-内压薄壁容器设计

《-内压薄壁容器设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《-内压薄壁容器设计（17页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、第三章 内压薄壁容器设计第一节 内压薄壁圆筒设计【学习目的】 通过内压圆筒应力分析和应用第一强度理论，推导出内压圆筒壁厚设计公式。掌握内压圆筒壁厚设计公式,理解边沿应力产生的因素及特性。一、内压薄壁圆筒应力分析当圆筒壁厚与曲面中径之比/D.1或圆筒外径、内径之比=D/Di1.2时，可觉得是薄壁圆筒。1、基本假设 圆筒材料持续、均匀、各向同性； 圆筒足够长,忽视边界影响（如筒体两端法兰、封头等影响); 圆筒受力后发生的变形是弹性微小变形； 壳体中各层纤维在受压（中、低压力）变形中互不挤压，径向应力很小,忽视不计； 器壁较薄，弯曲应力很小,忽视不计。2、圆筒变形分析图3-1 内压薄壁圆筒环向变形示

2、意图筒直径增大，阐明在其圆周的切线方向有拉应力存在,即环向应力（周向应力）圆筒长度增长,阐明在其轴向方向有轴向拉应力存在，即经向应力(轴向应力)。圆筒直径增大还意味着产生弯曲变形,但由于圆筒壁厚较薄,产生的弯曲应力相对环向应力和经向应力很小,故忽视不计。此外，对于受低、中压作用的薄壁容器,垂直于圆筒壁厚方向的径向应力相对环向应力和经向应力也很小,忽视不计。3、经向应力分析采用“截面法”分析。根据力学平衡条件，由于内压作用产生的轴向合力（外力）与壳壁横截面上的轴向总应力（内力)相等，即： 由此可得经向应力: 图-2 圆筒体横向截面受力分析、环向应力分析采用“截面法”分析。图33 圆筒体纵向截面受

3、力分析根据力学平衡条件,由于内压作用产生的环向合力（外力）与壳壁纵向截面上的环向总应力（内力）相等,即： (33)由此可得环向应力： (4）5、结论通过以上分析可以得到结论：，即环向应力是经向应力的2倍。因此,对于圆筒形内压容器,纵向焊接接头要比环向焊接接头危险限度高。在圆筒体上开设椭圆形人孔或手孔时,应当将短轴设计在纵向，长轴设计在环向,以减少开孔对壳体强度的影响。6、薄壁无力矩理论在以上薄壁圆筒应力分析过程中,只考虑由于内压作用在筒壁产生的环向拉伸应力和经向拉伸应力，而由于弯曲应力值很小忽视不计、径向应力值很小忽视不计,采用这一近似措施分析薄壁圆筒，称为薄壁无力矩理论。二、内压薄壁圆筒壁厚

4、计算公式根据第一强度理论（最大主应力理论)，得到： 引入焊接接头系数,得到: 圆筒以内径为基准时,将中径D转换为内径Di，=Di+,得到: 根据G15规定,拟定圆筒厚度的压力为计算压力，得到: 导出，得到设计温度下圆筒的计算厚度公式为： 考虑介质腐蚀、机械磨损因素,加上腐蚀裕量C2,得到设计厚度为: 再加上钢板厚度负偏差C1，最后圆整取钢板原则厚度。 圆筒以外径为基准时，将中径D转换为外径o,D=o,得到: 考虑介质腐蚀、机械磨损因素，加上腐蚀裕量C2，得到设计厚度为: 再加上钢板厚度负偏差C，最后圆整取钢板原则厚度。 按G150规定,设计温度下的内压圆筒计算厚度公式合用范畴为：，这意味着B1

