第10章容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1、第10章 容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ),10.1 概述 10.2 內(nèi)壓薄壁容器設(shè)計(jì) 10.3 外壓圓筒設(shè)計(jì) 10.4 封頭的設(shè)計(jì),1、容器的概念,10.1 概 述,一、容器的結(jié)構(gòu),容器的概論有狹義、廣義之分，狹義的容器是指儲(chǔ)存原料、中間產(chǎn)品或成品的儲(chǔ)存設(shè)備，如大型煉油廠的原油儲(chǔ)罐、油制氣廠的球形儲(chǔ)氣罐、液化石油氣瓶等。,設(shè)備=外殼+功能內(nèi)件,鍋爐、換熱器、加熱爐 = 圓筒外殼 + 傳熱管束 核反應(yīng)堆 = 圓筒安全殼 + 核反應(yīng)零部件 塔器 = 圓筒外殼 + 傳質(zhì)元件（浮閥、填料等） 反應(yīng)釜 = 圓筒夾套 + 攪拌器 壓縮機(jī)、真空泵 = 圓筒氣缸 + 活塞 泵 = 蝸殼 + 葉輪,廣義的容器,在石油化工領(lǐng)域，容

2、器是指儲(chǔ)存設(shè)備和其它設(shè)備的外殼。,容器主要是由殼體（筒體）、封頭（端蓋）、法蘭、支座、接口管、人孔等組成。中低壓容器的通用零部件（如法蘭、人孔）已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)時(shí)可直接選用。,2 、容器的結(jié)構(gòu),二、容器的分類,1、按容器形狀分類,方（矩）形容器：制造方便、承壓能力差,小型常壓 球形容器：制造稍難、承壓能力好,高壓儲(chǔ)罐 圓筒形容器：制造容易、承壓能力好、應(yīng)用廣泛,2、按承壓性質(zhì)分類 （1）壓力方向,內(nèi)壓容器 外壓容器（真空容器:外=0.1Mpa,內(nèi)P0.1Mpa）,（2）壓力大小（設(shè)計(jì)壓力大?。?內(nèi)壓容器,低壓容器：0.1P1.6MPa 中壓容器：1.6P10 MPa 高壓容器： 10P100M

3、Pa 超高壓容器： P100MPa,真空容器與外壓容器的區(qū)別 真空容器指外部壓力來源于大氣的壓力（外壓為1個(gè)大氣壓，即0.1MPa），即將設(shè)備內(nèi)空氣抽掉，內(nèi)部壓力小于大氣壓力。 外壓容器指外部壓力來源于介質(zhì)壓力，壓力不限大小。,3、按管理分類,國家勞動(dòng)部門，根據(jù)容器壓力與容積乘積（PV）大小、介質(zhì)的危害程度以及容器的作用，將壓力容器分為三類：,對(duì)容器的設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、使用和管理要求愈高,高壓容器； 中壓容器（毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)）； 中壓儲(chǔ)存容器（易燃或毒性程度為中度危害介質(zhì)，且PV10MPam3）； 中壓反應(yīng)容器（易燃或毒性程度為中度危害介質(zhì)，且PV0.5MPam3）； 低壓容器（

4、毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)，且PV0.2MPam3）； 高、中壓管殼式余熱鍋爐； 中壓搪玻璃壓力容器；,（1）第三類壓力容器,毒性分級(jí)見GB5044職業(yè)性接觸毒物危害程度分級(jí), 使用強(qiáng)度級(jí)別較高的材料制造的壓力容器； 移動(dòng)式壓力容器； 鐵路罐車 罐式汽車 罐式集裝箱等；容積 50m3的球形儲(chǔ)罐； 容積5m3的低溫液體儲(chǔ)存容器。,包括,指相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中抗拉強(qiáng)度規(guī)定值下限540MPa,中壓容器（不在第三類的中壓容器）； 毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)的低壓容器； 易燃介質(zhì)或毒性程度為中度危害介質(zhì)的低壓反應(yīng)容器和低壓儲(chǔ)存容器； 低壓管殼式余熱鍋爐，或低壓搪瓷玻璃壓力容器。,（3）第一類壓力容器,（2）第

5、二類壓力容器,不在第三類、第二類壓力容器之內(nèi)的低壓容器。,碳素鋼或低合金鋼420 合金鋼450 奧氏體不銹鋼550,4、按容器壁溫或材料分類,低溫容器：-20 常溫容器：-20200 中溫容器：200420 高溫容器：達(dá)到材料蠕變溫度,蠕變：在應(yīng)力不變的條件下，應(yīng)變隨時(shí)間延長而增加的現(xiàn)象。它與屈服現(xiàn)象不同，屈服現(xiàn)象通常在應(yīng)力超過彈性極限之后才出現(xiàn)，而蠕變只要應(yīng)力的作用時(shí)間相當(dāng)長，它在應(yīng)力小于彈性極限時(shí)也能出現(xiàn)。,三、容器零部件標(biāo)準(zhǔn)化,公稱直徑DN 公稱壓力PN,基本參數(shù),鋼板卷焊：內(nèi)徑 無縫鋼管：外徑,1、公稱直徑,（1）壓力容器的公稱直徑,筒體,封頭：公稱直徑與筒體一致,指標(biāo)準(zhǔn)化后的標(biāo)準(zhǔn)直徑

6、，DN表示，單位mm,以內(nèi)徑為基準(zhǔn)的壓力容器的公稱直徑（GB90192001）,以外徑為基準(zhǔn)的壓力容器的公稱直徑（GB90192001）,（2）管子的公稱直徑（口徑、通徑）,有縫管（焊接管）：由鋼板卷曲焊接而成，化工廠用來輸送水、煤氣、空氣、油以及取暖用蒸汽等流體管道。,無縫管：直接生產(chǎn)出，分熱軋管和冷拔管兩種。前者最大直徑為630mm，后者最大直徑為200mm。,無縫鋼管一般只適用DN600以下的，直徑再大的管線就要選有縫管?？傮w來說，無縫管質(zhì)量低于有縫管。,熱扎無縫鋼管的生產(chǎn)過程,粗扎,精扎,有縫管的標(biāo)記用公稱直徑表示：,公稱直徑是近似內(nèi)徑的一個(gè)代號(hào)，可用mm或in表示，每個(gè)公稱直徑對(duì)應(yīng)一

7、個(gè)外徑D0，但厚度不同（普通、加厚）內(nèi)徑Di不同。,有縫管的標(biāo)記,無縫管的標(biāo)記不用公稱直徑，用外徑厚度表示：,無縫管的標(biāo)記,（3）容器零部件的公稱直徑,容器法蘭、支座：筒體、封頭的公稱直徑 管子法蘭 ：管子的公稱直徑 視鏡視孔 ：結(jié)構(gòu)中的某一重要尺寸,DN2000法蘭與DN2000筒體或封頭相配的法蘭,例:,DN200管法蘭聯(lián)接DN200管子的管法蘭,DN80視鏡窺視孔的直徑為80mm,容器及管道的工作壓力經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化以后的標(biāo)準(zhǔn)壓力，以PN表示，單位MPa,2、公稱壓力,中低壓容器的通用零部件（如法蘭、人孔）已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，設(shè)計(jì)時(shí)可直接選用。但選用時(shí)，只有公稱直徑一個(gè)參數(shù)是不夠的，因?yàn)镈N相同的零部件

