化工设备设计基础第8章内压壁圆筒与封头的强度设计.ppt

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 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： 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。 第一节 强度设计的基本知识 一、关于弹性失效的设计准则 二、强度理论及其相应的强度条件 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，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： 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。 二、强度理论及其相应的强度条件 1.第一强度理论的强度条件 第二节 内压薄壁圆筒和球壳的强度设计 一、强度计算公式 二、设计参数的确定 三、容器的壁厚和最小壁厚 四、压力试验及其强度校验 一、强度计算公式 1.圆筒强度计算公式的推导 一、强度计算公式 1.圆筒强度计算公式的推导 一、强度计算公式 2.圆筒强度校核与许用压力确定 一、强度计算公式 3.球形容器厚度计算及校核计算公式 一、强度计算公式 4.公式符号意义 二、设计参数的确定 1. 设计压力与计算压力 二、设计参数的确定 2. 设计温度 二、设计参数的确定 3.许用应力和安全系数 二、设计参数的确定 3.许用应力和安全系数 二、设计参数的确定 4.焊缝系数 二、设计参数的确定 5.壁厚附加量 二、设计参数的确定 三、容器的壁厚和最小壁厚 1.各种壁厚之间的关系 四、压力试验及其强度校验 压力试验和气密试验目的 检验容器的宏观强度和有无渗漏现象。 四、压力试验及其强度校验 2.压力试验的要求与试验方法 四、压力试验及其强度校验 2.压力试验的要求与试验方法 四、压力试验及其强度校验 3.压力试验时的强度校核 五、典型例题 第三节 内压圆筒封头的设计 一、半球形封头 二、椭圆形封头 三、碟形封头 四、无折边球形封头 五、锥形封头 六、平板封头 七、封头的选择 一、半球形封头 二、椭圆形封头 二、椭圆形封头 二、椭圆形封头 三、碟形封头 三、碟形封头 四、无折边球形封头 四、无折边球形封头 五、锥形封头 五、锥形封头 六、平板封头 六、平板封头 七、封头的选择 例题 计算壁厚公式 【备注】球形封头壁厚较相同直径与压力的圆筒壳减薄一半。在实际工作中，为了焊接方便以及降低边界处的边缘应力，半球形封头常和筒体取相同的厚度。 椭圆形封头是由长短半轴分别为a和b的半椭球和高度为h0的短圆筒（通称为直边）两部分所构成。直边的作用是为了保证封头的制造质量和避免筒体与封头间的环向焊缝受边缘应力作用。 1.结构特点 当m=a/b≤2时，最大应力在椭圆壳的顶点 2.壁厚计算公式 将a/b=m，a=D/2代入得： 强度条件 考虑焊缝系数 ，D=Di+S，m=Di/2hi代入强度条件得： 标准椭圆封头m=a/b=2 如果m=a/b2时，椭圆封头赤道上出现很大的环向应力，绝对值远大于顶点的应力，引入封头的形状系数K，得椭圆封头的通用壁厚计算公式为： 2.壁厚计算公式 3.许用压力计算公式 【备注】封头的直边高度与材质、壁厚和圆筒的公称直径有关。 1.几何特点 半径Ri的球面；半径为r的过渡圆弧；高度为h0的直边。 2.壁厚计算公式 Ri－碟形封头球面部分内半径；r－过渡圆弧内半径；M－碟形封头形状系数； 2.壁厚计算公式 球面内半径Ri=0.9Di，过渡圆弧内半径r=0.17Di时为标准碟形封头。M=1.325，标准碟形封头的壁厚计算公式为： 3.碟形封头的许用压力公式 1.结构特点 2.壁厚计算公式 Q-系数，查相关图表求得。【注意】任何情况下，与无折边球形封头连接的圆筒厚度应不小于封头厚度。 1.结构特点 优点：便于收集与卸除设备中的固体物料；还可作为塔设备的变径段。 最大应力公式 强度条件 壁厚计算公式 2.壁厚计算公式 3.工程中的锥形封头