1、第七章 内压薄壁容器设计内压薄壁容器设计o 本章重点介绍设计压力不大于35Mpa的内压容器的筒体和封头的设计计算，容器的设计计算通常是根据工艺条件和要求，选择使用材料、确定设计参数，并计算容器筒体和封头等受压元件的强度尺寸。o 压力容器设计以GB150钢制压力容器为依据的，该标准以弹性失效为设计准则，这种设计主要是控制壳体主体的基本（薄膜）应力不超过材料的许用应力值，对于结构不连续引起的边缘应力主要以结构的局部处理为主，必要时则以应力增强系数的形式引入设计计算式予以考虑。本章重点o 本章重点是筒体和封头的强度计算以确定其壁厚，涉及强度计算的内容包括两方面：o 设计压力容器 根据工艺条件，确定设
2、计参数（p,t,D），选定材料和结构形式，通过强度计算确定筒体和封头的壁厚；o 校核在用容器 判断在剩余寿命期间内是否安全 容器针对某一使用条件需判废，应为判废提供依据7.1设计参数的确定设计参数的确定o 根据GB150的有关规定正确选定设计参数。o 两个基本参数：公称直径DN：指标准化以后的标准直径，以DN表示，单位mm，例如内径1200mm的容器的公称直径标记为DN1200。公称压力PN：容器及管道的操作压力经标准化以后的标准压力称为公称压力，以PN表示，单位MPa。7.1.1容器直径容器直径o 容器筒体和封头的直径都有规定，不能任意取值，应圆整为公称直径。o 压力容器的公称直径：是指容器
3、的内径，见P181表14-1o 钢板卷焊公称直径是内径。o 无缝钢管制作筒体时，以外径作为公称直径，见表14-27.1.2工作压力与设计压力工作压力与设计压力o 设计压力是设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件。o 工作压力是由工艺过程决定的，会变动，通常指最大工作压力，既指容器顶部在工作过程中可能产生的最高压力（表压）o 设计压力: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。设计压力的确定o 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1.051.10倍；o 使用爆破膜根据其型式，一般取最大工作压力的1.151
4、.75倍作为设计压力，不低于爆破片的爆破压力o 固定式液化气体储罐的设计压力应根据充装介质在容器内可能达到的最高金属温度下相应的饱和蒸汽压确定，具体参照TSGR0004o 移动式压力容器设计压力参照TSGR0005计算压力 o 计算压力 ：指在相应设计温度下，用于确定受压元件厚度的压力，其中应包括液柱静压力。容器内盛有液体，若其静压力不超过最大工作压力的5，则设计压力可不计入静压力，否则，须在设计压力中计入液体静压力。多数情况 。o 夹套容器的内筒，当夹套中用蒸气加热时，内筒的计算压力应按生产中可能出现的最大压差来确定。cpcpp7.1.3设计温度设计温度o 选择材料和许用应力的确定直接有关。
5、o 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。o 器壁温度通过换热计算。o 不被加热或冷却，筒内介质最高或最低温度。o 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。o 不同部位出现不同温度可分别计算7.1.4许用应力许用应力o 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n得出的。o 设计温度下许用压力值的大小直接决定着容器强度，是重要设计参数之一。0n7.1.5焊接接头系数焊接接头系数 多数容器采用焊接结构、焊接时可能出现焊接缺陷（如未焊透、气孔和夹渣等），对容器强度产生影响。在设计中用焊接接头系数 表示焊缝热影响区金属与用材强
