壓力容器的強(qiáng)度計(jì)算

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第十六章 壓力容器的強(qiáng)度計(jì)算,本章主要內(nèi)容,Ⅰ.概述 Ⅱ.容器設(shè)計(jì) Ⅲ.常用壓力容器的強(qiáng)度校核 Ⅳ.小結(jié),§16-1 概述,1.壓力容器主要受壓元件指的是： 筒體、封頭、換熱器管板與換熱器、膨脹節(jié)、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)板、設(shè)備法蘭、M30以上的設(shè)備主螺栓、人孔蓋、人孔法蘭、人孔接管、直徑大于250mm的接管等。,要進(jìn)行壓力容器的強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算，就必須知道要對(duì)哪些元件進(jìn)行計(jì)算，那么主要的受壓元件又包括哪些？強(qiáng)度計(jì)算的內(nèi)容又有哪些？,一、壓力容器的主要受壓元件,法蘭簡(jiǎn)介,（圖16-1）,1.設(shè)計(jì)壓力容器： ⑴根據(jù)化工生產(chǎn)工藝提出的條件，確定設(shè)計(jì)所需參數(shù)（p，t，D），選定材料和結(jié)構(gòu)型式，通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算確定容器筒體及封頭壁厚。 ⑵已經(jīng)制定標(biāo)準(zhǔn)的受壓元件，可直接選取。 2.校核在用容器：,§16-1 概述,二、強(qiáng)度計(jì)算的內(nèi)容：,⑴判定在一個(gè)檢驗(yàn)周期內(nèi)，或在剩余壽命期內(nèi)，容器是否 還能在原設(shè)計(jì)條件下安全使用。對(duì)于已不能在原設(shè)計(jì)條件 下使用的容器，應(yīng)通過(guò)強(qiáng)度計(jì)算，為容器提出最高允許工 作壓力。 ⑵如果容器針對(duì)某一使用條件需要判廢，應(yīng)為判廢提供依據(jù)。,§16-2 容器設(shè)計(jì),Ⅰ.復(fù)習(xí)回顧四種典型回轉(zhuǎn)殼體中的薄膜應(yīng)力； Ⅱ.內(nèi)壓圓筒壁厚的確定； Ⅲ.內(nèi)壓圓筒的計(jì)算應(yīng)力與最大允許應(yīng)力； Ⅳ.內(nèi)壓凸形封頭壁厚的確定； Ⅴ.內(nèi)壓錐形封頭壁厚的確定； Ⅵ.平板形封頭； Ⅶ.設(shè)計(jì)參數(shù)的確定。,一、內(nèi)壓圓筒壁厚的確定,內(nèi)壓圓筒器壁內(nèi)的基本應(yīng)力是薄膜應(yīng)力,根據(jù)第三強(qiáng)度理論得出的薄膜應(yīng)力強(qiáng)度條件是：,對(duì)于筒體，該強(qiáng)度條件為:,制造筒體的鋼板在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力。 按第三強(qiáng)度理論得到的薄膜應(yīng)力的相當(dāng)應(yīng)力。,1.理論計(jì)算壁厚δ:,(16-1),(16-2),[σ]t,σr3,δ,計(jì)算厚度，mm。,容器筒體一般由鋼板卷焊而成。由于在焊接加熱過(guò)程中，對(duì)焊縫金屬組織產(chǎn)生不利影響，同時(shí)在焊縫處往往形成夾渣、氣孔、未焊透等缺陷，導(dǎo)致焊縫及其附近區(qū)域強(qiáng)度可能低于鋼材本體的強(qiáng)度。,注意：,焊縫許用應(yīng)力=鋼板的許用應(yīng)力×焊接接頭系數(shù)φ。