内压薄壁圆筒与封头的强度设计

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1、Nanjing University of Technology食品机械基础食品机械基础第三篇第三篇 化工容器设计化工容器设计授课教师：仲兆祥授课教师：仲兆祥NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY第九章第九章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计内压薄壁圆筒与封头的强度设计强度设计的基本知识强度设计的基本知识12内压薄壁圆筒与球壳的强度设计内压薄壁圆筒与球壳的强度设计3 内压圆筒封头的设计内压圆筒封头的设计NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY9.1.1 关于弹性失效的设计准则关于弹性失效的设计准则 容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点，

2、该容器即告破坏。(中低压薄壁容器)强度安全条件强度安全条件：n0当9.1 强度设计的基本知识强度设计的基本知识NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY9.1.2 强度理论及其相应的强度条件强度理论及其相应的强度条件由薄膜理论由薄膜理论,圆筒壁内应力为经向应力、环向应力、法向应圆筒壁内应力为经向应力、环向应力、法向应力（被认为是力（被认为是0 0）。）。04 2321zmpDpD则三项主应力为：NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY第三强度理论的强度条件为：第三强度理论的强度条件为：31当因此圆筒强度条件为：因此圆筒强度条件为：2pDNANJIN

3、G UNIVERSITY OF TECHNOLOGY9.2 内压薄壁圆筒壳与球壳的强度设计内压薄壁圆筒壳与球壳的强度设计9.2.1 强度计算公式强度计算公式依据第三强度理论，强度公式为：参数变换参数变换：1.将中径换算为圆筒内径，D=Di+;2.压力换为计算压力Pc ；3.考虑到焊缝处因气孔、夹渣等缺陷以及热影响区晶粒粗大等造成的强度削弱，引进焊缝系数焊缝系数(1)；4.材料的许用应力与设计温度有关。pD2NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY内压圆筒强度计算公式：内压圆筒强度计算公式：9 21)(mm)pDpctic再考虑腐蚀裕量C2,于是得到圆筒的设计壁厚设计壁厚

4、为：9222)(mm)CpDpcticd计算壁厚计算壁厚公式：NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY在公式（9-2）基础上，考虑到钢板的负偏差C（钢板在轧制时产生了偏差）名义壁厚名义壁厚公式：39 212)(mm)CCpDpcticn再根据钢板标准规格向上圆整向上圆整。最终名义厚度名义厚度。这是写在图纸上的厚度这是写在图纸上的厚度！NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY)(Dpteeic49 2t式中e有效壁厚有效壁厚，e e=圆整后的壁厚（n）C1C2。)(MPa)Dpeietw59 2强度校核公式：强度校核公式：1）在工作压力及温度下，现

5、有容器强度够否？2）现有容器的最大允许工作压力如何？NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY1.压力压力v工作压力工作压力pw-正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。v 由工艺计算确定：化学反应所要求的；传递过程所必需的；由液化气体的饱和蒸汽压所决定的。9.2.2.设计参数的确定设计参数的确定NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY设计压力设计压力p：设定的容器顶部的最高压力-设计载荷。取值方法：取值方法：（1）容器上装有安全阀取不低于安全阀开启压力：p （）（）pw系数取决于弹簧起跳压力。NANJING UNIVERSITY OF TEC

6、HNOLOGY（2）容器内有爆炸性介质，安装有防爆膜时：取 设计压力为爆破片设计爆破压力加制造范围上限。设计压力为爆破片设计爆破压力加制造范围上限。P211 表12-2，表12-3。防爆膜装置示意图NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY（3）无安全泄放装置取 p=（）（）pw。（4）盛装液化气容器设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。（地面安装的容器按不低于最高饱和蒸汽压考虑，如40，50，60时的气体压力）。注意：要考虑实际工作环境，如放置地区，保温，遮阳，喷水等。（5）外压容器取 p正常操作下可能产生的最大压差。（6）真空容器不设安全阀时，取0.1M

