内压薄壁壳体强度计算.pdf

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1、实用标准 文档大全 第三章、 3 1 内压薄壁壳体强度计算 目的要求：使学生掌握内压圆筒内压球形壳体的强度计算，以及各类厚度的 相互关系。 重点难点：掌握由第一强度理论推出的内压圆筒，内压球形壳体的强度计算 公式。 第三章内压薄壁容皿 本章的任务就是在回转薄壁壳体应力分析的基础上，推导出内压薄壁容皿强 度计公式。本章的压力容皿设计计算公式， 各种参数制造要求以及检验标准均与 GB150-1998钢制压力容皿保持一致。 第一节压内薄壁壳体强度计算 一、内压圆筒 为了保证圆筒受压后不破裂，根据第一强度理论 应使筒体上最大应力，即 环向应力 2小于等于材料在设计温度下的许用应力 t 用公式表达： 2

2、 2 t P D ，其中 P-设计压力。 1）中径 0 () 2 i DD 此外还应考虑到， 筒体在焊接的过程中， 对焊金属组织的影响以及焊接缺陷 （夹渣、气孔、未焊透等）影响缝焊的强度（使整本强度降低），所以将钢板的 许用应力乘以一个小于1 的焊接接头系数， 以弥补焊接可能出现的强度削弱，故 2 2 t P D ： 2 t P D 此外，工艺计算时通常以 i D做为基本尺寸，故将 i DD代入上式： 则 () 2 ti P D 可解出，同时根据 GB150-1998规定，确定厚度时的压力用计算压力 c p 代替。 最终内压薄壁圆筒体的计算厚度： 2 Ci t C PD P 适用：0.4 t

3、C P 考虑到介质时皿壁的腐蚀，确定钢板厚度时，再加上腐蚀裕量： 2 Cd 圆筒的设计厚度 实用标准 文档大全 再考虑到钢板供货时的厚度偏差，将设计厚度加上厚度负偏差， 再向上圆整 三规格厚度，这样得到名义厚度。 21d CC 筒体强度计算公式， 除了可以决定承压筒体所需的最小壁厚外，还可用该公 式确定设计温度下圆筒的最大允许工作压力，对容皿进行强度校核； 可以计算其 设计温度下计算应力，判断指定压力下筒体的安全。 例：设计温度下圆筒的最大允用工作压力 由 () 2 ti p D 推导而来 12 () en CC 2 t e W ie P D 设计温度下圆筒的计算应力： () 2 ttcie

4、e P D 采用计算压力 c p及 i D代替 D，并考虑焊接头系数的影响上式变形成： () 4 ti P D 则设计温度下球壳的厚度计算： 0.6 4 tci ct c P D P P 范围 : 考虑腐蚀裕量，设计厚度： 2 4 ci d t c P D C P 再 考 虑 钢 板 厚 度 负 偏 差C1， 再 向 上 图 整 得 到 钢 板 的 名 义 厚 度 12n CC，同理，确定球壳的最大允许工作压力Pw，并对其强度进行 校核。 4 () () t w ie tttce e P D P Di 最大允许工作压力 设计温度下球壳计算应力 对比内压薄壁球壳与图筒的壁厚公式：当前件相同时，

5、球壳的壁厚约为圆筒 实用标准 文档大全 形壁厚的确 1/2，且球形的表面积也小，大多数大容容量储罐多采用球罐。 三、容皿最小厚度： 例：一容皿 Di=1000mm，P=0.1MPa，温度 150，材料为 Q235A，焊接 接头系数0.85，腐蚀裕量 C2=1mm，计算其壁厚： Q235A 查 P50 0.5 2 ci t c P D mm P 对于这类中，低压容甲由强度公式求得的壁厚往往很薄，刚度不足，冷制造、 运输、安装带来材板易交形的困难。按照GB150-1998规定，对于形成后不包括 腐蚀裕量的最小厚度 min规定如下： 1 碳素钢、低合金钢制容皿 min 3mm 离合金钢制容皿 min

