1、内压薄壁圆筒与封头的强度设计内压薄壁圆筒与封头的强度设计教学重点：教学重点：内压薄壁圆筒的厚度计算内压薄壁圆筒的厚度计算 教学难点：教学难点：厚度的概念和设计参数的确定厚度的概念和设计参数的确定1n旧压力容器厚度进行强度校核的意义旧压力容器厚度进行强度校核的意义 判定在下一个检验周期内或在剩余寿命期判定在下一个检验周期内或在剩余寿命期间内，容器是否还能在原设计条件下安全间内，容器是否还能在原设计条件下安全使用的条件使用的条件 当容器已被判定不能在原设计条件下使用当容器已被判定不能在原设计条件下使用时，应通过强度计算，提出容器监控使用时，应通过强度计算，提出容器监控使用 当容器针对某一使用条件需
2、要判废时，应当容器针对某一使用条件需要判废时，应提出判废依据提出判废依据21.1.根据薄膜理论进行应力分析，确定薄膜应力状态下根据薄膜理论进行应力分析，确定薄膜应力状态下的主应力的主应力2.2.根据弹性失效的设计准则，应用强度理论确定应力根据弹性失效的设计准则，应用强度理论确定应力的强度判据的强度判据3.3.对于封头，考虑到薄膜应力的变化和边缘应力的影对于封头，考虑到薄膜应力的变化和边缘应力的影响，按壳体中的应力状况在公式中引进应力增强系响，按壳体中的应力状况在公式中引进应力增强系数数4.4.根据应力强度判据，考虑腐蚀等实际因素导出具体根据应力强度判据，考虑腐蚀等实际因素导出具体的计算公式。的
3、计算公式。内压薄壁圆筒与封头的强度设计公式推导过程内压薄壁圆筒与封头的强度设计公式推导过程3 容器上一处的容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下最大应力达到材料在设计温度下的屈服点的屈服点，容器即告失效，容器即告失效(失去正常的工作能力失去正常的工作能力)，也就，也就是说，容器的每一部分必须处于弹性变形范围内。是说，容器的每一部分必须处于弹性变形范围内。保证器壁内的相当应力必须小于材料由单向拉伸时测得的保证器壁内的相当应力必须小于材料由单向拉伸时测得的屈服点。屈服点。第一节强度设计的基本知识第一节强度设计的基本知识一、关于弹性失效的设计准则一、关于弹性失效的设计准则1、弹性失效理论、弹性失效
4、理论s 当当4为了保证结构安全可靠地工作，必须留有一定的安为了保证结构安全可靠地工作，必须留有一定的安全裕度，使结构中的最大工作应力与材料的许用应全裕度，使结构中的最大工作应力与材料的许用应力之间满足一定的关系，即力之间满足一定的关系，即 n0当=0当n 相当应力，相当应力，MPa，可由强度理论确定可由强度理论确定 极限应力，极限应力，MPa，可由简单拉伸试验确定可由简单拉伸试验确定 安全系数安全系数 许用应力许用应力,MPa2、强度安全条件、强度安全条件5 42pDm 21pD 03r径向应力径向应力二、强度理论及其相应的强度条件二、强度理论及其相应的强度条件1、薄壁压力容器的应力状态、薄壁
5、压力容器的应力状态图图4-1 应力状态应力状态6由薄膜理论由薄膜理论,圆筒壁内应力为经向应力、环圆筒壁内应力为经向应力、环向应力、法向应力（被认为是向应力、法向应力（被认为是0 0）。）。024Zm SpD SpD04 2321zmSpDSpD则三项主应力为：则三项主应力为：7第一强度理论（最大拉应力理论）第一强度理论（最大拉应力理论）使材料发生断裂破坏的主要因素是最大使材料发生断裂破坏的主要因素是最大主拉应力主拉应力1 1，只要，只要1 1达到单向拉伸时材料达到单向拉伸时材料的强度极限的强度极限b b材料将要断裂破坏。材料将要断裂破坏。破坏条件强度条件b1 18第二强度理论（最大伸长线应变理
6、论）第二强度理论（最大伸长线应变理论）当材料的最大伸长线应变当材料的最大伸长线应变1 1达到材料单向达到材料单向受拉破坏时的线应变受拉破坏时的线应变b b=b b/E/E时，材料将要发时，材料将要发生断裂破坏。生断裂破坏。破坏条件破坏条件强度条件强度条件b1)(32132111EEbb9第三强度理论（最大剪切应力理论）第三强度理论（最大剪切应力理论）最大切应力是使材料发生屈服破坏的根最大切应力是使材料发生屈服破坏的根本原因。只要最大剪切应力本原因。只要最大剪切应力maxmax达到材料达到材料单向受力时的屈服极限单向受力时的屈服极限s s所对应的极限所对应的极限剪切应力剪切应力s s=s s/2
