1、第七章 內壓薄壁容器設計內壓薄壁容器設計o本章重點介紹設計壓力不大于35Mpa的內壓容器的筒體和封頭的設計計算，容器的設計計算通常是根據(jù)工藝條件和要求，選擇使用材料、確定設計參數(shù)，并計算容器筒體和封頭等受壓元件的強度尺寸。o壓力容器設計以GB150鋼制壓力容器為依據(jù)的，該標準以彈性失效為設計準則，這種設計主要是控制殼體主體的基本（薄膜）應力不超過材料的許用應力值，對于結構不連續(xù)引起的邊緣應力主要以結構的局部處理為主，必要時則以應力增強系數(shù)的形式引入設計計算式予以考慮。本章重點o本章重點是筒體和封頭的強度計算以確定其壁厚，涉及強度計算的內容包括兩方面：o設計壓力容器 根據(jù)工藝條件，確定設計參數(shù)（

2、p,t,D），選定材料和結構形式，通過強度計算確定筒體和封頭的壁厚；o校核在用容器 判斷在剩余壽命期間內是否安全 容器針對某一使用條件需判廢，應為判廢提供依據(jù)7.1設計參數(shù)的確定設計參數(shù)的確定o根據(jù)GB150的有關規(guī)定正確選定設計參數(shù)。o兩個基本參數(shù)： 公稱直徑DN：指標準化以后的標準直徑，以DN表示，單位mm，例如內徑1200mm的容器的公稱直徑標記為DN1200。 公稱壓力PN：容器及管道的操作壓力經標準化以后的標準壓力稱為公稱壓力，以PN表示，單位MPa。7.1.1容器直徑容器直徑o容器筒體和封頭的直徑都有規(guī)定，不能任意取值，應圓整為公稱直徑。o壓力容器的公稱直徑：是指容器的內徑，見P1

3、81表14-1o鋼板卷焊公稱直徑是內徑。o無縫鋼管制作筒體時，以外徑作為公稱直徑，見表14-27.1.2工作壓力與設計壓力工作壓力與設計壓力o設計壓力是設定的容器頂部的最高壓力，與相應的設計溫度一起作為設計載荷條件。o工作壓力是由工藝過程決定的，會變動，通常指最大工作壓力，既指容器頂部在工作過程中可能產生的最高壓力（表壓）o設計壓力:相應設計溫度下確定殼壁厚度的壓力，亦即標注在銘牌上的容器設計壓力。其值稍高于最大工作壓力。設計壓力的確定o使用安全閥時設計壓力不小于安全閥開啟壓力或取最大工作壓力1.051.10倍；o使用爆破膜根據(jù)其型式，一般取最大工作壓力的1.151.75倍作為設計壓力，不低于

4、爆破片的爆破壓力o固定式液化氣體儲罐的設計壓力應根據(jù)充裝介質在容器內可能達到的最高金屬溫度下相應的飽和蒸汽壓確定，具體參照TSGR0004o移動式壓力容器設計壓力參照TSGR0005計算壓力 o計算壓力 ：指在相應設計溫度下，用于確定受壓元件厚度的壓力，其中應包括液柱靜壓力。容器內盛有液體，若其靜壓力不超過最大工作壓力的5，則設計壓力可不計入靜壓力，否則，須在設計壓力中計入液體靜壓力。多數(shù)情況 。o夾套容器的內筒，當夾套中用蒸氣加熱時，內筒的計算壓力應按生產中可能出現(xiàn)的最大壓差來確定。cpcpp7.1.3設計溫度設計溫度o選擇材料和許用應力的確定直接有關。o設計溫度指容器正常工作中，在相應的設

5、計條件下，金屬器壁可能達到的最高或最低溫度。o器壁溫度通過換熱計算。o不被加熱或冷卻，筒內介質最高或最低溫度。o用蒸汽、熱水或其它載熱體加熱或冷卻，載體最高溫度或最低溫度。o不同部位出現(xiàn)不同溫度可分別計算7.1.4許用應力許用應力o許用應力是以材料的各項強度數(shù)據(jù)為依據(jù)，合理選擇安全系數(shù)n得出的。o設計溫度下許用壓力值的大小直接決定著容器強度，是重要設計參數(shù)之一。 0n7.1.5焊接接頭系數(shù)焊接接頭系數(shù) 多數(shù)容器采用焊接結構、焊接時可能出現(xiàn)焊接缺陷（如未焊透、氣孔和夾渣等），對容器強度產生影響。在設計中用焊接接頭系數(shù) 表示焊縫熱影響區(qū)金屬與用材強度的比值，反映容器強度削弱的程度， 的大小應根據(jù)受

