内压薄壁圆筒与封头

厚度
2
2.2
2.5
2.8～ 3.0
3.2～ 3.8～ 3.5 4
4.5～ 5.5
负偏差 0.13 0.14 0.15 0.16 0.18 0.2 0.2
厚度 6～ 8～ 26～ 32～ 36～ 42～ 52～ 7 25 30 34 40 50 60
负偏差 0.6 0.8 0.9 1 1.1 1.2 1.3
解析：由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在-
20℃以上，承受一定的压力，故选用16MnR。 根
据式(4-12)
d

pDi
2 t
p
C2
式中p＝2.2MPa；Di=600mm；[]＝170MPa =0.8(表4-9)； C2=1.0 mm 得：
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dபைடு நூலகம்

2.2 600 2170 0.8 2.2
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4.3.5 锥形封头
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广泛用于化工设备(如蒸发器、喷 雾干燥器、结晶器及沉降器等)的 底盖
便于收集与卸除设备中的固体物 料。
塔设备上、下部分的直径不等， 也常用锥形壳体连接，称为变径段。
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（一）无折边锥形封头或锥形筒体
适用于锥壳半锥角a300 1、锥壳大端 a. 查图4-15，大端是否须加强
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L1
L
Dis r cosa
Dis r
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图4－18 锥体小端与圆筒体连接处的Q值图
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3、无折边锥壳的厚度
• 锥壳厚度 • （4-27） • （4-28） • （4-29） • （4-30） • 统一厚度
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pDi
2 t
最大工作压力：是指容器顶部在 工作过程中可能产生的最高压 力（表压）。
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使用安全阀时设计压力不小于安全阀开启压 力或取最大工作压力1.05～1.10倍； 使用爆破膜根据其型式，一般取最大工作压 力的1.15～1.4倍作为设计压力。
容器内盛有液体，若其静压力不超过最大工作 压力的5％，则设计压力可不计入静压力，否 则，须在设计压力中计入液体静压力。 此外，某些容器有时还必须考虑重力、风力、 地震力等载荷及温度的影响，这些载荷不直接 折算为设计压力，必须分别计算。
1.0 5.89mm
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考虑钢板厚度负偏差C1＝0.6mm圆正取
Sn=7mm
•水 压 试 验 时 的 应 力
16MnR的屈服限s=345MPa（附录表6）
水压试验时满足强度要求。 T 0.9 s
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4.3内压圆筒封头设计
封头又称端盖。其分类
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对承受均匀内压的薄壁容器，其主应力
• σ1＝σθ＝PD/2S • σ1＝σm＝PD/2S • σ1＝σr＝PD/2S
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4.2 内压薄壁圆筒的强度条件
• 一、强度计算公式 • 按第三强度理论：
• 考虑焊缝系数
• 再考虑腐蚀裕量
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强度校核
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不同部位出现不同温度分别计算
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3.许用应力
0
n
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。
抗拉强度、屈服强度，蠕变强度、 疲劳强度。取其中最低值。 当设计温度低于0℃时，取20℃时 的许用应力。
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4.焊接接头系数 • 焊接削弱而降低设计许用应力的系数。 • 根据接头型式及无损检测长度比例确定。
p
C2
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Smin： a. 碳素钢和低合金钢制容器不小于3mm b．对高合金钢制容器，不小于2mm
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4.2.4 压力试验及强度校核
1.进行压力试验的原因： • 制造加工过程不完善，导致不安全，发生过
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受内压的椭圆形封头 计算厚度
K-椭圆形封头形状系数，
标准椭圆形封头(长短 轴之比值为2)，K=1。 壁厚计算公式：
K

