内压薄壁容器设计计算

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第三节 内压薄壁容器的设计计算
三、设计参数的规定
（四）许用应力和安全系数
从以上分析可知，根据不同的失效 类型，对不同材料计算许用应力的极 限强度是不同的，而且同一种材料， 在不同的试验条件下，它的极限强度 取法也不同。对不同的极限强度选取 相应的安全系数，就可以得到材料的
σ b ，
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第三节 内压薄壁容器的设计计算
三、设计参数的规定
（四）许用应力和安全系数 当碳钢和普通低合金钢制容器温度高于420℃，铬钼合金钢容器 高于450℃，不锈钢制容器高于550℃时，抗拉强度和屈服点都不能 作为极限强度。因为在高温下工作的容器往往不是由于强度不足， 而是由于蠕变产生失效。蠕变是材料在高温下应力不增加情况下， 它的应变随时间而增加的现象。要求金属在高温下不蠕变是不可能 的，只能选用蠕变速度较慢的材料或控制应力水平，因此高温时材 料的极限强度要以蠕变极限nt为依据。用于容器的材料，要求在恒 定温度下，蠕变速度不超过10-7mm/mm· h的最大应力，或在10万小时 下，蠕变总应变量不超过1%的最大应力作为条件蠕变极限。
第二章 中低压容器的规则设计
第三节 内压薄壁容器的设计计算
潘家祯 华东理工大学机械与动力工程学院
第三节 内压薄壁容器的设计计算
一、引言 二、圆筒和球壳的设计计算
三、设计参数的规定
四、压力试验 五、封头的设计计算
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第三节 内压薄壁容器的设计计算 一、引言
(一)设计内容：容器应根据工艺过程要求和条件，进行结构设计和 强度设计。 结构设计：主要选择适用、合理、经济的结构形式，同时满 足制造、检测、装配、运输和维修的要求。 强度计算：内容包括选择容器的材料，确定主要尺寸，满足 强度、刚度和稳定性的要求，以确保容器安全可靠地运行。
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第三节 内压薄壁容器的设计计算 一、引言
（三）强度理论。 按照强度理论，对于钢制容器适宜采用第三、第四强度理 论，但是，第一强度理论在容器设计历史上使用最早，有成熟 的实践经验，而且由于强度条件不同而引起的误差已考虑在安 全系数内，所以至今在容器常规设计中仍采用第一强度理论， 即： 1
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第三节 内压薄壁容器的设计计算 一、引言
（二）设计方法
常规设计：又称规则设计，依据“GB150《钢制压力容 器》”国家标准进行设计。该标准采用弹性失效准则，对壳 体应力不作详细分析，只计算总体应力，并限制壳体的基本 （薄膜）应力不超过材料的许用应力值。而由于总体结构不 连续引起的附加应力，以应力增强系数引入壁厚计算，或在 结构上加以限制，或在材料选择、制造工艺、等给以不同要
求的控制。
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第三节 内压薄壁容器的设计计算 一、引言
（二）设计方法 分析设计：要求对容器的载荷做详细的分析。并根据载荷的性质进 行分类，在此基础上，对不同的应力加以限制。分析设计的要点： 把容器内的应力分为三类， 一次应力——为平衡外载荷所产生的应力。它随外载荷的增加而 增加。 二次应力——由结构自身或者相邻部件的约束产生的应力。它具 有自限性。 峰值应力——它是由局部不连续或局部热应力的影响叠加到一次 和二次应力上的应力增量。它具有高度的局部性。它的危害是引起 疲劳裂纹或者脆性断裂。
（一）圆筒 设圆筒的平均直径为D，壁厚为t，在承受均匀内压作用时，器壁产 生的薄膜应力为：

pD 2t
X
pD 4t
Z 0
显然，1 , 按照第一强度理论可得，
1
pD 2t
t
工艺设计中一般给出内径Di，D = Di + t，
p D i t t 2t
式中： 为校核温度下圆筒器壁中的计算应力。 。 te——有效厚度，等于名义厚度减去壁厚附加量。
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第三节 内压薄壁容器的设计计算
二、圆筒和球壳ห้องสมุดไป่ตู้设计计算
(二) 球壳 设球壳的平均直径为D，壁厚为t，在承受均匀内压p作用时，器壁产 生的薄膜应力为： pD