5、50原则中设计压力不不小于35a的内压容器都合用该公式。三、边沿应力容器壳体两部分之间相连接形成的边界称为连接边沿,如筒体与筒体之间的焊接连接、筒体与封头之间的焊接连接、筒体与容器法兰之间的焊接连接等。在连接边沿,如果两部分经线形状不一致,曲率半径不相等，那么在介质压力作用下,两部分的变形也不一致,并且由于焊接连接的因素导致变形互相约束，彼此之间产生边沿力和边沿力矩的作用，由此在筒体内部产生附加应力边沿应力。筒体与封头连接边沿受力状态分析如图3-所示。边沿应力对壳体强度的影响体现出两个特性： 局部性 自限性 四、计算示例:100m3(DN3000)C5原料罐筒体壁厚计算教学项目一：103（DN

6、0）5原料罐（设计任务书见第二章)工作压力计算压力工作温度设计温度筒体材料Re t 焊接接头系数腐蚀余量06Pa.66MPa0804R245，148, 1470.85(局部检测）mm五、压力容器公称直径B/T9019压力容器公称直径规定，压力容器公称直径以容器圆筒直径表达,分为两个系列：以内径为基准的压力容器公称直径以外径为基准的压力容器公称直径第二节 内压椭圆形封头设计【学习目的】学习GB50设计第章“封头”和GB/T19压力容器封头,理解多种封头构造及设计计算,掌握原则椭圆形封头的设计计算公式。一、内压椭圆形封头应力分析椭圆曲线方程: 在x=0即椭球壳顶点处，产生最大应力:当a/=2时，

7、,阐明半椭球壳顶点处的最大应力与圆筒的环向应力（最大应力）相等，即在相似内压作用下，a/b=2的椭圆形封头的厚度与相焊接的圆筒厚度是相等的。因此GB10把a/b=2的椭圆形封头定义为原则椭圆形封头。 在=a即椭球壳的边沿处，,当时，阐明时,环向应力为拉应力。当a/b=2时，在椭球壳的边沿处环向应力则为压应力。椭球壳a/b的比值反映了椭圆形封头内曲面深度,a/b比值越小，则椭圆形封头内曲面深度越大,越不利于冲压成型。当ab=时，半椭球壳即为半球壳，半球壳任意一点的应力都是相等的,是/b2的半椭球壳最大应力的一半，因此半球壳厚度可以减薄一半，可以有效的节省材料。二、内压(凹面受压)椭圆形封头的计算

8、椭圆形封头一般采用长短轴比值为2的原则型。椭圆形封头的计算厚度公式:椭圆形封头以内径为基准时： 椭圆形封头以外径为基准时: 公式中:K椭圆形封头形状系数 表31 椭圆封头形状系数KD/2hi2252.42.3222.12.0.9.8K161371291114.071.000.930.8Di i171.61541.31.11.0K080.76070.60610.70.530.50三、计算示例:00m3（DN300)C储罐原则椭圆形封头壁厚计算教学项目一:1m3（DN0）C5储罐（设计任务书见第二章）工作压力计算压力工作温度设计温度封头材料Re t焊接接头系数腐蚀余量0.6MPa.66MPa084

9、54,14, 47.85 （局部检测)2mm四、椭圆形封头标记示例1:公称直径00mm、封头名义厚度12m、封头最小成形厚度.4mm、材质为5R以内径为基准的椭圆形封头，标记如下:EHA00012（8.7)Q245R GB/T25198示例2：公称直径3mm、封头名义厚度1mm、封头最小成形厚度1mm、材质为Q345R以外径为基准的椭圆形封头,标记如下:B322(0.4）345RGB/T259五、原则椭圆形封头成形原则椭圆形封头根据类型、规格、材质，可采用冷冲压、热冲压、冷旋压、热旋压等措施成形。以内径为基准的椭圆形封头类型代号:EHA;以外径为基准的椭圆形封头类型代号:EB。当原则椭圆形封头