1 6

2


Di 2hi
2


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当封头是由整块钢板冲压时，φ值取 为1。筒体设计壁厚计算公式：
• 忽略分母上微小差异，大多数椭圆封头壁厚与筒 体同，或比筒体稍厚。
(b)结构的基本部件分解
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1
4.1强度设计的基本知识
• 4.1.1弹性失效设计准则 弹性失效理论：容器上一处的最大应力达到材
料在设计温度下屈服点，容器即失效。
强度条件：
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2
4.1.2强度理论及相应的强度条件
• 将二向与三向应力状态转换成相当于单向 拉伸应力状态的相当应力，建立强度条件
pT -试验压力， MPa； p -设计压力， MPa； [] 一试验温度下的材料许用应力， MPa； []T 一设计温度下的材料许用应力， MPa
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• 液压试验时水温不能过低(碳素钢、16MnR不 低于5℃，其它低合金钢不低于15℃)，外壳应 保持干燥。
• 设备充满水后，待壁温大致相等时，缓慢升压 到规定试验压力，稳压30min，然后将压力降 低到设计压力，保持30min以检查有无损坏， 有无宏观变形，有无泄漏及微量渗透。
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4.3.1半球形封头
受内压球形封头计算壁厚与球壳相同。
球形封头壁厚可较圆筒壳减薄一半。 但为焊接方便以及降低边缘压力，半 球形封头常和筒体取相同的厚度。
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4.3.2 椭圆形封头
• 半椭球和高度为h 的短圆筒(通称直 边)两部分构成，
• 直边保证封头制造 质量和避免边缘应 力作用。
p

1
cosa


pDis
2 t
p

1
cosa
r

QpDi
2 t
p
r

QpDis
2 t
p
45
（二）折边锥形封头或锥形筒体
可降低应力集中，适用于锥壳 大端半锥角a>300 ，小端半锥
角a>450 当锥壳半锥角a>600时，按平
盖计算。
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1、锥壳大端 a. 过渡段的计算壁厚
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2.设计温度
选择材料和许用应力的确定直接 有关。
设计温度指容器正常工作中，在 相应的设计条件下，金属器壁 可能达到的最高或最低温度。
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器壁温度通过换热计算。
不被加热或冷却，筒内介质最高 或最低温度。
用蒸汽、热水或其它载热体加热 或冷却，载体最高温度或最低温度。
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• 腐蚀裕量C2应根据各种钢材在不同介质中的腐 蚀速度和容器设计寿命确定。
• 塔类、反应器类容器设计寿命一般按20年考虑， 换热器壳体、管箱及一般容器按10年考虑。
腐蚀速度＜0.05mm／a(包括大气腐蚀)时：
碳取素C钢2＝和2低m合m金，钢单面腐蚀C2＝1mm，双面腐蚀 当2腐m蚀m，速双度面＞腐0.蚀05取mCm2／＝a4时m，m。单面腐蚀取C2＝ 不锈钢取C2＝0。
封头 壁厚
4～8 10～18 ≥20 3～9 10～18 ≥20
直边 高度
25
40
50 25
40
50
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30
4.3.3 碟形封头
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碟形封头壁厚计算式
• 当碟形封头的球面内半径Ri=0.9Di，过渡圆 弧内半径r=0.17Di时称标准碟形封头。此时 M=1.325，壁厚计算式：
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L1
Dis r cosa
L Disr
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锥形封头的小端与 接口管相连，一般 不加过渡弧，但接 口管应增厚，厚度 取锥体厚度，加厚 的长度：
• 水压试验后及时排水，用压缩空气及其它惰性 气体，将容器内表面吹干
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3.气密性试验
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例题4-2：某化工厂欲设计一台石油气分离工程
中的乙烯精馏塔。工艺要求为塔体内径Di=600mm； 设计压力p＝2.2MPa；工作温度t＝-3～-20℃。
试选择塔体材料并确定塔体厚度。
6
4.2.2 设计参数的确定
厚度设计参数按GBl50-1998中规 定取值。
设计压力、 设计温度、 许用应力、 焊接接头系数 厚度附加量等参数的选取。
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1.设计压力（计算压力）
设计压力:相应设计温度下确定壳 壁厚度的压力，亦即标注在铭 牌上的容器设计压力。其值稍 高于最大工作压力。
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碟形封头的最大允许工作压力
• 封头与筒体 可用法兰联 结，也可用 焊接联结
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4.3.4 球冠形封头
降低凸形封头高度，将 碟形封头的直边及过圆 弧部分去掉，只留下球 面部分。也称无折边球 形封头。
主要用作容器中两独立 受压室的中间封头，也 可作端封头
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3.对压力试验的规定情况如下表所示：
试
验 类
试验压力
型
液
压
试 验
(4-15)
强度条件
（4-18)
气
压
试 验
(4-16）
(4-19)
说明
备注
立式容器卧置进 行水压试验时， 试验压力应取立 置试验压力加液 柱静压力。
压力试验时， 由于容器承 受的压力pT 高于设计压 力p，故必 要时需进行 强度效核。
第四章 内压薄壁圆筒与封头 的强度设计
中低压容器回转壳体的设计以薄膜应力理论 为基础，确定基本应力；采用弹性失效设计准则 并以第一强度理论建立强度条件；组合壳体设计 时，各壳体厚度分别计算，对具有明显弯曲应力 或边缘应力的壳体，在设计公式中引入引进应力 增强系数或局部增加壁厚。
(a)典型卧式容器的总件结构
• 国家标准规定：K≤1的椭圆形封头的Se≥0.15％Di， K﹥1的椭圆形封头的Se≥0.30％Di,但确定封头厚 度时，已考虑了内压下的弹性失稳问题，可不受 此限制。
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椭圆形封头最大允许工作压力
标准椭圆形封头的直边高度由表4-15确定。
封头 材料
碳素钢、普低钢、 复合钢板
不锈钢、耐酸钢


