第8章内压薄壁圆筒与封头的强度设计PPT课件
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①根据薄膜理论进行应力分析，确定薄膜应力状态下的主应 力；
②根据弹性失效的设计准则，应用强度理论确定应力的强度 判据；
③对于封头，考虑到薄膜应力的变化和边缘应力的影响，按 壳体中的应力状况在公式中引进应力增强系数。
④根据应力强度判据，考虑腐蚀等实际因素导出具体的计算 公式。
2020年9月28日
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第一节 强度设计的基本知识
－焊缝系数；
C2－腐蚀裕量，mm； C1－钢板厚度负偏差，mm； C－壁厚附加量，mm，C = C1 + C2。
2020年9月28日
10
二、设计参数的确定
1. 设计压力与计算压力
【声明】－压力均指表压 1.1最高工作压力pw 正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。 1.2设计压力p 是指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，亦即标注在铭牌上的容器设计压力，其值不得小于最高 工作压力。 1.3计算压力pc 在相应的设计温度下用以确定元件厚度的压力，包括液柱静压 力，当液柱静压力小于5％设计压力时可忽略不计。 【注意】一个设备只有一个设计压力，却可能有多个计算压力
【备注】压力容器都是采用塑性材料制造的，但是由于历史原 因我国压力容器设计采用第一强度理论。
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第二节 内压薄壁圆筒和球壳的强度设计
一、强度计算公式
1.圆筒强度计算公式的推导
1.1 钢板卷制筒体（内径Di为基准）
I 当
pD[]
2S
S
pD 2[ ]t
平均直径D换算为圆筒内径（D=Di+S），压力换为计算压力 pc，考虑焊接制造因素
4
1.第一强度理论的强度条件
I 当
pD[]
2S
2.第三强度理论的强度条件
采用第一和第三强度理 论，薄壁容器的强度条 件形式上是一样的！
当 II I 1-3p 2SD -0p 2SD []
3.第四强度理论的强度条件
当 IV 1 2 [1 ( 2 ) 2 (2 3 ) 2 (3 1 ) 2 ]1 2 2 2 12 2 p .D [3 ]
Sc
pcDo
2[]t
pc
计算壁厚公式
Sd 2[pBiblioteka tcDo pc C2设计壁厚公式
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2.圆筒强度校核与许用压力确定 2.1已有设备强度校核
t pc2DiS e Se[]t t pc2DoS eSe[]t
2.2已有设备确定最大允许工作压力
内径为基准 外径为基准
[pw]
2[]tSe
Sc
pcDi
2[]t-
pc
计算壁厚公式
考虑腐蚀裕量C2，得到圆筒的设计壁厚
Sd 2[p]ctD-i pc C2
设计壁厚公式
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设计壁厚加上钢板厚度负偏差C1，再根据钢板标准规格向上圆 整确定选用钢板的厚度，即名义壁厚（Sn），即为图纸上标注 厚度。
1.2 无缝钢管作筒体（外径DO为基准）
第八章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计
第一节 强度设计的基本知识 第二节 内压薄壁圆筒的强度设计 第三节 内压圆筒封头的设计
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强度设计的任务：根据给定的公称直径以及设计压力和温度， 确定合适的壁厚，设计出合理的结构，以保证设备安全可靠 地运行。
内压薄壁圆筒和封头的强度计算公式，推导过程：
15℃<T
设计温度
I 介质最低工作温度 介质最低工作温度
II 介质工作温度－（0～10℃） 介质工作温度－（5～10℃）
介质最高工作温度 介质工作温度＋（15～30℃）
确定最大允许工作压力
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4.公式符号意义
Pc－计算压力，MPa； Di－筒体内径，mm； Do－筒体外径，mm； Sc－筒体的计算壁厚，mm； Sd－筒体的设计壁厚，mm，Sd=Sc + C2； Sn－筒体的名义壁厚，mm。Sn=Sd+C1+Δ=Sc+C1+C2+Δ，Δ-圆整量 Se－筒体的有效壁厚，mm，Se=Sn-C； [σ]t－筒体材料在设计温度下的许用应力，MPa；
一、关于弹性失效的设计准则
1.弹性失效准则
容器上任一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服 点σs，容器即告失效（指容器失去正常的工作能力），也 就是说，容器的每一部分必须处于弹性变形范围内。保 证器壁内的相当应力必须小于材料由单向拉伸时测得的 屈服点，即σ当<σs。
