1、8.3 8.3 内压薄壁容器的设计内压薄壁容器的设计 按容器的外径Do和内径Di的比值K不同，可将容器分为： 1. 厚壁容器厚壁容器：K1.2, 2. 薄壁容器薄壁容器：K1.2, 即1 . 0D/in 薄壁壳体应力分析理论：薄壁壳体应力分析理论：薄膜理论薄膜理论 容器壳壁很薄，无法承受弯曲应力，只容器壳壁很薄，无法承受弯曲应力，只能承受拉压应力，并沿壳壁壁厚方向均匀能承受拉压应力，并沿壳壁壁厚方向均匀分布分布薄壁壳体：薄壁壳体： R0 / Ri 1.2或或 tn / Di 0.1DiptB二向应力状态：二向应力状态：经向经向应力应力 、周向周向应力应力 8.3.1 内压薄壁圆筒的应力分析内压
2、薄壁圆筒的应力分析 截面法求截面法求 取右半部分受力分析：取右半部分受力分析：Dipt列平衡方程：列平衡方程：DtpDFx240tpD41. 经向应力经向应力 (轴向应力轴向应力) 静力平衡方程：环向应力环向应力为为:2. 环向应力（周向应力）环向应力（周向应力） 0dsinPRltl2d 单位长度圆环取半部分受力分析单位长度圆环取半部分受力分析tpD2球形壳体的应力分析球形壳体的应力分析 环向应力和经向应力相等：环向应力和经向应力相等：t4PDt2PR 椭球形壳体的应力分析椭球形壳体的应力分析axbM)2b2a(2x4atb2P )ba(xaa2)ba(xatb2P222442224 顶点：
3、顶点：边缘：边缘： bat2Pat2Pa 2)ba(2t2Pa锥形壳体的应力分析锥形壳体的应力分析 tgt2Pxcost2pr tgtPxcostprprx薄壁壳体的几何形状、加载方式、边界条件不连续薄壁壳体的几何形状、加载方式、边界条件不连续时，某些部位应力发生突变，显著提高。时，某些部位应力发生突变，显著提高。一）边缘应力的产生一）边缘应力的产生1）曲率半径突变2）应力突变3）厚度、结构突变4）载荷不均匀P8.3.2 边缘应力及其处理边缘应力及其处理0Q0Q00ppM0M0M0M0图图8-178-17圆筒形容器的边缘效应圆筒形容器的边缘效应 二）边缘应力的特性二）边缘应力的特性1）局部性）
4、局部性数值很大，数值很大，但作用范围很小。但作用范围很小。Ox边2）自限性）自限性随塑性变形后，边缘应力得到缓解，随塑性变形后，边缘应力得到缓解，自动限制。自动限制。解决方法：结构上局部处理解决方法：结构上局部处理合理不合理不合理合理不合理合理不合理合理8.3.3 内压薄壁圆筒壳体的设计内压薄壁圆筒壳体的设计一一. . 强度设计公式强度设计公式强度条件：强度条件：而：而：D = Di + t，有有 t2/PDtPR 根据强度条件：t4/PDt2PR tit2) tPD（ttpD2设计公式：设计公式：考虑腐蚀余量C2，得设计厚度设计厚度：tdt4.0p适用于：有有计算厚度：计算厚度：22CPPt
5、tidDPpDtti2圆整值钢板厚度负偏差设计厚度名义厚度设计厚度设计厚度 td计算厚度计算厚度 t22CPPttidD名义厚度名义厚度 tn名义厚度名义厚度 tntn = td + C2 = t+C1+C2+有效厚度有效厚度 tete = tn - C2 -C1 = t+=tmin - C2PpDtti28.3.4 设计参数的确定设计参数的确定1.设计压力设计压力p无安全阀：P(1.01.1)PW；有安全阀：P = (1.051.1)PW 且不低于安全阀开 启压力。有爆破片：爆破压力Pb的上限；液化气体：操作最高温度下的饱和蒸汽压。液体介质：液柱静压大于0.05P时，应计入。钢制压力容器 G
6、B150-1998向上圆整至规定值向上圆整至规定值指容器正常工作时，设定元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值），可能达到的最高或最低温度（低于或等于-20)，与设计压力一起作为载荷条件。2. 设计温度设计温度t许用应力由材料的机械性能（、）除以相应的安全系数（、）而得。影响许用应力的因素：1 、使用温度2、 钢板厚度3 .许用应力许用应力 t t4 .焊接接头系数（焊缝系数）焊接接头系数（焊缝系数） 焊缝系数决定于两个因素：1 .焊缝的结构形式2 .无损检测水平：射线探伤、超声波探伤；压力容器安全技术监察规程a. 壁厚附加量 CC1C2 C1：钢板厚度负偏差 C2：腐蚀裕量 b. 最小壁