8、，工作壓力不同，其尺寸（厚度等）亦不同。因此，選用容器標(biāo)準(zhǔn)零部件時(shí)，需要根據(jù)直徑和工作壓力來確定該零部件尺寸。為標(biāo)準(zhǔn)化，將容器零部件的壓力規(guī)定為若干個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的壓力等級(jí)便于選用。,四、壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介,1、國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn): GB 150-89 鋼制壓力容器 GB 150-1998,2、國外主要規(guī)范: ASME (美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)鍋爐及壓力容器規(guī)范) 、 BS(英國壓力容器規(guī)范)、 JIS(日本壓力容器國家標(biāo)準(zhǔn))、 AD(德國壓力容器規(guī)范)等。,全國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)1984年7月成立,10.2 內(nèi)壓薄壁容器設(shè)計(jì),一、薄壁容器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ),1、薄壁容器,厚壁容器 K1.2 薄壁容器 K 1.2,容

9、器,石油、化工中使用的壓力容器大多為薄壁容器。,根據(jù)容器的外徑D0和內(nèi)徑Di的比值K來判斷。,/Di0.1,2、圓筒薄壁容器承受內(nèi)壓時(shí)的應(yīng)力,Di可以認(rèn)為:筒壁只有拉應(yīng)力無彎曲（對(duì)稱，拉應(yīng)力沿壁厚均布）,1：圓筒母線方向（即軸向）拉應(yīng)力軸向應(yīng)力（經(jīng)向應(yīng)力） 2：圓筒圓周方向（即環(huán)向）拉應(yīng)力稱環(huán)向應(yīng)力,軸向:拉伸變形 軸向拉應(yīng)力,橫向:直徑增大拉應(yīng)力、彎曲應(yīng)力(?。?A,B,A,B,器壁上有兩種拉應(yīng)力：,縱截面,（1）軸向（經(jīng)向）應(yīng)力,3、圓筒的應(yīng)力計(jì)算,D筒體平均直徑，簡(jiǎn)稱中徑，mm,實(shí)際計(jì)算時(shí)采用內(nèi)徑，這里用中徑使計(jì)算公式簡(jiǎn)化。,（2）環(huán)向（周向）應(yīng)力,薄壁圓筒受內(nèi)壓時(shí)，環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力的

10、2倍。,（1）內(nèi)壓圓筒縱焊縫和環(huán)焊縫哪個(gè)更易破裂？ （2）橢圓孔怎么開？ （3） 承壓能力?,問題,1、基本概念與基本假設(shè) （1）基本概念 旋轉(zhuǎn)殼體：殼體的中面（等分殼體厚度的面）是回轉(zhuǎn)面。,二、無力矩理論基本方程式,軸對(duì)稱,殼體的幾何形狀、約束條件和所受外力都是對(duì)稱于旋轉(zhuǎn)軸。,石油、化工中使用的壓力容器通常是軸對(duì)稱的。 這一章研究的滿足軸對(duì)稱的旋轉(zhuǎn)殼體。,旋轉(zhuǎn)殼體的幾何概念,母線（OAA） 經(jīng)線（OBB 、 ） 法線（n中面，交軸） 平行圓（ABD 、 ） 第一曲率半徑（R1=Bk1） 第二曲率半徑（R2=Bk2）,垂直經(jīng)線的平面與中面的截交線（BE）的曲率半徑,中面,法截線,課外知識(shí),O,

11、設(shè)曲線C的方程為y=f(x)，則曲線C上任一點(diǎn)M的曲率半徑為,曲率半徑越小，曲線在此點(diǎn)越彎曲。直線的曲率半徑為無窮大。,（2）基本假設(shè),小位移假設(shè)：受力后各點(diǎn)位移遠(yuǎn)小于壁厚，變形前后尺寸不變； 直線法假設(shè)：變形前后垂直于中面的直線段不變 變形前后法向線段長度不變厚度不變； 不擠壓假設(shè)：薄殼法向應(yīng)力忽略不計(jì)兩向應(yīng)力,假定材料具有連續(xù)性、均勻性和各向同性，即殼體是完全彈性的,2、基本方程式,無力矩理論，也稱薄膜理論：它假設(shè)壁厚與直徑相比很小，薄殼與薄膜一樣，只能承受拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，不能承受彎矩和彎曲應(yīng)力。即在旋轉(zhuǎn)薄殼的受力分析中，忽略彎矩的作用，這樣得到的應(yīng)力稱薄膜應(yīng)力，它是設(shè)計(jì)壓力容器的基礎(chǔ)。,

12、無力矩 理論求解,薄膜應(yīng)力,邊緣應(yīng)力,有力矩 理論求解,采用對(duì)微元體abcd建立平衡的方法，得到薄壁容器受力的基本方程式：,微體平衡方程,基本方程式表達(dá)了殼體上任一點(diǎn)處的1、2 、內(nèi)壓、該點(diǎn)曲率半徑和厚度的關(guān)系。,微體平衡方程,用垂直于母線的圓錐形截面（法截面）切開殼體，取下部分為研究對(duì)象，建立軸向平衡方程：,rk任意點(diǎn)處的回轉(zhuǎn)半徑,區(qū)域平衡方程,微體和區(qū)域平衡方程是無力矩理論兩個(gè)基本方程。,區(qū)域平衡方程,三、基本方程式的應(yīng)用,1、受氣體內(nèi)壓殼體的受力分析,（1）圓筒形殼體,R1=，R2=D/2,n,結(jié)果與截面法求得的完全一致。,（2）球形殼體 R1=R2=D/2,對(duì)相同的內(nèi)壓，球殼的環(huán)向應(yīng)力

13、要比同直徑、 同厚度的圓筒殼的環(huán)向應(yīng)力小一半；相同條件下,球殼的壁厚是圓筒殼的一半,這是球殼明顯的優(yōu)點(diǎn)。,比較圓筒殼,n,（3）圓錐形殼體,半錐角，A點(diǎn)處半徑r，厚度，則A點(diǎn)處,錐形殼的環(huán)向應(yīng)力是經(jīng)向應(yīng)力的2倍，并且應(yīng)力隨著半錐角的增大而增大。,一般45，不宜太大。,在錐底（錐形殼大端）r=R 時(shí)，應(yīng)力最大，在錐頂處應(yīng)力為零。因此，一般在錐頂開孔。,此外，應(yīng)力隨著r的增大而增大。,（4）橢圓形殼體,橢圓殼經(jīng)線為一橢圓，其曲線方程：,第一曲率半徑：,自任意點(diǎn)A（x,y）作經(jīng)線的垂線，交回轉(zhuǎn)軸于k2點(diǎn)，則Ak2即為R2 ，根據(jù)幾何關(guān)系，可得,第二曲率半徑：,把R1和R2的表達(dá)式代入微體平衡方程及區(qū)