6、度的比值，反映容器强度削弱的程度，的大小应根据受压元件的焊接接头形式、坡口形式、焊缝形式和无损检测的长度比例有关 焊缝系数7.2内压容器筒体和封头厚度计算内压容器筒体和封头厚度计算 o 7.2.1内压圆筒的五种厚度及其确定方法内压圆筒的五种厚度及其确定方法o 理论计算厚度理论计算厚度o 设计厚度设计厚度o 名义厚度名义厚度o 有效厚度有效厚度o 最小壁厚最小壁厚理沦计算厚度理沦计算厚度o 圆筒受力：o 按第一强度理沦：（GB150）o 按第三强度理沦：（ASME）2tip D1r3r4mpD2pD0r 22tiitp DpDp 22tipDpt5Mpa问题a：筒体上开椭圆孔，如何开？答案o 应
7、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弱程度，使环向应力不致增加很多。问题：o 钢板卷制圆筒形容器，纵焊缝与环焊缝哪个易裂？答案：筒体纵向焊缝受力大于环向焊缝，故纵焊缝易裂，施焊时应予以注意设计厚度设计厚度 o 设计厚度设计厚度 ：计算厚度 与腐蚀裕量 之和o ：年腐蚀率mm/y；o n：预期容器寿命d2dC2Cn mmd2C名义厚度名义厚度 o 定义：指设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度o 、参照P189的规定112ndCCC n1C2C有效厚度有效厚度o 定义：名义厚度减去腐蚀裕量和钢板负偏差 ee12CC最小壁厚最小壁厚 o 常压、低压计算的壁厚可能很
8、小，GB150规定了最小壁厚（不包括腐蚀裕量）o 对碳素钢、低合金钢容器不小于3mm；o 对高合金钢制容器不小于2mmo 时，取 ；o 时，；o 时，必须计入 中去，minminmin为min1Cmin20nC 可以为min1C1Cnmin12nCC厚度系数 越大，容器在强度的安全储量越大。e7.2.2内压凸形封头厚度计算内压凸形封头厚度计算o 内压凸形封头包括四种形式：o 半球形o 标准椭圆形o 碟形o 无折边球形半球形封头半球形封头DNt半球形封头由半个球壳构成半球形封头半球形封头o 半球形封头由半个球壳构成o 球壳中任意点处的薄膜应力均相同，根据薄膜应力强度条件 o 的计算和筒体的计算相
9、同,dne 34trpD 4citp Dp 4citp D 4tpm标准椭圆形封头o 封头由半个椭球和一段高度为 的圆柱形筒节（称为直边）构成，封头曲面深度 b，封头的直边高度 与封头的厚度有关o a/b=2，标准椭球封头，最大薄膜应力位于椭球的顶点，其值与圆筒体的 完全相同4iDh 0h0hDNh1th2标准椭圆形封头o 承受内压的椭圆形封头在赤道处将产生压缩应力，为防止封头在这一压应力下产生折皱，规定标准椭圆形封头的计算厚度不得小于封头内直径的0.15%，非标准椭圆形封头的计算厚度不小于封头内直径的0.30%。22tipDpaab 2citp DpGB150规定：o 为什么？o 椭圆形封头
10、和圆筒连接处附近存在较大的边缘应力，其最大值的所在位置在以封头中心为中心的0.8 范围以外，以及和圆筒（即直边段）连接处之间的区域，其值与封头的结构尺寸值a/b有关，可用形状系数K表示，即最大应力值为直径和椭圆形封头直径相同的半球形封头薄膜应力的2K倍o 标准封头：K=1 2420.5cicittp DKp DKpp 20.5citp Dp 20.5citp DpiD21262iiDKh碟形封头（带直边球形封头）碟形封头（带直边球形封头）o 碟形封头由三部分组成，即以R为半径的球面部分,以高度为 h2 的圆筒形部分及以r为半径的过渡区,在这三部分的连接处经线曲率半径有突变,连接处附近将产生边缘