6、 2mm 2对标准椭圆封头（0.9;0.17 i RD rD的碳形封头，其有效厚度Di 0.15%） （封头） 四、各类厚度间的相互关系 下面对计算厚度，设计厚度 d，有效厚度e，名义厚度n ，形成厚度， 毛坏厚度作用。 第三章第二节设计参数的确定 目的要求：使学生初步掌握压力参数、设计温度，许用应力 t ，焊接接头 系数，厚度附加量 C 的选取。 重点难点：压力参数的选取以及各参数间的关系，许用应力的选取。 第二节设计参数的确定 由强度公式可看出，其公式内包含各种参数如：计算压力、设计压力、焊接 接头系数高计算、选取按GB1998钢制压力容皿 一、确定压力参数： 1、工作压力 Pw： 在正常

7、工作情况下，容皿顶部可能达到的最高压力， 即也称为最高工作压力。 2、计算压力 Pc： 在相应设计温度下， 计算壁厚用到压力，PcPP液（设计压力 +液柱静压） 实用标准 文档大全 若当P液5%p，P 液可以忽略不计。 3、设计压力 P： 容皿顶部最高的设定压力，其值不得低于工作压力： 1当容皿装有安全阀： Z PP（安全阀开启压力）(1.05 1.1)PzPw 2 容皿装有爆破片时， b PP（爆破压力）(1.15 1.3) b P倍最高工作压力。 二、温度（设计） t 指容皿在正常工作情况下， 在相应的设计压力下， 设定的受压元件的金属温 度。 1对 0以上的， t 不得低于元件金属工作状

8、态下可能达到最高温度； 2对 0以下的， t 不得高于元件金属工作状态下可能达到最低温度； 不可通过传热计算求得见表3-3 3许用应力 t 指容皿壳体、 封失等受压元件的材料用强度， 根据材料各项强度性能指标分 别除以相应的标准中规定的安全系数确定。 GB150给出了钢板，钢管、锻以及螺栓材料在设计温度下的许用应力，当t 20取 20。 四、焊接接头系数 容皿都通过焊接制成，焊缝往往可能存在夹渣、气孔、裂纹等缺陷，使缝及 其热影响区的强度受到削弱， 为了补偿焊接时可能出现的缺陷对强度的影响，引 入， 焊缝金属强度 母材金属强度 反映焊缝材料削弱程度 1对双面焊 100%=1.0 局部=0.85

9、 2单面对接接头（沿焊缝全长有紧贴基本金属） a100% 无损检验=0.9 b局部无损检验=0.8 五、厚度附加量 C 确定容皿厚度时， 不仅要依照强度计算公式得到， 还要考虑钢材的厚度负偏 差及腐蚀裕量，即引入厚度附加最C： 实用标准 文档大全 C=C1+C2 C1钢板在轧制过程中可能出现比实际厚度小的情况，平重影响其强度。 C2由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄，需要考虑腐蚀余量。 1 Ctt预期的容皿使用寿命 2 对介质为压缩气、水蒸气或水的碳素钢或低合金钢 2 ()Cmm，不锈钢腐 蚀轻微 C2=0。 腐蚀裕只对全面腐蚀有意义，对于局部腐蚀效果并不好。 六、压力容皿的公称直径、公称压

10、力 为了便于设计和成批生产， 增强零部件的互换性， 降低生产成本， 对化工设 备及其零部件制定了系列标准， 设计时可采用标准件， 标准化的基本参数是公称 直接径和公称压力。 公称直径：用钢板卷制成的筒体， 其公称直径近的等于内径， 封失的公称直 径与筒体一致。 若 Di=970mm，应将其调整为最接近标准值的1000mm，这样选用公称直径 1000的各种标准零部件。 公称压力：把压力容皿所能承受的压力范围公成若干个标准压力等级，称公 称压力，以 PN表示，选用容皿时必须将操作温度下的最高操作压力调整为整一 公称压力等级。例：3-1 设计压力P=0.4MPa，设计温度t=70，圆筒内径 Di=1

11、000mmm， H=3000mm， 盛装液体介质，液柱静压力为 0.03MPa ， 圆筒材料 16MnR 。 腐蚀余量 C2取 1.5mm ，焊接接头系数0.85，试求该容皿的筒体厚度。 1）根据设计压力 P和液柱静压力 P液确定计算压力 PC。 液柱静压力 0.03uPa ，已大于设计压力的5%所以应计入计算压力中。 PC=P+P液=0.4+0.03=0.43MPa 2）求计算厚度 先假设筒体厚度为616mm，查表3-6 得设计温度为70时许用应力 170 t MPa，得以上参数带入式（ 3-2）得筒体计算厚度为： 1.49 2 t PcDi mm Pc 3）求设计厚度d 2 2.99dCm