7、/2，材料将，材料将发生屈服发生屈服（剪断）破坏。（剪断）破坏。破坏条件强度条件2maxss 31231max10第四强度理论（能量理论）第四强度理论（能量理论）形状改变比能是引起材料屈服破坏的基本原因形状改变比能是引起材料屈服破坏的基本原因。只要复杂应力状态下材料形状改变比能达到。只要复杂应力状态下材料形状改变比能达到单向受力情况屈服破坏时相应的极限形状改变单向受力情况屈服破坏时相应的极限形状改变比能，材料就会发生屈服破坏。比能，材料就会发生屈服破坏。破坏条件强度条件sd)2(61)()()(612213232221sEE 213232221)()()(2111 当2132322214)()
8、()(21当11当)(3212当313当12第一强度理论第一强度理论（最大主应力理论）（最大主应力理论）第三强度理论第三强度理论（最大剪应力理论）（最大剪应力理论）21pDI当强度条件强度条件 2pDI当 231pDIII当强度条件强度条件 2pDIII当适用于适用于脆性材料脆性材料适用于适用于塑性材料塑性材料总结：总结：13第四强度理论第四强度理论（能量理论）（能量理论）2.3 )()()(21212221213232221pDIV当强度条件强度条件 3.2pDIV当适用于适用于塑性材料塑性材料第二强度理论（最大变形理论）与实际相差较大，目前很少采用。第二强度理论（最大变形理论）与实际相差较
9、大，目前很少采用。压力容器材料都是塑性材料，应采用三、四强度理论压力容器材料都是塑性材料，应采用三、四强度理论，GB150-98采用第三强度理论采用第三强度理论.14第三强度理论的强度条件为：第三强度理论的强度条件为：31当因此圆筒强度条件为：2pD154.2 4.2 内压薄壁圆筒壳与球壳的强度设计内压薄壁圆筒壳与球壳的强度设计4.2.1 4.2.1 强度计算公式强度计算公式依据第三强度理论，强度公式为：参数变换参数变换：1.将中径换算为圆筒内径，D=Di+;2.压力换为计算压力Pc ；3.考虑到焊缝处因气孔、夹渣等缺陷以及热影响区晶粒粗大等造成的强度削弱，引进焊缝系数焊缝系数f f1；4.材
10、料的许用应力与设计温度有关。pD216 2pDIII当 tpD2iDD考虑实际情况，考虑实际情况，引入引入pc等参数等参数 cticpDpf2 22CpDpcticdf考虑介质考虑介质腐蚀性腐蚀性考虑钢板厚度考虑钢板厚度负偏差并圆整负偏差并圆整n第二节内压薄壁圆筒壳体与球壳的强度设计第二节内压薄壁圆筒壳体与球壳的强度设计一、强度设计公式一、强度设计公式1、内压薄壁圆筒、内压薄壁圆筒这是写在图纸上这是写在图纸上的钢板厚度的钢板厚度！17强度校核公式强度校核公式最大允许工作压力计算公式最大允许工作压力计算公式 eietnintwDCDCpff22f 2)(teeictDp1、当筒体采用无缝钢管时，
11、应将式中的、当筒体采用无缝钢管时，应将式中的Di换为换为D02、以上公式的适用范围为、以上公式的适用范围为3、用第四强度理论计算结果相差不大、用第四强度理论计算结果相差不大ftcp 4.018 5)(4 Dpteeic 2t式中e有效壁厚有效壁厚，e=圆整后的壁厚（n）C1C2 。6)(4 (MPa)Dpeietwf 2强度校核公式：强度校核公式：1）在工作压力及温度下，现有容器强度够否？2）现有容器的最大允许工作压力如何？21)(4 (mm)pDpcticf19421pD cticpDpf4 24CpDpcticdff 4)(teeictDp eietwDpf4公式的适用范围为公式的适用范围
12、为ftcp 6.02、内压球形壳体、内压球形壳体20工作压力工作压力 指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。最高压力。设计压力设计压力 指设定的容器顶部的最高压力，它与相应设指设定的容器顶部的最高压力，它与相应设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。工作压力。计算压力计算压力 指在相应设计温度下，用以确定壳体各部位指在相应设计温度下，用以确定壳体各部位厚度的压力，其中包括液柱静压力。厚度的压力，其中包括液柱静压力。计算压力计算压力pc=设计压力设计压力p+液柱静压力液柱静压力 二、设计参数的确定二、
13、设计参数的确定1、压力、压力21n 工作压力工作压力pwpw-正常工作情况下，容器正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。顶部可能达到的最高压力。由工艺计算确定；由工艺计算确定；化学反应所要求的；化学反应所要求的；传递过程所必需的；传递过程所必需的；由液化气体的饱和蒸汽由液化气体的饱和蒸汽压所决定的。压所决定的。22n设计压力设计压力p p：设定的容器顶部的最高压力设定的容器顶部的最高压力-设计载荷。设计载荷。取值方法：取值方法：（1）容器上装有安全阀）容器上装有安全阀取不低于安全阀开启压力：p p （1.051.051.11.1）p pw w系数取决于弹簧起跳压力。23（2 2）容器内有