2.强度安全条件
为保证结构安全可靠地工作，必须留有一定的安全裕度，
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类型
设计压力
内 无安全泄放装置
1.0～1.1 倍工作压力
压 容 装有安全阀 器 装有爆破片
不低于（等于或稍大于）安全阀开启压力（安 全阀开启压力取 1.05～1.1 倍工作压力） 取爆破片设计爆破压力＋制造范围上限
无夹套真空容器
有安全泄放装置
设 计 外 压 力 取 1.25 倍 最 大 内 外 压 力 差 或 0.1MPa 两者中的小值
真
无安全泄放装置 设计外压力取 0.1MPa
空 夹套内为内压的 容器（真空） 设计外压力按无夹套真空容器规定选取
容 带夹套真空容器 夹套（内压） 器 夹套内为真空的 容器（内压）
设计内压力按内压容器规定选取 设计内压力按内压容器规定选取
带夹套内压容器 夹套（真空） 设计外压力按无夹套真空容器规定选取
外压容器
设计外压力取不小于在正常工作情况下可能产 生的最大内外压力差
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2. 设计温度
设计温度是指容器正常工作情况下，设定的元件金属温度（元 件沿截面厚度的温度平均值）。设计温度是选择材料及确定材 料许用应力时的一个基本设计参数，按表中的I或II进行选取。
介质工作温度
T<-20℃ -20℃≤T≤15℃
Di Se
内径为基准
[pw]
2[]tSe
Do Se
外径为基准
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3.球形容器厚度计算及校核计算公式
3.1厚度计算公式
Sc
pcDi
4[]t-
pc
计算壁厚
Sd
pcDi
4[]t-
pc
C2
设计壁厚
3.2校核计算公式
t pc4DiS e Se[]t
已有设备强度校核
[pw]
4[]tSe
Di Se
使结构中的最大工作应力与材料的许用应力之间满足一
定的关系，即：
当
0
n
[]
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二、强度理论及其相应的强度条件
复杂应力状态的强度条件，要解决两方面的问题： 一是根据应力状态确定主应力； 二是确定材料的许用应力。
内压薄壁容器的主应力：
1
pD 2S
2
m
pD 4S
3 0
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②根据弹性失效的设计准则，应用强度理论确定应力的强度 判据；
③对于封头，考虑到薄膜应力的变化和边缘应力的影响，按 壳体中的应力状况在公式中引进应力增强系数。
④根据应力强度判据，考虑腐蚀等实际因素导出具体的计算 公式。
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第一节 强度设计的基本知识
－焊缝系数；
C2－腐蚀裕量，mm； C1－钢板厚度负偏差，mm； C－壁厚附加量，mm，C = C1 + C2。
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二、设计参数的确定
1. 设计压力与计算压力
【声明】－压力均指表压 1.1最高工作压力pw 正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。 1.2设计压力p 是指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，亦即标注在铭牌上的容器设计压力，其值不得小于最高 工作压力。 1.3计算压力pc 在相应的设计温度下用以确定元件厚度的压力，包括液柱静压 力，当液柱静压力小于5％设计压力时可忽略不计。 【注意】一个设备只有一个设计压力，却可能有多个计算压力
【备注】压力容器都是采用塑性材料制造的，但是由于历史原 因我国压力容器设计采用第一强度理论。
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第二节 内压薄壁圆筒和球壳的强度设计
一、强度计算公式
1.圆筒强度计算公式的推导
1.1 钢板卷制筒体（内径Di为基准）
I 当
pD[]
2S
S
pD 2[ ]t
平均直径D换算为圆筒内径（D=Di+S），压力换为计算压力 pc，考虑焊接制造因素
4
1.第一强度理论的强度条件
I 当
pD[]
2S
2.第三强度理论的强度条件
采用第一和第三强度理 论，薄壁容器的强度条 件形式上是一样的！
当 II I 1-3p 2SD -0p 2SD []
3.第四强度理论的强度条件
当 IV 1 2 [1 ( 2 ) 2 (2 3 ) 2 (3 1 ) 2 ]1 2 2 2 12 2 p .D [3 ]
Sc
pcDo
2[]t
pc
计算壁厚公式
Sd 2[pBiblioteka tcDo pc C2设计壁厚公式