12、m 4）求名义厚度 S 实用标准 文档大全 查表 3-10 得钢板的厚度负偏差C1=0.3mm，因而可双名义厚度4nmm， 但对于低合金容皿规定不包括腐蚀裕量的最小厚度min 不应小于 3mm，若如上 1.5mm 的腐蚀裕量，名义厚度至少取5mm。 根据钢板厚度标准规格，名义厚度n取 6mm 5）检查： 6, t nmm没有变化，故取名义厚度6mm 合适。 第三章第三节内压封头结构和计算 目的要求：使学生熟悉凸形封头，锥形封头和平盖结构，掌握凸形封头，锥 形封头及平盖的计算 重点难点： 1、凸形封头的结构特点、分类 2、凸形封头的结构计算 第三节内压封头结构计算 封头按结构形状可分为：凸形封头

13、、锥形封头、平盖封头三类，本节着重介 绍常用的这几种封头的结构和强度计算方法 1、凸形封头 常用的凸形封头有：半球有：半球形封头、椭圆形封头和碟形封头 1、半球封头：其封头为半个球壳，其具有球壳所具有的优点（相同下， 受力为筒体一半，相同受力下，壁厚最薄，容积表面积最小，最结省材料）但其 制造最困难。 一般对于中、小直径容皿很少用它，多用于高压容皿上。 分析其受力： 12 4 PD 其厚度（强度）计算公式也与球壳相同 4 t PcDi Pc 选用范围：0.6 t Pc 2、椭圆封头：由半个椭圆球面和高为h 的短圆筒（直边）组成，直边段作用： 避免筒体与封头间环向连接焊缝处出现边缘应力与热应力的

14、叠加，改善受力情况 由于封头的椭球部分经线曲率变化非常平滑连续，故优点应力分部均匀， 而且易 于冲压形型。 是目前中、 低压各皿中应用较广的一种封头的受力：受内压的椭圆 形封头最大原合应力 max与椭圆封头的比值关有： （在椭圆顶点12 () 2 Pa a b 实用标准 文档大全 赤道处： 1 2 Pa 2 ( 2) 2 P aa b ） 工程上对 a/b=1.02.6 的椭圆形封头，引入形状系数K，由此得到封头受最大综 合应力： max 2 KPD21 2() 62 Di K hi 式中 K椭圆形封头形状系数 K 值可根据/ 2a bDihi按 P64表 3-18 查 由第一强度理论： ma

15、x t 并考虑焊接系数： 2 t KPD 由,DDiPcP推导出椭圆形封头厚度计 20.5 t KPcDi Pc 注：椭圆封头的强度计算公式由K 的化值推算出来，椭圆封头上最大应力圆筒 体上最大应力 =K，圆筒体上最大应力（ =直径为原圆体2 倍的球壳上最大应力 2maxDS K 椭球壳 4 2 0 . 5 tt KPcDiKPcDi PcPcPc t KPcPi 球=椭椭 4 当选取/2a b时，椭圆形封头是标准封头，此时 2 2()1 62 Di h 1 K=Di/2hi=2K= 则标准椭圆形封头的厚度计算公式可表示： 20.5 t PcDi Pc 与圆筒厚为： 2 t PcDi Pc 大

16、致相等，考虑到受力情况用等厚钢板进行制造。 椭圆形封头的最大许用工作应力 2 0.5 t c Pw KDic 3、碟形封头，又称带折边的球面封头，它由半径为Ri的球面中的一部分，高度 为 h 的短圆筒以及联接此二者的过渡环壳半径r 三部分组成， （其几何形状上看， 曲面不连续， 所以应力分部不均匀但制造较容易，一定场合下代替椭圆形封头的 使 用 ， 一 般 碟 形 封 头 球 面 部 分 内 半 径 RiDi ， 封 头 过 渡 环 壳 内 半 径 10%,3rDir且） 在建 立其 厚度公 式时 ， 引入形 状 系数M ， 得到 碟 形 实用标准 文档大全 20.5 t MPcRi Pc 1