14、爆炸性介质，安装有防爆膜时：）容器内有爆炸性介质，安装有防爆膜时：取 设计压力为爆破片设计爆破压力加制造范围上限。设计压力为爆破片设计爆破压力加制造范围上限。P93 表4-3，表4-4。防爆膜装置示意图24（3 3）无安全泄放装置无安全泄放装置取 p=（1.01.1）pw。（4）盛装液化气容器盛装液化气容器 设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。（地面安装的容器按不低于最高饱和蒸汽压考虑，如40，50，60时的气体压力）。注意：要考虑实际工作环境，如放置地区，保温，遮阳，喷水等。例如例如：液氨储罐。金属壁温最高工作为50，氨的饱和蒸汽压为2.07MPa。1.容器的设计压力？2.若
15、容器安放有安全阀，设计压力？25（5）外压容器）外压容器取 p正常操作下可能产生的最大压差。注意：注意：“正常操作正常操作”含空料，真空检漏，含空料，真空检漏，稳定生产，中间停车等情况。稳定生产，中间停车等情况。（6 6）真空容器）真空容器不设安全阀时，取0.1MPa；设有安全阀时 取Min（1.25p,0.1MPa)。26釜壁可能承受压力情况：釜内空料，夹套内充蒸汽-外压0.2MPa;釜内真空，夹套内充蒸汽-外压0.3MPa;釜内0.3MPa，夹套内0.2MPa-内压0.1MPa;釜内0.3MPa，夹套内空料-内压0.3MPa;釜壁承受的最大压差:内压0.3MPa或外压0.3MPa.（7）带
16、夹套容器带夹套容器取正常操作时可能出现的最大内外压差。例例如如 带夹套的反应釜：夹套内蒸汽压力为0.2MPa,釜内开始抽真空，然后釜内升压至0.3MPa。该釜壁承受压力如何？27表表4-1 设计压力与计算压力的取值范围设计压力与计算压力的取值范围计算带夹套部分的容器时，应考虑在正常操作情况下可能计算带夹套部分的容器时，应考虑在正常操作情况下可能出现的内外压差出现的内外压差夹套容器夹套容器7当有安全阀控制时，取当有安全阀控制时，取1.25倍的内外最大压差与倍的内外最大压差与0.1Mpa两两者中的较小值，当没有安全控制装置时，取者中的较小值，当没有安全控制装置时，取0.1Mpa真空容器真空容器6取
17、不小于在正常操作情况下可能产生的内外最大压差取不小于在正常操作情况下可能产生的内外最大压差外压容器外压容器5根据容器的充装系数和可能达到的最高温度确定（设置在根据容器的充装系数和可能达到的最高温度确定（设置在地面的容器可按不低于地面的容器可按不低于40，如，如50 、60 时的气体压力时的气体压力考虑）考虑）装有液化气体的容装有液化气体的容器器4根据介质特性、气相容积、爆炸前的瞬时压力、防爆膜的根据介质特性、气相容积、爆炸前的瞬时压力、防爆膜的破坏压力及排放面积等因素考虑（通常可取破坏压力及排放面积等因素考虑（通常可取1.151.3pw）容器内有爆炸性介容器内有爆炸性介质，装有防爆膜时质，装有
18、防爆膜时3取等于或略高于最高工作压力，通常取取等于或略高于最高工作压力，通常取p1.01.1pw单个容器不装安全单个容器不装安全泄放装置泄放装置2取不小于安全阀的初始起跳压力，通常取取不小于安全阀的初始起跳压力，通常取p1.051.1pw容器上装有安全阀容器上装有安全阀时时1设计压力（设计压力（P）取值）取值类型类型28n 计算压力计算压力pc 在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。即计算压力计算压力 设计压力设计压力 液柱静压力液柱静压力 5%P时计入时计入)可见，计算压力计算压力设计压力设计压力工作压力工作压力
19、 容器顶部表压容器顶部表压 例：一立式容器，工作压力0.5MPa，液体深10m，密度为10,000N/m3。pw=0.5MPa,p=0.5MPapc=0.5+(1010,000)/1,000,000=0.6MPa29指容器在正常工作情况下，在相应的设指容器在正常工作情况下，在相应的设计压力下，设定的元件的金属温度（沿计压力下，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面厚度的温度平均值）。元件金属截面厚度的温度平均值）。设计温度是设计温度是选择材料选择材料和和确定许用应力确定许用应力时时不可少的参数。不可少的参数。2、设计温度、设计温度30确定设计温度的方法：确定设计温度的方法：（1）对类似设备实测；