14、域平衡方程得：,a,b分別為橢球殼的長、短半徑，mm ; x 橢圓殼上任意點(diǎn)距橢圓殼中心軸的距離mm 其它符號(hào)意義與單位同前。,標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭應(yīng)力分布，a/b=2,頂點(diǎn)處 （x=0）,邊緣處（x=a）,頂點(diǎn)應(yīng)力最大，經(jīng)向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力是相等； 頂點(diǎn)的經(jīng)向應(yīng)力比邊緣處的經(jīng)向應(yīng)力大一倍； 頂點(diǎn)處的環(huán)向應(yīng)力和邊緣處相等但符號(hào)相反。 應(yīng)力值連續(xù)變化。,【例10-1】有一外徑為219mm的氧氣瓶，最小壁厚為=6.5mm,材質(zhì)為40Mn2A,工作壓力為15MPa，試求氧氣瓶筒壁內(nèi)的應(yīng)力。,解：,氧氣瓶筒身平均直徑：,mm,經(jīng)向應(yīng)力：,MPa,環(huán)向應(yīng)力：,MPa,2、受液體靜壓圓筒形殼體的受力分析,設(shè)液體密

15、度為，則離液面深度為h的筒壁上M點(diǎn)的液體靜壓力為,g重力加速度,環(huán)向應(yīng)力,經(jīng)向應(yīng)力1與支承方式有關(guān)。,底部支撐圓筒：1= 0 （液重直接傳給基礎(chǔ)） 上部支撐圓筒：筒壁受軸向力作用，產(chǎn)生經(jīng)向應(yīng)力,液體重量,四、筒體強(qiáng)度計(jì)算,為了保證筒體的強(qiáng)度，筒體內(nèi)的環(huán)向應(yīng)力設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力，即,Pc筒體的計(jì)算壓力，MPa,t 設(shè)計(jì)溫度下筒體材料的許用應(yīng)力，MPa,此式是內(nèi)壓薄壁圓筒在理想情況下的強(qiáng)度條件，不能直接用于設(shè)計(jì)計(jì)算，因有些因素未考慮。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮焊接、腐蝕等因素。,實(shí)際設(shè)計(jì)中還要考慮幾個(gè)因素：,（1）焊接接頭系數(shù),鋼制容器筒體大多是由鋼板卷焊而成。在焊縫區(qū)，往往有焊接缺陷（夾渣、氣孔

16、、晶粒粗大、未焊透等），使焊縫附近材料的強(qiáng)度比鋼板低。,許用應(yīng)力應(yīng)降低、打折扣！,方法：將許用應(yīng)力乘以一個(gè)小于1的數(shù)值焊接接頭系數(shù),焊接接頭系數(shù)（焊縫系數(shù)）,（2）用內(nèi)徑代替中面直徑,工藝設(shè)計(jì)、測(cè)量都用內(nèi)徑，用中徑不方便！,解出上式中的，得到內(nèi)壓圓筒的計(jì)算厚度：,Di圓筒內(nèi)徑,（3）考慮介質(zhì)對(duì)筒壁的腐蝕作用,介質(zhì)腐蝕壁厚減薄。在確定筒體壁厚時(shí)，增加一個(gè)腐蝕裕量C2，得到筒體的設(shè)計(jì)厚度為：,（4）考慮鋼板厚度負(fù)偏差,考慮鋼板可能出現(xiàn)的負(fù)偏差C1并圓整，得到筒體的名義厚度為,C2腐蝕裕量,C1鋼板負(fù)偏差,C=C1+C2 厚度附加量,強(qiáng)度校核公式（強(qiáng)度條件）,e圓筒有效厚度,強(qiáng)度校核（計(jì)算環(huán)向應(yīng)力）

17、時(shí)用哪一個(gè)厚度？,e=n-C,名義厚度就是圖紙上標(biāo)注的厚度，有效厚度是強(qiáng)度校核時(shí)筒體的實(shí)際承壓厚度。,最大允許工作壓力計(jì)算公式,強(qiáng)度校核公式（強(qiáng)度條件）,厚度計(jì)算公式,五、球殼強(qiáng)度計(jì)算,設(shè)計(jì)溫度下球殼的計(jì)算厚度,設(shè)計(jì)溫度下球殼的強(qiáng)度校核公式,有了計(jì)算厚度后，其他各種厚度計(jì)算與前面相同。,六、設(shè)計(jì)參數(shù),工作壓力,指在正常工作情況下，容器頂部可能出現(xiàn)的最高壓力（表壓）。,設(shè)計(jì)壓力,指設(shè)定的容器頂部的最高壓力，其值不低于工作壓力。 如裝安全閥和爆破膜的壓力容器，一般分別取工作壓力的1.051.10倍和1.15 1.45倍作為設(shè)計(jì)壓力 。,計(jì)算壓力,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。

18、計(jì)算壓力pc=設(shè)計(jì)壓力p+液柱靜壓力(% 5設(shè)計(jì)壓力),1、設(shè)計(jì)壓力,做作業(yè)時(shí)，我們約定:,有安全閥：設(shè)計(jì)壓力P= 1.1工作壓力 有爆破膜：設(shè)計(jì)壓力P= 1. 2工作壓力,設(shè)計(jì)溫度指容器正常工作中，金屬筒壁可能達(dá)到的最高溫度或最低溫度（低溫設(shè)備）。,2、設(shè)計(jì)溫度,設(shè)計(jì)溫度在設(shè)計(jì)公式中沒有直接反映，但對(duì)選擇材料和確定許用應(yīng)力有直接影響。,筒壁溫度通過傳熱計(jì)算得到。 不被加熱或冷卻的壁，取筒內(nèi)介質(zhì)最高或最低溫度。 用蒸汽、熱水或其它載熱體加熱或冷卻的壁，取載體最高溫度或最低溫度。 不同部位出現(xiàn)不同溫度，分別計(jì)算。,3、許用應(yīng)力,按材料力學(xué)原理，許用應(yīng)力,極限應(yīng)力可以是,極限應(yīng)力的選取與結(jié)構(gòu)的使用

19、條件和失效準(zhǔn)則有關(guān)。,持久極限,蠕變極限,強(qiáng)度極限,屈服極限,極限應(yīng)力,安全系數(shù),常溫容器,中溫容器,高溫容器,當(dāng)設(shè)計(jì)溫度高于200時(shí)，鋼材的強(qiáng)度明顯下降；當(dāng)設(shè)計(jì)溫度低于0時(shí)，取20時(shí)的許用應(yīng)力。,常用鋼板和鋼管的許用應(yīng)力可在設(shè)計(jì)資料中直接查取，以方便設(shè)計(jì)。,4、焊接接頭系數(shù),考慮到焊接對(duì)強(qiáng)度的削弱而降低設(shè)計(jì)許用應(yīng)力的系數(shù)，根據(jù)接頭形式及無損檢測(cè)長度比例確定。,只有符合壓力容器安全技術(shù)檢察規(guī)程中的相關(guān)規(guī)定，才允許對(duì)焊縫作局部無損探傷，焊縫抽驗(yàn)長度不應(yīng)小于每條焊縫長度的20。,5、厚度附加量,滿足強(qiáng)度要求的計(jì)算厚度之外，額外增加的厚度，包括鋼板(鋼管)負(fù)偏差C1、腐蝕裕量 C2 即 C C1十

