1、第六章第六章 内压薄壁容器设计内压薄壁容器设计一、薄壁容器设计的理论基础一、薄壁容器设计的理论基础薄壁容器薄壁容器 根据容器外径根据容器外径D DO O与内径与内径D Di i的比值的比值K K来判断，来判断，当当K1.2K1.2为薄壁容器为薄壁容器 K K1.21.2则为厚壁容器则为厚壁容器iiiiDDDDDK2120-容器壁厚容器壁厚圆筒形薄壁容器承受内压时的应力圆筒形薄壁容器承受内压时的应力只有拉应力无弯曲只有拉应力无弯曲“环向纤维环向纤维”和和“纵向纤纵向纤维维”受到拉力。受到拉力。s s1 1（或（或s s轴轴）圆筒母线方向）圆筒母线方向( (即轴向即轴向) )拉应力，拉应力，s s
2、2 2（或（或s s环环）圆周方向的拉）圆周方向的拉应力。应力。圆筒的应力计算 1. 1. 轴向应力轴向应力D D- -筒体平均直径，亦称中径，筒体平均直径，亦称中径，mmmm；404112pDDDp2. 环向应力20222pDlpDl薄壁圆筒形压力容器环向应力轴向应力的二倍。薄壁圆筒形压力容器环向应力轴向应力的二倍。分析：（1 1）薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍。）薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍。问题问题a a：筒体上开椭圆孔，如何开：筒体上开椭圆孔，如何开? ?2/ 4/ 2pDpD应使其短轴与筒体的轴线平行，以尽量减少开孔应使其短轴与筒体的轴线平行，以尽量减少开孔对纵截面的削
3、弱程度，使环向应力不致增加很多。对纵截面的削弱程度，使环向应力不致增加很多。分析：分析：问题问题b b：钢板卷制圆筒形：钢板卷制圆筒形容器，纵焊缝与环焊缝容器，纵焊缝与环焊缝哪个易裂？哪个易裂？2/ 4/ 2pDpD筒体纵向焊缝受力大于环向筒体纵向焊缝受力大于环向焊缝，故纵焊缝易裂，施焊焊缝，故纵焊缝易裂，施焊时应予以注意。时应予以注意。（2 2）分析式）分析式(4-1)(4-1)和和(4-2)(4-2)也可知，也可知，2/ 4/ 2pDpD/4/2/pDpD内压筒壁的应力和内压筒壁的应力和d/d/D D 成反比，成反比，d/d/D D 值的大小体值的大小体现着圆筒承压能力的高低。现着圆筒承压
4、能力的高低。因此，分析一个设备能耐多大压力，不能只看厚因此，分析一个设备能耐多大压力，不能只看厚度的绝对值。度的绝对值。例题：有一外径为例题：有一外径为219mm219mm的氧气瓶，最小厚度为的氧气瓶，最小厚度为6.5mm6.5mm，材料为，材料为40Mn2A40Mn2A，工作压力为，工作压力为15MPa15MPa，试求氧，试求氧气瓶壁应力气瓶壁应力解析：平均直径解析：平均直径 mmmm经向应力经向应力 MPaMPa环向应力环向应力 MPaMPa5 .2125 .62190DD6 .1225 . 645 .2121541pD2 .2455 . 625 .2121522pD二、筒体强度计算实际设
5、计中须考虑三个因素：实际设计中须考虑三个因素：（1 1）焊接接头系数）焊接接头系数（2 2）容器内径）容器内径（3 3）壁厚）壁厚 筒体内较大的环向应力筒体内较大的环向应力不应高于不应高于在设计温度在设计温度下材料的许用应力，即下材料的许用应力，即sst t- -设计温度设计温度tt下材料许用应力，下材料许用应力，MPaMPa。tpD2 焊接接头系数焊接接头系数钢板卷焊、夹渣、气孔、未焊透等缺陷，导致钢板卷焊、夹渣、气孔、未焊透等缺陷，导致焊缝及其附近区域强度可能低于钢材本体的强度。焊缝及其附近区域强度可能低于钢材本体的强度。 钢板钢板 t t乘以焊接接头系数乘以焊接接头系数，11 tpD2
