第4章__內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)

1、,第4章內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì),第一節(jié)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基本知識(shí)第二節(jié)、內(nèi)壓薄壁圓筒與球殼的強(qiáng)度設(shè)計(jì)第三節(jié)、內(nèi)壓圓筒封頭的設(shè)計(jì),,,,,第一節(jié)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基本知識(shí),強(qiáng)度設(shè)計(jì)：根據(jù)給定的公稱直徑以及計(jì)算壓力和溫度，設(shè)計(jì)出合適的壁厚，以保證設(shè)備安全可靠地運(yùn)行。新壓力容器強(qiáng)度計(jì)算的內(nèi)容：,確定設(shè)計(jì)參數(shù)；選擇所使用的材料；確定容器的結(jié)構(gòu)形式；計(jì)算筒體與封頭壁厚；選取標(biāo)準(zhǔn)件；繪制設(shè)備圖紙。,,再用壓力容器的強(qiáng)度校核：我國(guó)對(duì)壓力容

2、器實(shí)施定期檢查制度。壓力容器在使用一定年限后會(huì)因腐蝕而導(dǎo)致壁厚減薄，所以在每次檢查時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)測(cè)壁厚進(jìn)行強(qiáng)度校核，其目的是：,判定在下一個(gè)檢驗(yàn)周期內(nèi)，或在剩余壽命期間，容器是否能夠在原設(shè)計(jì)條件下安全使用；當(dāng)容器已被判定不能在原設(shè)計(jì)條件下使用，應(yīng)通過強(qiáng)度計(jì)算，提出容器監(jiān)控使用的條件；當(dāng)容器針對(duì)某一使用條件需要判廢時(shí)，應(yīng)提出判廢標(biāo)準(zhǔn)。,彈性失效：內(nèi)壓容器一處的最大應(yīng)力達(dá)到材料在設(shè)計(jì)溫度下的屈服點(diǎn)時(shí)，容器即為受到破壞，也就是說(shuō)，容器的每一

3、部分都必須處于彈性變形范圍之內(nèi)；設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：為了保證安全，必須留有一定的安全裕度：,,1. 關(guān)于彈性失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,,,2. 強(qiáng)度理論及其相應(yīng)的強(qiáng)度條件,環(huán)向應(yīng)力,軸向應(yīng)力,徑向應(yīng)力,對(duì)于承受均勻內(nèi)壓的薄壁容器，其主應(yīng)力規(guī)定為：,,2.1 第一強(qiáng)度理論,根據(jù)：當(dāng)作用在構(gòu)件上的外力過大時(shí)，材料就會(huì)沿著最大拉應(yīng)力所在的截面發(fā)生脆性斷裂，也就是說(shuō)，不論在什么樣的應(yīng)力狀態(tài)下，只要三個(gè)主應(yīng)力中最大拉應(yīng)力σ1達(dá)到了 材料的極限應(yīng)力，材料就發(fā)生

4、破壞；強(qiáng)度條件：在17世紀(jì)提出，最早的強(qiáng)度理論，也稱為最大拉應(yīng)力理論；只適用于脆性材料。,,認(rèn)為材料沿最大主應(yīng)力方向破壞并不是由最大主應(yīng)力達(dá)到某一極限值所引起的，而是由于最大拉伸應(yīng)變達(dá)到某一極限所引起的；也稱為最大主應(yīng)變理論；因?yàn)閼?yīng)變難以測(cè)量，因此第二強(qiáng)度理論用得不多。,,2.2 第二強(qiáng)度理論,根據(jù)：當(dāng)作用在構(gòu)件上的外力過大時(shí)，材料就會(huì)沿著最大剪應(yīng)力所在的截面滑移而發(fā)生流動(dòng)破壞；不論在什么樣的應(yīng)力狀態(tài)下，只要最大剪應(yīng)力達(dá)到

5、了材料的極限值，就會(huì)引起材料的流動(dòng)破壞；強(qiáng)度條件：也稱為最大剪應(yīng)力理論。,,2.3 第三強(qiáng)度理論,,根據(jù)：不論在什么樣的應(yīng)力狀態(tài)下，只要構(gòu)件內(nèi)一點(diǎn)的形狀改變比能達(dá)到了材料的極限值，就會(huì)引起材料的流動(dòng)破壞；形狀改變比能：隨著彈性體發(fā)生變形而積蓄在其內(nèi)部的能量，如拉滿的弓、機(jī)械表的發(fā)條被擰緊時(shí)；強(qiáng)度條件：也稱為形狀改變比能理論。,,2.4 第四強(qiáng)度理論,,,第二節(jié)、內(nèi)壓薄壁圓筒殼與球殼的強(qiáng)度設(shè)計(jì),1. 內(nèi)壓薄壁圓筒殼的強(qiáng)度條件