20、（）对类似设备实测；（2）传热计算）传热计算（3）参照书）参照书P94表表4-5。例如：不被加热或冷却的器壁，且壁外有例如：不被加热或冷却的器壁，且壁外有保温，取介质温度；用水蒸气、热水或保温，取介质温度；用水蒸气、热水或其它液体加热或冷却的器壁，取热介质其它液体加热或冷却的器壁，取热介质的温度；等等。的温度；等等。31 nt0（1）极限应力）极限应力极限应力的选取与结构的使极限应力的选取与结构的使用条件和失效准则有关用条件和失效准则有关0极限应力可以是极限应力可以是tntDttssb、)()(2.02.0许用应力是以材料的各项强许用应力是以材料的各项强度数据为依据，合理选择安度数据为依据，合
21、理选择安全系数全系数n n得出的。得出的。3、许用应力和安全系数、许用应力和安全系数32常温容器常温容器 中温容器中温容器 高温容器高温容器 =minbbn,ssn2.0 t=minsttsbtbnn2.0,t=minDtDntnsttsnnn,2.0 33（2）安全系数）安全系数安全系数是一个不断发展变化的参数。安全系数是一个不断发展变化的参数。随着科技发展，安全系数将逐渐变小。随着科技发展，安全系数将逐渐变小。常温下，碳钢和低合金钢常温下，碳钢和低合金钢6.1 0.3sbnn，表表4-2 钢材的安全系数钢材的安全系数34焊缝区的强度主要取决于熔焊金属、焊缝结构和施焊缝区的强度主要取决于熔焊
22、金属、焊缝结构和施焊质量。焊质量。焊接接头系数的大小决定于焊接接头的型式和无损焊接接头系数的大小决定于焊接接头的型式和无损检测的长度比率。检测的长度比率。焊接接头系数焊接接头系数是焊接削弱而降低设计许用应力的是焊接削弱而降低设计许用应力的系数。系数。4、焊接接头系数、焊接接头系数表表4-3 焊接接头系数焊接接头系数35容器上存在有：容器上存在有：纵焊缝纵焊缝-A-A类焊缝类焊缝环焊缝环焊缝-B-B类焊缝类焊缝需要进行无损检验。需要进行无损检验。检验方法主要是：检验方法主要是：X X射线检查射线检查和和超声波检查超声波检查。36 缺陷，夹渣，未焊透，晶粒粗大等，缺陷，夹渣，未焊透，晶粒粗大等，在
23、外观看不出来；在外观看不出来；熔池内金属从熔化到凝固的过程受熔池内金属从熔化到凝固的过程受到熔池外金属的刚性约束，内应力很大。到熔池外金属的刚性约束，内应力很大。焊缝区强度比较薄弱焊缝区强度比较薄弱。37焊接缺陷焊接缺陷38 为综合考虑筒体强度，为综合考虑筒体强度，设计设计公式中将钢板母材的许用应力乘公式中将钢板母材的许用应力乘以以f f（11）。）。f39焊接接头系数（焊接接头系数（f f）：焊接接头结构焊接接头结构100%无损检无损检验验局部无损检验局部无损检验示意图示意图双面对接焊双面对接焊 1.0 0.85 带垫板单面对带垫板单面对接焊接焊 0.90 0.80401.可否采用搭接焊结构
24、制作压力容器壳体？为什麽？2.焊缝处为什麽要进行无损探伤检查？3.焊缝系数（）为什麽小于等于1？4.取焊缝系数的依据是什麽？5.壁厚计算公式中的t是钢板的许用应力，还是焊缝材料的许用应力？6.带垫板的焊缝结构中，垫板的作用是什麽？是否起加强作用？41满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚度，满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚度，包括钢板负偏差包括钢板负偏差(或钢管负偏差或钢管负偏差)C1、腐蚀裕量、腐蚀裕量 C2 即即 C C1十十 C21 1、按表按表4-9选取选取2、当钢材的厚度负偏差不大于、当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名且不超过名义厚度的义厚度的6%时，负偏差可
25、以忽略不计。时，负偏差可以忽略不计。为防止容器元件由于腐蚀、机械磨损为防止容器元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄，应考虑腐蚀裕而导致厚度削弱减薄，应考虑腐蚀裕量。量。C1 钢板厚度负偏差钢板厚度负偏差 C2 腐蚀裕量腐蚀裕量 5、厚度附加量、厚度附加量C42A、容器壁厚附加量、容器壁厚附加量（1）钢板或钢管厚度）钢板或钢管厚度负偏差负偏差 C1:例如，例如，43 在设计容器壁厚时要在设计容器壁厚时要-预先考虑负偏差。预先考虑负偏差。钢板负偏差参见钢板负偏差参见p97p97表表4-94-9选取；选取；钢管厚度负偏差参见钢管厚度负偏差参见P97P97表表4-104-10。44B、腐蚀裕量腐蚀
