力強度（與中徑公式相對應(yīng)）=隨徑比K的增大而增大?！?.25當K=1.5時，比值：內(nèi)壁實際應(yīng)力強度是按中徑公式計算的應(yīng)力強度的1.25倍。4.3.2.2內(nèi)壓圓筒的強度設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計28由于GB150取ns=1.6，若筒體徑比不超過1.5，仍可按式（4-13）計算筒體厚度。當K=1.5時，δ=Di（K-1）/2=0.25Di，代入式（4-13）得液壓試驗（pT=1.25p）時，筒體內(nèi)表面的實際應(yīng)力強度最大為許用應(yīng)力的1.25×1.25=1.56倍（<1.6），說明筒體內(nèi)表面金屬仍未達到屈服點，處于彈性狀態(tài)。pc=0.4[σ]tφ這就是式（4-13）的適用范圍pc≤0.4[σ]tφ的依據(jù)所在。4.3.2.2內(nèi)壓圓筒的強度設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計29二、單層筒體（厚壁筒體）

1、Mises屈服公式：與Mises屈服失效判據(jù)相對應(yīng)的全屈服壓力可按式（2-52）計算。將式（2-52）代入式（4-7），得圓筒計算厚度：（4-16）nso＝2.0～2.2。ASMEⅧ-3采用式（4-16）。單層厚壁筒體（計算壓力大于0.4[σ]tφ），常采用塑性失效設(shè)計準則或爆破失效設(shè)計準則進行設(shè)計。4.3.2.2內(nèi)壓圓筒的強度設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計304.3.2.2內(nèi)壓圓筒的強度設(shè)計2、Faupel（福貝爾）

爆破公式：采用爆破失效設(shè)計準則，用Faupel公式計算爆破壓力，將式（2-53）爆破壓力計算式，代入式（4-8）爆破設(shè)計準則，圓筒計算厚度：（4-17）

nb＝2.5～3.0日本的《超高壓圓筒容器設(shè)計規(guī)則》和中國的《超高壓容器安全監(jiān)察規(guī)程》等采用式（4-17）。過程設(shè)備設(shè)計31三、多層厚壁筒體多層厚壁筒體在制造中——施加預應(yīng)力。1、預應(yīng)力（內(nèi)壓）——筒體內(nèi)壁應(yīng)力降低，外壁應(yīng)力增加，壁厚方向應(yīng)力分布趨于均勻，從而提高筒體的彈性承載能力。但由于結(jié)構(gòu)和制造上的原因，定量地控制預應(yīng)力的大小是困難的。設(shè)計計算：不考慮預應(yīng)力，作強度儲備用。只有壓力很高時，才考慮預應(yīng)力。多層包扎式-主要是有焊縫冷卻收縮造成的。繞帶式筒體-取決于鋼帶纏繞的工藝過程及質(zhì)量。例如：4.3.2.2內(nèi)壓圓筒的強度設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計324.3.2.2內(nèi)壓圓筒的強度設(shè)計2、厚度計算式：（熱套式、多層包扎式、繞板式、扁平鋼帶傾角錯繞式）計算壓力不超過0.4[σ]tφ時，按式（4-13）計算不同：許用應(yīng)力用組合許用應(yīng)力代替；（4-18）多層圓筒的組合許用應(yīng)力：（4-13）試算過程過程設(shè)備設(shè)計334.3.2.2內(nèi)壓圓筒的強度設(shè)計式中δi—多層圓筒內(nèi)筒的名義厚度，mm；

δo—多層圓筒層板總厚度，mm；[σi]t—設(shè)計溫度下多層圓筒內(nèi)筒材料的許用應(yīng)力，MPa；

[σo]t—設(shè)計溫度下多層圓筒層板或帶層材料的許用應(yīng)力，對扁平鋼帶傾角錯繞式筒體，應(yīng)乘以鋼帶傾角錯繞引起的環(huán)向削弱系數(shù)0.9，MPa；

φi—多層圓筒內(nèi)筒的焊接接頭系數(shù)，一般取φi=1.0；

φo—多層圓筒層板層或帶層的焊接接頭系數(shù)，對于多層包扎式筒體，取φo=0.95，其余筒體取φo=1.0。3、熱應(yīng)力——不考慮。較高溫操作時，有熱應(yīng)力，但有保溫設(shè)施，且嚴格控制不考慮熱應(yīng)力（常規(guī)設(shè)計）。過程設(shè)備設(shè)計344.3.2.3設(shè)計技術(shù)參數(shù)的確定設(shè)計技術(shù)參數(shù)設(shè)計壓力設(shè)計溫度厚度及厚度附加量焊接接頭系數(shù)許用應(yīng)力等4.3.2.3設(shè)計技術(shù)參數(shù)的確定過程設(shè)備設(shè)計351、設(shè)計壓力——為壓力容器的設(shè)計載荷條件之一，其值不低于最高工作壓力。設(shè)計壓力應(yīng)視內(nèi)壓或外壓容器分別取值。容器頂部在正常工作過程中可能產(chǎn)生的最高表壓。4.3.2.3設(shè)計技術(shù)參數(shù)的確定過程設(shè)備設(shè)計36設(shè)計壓力應(yīng)根據(jù)工作條件下可能達到的最高金屬溫度確定。外壓：（略）內(nèi)壓：裝安全閥——不低于安全閥開啟壓力，1.05～1.10倍最高工作壓力。裝爆破片——爆破片最低標定爆破壓力加上所選爆破片制造范圍的上限。盛裝液化氣體容器——根據(jù)工作條件下可能達到的最高金屬溫度確定。