6、,若取第三強(qiáng)度理論，,,,整理得到計(jì)算壁厚S的公式，,,,基于內(nèi)徑的圓筒計(jì)算壁厚公式,同樣取第三強(qiáng)度理論，,整理得到計(jì)算壁厚S的公式，,,基于外徑的圓筒計(jì)算壁厚公式,若基于內(nèi)徑：,若基于外徑：,,若考慮腐蝕裕量C2，得到 設(shè)計(jì)壁厚Sd，,名義壁厚,有效壁厚,對(duì)已有設(shè)備進(jìn)行強(qiáng)度校核：,,強(qiáng)度校核,,最大允許工作壓力：,,,2. 內(nèi)壓球形容器的強(qiáng)度條件,,,相同壓力、直徑條件下，球殼的計(jì)算壁厚約為相同條件下圓筒壁厚的一半；在相同的壁厚、直

7、徑條件下，球殼的耐壓能力是圓筒的兩倍。,,3. 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定,3.1 設(shè)計(jì)壓力,工作壓力：是指在正常情況下，容器頂部可能達(dá)到的最高壓力；由工藝過程決定的；設(shè)計(jì)壓力：標(biāo)注在設(shè)備銘牌上的壓力，其值不低于工作壓力；根據(jù)具體條件而規(guī)定的；計(jì)算壓力：在相應(yīng)設(shè)計(jì)條件下，用以確定元件厚度的壓力，包括液體靜壓力。,,設(shè)計(jì)壓力的取值,設(shè)計(jì)溫度是指容器在正常工作溫度下，設(shè)定的元件的金屬溫度；標(biāo)注在產(chǎn)品銘牌上的設(shè)計(jì)溫度，應(yīng)該是殼體在金屬設(shè)計(jì)溫度的最

8、高值或最低值；設(shè)計(jì)溫度雖然不直接反映在上述計(jì)算公式中，但它是設(shè)計(jì)中選擇材料和確定許用應(yīng)力時(shí)不可缺少的一個(gè)參數(shù)。,,3.2 設(shè)計(jì)溫度,,設(shè)計(jì)溫度的確定,極限應(yīng)力的取法取決于材料的類型：,,3.3 許用應(yīng)力與安全系數(shù),塑性材料制成的承壓件：一般以屈服點(diǎn)為許用應(yīng)力；脆性材料制成的容器，一般以抗拉強(qiáng)度為許用應(yīng)力；對(duì)于鍋爐和壓力容器的承壓部件，一般也以抗拉強(qiáng)度作為許用應(yīng)力。,許用應(yīng)力,極限應(yīng)力,安全系數(shù),材料性能的穩(wěn)定、可靠性及其可能存

9、在偏差的大?。还浪愕妮d荷狀態(tài)及其數(shù)值上的偏差；計(jì)算方法的精確程度；制造工藝及其允許的偏差；檢驗(yàn)手段及其嚴(yán)格的程度；使用操作的經(jīng)驗(yàn)。,,影響安全系數(shù)的主要因素,按照科技發(fā)展的總趨勢(shì)，安全系數(shù)將逐漸變小。,,3.4 焊接接頭系數(shù),對(duì)于壁厚不超過38mm的容器，對(duì)其接頭的焊接處，采用射線探傷；由于結(jié)構(gòu)不明，不能采用射線探傷的，采取超聲波探傷。,鋼板出廠時(shí)標(biāo)注的厚度是鋼板的名義厚度，鋼板的實(shí)際厚度可能大于名義厚度(正偏差)，也有可

10、能小于名義厚度(負(fù)偏差)。鋼板的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了允許的正、負(fù)偏差值。因此如果按照設(shè)計(jì)壁厚去購(gòu)置鋼板，就有可能購(gòu)得實(shí)際厚度小于設(shè)計(jì)壁厚的鋼板。為了杜絕這種情況，在確定筒體壁厚時(shí)，應(yīng)在設(shè)計(jì)壁厚的基礎(chǔ)上將鋼板的負(fù)偏差加上去。,,3.5 壁厚附加量C=C1+C2,3.5.1 鋼板負(fù)偏差C1,由于容器在使用過程中會(huì)受到介質(zhì)的腐蝕，因此必須考慮一定的腐蝕裕量；介質(zhì)不同、材料不同，所考慮的腐蝕裕量值也不盡相同。,,3.5.2 腐蝕裕量C2,設(shè)計(jì)時(shí)