6、壓元件的焊接接頭形式、坡口形式、焊縫形式和無損檢測的長度比例有關 焊縫系數(shù)7.2內壓容器筒體和封頭厚度計算內壓容器筒體和封頭厚度計算 o7.2.1內壓圓筒的五種厚度及其確定方法內壓圓筒的五種厚度及其確定方法o理論計算厚度理論計算厚度o設計厚度設計厚度o名義厚度名義厚度o有效厚度有效厚度o最小壁厚最小壁厚理淪計算厚度理淪計算厚度o圓筒受力：o按第一強度理淪： （GB150）o按第三強度理淪： （ ASME） 2tip D1r3r4mpD2pD0r 22tiitp DpDp 22tipDpt5Mpa問題a：筒體上開橢圓孔，如何開？ 答案o應使其短軸與筒體的軸線平行，以盡量減少開孔對縱截面的削弱程度

7、，使環(huán)向應力不致增加很多。問題：o鋼板卷制圓筒形容器，縱焊縫與環(huán)焊縫哪個易裂？答案： 筒體縱向焊縫受力大于環(huán)向焊縫，故縱焊縫易裂，施焊時應予以注意設計厚度設計厚度 o設計厚度設計厚度 ：計算厚度 與腐蝕裕量 之和o ：年腐蝕率mm/y；on：預期容器壽命d2dC2Cn mmd2C名義厚度名義厚度 o定義：指設計厚度加上鋼材厚度負偏差后向上圓整至鋼材標準規(guī)格的厚度o 、 參照P189的規(guī)定112ndCCC n1C2C有效厚度有效厚度o定義：名義厚度減去腐蝕裕量和鋼板負偏差 ee12CC最小壁厚最小壁厚 o常壓、低壓計算的壁厚可能很小，GB150規(guī)定了最小壁厚（不包括腐蝕裕量）o對碳素鋼、低合金鋼

8、容器不小于3mm；o對高合金鋼制容器不小于2mmo 時，取 ；o 時， ；o 時， 必須計入 中去， minminmin為min1Cmin20nC 可以為min1C1Cnmin12nCC厚度系數(shù) 越大，容器在強度的安全儲量越大。e7.2.2內壓凸形封頭厚度計算內壓凸形封頭厚度計算o內壓凸形封頭包括四種形式：o半球形o標準橢圓形o碟形o無折邊球形半球形封頭半球形封頭DNt半球形封頭由半個球殼構成半球形封頭半球形封頭o半球形封頭由半個球殼構成o球殼中任意點處的薄膜應力均相同， ，根據(jù)薄膜應力強度條件 o 的計算和筒體的計算相同,dne 34trpD 4citp Dp 4citp D 4tpm標準橢

9、圓形封頭o封頭由半個橢球和一段高度為 的圓柱形筒節(jié)（稱為直邊）構成，封頭曲面深度 b，封頭的直邊高度 與封頭的厚度有關oa/b=2，標準橢球封頭，最大薄膜應力位于橢球的頂點，其值與圓筒體的 完全相同4iDh 0h0hDNh1th2標準橢圓形封頭o承受內壓的橢圓形封頭在赤道處將產生壓縮應力，為防止封頭在這一壓應力下產生折皺，規(guī)定標準橢圓形封頭的計算厚度不得小于封頭內直徑的0.15%，非標準橢圓形封頭的計算厚度不小于封頭內直徑的0.30%。 22tipDpaab 2citp DpGB150規(guī)定：o 為什么？o橢圓形封頭和圓筒連接處附近存在較大的邊緣應力，其最大值的所在位置在以封頭中心為中心的0.8