26、裕量C2 容器元件由于腐蚀或机械磨损容器元件由于腐蚀或机械磨损厚度减薄。厚度减薄。在设计壁厚时要考虑容器使用寿命期内的安全性！在设计壁厚时要考虑容器使用寿命期内的安全性！具体规定具体规定如下：如下：对有腐蚀或磨损的元件对有腐蚀或磨损的元件:C2=KaB Ka-腐蚀速率（腐蚀速率（mm/a），），由材料手册或实验确定。由材料手册或实验确定。B-容器的设计寿命，通常为容器的设计寿命，通常为1015年。年。一般情况一般情况,Ka=0.050.13mm/a的轻微腐蚀时，的轻微腐蚀时，对对单面腐蚀单面腐蚀取取C2=12mm;对对双面腐蚀双面腐蚀取取C2=24mm。对于不锈钢，一般取对于不锈钢，一般取0。
27、451.确定腐蚀裕度的依据？2.腐蚀裕度的有效期？3.列管换热器的管子、壳体腐蚀裕度如何定？容器各元件受到的腐蚀程度不同时，设计中可采用不同的腐蚀裕量。介质为压缩空气、水蒸气或水的碳钢或低合金钢容器，单面腐蚀裕量不小于1mm；对不锈钢容器，腐蚀轻微时可取C2=0。466.直径系列与钢板厚度直径系列与钢板厚度 要按照钢板厚度尺寸系列厚度尺寸系列标准GB709-88的规定选取。P99表4-13。压力容器的直径系列直径系列已经施行标准化（GB9019-88)，筒体与封头的公称直径配套。见P60表2-5。471.1.压力容器的公称直径压力容器的公称直径 钢板卷焊筒体和成型封头的钢板卷焊筒体和成型封头的
28、公称直径是公称直径是内径。内径。300(350)400(450)500(550)600(650)700(750)8009001000(1100)1200(1300)1400(1500)1600(1700)1800(1900)2000(2100)2200(2300)2400250026002800300032003400350036003800400042004400450046004800500052005400550056005800600048标准化问题标准化问题直径系列与钢板厚度直径系列与钢板厚度表表4-4 常用钢板厚度常用钢板厚度2.02.53.03.54.04.5(5.0)6.07.
29、08.09.010111214161820222528303234363840424650556065707580859095100105110115120125130140150160165170180185190195200 注：5mm为不锈钢常用厚度。49计算厚度计算厚度 d n 2C设计厚度设计厚度1C圆整值圆整值名义厚度名义厚度有效厚度有效厚度e 21CCC 毛坯厚度毛坯厚度加工减薄量加工减薄量三、容器的厚度和最小厚度三、容器的厚度和最小厚度图图4-2 壁厚的概念壁厚的概念50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很薄。大型容器刚度不足，不满足运输、安装。大型容器
30、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：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 b对高合金钢制容器，不小于对高合金钢制容器，不小于2mmmin2、最小厚度、最小厚度 c 碳素钢、低合金钢制塔式容器碳素钢、低合金钢制塔式容器min maxiD10002,4mm；不锈钢制塔式容器不锈钢制塔式容器minmaxiD10002,3mm.511.标注在图纸上的容器壁厚是如何确定的？2.壁厚加工减薄量由谁定？3.加工后容器的实际壁厚不能小于多厚才
31、可以在使用寿命期内保证安全？4.规定容器最小壁厚的目的是什麽？52在于检验容器的宏观强度和有无渗漏现象，在于检验容器的宏观强度和有无渗漏现象，即考察容器的密封性，以确保设备的安全即考察容器的密封性，以确保设备的安全运行。运行。目的目的液压试验液压试验气压试验气压试验气密性试验气密性试验压力试验的种类压力试验的种类四、压力试验与强度校核四、压力试验与强度校核53为什麽要进行压力试验呢？为什麽要进行压力试验呢？制造加工过程不完善，导致不安全，发生过制造加工过程不完善，导致不安全，发生过大变形或渗漏。大变形或渗漏。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试验。使用使用常温水常温水。