20、C2,1、按表10-10選取 2、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(shí)，負(fù)偏差可以忽略不計(jì)。,為防止容器元件由于腐蝕、機(jī)械磨損而導(dǎo)致厚度削弱減薄，應(yīng)考慮腐蝕裕量。,C1 鋼板厚度負(fù)偏差,C2 腐蝕裕量,腐蝕裕量C2根據(jù)腐蝕速度和容器的設(shè)計(jì)壽命確定。 塔類、反應(yīng)器類容器設(shè)計(jì)壽命一般按20年考慮，換熱器殼體、管箱及一般容器按10年考慮。,表10-10 鋼板負(fù)偏差,腐蝕速度0.05mma(包括大氣腐蝕) ： 單面腐蝕C21mm 雙面腐蝕C22mm 腐蝕速度0.05mma時(shí)： 單面腐蝕取C22mm 雙面腐蝕取C24mm,碳素鋼和低合金鋼,不銹鋼,C20,七、最小厚度,設(shè)計(jì)壓力

21、較低的容器，計(jì)算出來的厚度很薄。 大型容器剛度不足，不滿足運(yùn)輸、安裝要求。 限定最小厚度以滿足剛度和穩(wěn)定性要求。,碳鋼和低合金鋼： min3mm 高合金鋼： min2mm 不銹鋼: min = 2mm,殼體加工成形后不包括腐蝕裕量的最小厚度min,八、壓力試驗(yàn),檢驗(yàn)容器在超工作壓力條件下，筒壁的耐壓強(qiáng)度（主要焊縫強(qiáng)度）和密封性（有無滲漏現(xiàn)象），以確保設(shè)備安全運(yùn)行。,目的,液壓試驗(yàn),氣壓試驗(yàn),氣密性試驗(yàn),壓力試驗(yàn)的種類,檢驗(yàn)?zāi)蛪簭?qiáng)度,檢驗(yàn)密封性,液壓試驗(yàn),氣壓試驗(yàn),1、試驗(yàn)壓力,/t大于1.8時(shí)，按1.8計(jì)算；如果容器各元件(圓筒、封頭、接管、法蘭及緊固件等)所用材料不同時(shí)，應(yīng)取各元件材料的比值

22、中最小者。,容器銘牌上規(guī)定有最大允許工作壓力時(shí)，公式中應(yīng)以最大允許工作壓力代替設(shè)計(jì)壓力p,P 設(shè)計(jì)壓力,PT試驗(yàn)壓力,液壓試驗(yàn),氣壓試驗(yàn),2、壓力試驗(yàn)的應(yīng)力校核,為防止試驗(yàn)時(shí)產(chǎn)生過大的應(yīng)力，要求容器在試驗(yàn)壓力下的計(jì)算應(yīng)力不超過焊縫在試驗(yàn)溫度（常溫）下屈服強(qiáng)度的90%（氣壓80%）,圓筒壁在試驗(yàn)壓力下的計(jì)算應(yīng)力,九、邊緣應(yīng)力,組合殼：相鄰兩段結(jié)構(gòu)不同、剛度不同，導(dǎo)致兩部分自由變形量不同，但又相互約束，從而在聯(lián)接處產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力系(剪力與彎矩)。,組合殼,邊緣應(yīng)力的概念,由于連接處兩邊自由變形量不同，組合殼在聯(lián)接處（邊緣部分）產(chǎn)生附加的局部應(yīng)力，稱邊緣應(yīng)力。,邊緣應(yīng)力的特性,局部性,自限性,大

23、多數(shù)都有明顯的衰減波特性，隨離開邊緣的距離增大，邊緣應(yīng)力迅速衰減，即影響范圍很小。,當(dāng)邊緣應(yīng)力達(dá)到材料屈服極限時(shí)，邊緣處局部材料發(fā)生屈服，邊緣應(yīng)力不再升高，即自動(dòng)受到限制。,由于局部性與自限性，設(shè)計(jì)中一般不按邊緣應(yīng)力來確定厚度，而是在結(jié)構(gòu)上作局部處理。但對(duì)于脆性材料，必須考慮邊緣應(yīng)力的影響。,【例10-2】某化工廠欲設(shè)計(jì)一臺(tái)石油氣分離工程中的乙烯精餾塔。工藝要求為塔體內(nèi)徑Di=600mm；設(shè)計(jì)壓力p2.2MPa；工作溫度t-3-20。試選擇塔體材料并確定塔體厚度。,（2）確定參數(shù)：式中p=2.2MPa；Di=600mm；=170MPa；=0.8（表10-9）； C2=1.0 mm 。,考慮鋼板

24、厚度負(fù)偏差C1=0.6mm，圓整后，取n=7mm,（1）選材：由于石油氣對(duì)鋼材腐蝕不大，溫度在-20以上，承受一定的壓力，故選用16MnR。 根據(jù)式(10-12),（3）厚度計(jì)算,解：,（4）校核水壓試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力,16MnR的屈服極限s=345MPa（附表6） 0.9s = 0.90.8345 = 248MPa,水壓試驗(yàn)時(shí)滿足強(qiáng)度要求。,式中，,則,（1）根據(jù)介質(zhì)腐蝕性、設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力等信息，確定材料及腐蝕裕量C1。,【已知條件】圓筒內(nèi)徑Di、設(shè)計(jì)壓力（或計(jì)算壓力）、設(shè)計(jì)溫度（工作溫度）、容器介質(zhì)腐蝕性,【內(nèi)壓薄壁容器壁厚設(shè)計(jì)步驟】,（2）根據(jù)選用的材料及設(shè)計(jì)溫度，查表確定材料在設(shè)計(jì)溫度下

25、的許用應(yīng)力t。,（3）確定容器焊接及探傷方式（內(nèi)徑較大時(shí)采用雙面焊，內(nèi)徑較小時(shí)只能采用單面焊；重要容器全檢，一般容器局部檢），查表確定容器的焊接接頭系數(shù)。,（5）根據(jù)計(jì)算厚度和腐蝕裕量C2,確定容器筒體的設(shè)計(jì)厚度d。,（6）根據(jù)設(shè)計(jì)厚度d，確定容器筒體的名義厚度n范圍，通過查表確定鋼板負(fù)偏差C1。,（7）計(jì)算d+ C1，并向上圓整（鋼板厚度6-30時(shí)，厚度間隔為1mm，30-60時(shí)厚度間隔2mm），最后得到筒體的名義厚度n，也就是圖樣上標(biāo)注的厚度。,（8）必要時(shí)校核水壓試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力。,（4）根據(jù)設(shè)計(jì)壓力、容器內(nèi)徑，用公式確定容器的計(jì)算厚度。,【例10-3】某化工廠反應(yīng)釜，內(nèi)徑為1600mm。工

26、作溫度為5105，工作壓力為1.6MPa，釜體材料用0Crl8Ni9。采用雙面對(duì)接焊縫，局部無損探傷，凸形封頭上裝有安全閥，試計(jì)算釜體壁厚。,解：,已知Di=1600mm。,查附表6，0Crl8Ni9在105時(shí)的，其許用應(yīng)力,查表10-9，采用雙面對(duì)接焊縫，局部無損探傷，故取,介質(zhì)對(duì)不銹鋼腐蝕極微，取C2=0。,因裝安全閥，取設(shè)計(jì)壓力P=1.11.6=1.76MPa。,105=137MPa。,=0.85。,估計(jì)n=8-25mm。查表10-10，取C1=,則 d+C1=12.18+0.8=12.98mm，圓整后取n=13mm,0.8mm。,常用鋼板厚度 3、4、5、6、8、10、12、14、16

