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1、1,第三章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计,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,2,第一节 内压薄壁壳体强度计算,一、强度理论及其相应的强度计算公式,1、薄壁压力容器的应力状态,图2-1 单元体应力状态,属二向应力状态,3,第一强度理论（最大主应力理论）,强度条件,2、强度理论,最大主应力,设计压力,容器中径,计算厚度,材料的许用应力,4,考虑介质腐蚀性，引入,考虑钢板厚度负偏差，引入,3、内压薄壁圆筒强度计算公式,考虑焊缝对材料强度的削弱，引入,考虑温度对材料的影响引入,因圆筒内径由工艺计算决定，故,用计算压力代设计压力,并圆整,5,设计温度下圆筒的计算应力
2、（强度校核公式）,设计温度下圆筒的最大允许工作压力,1、当筒体采用无缝钢管时，应将式中的Di换为D02、以上公式的适用范围为3、用第四强度理论计算结果相差不大,対上式强度计算公式稍加变形就可得到相应的校核公式,6,考虑介质腐蚀性，引入,考虑钢板厚度负偏差，引入,4、内压薄壁球壳强度计算公式,考虑焊缝对材料强度的削弱，引入,考虑温度对材料的影响引入,因圆筒内径由工艺计算决定，故,用计算压力代设计压力,并圆整,7,设计温度下圆筒的计算应力（强度校核公式）,设计温度下圆筒的最大允许工作压力,对比内压薄壁球壳与圆筒体的强度计算公式可以看出：当条件相同时，球壳壁厚约为圆筒壁厚的一半，而且球壳的表面积比圆
3、筒体的小，但球壳制造困难。,対上式强度计算公式稍加变形就可得到相应的校核公式,8,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、安装的要求。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,1、最小厚度,c.碳素钢、低合金钢制塔式容器,min,d,max,4mm,；,d.不锈钢制塔式容器,max,3mm.,二、容器的厚度和最小厚度,9,各厚度之间的关系,2、容器的厚度,图4-2 壁厚的关系图,10,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,指设
4、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,第二节 设计参数的确定,1、压力,11,表4-1 设计压力与计算压力的取值范围,12,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）。,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,13,（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
5、得出的。,3、许用应力和安全系数,1)、许用应力,14,（2）安全系数,安全系数是一个不断发展变化的参数。随着科技发展，安全系数将逐渐变小。,常温下，碳钢和低合金钢,表4-2 钢材的安全系数,15,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 是焊接削弱而降低设计许用应力的系数。,4、焊接接头系数,表4-3 焊接接头系数,16,满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚度，包括钢板负偏差(或钢管负偏差)C1、腐蚀裕量 C2 即 C C1十 C2,1、按表4-9选取2、当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义
6、厚度的6%时，负偏差可以忽略不计。,为防止容器元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄，应考虑腐蚀裕量。,C1 钢板厚度负偏差,C2 腐蚀裕量,5、厚度附加量C,17,标准化问题,6、直径系列与钢板厚度,表4-4 常用钢板厚度,注：5mm为不锈钢常用厚度。,18,在于检验容器的宏观强度和有无渗漏现象，即考察容器的密封性，以确保设备的安全运行。,目的,液压试验,气压试验,气密性试验,压力试验的种类,四、压力试验与强度校核,19,液压试验,气压试验,内压容器试验压力,1、试验压力,/t大于1.8时，按1.8计算；如果容器各元件(圆筒、封头、接管、法兰及紧固件等)所用材料不同时，应取各元件材料的比值