32、也可用不会发生危险的其它液。也可用不会发生危险的其它液体。体。液压试验时水温不能过低液压试验时水温不能过低(碳素钢、碳素钢、16MnR16MnR不低于不低于55，其它低合金钢不低于，其它低合金钢不低于15)15)，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。54压力试验的时机：压力试验的时机：1 1）容器制成后；）容器制成后；2 2）检修后。）检修后。试验目的：试验目的：1 1）检验容器宏观强度）检验容器宏观强度是否出现裂纹是否出现裂纹,是否是否变形过大；变形过大；2 2）密封点及焊缝的密封情况。）密封点及焊缝的密封情况。要知道！要知道！（1 1）需要焊后热处理的容
33、器，须热处理后进行压力）需要焊后热处理的容器，须热处理后进行压力试验和气密试验；试验和气密试验；（2 2）须分段交货的容器，在工地组装并对环焊缝进）须分段交货的容器，在工地组装并对环焊缝进行热处理后，进行压力试验；行热处理后，进行压力试验；（3 3）塔器须安装后进行水压试验；）塔器须安装后进行水压试验；55压力试验分类：压力试验分类：液压试验液压试验介质：一般为水；过程：充水排气设计压力无泄漏开始试验压力下保压30分钟卸压吹净结束试验压力的80%保压检查56注意：注意：不锈钢容器不锈钢容器水中氯离子不得超过水中氯离子不得超过25mg/L25mg/L。试压合格的条件试压合格的条件：1 1）无渗漏
34、；）无渗漏；2 2）无可见变形；）无可见变形；3 3）试验过程中无异常响声；）试验过程中无异常响声；4 4）b b 540MPa 540MPa的材料，表面经无损检验的材料，表面经无损检验无裂纹。无裂纹。57气压试验气压试验不适合液压试验的，不适合液压试验的，如装入贵重催化剂要如装入贵重催化剂要求内部烘干，或容器内衬耐热混凝土不易烘干，求内部烘干，或容器内衬耐热混凝土不易烘干，或由于结构原因不易充满液体的容器以及容积很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，可用气压试验代替液压试验，气压大的容器等，可用气压试验代替液压试验，气压试验时介质温度不低于试验时介质温度不低于15)15)气
35、密试验气密试验针对介质具有毒性程度为极度或具有高度危针对介质具有毒性程度为极度或具有高度危害的容器；害的容器；在液压试验后进行；在液压试验后进行；气密试验压力取设计压力气密试验压力取设计压力。58液压试验液压试验气压试验气压试验内压容器试验压力内压容器试验压力tTpp25.1tTpp15.11、试验压力、试验压力/t大于大于1.8时，按时，按1.8计算；计算；如果容器各元件如果容器各元件(圆筒、封头、圆筒、封头、接管、法兰及紧固件等接管、法兰及紧固件等)所用材料不同时，应取各元件材料的比所用材料不同时，应取各元件材料的比值中最小者。值中最小者。容器铭牌上规定有最大允许工作压力时，公式中应以最大
36、允容器铭牌上规定有最大允许工作压力时，公式中应以最大允许工作压力代替设计压力许工作压力代替设计压力p59eeiTTDp2)()(9.02)(2.0fseeiTTDp液压试验液压试验气压试验气压试验)(8.02)(2.0fseeiTTDp2、压力试验的应力校核、压力试验的应力校核圆筒壁在试验压圆筒壁在试验压力下的计算应力力下的计算应力60五、五、例题例题【例例4-1】：某化工厂欲设计一台石油气分离用乙烯精馏塔。：某化工厂欲设计一台石油气分离用乙烯精馏塔。工艺参数为工艺参数为:塔体内径塔体内径 ；计算压力；计算压力 ；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度。试选择
37、塔体材料并确定塔体厚度。mmDi600 MPapc2.2 由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在-3-3-20-20，压力为中压，故，压力为中压，故选用选用16MnR16MnR。（2 2）确定参数）确定参数mmC0.1 2 MPapc2.2 mmDi600 MPat170 (附表附表9-1)9-1)；0.8 f f(采用带垫板的单面焊对接接头采用带垫板的单面焊对接接头,局部无损检测局部无损检测)()(表表4-8)4-8)；取取,解：解：（1 1）选材）选材 61 )(9.42.28.017026002.22mmpDptic f f mmC25.01（3 3）厚度计算）