綜合考慮——介質(zhì)壓力—飽和蒸氣壓—裝量系數(shù)—溫度變化—環(huán)境溫度—保冷設(shè)施。4.3.2.3設(shè)計技術(shù)參數(shù)的確定過程設(shè)備設(shè)計37計算壓力——是指在相應(yīng)設(shè)計溫度下，用以確定元件最危險截面厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力?！敉ǔＧ闆r下，計算壓力==設(shè)計壓力+液柱靜壓力◆當元件所承受的液柱靜壓力<5%設(shè)計壓力時，可忽略不計。4.3.2.3設(shè)計技術(shù)參數(shù)的確定過程設(shè)備設(shè)計38注解：設(shè)計溫度與設(shè)計壓力存在對應(yīng)關(guān)系。當壓力容器具有不同的操作工況時，應(yīng)按最苛刻的壓力與溫度的組合設(shè)定容器的設(shè)計條件，而不能按其在不同工況下各自的最苛刻條件確定設(shè)計溫度和設(shè)計壓力。GB150規(guī)定：設(shè)計溫度等于或低于-20℃的容器屬于低溫容器。金屬溫度不低于0℃——設(shè)計溫度不得低于元件金屬可能達到的最高溫度；金屬溫度低于0℃——不得高于元件金屬可能達到的最低溫度。2、設(shè)計溫度——為壓力容器的設(shè)計載荷條件之一，指容器在正常情況下，設(shè)定元件的金屬溫度（沿元件金屬截面的溫度平均值）。4.3.2.3設(shè)計技術(shù)參數(shù)的確定過程設(shè)備設(shè)計393、厚度及厚度附加量

厚度計算厚度δ設(shè)計厚度δd名義厚度δn有效厚度δe成型厚度4.3.2.3設(shè)計技術(shù)參數(shù)的確定過程設(shè)備設(shè)計40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。4.3.2.3設(shè)計技術(shù)參數(shù)的確定過程設(shè)備設(shè)計41成形后厚度——制造廠考慮加工減薄量并按鋼板厚度規(guī)格第二次向上圓整得到的坯板厚度，再減去實際加工減薄量后的厚度，也為出廠時容器的實際厚度。一般，成形后厚度大于設(shè)計厚度就可滿足強度要求。4.3.2.3設(shè)計技術(shù)參數(shù)的確定過程設(shè)備設(shè)計42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4.3.2.3設(shè)計技術(shù)參數(shù)的確定圖4-5厚度關(guān)系示意圖過程設(shè)備設(shè)計43碳素鋼、低合金鋼容器：δmin不小于3mm；高合金制容器：δmin不小于2mm；最小厚度（δmin）——考慮容器的剛性

——制造、運輸、吊裝；

——不包括腐蝕裕量；※4.3.2.3設(shè)計技術(shù)參數(shù)的確定不包括腐蝕裕量過程設(shè)備設(shè)計44鋼板或鋼管厚度負偏差C1：按照相應(yīng)鋼材標準的規(guī)定選取※鋼材的厚度負偏差≤0.25mm，且不超過名義厚度的6%時，可取C1=0?！鵊B6654《壓力容器用鋼板》和GB3531《低溫壓力容器用低合金鋼鋼板》規(guī)定壓力容器專用鋼板的厚度負偏差不大于0.25mm，使用該標準中鋼板厚度超過5mm時(如20R、16MnR和16MnDR等)，可取C1=0；※其它常用鋼板（如20g、Q235-A以及0Cr18Ni9等）的厚度負偏差見表4-24.3.2.3設(shè)計技術(shù)參數(shù)的確定過程設(shè)備設(shè)計454.3.2.3設(shè)計技術(shù)參數(shù)的確定表4-2其他常用鋼板的厚度負偏差C1值/mm鋼板標準GB/T3274GB/T3280GB/T4237GB/T4238鋼板厚度＞5.5～7.5＞7.5～25＞25～30＞30～34負偏差C10.60.80.91.0鋼板厚度＞34～40＞40～50＞50～60＞60～80負偏差C11.11.21.31.820g，Q235-A等過程設(shè)備設(shè)計46腐蝕裕量＝均勻腐蝕速率×容器設(shè)計壽命腐蝕裕量只對防止均勻腐蝕破壞有意義；對于應(yīng)力腐蝕、氫脆和縫隙腐蝕等非均勻腐蝕，效果不佳，應(yīng)著重選擇耐腐蝕材料或進行適當防腐蝕處理。碳素鋼、低合金鋼：C2不小于1mm；不銹鋼：介質(zhì)腐蝕性極微時，可取C2=0。腐蝕裕量——防止容器受壓元件由于均勻腐蝕、機械磨損而導致厚度削弱減薄。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。4.3.2.3設(shè)計技術(shù)參數(shù)的確定過程設(shè)備設(shè)計474.3.2.3設(shè)計技術(shù)參數(shù)的確定接頭形式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)4、焊接接頭系數(shù)——焊縫金屬與母材強度的比值，反映容器強度受削弱的程度。影響因素過程設(shè)備設(shè)計484.3.2.3設(shè)計技術(shù)參數(shù)的確定焊接接頭形式無損檢測比例Φ值焊接接頭形式無損檢測比例Φ值雙面焊對接接頭和相當于雙面焊的全熔透對接接頭100%1.00單面焊對接接頭（沿焊縫根部全長有緊貼基本金屬的墊板）100%0.90局部0.85局部0.80表4-3鋼制壓力容器的焊接接頭系數(shù)Φ值過程設(shè)備設(shè)計495、許用應(yīng)力——容器殼體、封頭等受壓元件的材料許用強度，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。屈服點σs（或σ0.2）、抗拉強度σb、持久強度σD、蠕變極限σn等——根據(jù)失效類型確定極限值。