7、厚最小壁厚tmin ： tn tmin + C2 保证设备运输、安装过程中的安全。c. 名义厚度tn：标注在图样上的厚度d. 有效厚度te ：te = tn- C5 . 厚度厚度 碳素钢、低合金钢容器：碳素钢、低合金钢容器： 3mm 高合金钢容器：高合金钢容器： 2mm8.3.6 压力试验与气密性试验压力试验与气密性试验seeiTTttDp9 . 02)(1、 液压试验液压试验压力试验下的强度校核： MPaPPtTP1 . 025. 1且不小于试验压力：试验试验目的目的：检验容器在超工作压力下的宏观强度，包括检检验容器在超工作压力下的宏观强度，包括检查容器材料的缺陷、容器各部分是否发生过大的变
8、形、焊接查容器材料的缺陷、容器各部分是否发生过大的变形、焊接强度和容器法兰联结的泄漏检查。强度和容器法兰联结的泄漏检查。2 2、气压试验、气压试验 MPa1 . 0PP15. 1PtT且不小于seeiTTttDp8 . 02)(试验压力：压力试验下的强度校核压力试验下的强度校核：试验试验前必须对重要焊缝进行前必须对重要焊缝进行100%的无损检测。的无损检测。 气密性试验应在液压试验合格后进行，以检气密性试验应在液压试验合格后进行，以检查压力容器的整体密封性能。查压力容器的整体密封性能。PPT例例8 - 1，23、 气密性试验 试验压力：试验压力：即为容器的设计压力例题：一台卧式液氨储罐的设计压
9、力为例题：一台卧式液氨储罐的设计压力为2.5MPa，操作操作温度为温度为-544oC，储罐内径为储罐内径为1200mm，试选用储罐的试选用储罐的材料并确定筒体壁厚。材料并确定筒体壁厚。解：第一方案，解：第一方案，使用使用16MnR，估计估计厚度约厚度约616mm 确定确定 t t= =170 MPa 170 MPa （附录附录） 确定确定 s s=345 MPa 345 MPa （附录附录） 确定焊接接头系数确定焊接接头系数 （表（表8-88-8）0.850.85 确定钢板负偏差确定钢板负偏差C C1 1 （表表8-98-9）0.800.80 确定腐蚀裕量确定腐蚀裕量C C2 2 1.01.0
10、8.3 内压薄壁容器的设计内压薄壁容器的设计将上述数据代入下式：腐蚀裕度计算厚度设计厚度mmCPpDttid47.110 .15 .285.0170212005 .2228.3 内压薄壁容器的设计内压薄壁容器的设计 MPaPPtT125. 35 . 225. 125. 1圆整值钢板厚度负偏差设计厚度名义厚度mmCttdn1427.128 . 047.111储罐的水压实验压力：8.3 内压薄壁容器的设计内压薄壁容器的设计取 pT= 3.13 MPa该厚度同时满足最小壁厚要求。该厚度同时满足最小壁厚要求。储罐试验压力下的应力校核：MPaMPattDPTseeiTT26434585.09 .05 .
11、1552 .122)2 .121200(13.39 .02)(腐蚀裕量钢板厚度负偏差名义厚度有效厚度mmCCttne2 .1218 . 01421用16MnR材料，满足水压试验时的强度要求。8.3 内压薄壁容器的设计内压薄壁容器的设计解：解：第二方案，使用20R，估计厚度约616mm 确定t=133 MPa （附录） 确定s=245 MPa （附录） 确定焊接接头系数 （表8-8）0.85 确定钢板负偏差C1 （表8-9）0.80 确定腐蚀裕量C2 1.08.3 内压薄壁容器的设计内压薄壁容器的设计将上述数据代入下式：腐蚀裕度计算厚度设计厚度mmCppDttid4 .140 .15 .285.