38、厚度计算计算厚度计算厚度设计厚度设计厚度)(9.50.19.42mmCd 根据根据mmd9.5 ,查表查表4-94-9得得名义厚度名义厚度圆整量圆整量圆整量圆整量圆整量圆整量 15.625.09.51Cdn 圆整后圆整后,取名义厚度为取名义厚度为 。mmn7 复验复验mmmmn25.042.0%67%6 ,故最后取故最后取 。mmC25.01 该塔体可用该塔体可用7mm7mm厚的厚的16MnR16MnR钢板制作钢板制作 。62（4 4）校核水压试验强度）校核水压试验强度)(9.14475.52)75.5600(75.2MPaT seeiTTDpf f 9.02)(式中，式中，)(75.22.2
39、25.125.1MPappT )2.2;1/,200(MPapptct)(75.525.17mmCne 则则而而)(4.2483458.09.09.0MPas f f 可见可见sTf f 9.0，所以水压试验强度足够。，所以水压试验强度足够。63例例2 设计锅炉汽包的筒体壁厚。工作压力为设计锅炉汽包的筒体壁厚。工作压力为15.6MPa,15.6MPa,工作温度工作温度为为350,350,其内径为其内径为1300mm1300mm。【解解】1.选材：工作温度中温，工作压力为高压，有轻微腐蚀。选材：工作温度中温，工作压力为高压，有轻微腐蚀。故采用低合金钢故采用低合金钢18MnMoNbR（GB6654
40、-96)。s=410MPa。2.确定参数确定参数（1）工作压力）工作压力15.6MPa,是高压容器，属于三类容器。其焊缝结构是高压容器，属于三类容器。其焊缝结构必须是双面对接焊结构或其他等强度焊接，必须是双面对接焊结构或其他等强度焊接，100%无损探伤，无损探伤，=1。（2）筒体需保温，则筒壁设计温度取介质温度，筒体需保温，则筒壁设计温度取介质温度，350350190190MPa（3）需安装安全阀，需安装安全阀，pc=p=1.115.6=17.16(MPa)。（4）水蒸气对低合金钢有轻微腐蚀，且为单面腐蚀，水蒸气对低合金钢有轻微腐蚀，且为单面腐蚀，C2=1mm。64 3.3.计算壁厚计算壁厚
41、61.5(mm)130017.16 pDpctic16.17119022f4.4.设计壁厚：设计壁厚：d=d=+C2=61.5+1.0=62.5(+C2=61.5+1.0=62.5(mm),mm),查表查表4-94-9得得C1=0.25(mm)C1=0.25(mm)壁厚附加量壁厚附加量C=C1+C2=0.25+1.0=1.25(mm)C=C1+C2=0.25+1.0=1.25(mm)5.5.名义厚度名义厚度 n=n=+C+C+圆整量圆整量 6 61.5+1.25=62.75(mm)1.5+1.25=62.75(mm)圆整后为圆整后为6565（mm)mm)。656.6.校核水压试验强度校核水压试
42、验强度水压试验强度条件为：水压试验强度条件为：SeeiTDpf9.02)(T式中式中 )(45.2119019016.1725.125.1pTMPapte=n-C=65-2.8=62.2(mm)则则 T T=234.9(MPa)=234.9(MPa)。而而 0.90.9f fs s=0.9=0.91 1410=369(MPa)410=369(MPa)T0.90.9f fs s 水压试验合格。水压试验合格。66例例3 3 校验旧气瓶。资料记载该气瓶材质为校验旧气瓶。资料记载该气瓶材质为40M40Mn n2A2A，系无缝钢管系无缝钢管收口而成。实测其外径为收口而成。实测其外径为219mm,219m
43、m,最小壁厚为最小壁厚为6.5mm6.5mm。查材料手查材料手册得该材料的册得该材料的b b=785MPa,=785MPa,s s=510MPa,=510MPa,d d5 5=18%=18%。（1 1）常温下可否充常温下可否充1515MPaMPa氧气？氧气？（2 2）如强度不够，最高允许工作压力多少？）如强度不够，最高允许工作压力多少？【解解】1.1.确定参数确定参数 p pc c=15MPa,D=15MPa,DO O=219mm,=219mm,n n=6.5mm,=6.5mm,无缝钢管无缝钢管f f=1=1，C C2 2=1mm,=1mm,实测壁厚实测壁厚6.5mm 6.5mm，则，则C C
44、1 1=0,=0,e e=6.5-1=5.5mm,=6.5-1=5.5mm,许用应力求取：许用应力求取：t t=min=minb b/n/nb b,s s/n/ns s=min=min785/3,510/1.6785/3,510/1.6 =262(MPa)=262(MPa)。672.2.强度校核强度校核校核公式为校核公式为)(262)(2915.52)5.5219(152t0tMPa MPa Dpteecf充充15MPa15MPa强度不够。强度不够。3.3.确定最高允许工作压力确定最高允许工作压力 计算公式为计算公式为)(48.135.52195.5126220MPa2 p (MPa)Dpwe