蠕變溫度以下——最低抗拉強度σb、常溫或設(shè)計溫度下的屈服點σs或三者除以各自的材料設(shè)計系數(shù)后所得的最小值，作為許用應(yīng)力，以抗拉強度和屈服點同時來控制許用應(yīng)力。材料強度失效判據(jù)的極限值用不同的方式表示：4.3.2.3設(shè)計技術(shù)參數(shù)的確定過程設(shè)備設(shè)計504.3.2.3設(shè)計技術(shù)參數(shù)的確定對韌性材料——按彈性失效設(shè)計準則——屈服點為基準；同時用抗拉強度作為計算許用應(yīng)力的基準——防止斷裂破壞。同時考慮基于高溫蠕變極限或持久強度的許用應(yīng)力（4-19）原因即或（4-20）碳素鋼或低合金鋼>420℃，鉻鉬合金鋼>450℃，奧氏體不銹鋼>550℃時，表4-4鋼制壓力容器用材料許用應(yīng)力的取值方法過程設(shè)備設(shè)計51過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.3設(shè)計技術(shù)參數(shù)的確定表4-4鋼制壓力容器用材料許用應(yīng)力的取值方法材料許用應(yīng)力取下列各值中的最小值/MPa

碳素鋼、低合金鋼、鐵素體高合金鋼奧氏體高合金鋼

52材料設(shè)計系數(shù)——保證受壓元件強度有足夠的安全儲備量。取值：應(yīng)力計算的精確性、材料性能的均勻性、載荷的確切程度、制造工藝，使用管理的先進性以及檢驗水平等因素有著密切關(guān)系。-------理論，實踐經(jīng)驗積累。GB150——

查表——鋼板、鋼管、鍛件以及螺栓材料，依據(jù)——表4-4為鋼材（除螺栓材料外）許用應(yīng)力的確定依據(jù)。螺栓許用應(yīng)力——依據(jù)材料不同狀態(tài)和直徑大小而定，為保證密封性，嚴格控制螺栓的彈性變形。4.3.2.3設(shè)計技術(shù)參數(shù)的確定過程設(shè)備設(shè)計例4-1見課本P127-128.534.3.2.1筒體結(jié)構(gòu)4.3.2.2內(nèi)壓圓筒的強度設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計4.3.2.3設(shè)計技術(shù)參數(shù)的確定過程設(shè)備設(shè)計4.3.3封頭設(shè)計4.3.4密封裝置設(shè)計4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計4.3.6支座和檢查孔4.3.7安全泄放裝置4.3.2圓筒設(shè)計

4.3.1概述4.3.8焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計4.3.9壓力試驗4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計54過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計4.3.2.4

外壓圓筒設(shè)計工程設(shè)計方法主要內(nèi)容加強圈的設(shè)計計算有關(guān)設(shè)計參數(shù)的規(guī)定圓筒軸向許用應(yīng)力的確定圖算法原理難點重點55過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計復習pppabc討論：受周向均勻外壓薄壁回轉(zhuǎn)殼體的彈性失穩(wěn)問題臨界壓力失穩(wěn)現(xiàn)象外載荷達到某一臨界值，發(fā)生徑向撓曲，并迅速增加，沿周向出現(xiàn)壓扁或波紋。殼體失穩(wěn)時所承受的相應(yīng)壓力，稱為臨界壓力，用Pcr表示。56過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計外壓圓筒分成三類：長圓筒兩端的邊界影響可以忽略，壓癟時波數(shù)n=2

，臨界壓力Pcr僅與t

/Do有關(guān)，而與L/Do無關(guān)。短圓筒兩端的邊界影響顯著，壓癟時波數(shù)為n＞2

的正整數(shù)，Pcr不僅與t

/Do有關(guān)，而且與L/Do有關(guān)。剛性圓筒這種殼體的L/Do較小，而t

/Do較大，故剛性較好。其破壞原因是由于器壁內(nèi)的應(yīng)力超過了材料屈極限所致。計算時，只要滿足強度要求即可。長圓筒動畫短圓筒動畫3波短圓筒動畫4波57過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計長圓筒臨界壓力：（2-97）（2-92）短圓筒臨界壓力：臨界長度Lcr

：（2-98）58過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計外壓圓筒設(shè)計解析法圖算法一、解析法求取外壓容器許用壓力①假設(shè)筒體的名義厚度δn；②計算有效厚度δe；③求出臨界長度Lcr，將圓筒的外壓計算長度L與Lcr進行比較，判斷圓筒屬于長圓筒還是短圓筒；59過程設(shè)備設(shè)計⑥比較設(shè)計壓力p和[p]的大小。若p≤[p]且較為接近，則假設(shè)的名義厚度δn符合要求；否則應(yīng)重新假設(shè)δn，重復以上步驟，直到滿足要求為止。特點：反復試算4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計⑤選取合適的穩(wěn)定性安全系數(shù)m，計算許用外壓[p]=④根據(jù)圓筒類型，選用相應(yīng)公式計算臨界壓力Pcr；解析法求取外壓容器許用壓力60過程設(shè)備設(shè)計假設(shè)：圓筒僅受徑向均勻外壓，而不受軸向外壓，與圓環(huán)一樣處于單向（周向）應(yīng)力狀態(tài)。

厚度t改為有效厚度δe，得：二、圖算法原理（標準規(guī)范采用）將式（2-92）（2-97）4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計難點61過程設(shè)備設(shè)計長圓筒臨界壓力短圓筒臨界壓力4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計62過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計（4-21）不論長圓筒或短圓筒，失穩(wěn)時周向應(yīng)變（按單向應(yīng)力時的虎克定律）為：為避開材料的彈性模量E（塑性狀態(tài)為變量），采用應(yīng)變表征失穩(wěn)時的特征。圓筒在Pcr作用下，產(chǎn)生的周向應(yīng)力代入長圓筒、短圓筒臨界壓力公式63過程設(shè)備設(shè)計