7、Pa；设有安全阀时 取Min（1.25p,0.1MPa)。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY釜壁可能承受压力情况：釜内空料，夹套内充蒸汽-外压MPa;釜内真空，夹套内充蒸汽-外压Pa;釜内，夹套内内压0.1MPa;釜内，夹套内空料-内压0.3MPa;釜壁承受的最大压差:内压或外压0.3MPa.（7）带夹套容器取正常操作时可能出现的最大内外压差。例如例如 带夹套的反应釜：夹套内蒸汽压力为0.2MPa,釜内开始抽真空，然后釜内升压至。该釜壁承受压力如何？NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY计算压力计算压力p pc c-在相应设计温度下，用以

8、确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。即计算压力计算压力=设计压力设计压力+液柱静压力液柱静压力(5%P(5%P时计入时计入)可见，计算压力计算压力设计压力设计压力工作压力工作压力=容器顶部表压容器顶部表压 例：一立式容器，工作压力MPa，液体深10m，重度为10,000N/m3。pw=0.5MPa,pcNANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY2.设计温度设计温度指容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。设计温度在容器设计中的作用：设计温度在容器设计中的作用：选择材料；选择材料；

9、确定许用应力。确定许用应力。确定设计温度的方法：（1）对类似设备实测；（2）传热计算；（3）参照书P213表12-5。例如：不被加热或冷却的器壁，且壁外有保温，取介质温度；用水蒸气、热水或其它内置加热元件间接加热时，取最高工作温度；等等。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY3.许用应力和安全系数许用应力和安全系数定义式：）安全系数（）极限应力（nt0（1 1）许用应力）许用应力的确定的确定：bbssnnMin,)(2.0工作温度为中温中温，取btbsttsnnMin,)(2.0工作温度为常温常温（200），取DtDntnsttsnnnMin,)(2.0工作温度为高温

10、，取式中 nt,Dt-设计温度下材料的蠕变强度和持久强度。nn,nD-蠕变强度和持久强度的安全系数。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY（2）安全系数及其确定：）安全系数及其确定：影响安全系数的因素：计算方法的准确性、可靠性和受力分析的精度；材料质量和制造的技术水平；容器的工作条件及其在生产中的重要性和危险性。安全系数 材料 nb ns nD nn碳素钢、低合金钢3.01.61.51.0 高合金钢3.01.51.51.0NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY4.4.焊接接头系数（焊接接头系数（）容器上存在有：纵焊缝-A类焊缝环焊缝-B类焊缝

11、需要进行无损检验。检验方法主要是：X X射线检查射线检查和超声波检查超声波检查。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 缺陷，夹渣，未焊透，晶粒粗大等，在外观看不出来；熔池内金属从熔化到凝固的过程受到熔池外金属的刚性约束，内应力很大。焊缝区强度比较薄弱焊缝区强度比较薄弱。为综合考虑筒体强度，设计公式中将钢板母材的许用应力乘以（1）。焊接接头结构焊接接头结构100%无损检验无损检验局部无损检验局部无损检验示意图示意图双面对接焊双面对接焊 1.0 0.85 带垫板单面对接焊带垫板单面对接焊 0.90 0.80NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

12、5.5.壁厚附加量壁厚附加量容器壁厚附加量（1 1）钢板或钢管厚度负偏差）钢板或钢管厚度负偏差 C C1 1:在设计容器壁厚时要在设计容器壁厚时要 预先考虑负偏差预先考虑负偏差。钢板负偏差参见p217表12-9选取；钢管厚度负偏差参见P218表12-10。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY（2 2）腐蚀裕量）腐蚀裕量C C2 2 容器元件由于腐蚀或机械磨损厚度减薄。在设计壁厚时要考虑容器使用寿命期内的安全性！在设计壁厚时要考虑容器使用寿命期内的安全性！具体规定具体规定如下：对有腐蚀或磨损的元件:C2=KaB Ka-腐蚀速率（mm/a），由材料手册或实验确定。B-容