11、应力,为减少边缘应力,碟形封头均有过渡区,碟形封头设计有圆筒部分,目的是为了避免边缘应力作用在封头和筒体连接的焊缝上.RrDNh1h2t碟形封头（带直边球形封头）碟形封头（带直边球形封头）o 形状系数M o 简化式：=22tccpRMpR半球折0.5cciRR 20.520.5cciccittMp RMp RMpp134ciRMr 2ccitMp R碟形封头（带直边球形封头）碟形封头（带直边球形封头）o 碟形封头球面内半径,o 碟形封头的厚度如果太薄,有效厚度也会发生内压下的弹性失稳,GB150规定,对于 ,的碟形封头,有效厚度不小于封头内直径的0.15%,其它封头应不小于封头内直径的0.30
12、%.0.91.34iiRD M0.17iirDciiRD0.91,或 常用值为0.9 20.5citMp Dp 2citMp D球冠形封头（无折边球形）球冠形封头（无折边球形）o 无折边球形封头在多数情况下用作容器中两个独立受压室的中间封头，也可用作容器的端封头，封头与筒体连接的角焊缝应采用全焊透结构，用于压力不高的场合。o 球面半径o 封头与筒体连接处存在较大的边界应力,封头与筒体的壁厚计算都必须考虑边界应力,这种集中体现在壁厚的计算公式中的系数Q上.o 系数Q远大於1，根据封头的位置和封头的受压情况去查取Q值 2citQp Dp0.70.9,0.9ciiciiRDRD常用内压锥形封头（不作
13、要求）o 锥形封头广泛用于立式容器底部,以便于卸除物料o 锥形封头分为：不带折边锥形封头 带折边锥形封头无折边锥形封头o 锥形封头承受均匀内压时的二向薄膜应力最大值发生在离锥顶最远处(锥形封头与筒体连接处)o 根据第一或第三强度理沦 312costrpD 1cos2cos2cicittp Dp Dpp112cospD214cosmpD 1cos2citp D5pMPa无折边锥形封头o 无折边锥形封头适用于 ,因锥壳与圆筒连接处几乎不连续,存在横向推力,连接边缘附近将产生显著的边缘应力,边缘应力为二次应力,其最大应力强度控制值可达 ,若超过此值,则必须局部加强o 加强后的壁厚计算公式：o Q:锥
14、壳与圆筒体连接处的应力加强系数与 有关,o 在工程实际中,局部加厚封头的结构并不多见,一般采用整体加厚,筒体上的加强端还是必需的.,tp 2tQpDp030 3t带折边锥形封头o o GB150规定,对于锥壳大端,当时,应采用带折边锥形封头(表8-3),并要求大端折边锥壳过渡段转角内半径不小于锥壳大端内直径的10%,且不小于过渡段厚度的3倍o 如折边厚度小于锥体厚度则要计算折边内的应力 02citf p Dp01 21 coscosiirDf 02citf p D5cpM P a带折边锥形封头D NhdHt6 0 带折边锥形封头o 注:锥形封头小端与接管连接处也有边界应力,当 锥形封头可直接与
15、接管连接;当 时,在锥形封头小端也应加折边o 对于封头,其大小端直径相差均较大,研究表明当大端与小端直径之比大于4时,小端厚度不必计算,取大端相同厚度即可.004560045平板封头（不作要求）o 承压设备的封头一般不采用平板,只是压力容器上的人孔、手孔或在设备操作期间需要封闭的接管所用的盲板才用平板。o K结构系数 2max222tCCtcccBCttcp DKKpp DDKpD Nt封头计算厚度的通用式o 筒体与封头厚度的计算公式，除了平板封头外，可其它可用一个通用式表示，利于记忆：o K：形状系数o 圆柱形筒体与标准椭圆形封头：K=1；o 球壳与半球形封头：K=0.5；o 无折边锥形封头
16、：K=Qo 折边锥形封头：o 碟形封头：0Kf 2citKp DK=M9.2.3压力试验o制造加工过程不完善，导致不安全，发生过大变形或渗漏。o最常用的压力试验方法是液压试验。o常温水。也可用不会发生危险的其它液体，试验时液体的温度应低于其闪点或沸点。o不适合作液压试验：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，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o液压试验时水温不能过低(碳素钢、16MnR不低于5，其它低合金钢不低于15)，外壳应保持干燥。o设备充满水后，待壁温大致相等时，缓慢升压到规定试验压力，稳压30min，然后将压力降低到设计