將長、短圓筒的Pcr公式分別代入應(yīng)變式中，得長圓筒（4-22）短圓筒（4-23）（4-24）4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計64過程設(shè)備設(shè)計（1）幾何參數(shù)計算圖：L/Do—Do/δe—A關(guān)系曲線4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計與材料彈性模量E無關(guān)，對任何材料的筒體都適用令，以A作為橫坐標，L/Do作為縱坐標，

Do/δe作為參量繪成曲線；見圖4-6長圓筒——與縱坐標平行的直線簇，失穩(wěn)時周向應(yīng)變A與L/Do無關(guān)；短圓筒——斜平行線簇，失穩(wěn)時A與

L/Do、Do/δe

都有關(guān)。A=εcr注意654.3.2.4外壓圓筒設(shè)計圖4-6外壓或軸向受壓圓筒和管子幾何參數(shù)計算圖（用于所有材料）εcr特點66過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計已知εcr

=A類似于材料力學中的拉伸、壓縮曲線67過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計（2）厚度計算圖（不同材料）：B—A關(guān)系曲線

已知L/Do，Do/δe查幾何算圖周向應(yīng)變A（橫坐標）找出A—Pcr

的關(guān)系（類似于εcr—σcr）判定筒體在操作外壓力下是否安全（圖4-6）68過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計臨界壓力Pcr，穩(wěn)定性安全系數(shù)m，許用外壓力[p]，故pcr=m[p]代入式（4-21）整理得：（4-21）（2）厚度計算圖（不同材料）：B—A關(guān)系曲線（續(xù)）令

B=69過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計（4-25）GB150，ASMEⅧ-1均取m=3，代入上式得：建立B與A的關(guān)系圖εcr

σcrAB（2）厚度計算圖（不同材料）：B—A關(guān)系曲線（續(xù)）70過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計（2）厚度計算圖（不同材料）：B—A關(guān)系曲線（續(xù)）若利用材料單向拉伸應(yīng)力——應(yīng)變關(guān)系對于鋼材（不計Bauschinger效應(yīng)）

，拉伸曲線與壓縮曲線大致相同，將縱坐標乘以2/3，即可作出B與A的關(guān)系曲線。以A和B為坐標軸得厚度計算圖（以ε—σ為基礎(chǔ)），圖4-7～圖4-9

為幾種常用鋼材的厚度計算圖。溫度不同，曲線不同。71過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計系數(shù)A=εcr系數(shù)B/MPa72過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計系數(shù)B/MPa系數(shù)A=εcr73過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計系數(shù)A=εcr系數(shù)B/MPa74過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計直線部分表示材料處于彈性，屬于彈性失穩(wěn)，B與A成正比，由A查B時，若與曲線不相交（落在曲線左側(cè)），則屬于彈性失穩(wěn)，，求取B。可由（2）厚度計算圖（不同材料）：B—A關(guān)系曲線（續(xù)）為什么會有幾張厚度計算圖？75過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計三、工程設(shè)計方法

重點外壓圓筒（Do／δe）薄壁圓筒（Do／δe≥20）失穩(wěn)失穩(wěn)強度失效厚壁圓筒（Do／δe＜20）Do／δe＝2076過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計1、Do/δe≥20薄壁筒體，穩(wěn)定性校核：a.

假設(shè)名義厚度δn，令δe=δn-C，算出L/Do和Do/δe；b.以L/Do、Do/δe值由圖4-6查取A值，若L/Do值大于50，則用L/Do=50查取A值；77（4-26）過程設(shè)備設(shè)計

（4-27）c.由材料選——厚度計算圖（圖4-7～圖4-9）溫度對應(yīng)的E線在圖上沒有時，插值系數(shù)A設(shè)計溫度根據(jù)4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計B與厚度圖有交點與厚度圖無交點A在材料線左方78圖4-10圖算法求解過程4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計幾何參數(shù)圖厚度計算圖79過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計d.pc≤[p]且較接近——假設(shè)的名義厚度δn合理pc＞[p]——假設(shè)δn不合理80過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計d.pc≤[p]且較接近——假設(shè)的名義厚度δn合理pc＞[p]——假設(shè)δn不合理重設(shè)δn，直到滿足81過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計但對Do/δe＜4.0的筒體，應(yīng)按式（4-28）求A值。2、Do/δe＜20厚壁筒體（4-28）

有交點，從圖中查B值查B無交點求取B值的計算步驟同Do/δe≥20的薄壁筒體；82過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計

為滿足強度，厚壁圓筒許用外壓力應(yīng)不低于式（4-30）值（4-30）防止圓筒體的失穩(wěn)和強度失效，厚壁筒體的許用外壓力必須取式（4-29）和式（4-30）中的較小值。式中σo—應(yīng)力，MPa為滿足穩(wěn)定性，厚壁圓筒許用外壓力應(yīng)不低于式（4-29）值（4-29）83過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計解題思路小結(jié)：設(shè)δn，由L/Do、Do/δe幾何算圖AB[P]σcr厚度計算圖εcr與曲線相交、不相交δn是否合理84過程設(shè)備設(shè)計（1）假設(shè)δn，令δe=δn-C，按式（4-31）計算系數(shù)A四、圓筒體軸向許用壓應(yīng)力的確定（4-31）（2）選用相應(yīng)材料的厚度計算圖查取B，此B值即為[σ]cr。