φ＜1,于是公式(16-2)可寫(xiě)成：（式中， D是中徑）,一、內(nèi)壓圓筒壁厚的確定,(16-3),,公式(16-2)中鋼板許用應(yīng)力 [σ] t 用強(qiáng)度較低的焊縫許用應(yīng)力代替。,焊縫系數(shù)≠安全系數(shù)，不能隨意增減，應(yīng)根據(jù)筒體的焊縫結(jié)構(gòu)和對(duì)焊縫提出的探傷比例要求，按照規(guī)定選取。,,筒體內(nèi)徑,簡(jiǎn)化公式，適用于大多數(shù)情況。,一、內(nèi)壓圓筒壁厚的確定,筒體設(shè)計(jì)壓力,筒體的理論計(jì)算壁厚,,,(16-5),(16-4),考慮到介質(zhì)對(duì)筒壁的腐蝕作用，在設(shè)計(jì)筒體所需厚度時(shí)，還應(yīng)在計(jì)算厚度δ的基礎(chǔ)上，增加腐蝕裕量C2。由此得到筒體的設(shè)計(jì)厚度(δd)為 ：,一、內(nèi)壓圓筒壁厚的確定：,2.設(shè)計(jì)壁厚δd ：,式中 δ-圓筒計(jì)算厚度， mm； δd -圓筒設(shè)計(jì)厚度， mm；,(16-6),(16-7),說(shuō)明： （1）腐蝕裕量只對(duì)均勻腐蝕有意義; （2）氫腐蝕、應(yīng)力腐蝕及晶間腐蝕等，增加腐蝕裕量不是有效 辦法，而應(yīng)根據(jù)情況采用有效防腐措施。,一、內(nèi)壓圓筒壁厚的確定：,在設(shè)計(jì)條件下得到的筒體設(shè)計(jì)厚度，加上鋼材厚度負(fù)偏差后向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度，即為筒體的名義厚度（ δn ）。,3.名義壁厚δn ：,式中： δd -圓筒設(shè)計(jì)厚度 mm； C1–鋼板厚度負(fù)偏差，mm；(手冊(cè)可查)； 當(dāng)C1不大于0.25mm,且不超過(guò)δn的6%可取C1=0； △-除去負(fù)偏差以后的圓整值，mm。,(16-8),4.有效壁厚 δe ：,將圓筒厚度從δd往δn圓整時(shí)，由于圓整量△可幫助筒體承受介質(zhì)內(nèi)壓，所以真正可以用來(lái)承受介質(zhì)壓力的有效壁厚δe為,(16-9),一、內(nèi)壓圓筒壁厚的確定：,對(duì)于設(shè)計(jì)壓力較低的容器，根據(jù)強(qiáng)度公式計(jì)算出來(lái)的厚度很薄。,5.最小壁厚δmin ：,因此，必須限定一個(gè)最小厚度以滿足剛度和穩(wěn)定性要求。 （不包括腐蝕裕量，有時(shí)可以不再另加鋼板負(fù)偏差）,筒體的最小壁厚按下頁(yè)方法確定:,大型容器，如果筒體厚度過(guò)薄，將導(dǎo)致剛度不足而極易引起過(guò)大的彈性變形，不能滿足運(yùn)輸、安裝的要求。,a.當(dāng)筒體內(nèi)徑Di≤3.8m時(shí)， d min ＝2 Di /1000，且不小于3mm。 （腐蝕裕量另加。） b.當(dāng)筒體內(nèi)徑3.8m ＜ Di≤ 16m時(shí)， d min 取5mm。 c.當(dāng)筒體內(nèi)徑16m＜Di ＜35m時(shí)， d min取6mm。,一、內(nèi)壓圓筒壁厚的確定：,⑴碳鋼和低合金鋼容器：,a.當(dāng)筒體的計(jì)算厚度δ是按δmin 確定時(shí)，筒體的名義厚度δn可 按下式計(jì)算： δn＝ δmin+C2 b.當(dāng)計(jì)算厚度與最小厚度相差較大時(shí)，鋼板負(fù)偏差不必另加。 c.