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2.圆筒强度校核与许用压力确定 2.1已有设备强度校核
t pc2DiS e Se[]t t pc2DoS eSe[]t
2.2已有设备确定最大允许工作压力
内径为基准 外径为基准
[pw]
2[]tSe
Sc
pcDi
2[]t-
pc
计算壁厚公式
考虑腐蚀裕量C2，得到圆筒的设计壁厚
Sd 2[p]ctD-i pc C2
设计壁厚公式
2020年9月28日
6
设计壁厚加上钢板厚度负偏差C1，再根据钢板标准规格向上圆 整确定选用钢板的厚度，即名义壁厚（Sn），即为图纸上标注 厚度。
1.2 无缝钢管作筒体（外径DO为基准）
第八章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计
第一节 强度设计的基本知识 第二节 内压薄壁圆筒的强度设计 第三节 内压圆筒封头的设计
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强度设计的任务：根据给定的公称直径以及设计压力和温度， 确定合适的壁厚，设计出合理的结构，以保证设备安全可靠 地运行。
内压薄壁圆筒和封头的强度计算公式，推导过程：
15℃<T
设计温度
I 介质最低工作温度 介质最低工作温度
II 介质工作温度－（0～10℃） 介质工作温度－（5～10℃）
介质最高工作温度 介质工作温度＋（15～30℃）
确定最大允许工作压力
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4.公式符号意义
Pc－计算压力，MPa； Di－筒体内径，mm； Do－筒体外径，mm； Sc－筒体的计算壁厚，mm； Sd－筒体的设计壁厚，mm，Sd=Sc + C2； Sn－筒体的名义壁厚，mm。Sn=Sd+C1+Δ=Sc+C1+C2+Δ，Δ-圆整量 Se－筒体的有效壁厚，mm，Se=Sn-C； [σ]t－筒体材料在设计温度下的许用应力，MPa；
一、关于弹性失效的设计准则
1.弹性失效准则
容器上任一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服 点σs，容器即告失效（指容器失去正常的工作能力），也 就是说，容器的每一部分必须处于弹性变形范围内。保 证器壁内的相当应力必须小于材料由单向拉伸时测得的 屈服点，即σ当<σs。
2.强度安全条件
为保证结构安全可靠地工作，必须留有一定的安全裕度，
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11
类型
设计压力
内 无安全泄放装置
1.0～1.1 倍工作压力
压 容 装有安全阀 器 装有爆破片
不低于（等于或稍大于）安全阀开启压力（安 全阀开启压力取 1.05～1.1 倍工作压力） 取爆破片设计爆破压力＋制造范围上限
无夹套真空容器
有安全泄放装置
设 计 外 压 力 取 1.25 倍 最 大 内 外 压 力 差 或 0.1MPa 两者中的小值
真
无安全泄放装置 设计外压力取 0.1MPa
空 夹套内为内压的 容器（真空） 设计外压力按无夹套真空容器规定选取
容 带夹套真空容器 夹套（内压） 器 夹套内为真空的 容器（内压）
设计内压力按内压容器规定选取 设计内压力按内压容器规定选取
带夹套内压容器 夹套（真空） 设计外压力按无夹套真空容器规定选取
外压容器
设计外压力取不小于在正常工作情况下可能产 生的最大内外压力差
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2. 设计温度
设计温度是指容器正常工作情况下，设定的元件金属温度（元 件沿截面厚度的温度平均值）。设计温度是选择材料及确定材 料许用应力时的一个基本设计参数，按表中的I或II进行选取。
介质工作温度
T<-20℃ -20℃≤T≤15℃
Di Se
内径为基准
[pw]
2[]tSe
Do Se
外径为基准
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3.球形容器厚度计算及校核计算公式
3.1厚度计算公式
Sc
pcDi
4[]t-
pc
计算壁厚
Sd
pcDi
4[]t-
pc
C2
设计壁厚
3.2校核计算公式
t pc4DiS e Se[]t
已有设备强度校核
[pw]
4[]tSe
Di Se
使结构中的最大工作应力与材料的许用应力之间满足一
定的关系，即：
当
0
n
[]
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二、强度理论及其相应的强度条件
复杂应力状态的强度条件，要解决两方面的问题： 一是根据应力状态确定主应力； 二是确定材料的许用应力。
内压薄壁容器的主应力：
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pD 2S
2
m
pD 4S
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