第4章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计

1第四章内压薄壁圆筒与封头的强度设计教学重点：内压薄壁圆筒的厚度计算教学难点：厚度的概念和设计参数的确定21.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2.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3.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数4.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。内压薄壁圆筒与封头的强度设计公式推导过程3容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点，容器即告失效(失去正常的工作能力)，也就是说，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屈服点。第一节强度设计的基本知识一、关于弹性失效的设计准则1、弹性失效理论s当4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力之间满足一定的关系，即n0当=0—极限应力（由简单拉伸试验确定）n—安全系数—许用应力当—相当应力，由强度理论来确定。0当n][——相当应力，MPa，可由强度理论确定——极限应力，MPa，可由简单拉伸试验确定——安全裕度——许用应力,MPa2、强度安全条件542pDm21pD03r径向应力二、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图4-1应力状态1031226第一强度理论（最大主应力理论）第三强度理论（最大剪应力理论）21pDI当强度条件][2pDI当231pDIII当强度条件][2pDIII当适用于脆性材料适用于塑性材料2、常用强度理论7第四强度理论（能量理论）2.321])()()[(21212221213232221pDIV当强度条件][3.2pDIV当适用于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。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.8][2pDIII当tpD2iDD考虑实际情况，引入pc等参数cticpDp222CpDpcticd考虑介质腐蚀性考虑钢板厚度负偏差并圆整n第二节内压薄壁圆筒壳体与球壳的强度设计一、强度设计公式1、内压薄壁圆筒9强度校核公式最大允许工作压力计算公式eietnintwDCDCp22][2)(teeictDp10421pDcticpDp424CpDpcticd][4)(teeictDpeietwDp4公式的适用范围为tcp][6.02、内压球形壳体11工作压力指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。设计压力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，其值不低于工作压力。计算压力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。计算压力pc=设计压力p+液柱静压力二、设计参数的确定1、压力12表4-1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出现的内外压差夹套容器7当有安全阀控制时，取1.25倍的内外最大压差与0.1Mpa两者中的较小值，当没有安全控制装置时，取0.1Mpa真空容器6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（设置在地面的容器可按不低于40℃，如50℃、60℃时的气体压力考虑）装有液化气体的容器4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≤1.15~1.3pw）容器内有爆炸性介质，装有防爆膜时3取等于或略高于最高工作压力，通常取p≤1.0~1.1pw单个容器不要装安全泄放装置2取不小于安全阀的初始起跳压力，通常取p≤1.05~1.1pw容器上装有安全阀时1设计压力（P）取值类型13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（沿元件金属截面厚度的温度平均值）。设计温度是选择材料和确定许用应力时不可少的参数。2、设计温度14nt0][（1）极限应力极限应力的选取与结构的使用条件和失效准则有关0极限应力可以是tntDttssb、、、、)()(2.02.0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。3、许用应力和安全系数15常温容器中温容器高温容器=min{bbn,ssn2.0}t=min{sttsbtbnn2.0,}t=min{DtDntnsttsnnn,,2.0}16（2）安全系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。常温下，碳钢和低合金钢6.10.3sbnn，表4-2钢材的安全系数≥1.0≥1.5≥1.5≥3.0高合金钢≥1.0≥1.5≥1.6≥3.0碳钢素、低合金钢设计温度经下经10万小时蠕变率为1%的蠕变极限设计温度下经10万小时断裂的持久强度的平均值常温或设计温度下的屈服点()或常温下最低抗拉强度nnnDnsnb材料安全系数s2.0ts)(2.0ttDtnb17焊缝区的强度主要取决于熔焊金属、焊缝结构和施焊质量。焊接接头系数的大小决定于焊接接头的型式和无损检测的长度比率。焊接接头系数φ是焊接削弱而降低设计许用应力的系数。