12、0133212005 .2228.3 内压薄壁容器的设计内压薄壁容器的设计 MPapptT125.35 .225.125.1圆整值钢板厚度负偏差设计厚度名义厚度mmCttdn162 .158 . 04 .141储罐的水压试验压力：8.3 内压薄壁容器的设计内压薄壁容器的设计取 pT= 3.13 MPa储罐试验压力下的应力校核：MPaMPattDPTseeiTT43.18724585. 09 . 06 .1332 .142)2 .141200(13. 39 . 02)(腐蚀裕量钢板厚度负偏差名义厚度有效厚度mmCCttne2 .1418 . 01621用20R材料，满足水压试验时的强度要求。8.
13、3 内压薄壁容器的设计内压薄壁容器的设计比较上述两种计算结果：%5 .12%100161416用用16MnR的钢板耗用量比采用的钢板耗用量比采用20R可减少可减少8.3 内压薄壁容器的设计内压薄壁容器的设计所以，采用所以，采用16MnR的钢板材料更为适宜。的钢板材料更为适宜。压杆失稳的概念压杆失稳的概念FTF=Fcr临界载荷临界载荷6.压杆失稳的概念压杆失稳的概念压杆的压杆的临界载荷临界载荷cr：压杆保持直线稳定平衡时所压杆保持直线稳定平衡时所能承受的最大轴向压力。当轴向压力达到能承受的最大轴向压力。当轴向压力达到cr时，时，压杆随时有失稳的可能，一旦失稳变弯，将不可能压杆随时有失稳的可能，一
14、旦失稳变弯，将不可能恢复。恢复。稳定性：稳定性：构件保持原有形状的能力。构件保持原有形状的能力。失稳：失稳：构件失去原有形状的平衡。失稳现象构件失去原有形状的平衡。失稳现象的发生决定于构件及其作用载荷。的发生决定于构件及其作用载荷。6.2 临界压力的确定临界压力的确定1 与压杆长度有关与压杆长度有关 Fcr 1/l 22 与弹性模量有关与弹性模量有关Fcr E 钢塑 料3 与横截面几何形状有关与横截面几何形状有关Fcr I (最小轴惯性矩最小轴惯性矩)4 与支承有关与支承有关Fcr (长度系数长度系数)欧拉公式欧拉公式1 与压杆长度有关与压杆长度有关Fcr 1/l22 与弹性模量有关与弹性模量
15、有关Fcr E 3 与与横横截面有关截面有关Fcr I4 与支承情况有关与支承情况有关Fcr 1/ 2lFEIcr22例例1 已知：压杆为已知：压杆为Q235钢，钢， =1, 求求Fcr301000FF4yx解解: 由稳定性条件得由稳定性条件得NlEIFcrmmbhI5 .315)10001 (160102)(16012/43012/25222433由强度条件由强度条件: N19200160304ANF,ANmax因此因此,Fcr =315.5N 外压容器外压容器的定义：作用在壁外的压力大于壁内的压力的容器。失效的主要形式为失稳。失稳失稳：突然失去原来保持平衡状态时的几何 形状。 常用的圆筒形
16、容器在横向外压均匀作用时容易失稳，外压容器失稳时的最低外压力Pcr称为临界压力。8.4 8.4 外压薄壁容器的设计计算外压薄壁容器的设计计算长园筒长园筒轴向失稳1) 圆筒外径与有效壁厚之比 te / Do2) 圆筒长度与外径的比值 L/Do3) 材料的力学性能 （E，) 压杆失稳压杆失稳的主要因素：的主要因素： 容器失稳容器失稳与压杆失稳类似，Pcr取决于： 外载大小 压杆柔度(细长比) 材料的力学性能。 外压圆筒的分类外压圆筒的分类1、长圆筒 2、短圆筒 3、刚性圆筒 当L/D0较大（LLcr），中间部分不受两端封头或加强圈的支持作用。临界压力与L/D0无关。 相对长度较小（L2强强度度破破
17、坏坏失失 稳稳外压薄壁圆筒厚度设计外压薄壁圆筒厚度设计 外压设计的总体思路：保证设计压力P小于许用外压P 而P=Pcr/m，m: 稳定安全系数 m 决定于Pcr的准确程度、制造技术、焊缝结构形式等因素。 我国规定 m=3一一. 解析法解析法1. 计算公式：计算公式：长圆筒：（长圆筒：（L Lcr）30212DtEpcr对钢制长圆筒，可取 ，上式即为： 302 .2DtEpcr mppcr302.2DtmEpe而:因此因此, 长圆筒的长圆筒的许用设计外压力许用设计外压力为为:3.02、临界长度：、临界长度：eoocrtDDL17.1短圆筒：（短圆筒：（L Lcr假设名义厚度假设名义厚度 tn有效
