内压薄壁圆筒的强度设计

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设计压力p：设定的容器顶部的最高压力---设计载荷。
取值方法：
（1）容器上装有安全阀
取不低于安全阀开启压力 ： p ≤（1.05～1.1）pw
系数取决于弹簧起跳压力 。
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（2）容器内有爆炸性介质，安装有防爆膜时： 防 爆 膜 装 置 示 意 图
取 设计压力为爆破片设计爆破压力加制造范围上限。 P44 表3-1。
0 （1）极限应力
极限应力的选取与结构的使 用条件和失效准则有关 极限应力可以是 t t t b、 s ( 0.2 )、 st ( 0 ) 、 、 .2 D n
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常温容器
b s 0.2 =min{ , }
nb ns
t t b st 0 .2
2
一、强度设计的基本知识
（一）、关于弹性失效的设计准则
1、弹性失效理论
容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点，容器即告失效 (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。
当 s
3
2、强度安全条件
pD 1 2
适用于 脆性材料
强度条件

I 当
pD [ ] 2
第三强度理论
（最大剪应力理论）Fra bibliotekIII 当
III 当
pD 1 3 2
适用于 塑性材料
强度条件

pD [ ] 2
6
第四强度理论
（能量理论）

IV 当
1 2 2 2 1 [( 1 2 ) ( 2 3 ) ( 3 1 ) ] 2 2 pD 2 2 1 2 1 2 2.3
pD [ ] 2
考虑介质

pD 2
t
D Di
考虑实际情况， 引入pc等参数
pc Di t 2 pc
腐蚀性
pc Di d C2 t 2 pc
考虑钢板厚度 负偏差并圆整
n
8
参数变换：
• 1.将中径换算为圆筒内径，D=Di+S; • 2.压力换为计算压力Pc ； • 3.考虑到焊缝处因气孔、夹渣等缺陷以及热影响区晶粒粗大等造 成的强度削弱，引进焊缝系数Φ(≤1)； • 4.材料的许用应力与设计温度有关。
（1）对类似设备实测；（2）传热计算；（3）参照书P44表3-2。
例如：不被加热或冷却的器壁，且壁外有保温，取介质温度；用 水蒸气、热水或其它液体加热或冷却的器壁，取热介质的温度； 等等。
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3、许用应力和安全系数
许用应力是以材料的各项强度数据为 依据，合理选择安全系数n得出的。

t


0
n
计算压力pc在相应设计温度下，用以确定元件厚度的 压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静 压力小于5%设计压力时，可忽略不计。
即计算压力设计压力液柱静压力5%P时计入) 可见，计算压力设计压力工作压力容器顶部表压
例：一立式容器，工作压力0.5MPa，液 体深10m， 重度为10,000N/m3。
2 n C
t
Di n C