若A值落在設(shè)計溫度下材料線的左方，則表明筒體屬于彈性失穩(wěn)，可直接由式（4-32）計算。（4-32）設(shè)筒體最大許用壓應(yīng)力[σ]cr=B，求系數(shù)B步驟如下：4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計85過程設(shè)備設(shè)計五、有關(guān)設(shè)計參數(shù)的規(guī)定設(shè)計參數(shù)設(shè)計壓力P穩(wěn)定性安全系數(shù)m外壓計算長度L等4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計86過程設(shè)備設(shè)計定義與內(nèi)壓容器相同，取值方法不同。外壓容器設(shè)計壓力：考慮正常工作情況下可能出現(xiàn)的最大內(nèi)外壓力差；真空容器設(shè)計壓力：按承受外壓考慮，當裝有安全控制裝置時（如真空泄放閥），設(shè)計壓力取1.25倍最大內(nèi)外壓力差或0.1MPa兩者中的較小值；當無安全控制裝置時，取0.1MPa。帶夾套容器:考慮可能出現(xiàn)最大壓差的危險工況，如內(nèi)壓容器突然泄壓而夾套內(nèi)仍有壓力時所產(chǎn)生的最大壓差。（1）設(shè)計壓力P

4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計87過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計（2）穩(wěn)定性安全系數(shù)m①由于長、短圓筒的臨界壓力計算公式，是按理想的無初始不圓度求得的。實際上，圓筒在經(jīng)歷成型、焊接或焊后熱處理后存在各種原始缺陷，如幾何形狀和尺寸的偏差、材料性能不均勻性等，都會直接影響臨界壓力計算值的準確性；②受載可能不完全對稱，因而根據(jù)線性小撓度理論得到的臨界壓力與試驗結(jié)果有一定誤差。原因:結(jié)論:為此，在計算許用設(shè)計外壓時，必須考慮一定的穩(wěn)定性安全系數(shù)m。88過程設(shè)備設(shè)計特殊要求：形狀偏差（取m＝3的同時）如GB150規(guī)定，受外壓及真空的圓筒體在同一斷面一定弦長范圍內(nèi)，實際形狀與真正圓形之間的正負偏差不得超過一定值，具體規(guī)定可參見文獻[2]。GB150規(guī)定：圓筒體，m取3.0；球殼，m取14.52。4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計89過程設(shè)備設(shè)計（3）外壓計算長度L計算長度：筒體外部或內(nèi)部兩相鄰剛性構(gòu)件之間的最大距離。剛性構(gòu)件：封頭、法蘭、加強圈等。圖4-11為外壓計算長度取法示意圖取法：4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計90過程設(shè)備設(shè)計hi/3hi/3hihiLLLLLLhi/3hihi/34.3.2.4外壓圓筒設(shè)計圖4-11外壓圓筒的計算長度(a)(b)(c)(d)(e)(f)91過程設(shè)備設(shè)計將長圓筒轉(zhuǎn)化為短圓筒，可以有效地減小筒體厚度、提高筒體穩(wěn)定性。六、加強圈的設(shè)計計算目的加強圈設(shè)計加強圈的間距截面尺寸結(jié)構(gòu)設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計92過程設(shè)備設(shè)計當圓筒的δe/Do已知，且計算外壓pc值給定時，可由短圓筒許用外壓力計算公式導出加強圈的最大間距，即1.加強圈的間距設(shè)置加強圈，必須使其屬于短圓筒才有實際作用。（4-33）結(jié)論：4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計由（4-33），加強圈數(shù)量增多，Lmax值減小，筒體厚度減??；反之，筒體厚度須增加。93過程設(shè)備設(shè)計2.加強圈截面尺寸的確定方法思路目的增強筒壁截面的抗彎曲能力通過增加截面慣性矩I來提高筒壁截面的抗彎曲能力，滿足Is大于并接近II——保持穩(wěn)定時加強圈和圓筒體組合段所需的最小慣性矩Is——加強圈與當量圓筒實際所具有的組合慣性矩4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計94過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計圖4-12每個加強圈所承受的載荷95保持穩(wěn)定時加強圈和圓筒體組合段所需的最小慣性矩I：（4-38）Ls——從加強圈中心線到相臨兩側(cè)加強圈中心線距離之和的一半；若與凸型封頭相鄰，在長度中還應(yīng)計入封頭曲面深度的1/3，mmAs——單個加強圈的截面積，mm2，手冊查得A——系數(shù)，按下述方法求得4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計96根據(jù)已知的Pc、Do和選擇的δe、Ls，按下式計算當量圓筒周向失穩(wěn)時的B值：（4-39）按相應(yīng)材料的厚度計算圖，由B查A。如果查圖時無交點，則A帶入式4-38中，就得到I4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計A——系數(shù)97I2—圓筒形殼體對其形心軸—的慣性矩As—加強圈的截面積Ac—圓筒有效寬度內(nèi)的截面積，Ac=2bδeb—圓筒有效寬度，b=0.55a1—加強圈形心軸—至組合截面形心軸—的距離a2—組合截面形心軸—至圓筒截面形心軸—的距離加強圈與當量圓筒實際所具有的組合慣性矩Is：I0—加強圈對其形心軸—的慣性矩過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計98過程設(shè)備設(shè)計

a.假設(shè)加強圈的個數(shù)與間距Ls（Ls≤Lmax），選擇加強圈尺寸（可按型鋼規(guī)格），計算或由手冊查得As，并計算加強圈與有效筒體實際所具有的組合慣性矩Is；計算步驟：b.根據(jù)已知的pc、Do和選擇的δe、Ls，按下式計算當量厚度筒體周向失穩(wěn)時的B值，（4-39）4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計99過程設(shè)備設(shè)計

c.按相應(yīng)材料的厚度計算圖，由B值查取A值（若查圖時無交點，則按A=計算）e.比較Is和I，若Is大于并接近I，則滿足要求，否則應(yīng)重新選擇加強圈尺寸，重復上述計算，直至滿足要求為止。d.把查得的A值代入式（4-38）中，求得所需的最小慣性矩I。注解：和前面介紹的圓筒體穩(wěn)定性計算相比，求解A的過程剛好和假定筒體厚度求其許用外壓力的過程相反。在加強圈設(shè)計時，通常是已知加強圈欲承受的外壓力pc，而求解其所需慣性矩。4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計100過程設(shè)備設(shè)計設(shè)置位置容器外部：焊接總長≥筒體外圓周長的1/2容器內(nèi)部：焊接總長≥筒體內(nèi)圓周長的1/3；3.加強圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計工字鋼