45、etwf该气瓶的最大安全使用压力为该气瓶的最大安全使用压力为13.48MPa13.48MPa。68注意“实测壁厚”概念。即无需考虑负偏差问题，C1=0 。无缝钢管制的容器公称直径为外径，壁厚计算公式中应采用外径。公式应该如何？自己试推导一下。69容器封头容器封头（端盖）（端盖）凸形封头凸形封头锥形封头锥形封头平板封头平板封头半球形封头半球形封头椭圆形封头椭圆形封头碟形封头碟形封头球冠形封头球冠形封头第三节第三节 内压圆筒封头的设计内压圆筒封头的设计704.3.1 4.3.1 半球形封头半球形封头1.1.结构：结构：（1 1）整体半球壳体；）整体半球壳体；（2 2）焊接半球壳体）焊接半球壳体瓜瓣
46、组焊。瓜瓣组焊。2.2.与筒体连接结构：与筒体连接结构：与筒体连接部位要圆滑过渡。（为什麽？）与筒体连接部位要圆滑过渡。（为什麽？）与筒体连接的环焊缝属于球壳内的部分，确定封与筒体连接的环焊缝属于球壳内的部分，确定封头厚度时应考虑这一环焊缝的焊接接头系数。头厚度时应考虑这一环焊缝的焊接接头系数。71半球形封头是由半个球壳半球形封头是由半个球壳构成的，它的计算壁厚公构成的，它的计算壁厚公式与球壳相同式与球壳相同 cticpDpf4 图图4-3 半球形封头半球形封头72受内压球形封头计算壁厚与受内压球形封头计算壁厚与球壳相同。球壳相同。球形封头壁厚可较圆筒壳减球形封头壁厚可较圆筒壳减薄一半薄一半。
47、但为焊接方便以及。但为焊接方便以及降低边缘压力，降低边缘压力，半球形封头半球形封头常和筒体取相同的厚度。常和筒体取相同的厚度。cticPDP4731.椭圆封头的结构椭圆封头的结构：为什麽要有直边？为什麽要有直边？（1 1）保证封头的）保证封头的制造质量；制造质量；（2 2）不连续点与）不连续点与环焊缝分开，从而环焊缝分开，从而避免边缘应力与焊避免边缘应力与焊接应力、膜应力集接应力、膜应力集聚，降低合应力聚，降低合应力。74椭圆形封头是由长短半轴分别为椭圆形封头是由长短半轴分别为a a和和b b的半椭球和高的半椭球和高度为度为h h。的短圆筒的短圆筒(通称为直边通称为直边)两部分所构成。直两部分
48、所构成。直边的作用是为了保证封头的制造质量和避免筒体与边的作用是为了保证封头的制造质量和避免筒体与封头间的环向焊缝受边缘应力作用。封头间的环向焊缝受边缘应力作用。mm 5.02cticpDKpf图图4-4 椭圆形封头椭圆形封头椭球壳壁内应力的大小及变化受椭球壳壁内应力的大小及变化受a/b值的影响，值的影响，形状系数形状系数K75K K-椭圆形封头形状系数的取值（椭圆形封头形状系数的取值（P104P104表表4 41414）76图图3-17 例例3-2附图（附图（2）K与应力的关系与应力的关系77结论：当椭球壳的长短半轴结论：当椭球壳的长短半轴 a/b2时，椭球壳赤道上出现很时，椭球壳赤道上出现
49、很大的环向应力，其绝对值远大于顶点的应力，从而引入形状大的环向应力，其绝对值远大于顶点的应力，从而引入形状系数系数K。（。（也称应力增加系数）也称应力增加系数）标准椭圆封头标准椭圆封头K=1（a/b=2）,计算厚度公式为计算厚度公式为 mm 5.02cticpDpf)2(2612iihDK78椭圆封头最大允许工作压力计算公式椭圆封头最大允许工作压力计算公式 GB150-1998规定规定 椭圆形封头标准为椭圆形封头标准为JBT473795 MPaKDpeietw 5.02fK 1 时，e0.15%iD K1 时，e 0.30%i D 79注意注意：1.1.加工减薄量由制作单位确定。加工减薄量由制
50、作单位确定。2.2.各参数的单位各参数的单位-公式中公式中只用只用 MPa MPa 和和 mmmm 。3.3.对于同一容器上的圆筒与椭圆形封头，如果壁厚对于同一容器上的圆筒与椭圆形封头，如果壁厚相同，椭圆形封头的强度高于圆筒。所以，水压试验强度相同，椭圆形封头的强度高于圆筒。所以，水压试验强度校核时，校核筒体强度就可以了。（为什麽校核时，校核筒体强度就可以了。（为什麽?）4.4.直边高度按直边高度按P105P105表表4-154-15选取。选取。80碟形封头的组成碟形封头的组成 以iR为半径的球面；以 r 为半径的过渡圆弧(即折边)；高度为0h的直边。三、碟形封头三、碟形封头图图4-5 碟形封