27、、18、20、22、25、28、30、,【例10-4】今欲設(shè)計(jì)一臺(tái)反應(yīng)器，直徑為3000mm，采用雙面對(duì)接焊縫，100探傷。工作壓力為1.8MPa，工作溫度450，試用20R和16MnR兩種材料分別設(shè)計(jì)反應(yīng)器的厚度，并作分析比較。,解：,已知Di=3000mm， P=1. 8MPa，=1，C2=2mm（腐蝕很小，取1mm，腐蝕較嚴(yán)重，取2mm，一般考慮單面腐蝕）,（1）采用20R鋼, 450=61MPa,鋼板負(fù)偏差取C1=1.2mm，圓整后n=50mm,（2）采用16MnR 450=66MPa,鋼板負(fù)偏差取C1=1.2mm，圓整后n=46mm,比較兩種材料設(shè)計(jì)反應(yīng)器厚度可知，16MnR比20R

28、節(jié)省材料。,【例10-5】乙烯貯罐，內(nèi)徑1600mm，壁厚16mm，設(shè)計(jì)壓力為2.5MPa，工作溫度35，材料為16MnR 。采用雙面對(duì)接焊，局部無損探傷，壁厚附加量C1.5mm，試校核強(qiáng)度。,解：,已知內(nèi)徑Di=1600mm，n=16mm。e=nC=161.5=14.5mm。 P=2.5MPa。16MnR在20時(shí)的許用應(yīng)力 20=170MPa。取=0.85。,則設(shè)計(jì)溫度下筒體的應(yīng)力為：, 20=0.85170=144.5MPa,因t20，所以，容器的強(qiáng)度是足夠的。,作 業(yè),習(xí)題：P224 4，8,10.3 外壓圓筒設(shè)計(jì),一、外壓容器失穩(wěn),外部壓力大于內(nèi)部壓力的容器稱為外壓容器 。,舉例：真空

29、冷凝器，夾套反應(yīng)釜,1、外壓容器的定義,夾套反應(yīng)釜,真空冷凝器,薄壁圓筒,環(huán)向應(yīng)力,計(jì)算厚度，mm；D筒體中面直徑，mm。,經(jīng)向應(yīng)力,壓應(yīng)力,2、外壓薄壁容器的應(yīng)力,如果壓應(yīng)力2 超過材料的s或b時(shí)，會(huì)不會(huì)發(fā)生強(qiáng)度破壞？極少發(fā)生！,外壓容器，當(dāng)外壓載荷增大到某一值時(shí)，筒體會(huì)突然失去原來的形狀，被壓扁或出現(xiàn)波形，載荷卸去后，筒體不能恢復(fù)原狀，這種現(xiàn)象稱為外壓容器的彈性失穩(wěn)。 容器發(fā)生失穩(wěn)后，不能正常工作，造成容器失效。,3、外壓容器的失穩(wěn),失穩(wěn)后的外壓容器,容器發(fā)生失穩(wěn)時(shí)，筒壁內(nèi)的壓縮應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的屈服極限。這說明失穩(wěn)不是材料強(qiáng)度不足引起的。,失穩(wěn)前,失穩(wěn)時(shí),單純壓應(yīng)力 2 1,以彎曲應(yīng)力為

30、主的附加應(yīng)力,突然變形,外壓容器失穩(wěn)，在性質(zhì)上與受壓細(xì)長桿失穩(wěn)相似，實(shí)際上也是容器從一種平衡狀態(tài)向另一種平衡狀態(tài)突變。,失穩(wěn)后,筒體壓扁或出現(xiàn)波形,平衡狀態(tài),平衡狀態(tài),迅速發(fā)展,外壓達(dá)到某一臨界值,形狀及應(yīng)力狀態(tài)突變,二、容器的失穩(wěn)形式,容器的失穩(wěn)主要分為整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)，整體失穩(wěn)又分為側(cè)向失穩(wěn)和軸向失穩(wěn)。,側(cè)向失穩(wěn),外壓容器的側(cè)向失穩(wěn)由均勻側(cè)向外壓引起。特點(diǎn):橫斷面由圓形變?yōu)椴ㄐ巍?軸向失穩(wěn),外壓容器的軸向失穩(wěn)由軸向壓應(yīng)力引起，失穩(wěn)后其經(jīng)線由原來的直線變?yōu)椴ㄐ尉€，而橫斷面仍為圓形。,局部失穩(wěn),容器在支座或其他支承處，以及在安裝運(yùn)輸過程中，由于過大的局部外壓引起的失穩(wěn)（局部被壓癟或皺折）。,

31、三、臨界壓力計(jì)算,筒體失穩(wěn)時(shí)所承受的外壓，稱為臨界壓力。,筒體在臨界壓力作用下，筒壁內(nèi)存在的環(huán)向壓應(yīng)力稱為臨界應(yīng)力。,臨界壓力 Pcr,臨界應(yīng)力 cr,工程上根據(jù)失穩(wěn)破壞情況，將外壓圓筒分為長圓筒、短圓筒和剛性筒三類。,1、長圓筒,當(dāng)圓筒足夠長，兩端封頭對(duì)筒體中間部分不起支撐作用，這樣的圓筒稱為長圓筒。長圓筒最容易壓扁，壓扁時(shí)出現(xiàn)兩個(gè)波形，即扁圓形。,臨界壓力計(jì)算式：,Pcr臨界壓力，MPa；e筒體有效厚度，mm D0筒體外徑，mm; Et操作溫度下材料彈性模量，MPa 材料的泊松比,由上式可見：長圓筒的臨界壓力只與圓筒的相對(duì)厚度e/D0 有關(guān)，而與圓筒的相對(duì)長度L/D0無關(guān)。,鋼制長圓筒，=

32、0.3,2、短圓筒,若圓筒兩端封頭對(duì)筒體能起到支撐作用（對(duì)筒體變形有約束作用），這樣的圓筒稱為短圓筒，壓扁時(shí)出現(xiàn)三個(gè)以上的波形。,臨界壓力計(jì)算式：,L筒體的計(jì)算長度，該長度不是一般意義上的長度，即圓筒兩相鄰剛性構(gòu)件（剛性支撐,如封頭、法蘭、加強(qiáng)圈等）之間的最大距離。,L中間=兩加強(qiáng)圈中心線之間距離,整個(gè)容器無加強(qiáng)圈（圖a）,容器上有加強(qiáng)圈的（圖b）,L兩側(cè)=加強(qiáng)圈中心線至筒體封頭焊縫處長度+封頭直邊段+封頭深度/3,短圓筒的臨界壓力不僅與圓筒的相對(duì)厚度e/D0 有關(guān)，而且與圓筒的相對(duì)長度L/D0有關(guān)。,3、剛性筒,若筒體較短，筒壁較厚，即L/D0較小，e/D0較大，容器剛性好，不會(huì)因失穩(wěn)而破壞

