第六章 高压厚壁容器
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第六章高压厚壁容器
第一节厚壁容器设计理论及结构
【学习目标】掌握高压容器设计理论及壁厚计算公式,了解多层包扎压力容器、热套压力容器等多层厚壁圆筒结构。
一、厚壁容器设计理论
高压容器(10MPa≤P<100MPa)又称为厚壁容器,δ/D>0.1或K=D0/D i>1.2。厚壁容器由于径向应力较大,不能忽略,因此筒壁处于三向应力状态。在三向应力中,除经向应力仍可视为沿壁厚均匀分布外,径向应力和环向应力并不沿壁厚均匀分布,最大当量应力发生在容器的内壁上。
1、厚壁容器的失效准则
(1)弹性失效准则
这种观点认为,器壁上应力最大处(内壁)的应力达到屈服极限后,容器便失去正常的工作能力,亦即失效,这种失效称之为弹性失效。厚壁容器内壁屈服后,可能会在局部应力较大处出现微裂纹,并且在各种因素作用之下,可能会使裂纹进一步扩展,最终导致破坏。
弹性失效准则被许多国家采用,我国的GB150《压力容器》标准也是依据了这一准则。
(2)塑性失效准则
这种观点认为,器壁上应力最大处的材料进入屈服阶段,并不导致整个容器的破坏,因为容器都是用具有一定塑性及韧性的材料制成的,内壁处的材料虽然屈服了,但在它外面的材料仍处于弹性状态,故屈服了的材料想进一步发生塑性变形,便要受到仍处于弹性状态的外层材料的约束。只有当压力逐渐增加,塑性区不断扩展,直至容器的整个截面从里到外都达到屈服,才失去正常的工作能力。这种失效称之为塑性失效。
(3)爆破失效准则
这种观点认为,厚壁容器的壁很厚,材料的塑性又较好,它不会一达到整体屈服就发生破坏,它有明显的应变硬化现象,只有当容器承受的压力继续增大时,器壁中的应力和应变才会继续增加,直至压力增大到爆破压力,容器发生爆破,才能算真正失效。
2、厚壁容器弹性设计理论
弹性设计理论下厚壁容器三向应力计算公式见表6-1。
在材料力学中,三个主应力按一定的顺序排列,即σ1>σ2>σ3,对应厚壁圆筒的三向应力为σt>σx>σr。在弹性失效准则下,有四个不同的弹性强度理论,见表6-2。
通过实验证明,K=D0/D i<1.5时,应用四个不同的弹性强度理论,其计算结果和实验值都比较接近,尤其是当K=D0/D i<1.2时,各公式的计算结果颇为接近。当K=D0/D i≥1.5时,各公式的计算结果差异较大,而且K越大,计算结果差异也越大,但第三强度理论和第四强度理论与实验数据相近,尤其是第四强度理论尤为相近。
3、中径公式
采用第一强度理论的中径公式见表6-3。
表6-3
① 中径公式以圆筒内径为基准时,将设计压力p 换成计算压力p c ,考虑焊接接头系数φ:
()()()[]φσδ
δδt D p D D D D p K K p
i c i i c ≤+=-+=-+=422121
00
导出δ得到筒壁厚度计算公式:[]c
t
i
c p D p -=
φσδ2 (6-1)
② 中径公式以圆筒外径为基准时,将设计压力p 换成计算压力p c ,考虑焊接接头系数φ:
()()()[]φσδ
δδt D p D D D D p K K p
c i i c ≤-=-+=-+=422121
000
导出δ得到筒壁厚度计算公式:[]c
t
c p D p +=
φσδ20
(6-2)
按GB 150规定,中径公式的适用范围为:[]φσt
c p 4.0≤。
GB 150-2011《压力容器》标准适用于设计压力不大于35MPa 的压力容器,因此设计压力10MPa ≤P ≤35MPa 的高压容器仍采用与薄壁容器相同的中径公式来计算最大主应力,并以第一强度理论来设计容器的壁厚。
二、厚壁圆筒结构
1、单层厚壁圆筒
单层厚壁圆筒与中、低压薄壁圆筒一样,由卷板机卷制而成,制造技术要求也与中、低
压薄壁圆筒基本相同。
2、多层压力容器
圆筒由两层以上(含两层)板材或带材、层间以非焊接方法组合构成的压力容器,不包括衬里容器。
① 多层包扎压力容器
在内筒上逐层包扎层板形成多层压力容器。 ② 钢带错绕压力容器
在整体内筒上沿一定缠绕角度,逐层交错缠绕钢带形成的多层压力容器。 ③ 套合压力容器
由数层具有一定过盈量的筒节,经加热逐层套合,并经热处理消除其套合预应力形成套合筒节,再通过环向焊接接头组焊后形成的压力容器。
三、多层容器制造
GB150.4第12章“多层容器”。
第二节密封结构及零部件
【学习目标】学习GB1500.3附录C“密封结构”,了解高压容器金属平垫密封、双锥密封等密封结构及相关零部件。
一、金属平垫密封
1、适用范围
平垫密封的适用范围见表6-4,其结构见图6-1。
表6-4 适用范围
1-主螺母 2-垫圈 3-平盖 4-主螺栓 5-筒体端部 6-平垫片
图6-1 金属平垫密封结构
2、平垫片材料和尺寸
①平垫片材料
a) 退火铝(硬度为15HBW10/250~30 HBW10/250);
b) 退火紫铜(硬度为30HBW10/500~50 HBW10/500);
c) 10钢。
②平垫片的宽度b和厚度δ按表6-5、表6-6选取。
3、密封面
密封面尺寸按表6-7确定。平盖和筒体端部的密封面上应各有2条深1mm 的三角形沟 槽。密封面配合公差见图6-2。
图6-2 平盖 图6-3 密封面配合公差 4、筒体端部
筒体端部和主螺栓、主螺母的设计按GB 150.3第7章7.7的规定。 5、平盖
平盖的结构见图6-2。密封面配合公差见图6-3。 平盖厚度按式(6-4):
[]φ
σδt
c
c
p Kp D = (6-4)
6、释义
金属平垫密封属于强制式密封,密封初始压紧力依靠螺栓的预紧力,在高压工作状态下,螺栓产生微量弹性伸长,降低了作用在垫片上的压紧力,因此需要金属垫片有较好的弹性回弹变形能力,以保证密封的紧密性。这种密封的缺点是需要较大直径的主螺栓,适用的筒体内径较小(≤1000mm ),温度不能过高(≤200℃)。