17、 ( 3) 4 Ri M r 值 M 的选取可 P65表 3-19 碟形封头的最大允许工作应力 2 0.5 t c Pw MRic （与标准封头比，碟形封头厚增加33%，笨重不经济） 例： 3-3， 为例 3-2 中储罐设计合适的凸形封头， 封头材料与筒体一致， 选 16MnR， Pc=2.5uPa，操作温度 -544，内径 Di=1200mm ，焊接封头系数0.85，许用应 力170 t MPa腐蚀裕量 2 1Cmm； 解：分别算各类封头的强度和经济合理性进行比较 1）半球球封头 5.21 4 t PcDi mm Pc 则 2 6.71dCmm查 表3-10得 钢 板 厚 度 负 偏 差C1

18、=0.6 1 8ndCmm 2）椭圆形封头（取标准椭圆封头K=1） 10.43 20.5 t PcDi mm Pc 则 2 10.4311.93dCmm查表 3-10取 C1=0.8mm 1 14ndCmm 3）碟形封头（取0.9RiDi0. 1 7rD i1. 3 3M均） 12.48 20.5 t MPcRi mm Pc 则 2 12.4813.98dCmm查表 3-10 取 C1=0.8mm 1 16ndCmm 可知：半球形封头用材最小，但制造难，碟形封头比较浅，制造比较容易，但比 半球形厚厚 8mm，但封头与筒体厚度相差悬殊结果不合理，因此，从强度到结 构和制造等方面考虑，以采用椭圆形

19、封头理想。 二、锥形封头： 广泛地用低容皿的底盖， 优点便于收集并剖除固体颗粒或结晶料 液，避免洗淀堆积。 锥形封头的有两种结构，当锥形半核角30 o 选用无折边的结构：当30 o 时 采用带有边液段的折边结构。 实用标准 文档大全 大端折边的锥形封头的过液段的转角半径10%,3rDir 过 且；对于小端 45 o 时采用无折边结构；45 o 时，则采用带过液段的折边结构。 根据第一强度理化 max Pr 3 t co 考虑焊接接头系数影响： max Pr 3 t co 用,PcP Dcr代 (8) 23 t Pc Dc co 由此可得设计温度下锥形封头计算厚度公式： 1 23 t PcDc

20、c Pcco 考虑腐蚀裕量： 2 dccC 考虑钢板厚度负偏差 1 ncdcC 三平盖 平盖是容皿和设备中结构最简单的一种封头，常用在常压小直径的设备上， 平盖 总处于爱弯曲应力的小利状态， 当条件相同时， 平盖的厚度总比各种凸形封头和 锥形封头的厚度大得多。 平盖的模型：圆形、椭圆形、长圆形、矩形等。分析其受力：在工程计算中，一 般采用平板理论的经验公式，引入结构特征系数K，平盖周边支撑情况 2 max () D KP 根据强度理论，并考虑焊接接头系数可得圆形平盖厚度公式： t KPc pDc 对于 K 值可见 P73表 3-22 中查取 例：选 3-2 储罐用圆形平盖，试求其厚度 已知2.

21、5/PcPc a1200Dimm材料 16MAR，操低温为 -544，腐蚀余量 取 2 1.5,170 t CmMPa 实用标准 文档大全 解：查表 3-22 中序号为 2 的圆形平盖，其结构特征系数K=0.27，采用整块钢制 造1，按式子（ 3-27）计算平盖的厚度 0.272.5 120075.6 1701 t KPc pDcmm 考虑腐蚀裕量 2 1.5Cmm，查表得钢板厚度反偏差 1 1.8Cmm 12 75.61.51.880ppCCmm 可以看出平盖的厚度一般远远大于筒体的厚度，平盖一般只宜用于常压或压力很 低的压力容皿。 第三章第四节压力试验 目的要求：使学生了解什么是液压试验，