33、，這種圓筒稱為剛性筒。剛性筒是強(qiáng)度破壞，計(jì)算時(shí)只要滿足強(qiáng)度要求即可，其強(qiáng)度校核公式與內(nèi)壓圓筒相同。,4、臨界長度,一個(gè)實(shí)際外壓圓筒，是長圓筒還是短圓筒，如何判斷？,根據(jù)臨界長度Lcr來判斷,短圓筒Pcr長圓筒Pcr,L,封頭支撐作用,短圓筒Pcr,同厚同徑,L=Lcr,封頭支撐作用完全消失,短圓筒Pcr=長圓筒Pcr,即有：,則得臨界長度計(jì)算公式：,短圓筒,長圓筒,5、影響圓筒臨界壓力的因素,（1）筒體幾何尺寸的影響,短圓筒：, L/D0 同，e/D0 ，抗彎能力， Pcr , e/D0 同，L/D0 ，Pcr 長圓筒Pcr短圓筒,思考：如何在不改變圓筒長度的條件下，將長圓筒變?yōu)槎虉A筒？, e

34、/D0 、L/D0同，有加強(qiáng)圈者 Pcr高。,（2）筒體材料的影響,短圓筒：, Pcr與材料的屈服極限無直接關(guān)系。因筒體失穩(wěn)時(shí)，其壓應(yīng)力并沒達(dá)到材料的屈服極限；, 材料彈性模量Et，抗變形能力，pcr 。,思考：用高強(qiáng)度合金鋼代替一般碳鋼制造外壓容器，能否提高筒體的臨界壓力？,不能，因?yàn)楦鞣N鋼的彈性模量相差不大！相反還增加了容器的成本。,外壓圓筒形容器的失穩(wěn)破壞并不是由于筒體截面存在圓度誤差或材料不均勻引起的。無論筒體的形狀多么精確，材料多么均勻，當(dāng)外壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)都會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。,筒體的不圓度與材料的不均勻性，能使其臨界壓力數(shù)值降低，使失穩(wěn)提前發(fā)生。,（3）筒體不圓度和材料不均勻性的影響,四

35、、外壓圓筒的設(shè)計(jì),外壓圓筒計(jì)算的三類問題：,（1）已知圓筒尺寸，求許用外壓p；,（2）已知工作外壓，求圓筒所需厚度；,1、算法概述,（3）已知圓筒尺寸和工作外壓，校核圓筒穩(wěn)定性。,（1）許用外壓,思考：只要設(shè)計(jì)壓力Pcr，外壓容器不發(fā)生失穩(wěn)？,短圓筒：,長圓筒：,實(shí)際：如果設(shè)計(jì)壓力接近Pcr，外壓容器仍有可能發(fā)生失穩(wěn)破壞！,臨界壓力計(jì)算公式是在理想條件下得到的，即認(rèn)為圓筒截面是規(guī)則的圓形，實(shí)際圓筒不可能是絕對(duì)圓的，所以實(shí)際筒體的Pcr小于計(jì)算Pcr；,原因分析,實(shí)踐表明，許多長圓筒或管子當(dāng)壓力達(dá)到(1/21/3)Pcr時(shí)，就可能被壓扁；,容器實(shí)際工作壓力有可能大于設(shè)計(jì)壓力。,結(jié)論：不允許在外壓

36、等于或接近Pcr時(shí)進(jìn)行操作，必須有一定的安全裕度，即要規(guī)定一個(gè)小于Pcr的許用外壓P。,P許用外壓，MPa,m穩(wěn)定安全系數(shù)，1，其值取決于計(jì)算方法的準(zhǔn)確程度和筒體制造質(zhì)量。,許用外壓P和穩(wěn)定安全系數(shù)m,根據(jù)GB1501998鋼制壓力容器的規(guī)定 m = 3,（2）外壓容器穩(wěn)定條件（設(shè)計(jì)準(zhǔn)則）,設(shè)計(jì)一臺(tái)外壓容器，應(yīng)使該容器的設(shè)計(jì)壓力P不超過許用外壓P ，即：,根據(jù)穩(wěn)定條件設(shè)計(jì)容器壁厚時(shí)，通常采用試算法，先假定 ，求出P，比較P與P，若滿足PP，可用，否則增大 。外壓容器設(shè)計(jì)計(jì)算思想,P 或Pcr 與筒體的幾何尺寸（e、D0、L）有關(guān)。,外壓圓筒的設(shè)計(jì)計(jì)算方法,GB150推薦使用圖算法,2、算圖,外

37、壓圓筒的設(shè)計(jì)計(jì)算有解析法和圖算法兩種，多采用圖算法，圖算法方法簡(jiǎn)便，而且不論長圓筒、短圓筒，薄壁圓筒、厚壁圓筒均可用。,短圓筒：,長圓筒：,（1）幾何參數(shù)計(jì)算圖,（L/DoDo/eA 關(guān)系圖）,兩個(gè)公式統(tǒng)一寫成：,K特征系數(shù)，與圓筒尺寸L/D0、e/D0有關(guān),長圓筒：,短圓筒：,可見,外壓圓筒失穩(wěn)定時(shí)的環(huán)向應(yīng)力（周向應(yīng)力）,不論長圓筒，短圓筒，外壓圓筒失穩(wěn)時(shí)的環(huán)向應(yīng)變（周向應(yīng)變）,為了避開材料的彈性模量，我們用應(yīng)變來表征失穩(wěn)時(shí)的特征,為了方便，將與圓筒幾何參數(shù)D0/e （徑厚比）、 L/D0（長徑比）的關(guān)系畫成曲線。,令 A=，以A作為橫坐標(biāo)，L/Do作為縱坐標(biāo)，Do/e作為參量繪成曲線，得到

38、幾何參數(shù)計(jì)算圖。,垂直線，表明長圓筒失穩(wěn)時(shí)與L/D0無關(guān),傾斜線，表明短圓筒失穩(wěn)時(shí)與L/D0有關(guān),轉(zhuǎn)折點(diǎn)處的長度為臨界長度Lcr,適用所有材料,圖10-15 外壓或軸向受壓圓筒和管子幾何參數(shù)計(jì)算圖 （與材料彈性模量無關(guān)，可用于所有材料的筒體）,（2）厚度計(jì)算圖,（不同材料的AB關(guān)系圖）,問題：如何找出A()P的關(guān)系，并畫成曲線？,能否據(jù)此畫成曲線圖？,可得,令,要想從找P，首先需要從找B,若以為橫坐標(biāo)，B為縱坐標(biāo)，將B與(即圖中A)關(guān)系用曲線表示出來，就得到了A-B關(guān)系圖。利用這曲線，可以方便從找到對(duì)應(yīng)的系數(shù)B，并進(jìn)而求出p。,直線段：較小時(shí)（彈性狀態(tài)），E是常數(shù)，表現(xiàn)為直線,曲線段：較小時(shí)（

39、非彈性狀態(tài)），E不是常數(shù)，表現(xiàn)為曲線,外壓圓筒、管子和球殼厚度計(jì)算圖,(,屈服點(diǎn),s,207MPa,的碳素鋼和,0Cr13,、,1Cr13,鋼,),圖10-17,外壓圓筒、管子和球殼厚度計(jì)算圖,(,屈服點(diǎn),s,207MPa,的碳素鋼和,0Cr13,、,1Cr13,鋼,),（1）s相近的幾種鋼材合用一張圖。 （2）溫度不同，E不同，故不同溫度有不同的曲線,（3）計(jì)算圖查取A、B方法,以系數(shù)A查取為例。,首先根據(jù)計(jì)算得到L/Do，在圖10-15縱坐標(biāo)上找到L/Do所在點(diǎn)，由此點(diǎn)水平向右與D0/e線相交，再垂直向下在橫坐標(biāo)上得系數(shù)A。,若D0/e在圖上沒有，則用內(nèi)插法求取A。,3、外壓圓筒厚度設(shè)計(jì)方

