内压薄壁壳体强度计算

第三章、 3—1内压薄壁壳体强度计算

目的要求：使学生掌握内压圆筒内压球形壳体的强度计算，以及各类厚度的相互关系。

重点难点：掌握由第一强度理论推出的内压圆筒，内压球形壳体的强度计算公式。

第三章 内压薄壁容皿

本章的任务就是在回转薄壁壳体应力分析的基础上，推导出内压薄壁容皿强度计公式。本章的压力容皿设计计算公式，各种参数制造要求以及检验标准均与GB150-1998《钢制压力容皿》保持一致。

第一节 压内薄壁壳体强度计算

一、 内压圆筒

为了保证圆筒受压后不破裂，[根据第一强度理论]应使筒体上最大应力，即环向应力2σ小于等于材料在设计温度下的许用应力[]t σ

用公式表达：2[]2t P D

σσδ

=≤g ，其中P-设计压力。

1）中径0

()

2i D D +

此外还应考虑到，筒体在焊接的过程中，对焊金属组织的影响以及焊接缺陷（夹渣、气孔、未焊透等）影响缝焊的强度（使整本强度降低），所以将钢板的许用应力乘以一个小于1的焊接接头系数，以弥补焊接可能出现的强度削弱，故 2[]2t P D σσδ=≤g ：[]2t P D σϕδ≤g g

此外，工艺计算时通常以i D 做为基本尺寸，故将i D D δ=+代入上式： 则

()

[]2t i P D δσϕδ

+≤g 可解出δ，同时根据GB150-1998规定，确定厚度时的压力用计算压力c p 代替。

最终内压薄壁圆筒体的计算厚度δ：

2[]C i

t

C

P D P δσϕ=

-g 适用：0.4[]t C P σ≤ 考虑到介质时皿壁的腐蚀，确定钢板厚度时，再加上腐蚀裕量： 2C d δδ+=——圆筒的设计厚度

再考虑到钢板供货时的厚度偏差，将设计厚度加上厚度负偏差，再向上圆整三规格厚度，这样得到名义厚度。

21d C C δδ=++∆+

筒体强度计算公式，除了可以决定承压筒体所需的最小壁厚外，还可用该公式确定设计温度下圆筒的最大允许工作压力，对容皿进行强度校核；可以计算其设计温度下计算应力，判断指定压力下筒体的安全。

例：设计温度下圆筒的最大允用工作压力 由()[]2t i p D δσδ

+≤ 推导而来

12()e n C C δδ=-+ 2[][]t e W i e

P D δσϕ

δ≤

+ 设计温度下圆筒的计算应力：

()

[][]2t t c i e e

P D δσσϕδ+=

≤

采用计算压力c p 及i D 代替D ，并考虑焊接头系数ϕ的影响上式变形成：

()

[]4t i P D δσϕδ

+≤ 则设计温度下球壳的厚度计算：

0.6[]4[]t c i

c t c

P D P P δσϕσϕ=

≤-范围:

考虑腐蚀裕量，设计厚度：

24[]c i

d t c

P D C P δσϕ=

+-

再考虑钢板厚度负偏差C 1，再向上图整得到钢板的名义厚度

12n C C δδ=+++V ，同理，确定球壳的最大允许工作压力[Pw]，并对其强度进行校核。

4[][]()

()[]t w i e t t t

c e e

P D P Di σϕδδσσϕ

σδ=

++=≤V 最大允许工作压力

设计温度下球壳计算应力

对比内压薄壁球壳与图筒的壁厚公式：当前件相同时，球壳的壁厚约为圆筒

形壁厚的确1/2，且球形的表面积也小，大多数大容容量储罐多采用球罐。

三、容皿最小厚度：

例：一容皿D i =1000mm ，P=0.1MPa ，温度150℃，材料为Q235—A ，焊接接头系数0.85ϕ-，腐蚀裕量C 2=1mm ，计算其壁厚：Q235—A 查P50

0.52[]c i

t

c

P D mm P δσϕ=

=- 对于这类中，低压容甲由强度公式求得的壁厚往往很薄，刚度不足，冷制造、运输、安装带来材板易交形的困难。按照GB150-1998规定，对于形成后不包括腐蚀裕量的最小厚度min δ规定如下：

○

1碳素钢、低合金钢制容皿min 3mm δ≥ 离合金钢制容皿min 2mm δ≥

○

2对标准椭圆封头（0.9;0.17i R D r D ==的碳形封头，其有效厚度≥Di ×0.15%）（封头）

四、各类厚度间的相互关系

下面对计算厚度δ，设计厚度d δ，有效厚度e δ，名义厚度n δ，形成厚度，毛坏厚度作用。

第三章 第二节 设计参数的确定

目的要求：使学生初步掌握压力参数、设计温度，许用应力[]t

σ，焊接接头系数ϕ，厚度附加量C 的选取。

重点难点：压力参数的选取以及各参数间的关系，许用应力的选取。

第二节 设计参数的确定

由强度公式可看出，其公式内包含各种参数如：计算压力、设计压力、焊接接头系数高计算、选取按GB —1998《钢制压力容皿》

一、确定压力参数： 1、工作压力Pw ：

在正常工作情况下，容皿顶部可能达到的最高压力，即也称为最高工作压力。 2、计算压力Pc ：

在相应设计温度下，计算壁厚用到压力，Pc P P =+液（设计压力+液柱静压）

若当P 液<5%p ，P 液可以忽略不计。

3、设计压力P ：

容皿顶部最高的设定压力，其值不得低于工作压力：

○

1当容皿装有安全阀：Z P P ≥（安全阀开启压力）(1.05~1.1)Pz Pw ≤ ○2容皿装有爆破片时，b P P ≥（爆破压力）(1.15~1.3)b P ≥倍最高工作压力。 二、温度（设计）t

指容皿在正常工作情况下，在相应的设计压力下，设定的受压元件的金属温度。

○

1对0℃以上的，t 不得低于元件金属工作状态下可能达到最高温度； ○

2对0℃以下的，t 不得高于元件金属工作状态下可能达到最低温度； 不可通过传热计算求得见表3-3 ○

3许用应力[]t σ 指容皿壳体、封失等受压元件的材料用强度，根据材料各项强度性能指标分别除以相应的标准中规定的安全系数确定。

GB150给出了钢板，钢管、锻以及螺栓材料在设计温度下的许用应力，当t ≤20℃取20℃。

四、焊接接头系数ϕ

容皿都通过焊接制成，焊缝往往可能存在夹渣、气孔、裂纹等缺陷，使缝及其热影响区的强度受到削弱，为了补偿焊接时可能出现的缺陷对强度的影响，引入ϕ，

ϕ=

焊缝金属强度

母材金属强度

反映焊缝材料削弱程度

○

1对双面焊 100%ϕ=1.0 局部ϕ=0.85 ○

2单面对接接头（沿焊缝全长有紧贴基本金属） a ．100%无损检验 ϕ=0.9 b ．局部无损检验 ϕ=0.8 五、厚度附加量C

确定容皿厚度时，不仅要依照强度计算公式得到，还要考虑钢材的厚度负偏差及腐蚀裕量，即引入厚度附加最C ：