13、器的设计寿命，通常为1015年。一般情况,Ka的轻微腐蚀时，对单面腐蚀单面腐蚀取C2=12mm;对双面腐蚀双面腐蚀取C2=24mm。容器各元件受到的腐蚀程度不同时，设计中可采用不同的腐蚀裕量。介质为压缩空气、水蒸气或水的碳钢或低合金钢容器，单面腐蚀裕量不小于1mm；对不锈钢容器，腐蚀轻微时可取C2=0。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY6.6.直径系列与钢板厚度直径系列与钢板厚度要按照钢板厚度尺寸系列厚度尺寸系列标准GB/T 709-2001的规定选取。P219表12-13。压力容器的直径系列直径系列已经施行标准化（GB/T 9019-2001)，筒体与封头的公称

14、直径配套。见P167表10-5。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY9.2.3 容器的壁厚和最小壁厚容器的壁厚和最小壁厚计算厚度计算厚度 d n 2C设计厚度设计厚度1C圆整值圆整值名义厚度名义厚度有效厚度有效厚度e 21CCC 毛坯厚度毛坯厚度加工减薄量加工减薄量腐蚀裕量腐蚀裕量钢材厚度的负偏差钢材厚度的负偏差NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY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。足运输、安装的要求。限定最小厚

15、度以满足刚度和稳定性要求。定义：定义：壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度：a.a.碳素钢和低合金钢制容器不小于碳素钢和低合金钢制容器不小于3mm3mm b b对高合金钢制容器，不小于对高合金钢制容器，不小于2mm2mmmin2 2、最小厚度、最小厚度 c.c.碳素钢、低合金钢制塔式容器碳素钢、低合金钢制塔式容器min maxiD10002,4mm；d.d.不锈钢制塔式容器不锈钢制塔式容器min maxiD10002,3mm.NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY9.2.4 9.2.4 压力试验及强度校核压力试验及强度校核压力试

16、验的时机压力试验的时机：1）容器制成后；2）检修后。试验目的试验目的：1）检验容器宏观强度是否出现裂纹,是否变形过大；2）密封点及焊缝的密封情况。要知道要知道！（1）需要焊后热处理的容器，须热处理后进行压力试验和气密试验；（2）须分段交货的容器，在工地组装并对环焊缝进行热处理后，进行压力试验；（3）塔器须安装后进行水压试验；压力试验的其他作用：压力试验的其他作用：1）通过短时超压，有可能减缓某些局部区域的峰值应力，在一定程度上起到消除或降低应力，使应力分布趋于均匀的作用；2）根据近代断裂力学的观点，短时超压可以使裂纹产生闭合效应，钝化了裂纹尖端，使容器在正常工作压力下运行时更为安全。NANJI

17、NG UNIVERSITY OF TECHNOLOGY压力试验分类压力试验分类：液压试验液压试验介质：一般为水；过程：充水排气设计压力无泄漏开始试验压力下保压30分钟卸压吹净结束试验压力的80%保压检查NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY注意：不锈钢容器不锈钢容器水中氯离子不得超过水中氯离子不得超过25mg/L25mg/L。试压合格的条件试压合格的条件：1）无渗漏；2）无可见变形；3）试验过程中无异常响声；4）b 540MPa的材料，表面经无损检验无裂纹。气压试验气压试验不适合液压试验的，如因结构缘故排液或充液困难，或容器内不允许残留微量液体时采用。气密试验气密试验

18、针对介质具有毒性程度为极度或具有高度危害的容器；在液压试验后进行；气密试验压力取设计压力。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY例1：设计乙烯精馏塔。由工艺计算得出塔体公称直径为设计乙烯精馏塔。由工艺计算得出塔体公称直径为600mm,600mm,工工作压力为（不计液注高度），工作温度作压力为（不计液注高度），工作温度t=-3t=-32020，塔体保温。，塔体保温。确定该塔壁厚及选用的材料确定该塔壁厚及选用的材料。【解】1.选材 介质腐蚀性轻微；工作温度-320；工作压力中压。故选用Q345R。2.确定参数（1）由DN=600mm,筒体采用板卷，Di=600mm；（2）