7、中最小者。,容器铭牌上规定有最大允许工作压力时，公式中应以最大允许工作压力代替设计压力p,20,液压试验,气压试验,2、压力试验的应力校核,3.压力试验的试验要求与试验方法（自学）,圆筒壁在试验压力下的计算应力,21,五、例题,【例4-1】：某化工厂欲设计一台石油气分离用乙烯精馏塔。工艺参数为:塔体内径；计算压力；工作温度t-3-20。试选择塔体材料并确定塔体厚度。,由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在-3-20，压力为中压，故选用16MnR。,（2）确定参数,(附表9-1)；,(采用带垫板的单面焊对接接头,局部无损检测)(表4-8)；,取,解：（1）选材,22,（3）厚度计算,计算厚度,设计厚度
8、,根据,查表4-9得,名义厚度,圆整后,取名义厚度为。,复验,故最后取。,该塔体可用7mm厚的16MnR钢板制作。,23,（4）校核水压试验强度,式中，,则,而,可见,，所以水压试验强度足够。,24,第三节 内压圆筒封头的设计,教学重点：内压圆筒封头的厚度计算 教学难点：各种封头的优缺点和选用,25,封头（按结构形状）,凸形封头,锥形封头,平盖封头,半球形封头,椭圆形封头,碟形封头,内压圆筒封头的分类,26,一、半球形封头,图4-3 半球形封头,1、结构特点：半球形封头是由半个 球壳构成的。,2、受力特点：半球形封头是由半个 球壳构成的，因此在内压作用下，其应力状态与球壳完全相同。,即：,其厚
9、度计算公式也与球壳厚度计算公式相同：,27,3、半球形封头的优缺点：与其它封头相比在直径和压力相同的情况下，其 厚度最薄（受力最好）；当容积一定的情况下，表面积最小（最省材料）。,优点,缺点,但封头深度大，直径较小时，整体冲压制造较困难；直径大时，采用分瓣冲压其拼焊工作量较大。,应用场合：多用于高压容器,28,直边的作用：是为了避免筒体与封头间的环向焊缝处出现边缘应力和热应力的叠加。,图4-4 椭圆形封头,二、椭圆形封头,1、结构特点：椭圆形封头是由半个椭球面和高为的h短圆筒（直边段）构成的。,边缘应力与热应力叠加,29,2、受力特点：由于封头的椭球部分经线曲率变化平滑连续，没有突变，故应力分
10、布比较均匀。受力状态仅次于半球封头。,经分析：受内压的椭圆形封头最大的综合应力与椭圆形封头长短轴的比值有关，引入形状系数K。,得到最大的综合应力：,理论分析证明，当K=1椭圆形封头的应力分布较好，标准椭圆形的厚度计算公式：,30,椭圆封头最大允许工作压力计算公式,3、椭圆形封头的特点：从标准椭圆形封头的厚度计算公式中可以看出，其厚度大致和其相连的圆筒厚度相等，因此圆筒体和封头可采用等厚焊接，封头深度较浅便于加工，受力较好，故在工程上广泛应用。,31,三、碟形封头,图4-5 碟形封头,1、结构特点：,2、受力特点：由于球面与过度区及过渡区与直边的连接处经线曲率半径突变，产生边缘应力，故应力分布不
11、均匀。,32,形状系数,计算厚度公式,GB150-1998规定,标准碟形封头计算厚度公式,33,广泛应用于许多化工设备的底盖，它的优点是便于收集与卸除这些设备中的固体物料。此外，有一些塔设备上、下部分的直径不等，也常用锥形壳体将直径不等的两段塔体连接起来，这时的锥形壳体称为变径段。,锥形封头厚度计算公式,Dc 锥壳大端直径,四、锥形封头,34,是常用的一种封头。其几何形状有圆形、椭圆形、长圆形、矩形和方形等，最常用的是圆形平板封头。在各种封头中，平板结构最简单，制造就方便，但在同样直径、压力下所需的厚度最大，因此一般只用于小直径和压力低的容器。但有时在高压容器中，如合成塔中也用平盖，这是因为它
12、的端盖很厚且直径较小，制造直径小厚度大的凸形封头很困难。,五、平板封头,35,平板封头厚度设计公式,平板封头的计算厚度 mm,计算直径 mm,计算压力 MPa,焊接接头系数,结构特征系数,材料在设计温度下的许用应力 MPa,36,单位容积的表面积，半球形封头为最小。椭圆形和碟形封头的容积和表面积基本相同，可以认为近似相等。,封头的选择主要根据设计对象的要求，并考虑经济技术指标。,六、封头的选择,1、几何方面,37,半球形封头的应力分布最好椭圆形封头应力情况第二碟形封头在力学上的最大缺点在于其具有较小的折边半径r平板受力情况最差,封头愈深，直径和厚度愈大，制造愈困难,2、力学方面,3、制造及材料消耗方面,38,作 业,一、课堂作业二、课外作业第四大题5小题，1小题,