11、，必須考慮鋼板厚度標(biāo)準(zhǔn)問題，否則可能提高制造成本。,,3.6 鋼板厚度,對(duì)于容器，不能認(rèn)為器壁越薄就越能節(jié)省鋼材、降低造價(jià)。因?yàn)樵绞潜〉膱A筒，在制造過程中為了維持必要的圓度，在運(yùn)輸過程中為了保持必要的剛度，都必須使用大量的輔助鋼材，將圓筒撐圓，而這些鋼材所需費(fèi)用都要計(jì)入設(shè)備的制造成本中去，所以規(guī)定容器的最小壁厚在經(jīng)濟(jì)上是合理的。GB150-1998規(guī)定：,,3.7 容器的最小壁厚,為了檢查容器的宏觀強(qiáng)度和有無(wú)滲漏情況，容器投入使用

12、之前，必須作壓力試驗(yàn)或氣密性試驗(yàn)；壓力試驗(yàn)一般采用液壓試驗(yàn)，對(duì)于不適合液壓試驗(yàn)的容器，可進(jìn)行氣壓試驗(yàn)；與氣壓試驗(yàn)相比，液壓試驗(yàn)相對(duì)安全。,,4. 壓力試驗(yàn)及其強(qiáng)度校核,最高不超過1.8，若超過1.8，也按1.8計(jì)算；當(dāng)設(shè)計(jì)溫度低于200℃ 時(shí)， 可以忽略不計(jì)。,,4.1 試驗(yàn)壓力,,,液壓試驗(yàn)：,氣壓試驗(yàn)：,,,4.2 壓力試驗(yàn)的應(yīng)力校核,液壓試驗(yàn)：,氣壓試驗(yàn)：,,,,第三節(jié)、內(nèi)壓圓筒封頭的設(shè)計(jì),所需的壁厚是相同

13、壓力、直徑圓筒的一半，但在實(shí)際中，為了減少邊緣應(yīng)力，往往采取與圓筒相同的厚度；半球形封頭多用于壓力較高的貯罐上；制造方法：,,1. 半球形封頭,直徑較小、器壁較薄的半球形封頭可以整體熱壓成型；大直徑的半球形封頭需先分瓣沖壓、再焊接的工藝；分瓣沖壓可使模具尺寸減小，降低對(duì)水壓機(jī)噸位的要求，但加工質(zhì)量不如整體熱壓好。,GB規(guī)定：在工程應(yīng)用上，K<2.6；標(biāo)準(zhǔn)橢圓形的形狀系數(shù)K=1；,,2. 橢圓形封頭,,,,計(jì)算壁厚：,形狀系數(shù)

14、：,最大允許工作壓力：,GB還規(guī)定：標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的有效壁厚應(yīng)不小于內(nèi)直徑的0.15%，其它橢圓形封頭壁厚應(yīng)不小于其內(nèi)徑的0.30%，為什么？,,,這是因?yàn)椋菏軆?nèi)壓后，橢圓形封頭有變圓的趨勢(shì)，因而在赤道處產(chǎn)生環(huán)向壓縮薄膜應(yīng)力，其值與頂點(diǎn)處所產(chǎn)生的最大拉伸薄膜應(yīng)力相等。當(dāng)半個(gè)橢球作為封頭使用時(shí)，雖然在其赤道處有圓柱形短節(jié)(直邊封頭)與其相連，但如果封頭厚度過薄，赤道處的環(huán)向壓縮應(yīng)力仍有可能將封頭壓出褶皺，這個(gè)現(xiàn)象稱為“失穩(wěn)”。,當(dāng)?shù)畏忸^

15、的球面內(nèi)半徑Ri=0.9Di，過度圓弧內(nèi)半徑r=0.17Di時(shí)，稱為標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭，此時(shí)，M=1.325。,,３. 碟形封頭,,４. 球冠形封頭,錐形封頭廣泛應(yīng)用于許多化工設(shè)備(如蒸發(fā)器、噴霧干燥器、結(jié)晶器及沉降器等)的底蓋，它的優(yōu)點(diǎn)是便于收集與卸除這些設(shè)備中的固體物料。此外，有一些塔設(shè)備上、下部分的直徑不等，也常用錐形殼體將直徑不等的兩段塔體連接起來(lái)，這時(shí)的圓錐形殼體稱為變徑段。錐形封頭分為無(wú)折邊錐形封頭和帶折邊錐形封頭兩種。,,５.