其它型鋼

常用型鋼扁鋼角鋼4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計101過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計材料：多為碳素鋼。筒體為貴重金屬，在筒體外部設(shè)置碳素鋼加強圈，節(jié)省貴重金屬。102過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計

圖4-13加強圈與圓筒的連接加強圈兩側(cè)的間斷焊縫可錯開或并排，但焊縫之間的最大間隙對外加強圈為8δn，對內(nèi)加強圈12δn

（δn為筒體的名義厚度）。103過程設(shè)備設(shè)計

要求：#加強圈應(yīng)整圈圍繞在筒體的圓周上，不許任意削弱或割斷。#設(shè)置在內(nèi)部的加強圈，若開設(shè)排液孔、排氣孔，削弱或割斷的弧長不得大于圖4-14所給定的值。4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計104過程設(shè)備設(shè)計

圖4-14圓筒上加強圈允許的間斷弧長值4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計105過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計小結(jié)一、解析法求取外壓容器許用壓力二、圖算法原理（標準規(guī)范采用）三、工程設(shè)計方法

重點四、圓筒體軸向許用壓應(yīng)力的確定五、有關(guān)設(shè)計參數(shù)的規(guī)定難點六、加強圈的設(shè)計計算返回106過程設(shè)備設(shè)計4.3.3封頭設(shè)計4.3.3

封頭設(shè)計封頭種類凸形封頭錐殼變徑段平蓋緊縮口半球形封頭橢圓形封頭碟形封頭球冠形封頭1074.3.3封頭設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計a.半球形封頭b.橢圓形封頭c.碟形封頭d.球冠形封頭圖4-15常見容器封頭的形式過程設(shè)備設(shè)計4.3.3封頭設(shè)計108封頭設(shè)計：優(yōu)先選用封頭標準中推薦的型式與參數(shù)，根據(jù)受壓情況進行強度或剛度計算，確定合適的厚度。內(nèi)壓封頭強度計算：受力：薄膜應(yīng)力＋不連續(xù)應(yīng)力計算：內(nèi)壓薄膜應(yīng)力＋應(yīng)力增強系數(shù)4.3.3封頭設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計109過程設(shè)備設(shè)計薄膜應(yīng)力為相同直徑圓筒體的一半，最理想的結(jié)構(gòu)形式。4.3.3.1凸形封頭一、半球形封頭半球形封頭為半個球殼，如圖4-15（a）所示。1.受內(nèi)壓的半球形封頭優(yōu)點缺點深度大，直徑小時，整體沖壓困難，大直徑采用分瓣沖壓其拼焊工作量也較大。應(yīng)用高壓容器。半球形封頭厚度計算公式：（4-40）式中Di—球殼的內(nèi)直徑，mm。適用范圍：為滿足彈性要求，適用Pc≤0.6[σ]tφ，相當于K≤1.334.3.3.1凸形封頭110過程設(shè)備設(shè)計2.受外壓的半球形封頭推導過程：鋼制半球形封頭彈性失穩(wěn)的臨界壓力為：工程上：圖算法。取穩(wěn)定性安全系數(shù)m=14.52，得球殼許用外壓力：（4-41）令根據(jù)

得4.3.3.1凸形封頭111過程設(shè)備設(shè)計將[p]代入式（4-41）得（4-42）由B和[p]的關(guān)系式得半球形封頭的許用外壓力為：（4-43）4.3.3.1凸形封頭112過程設(shè)備設(shè)計a.假定名義厚度δn，令δe=δn-C，用式（4-42）計算出A，根據(jù)所用材料選用厚度計算圖，由A查取B，再按式（4-43）計算許用外壓力[p]。圖算步驟：b.若A值落在設(shè)計溫度下材料線左方，用式（4-41）計算[p]。若[p]≥pc且較接近，則該封頭厚度合理；否則重新假設(shè)δn，重復上述步驟，直到滿足要求為止。不用幾何算圖4.3.3.1凸形封頭113過程設(shè)備設(shè)計二、橢圓形封頭4.3.3.1凸形封頭114過程設(shè)備設(shè)計避免封頭和筒體的連接焊縫處出現(xiàn)經(jīng)向曲率半徑突變，以改善焊縫的受力狀況。由半個橢球面和短圓筒組成，如圖4-15（b）所示。直邊段作用：中、低壓容器。應(yīng)用：(1)受內(nèi)壓（凹面受壓）的橢圓形封頭受力：薄膜應(yīng)力＋不連續(xù)應(yīng)力。4.3.3.1凸形封頭115過程設(shè)備設(shè)計