若（δmin –δ）小于鋼板負(fù)偏差， 則取δ＝ δmin，且δ n＝ δ+ C1+ C2+△＝ δmin+ C1+ C2+△,⑵不銹鋼容器 : δmin ＝2mm,例： 設(shè)計(jì)條件如下：P=0.3MPa，Di=2m，[σ]t=113MPa，（焊接接頭系數(shù) ）φ=0.85，介質(zhì)對(duì)容器的腐蝕率為0.2mm/年，設(shè)計(jì)壽命為10年,試確定容器筒體的計(jì)算厚度、設(shè)計(jì)厚度，名義厚度，有效厚度。,計(jì)算厚度,有效厚度,解：,最小壁厚,設(shè)計(jì)厚度,名義厚度,二、內(nèi)壓圓筒的計(jì)算應(yīng)力與最大允許壓力:,,,近似,,,§16-2 容器設(shè)計(jì),1.圓筒的計(jì)算（工作）應(yīng)力:,2.圓筒的最大允許壓力:,( δe -- 有效壁厚),(16-12),(16-10),(16-11),,,二、內(nèi)壓圓筒的計(jì)算應(yīng)力與最大允許壓力:,3.厚度系數(shù)在確定工作應(yīng)力和最大許可壓力時(shí)的應(yīng)用:,厚度系數(shù)β β＝δe / δ,厚度系數(shù)反映了筒體厚度上的富裕程度。,(16-13),(16-14),(16-15),1. 封頭的分類(lèi):,三、內(nèi)壓凸形封頭壁厚的確定:,§16-2 容器設(shè)計(jì),2.內(nèi)壓凸形封頭包括四種形式：,§16-2 容器設(shè)計(jì),(a)標(biāo)準(zhǔn)橢圓形，(b)半球形，(c)碟形,(d)無(wú)折邊球形。,（圖16-2）,§16-2 容器設(shè)計(jì),（圖16-3）,§16-2 容器設(shè)計(jì),（圖16-4）,1.半球形封頭： 半球形封頭是由半個(gè)球殼構(gòu)成。直徑較小、器壁較薄的半球形封頭可整體熱壓成形。大直徑的則先分瓣沖壓，再焊接組合。,,,§16-2 容器設(shè)計(jì),四、典型封頭設(shè)計(jì)：,(16-16),(16-15),§16-2 容器設(shè)計(jì),（圖16-5）,§16-2 容器設(shè)計(jì),（圖16-6）,2.標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭： 由半個(gè)橢球和高度為h0的圓柱形筒節(jié)（直邊）構(gòu)成，封頭的曲面深度h＝Di/4，直邊高度h0與封頭厚度有關(guān)，按手冊(cè)查取。 a.標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭壁厚的計(jì)算： 忽略中徑與內(nèi)徑之差別，所得簡(jiǎn)化式為：,§16-2 容器設(shè)計(jì),(16-17),(16-18),b.最小厚度： 承受內(nèi)壓的橢圓形封頭，在其赤道處將產(chǎn)生環(huán)向壓縮薄膜應(yīng)力，為了防止封頭在這一壓縮應(yīng)力作用下出現(xiàn)折皺（即失穩(wěn)）。,§16-2 容器設(shè)計(jì),邊緣處：,（圖16-7）,規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的計(jì)算厚度不得小于封頭內(nèi)徑的0.15％，即,(16-19),§16-2 容器設(shè)計(jì),（圖16-7）,§16-2 容器設(shè)計(jì),（圖16-8）,3.碟形封頭：（簡(jiǎn)介） 碟形封頭又叫帶折邊球形封頭，由以Rc為半徑的球面殼體，以半徑為r的折邊（過(guò)渡圓?。┖透邽閔0的圓柱形筒節(jié)（即直邊）三部分組成。 球面半徑越大，折邊半徑越小，封頭的深度就越淺，環(huán)狀殼體部分內(nèi)的應(yīng)力就越大。