6、容器内径容器内径工艺设计确定内径工艺设计确定内径D Di i，制造测量也是内径，制造测量也是内径，而受力分析中的而受力分析中的D D却是中面直径。却是中面直径。解出解出d d，得到内压圆筒的厚度计算式，得到内压圆筒的厚度计算式tiDp2)( ppDti2 壁厚壁厚考虑介质腐蚀，计算厚度考虑介质腐蚀，计算厚度 的基础上，增加腐蚀的基础上，增加腐蚀裕度裕度C C2 2。筒体的设计厚度为。筒体的设计厚度为 22CppDtid ppDti2承受应力的厚度，承受应力的厚度，又称计算壁厚又称计算壁厚设计壁厚设计壁厚考虑钢板厚度负偏差考虑钢板厚度负偏差C1，名义壁厚为：，名义壁厚为： 1n22itpDCCp
7、式中式中: : - -圆筒计算厚度，圆筒计算厚度， mmmm； d d- -圆筒设计厚度，圆筒设计厚度， mmmm；n n- -圆筒设计厚度，圆筒设计厚度， mm D Di i- -圆筒内径，圆筒内径， mmmm； p p- -容器设计压力，容器设计压力， MPaMPa； - -焊接接头系数。焊接接头系数。另一种情况：对于已有的圆筒，测量厚度为对于已有的圆筒，测量厚度为 n n，则其最大许，则其最大许可承压的计算公式为：可承压的计算公式为：式中式中 ： n n- -圆筒名义厚度圆筒名义厚度 圆整成钢材标准值；圆整成钢材标准值； eietnintDCDCp221CdnC1-钢板负偏差钢板负偏差筒
8、体设计厚度加上厚度负偏差后向上圆整，即为筒筒体设计厚度加上厚度负偏差后向上圆整，即为筒体名义厚度。体名义厚度。 teeictDp221CCC e e- -圆筒有效厚度圆筒有效厚度C-C-厚度附加量。厚度附加量。 设计温度下圆筒的计算应力设计温度下圆筒的计算应力CneC1钢材厚度负偏差钢材厚度负偏差C2腐蚀裕量腐蚀裕量负偏差负偏差腐蚀腐蚀余量余量有有效效厚厚度度三、设计参数三、设计参数厚度设计参数按厚度设计参数按GBl50-1998GBl50-1998中规定取值。中规定取值。 设计压力、设计压力、 设计温度、设计温度、 许用应力、许用应力、 焊接接头系数焊接接头系数 厚度附加量等参数的选取。厚度
9、附加量等参数的选取。 22CppDtid1Cdn设计压力（计算压力）设计压力设计压力: :相应设计温度下确定壳壁厚度的压力，亦即标相应设计温度下确定壳壁厚度的压力，亦即标注在铭牌上的容器设计压力。其值稍高于最大工作压力。注在铭牌上的容器设计压力。其值稍高于最大工作压力。最大工作压力：是指容器顶部在工作过程中可能产生的最最大工作压力：是指容器顶部在工作过程中可能产生的最高压力（表压）。高压力（表压）。使用安全阀时设计压力不小于安全阀开启压力或使用安全阀时设计压力不小于安全阀开启压力或取最大工作压力取最大工作压力1.051.051.101.10倍；倍；v使用爆破膜根据其型式，一般取最大工作压力的使
10、用爆破膜根据其型式，一般取最大工作压力的1.151.151.41.4倍作为设计压力。倍作为设计压力。设计温度设计温度选择材料和许用应力的确定直接有关。选择材料和许用应力的确定直接有关。 设计温度指容器正常工作中，在相应的设计条设计温度指容器正常工作中，在相应的设计条件下，金属器壁可能达到的最高或最低温度。件下，金属器壁可能达到的最高或最低温度。器壁温度通过换热计算。器壁温度通过换热计算。v不被加热或冷却，筒内介质最高或最低温度。不被加热或冷却，筒内介质最高或最低温度。v用蒸汽、热水或其它载热体加热或冷却，载用蒸汽、热水或其它载热体加热或冷却，载体最高温度或最低温度。体最高温度或最低温度。v不同