KpDi
2 t 0.5 p
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b. 与过渡段相连接处的锥壳计算壁厚


fpDi
t 0.5 p
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2、锥壳小端 a. 半锥角a450 ，小
端无折边计算同前 b. 小端有折边，过渡
段厚度按（4-29） 确定，Q值查图419。 c. 半锥角a>450 ，小 端过渡段厚度仍按 （4-1）确定，Q值 查图4-18。
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• 氢脆、碱脆、应力腐蚀及晶间腐蚀等，增 加腐蚀裕量不是有效办法，而应根据情况 采用有效防腐措施。
• 工艺减薄量，可由制造单位依据各自的加 工工艺和加工能力自行选取，设计者在图 纸上注明的厚度不包括加工减薄量。
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6.最小壁厚
d

pDi
2 t
40
2、锥壳小端 a. 查图4-17，小端是否须加强
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b. 不必局部加强，计算壁厚同大端


pDis
2 t
p
1
cosa
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c. 需加强，加 强段和圆筒加
强段厚度相同
Q为锥壳
与圆筒
联接处
的应力 增值系
r

QpDis
2 t
p
数，查
图4-18
焊接接头形式
无损检测的长度比例
100%
局部
双面焊对接接头或相当 于双面焊的对接接头
1.0
单面焊对接接头或相当 于单面焊的对接接头
0.9
0.85 0.8
符合《压力容器安全技术检察规程》才允许作局部无损探 伤。抽验长度不应小于每条焊缝长度的20％。
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5. 厚度附加量
满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚 度量，包括由钢板负偏差(或钢管负偏差) Cl、 腐蚀裕量 C2，即 C＝ Cl十 C2
大变形或渗漏。 • 最常用的压力试验方法是液压试验。 • 常温水。也可用不会发生危险的其它液体 • 试验时液体的温度应低于其闪点或沸点。
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2.不适合作液压试验， 如装入贵重催化剂要求内部烘干， 或容器内衬耐热混凝土不易烘干， 或由于结构原因不易充满液体的容
器以及容积很大的容器等， 可用气压试验代替液压试验。
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b. 不必局部加强，计算壁厚为
c. 需加强，以降低联接
处的局部应力。锥壳 加强段和圆筒加强段 厚度相同
Q为锥壳与圆筒联接处
的应力增值系数，查
图4-18
r

QpDi
2 t
p
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L1 2
0.5Di r cosa
L 2 0.5Dir
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