第九章 内压薄壁圆筒和球壳设计

第九章 内压薄壁圆筒和球壳设计
9.2 内压薄壁圆筒和球壳强度计算
一、薄壁圆筒强度计算公式
1、理论计算厚度（计算厚度）
由薄膜理论，圆筒壁内应力为经向应力、环向应力、法向
应力（被认为是0）。
sm
=
pD 4d

pD sq = 2d
sZ =0
则三项主应力为：
s1
=sq
=
pD 2d
s2
=sm
=
pD 4d
s3 =sz =0
书P123表9-1。 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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4.许用应力 定义式：
[s
]
=
极限应力（s 0） 安全系数（n）
n----容器的设计寿命，通常为10～15年。
δ——圆筒的计算厚度，mm； pc——圆筒的计算压力，MPa； Di——圆筒的内径，mm； [σ]t——钢板在设计温度下t的许用应力，MPa ； φ ——焊接头系数， φ≤1，查表9-6。
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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）。
焊接缺陷
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焊接接头结构 双面对接焊
100%无损检验 局部无损检验
1.0
0.85
带垫板单面对接
焊
0.90
0.80
示意图
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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（沿元件金属截面的温度平均值）。
※设计温度在容器设计中的作用： ①选择材料； ②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
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设计厚度
dd
=d
+ C2
=
pc Di
2[s ]t f -
pc
+ C2
9-2
名义厚度
dn = dd + C1 + D = d + C1 + C2 + D
Δ——根据钢板标准规格向上圆整得到的值，即圆整值。
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常见的焊接形式：
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常见对接焊焊缝结构：
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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。 即1.15~1.3倍的最高工作压力
Min
ì í î
s
t b
nb
,
s
t s
ns
,
s
t n
nn
,
s
t D
nD
ü ý þ
式中 σnt σDt----设计温度下材料的蠕变强度和 持 久强度。 nn,nD----蠕变强度和持久强度的安全系数。
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根据第三强度理论：
s r3
= s1 -s3
=
pD 2d
按照薄膜应力强度条件： sr3 = p2dD£[s]t
[σ]t——钢板在设计温度下的许用应力。
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。
pc ( Di + de )
2d e
设计温度下圆筒的最大允许工作压力
[
pw
]
=
2de [s ]t f
Di + de
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D +de
f
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三、设计参数的确定
1.设计压力p 除注明者外，压力一律指表压。设计压力是只在相应设计 温度下用以确定容器壳体厚度及其元件尺寸的压力，亦即 标注在铭牌上的设计压力，其值不得小于最大工作压力。
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二、薄壁球壳强度计算公式
主应力
pD s1 = s 2 = 4d
球形容器的厚度计算公式
计算厚度 设计厚度
d
=
pc Di
4[s]f -
pc
dd
=
pc Di
4[s ]t f -
pc
+ C2
计算应力
st
=
pc ( Di + de )
4d e
最大允许工作压力
[
pw
]
=
4de [s ]t
2、设计厚度与名义厚度
（1）钢材负偏差 钢材出厂时所标明的厚度是钢板的名义 厚度，钢板的实际厚度可能大于名义厚度，也可能小于名 义厚度。在确定筒体厚度时，应在δ基础上将钢板的负偏差 C1加上去。
（2）腐蚀裕量 制成的容器要与介质接触，介质对钢板总 是有腐蚀的。
腐蚀裕量
C2 = ln
λ——年腐蚀率 n——容器预计使用寿命年限
釜壁承受的最大压差:内压0.3MPa或外压0.3MPa.
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2.计算压力 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
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
。
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设计压力取值方法： （1）容器上装有安全阀
sr3 = p2dD£[s]tf
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用内径Di替代平均直径D，即D=Di+δ，得
sr3
=
p(Di +d) 2d
£[s]tf
压力换为计算压力Pc，取等号，得
d
=
pcDi 2[s]tf -
pc
9-1
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（7）带夹套容器——取正常操作时可 能出现的最大内外压差。例如 带夹套 的反应釜：夹套内蒸汽压力为0.2MPa, 釜内开始抽真空，然后釜内升压至 0.3MPa。该釜壁承受压力如何？
釜壁可能承受压力情况： ※釜内空料，夹套内充蒸汽-----外压0.2MPa; ※釜内真空，夹套内充蒸汽-----外压0.3MPa; ※釜内0.3MPa，夹套内0.2MPa----内压0.1MPa; ※釜内0.3MPa，夹套内空料—--内压0.3MPa;
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9.1 概述
压力容器强度计算的内容主要是新容器的强度设计及在用 容器的强度校核。 设计一台新的压力容器包括以下内容：确定设计参数；计 算筒体与封头厚度；选取标准间；绘制设备图纸。 对于已投入使用的压力容器要实施定期检验制度。
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（1）许用应力〔s〕的确定：
※工作温度为常温（＜200℃）
取
Minîíìsnss
,sb nb
ü ý þ
※工作温度为中温，取
Minîíìsnsst
,
s
t b
nb
ü ý þ
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※工作温度为高温，取
（5）外压容器——取 p≥正常操作下可能产生的最大压差。 注意：“正常操作”——含空料，真空检漏，稳定生产，中
间停车等情况。 （6）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) 。
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焊接后常出现： 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。
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（2）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。
安全系数 材料 碳素钢、低合金钢
nb
ns
nD nn
≥3.0 ≥1.6 ≥1.5 ≥1.0
高合金钢
≥3.0 ≥1.5 ≥1.5 ≥1.0
这是写在图纸上的钢板厚度！
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3、有效厚度 把真正可以作为依靠来承受介质压力的厚度，称为有效厚 度。
de = d + D 或 d e = d n - C1 - C2
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4、压力容器的最小厚度
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、运输和安装的要求。为此规定不包括腐蚀裕 量的最小厚度。
最小厚度可按下列方法确定：
①对碳素钢、低合金钢制容器，不小于3mm； ②对高合金钢制容器不小于2mm。
设计温度下的计算应力
st
=
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？
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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=λn
λ---腐蚀速率（mm/a），由材料手册或实验确定。
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6.壁厚附加量 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。 钢板负偏差参见p128表9-10选取； 钢管厚度负偏差参见P128表9-11。
（3）钢材的选用（查表）
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5.焊接接头系数（ f ） 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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