18、厚度有效厚度 te= tn- C1- C2eetDLDmtEp/59. 2002L Lcr ?endP P?计算步骤计算步骤注意：本计算方法适用于弹性失稳，注意：本计算方法适用于弹性失稳， cr=pcrD/2te s (1) 根据容器的操作工况，选定筒体材料；(2) 假设筒体壁厚（常取大于或等于强度计算所得厚度），确定筒体的有效壁厚；(3) 计算筒体的临界长度，并与设计圆筒的实际计算长度相比较，确定筒体的长、短圆筒属性；(4) 根据筒体属性，选择相应的计算式，确定其许用设计外压力；(5) 确定设计外压力，并与P比较，若 且数值较接近，假设的壁厚可作为容器的设计壁厚。若两者相差太大，说明假设的壁
19、厚不合适，需重新假设壁厚，再重复以上计算步骤，直至满足要求为止. pp 二二 . 图算法图算法图算法来源: 应变A与材料无关cr(A)L/DoDo/e外压圆筒几何参数计算图外压圆筒几何参数计算图外压圆筒厚度计算图外压圆筒厚度计算图不同材料应变A与Pcr的关系 外压圆筒厚度计算图外压圆筒厚度计算图 (BA图图)BAEAcrcrecrcrtDp20 eecrecrtDAEtDmAEmDtmpp0003222 etDpB0crAEB3232A表示圆筒失稳时临界应力所对应的周向应变周向应变:而:即可得到许用设计外压力 与系数A的关系:令:可得B与与A间的关系式间的关系式: etDBp0而而:1 假设t
20、n, 计算te2 确定比值： L/D0和D0/te3 查几何参数计算图8-13，确定A值4 根据不同材料查厚度计算图8-14,15,16确定B值，求得许用设计外压P: 当A在温度线的右方: 当A在温度线的左方，属弹性失稳 5 比较P与P ,以P小于且接近于P为原则设计方法和计算步骤设计方法和计算步骤 etDBp0 etDAEp0323、设计参数：、设计参数：设计外压力设计外压力p: GB150-1998圆筒计算长度圆筒计算长度L：两个刚性构件之间的最大距离稳定系数稳定系数m：JB741-80钢制焊接压力容器技术条件试验压力试验压力pT：液压试验液压试验 pT =1.25p 气压试验气压试验 p
21、T=1.15p 类别 设计压力 外压容器 取不小于正常工作过程中可能产生的最大内外压力差 有安全装置时，取 1.25 倍最大内外压力差或 0.1MPa两者中的较小值 无安全装置时，取 0.1MPa； 真空容器 带夹套的真空容器，按上述原则再加上夹套的设计压力 Lhi/3hi/3hihiLhi/3hi/3hihiLLLhi/3hiLLhi/3L(a-1)(a-2)(c-1)(c-2)(e)(f)(d)(g)L(b)三三. 轴向受压圆筒的设计轴向受压圆筒的设计RtERtEmmieiecrcr06. 018. 01在弹性阶段：在弹性阶段：在弹塑性阶段用在弹塑性阶段用BA图确定图确定 cr8.4.3
22、加强圈的作用加强圈的作用一一. 加强圈的作用和结构加强圈的作用和结构设置加强圈的目的是给筒体增设置加强圈的目的是给筒体增加一刚性支承，以减少筒体计算长加一刚性支承，以减少筒体计算长度。度。二二. 加强圈的计算方法和步骤加强圈的计算方法和步骤1. 初步选定加强圈的数目和间距初步选定加强圈的数目和间距2. 选择加强圈材料和截面尺寸，计算加强选择加强圈材料和截面尺寸，计算加强圈的横截面面积圈的横截面面积AS和综合惯矩和综合惯矩JSxxtLspcr2b2b3. 用用BA图求图求A值值LAtDsseoPBAJLAtLDsseso9 .10)(2其中：4. 求加强圈所需惯矩：求加强圈所需惯矩：5. 比较比