在一定條件下，橢圓形封頭中的最大應(yīng)力和圓筒周向薄膜應(yīng)力的比值，與橢圓形封頭長軸與短軸之比的關(guān)系有關(guān)，見圖4-16中虛線。K——應(yīng)力增強系數(shù)或橢圓封頭的形狀系數(shù)，即，即，4.3.3.1凸形封頭（4-44）封頭上最大總應(yīng)力球殼上薄膜應(yīng)力=2K封頭上最大總應(yīng)力圓筒上周向薄膜應(yīng)力=K116過程設(shè)備設(shè)計用半徑為Di的半球形封頭厚度乘以K，即（4-45）橢圓形封頭厚度計算式：4.3.3.1凸形封頭117過程設(shè)備設(shè)計當Di/2hi=2，標準橢圓形封頭，K=1，厚度計算式為（4-46）橢圓形封頭最大允許工作壓力：（4-47）采用限制橢圓形封頭最小厚度，GB150規(guī)定標準橢圓形封頭的有效厚度應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.15%，非標準橢圓形封頭的有效厚度應(yīng)不小于0.30%。周向失穩(wěn)：4.3.3.1凸形封頭118過程設(shè)備設(shè)計(2)受外壓橢圓形封頭Ro由橢圓形封頭的當量球殼外半徑Ro=K1Do代替，K1值是橢圓長短軸比值Do/（2ho）（ho=hi+δn）決定的系數(shù)，由表4-5（遇中間值用內(nèi)插法求得）查得。相同：不同：外壓穩(wěn)定性計算公式和圖算法步驟同受外壓的半球形封頭；2.62.42.22.01.81.61.41.21.0

K11.181.080.990.900.810.730.650.570.50表4-5系數(shù)K1Do/2ho4.3.3.1凸形封頭119過程設(shè)備設(shè)計三、碟形封頭不連續(xù)曲面，存在較大邊緣彎曲應(yīng)力。邊緣彎曲應(yīng)力與薄膜應(yīng)力疊加，使該部位的應(yīng)力遠遠高于其它部位，故受力狀況不佳。結(jié)構(gòu)帶折邊球面封頭，由半徑為Ri的球面體、半徑為r的過渡環(huán)殼和短圓筒等三部分組成，見圖4-15（c）。優(yōu)點過渡環(huán)殼降低了封頭深度，方便成型，且壓制碟形封頭的鋼模加工簡單，應(yīng)用廣泛。缺點4.3.3.1凸形封頭120過程設(shè)備設(shè)計(1)受內(nèi)壓碟形封頭

據(jù)此，由半球殼厚度計算式乘以M可得碟形封頭的厚度計算式引入碟形封頭應(yīng)力增強系數(shù)M，是以球面部分最大總應(yīng)力為基礎(chǔ)的近似修正系數(shù)，見下式4.3.3.1凸形封頭（4-48）（4-49）121過程設(shè)備設(shè)計承受內(nèi)壓碟形封頭的最大允許工作壓力：(1)受內(nèi)壓（凹面受壓）碟形封頭

（4-50）封頭r≥0.01Di，r≥3δ，且Ri≤Di。規(guī)定：標準碟形封頭，Ri=0.9Di，r=0.17Di。同橢圓形封頭，GB150規(guī)定，標準碟形封頭，其有效厚度應(yīng)不小于內(nèi)直徑的0.15%，其它碟形封頭的有效厚度應(yīng)不小于0.30%。周向失穩(wěn)4.3.3.1凸形封頭122過程設(shè)備設(shè)計(2)受外壓碟形封頭

碟形封頭的過渡區(qū)承受拉應(yīng)力，球面部分是壓應(yīng)力，有發(fā)生失穩(wěn)的潛在危險，此為防失穩(wěn)，厚度計算仍可用半球形封頭外壓計算公式和圖算法步驟，只是Ro用球面部分外半徑代替。結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，常用作容器中兩獨立受壓室中間封頭，端蓋。無轉(zhuǎn)角過渡，存在相當大的不連續(xù)應(yīng)力，其應(yīng)力分布不甚合理。四、球冠形封頭碟形封頭當r=0時，球面與筒體直接連接，如圖4-15（d）所示優(yōu)點：缺點：4.3.3.1凸形封頭123過程設(shè)備設(shè)計4.3.3.1凸形封頭式（4-48）圖4-17碟形封頭的應(yīng)力增強系數(shù)124過程設(shè)備設(shè)計4.3.3.2

錐殼軸對稱錐殼無折邊錐殼折邊錐殼特點：結(jié)構(gòu)不連續(xù)，應(yīng)力分布不理想4.3.3.2錐殼應(yīng)用排放固體顆粒和懸浮或粘稠液體不同直徑圓筒體的中間過渡段中、低壓容器125過程設(shè)備設(shè)計4.3.3.2錐殼（a）無折邊錐殼；（b）大端折邊錐殼；（c）折邊錐殼結(jié)構(gòu)：圖4-18錐殼結(jié)構(gòu)形式錐殼大端：半頂角α≤30°，無折邊結(jié)構(gòu)

α＞30°，帶過渡段的折邊結(jié)構(gòu)，或按應(yīng)力分析方法設(shè)計。轉(zhuǎn)角半徑r：不小于Di的10%，且不小于該過渡段厚度的3倍。126過程設(shè)備設(shè)計錐殼小端：半頂角α≤45°，無折邊結(jié)構(gòu)；

α＞45°，帶過渡段的折邊結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)角半徑rs：不小于封頭小端內(nèi)徑Dis的5%，且不小于該過渡段厚度的3倍。半頂角α＞60°：厚度按平蓋計算，或應(yīng)力分析方法。強度：受力：薄膜應(yīng)力＋邊緣應(yīng)力。設(shè)計：分別計算錐殼厚度、錐殼大端和小端加強段厚度。若考慮只有一種厚度時，取最大值。4.3.3.2錐殼127過程設(shè)備設(shè)計由無力矩理論，最大薄膜應(yīng)力為錐殼大端的周向應(yīng)力σθ，即一、受內(nèi)壓無折邊錐殼1.錐殼厚度由第一強度理論和彈性失效設(shè)計準則，并取D=Dc+δccosα，厚度計算式：（4-51）式中Dc—錐殼計算內(nèi)直徑，mm；