10、公称直径DNmm时,直边高度宜为25;当封头公称直径Dmm时，直边高度宜为0m。直边高度公差为(-510）%。G5.4第61条款规定：制造单位应根据制造工艺拟定加工余量，以保证受压元件成形后的实际厚度不不不小于设计图样标注的最小成形厚度。封头成形后，应检测封头的成品厚度，具体测厚部位与数量,依封头的形状与规格，可由供需双方订货技术合同拟定,但封头上易发生工艺减薄的部位(封头顶部和转角过渡部位等）以及直边部位为必测部位。封头成形厚度减薄率见表34。HA椭圆形封头总深度、内表面积、容积见表3-。EHA椭圆形封头质量见表3-。EB椭圆形封头总深度、内表面积、容积和质量见表3-7。六、其她类型封头封头

11、类型涉及：凸形封头、平盖、锥形封头(含偏心锥壳）、变径段、紧缩口等,其中凸形封头涉及:椭圆形封头、碟形封头、球冠形封头和半球形封头。表3- 半球形、椭圆形、碟形和球冠形封头的断面形状、类型及型式参数表（摘自GB/T9）表33 平底形、锥形封头的断面形状、类型及型式参数表（摘自GB/T298）第三节 开孔应力与开孔补强【学习目的】 分析压力容器开孔应力集中现象。学习B150.设计第6章“开孔与开孔补强”,掌握开孔补强的有关规定。学习JB/T476补强圈)原则,掌握补强圈构造。一、开孔附近的应力集中现象由于工艺规定和构造需要，设备壳体上要开孔焊接接管,如进出料口接管、检查孔等。容器开孔后,在介质压

12、力作用下,开孔处会产生较大的附加应力,成果使开孔附近区域的局部应力达到较高的数值，其峰值可以达到器壁薄膜应力的倍或更大,这种局部应力急剧增大的现象称为应力集中。开孔应力集中现象具有如下特点： 开孔附近的应力集中具有局部性，其作用范畴有限，远离开孔处应力峰值衰减不久; 开孔附近的应力集中具有峰值性，在开孔边沿应力峰值是薄膜应力的3倍甚至更高； 开孔孔径的相对尺寸d/越大，应力集中作用越大；被开孔壳体的/D越小,应力集中作用越大； 在凸形封头上开孔优于在圆筒上开孔； 增大壳体壁厚、增大接管壁厚可以缓和应力集中限度。二、开孔范畴及一般规定固定容规规定,压力容器应当根据需要设立人孔、手孔等检查孔,检查

13、孔的开设位置、数量和尺寸等应当满足进行内部检查的需要;对不能或者确无必要开设检查孔的压力容器,设计单位应当提出具体技术措施,例如增长制造时的检测项目或者比例，并且对设备使用中定期检查的重点检查项目、措施提出规定。压力容器规定,压力容器本体的开孔及其补强计算,涉及等面积法和分析法。、等面积法合用范畴等面积法合用于压力作用下壳体和平封头上的圆形、椭圆形或长圆形开孔。当在壳体上开椭圆形或长圆形孔时,孔的长径与短径之比应不不小于.0,本措施的合用范畴：a)当圆筒内径D1500m时，开孔最大直径dp/2Di，且d50mm；当圆筒内径Di1500mm时,开孔最大直径dop1/i，且dop1000mm；b）

14、凸形封头或球壳开孔的最大容许直径op/i;c）锥形封头开孔的最大直径dop13Di，Di为开孔中心处的锥壳内直径。注：开孔最大直径op对椭圆形或长圆形开孔指长轴尺寸。、分析法合用范畴（略)、不另行补强的最大开孔直径壳体开孔满足下述所有规定期,可不另行补强:)设计压力2.5MPa;）两相邻开孔中心的间距（对曲面间距以弧长计算)应不不不小于两孔直径之和；对于3个或以上相邻开孔,任意两孔中心的间距(对曲面间距以弧长计算）应不不不小于两孔直径之和的2.5倍;c)接管公称外径不不小于或等于9；）接管壁厚满足表3-8规定，表中接管壁厚的腐蚀裕量为mm,需要加大腐蚀裕量时，应相应增长壁厚;e)开孔不得位于A