10、 范圍以外，以及和圓筒（即直邊段）連接處之間的區(qū)域，其值與封頭的結構尺寸值a/b有關，可用形狀系數(shù)K表示，即最大應力值為直徑和橢圓形封頭直徑相同的半球形封頭薄膜應力的2K倍o標準封頭：K=1 2420.5cicittp DKp DKpp 20.5citp Dp 20.5citp DpiD21262iiDKh碟形封頭（帶直邊球形封頭）碟形封頭（帶直邊球形封頭）o碟形封頭由三部分組成，即以R為半徑的球面部分,以高度為 h2 的圓筒形部分及以r為半徑的過渡區(qū),在這三部分的連接處經線曲率半徑有突變,連接處附近將產生邊緣應力,為減少邊緣應力,碟形封頭均有過渡區(qū),碟形封頭設計有圓筒部分,目的是為了避免邊緣

11、應力作用在封頭和筒體連接的焊縫上.RrDNh1h2t碟形封頭（帶直邊球形封頭）碟形封頭（帶直邊球形封頭）o形狀系數(shù)M o簡化式： =22tccpRMpR半球折0.5cciRR 20.520.5cciccittMp RMp RMpp134ciRMr 2ccitMp R碟形封頭（帶直邊球形封頭）碟形封頭（帶直邊球形封頭）o碟形封頭球面內半徑,o碟形封頭的厚度如果太薄,有效厚度也會發(fā)生內壓下的彈性失穩(wěn),GB150規(guī)定,對于 , 的碟形封頭,有效厚度不小于封頭內直徑的0.15%,其它封頭應不小于封頭內直徑的0.30%.0.91.34iiRD M0.17iirDciiRD0.91,或 常用值為0.9 2

12、0.5citMp Dp 2citMp D球冠形封頭（無折邊球形）球冠形封頭（無折邊球形） o無折邊球形封頭在多數(shù)情況下用作容器中兩個獨立受壓室的中間封頭，也可用作容器的端封頭 ，封頭與筒體連接的角焊縫應采用全焊透結構，用于壓力不高的場合。o球面半徑o封頭與筒體連接處存在較大的邊界應力,封頭與筒體的壁厚計算都必須考慮邊界應力,這種集中體現(xiàn)在壁厚的計算公式中的系數(shù)Q上.o系數(shù)Q遠大於1，根據(jù)封頭的位置和封頭的受壓情況去查取Q值 2citQp Dp0.70.9,0.9ciiciiRDRD常用內壓錐形封頭（不作要求）o錐形封頭廣泛用于立式容器底部,以便于卸除物料o錐形封頭分為： 不帶折邊錐形封頭 帶折

13、邊錐形封頭無折邊錐形封頭o錐形封頭承受均勻內壓時的二向薄膜應力最大值發(fā)生在離錐頂最遠處(錐形封頭與筒體連接處)o根據(jù)第一或第三強度理淪 312costrpD 1cos2cos2cicittp Dp Dpp112cospD214cosmpD 1cos2citp D5pMPa無折邊錐形封頭o無折邊錐形封頭適用于 ,因錐殼與圓筒連接處幾乎不連續(xù),存在橫向推力,連接邊緣附近將產生顯著的邊緣應力,邊緣應力為二次應力 ,其最大應力強度控制值可達 ,若超過此值,則必須局部加強o加強后的壁厚計算公式：oQ:錐殼與圓筒體連接處的應力加強系數(shù)與 有關,o在工程實際中,局部加厚封頭的結構并不多見,一般采用整體加厚,

14、筒體上的加強端還是必需的. ,tp 2tQpDp030 3t帶折邊錐形封頭o oGB150規(guī)定,對于錐殼大端,當時,應采用帶折邊錐形封頭(表8-3),并要求大端折邊錐殼過渡段轉角內半徑不小于錐殼大端內直徑的10%,且不小于過渡段厚度的3倍o如折邊厚度小于錐體厚度則要計算折邊內的應力 02citf p Dp01 21 coscosiirDf 02citf p D5cpM P a帶折邊錐形封頭DNhdHt60帶折邊錐形封頭o注:錐形封頭小端與接管連接處也有邊界應力,當 錐形封頭可直接與接管連接;當 時,在錐形封頭小端也應加折邊o對于封頭,其大小端直徑相差均較大,研究表明當大端與小端直徑之比大于4時