17、压力，保持30min以检查有无损坏，有无宏观变形，有无泄漏及微量渗透。o水压试验后及时排水，用压缩空气及其它惰性气体，将容器内表面吹干液压试验o 试验压力：o 强度条件：1.25tTPPseeiTTttDp9.02)(气压试验o 试验压力：o 强度条件：1.10tTPPseeiTTttDp8.02)(气密性试验o 试验压力：介质毒性为极度、高度危害或不允许有微量泄漏的压力容器 tTPP05.17.3在用压力容器的强度校核在用压力容器的强度校核 根据规程规定，对在用压力容器要进行定期检验，强度是其中的一项，本节只对涉及强度校核的有关公式和方法作简要介绍 7.3.1在用压力容器强度校核的原则在用压
18、力容器强度校核的原则1 o 原设计已明确提出所采用的强度设计标准的，按原强度标准进行强度校核；没标明的，可按当时实施的有关标准进行校核，进口设备或按国外技术标准设计的，原则上按国外设计规范或按合同规定的设计规范进行强度校核；o 容器材料牌号不明时，按同类常用材料的最低标准值进行强度计算；o 焊缝接头系数应根据焊接接头的实际结构型式和检验结果，参照原设计规定选取，在特定条件下，把焊接接头系数的确定与焊接接头中存在的某些缺陷联系起来的意见的可采纳的；7.3.1在用压力容器强度校核的原则在用压力容器强度校核的原则2o 对于已使用多年的容器，或者腐蚀比较严重的容器，其有效厚度按下式计算：o 强度校核压
19、力，可取压力容器实际操作的最高工作压力，装有安全阀的压力容器，其校核压力不得低于安全阀的开启压力；装有爆破片的压力容器，其校核压力不得低于爆破片的爆破压力；盛装液化气的，应取原设计压力；o 强度校核时的壁温，取实际最高器壁温度，低温容器按常温取许用应力值。min2ecn7.3.2强度校核的方法强度校核的方法o 算出容器在校核压力下的计算应力，看是否小于材算出容器在校核压力下的计算应力，看是否小于材料的许用应力料的许用应力o ，即合格，否则不合格；o 的选取：o 新容器筒体：o 新容器封头：o 腐蚀比较严重的容器：t 2tchieKp De12enCC123enCCCmin2ecn7.3.2强度
20、校核的方法强度校核的方法o 算出容器的最大许用压力，看是否大于校核算出容器的最大许用压力，看是否大于校核压力压力o ，即合格，否则不合格，即合格，否则不合格o 即即 pp 22ttieeiKpDpKD 2teipKD例：o 一台反应釜，釜体材料为20R，内径为1600mm，正常操作压力为1.3Mpa，安全阀的开启压力为1.4Mpa，反应温度为200C，介质有轻微腐蚀，取 ，焊接接头形式为双面对接焊缝，局部无损探伤，经实测最小壁厚为12mm，试判断该釜能否继续使用。21Cmm解：o 已知20R在200C的许用应力为o 满足强度校核条件，说明该釜可继续使用。min212 111ecCmm 123tMPa1.41600 11102.5211chep DMPa 104.6tMPa例 某化工厂欲设计一台石油气分离工程中的乙烯精馏塔。工艺要求为塔体内径Di=600mm；设计压力p2.2MPa；工作温度t-3-20。试选择塔体材料并确定塔体厚度。解：o 由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在-20以上，承受一定的压力，故选用16MnR。p2.2MPa；Di=600mm；170Mpa，=0.8；C2=1.0 mm 得：t 22idtpDCp2.2 6001.05.892 170 0.82.2dmm考虑钢板厚度负偏差C10.6mm圆正取dn=7mm
