9 内压薄壁圆筒和球壳设计

23
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
——容器上装有安全阀时，取 1.05~1.1倍的最高工作 压力作为设计压力；使用爆破膜作为安全装置时，取 1.15~1.3倍的最高工作压力作为设计压力；其余应按 GB150-1998 相应规定确定容器的设计压力。
24
25
26
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
28
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
（3）设计温度 ——指容器在正常工作情况下，设定的元件的金属 温度（指容器受压元件沿截面厚度的平均温度）， 其值不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高 温度。对于 0℃以下的金属温度，设计温度不得高 于元件金属可能达到的最低温度。 ※设计温度在容器设计中的作用 ——选择材料、确定许用应力 ※确定设计温度的方法 （1）对类似设备实测； （2）传热计算；（3）参照书P123表9-1。
15
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
（3）有效厚度 ——从真正可作为依靠来承受介质压力的厚度而言，
只有δ和Δ，把δ与Δ之和称为圆筒的有效厚度，用δe表
示，即 或
e
e n C1 C2
16
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
（4）压力容器的最小厚度
内压圆筒计算厚度仅从强度考虑得出的。
34
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
耐压试验 ——容器制成后、检修后投入生产前 ——试验目的 ※检验容器宏观强度—是否出现裂纹,是否变形过大； ※密封点及焊缝的密封情况。 ——需要焊后热处理的容器，须热处理后进行压力试 验和气密试验； ——须分段交货的容器，在工地组装并对环焊缝进行 热处理后，进行压力试验； ——塔器须安装后进行水压试验；
安全系数 材料 nb ns nD nn
碳素钢、低合金钢
高合金钢
≥3.0
≥3.0
≥1.6
≥1.5
≥1.5
≥1.5
≥1.0
≥1.0
33
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
9.3 容器的压力试验 考虑缺陷对压力容器安全性的影响。 在制造完毕后或定期检验时，都要进行压力试验。 耐压试验 压力试验 气密性试验 液压试验 气压试验
结构设计——确定合理、经济的结构形式，满足制造、
检验、装配、运输和维修等要求。
强（刚）度设计——确定结构尺寸，满足强度或刚度
及稳定性要求，确保容器安全可靠运行
密封设计——选择合适的密封结构和材料，保证密封 性能良好。
3
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
压 力 容 器 设 计 的 基 本 步 骤 用户提出基本设计要求 ↓ 分析容器的工作条件，确定设计参数 ↓ 结构分析、初步选材 ↓ 选择合适的规范和标准 ↓ 应力分析和强度计算 ↓ 确定构件尺寸和材料 ↓ 绘制图纸，提供设计计算书和其它技术文件
5
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
9.2 内压薄壁圆筒和球壳强度计算 1、薄壁圆筒强度计算公式
（1）理论计算厚度（计算厚度） 设一薄壁圆筒的平均直径为D，厚度为δ，在
承受介质的内压为p时，其经向薄膜应力σm 与环
向薄膜应力σθ分别为
pR pD m 2 4 pR pD 2
设计厚度——计算厚度与腐蚀裕量之和，用δd表示
d C2
2 pc
t
pc Di
C2
（9-2）
名义厚度——将设计厚度加上钢板负偏差后向上圆整
至钢板的标准规格厚度，用 δn表示
n d C1 C1 C2
（9-3）
常用钢板的标准规格厚度 ——2，3，4，（5），6，8，10，12，14，16，18， 20，22，25，28，30，32，….
8
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
钢板的许用应力
——强度较低的焊缝金属许用应力代替，将钢板的
许用应力[σ]t乘以一个焊接接头系数ф（ф≤1）
pD t 2
D Di
（c）
p( Di ) t 2