為了限制應(yīng)力大小，規(guī)定碟形封頭的球面半徑一般不大于與其相連的筒體直徑，而折邊半徑在任何情況下均不得小于球面半徑的10％，且應(yīng)大于三倍的封頭壁厚。,§16-2 容器設(shè)計(jì)（PASS),碟形封頭內(nèi)的應(yīng)力 薄膜應(yīng)力 在封頭的折邊內(nèi)除了薄膜應(yīng)力外，因變形時(shí)出現(xiàn)較大的曲率變化和彎曲應(yīng)力。故折邊內(nèi)的應(yīng)力計(jì)算按下式進(jìn)行。 M——碟形封頭的形狀系數(shù) M的取值見(jiàn)表8-4,§16-2 容器設(shè)計(jì)（PASS),壁厚的計(jì)算,,,簡(jiǎn)化,§16-2 容器設(shè)計(jì)(PASS),碟形封頭球面內(nèi)半徑Rci可以取等于封頭直徑Di或0.9 Di，令Rci＝α Di,碟形封頭的厚度如果太薄，也會(huì)發(fā)生內(nèi)壓下的彈性失穩(wěn)。所以規(guī)定：對(duì)于Rci＝0.9Di。r＝0.17Di的碟形封頭，其計(jì)算厚度不得小于封頭內(nèi)直徑的0.15％。如果折邊半徑小于0.17Di（但不允許小于0.1Di），其計(jì)算厚度不得小于0.3％Di。,§16-2 容器設(shè)計(jì)(PASS),式中α＝0.9或1，常用值為0.9,4.無(wú)折邊球形封頭: 為了進(jìn)一步降低凸形封頭的高度，將碟形封頭的過(guò)渡圓弧及直邊部分都去掉，只留下球面部分，并把它直接焊在圓柱殼體上，就構(gòu)成了無(wú)折邊球形封頭。封頭的球面半徑一般取等于圓柱筒體的內(nèi)直徑或0.9倍至0.7倍的內(nèi)直徑。 無(wú)折邊球形封頭既可用作容器中兩個(gè)相鄰承壓空間的中間封頭，也可用作容器的端封頭。封頭與筒體連接的T形接頭必須采用全焊透結(jié)構(gòu)。,無(wú)折邊封頭與筒體連接處存在較大的邊界應(yīng)力。封 頭和與封頭連接處筒體的壁厚計(jì)算，都必須考慮邊界應(yīng)力。,§16-2 容器設(shè)計(jì)(PASS),§16-2 容器設(shè)計(jì),（圖16-9）,§16-2 容器設(shè)計(jì),（圖16-10）,五、內(nèi)壓錐形封頭壁厚的確定：,（1）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。 （2）根據(jù)錐形封頭與圓筒連接處有無(wú)過(guò)渡圓弧和直邊，有不帶折邊的錐形封頭和帶折邊的錐形封頭。 （3）由于錐形封頭與簡(jiǎn)體連接處存在較大的邊緣應(yīng)力，該應(yīng)力隨封頭的半錐頂角的增大而增大。當(dāng)α≤30°時(shí)一般采用無(wú)折邊封頭當(dāng)α＞30°時(shí)應(yīng)采用折邊錐形封頭。,§16-2 容器設(shè)計(jì),1.簡(jiǎn)介：,2.不帶折邊錐形封頭壁厚的確定：,不考慮封頭與筒體連接處的邊界處的二次應(yīng)力：,考慮封頭與筒體連接處的邊界處的二次應(yīng)力：,,,式中 Q為應(yīng)力增值系數(shù)，可由手冊(cè)查出。,§16-2 容器設(shè)計(jì)(PASS),(16-20),(16-21),1.平板封頭簡(jiǎn)介： （1）平板封頭是化工設(shè)備常用的一種封頭。 （2）平板封頭的幾何形狀有圓形、橢圓形、長(zhǎng)圓形、矩形和方形等，最常用的 是圓形平板封頭。 在相同的(R／d)和受載條件下，薄板的所需厚度要比薄殼大得多，即平板封頭要比凸形封頭厚得多。 （3）平板封頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便，在壓力不高，直徑較小的容器中，采用平板封頭比較經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)便。 承壓設(shè)備的封頭一般不采用平板形，只是壓力容器的人孔、手孔以及在操作時(shí)需要用盲板封閉的地方，才用平板蓋。 （4）高壓容器中，平板封頭用得較為普遍。 這是因?yàn)楦邏喝萜鞯姆忸^很厚，直徑又相對(duì)較小，凸形封頭的制造較為困難。,§16-2 容器設(shè)計(jì),六、平板形封頭：,2.平板形封頭設(shè)計(jì)：,式中DC是計(jì)算直徑，一般是指容器的內(nèi)徑。在有些結(jié)構(gòu)中DC是指密封墊片的平均直徑。,式中：δn—封頭的計(jì)算厚度，K---平板封頭的系數(shù)，手冊(cè)可查。,§16-2 容器設(shè)計(jì),(16-21),（1）計(jì)算厚度,（2）設(shè)計(jì)厚度,(16-22),(16-23),§16-3 容器參數(shù)的確定,1.設(shè)計(jì)壓力： 設(shè)計(jì)壓力是在相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度下用以確定殼壁厚度的壓力，亦即標(biāo)注在銘牌上的容器設(shè)計(jì)壓力。其值稍高于最大工作壓力。 2.最大工作壓力（pw）： 是指容器頂部在工作過(guò)程中可能產(chǎn)生的最高壓力（表壓）。 3.工作條件： （1）使用安全閥時(shí)，設(shè)計(jì)壓力不小于安全閥的開(kāi)啟壓力，或取最大工作壓力的1.05～1.10倍； （2）使用爆破膜作安全裝置時(shí)，根據(jù)爆破膜片的型式確定，一般取最大工作壓力的1.15～1.4倍作為設(shè)計(jì)壓力。 （3）當(dāng)容器內(nèi)盛有液體物料時(shí)，若液體物料的靜壓力不超過(guò)最大工作壓力的5％，則在設(shè)計(jì)壓力中可不計(jì)入液體靜壓力，否則，須在設(shè)計(jì)壓力中計(jì)入液體靜壓力。 （4）某些容器有時(shí)還必須考慮重力、風(fēng)力、地震力等載荷及溫度的影響，這些載荷不能直接折算為設(shè)計(jì)壓力而代入以上計(jì)算公式，必須分別計(jì)算。,一、設(shè)計(jì)壓力 ：,,1.定義: 設(shè)計(jì)溫度指容器正常工作過(guò)程中，在相應(yīng)的設(shè)計(jì)條件下，金屬器壁可能達(dá)到的最高或最低(指-20℃下)溫度。,§16-3 容器參數(shù)的確定,2.補(bǔ)充說(shuō)明: 金屬器壁的溫度通過(guò)換熱計(jì)算。為了方便，對(duì)于不被加熱或冷卻的器壁，規(guī)定取介質(zhì)的最高或最低溫度作為設(shè)計(jì)溫度。 (1)對(duì)于用蒸汽、熱水或其它載熱體加熱或冷卻的壁，取加熱介質(zhì)（或冷卻介質(zhì)）的最高溫度或最低溫度作為設(shè)計(jì)溫度。 (2)在工作過(guò)程中，當(dāng)容器不同部位可能出現(xiàn)不同溫度時(shí)，按預(yù)期的不同溫度作為各相應(yīng)部分的設(shè)計(jì)溫度。,一、 設(shè)計(jì)溫度 ：,設(shè)計(jì)溫度的取值在設(shè)計(jì)公式中沒(méi)有直接反映，但它對(duì)容器材料的選擇和許用應(yīng)力的確定直接有關(guān)。,1.對(duì)于鋼板卷焊的筒體，以內(nèi)徑作為它的公稱直徑。壓力容器的公稱直徑按手冊(cè)選取。 2.