11、部位出现不同温度分别计算。不同部位出现不同温度分别计算。许用应力许用应力许用应力是以材料的各项强度数据为依据，合许用应力是以材料的各项强度数据为依据，合理选择安全系数理选择安全系数n n得出的。得出的。抗拉强度、屈服强度，蠕变强度、疲劳强度。抗拉强度、屈服强度，蠕变强度、疲劳强度。取其中最低值。取其中最低值。当设计温度低于当设计温度低于00时，取时，取2020时的许用应力。时的许用应力。 n0焊接接头系数焊接削弱而降低设计许用应力的系数。焊接削弱而降低设计许用应力的系数。根据接头型式及无损检测长度比例确定。根据接头型式及无损检测长度比例确定。焊接接头形式焊接接头形式无损检测的长度比例无损检测的
12、长度比例100%100%局部局部双面焊对接接头或相当于双面焊双面焊对接接头或相当于双面焊的对接接头的对接接头1.01.00.850.85单面焊对接接头或相当于单面焊单面焊对接接头或相当于单面焊的对接接头的对接接头0.90.90.80.8符合符合压力容器安全技术检察规程压力容器安全技术检察规程才允许作局部无损探伤。才允许作局部无损探伤。抽验长度不应小于每条焊缝长度的抽验长度不应小于每条焊缝长度的20。厚度附加量厚度附加量满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚度量，包括由钢板负偏差度量，包括由钢板负偏差( (或钢管负偏差或钢管负偏差) ) C Cl l、腐
13、蚀裕量腐蚀裕量 C C2 2，即，即 C C C Cl l十十 C C2 2厚度厚度22.22.52.83.03.23.53.84 4.55.5 负偏差负偏差0.130.140.150.160.18 0.2 0.2 厚度厚度67 82526303234 36404250 5260 负偏差负偏差0.60.8 0.91 1.11.21.3 腐蚀裕量腐蚀裕量C C2 2 ：应根据各种钢材在不同介质中的腐应根据各种钢材在不同介质中的腐蚀速度和容器设计寿命确定。蚀速度和容器设计寿命确定。塔类、反应器类容器设计寿命一般按塔类、反应器类容器设计寿命一般按2020年考虑，年考虑，换热器壳体、管箱及一般容器按换
14、热器壳体、管箱及一般容器按1010年考虑。年考虑。腐蚀速度腐蚀速度0.05mm0.05mma(a(包括大气腐蚀包括大气腐蚀) )时：时：碳素钢和低合金钢单面腐蚀碳素钢和低合金钢单面腐蚀C C2 21mm1mm，双面腐蚀取，双面腐蚀取C C2 22mm2mm， 当腐蚀速度当腐蚀速度0.05mm0.05mma a时，单面腐蚀取时，单面腐蚀取C C2 22mm2mm，双面腐蚀取双面腐蚀取C C2 24mm4mm。不锈钢取不锈钢取C C2 20 0。设计者适当加入工艺减薄量，设计者适当加入工艺减薄量，四、最小壁厚四、最小壁厚 22CppDtid设计压力较低的容器计算厚度很薄。设计压力较低的容器计算厚度
15、很薄。大型容器刚度不足，不满足运输、安装。大型容器刚度不足，不满足运输、安装。限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求。限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求。 壳体加工成形后不包括腐蚀裕量最小厚度壳体加工成形后不包括腐蚀裕量最小厚度d dminmin：a. a. 碳素钢和低合金钢制容器不小于碳素钢和低合金钢制容器不小于3mm 3mm b b对高合金钢制容器，不小于对高合金钢制容器，不小于2mm 2mm 五、压力试验五、压力试验l目的：制造加工过程不完善，导致不安全，发目的：制造加工过程不完善，导致不安全，发生过大变形或渗漏。生过大变形或渗漏。l最常用的压力试验方法是液压试验。最常用的压力试验方法是液压
