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。
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第三强度理论——最大剪应力理论: 1 3 max
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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
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各种许用应力,欲防止各种类型的失
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