40、法,通過工藝計(jì)算，可確定筒體內(nèi)徑Di、筒體本身長度、封頭直邊深度、封頭深度及筒體的計(jì)算長度L。利用算圖確定外壓圓筒厚度的步驟如下：,情況1,（1）假設(shè)n，e= n C，D0=Di+2n，定出L/Do、 D0/e,（2）由L/Do、 D0/e查幾何參數(shù)計(jì)算圖，得系數(shù)A,（3）根據(jù)所用材料，從圖10-1610-20中選出一張，在該圖下方找到A值所在點(diǎn)。若A在溫度材料線右方，則垂直向上與材料溫度線相交，再水平向右得系數(shù)B，按式（10-25）計(jì)算許用外壓,若A值在材料溫度線左方，按式（10-26）計(jì)算許用外壓,（4）比較許用外壓P與設(shè)計(jì)壓力P,若 PP，n可用，若小得過多，適當(dāng)減小n，重復(fù)上述計(jì)算；

41、若PP，需增大n，重復(fù)上述計(jì)算，直至使PP且接近P為止。,情況2,（1）用與D0 / e 20時(shí)相同的方法得到系數(shù)B。但對(duì)于D0 / e 4的圓筒和管子，則系數(shù)A用下式計(jì)算：,A0.1時(shí)，取A=0.1,（2）計(jì)算P1、P2，取小者為許用外壓,0取以下兩值中的較小值：,02 t 或 00.9st 或0.90.2t,（3）比較許用外壓P與設(shè)計(jì)壓力P，這一步與情況一相同。,五、外壓圓筒的試壓,外壓容器也要做壓力試驗(yàn)，檢查容器強(qiáng)度和密封性。外壓容器按內(nèi)壓容器進(jìn)行液壓試驗(yàn)，試驗(yàn)壓力取1.25倍的設(shè)計(jì)外壓，即：,PT試驗(yàn)壓力,P設(shè)計(jì)壓力,【例10-2】試確定一外壓圓筒的壁厚。已知設(shè)計(jì)外壓P0.2MPa，內(nèi)

42、徑Di1800mm，圓筒計(jì)算長度L10350mm，如圖5-15(a)所示，設(shè)計(jì)溫度為250，壁厚附加量取C2mm，材質(zhì)為16MnR，其彈性模數(shù)Et186.4103MPa。,（1）設(shè)筒體名義壁厚n14mm，則 D0 1800+2141828mm 有效壁厚en C14 212mm LD01035018285.7； D0e 182812152；(D0e 20)。,（2） 在圖1015的左方找出LD0 5.7的點(diǎn)，將其水平右移，與D0 / e 152的點(diǎn)交于一點(diǎn)，再將點(diǎn)下移，在圖的下方得到系數(shù)A0.00011；,0.00015,0.0002,0.00011,（3）在圖1018的下方找到系數(shù)A0.000

43、11所對(duì)應(yīng)的點(diǎn)，此點(diǎn)落在材料溫度線的左方，故用式（1026）確定p：,顯然p p，故須重新假設(shè)壁厚n或設(shè)置加強(qiáng)圈。現(xiàn)按設(shè)兩個(gè)加強(qiáng)圈進(jìn)行計(jì)算(仍取n 14mm)。,（1） 設(shè)兩個(gè)加強(qiáng)圈后計(jì)算長度L3450mm，,則 LD0 345018281.9， D0 / e 152 ；,（2）由圖1015查得A0.00035；,（3）在圖1018的下方找到系數(shù)A=0.00035(此點(diǎn)落在材料溫度線的右方)，將此點(diǎn)垂直上移，與250的材料溫度線交于一點(diǎn)，再將此點(diǎn)水平右移，在圖的右方得到B=42.5 ；,設(shè)兩個(gè)加強(qiáng)圈,(4)按式(1025) 計(jì)算許用外壓力p,因p p，故該外壓圓筒用n14mm的16MnR鋼板制

44、造，設(shè)置兩個(gè)加強(qiáng)圈，其結(jié)果是滿意的。,這個(gè)例題說明：在筒體上裝上一定數(shù)量的加強(qiáng)圈，可以減少筒體計(jì)算長度，提高剛性，從而提高圓筒的臨界壓力（許用外壓），即圓筒的承壓能力。,【例10-3】分餾塔內(nèi)徑2000mm，塔身(不包括橢圓形封頭)長度為6000mm，封頭深度500mm。370及真空條件下操作。現(xiàn)庫存有9、12、14mm厚的20R鋼板，能否用這三種鋼板制造。,塔的計(jì)算長度,鋼板負(fù)偏差均為0.8mm 鋼板的腐蝕裕量取1mm。 有效厚度為7.2、10.2和12.2mm。 簡(jiǎn)化計(jì)算，有效厚度取7、10和12mm,解：,當(dāng)n=9mm 時(shí),查圖10-15得A=0.000085。20R鋼板的s=245MP

45、a（查附錄6），查圖10-17，A值點(diǎn)落在材料溫度線得左方，故,20R鋼板370時(shí)的E=1.69105MPa,p0.1MPa，所以9mm鋼板不能用。,當(dāng)n=12mm時(shí),查圖10-15得A=0.00013。查圖10-17，A值所在點(diǎn)仍在材料溫度線得左方，故,因?yàn)閜0.1MPa，所以12mm鋼板也不能用。,查圖10-15得A=0.00018。查圖10-17，A值所在點(diǎn)仍在材料溫度線得左方，故,因?yàn)閜0.1MPa，所以，須采用14mm厚的20R鋼板制造。,當(dāng)n=14mm時(shí),六、加強(qiáng)圈,在筒體上裝上一定數(shù)量的加強(qiáng)圈，可以提高圓筒的臨界壓力（許用外壓），從而提高圓筒的承壓能力。,1、作用：縮短圓筒的計(jì)算

46、長度，增加圓筒的剛性，從而提高臨界壓力。,工字鋼,角鋼,扁鋼,2、結(jié)構(gòu)：,3、加強(qiáng)圈的最大間距和數(shù)量,故有：,鋼制短圓筒：,為了保證筒體能承受設(shè)計(jì)外壓P，加強(qiáng)圈最大間距,（10-29）,如加強(qiáng)圈的實(shí)際間距Lmax，表明圓筒能安全承受設(shè)計(jì)外壓。,需設(shè)置的加強(qiáng)圈的個(gè)數(shù)，等于圓筒不設(shè)加強(qiáng)圈的計(jì)算長度L除以所需加強(qiáng)圈間距Ls再減去1，即 加強(qiáng)圈個(gè)數(shù)n(L/Ls)1,(a),(b),hi/3,hi,D0,hi/3,關(guān)于加強(qiáng)圈的安裝制造，請(qǐng)同學(xué)們看書自學(xué)。,作 業(yè),習(xí)題：P224 9，11，12,10.4 封頭的設(shè)計(jì),容器封頭 （端蓋）,凸形封頭,錐形封頭,平板封頭,半球形封頭,橢圓形封頭,碟形封頭,球冠