2 pc
t
pc Di
安全承受压力 p圆筒所需的 最小理论计算 厚度
当材料的腐蚀速率小于或等于0.05mm/a时，
单面腐蚀取C2=1mm；双面腐蚀取C2=2mm。 一般对碳素钢和低合金钢，C2不小于1mm； 对不锈钢，当介质的腐蚀性极微时，可取C2=0。 容器厚度附加量C—— 钢板或钢管厚度的负偏差C1和介质的腐蚀裕量C2之和 C = C1 + C2
14
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
致厚度削弱减薄。与腐蚀介质直接接触的筒体、封头、
接管等受压元件，均应考虑材料的腐蚀裕量。 C2 = λn λ ——腐蚀速率(mm/a)，查腐蚀手册或由实验确定； n ——容器的设计寿命，通常为10~15年。
13
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
当材料的腐蚀速率为0.05～0.1mm/a时， 单面腐蚀取C2=1mm；双面腐蚀取C2=2～4mm；
（名义厚度是钢板出厂时所标明的厚度）
钢板和钢管厚度负偏差按相应的钢板或钢管标准选取。 负偏差应按名义厚度δn 选取。 当实际钢板厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名 义厚度的6%时，可取C1 = 0。
11
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
12
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
（b）腐蚀裕量
——防止容器受压元件由于均匀腐蚀、机械磨损而导
17
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
因此，设计温度下圆筒的计算应力为
pc ( Di e ) 2 e
t
（9-4）
设计温度下圆筒的最大允许工作压力为
2 e pw D i e
t
（9-5）
18
计算厚度（δ ） ——由公式采用计算压力得到的厚度。 9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续） 4.3.2 圆筒设计（续） 必要时还应计入其它载荷对厚度的影响。 设计厚度（δd）——计算厚度与腐蚀裕量之和。 δd＝δ＋C2 名义厚度（δn）——设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整 至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度。 δn＝δd＋C1＋Δ= δ ＋C1 ＋C2 ＋Δ 有效厚度（δe）——名义厚度减去钢材负偏差和腐蚀裕量。δe ＝δn－C1－C2 厚度附加量（C）——由钢材的厚度负偏差C1和腐蚀裕量C2 组 成，不包括加工减薄量C3。 C=C1+C2 加工减薄量——根据具体制造工艺和板材实际厚度由制造 厂而并非由设计人员确定。
29
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
30
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
（4）许用应力 ——容器壳体、封头等受压元件材料许用强度，取 材料强度失效判据的极限值与相应的材料设计系数 （又称安全系数）之比。


0
n
※工作温度为常温（＜200℃）时，

0
取
s ( 0.2 ) b Min , nb ns
19
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
设计厚度δd
计算厚度δ
有效厚度δe
名义厚度δn
腐蚀裕量C2
第一次厚度圆整值 加工减薄量 第二次厚度圆整值
C1+C2
厚度负偏差C1
加工减薄量
厚度关系示意图
20
成型后厚度
毛坯厚度
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
2、薄壁球壳强度计算公式
对于薄壁球壳，由于其主应力为
pR pD 1 2 2 4
当设计压力不太低时，计算所得厚度基本符合使
用要求，强度要求是决定容器厚度的主要考虑因素。 当设计压力很低时，按强度公式计算出的厚度就 太小，不能满足制造、运输和安装时的刚度要求。规 定不包括腐蚀裕量的最小厚度。
最小厚度 δmin （不包括腐蚀裕量）按下面确定：
（1）对碳素钢、低合金钢制容器， δmin ≥3mm； （2）对高合金钢制容器， δmin ≥2mm。
6
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
根据第三强度理论，筒壁一点处的相当应力σr3为
pD r3 1 3 2
按照薄膜应力强度条件
（ a）
r3
pD t 2
（ b）
式中 [σ]t——钢板在设计温度下的许用应力。
7
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
筒体 ——钢板卷焊而成
t t st ( 0 .2 ) b Min , nb ns
nb , ns , nD , nn ——各安全系数。
32
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
安全系数及其确定 影响安全系数的因素： ①计算方法的准确性、可靠性和受力分析的精度； ②材料质量和制造的技术水平； ③容器的工作条件及其在生产中的重要性和危险性。
——对盛装液化气体的容器，在规定安装系数范围内， 设计压力根据工作条件下可能达到最高金属温度确定。
——外压容器的设计压力，应取不小于在正常操作情 况下可能出现的最大内外压力差。 真空容器— 不设安全阀时，取0.1MPa ； 设有安全阀时，取Min（1.25×△p ,0.1MPa) 。 带夹套容器 取正常操作时可能出现的最大内外压差。
4 e pw D i e
t
（9-9）
式中，Di为球形容器的内径，其他符号同前。
22
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
3、设计参数的确定 （1）设计压力p ——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，亦即标注的铭牌上的容器设计压力， 其值不得小于最大工作压力。 ——当容器各部位或受压元件所承受的液体静压力 达到 5%设计压力时，则应取设计压力和液体静压力 之和进行该部位或元件的设计计算。
31
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
※工作温度为中温， 0 取 ※工作温度为高温， 0 取