19、由题意“不计液注高度”，无安全泄放装置，pc=2.2MPa；（3）因压力为中压，直径较小，故采用带垫板单面对接 焊结构，局部无损探 伤，查表12-8，=0.8；（4）塔体保温，由表12-5，设计温度取介质温度，t=170MPa；（5）常温屈服点s=345MPa；（6）腐蚀轻微，单面腐蚀，C2=1mm。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY（3 3）确定计算壁厚）确定计算壁厚)(9.42.28.017026002.22mmpDpctic设计厚度设计厚度d=+C2=4.9+1.0=5.9(mm),查表查表12-9，得，得C1，则则 C=C1+C2=0.25+1.0=1.2

20、5(mm)。名义壁厚名义壁厚n=+C+圆整量圆整量，+C=4.9+1.25=6.15(mm),圆整为圆整为7mm。（4）校核水压试验强度）校核水压试验强度水压试验强度条件为：水压试验强度条件为：SeeiTDp9.02)(TNANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY式中pT2.2=2.75(MPa),(/t1);e=n-C1-C2=7-0.25-1.0=5.75(mm)则 )(2.1544.52)75.5600(75.2MPaT而 s（MPa)可见 T s ，所以水压试验强度足够。结构简图：NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY9.3 内压圆筒封头

21、的设计内压圆筒封头的设计封头封头（按结构形状）（按结构形状）凸形封头凸形封头锥形封头锥形封头平板封头平板封头半球形封头半球形封头椭圆形封头椭圆形封头碟形封头碟形封头内压圆筒封头的分类内压圆筒封头的分类球冠形封头球冠形封头NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY一、半球形封头一、半球形封头半球形封头半球形封头1 1、结构特点：结构特点：半球形封头是由半个 球壳构成的。2 2、受力特点：、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。4pD即：即：其厚度计算公式也与球壳厚度计算公式相同：cticpDp4NANJING UNIVERSI

22、TY OF TECHNOLOGY优点优点缺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：多用于高压容器应用场合：多用于高压容器3 3、半球形封头的优缺点：、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）。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY直边的作用：直边的作用：是为了避免筒体与封头间的环向焊缝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。处出现边缘应力和热应力的叠加。椭圆形封头椭圆形封头二、二、椭圆形封头椭圆形封

23、头1 1、结构特点：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。边缘应边缘应力与热力与热应力叠应力叠加加NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY经分析：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。2maxKpD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：cticcticpDppDKp5.02 5.022 2、受力特点：、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，故应力分布比较均匀。受力状态仅次于半球封头。3 3、椭圆形封头的特点：、椭圆形

24、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。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY以iR为半径的球面；以 r 为半径的过渡圆弧(即折边)；高度为0h的直边。三、碟形封头三、碟形封头碟形封头碟形封头1 1、结构特点：、结构特点：2 2、受力特点：、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，故应力分布不均匀。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY形状系数形状系数 计算厚度公式计算厚度

25、公式 GB150-1998规定规定 rRMi341标准碟形封头计算标准碟形封头计算厚度公式厚度公式 mm 5.02cticpRMp mm 5.022.1cticpRpM 1.34 时，e 0.15%iD M1.34 时，e 0.30%i D iiiDrDR17.09.0NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY四、四、球冠形封头（无折边球形封头）球冠形封头（无折边球形封头）(mm)2 ctcpDipQ式中式中 DiDi封头和筒体的内直径；封头和筒体的内直径；Q Q 系数，见书系数，见书P231P231，图，图12-1012-10。2.2.壁厚计算公式：壁厚计算公式：NAN

