第九章 内压薄壁圆筒和球壳设计

第九章内压薄壁圆筒和球壳的设计•根据给定的内直径，设计压力，设计温度以及介质腐蚀性等条件，设计出合适的厚度，以保证在规定的使用寿命内安全可靠地运行。•压力容器强度计算的内容主要是新容器的强度及在用容器的强度校核。第一节概述压力容器设计的内容1、确定设计参数：p（设计压力）、t（设计温度——正常工作的情况下设定的元件金属的温度）、DN（公称直径）、[σ]t（设计温度下的许用应力）、φ（焊接接头系数）等。2、选择材料只讨论钢制化工容器。•压力低、按刚度设计的容器：尽量用低碳钢；•压力较高之大型容器：普通低合金钢。价格比碳钢高20%，强度高30~60%。•介质腐蚀严重或产品纯度要求高：不锈钢；•深冷容器：铜及其合金。4、确定壳体（筒体、封头）壁厚。——强度计算。5、选取标准件。法兰、支座、开孔附件等。6、绘制设备图纸。本章主要讨论中低压化工容器筒体与封头的强度计算问题。•一、薄壁圆筒强度计算公式承受内压的圆筒，薄膜应力为根据第三强度理论工艺设计中一般给出内直径考虑焊缝区金属强度一般低于母材第二节内压薄壁圆筒和球壳强度计算pc——计算压力，MPaDi——圆筒内直径，mmδ——计算厚度，mmφ——焊接接头系数[σ]t——设计温度下材料许用应力，MPa•适用范围壳体厚度计算厚度δ设计厚度d=+C2名义厚度n=d+C1并圆整有效厚度e=n-C1-C2=n-C毛坯厚度=n+加工减薄量C3最小厚度δmin为满足制造工艺要求及运输和安装的刚度要求,对壳体规定的最小厚度设计厚度与名义厚度内压圆筒应力校核内压圆筒许可压力确定四、关于最小厚度的规定按壁厚公式计算得到的壁厚很小，不能满足制造工艺要求以及运输和安装过程中的刚度要求，规定壳体加工成型后不包括腐蚀裕量的最小厚度对碳素钢、低合金钢制容器，不小于3mm对高合金钢制容器，不小于2mm与薄壁圆筒的推导相似，可以得到球形容器的厚度设计计算公式如下：•计算厚度•应力校核二、内压球壳的强度计算•许可压力•1.设计压力p表压，设计压力是指在相应设计温度下用以确定容器壳体厚度及其元件尺寸的压力，是标注在铭牌上的容器设计压力。液体静压力5%p时，取设计压力+静压力为计算压力，有安全阀时取（1.05~1.1）最高工作压力，有爆破膜时取（1.15~1.3）倍的最高工作压力三、设计参数的确定•2.计算压力•3.设计温度(表9-1）•4.许用应力和安全系数许用应力：强度性能/安全系数安全系数：考虑到材料性能、载荷条件、设计方法、加工制造和操作等方面的不确定因素而确定的质量保证系数到材料性能、载荷条件、设计方法、加工制造和操作等方面的不确定因素而确定的质量保证系数碳素钢、低合金钢高合金钢GB150许用应力表（表9-4）5.焊接接头系数表示焊缝区金属与母材金属强度的比值。焊缝热影响区有热应力的存在，焊缝金属晶粒粗大，焊缝中存在缺陷——影响焊缝的强度。采用焊接接头系数，以补偿焊接型式、焊接工艺及焊缝探伤检验的严格程度对焊缝区材料强度的影响。焊接接头系数的大小取决于焊缝结构和探伤方法。GB150规定：GB150规定：双面焊或相当双面焊的全焊透的对接接头当采用100%探伤时,φ=1.00当采用局部探伤时,φ=0.85单面焊的对接接头（沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板）当采用100%探伤时,φ=0.90当采用局部探伤时,φ=0.806.厚度附加量C=C1+C2C1——钢材厚度负偏差C2——腐蚀裕量容器厚度附加量包括钢板或钢管厚度的负偏差C1和介质的腐蚀裕量C2。钢材厚度负偏差C1薄钢板厚度负偏差按GB708规定选取厚钢板厚度负偏差按GB709规定选取腐蚀裕量C2为防止容器元件由于腐蚀、机械磨损导致的厚度减薄而附加的厚度量根据腐蚀速度和设计寿命选取腐蚀裕量容器的各元件受到的腐蚀程度不同时，会采用不同的腐蚀裕量介质为水、水蒸气、空气的碳素钢或低合金钢制容器，C2≥1mm。对于碳素钢和低合金钢：腐蚀速度0.05mm/a，C2=0腐蚀速度0.05～0.13mm/a，C2≥1mm腐蚀速度0.13～0.25mm/a，C2≥2mm腐蚀速度≥0.25mm/a，C2≥3mm容器制成后需进行压力试验，包括强度试验和致密性试验强度试验在超工作压力下进行液压（或气压）试验试验目的检查容器在超工作压力下的宏观强度，包括材料的缺陷、容器各部分的变形、焊接接管的强度、容器法兰连接的泄漏第三节容器的压力试验致密性试验对密封性要求高的重要容器在强度试验合格后进行的泄漏检查压力试验有液压试验和气压试验两种□介质：一般为水，所以又称为水压试验。也可以使用不会导致危险的其它液体（挥发性小、易流动、不易燃和无毒性）。□水温度：C钢、16MnR、15MnVR容器≮5℃；其它低合金钢≮15℃。预防试压管道冻结及脆性破裂。一般在常温下进行。□实验步骤：一、液压试验•达到试验压力后关闭直通阀保压30分钟，此间压力表读数应保持不变。然后降至规定试验压力的80%并保持足够长时间对所有焊缝及连接部位进行检查，如有汗珠、水滴，表明有泄漏（压力表读数下降），应做标记，卸压后修补，修好后重新试验。直至合格。试验压力：内压容器使试验条件下的应力安全状况与操作条件下相同应力校核∵PTP∴试验前应对圆筒在试验压力下的最大应力进行应力校核：（防止应力过大，试验前进行）•将容积为V的容器充满压力为P的气体所需压缩功比液体压缩功大几百到几万倍，一旦破裂压缩功转化为爆破能，所以气体比液体造成的危害要大得多。因为压力试验的目的就是检验容器的强度，所以存在破裂的可能性。所以：只有在不宜做液压试验的容器才进行气压试验（100%探伤并采取有效的防护措施）。如：内衬耐火材料不易烘干的容器；不允许残留微量试验液的容器（生产时装有触媒的反应容器）。二、气压试验•气体介质：干燥洁净的空气、氮气或其它惰性气体。•试验温度：一般≮15℃•试验压力：•内压容器•若取1.8。•试验前应对圆筒的最大薄膜应力进行校核：