15、、类焊接接头上；f）钢材的原则抗拉强度下限值Rm40MPa时，接管与壳体的连接宜采用全焊透的构造型式。 表3-8 (mm)接管外径25323485767689接管壁厚35405.06.04、开孔附件的焊接接头容器上的开孔宜避开容器焊接接头。当开孔通过或邻近容器焊接接头时，则应保证在开孔中心的2dp范畴内的接头不存在有任何超标缺陷。三、单个开孔补强的等面积法1、单个开孔的合用范畴在等面积法合用范畴内,满足下列条件的多种开孔均按单个开孔分别设计：a）壳体上两个开孔中心间距（对曲面间距以弧长计算)不不不小于该两孔直径之和;b)平封头(平板）上有多种开孔，任意两开孔直径之和不超过封头直径的.5倍,任意

16、两相邻开孔中心的间距不不不小于两孔直径之和。2、补强构造型式与补强件材料 补强圈补强补强圈与接管、壳体的焊接构造参见GB10.3附录D和J/4736。采用该构造补强时（注：补强圈补强构造见第五节图D.）,应符合下列规定：a)低合金钢的原则抗拉强度下限值m50Ma;b）补强圈厚度不不小于或等于.5n；）壳体名义厚度38mm。若条件许可，推荐以厚壁接管替代补强圈进行补强,其/n宜控制在02。 整体补强增长壳体的厚度,或用全截面焊透的构造型式将厚壁接管或整体补强锻件与壳体相焊。构造可参见GB10.3附录D。 补强件材料补强材料宜与壳体材料相似。若补强材料许用应力不不小于壳体材料许用应力,则补强面积应

17、按壳体材料与补强材料许用应力之比而增长。若补强材料许用应力不小于壳体材料许用应力，则所需补强面积不得减少。对于接管材料与壳体材料不同步，引入强度削弱系数，表达设计温度下接管材料与壳体材料许用应力的比值,当fr.0时,取=1.。3、壳体开孔补强开孔补强的计算截面选用所需的最小补强面积应在下列规定的截面上求取：对于圆筒或锥壳开孔，该截面通过开孔中心点与筒体轴线；对于凸形封头或球壳开孔，该截面通过封头开孔中心点,沿开孔最大尺寸方向,且垂直于壳体表面。对于圆形开孔dp取接管内直径加2倍厚度附加量,对于椭圆形dp取所考虑截面上的尺寸(弦长)加2倍厚度附加量。 内压容器壳体开孔所需补强面积按式3-计算:

18、外压容器壳体开孔所需补强面积按式（23)计算: 式中：对安放式接管取fr =10； 按外压计算拟定的开孔处壳体的计算厚度，m。 容器存在内压与外压两种设计工况时,开孔所需补强面积应同步满足和的规定。4、平盖开孔补强 平盖开单个孔，且开孔直径do0.5D0（0取平盖计算直径，对非圆形平盖取短轴长度)时，所需最小补强面积按式(24)计算: 平盖开单个孔,且开孔直径dop0. DO时,其设计计算按GB103中5的规定。5、有效补强范畴及补强面积计算开孔补强时,有效补强范畴及补强面积按图3-中矩形XY范畴拟定。图3-6（a)图36（b）有效补强范畴a)有效宽度B按式(3-25)计算，取两者中较大值:

19、b)有效高度按式(3-26)和式(3-2）计算，分别取式中较小值。外伸接管有效补强高度： 内伸接管有效补强高度： 补强面积在有效补强范畴内,可作为补强的截面积按式(3-28)计算: 式中：补强面积,mm2;壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积,按式(3-）计算，mm; （3-2)注：对安放式接管取fr =1。接管有效厚度减去计算厚度之外的多余面积，按式(3-0）计算，2； (3-30)焊缝金属截面积（见图3-6),mm2。若,则开孔不需另加补强;若，则开孔需另加补强,其另加补强面积按式(-1）计算： (331)有效补强范畴内另加的补强面积(见图-6），m2。四、补强圈JBT476-补强圈）原