16、试验。l常温水。也可用不会发生危险的其它液体常温水。也可用不会发生危险的其它液体l试验时液体的温度应低于其闪点或沸点。试验时液体的温度应低于其闪点或沸点。n不适合作液压试验，不适合作液压试验，n如装入贵重催化剂要求内部烘干，如装入贵重催化剂要求内部烘干，n或容器内衬耐热混凝土不易烘干，或容器内衬耐热混凝土不易烘干，n或由于结构原因不易充满液体的容器以或由于结构原因不易充满液体的容器以及容积很大的容器等，及容积很大的容器等，n可用气压试验代替液压试验。可用气压试验代替液压试验。对压力试验的规定情况表对压力试验的规定情况表试试验验类类型型试验压力试验压力强度条件强度条件说明说明 备注备注液液压压试
17、试验验 立式容器卧置进立式容器卧置进行水压试验时，行水压试验时，试验压力应取立试验压力应取立置试验压力加液置试验压力加液柱静压力。柱静压力。压力试验时，压力试验时，由于容器承受由于容器承受的压力的压力pT 高于高于设计压力设计压力p，故必要时需进故必要时需进行强度效核。行强度效核。气气压压试试验验 pT -试验压力，试验压力， MPa； p -设计压力，设计压力， MPa； 一试验温度下的材料许用应力，一试验温度下的材料许用应力， MPa； T 一设计温度下的材料许用应力，一设计温度下的材料许用应力， MPa 例：某化工厂欲设计一台石油气分离工程中的乙烯精馏例：某化工厂欲设计一台石油气分离工程
18、中的乙烯精馏塔。工艺要求为塔体内径塔。工艺要求为塔体内径D Di i=600mm=600mm；设计压力；设计压力p p2.2MPa2.2MPa；工作温度工作温度t t-3-3-20-20。试选择塔体材料并确定塔体厚。试选择塔体材料并确定塔体厚度。度。解：由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在解：由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在-20-20以上，以上，承受一定的压力，故选用承受一定的压力，故选用16MnR16MnR。 根据式根据式式中式中p2.2MPa；Di=600mm； 170MPa =0.8(查表查表)； C2=1.0 mm 得：得： 22CppDtidmmd89. 50 . 12 . 28 .
19、017026002 . 2考虑钢板厚度负偏差考虑钢板厚度负偏差C C1 10.6mm0.6mm圆正取圆正取 n n=7mm=7mm水压试验时的应力水压试验时的应力16MnR16MnR的屈服限的屈服限 s s=345MPa=345MPa（查表）（查表）水压试验时满足强度要求。水压试验时满足强度要求。sT9 .0六、边缘应力六、边缘应力无力矩理论忽略了剪力与无力矩理论忽略了剪力与弯矩的影响，可以满足弯矩的影响，可以满足工程设计精度的要求。工程设计精度的要求。但对图中所示的一些情况，但对图中所示的一些情况，就须考虑弯矩的影响。就须考虑弯矩的影响。(a)(a)、(b)(b)、(c)(c)是壳体与封是壳体与封头联接处径线突然折断；头联接处径线突然折断；(d)(d)是两段厚度不等的筒体是两段厚度不等的筒体相连接；相连接；(e)(e)、(f)(f)、(g)(g)有法兰、加有法兰、加强圈、管板等刚度大的构件。强圈、管板等刚度大的构件。