設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將工藝計(jì)算初步確定的容器內(nèi)徑調(diào)整為符合規(guī)定的公稱直徑。 3.當(dāng)用無(wú)縫鋼管作筒體時(shí)，以外徑作為它的公稱直徑。,§16-3 容器參數(shù)的確定,三、容器直徑選取：,容器筒體和封頭的直徑都有規(guī)定，不能隨意取值。,所需要考慮的強(qiáng)度指標(biāo)主要有：抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度，對(duì)于需要考慮蠕變的材料，強(qiáng)度指標(biāo)還應(yīng)有蠕變強(qiáng)度。 設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)比較各種許用應(yīng)力，取其中最低值。 常用鋼板與鋼管的許用應(yīng)力可從附錄中直接查取。,§16-2 容器參數(shù)的確定,四、許用應(yīng)力：,許用應(yīng)力是以材料的各項(xiàng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)為依據(jù)，合理選擇安全系數(shù)n得出的，即,當(dāng)設(shè)計(jì)溫度低于20℃時(shí)，取20℃時(shí)的許用應(yīng)力。,焊縫是容器和受壓元件中比較薄弱的環(huán)節(jié)，雖然在確定焊接材料時(shí)，希望使焊縫金屬的強(qiáng)度等于甚至超過(guò)母材金屬的強(qiáng)度，但由于施焊過(guò)程中焊接熱的影響，而造成焊接應(yīng)力、焊縫金屬晶粒度粗大以及氣孔、未焊透等缺陷，降低了焊縫及附近區(qū)域的強(qiáng)度。因此： 焊接接頭系數(shù)是考慮到焊接對(duì)強(qiáng)度的削弱，而降低設(shè)計(jì)許用應(yīng)力的一種系數(shù)。,§16-3 容器參數(shù)的確定,五、焊縫系數(shù)：,焊接接頭系數(shù)f應(yīng)根據(jù)受壓元件的焊接接頭型式及無(wú)損檢測(cè)的長(zhǎng)度比例確定。,焊縫系數(shù)按照下頁(yè)表來(lái)選取。,焊縫系數(shù)φ,注意：將兩塊鋼板對(duì)在一起焊接，稱為對(duì)接；一塊鋼板卷成圓筒后對(duì)在一起焊接，也屬對(duì)接。對(duì)接接頭容易焊透，受力情況好，應(yīng)力分布均勻，聯(lián)接強(qiáng)度高，因而焊接接頭質(zhì)量容易保證。,§16-3 容器參數(shù)的確定,解：封頭與筒體壁厚計(jì)算公式相同，所以按筒體計(jì)算，封頭取相同的名義壁厚。 首先確定設(shè)計(jì)參數(shù)： （1）設(shè)計(jì)壓力應(yīng)取50℃時(shí)液氨的飽和氣壓，應(yīng)取表壓，即應(yīng)取1.9MPa，實(shí)際取2.0MPa； （2）因本容器的PV>10MPa·m3，屬于三類(lèi)容器（書(shū)P119），焊縫需要100%探傷，故φ=1； （3）16MnR的常溫許用應(yīng)力從手冊(cè)查得，[σ]t=170MPa；,例： 試確定液氨儲(chǔ)罐壁厚，該儲(chǔ)罐直徑Di=1.2m，兩端系標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，全容積為5.1m3。罐體及封頭材料均為16MnR。液氨系毒性程度為中度危害的介質(zhì)，50℃時(shí)的飽和蒸氣壓為2MPa（絕對(duì)壓強(qiáng)），腐蝕裕量按2mm考慮。,計(jì)算厚度,設(shè)計(jì)厚度,名義厚度,