20、则规定了补强圈的构造型式和尺寸系列。1、补强圈坡口型式按照补强圈焊接构造的规定,补强圈坡口分为A、D、E五种型式，见图3-7。2、多种坡口型式的合用条件A型合用于壳体为内坡口的填角焊构造;B型合用于壳体为内坡口的局部焊透构造；C型合用于壳体为外坡口的全焊透构造;D型合用于壳体为内坡口的全焊透构造;E型合用于壳体为内坡口的全焊透构造。图3-73、技术规定 补强圈厚度按GB150有关规定计算,并按表3-9选用。 补强圈与壳体、接管相连的焊接接头应根据设计条件及构造规定,参照J/4736附录A的表A.1选用或自行设计。用于低温压力容器的焊接接头必须采用全焊透构造。补强圈材料一般与壳体材料相似,并应符

21、合相应材料原则的规定。补强圈可采用整板制造或径向分块拼接。径向分块拼接的补强圈,只容许用于整体补强圈无法安装的场合。拼接焊妥后焊缝表面应修磨光滑并与补强圈母材齐平,并按T4730-进行超声检测,级为合格。 被补强圈覆盖的壳体对接焊接接头和壳体、接管相连的焊接接头,应在补强圈安装前打磨至与母材齐平，补强圈的形状亦应与被补强部分壳体相符，以保证补强圈与壳体紧密贴合。 安装补强圈时,应注意使螺孔放置在壳体最低位置,螺孔的加工精度按GB/T19-981中的7H级；补强圈其他部分的制造公差按GBT184-中的m级。 补强圈与壳体、接管的焊接，应采用经/T47014(注:替代JBT478-）评估合格的焊接

22、工艺进行施焊。施焊前应清除坡口内的铁锈、焊渣、油污、水汽等赃物。补强圈焊妥后，应对补强圈的焊缝进行检查,不得有裂纹、气孔、夹渣等缺陷;必要时应按JB/T4730做磁粉或渗入检查,级合格。焊缝的成形应圆滑过渡或打磨至圆滑过渡。 由M10螺孔通入04MPa0.5MPa的压缩空气，检查补强圈连接焊缝的质量，角焊缝不得有渗漏现象。五、接管、壳体、补强圈连接构造接管与壳体连接的构造型式一般有四种状况：平齐式接管、内伸式接管、安放式接管、嵌入式接管（整体补强）。嵌入式接管常用于疲劳载荷的压力容器,一般合用于球形封头或椭圆形封头中心部位的接管与封头的连接，且封头厚度5m;低温容器应尽量采用内伸式接管构造;在

23、大的温度梯度下操作时，接管采用安放式或对接构造(嵌入式);对于Rm4MPa钢,为了有效地抗焊缝开裂，焊缝构造应尽量采用安放式构造或翻边构造；承受疲劳载荷的容器应采用内伸式接管,伸入容器壳壁内的接管端面内侧应打磨成圆角;除上述状况外,大多采用平齐式接管。特别注意：G150.4规定，被补强圈覆盖的焊接接头应所有检测。第四节 开孔补强计算示例【学习目的】 通过学习开孔补强计算示例,掌握单个开孔补强的等面积补强法计算过程，掌握补强圈的选用。计算示例：100m3（DN00）5储罐开孔补强计算教学项目一:10m3(D0)C储罐(设计任务书见第二章)计算压力设计温度管口符号管口用途接管公称尺寸接管材料焊接接头系数腐蚀余量066Pa8A1A2人孔D50(卷制）24R1. (100%探伤)2mm第五节 综合练习综合练习、应用强度计算软件（SW），计算教学设计项目一筒体、封头的厚度,并进行开孔补强计算。综合练习2、为教学设计项目一设计A、B类对接接头焊接构造;设计接管、补强圈与筒体焊接构造。综合练习3、为教学设计项目二设计B类对接接头焊接构造