47、形封頭,(無折邊、折邊),橢圓形封頭是由半橢球和高度為h的短圓筒(通稱直邊)兩部分所構(gòu)成。直邊的作用：避免筒體與封頭間的環(huán)向焊縫受邊緣應(yīng)力作用。,一、 橢圓形封頭,1、受內(nèi)壓的橢圓形封頭,橢圓各點(diǎn)曲率半徑不同，但變化連續(xù)（無突變），故受內(nèi)壓時(shí)，薄膜應(yīng)力分布也是連續(xù)的。,K橢圓形封頭形狀系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭K=1,橢圓形封頭計(jì)算厚度：,標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭計(jì)算厚度：,封頭由整塊鋼板沖壓而成，取=1,GB150-1998規(guī)定,橢圓形封頭標(biāo)準(zhǔn)為JBT473795,K,1,時(shí)，,0.15%,K,1,時(shí)，,0.30%,橢圓形封頭壁厚與筒體壁厚幾乎相等，大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭壁厚取為與筒體相同，或比筒體稍厚。,橢

48、圓封頭最大允許工作壓力計(jì)算公式,標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的直邊高度由表10-11確定。,2、受外壓的橢圓形封頭,假設(shè)n,計(jì)算enC,算出R0/ e 。 R0為橢圓形封頭當(dāng)量球殼外半徑,外壓橢圓形封頭厚度設(shè)計(jì)步驟同外壓圓筒。,R0=K1 D0。 K1 由長短軸比值決定，標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭K1 =0.9,b. 計(jì)算系數(shù),c. 根據(jù)材料，從A-B圖（圖10-16至圖10-20）中選用，若A值落在設(shè)計(jì)溫度線的右方，讀出B值，計(jì)算出許用外壓p,若A值在設(shè)計(jì)溫度線的左方，則許用外壓：,（1）若pp，假設(shè)的厚度n可用，若小得過多，可將n適當(dāng)減小，重復(fù)上述計(jì)算 （2）若pp，需增大初設(shè)的n，重復(fù)上述計(jì)算，直至使pp且接近p

49、為止。,d. 比較許用外壓p與設(shè)計(jì)外壓p,二、 半球形封頭,半球形封頭是由半個(gè)球殼構(gòu)成的，它的計(jì)算壁厚公式與球殼相同:,球形封頭壁厚比相同直徑和壓力的圓筒殼減薄一半。但為焊接方便以及降低聯(lián)接處邊緣壓力，半球形封頭常和筒體取相同的厚度。,受外壓的球形封頭的厚度設(shè)計(jì)，計(jì)算步驟同橢圓形封頭。球殼外半徑R0=K1 D0，其中 K1 =0.5,三、 碟形封頭,又稱帶折邊球形封頭，由三部分組成：半徑為Ri的球面、半徑為r的過渡圓弧（即折邊）和高度為h的直邊。,交界點(diǎn)a、b處，兩邊經(jīng)線曲率半徑不同（曲率不連續(xù)、有突變），故有較大的邊緣應(yīng)力。直邊區(qū)的作用：使封頭與筒體的焊縫避免邊緣應(yīng)力。,球面半徑Ri越大，過

50、渡區(qū)半徑r越小，封頭的深度就越淺，制造方便，但邊緣應(yīng)力就越大。規(guī)定： RiDi， r0.1Di 且r 3n,相同受力條件下，碟形封頭壁厚是橢圓形封頭壁厚1.2倍，笨重不經(jīng)濟(jì)，而且碟形封頭經(jīng)線曲率不連續(xù)（應(yīng)力分布不連續(xù)），因此沒有橢圓形封頭應(yīng)用廣泛。,（此公式不需記）,Ri=0.9Di，r=0.17Di的碟形封頭，稱為標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭，其計(jì)算厚度公式：,碟形封頭與筒體連接可用法蘭聯(lián)接，也可用焊接聯(lián)接。當(dāng)采用焊接聯(lián)接時(shí)，應(yīng)采用對(duì)接聯(lián)接。如果封頭與筒體的厚度不同，需將較厚的一邊切去一部分。,受外壓的碟形封頭，設(shè)計(jì)步驟同橢圓形封頭，只是R0為碟形封頭球面部分外半徑。,四、球冠形封頭,為了降低凸形封頭高度，

51、將碟形封頭的直邊及過渡圓弧部分去掉，只留下球面部分，即球冠形封頭，又稱無折邊球形封頭。特點(diǎn)：制造方便，封頭與筒體聯(lián)接處有較大的邊緣應(yīng)力。,五、錐形封頭,錐形封頭廣泛用作許多石油化工設(shè)備的底蓋，它的優(yōu)點(diǎn)：便于收集和卸除固體顆粒物料，避免凝聚物、沉淀等堆積。,錐形封頭分無折邊和帶折邊兩類，設(shè)計(jì)方法不同。,1、無折邊錐形封頭,a. 查圖10-27，確定大端是否須局部加強(qiáng),以降低聯(lián)接處的邊緣應(yīng)力（錐殼大端存在較大的附加應(yīng)力（薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力 ）。,適用于半錐角30,（1）錐殼大端,與圓筒聯(lián)接時(shí)，錐殼大端聯(lián)接處壁厚設(shè)計(jì)步驟：,b. 不必局部加強(qiáng)，計(jì)算壁厚為,c. 需加強(qiáng)，應(yīng)在錐殼與圓筒之間設(shè)置加強(qiáng)段,

52、錐殼加強(qiáng)段和圓筒加強(qiáng)段厚度相同：,Q錐殼大端聯(lián)接處的應(yīng)力增值系數(shù)，查圖10-28,錐殼大端聯(lián)接處的Q值圖，Q值與Pc/、有關(guān)。,加強(qiáng)圈的長度：,圖10-28,（2）錐殼小端,與圓筒聯(lián)接時(shí)，錐殼小端聯(lián)接處壁厚設(shè)計(jì)步驟：,a. 查圖10-29，確定小端是否須局部加強(qiáng)。,圖10-29,b. 不必局部加強(qiáng)，計(jì)算壁厚同大端 ：,c. 需加強(qiáng)，加強(qiáng)段和圓筒加強(qiáng)段厚度相同：,Q 錐殼小端聯(lián)接處的應(yīng)力增值系數(shù)，查圖10-30,Dis錐殼小端內(nèi)直徑,錐殼小端聯(lián)接處的Q值圖，Q值與Pc/、有關(guān)。,加強(qiáng)圈的長度：,圖10-30,3、無折邊錐殼的厚度（小結(jié)）,（10-36）,無折邊錐殼的各部分（大端、小端、加強(qiáng)段）厚度分別按右邊4個(gè)公式確定。,（10-37）,（10-38）,若整個(gè)錐形封頭厚度統(tǒng)一，取各部分厚度的最大值作為封頭的厚度。,加強(qiáng)段厚度,2、折邊錐形封頭,即在錐形封頭與圓筒聯(lián)接處加過渡圓角，可降低聯(lián)接處的應(yīng)力集中。當(dāng)半錐角30時(shí)，錐殼大端應(yīng)帶折邊，半錐角45時(shí)，小端亦應(yīng)有折邊。,當(dāng)錐殼半錐角60時(shí)，其厚度可按平蓋計(jì)算。,r0.1