15、,小端厚度不必計算,取大端相同厚度即可.004560045平板封頭（不作要求）o承壓設備的封頭一般不采用平板,只是壓力容器上的人孔、手孔或在設備操作期間需要封閉的接管所用的盲板才用平板。oK結構系數(shù) 2max222tCCtcccBCttcp DKKpp DDKpDNt封頭計算厚度的通用式o筒體與封頭厚度的計算公式，除了平板封頭外，可其它可用一個通用式表示，利于記憶：oK：形狀系數(shù)o圓柱形筒體與標準橢圓形封頭：K=1；o球殼與半球形封頭：K=0.5；o無折邊錐形封頭：K=Qo折邊錐形封頭 ： o碟形封頭：0Kf 2citKp DK=M9.2.3壓力試驗o制造加工過程不完善，導致不安全，發(fā)生過大變

16、形或滲漏。o最常用的壓力試驗方法是液壓試驗。o常溫水。也可用不會發(fā)生危險的其它液體，試驗時液體的溫度應低于其閃點或沸點。o不適合作液壓試驗：如裝入貴重催化劑要求內部烘干，或容器內襯耐熱混凝土不易烘干，或由于結構原因不易充滿液體的容器以及容積很大的容器等，可用氣壓試驗代替液壓試驗o液壓試驗時水溫不能過低(碳素鋼、16MnR不低于5，其它低合金鋼不低于15)，外殼應保持干燥。o設備充滿水后，待壁溫大致相等時，緩慢升壓到規(guī)定試驗壓力，穩(wěn)壓30min，然后將壓力降低到設計壓力，保持30min以檢查有無損壞，有無宏觀變形，有無泄漏及微量滲透。o水壓試驗后及時排水，用壓縮空氣及其它惰性氣體，將容器內表面吹

17、干液壓試驗o試驗壓力：o強度條件： 1.25tTPPseeiTTttDp9 . 02)(氣壓試驗o試驗壓力：o強度條件： 1.10tTPPseeiTTttDp8 . 02)(氣密性試驗o試驗壓力：介質毒性為極度、高度危害或不允許有微量泄漏的壓力容器 tTPP05. 17.3在用壓力容器的強度校核在用壓力容器的強度校核 根據(jù)規(guī)程規(guī)定，對在用壓力容器要進行定期檢驗，強度是其中的一項，本節(jié)只對涉及強度校核的有關公式和方法作簡要介紹 7.3.1在用壓力容器強度校核的原則在用壓力容器強度校核的原則1 o原設計已明確提出所采用的強度設計標準的，按原強度標準進行強度校核；沒標明的，可按當時實施的有關標準進行

18、校核，進口設備或按國外技術標準設計的，原則上按國外設計規(guī)范或按合同規(guī)定的設計規(guī)范進行強度校核；o容器材料牌號不明時，按同類常用材料的最低標準值進行強度計算；o焊縫接頭系數(shù)應根據(jù)焊接接頭的實際結構型式和檢驗結果，參照原設計規(guī)定選取，在特定條件下，把焊接接頭系數(shù)的確定與焊接接頭中存在的某些缺陷聯(lián)系起來的意見的可采納的；7.3.1在用壓力容器強度校核的原則在用壓力容器強度校核的原則2o對于已使用多年的容器，或者腐蝕比較嚴重的容器，其有效厚度按下式計算：o強度校核壓力，可取壓力容器實際操作的最高工作壓力，裝有安全閥的壓力容器，其校核壓力不得低于安全閥的開啟壓力；裝有爆破片的壓力容器，其校核壓力不得低于爆破片的爆破壓力；盛裝液化氣的，應取原設計壓力；o強度校核時的壁溫，取實際最高器壁溫度，低溫容器按常溫取許用應力值。min2ecn7.3.2強度校核的方法強度校核的方法o算出容器在校核壓力下的計算應力，看是否小于材算出容器在校核壓力下的計算應力，看是否小于材料的許用應力料的許用應力o ，即合格，否則不合格；o 的選取：o新容器筒體：o新容器封頭：o腐蝕