4、焊接接头系数φ表4-3焊接接头系数焊接接头结构示意图焊接接头系数φ100%无损检测局部无损检测双面焊的对接接头和相当于双面焊的全焊透的对接接头1.00.85单面焊的对接接头（沿焊缝根部全长有紧贴基本金属垫板）0.90.818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(或钢管负偏差)C1、腐蚀裕量C2即C＝C1十C21、按表4-9选取2、当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，负偏差可以忽略不计。为防止容器元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄，应考虑腐蚀裕量。C1钢板厚度负偏差C2腐蚀裕量5、厚度附加量C19标准化问题6、直径系列与钢板厚度表4-4常用钢板厚度2.02.53.03.54.04.5(5.0)6.07.08.09.010111214161820222528303234363840424650556065707580859095100105110115120125130140150160165170180185190195200注：5mm为不锈钢常用厚度。201、厚度的定义计算厚度dn2C设计厚度1C圆整值名义厚度有效厚度e21CCC毛坯厚度加工减薄量三、容器的厚度和最小厚度图4-2壁厚的概念21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。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：a.碳素钢和低合金钢制容器不小于3mmb．对高合金钢制容器，不小于2mmmin2、最小厚度c．碳素钢、低合金钢制塔式容器min≥max{iD10002,4mm}；不锈钢制塔式容器min≥max{iD10002,3mm}.22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，以确保设备的安全运行。目的液压试验气压试验气密性试验压力试验的种类四、压力试验与强度校核23液压试验气压试验内压容器试验压力tTpp][][25.1tTpp][][15.11、试验压力[]/[]t大于1.8时，按1.8计算；如果容器各元件(圆筒、封头、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，公式中应以最大允许工作压力代替设计压力p24eeiTTDp2)()(9.02)(2.0seeiTTDp液压试验气压试验)(8.02)(2.0seeiTTDp2、压力试验的应力校核3.压力试验的试验要求与试验方法（自学）圆筒壁在试验压力下的计算应力25【例4-2】有一锅炉汽包,其内径为,工作压力为,汽包上装有安全阀,设计温度为350℃,材质为18MnMoNbR,双面焊对接接头,100%无损检测,试设计该汽包厚度。mmDi1300MPa6.15（1）确定参数mm0.1MPa16.176.151.1mm1300MPa190(附表9-1)；1(表4-8)；取,,解:2CcpiDt][五、例题26cticpDp][2mmC25.01（2）计算厚度)(5.620.15.612mmCd根据mmd5.62,查表4-9得故)(75.6225.05.621mmCd圆整后,取名义厚度为。mmn65复验mmmmn25.09.3%665%6,故最后取。mmC25.01该塔体可用65mm厚的18MnMoNbR钢板制作。)(5.6116.1711902130016.17mm27（3）校核水压试验强度seeiTTDp9.02)()(4.22975.632)75.631300(45.21MPaT式中，)(45.2119019016.1725.1][][25.1MPapptT)16.17(MPappc)(75.6325.165mmCne则而)(36941019.09.0MPas可见sT9.0，所以水压试验强度足够。)(410MPas(附表9-1)；28（1）确定参数MPa6.261MPa15mm219)(6.26138.784][MPanbbt1(已知最小壁厚为6.5mm,故不再计入负偏差C1)取许用应力为,,解:2Ccp0Dt][nmm5.6)(8.3186.112.510][MPansst（无缝钢管），取腐蚀裕量1.0mmC)(5.515.6emmCnmmD2190mmn5.6,8.784MPab,12.510MPas%185【例4-3】有一库存很久的氧气瓶,其材质为40Mn2A,外径,系无缝钢管收口而成,实测其最小壁厚为已知材料的,设计温度为常温。今欲充15MPa的压力使用，问强度是否够？如强度不够，该气瓶的最大允许工作压力是多少？)(0.10.102mmC1C29（2）强度校核][2)(t0eectDp)(1.2915.52)5.5219(15MPatMPaMPatt1.261][1.291可见,所以该氧气瓶用于15MPa的压力下强度不够,不安全,须改变用途降压使用。（3）确定最高允许工作压力eoetwDp][2][)(48.135.52195.516.2612MPa该氧气瓶的最大安全使用压力为13.48MPa。30容器封头（端盖）凸形封头锥形封头平板封头半球形封头椭圆形封头碟形封头球冠形封头第三节内压圆筒封头的设计31一、半球形封头半球形封头是由半个球壳构成的，它的计算壁厚公式与球壳相同cticpDp424CpDpcticdt=eeicDp4twp=eietD4图4-3半球形封头32椭圆形封头是由长短半轴分别为a和b的半椭球和高度为h。的短圆筒(通称为直边)两部分所构成。直边的作用是为了保证封头的制造质量和避免筒体与封头间的环向焊缝受边缘应力作用。mm5.02cticpDKp图4-4椭圆形封头二、椭圆形封头33椭圆形封头34结论：当椭球壳的长短半轴a/b＞2时，椭球壳赤道上出现很大的环向应力，其绝对值远大于顶点的应力，从而引入形状系数