1
4t ,
Z 0
td pC Di C2 2 t pC
式中：td——设计厚度，mm； pC——计算压力，MPa； Di——圆筒内径，mm； ——焊接接头系数， ≤1.0； [] t——设计温度下材料的许用应力，MPa； C2——腐蚀裕量，mm；
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第三节 内压薄壁容器的设计计算
二、圆筒和球壳的设计计算
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第三节 内压薄壁容器的设计计算
一、引言 二、圆筒和球壳的设计计算
三、设计参数的规定
四、压力试验 五、封头的设计计算
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第三节 内压薄壁容器的设计计算
三、设计参数的规定
（一）设计压力和设计温度 容器的设计压力是指在相应的设计温度下，用以确定容器壳体 厚度的表压力，其值不小于容器的最大工作压力，容器的最大工作 压力是指在正常操作情况下容器顶部可能出现的最高表压力。 对承装液化气体的容器，设计压力应根据容器允许达到的最高
按照第一强度理论，
pD t 4t
pC D i 4 t pC
得到球壳壁厚计算公式： t 应力校核公式：
t
pc Di te t 4te
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第三节 内压薄壁容器的设计计算
二、圆筒和球壳的设计计算
（二）球壳 球壳 p D t t c i e t 4te
式中， 1 为器壁中三个主应力中最大的一个，对于内压薄壁回 转壳体，通常，第一主应力为周向应力 ，第二主应力为经向 应力 ，另一个主应力为径向应力 Z 。
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第三节 内压薄壁容器的设计计算 一、引言
（三）强度理论。 四个强度理论： 第一强度理论——最大拉应力理论： 1 第二强度理论——最大拉应变理论：1 1 1 ( 2 3 )
即：
t
pC Di 2 t pC
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第三节 内压薄壁容器的设计计算
一、引言 二、圆筒和球壳的设计计算
三、设计参数的规定
四、压力试验 五、封头的设计计算
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第三节 内压薄壁容器的设计计算
二、圆筒和球壳的设计计算
（一）圆筒 实际圆筒钢板焊缝区金属一般低于母材，再考虑到容器腐蚀， 供货钢板厚度的负偏差，设计厚度应比计算厚度大。 圆筒设计计算公式：
（一）圆筒 设计壁厚的概念： 计算厚度为仅按强度计算得到厚度：t 设计厚度为计算厚度加上腐蚀裕量：td = t + C2 名义厚度为实际采用标准规格钢材的厚度：tn=td + C +圆整值 厚度附加量C，C = C1 + C2， C1为钢板负偏差。 进行强度校核的公式为： pc Di te t t 2te
介质温度和相应的饱和蒸汽压力确定。
若容器装有液体，当容器各部位或受压元件所承受的液柱静压 力达到设计压力的5%时，液柱静压力应计入该部位或元件的设计
压力内。
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第三节 内压薄壁容器的设计计算
三、设计参数的规定
（一）设计压力和设计温度
设计温度指容器在正常操作情况下，在相应设计压力下 设定的受压元件的金属温度，其值不得低于金属可能达到的 最高温度。对于0oC 以下的金属温度，则设计温度不得高于 元件金属可能达到的最低金属温度。容器金属温度可通过实 测或由传热学计算。
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第三节 内压薄壁容器的设计计算
三、设计参数的规定
（二）焊缝系数 绝大多数容器采用焊接结构，焊接时由于可能出现的焊接缺陷， 焊缝往往是容器强度比较薄弱的环节，因此在设计中用焊缝系数来 表示焊缝金属与母材强度的比值。它反映出容器受削弱的程度。
表2-3 焊缝系数
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第三节 内压薄壁容器的设计计算
三、设计参数的规定
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第三节 内压薄壁容器的设计计算
三、设计参数的规定
(三)壁厚附加量
表2-4 热轧钢板厚度负偏差
表2-5 热轧无缝钢管厚度负偏差