22、气压试验以及气密性试验， 这些试 验的目的是什么，各用于什么场合。 重要难点：各种压力试验的试验过程以及试验压力的确定。 第四节压力试验 按强度，刚度设计算确定出各壁厚度，由于材质、钢板卷弯，焊接及安装加 工制造过程的不完善， 导致容皿不安全， 有可能在规定的工作压力下出现过大度 形或焊缝有渗漏现象。 因此，容皿在制成或检修后还需进行压力试验或增加气密性试验。 压力试验的目的： 在超设计压力下， 检查容皿的强度以及密封结构和焊缝有 无泄漏等。 气密性试验的目的： 是对密封性要求高的重要容皿在强度试验合格后进行的 泄露检查，压力试验和气密性试验均是打压试验。分为液压试验和气压试验： 1对于不适合

23、进行液压试验的容皿内不允许有微量列留液体， 由于结构原因 不能充满液体的容皿， 如高塔，液压的液体重力可能超过基础承受能力等，均采 取气压试验。 2 其余都采取液压试验 一、液压试验： 定义：将液体注满容皿后， 再用泵打压增至试验压力， 来检验容皿的强度和 致密性。如图，试验用两个程量相同的表且试2P浅P压表量程 1试验介质要求： 实用标准 文档大全 通常用清水，特殊要求时采用无危险液体其温度低于闪点或沸点温度。 当奥氏体不锈钢：25/dmg L含量 碳素钢、 16MnR 等容皿：液体不低于5 2试验过程： 1 容皿顶部设有排气口，以便排尽空气充满液体 2压力应缓慢上升，达到试验压力后，保压时

24、间 30min，降压时先降 80% ， 并对所有焊接接头和连接部位检查。有渗漏、依标记、卸压后修补，重新试验。 3 对夹套容皿， 先进行内筒液压试验， 合格后再焊夹套， 对夹套内进行液压 试验。 4液压试验完毕，排尽液体并用压缩空气将内部吹干。 3、试验压力的确定： 试验压力是： 进行压力试验时规定容皿应达到的压力，该值反映在容皿顶部 的压力表上。 P1.25 tt P P设计压力材料在试验温度下的许用应力 t 材料在设计温度下的许用应力 注意事项： 1若容皿铬牌上规定有最大允用工作压力时， 公式中用最大允许工作压力替 代设计压力 P 2容皿各元件（圆筒、封头、接管、法兰及紧固件等）所用材料不

25、同，应取 各元件/ t 最小值。 3 若立式容皿水平放置进行液压试验时，其试验压力再加上容皿直立时圆筒 承受的最大液体静压力。 4、试验应力校核： 压力试验前，按下式校核圆筒应力 () 2 TT Dic P c 且为了防止容皿产生过大的应力，要求在试验压力下圆筒应力满足： 液压： 0.2 0.9() T s 0.2 ()s圆筒材料在试验温度下屈服点（或0.2%的屈服强度） 二、气压试验： 实用标准 文档大全 要求：气压试验前必须对容皿的主要焊缝进行100%无损检验，且试验所用 的气体应为干燥洁净的空气，氮气或其它惰性气体。 试验压力的计算公式： P1.15 Tt P 气压试验的校核条件为 0.

26、2 0.84() T s 试验过程： 1压力应缓慢上升至规定试验压力的 10%， 且不超过 0.05MPa时， 保压 5min， 然后对所有焊接接头和连接部位进行初次泄漏检查（补修）至合格后， 再继续缓 慢升夺至规定试验压力的50%，其后，以每级试验压力的10%的级差逐级增至 试验压力。 三、气密性试验： 对于介质为易烯或毒性程度为极度、 高度危害或设计上不允许有微量泄漏的 压力容皿，必须进行所密性试验。 要求：应在液压试验合格后进行， 且在气密性试验之前， 应该将容皿上的安 全附件装配齐全。 气密性试验的试验压力： 1若容皿上没有安全泄放装置， PT取设计压力为 1.0 2若容皿上装有安全泄放装置， PT应低于安全阀的开启压力或爆破片的设 计爆破压力，取容皿最高工作压力的1.0 倍。目的不泄露。 PT=1.0PI 步骤： 压力缓慢上升，达到规定试验压力后保压10min，然后降至设计压力，对所 有焊接接头和连接部位进行泄漏检查。有泄漏的修补后重新进行液压实验和气密 性试验。