化工设备基础内压薄壁圆筒和球壳的设计.pptx

第九章 内压薄壁圆筒和球壳的设计 教学重点： 内压薄壁圆筒的厚度计算 教学难点： 厚度的概念和设计参数的确定 1 压力容器中强度设计的任务 在压力容器的设计中，一般都是根据工艺要求先确定内外径。 强度设计的任务就是根据给定的内径、设计压力、设计温度及介质腐蚀性等条件，设计出合理的厚度，以保证设备能在规定的使用寿命内安全可靠的运行。 压力容器强度计算的主要内容是新容器的强度设计及在用容器的强度校核。 第一节 概述 2 新的压力容器的设计内容 确定设计参数 选择使用材料。 确定容器的结构形式。 计算筒体与封头的厚度。 选取标准件。 绘制设备图纸。 3 压力容器强度校核的意义 判定在下一个检验周期内或在剩余寿命期间内，容器是否还能在原设计条件下使用。 当容器已被判定不能在原设计条件下使用是，应通过强度计算，提出容器监控使用的条件。 当容器针对某一使用条件需要判废时，应提出判废依据。 4 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 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 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 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。 内压薄壁圆筒与封头的强度设计公式推导过程 5 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。 关于弹性失效的设计准则 1、弹性失效理论 6 为了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 —— 相当应力，MPa，可由强度理论确定 —— 极限应力，MPa，可由简单拉伸试验确定 —— 安全裕度 —— 许用应力,MPa 2、强度安全条件 7 四种强度理论的相当应力 8 径向应力 第二节 内压薄壁圆筒和球壳强度计算 一、内压薄壁圆筒的应力状态 应力状态 9 第一强度理论 （最大主应力理论） 第三强度理论 （最大剪应力理论） 强度条件 强度条件 适用于 脆性材料 适用于 塑性材料 2、常用强度理论 10 第四强度理论 强度条件 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 和GB150.1~4-2011采用第三强度理论. 11 （1)、厚度的定义 容器的厚度和最小厚度 壁厚的概念 腐蚀裕量 钢板负偏差 13 设计压力较低的容器计算厚度很薄。 大型容器刚度不足，不满足运输、安装。 限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求。 壳体加工成形后不包括腐蚀裕量最小厚度： a. 碳素钢和低合金钢制容器不小于3mm b．对高合金钢制容器，不小于2mm（均包括腐蚀裕量） （2)、最小厚度 低压、常压容器按厚度公式计算的厚度很薄 Pc=0，δ=0 14 强度校核公式 求最大允许工作压力 厚度计算式 厚度算式的应用： 15 二、内压球形壳体 计算厚度 设计厚度 设计温度下球壳的强度校核： 设计温度下球壳的最大允许工作压力： 16 工作压力Pw 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p 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Pc 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 三、设计参数的确定 1、压力 17 表9-1 设计压力与计算压力的取值范围 18 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）。其值不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度。对于0℃以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。 设计温度是选择材料和确定许用应力时不可少的参数。 2、设计温度 19 （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: 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。 3、许用应力和安全系数 20 常温容器 中温容器 高温容器 21 （2）安全系数 常温下，碳钢和低合金钢 表9-2 钢材的安全系数 22 焊缝区的强度主要取决于熔焊金属、焊缝结构和施焊质量。 焊接接头系数的大小决定于焊接接头的型式和无损检测的长度比率。 焊接接头系数φ是焊接削弱而降低设计许用应力的系数。 4、焊接接头系数φ 表9-3 焊接接头系数 23 常见的焊接形式