23、较J与与JS，要求要求JSJ8.5 压力容器的安全使用与管理压力容器的安全使用与管理 1.依据: 压力容器安全技术监察规程压力容器安全技术监察规程 2.压力容器的设计监察: 设计单位具有设计类别、品种范围、设计资格的批准书，设计资格印章，对设计质量负责 3.压力容器的制造监察： 制造单位具有制造许可证，检验单位的监检 压力容器的安全技术监察压力容器的安全技术监察 压力容器的安全使用与管理压力容器的安全使用与管理1.管理体系与职责2.建立压力容器计算档案3.压力容器的使用登记 核定压力容器安全状况等级核定压力容器安全状况等级: 5级级, 表表8-4, 检规检规 登记使用登记使用: 变更与判废变更
24、与判废4.制定压力容器的安全操作规程5.正确操作容器 压力容器的定期检查压力容器的定期检查 检查目的 检查内容 外部检查, 内外部检查, 耐压试验 检查程序 检查报告 , 包括检验结论报告和各检验项目的分项报告 反应釜釜体直径1m，釜高0.7m，材料为0Cr18Ni9Ti；釜体夹套内径1.2m，材料为Q235-A。该釜开始是常压操作，然后抽低真空，继之抽高真空，最后通0.3MPa的氮气。夹套内加热介质为蒸汽，最大压力0.2MPa，釜内物料温度不超过275C。釜体和夹套均为局部无损探伤的双面焊或全焊透单面对接焊。介质无腐蚀。确定釜体及夹套的厚度。例例 题题夹套按内压设计夹套按内压设计 设计压力
25、P=1.10.2=0.22MPa 设计温度 T=132.9 材料的许用应力：=113MPa 焊缝系数：=0.85 C1=0.3mm,C2=1mm mmCPPtidDt38.20 .122.085.01132120022.022取夹套的厚度为取夹套的厚度为4mm按最小壁厚：按最小壁厚： tmin = 2 Di / 1000=2.4 mm, 且不小于3 tn tmi n +C2=4mm , 取tn =4mm水压试验校核：水压试验校核： MPa275. 011311322. 025. 1p25. 1ptT试验压力取试验压力取P T 和和 p+0.1=0.32的大者的大者筒体应力筒体应力:TeeiTT
26、MPapttD85.8385.07 .22)7 .21200(32.02)(水压试验时筒体应力小于水压试验时筒体应力小于0.9倍的材料屈服极限，故合格。倍的材料屈服极限，故合格。釜体按内压设计釜体按内压设计 设计压力 P=1.1PW=0.33MPa 设计温度 T=300 材料的许用应力：t=114MPa,s=202MPa 焊缝系数：=0.85 C1=0.2，C2=0， td = t+C=1.65+0.2=1.85mm mmPPttiD65. 133. 085. 01142100033. 02取釜体厚度为取釜体厚度为6mm按最小壁厚：按最小壁厚： tmin =2mm, tn tmi n +C2=
27、2mm , 取 tn =3.0mm水压试验校核：水压试验校核： MPapptT49.011413733.025.125.1试验压力取P T 和 p+0.1的大者筒体应力:MPapttDeeiTt6 .12585. 03 . 22) 3 . 21000(49. 02)(水压试验时筒体应力小于水压试验时筒体应力小于0.9倍的材料屈服极限，故合格。倍的材料屈服极限，故合格。釜体按外压设计釜体按外压设计(高度真空高度真空) 设计压力 P=P夹0.1=0.32MPa 外压计算长度： L=h+h0 +h1/3 =700+25+250/3=808.3mm 筒体内径：Di=1000mm， 按内压设计的筒体厚度
28、为6mm, C1=0.6mm, C2=0, Do = Di +2 tn =1012mm te= tn C=60.6=5.4 mm 筒体的临界长度： LLcr 为短圆筒 筒体的临界许用压力： PP，且较为接近，故所选厚度合适。mmtDDLeoocr1.162094.51012101217.117.1 MPamLEptDDteooe388. 04 . 5101210123 .80837264. 159. 259. 24 . 510252校核：校核：MPatDpecrcr4 .1084 . 52)61000(388. 032MPa1771185 .1ntststscr属于弹性范围，p计算公式适用综合以上计算，釜体壁厚可取综合以上计算，釜体壁厚可取6mm作业：作业：8 2,4