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第三节 内压薄壁容器的设计计算
三、设计参数的规定
（四）许用应力和安全系数 许用应力是容器壳体等受压元件的材料许用强度，取材料的极 限强度与相应的安全系数之比。极限强度要根据失效类型来确定， 安全系数则受操作工况、材料、制造质量和计算方法等因素的影响。 采用过小的许用应力或过大的安全系数，会使设计的部分过分笨重 而浪费材料，反之会使部件过于单薄而破损，因此合理选择许用应 力或安全系数是关系设计先进可靠与否的问题。
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第三节 内压薄壁容器的设计计算
三、设计参数的规定
（四）许用应力和安全系数 材料的极限强度由试验求得。对于低碳钢之类的塑性材料，它 们有明显的规定非比例伸长应力p、屈服强度y和抗拉强度b。 为了使容器不产生过大的弹性或塑性变形，许用应力常以y或p 作为极限强度，因它们十分接近，故常用屈服强度y。当材料无明 显屈服点时，用规定残余伸长应力0.2，即产生0.2%残余伸长时的应
力值。有些材料在拉伸曲线上既无明显屈服点，又无明显的服从弹
性关系区，如铜，铸铁或高强度钢(屈强比高的材料)，在温度不很 高条件下，极限强度则取抗拉强度。
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第三节 内压薄壁容器的设计计算
三、设计参数的规定
（四）许用应力和安全系数 随着温度的变化，各种材料的力学性 能也将产生不同的变化。如铜、铝、铅等 材料，其抗拉强度随温度的升高而下降。 因此当温度升高时，以设计温度下的抗拉 强度bt作为极限强度。对于低碳钢材料， 温度升高，材料的抗拉强度也升高，但当 温度达到一定值时（250～300℃），抗拉 强度会很快下降，而屈服点始终随温度升 高均匀下降。因此在温度较高时，极限强 度用设计温度下的屈服强度yt 。
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第三节 内压薄壁容器的设计计算
三、设计参数的规定
（四）许用应力和安全系数 安全系数根据操作工况、材料、制造质量、和计算方法等多方 面因素确定。标准规定： 对碳素钢及低合金钢：n 3.0, n 1.6, n 1.5, n 1.0,
b y D n
对奥氏体高合金钢： ny 1.5, nD 1.5, nC 1.0,
t pC D i 4 t pC
圆筒 p D t t c i e t 2te
t pC Di 2 t pC
由上式可知，当压力、直径相同时，球壳的壁厚仅为圆筒的一半， 所以用球壳作容器，节省材料，占地面极小，但球壳是非可展曲面， 拼接工作量大，所以制造工艺比圆筒复杂的多，对焊接的要 求也高，大型带压的液化气或氧气等储罐常用球罐形式。
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第三节 内压薄壁容器的设计计算
三、设计参数的规定
（四）许用应力和安全系数 按蠕变极限设计的容器，尽管限制了它的蠕变速度，但材料还 是以一定的蠕变速度在伸长，实际上是不允许材料无限制的伸长下 去，因为材料伸长到一定量时，材料就要断裂，因而在高温下还以 材料的持久极限Dt来表征材料的抗蠕变能力。持久极限的定义是 材料在恒定温度下，经过规定时间（我国规定为10万小时）发生断 裂的相应应力。由于材料拉伸试验结果有一定分散性，受载情况的 统计特性和理论计算方法与容器实际应力不同，以及制造的允许偏 差等因素，如用计算应力不超过极限强度来校核，带有很大的冒险 性，为了保证受压元件有足够安全储备量，引入安全系数的概念。
(三)壁厚附加量 厚度附加量由两部分组成：

钢板或钢管的厚度负偏差，C1 腐蚀裕度C2。
C=C1+C2。 C1按相应钢板或钢管标准选取。容器用钢板负公差 不超过0.25mm时且不超过名义厚度的6%时，可取C1=0。
C2由介质的腐蚀性和容器的使用寿命确定。对于碳素钢和低合金 钢，C2不小于1mm，对于不锈钢，当介质的腐蚀性极少时，可取为 零。此外，对于冲压成型后的封头和热卷的圆筒，制造厂应保证成 品的实际厚度不小于名义厚度减去钢材厚度的负偏差。
E
第三强度理论——最大剪应力理论： 1 3 max
2
第四强度理论——最大八面体剪应力(形状改变比能)理论：
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1 2
1 2 2 2 3 2 3 1 2
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第三节 内压薄壁容器的设计计算 一、引言
nb

或
nt
nb
，
t D
nD
，
各种许用应力，欲防止各种类型的失