δc—錐殼計算厚度，mm；α—錐殼半頂角，（°）。注：當錐殼由同一半頂角的幾個不同厚度的錐殼段組成時，Dc為各錐殼段大端內(nèi)直徑。4.3.3.2錐殼128過程設(shè)備設(shè)計邊緣應(yīng)力具有自限性，最大應(yīng)力限制在3[σ]t內(nèi)。按此條件求得的p/（[σ]tφ）及α之間關(guān)系見圖4-19。(2)錐殼大端

分析錐殼大端與筒體連接處，曲率突變；兩殼體經(jīng)向內(nèi)力不能完全平衡，產(chǎn)生橫向推力；邊緣應(yīng)力

無需加強：坐標點（p/（[σ]tφ）、α）位于圖中曲線上方，厚度仍按式（4-51）需要加強：坐標點（p/（[σ]tφ）、α）位于圖中曲線下方，厚度計算（4-52）：4.3.3.2錐殼129過程設(shè)備設(shè)計圖4-19確定錐殼大端連接處的加強圖4.3.3.2錐殼130過程設(shè)備設(shè)計（4-52）式中Di—錐殼大端內(nèi)直徑，mm；Q—應(yīng)力增值系數(shù)，由圖4-20查??；

δr—錐殼及其相鄰圓筒體的加強段的計算厚度，mm。注：錐殼加強段與筒體加強段應(yīng)具有相同的厚度加強段的厚度不得小于相連接的錐殼厚度錐殼加強段的長度L1：筒體加強段的長度L：與大端相類似，參見文獻[2]。(3)錐殼小端4.3.3.2錐殼131圖4-20錐殼大端連接處的Q值4.3.3.2錐殼過程設(shè)備設(shè)計132過程設(shè)備設(shè)計（1）錐殼厚度：仍按式（4-51）計算。（2）錐殼大端：厚度按式（4-53）、（4-54）計算，并取較大值：二、受內(nèi)壓折邊錐殼錐殼大端過渡段厚度：（4-53）式中K—系數(shù)，查表4-6（遇中間值時用內(nèi)插法）。與過渡段相接處錐殼厚度：

（4-54）式中f—系數(shù)，查表4-7（遇中間值時用內(nèi)插法）；r—折邊錐殼大端過渡段轉(zhuǎn)角半徑，mm。4.3.3.2錐殼133過程設(shè)備設(shè)計r/Di0.100.150.200.300.400.5010°0.66440.61110.57890.54030.51680.500020°0.69560.63570.59860.55220.52230.500030°0.75440.68190.63570.57490.53290.500035°0.79800.71610.66290.59140.54070.500040°0.85470.76040.69810.61270.55060.500045°0.92530.81810.74400.64020.56350.500050°1.02700.89440.80450.67650.58040.500055°1.16080.99800.88590.72490.60280.500060°1.35001.14331.00000.79230.63370.5000表4-6系數(shù)K值4.3.3.2錐殼134過程設(shè)備設(shè)計小端過渡段厚度需另行計算，見文獻[2]。（3）錐殼小端：半頂角α≤45°：小端厚度按無折邊錐殼小端厚度的計算方法計算；小端無折邊：小端有折邊：4.3.3.2錐殼135過程設(shè)備設(shè)計

r/Di0.100.150.200.300.400.5010°0.50620.50550.50470.50320.50170.500020°0.52570.52250.51930.51280.50640.500030°0.56190.55420.54650.53100.51550.500035°0.58830.55730.56630.54420.52210.500040°0.62220.60690.59160.56110.53050.500045°0.66570.64500.62430.58280.54140.500050°0.72230.69450.66680.61120.55560.500055°0.79730.76020.72300.64860.57430.500060°0.90000.85000.80000.70000.60000.5000表4-7系數(shù)f值4.3.3.2錐殼136過程設(shè)備設(shè)計三、受外壓錐殼

α≤60°：按等效圓筒體計算；α＞60°：按平蓋計算。假設(shè)錐殼名義厚度δne——計算錐殼有效厚度δec=（δnc-C）cosα——按外壓圓筒體的圖算法進行外壓校核計算——以Le/DL代替L/Do，DL/δec代替Do/δe。（1）外壓錐殼的計算錐殼大端或小端和筒體連接處存在壓縮強度和周向穩(wěn)定性問題，在必要時應(yīng)設(shè)置加強結(jié)構(gòu)。（2）錐殼與筒體連接處的外壓加強設(shè)計Le：錐殼當量長度，有相應(yīng)計算公式；DL：所考慮的錐殼段的大端外直徑4.3.3.2錐殼137過程設(shè)備設(shè)計4.3.3.3

平蓋理論分析：以圓平板應(yīng)力分析為基礎(chǔ)，分為周邊固支或簡支；實際上：介于固支和簡支之間；工程計算：采用圓平板理論為基礎(chǔ)的經(jīng)驗公式，通過系數(shù)K來體現(xiàn)平蓋周邊的支承情況，K值越小,平蓋周邊越接近固支；

反之就越接近于簡支。

這些平蓋厚度可按下述方法計算：幾何形狀：圓形、橢圓形、長圓形、矩形及正方形等。4.3.3.3平蓋138過程設(shè)備設(shè)計平蓋的最大應(yīng)力一、圓形平蓋厚度（4-55）考慮鋼板拼焊由式（4-3）得圓形平蓋厚度計算公式：4.3.3.3平蓋139過程設(shè)備設(shè)計（4-56）式中δp—平蓋計算厚度，mm；

K—結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，查表4-8；

Dc—平蓋計算直徑，見表4-8中簡圖，mm。對于表4-8中序號6、7所示平蓋，應(yīng)取其操作狀態(tài)及預緊狀態(tài)的K值代入式