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。

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

设计温度下圆筒的计算应力：

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： 则设计温度下球壳的厚度计算： 考虑腐蚀裕量，设计厚度：

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。

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=，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

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 ×%）（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[]tσ

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= 局部ϕ=

○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=