26、JING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY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。mm cos12ctcccpDp锥形封头厚度计算公式锥形封头厚度计算公式 Dc 锥壳大端内直径锥壳大端内直径 五、锥形封头五、锥形封头NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY 为减小边缘应力，锥形封头结构常有如下结构为减小边缘应力，锥形封头结构常有如下结构（1）局部加强30的大端及45 的小端(2)加过渡圆弧 30的大端及45 的

27、小端受内压无折边锥形封头受内压无折边锥形封头受内压带折边锥形封头受内压带折边锥形封头NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY六、平板封头六、平板封头是常用的一种封头。其几何形状有圆形、椭圆形、长圆是常用的一种封头。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。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。径和压力低的容器。但有时在高压容器中，

28、如合成塔中也用平盖，这是因为但有时在高压容器中，如合成塔中也用平盖，这是因为它的端盖很厚且直径较小，制造直径小厚度大的凸形封它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。头很困难。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGYmm tccpKpD平板封头厚度设计公式平板封头厚度设计公式 平板封头的计算厚度平板封头的计算厚度 mm p 计算直径计算直径 mm 计算压力计算压力 MPa 焊接接头系数焊接接头系数 结构特征系数结构特征系数(见表见表12-22)cDcpK 材料在设计温度下的许用应力材料在设计温度下的许用应力 MPa tNANJING UNIVERSITY

29、 OF TECHNOLOGY例题 确定精馏塔封头形式及尺寸。塔径确定精馏塔封头形式及尺寸。塔径Di=600mm，壁厚，壁厚n=7mm，材质为材质为Q345R，计算压力，计算压力Pc=2.2MPa,工作温度工作温度t=-3+20。【解】确定参数：Pc，Di=600mm，C2=1mm,t=170MPa。1.半球形封头半球形封头 补充参数：半球形封头与筒体连接的环焊缝属于封头内的部分，采用带垫板单面对接焊，局部无损探伤，=0.8。计算壁厚为：(mm)pDpctic4)(4.22.28.017046002.2mmd=2.4+1.0=3.4(mm)C1名义壁厚为 n=3.4+0.25=3.65(mm)取

30、4mm。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY2.2.用标准椭圆形封头用标准椭圆形封头 此封头可以整板冲压，1。计算壁厚为：)(9.32.25.0117026002.25.02mm (mm)pDpcticd=3.9+1.0=4.9(mm)取C1名义壁厚为 n=4.9+0.25=5.15(mm)板厚为6mm。3.3.采用标准碟型封头采用标准碟型封头)(67.45.022.1mm pDpcticd=4.67+1.0=5.67(mm)取C1=0.25mm,名义壁厚为 n=5.67+0.25=5.92(mm)取6mm。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOL

31、OGY（4 4）采用平板封头）采用平板封头板厚计算公式为：(mm)KpDtccp 选结构形式为表1222中第9种，K=0.3，=1，Dc=600mm。p=37.4(mm).d=37.4+1=38.4(mm)查得C1=0.25mm,名义壁厚为n=38.65mm,圆整后取40mm。NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY各种封头计算结果比较封头形式 壁厚（mm)总深度（mm)理论面积（）重量（kg)制造难易程度半球形 4 3000.56517.8 较难椭圆形 6 1750.46621 较易碟型 6 1610.41022.4 较易平板形 40 -0.28388.3 易NANJ

32、ING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY单位容积的表面积，半球形封头为最小。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，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。可以认为近似相等。封头的选择主要根据设计对象的要求，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。并考虑经济技术指标。六、封头的选择六、封头的选择1、几何方面、几何方面NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY半球形封头的应力分布最好半球形封头的应力分布最好椭圆形封头应力情况第二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边半径r r平板受力情况最差平板受力情况最差封头愈深，直径和厚度愈大，制造愈困难封头愈深，直径和厚度愈大，制造愈困难2、力学方面、力学方面3、制造及材料消耗方面、制造及材料消耗方面