2 e
t
Di e
(3 8)
1、当筒体采用无缝钢管时，应将式中的Di换为D0 2、以上公式的适用范围为 pc 0.4[ ]t 3、用第四强度理论计算结果相差不大
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2、内压球形壳体
pc Di t 4 pc pc Di d C2 t 4 pc
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（3）无安全泄放装置——取 p=（1.0~1.1）pw 。
（4）盛装液化气容器—— 设计压力应根据工作条件下 可能达到的最高金属温度确定。（地面安装的容器按 不低于最高饱和蒸汽压考虑，如40℃，50℃，60℃时 的气体压力）。 注意：要考虑实际工作环境，如放置地区，保 温，遮阳，喷水等。 例如：液氨储罐。金属壁温最高工作为50℃，氨的饱 和蒸汽压为2.07MPa。 1.容器的设计压力？ 2.若容器安放有安全阀，设计压力？
1 2
pD 4
pc ( Di e ) [ ]t 4 e
t
公式的适用范围为
pc 0.6[ ]t
4 e pw Di e
t
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（二）、设计参数的确定
1、压力
工作压力
指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。
设计压力
pw=0.5MPa, p=0.5MPa pc=0.5+(10×10,000)/1,000,000=0.6MPa
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2、设计温度 指容器在正常工作情况下，在相应的设 计压力下，设定的元件的金属温度（沿 元件金属截面厚度的温度平均值）。
设计温度是选择材料和确定许用应力时 不可少的参数。
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确定设计温度的方法：
安全系数是一个不断发展变化的参数。 随着科技发展，安全系数将逐渐变小。
钢材的安全系数
常温下，碳钢和低合金钢
nb 3.0 ，ns 1.6
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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。
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4.焊接接头系数（）
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1. 确定腐蚀裕度的依据？ 2.腐蚀裕度的有效期？ 3.列管换热器的管子、壳体腐蚀裕度如何定？
＊容器各元件受到的腐蚀程度不同时，设 计中可采用不同的腐蚀裕量。
＊介质为压缩空气、水蒸气或水的碳钢或 低合金钢容器，单面腐蚀裕量不小于1mm； ＊ 对不锈钢容器，腐蚀轻微时可取C2=0。
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6.直径系列与钢板厚度
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（2）腐蚀裕量C2 容器元件由于腐蚀或机械磨损——厚度减薄。 ——在设计壁厚时要考虑容器使用寿命期内的安全性！ 具体规定如下： 对有腐蚀或磨损的元件: C2=KaB Ka---腐蚀速率（mm/a），由材料手册或实验确定。 B----容器的设计寿命，通常为10～15年。 一般情况, Ka=0.05～0.13mm/a的轻微腐蚀时， 对单面腐蚀取C2=1～2mm; 对双面腐蚀取C2=2～4mm。 对于不锈钢，一般取0。
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5.壁厚附加量
满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚度， 包括钢板负偏差(或钢管负偏差) C1、腐蚀裕量 C2 即 C＝ C1十 C2 容器壁厚附加量—— （1）钢板或钢管厚度负偏差 C1: 例如，
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在设计容器壁厚时要 预先考虑负偏差。
C1 钢板厚度负偏差
1、钢板负偏差参见P49表3-7选取； 钢管厚度负偏差参见相关文件。 2、当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且 不超过名义厚度的6%时，负偏差可以忽略不 计。
IV 当
强度条件
pD [ ] 2.3
适用于 塑性材料
第二强度理论（最大变形理论）与实际相差较大，目前很少采用。 压力容器材料都是塑性材料，应采用三、四强度理论， GB150-98 采用第三强度理论.
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二、内压薄壁圆筒壳体与球壳的强度设计
（一）、强度设计公式
1、内压薄壁圆筒

III 当
中温容器
t =min{
=min{
t
nb
,
ns
, ,
}
高温容器
t t t st 0 .2 n D
ns
nn n D
}
高温式中 久强度。
、
t ----设计温度下材料的蠕变强度和 t 持 n D
n 、n
----蠕变强度和持久强度的安全系数。 n D
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（2）安全系数
指设定的容器顶部的最高压力，它与相应设计温度一起作 为设计载荷条件，其值不低于工作压力。
计算压力
指在相应设计温度下，用以确定壳体各部位厚度的压力， 其中包括液柱静压力。 计算压力pc=设计压力p+液柱静压力
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• 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。 • 由工艺计算确定： • 化学反应所要求的； • 传递过程所必需的； • 由液化气体的饱和蒸汽 压所决定的。
内压薄壁圆筒的强度设计
1
内压薄壁圆筒与封头的强度设计公式推导过程
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。
pc Di Sn C2 C1 (mm) t 2 pc
再根据钢板标准规格向上圆整。 Sn——最终名义厚度。
这是写在图纸上的钢板厚度！
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强度校核公式
pc ( Di e ) [ ]t (3 7) 2 e
t
最大允许工作压力计算公式
pw
压力容器的直径系列已经施行标准化（GB9019-88)， 筒体与封头的公称直径配套。
要按照钢板厚度尺寸系列标准GB/T709-2001 的规定选取。P50表3-10。
容器上存在有：
纵焊缝A类焊缝
环焊缝B类焊缝
需要进行无损检验。
检验方法主要是：
X射线检查和超声波检查。
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常见的焊接形式：
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①缺陷，夹渣，未焊透，晶粒粗大等， 在外观看不出来； ②熔池内金属从熔化到凝固的过程受到 熔池外金属的刚性约束，内应力很大。 ——焊缝区强度比较薄弱。
焊接接头结构 100%无损检验 局部无损检验 示意图 双面对接焊 1.0 0.85 带垫板单面对 接焊 0.90 0.80