内压薄壁圆筒与封头的强度设计.ppt
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1、1,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,旧压力容器厚度进行强度校核的意义 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安全使用的条件 当容器已被判定不能在原设计条件下使用时,应通过强度计算,提出容器监控使用 当容器针对某一使用条件需要判废时,应提出判废依据,3,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
2、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,4,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。,第一节强度设计的基本知识,一、关于弹性失效的设计准则,1、弹性失效理论,5,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, 安全系数, 许用应力,MPa,2、强度安全条件,6,径向应力,二、
3、强度理论及其相应的强度条件,1、薄壁压力容器的应力状态,图4-1 应力状态,7,由薄膜理论,圆筒壁内应力为经向应力、环向应力、法向应力(被认为是0)。,则三项主应力为:,8,第一强度理论(最大拉应力理论),使材料发生断裂破坏的主要因素是最大主拉应力1,只要1达到单向拉伸时材料的强度极限b材料将要断裂破坏。,破坏条件,强度条件,该理论与均质的脆性材料的实验结果吻合较好,9,第二强度理论(最大伸长线应变理论),当材料的最大伸长线应变1达到材料单向 受拉破坏时的线应变b=b/E时,材料将要发生断裂破坏。,破坏条件,强度条件,该理论只与少数脆性材料的实验结果吻合,10,第三强度理论(最大剪切应力理论)
4、,最大切应力是使材料发生屈服破坏的根本原因。只要最大剪切应力max达到材料单向受力时的屈服极限s所对应的极限剪切应力s=s/2,材料将发生屈服(剪断)破坏。,破坏条件,强度条件,11,第四强度理论(能量理论),形状改变比能是引起材料屈服破坏的基本原因 。只要复杂应力状态下材料形状改变比能达到 单向受力情况屈服破坏时相应的极限形状改变 比能,材料就会发生屈服破坏。,破坏条件,强度条件,第三强度理论偏于安全,第四强度理论偏于经济,12,在大多数应力状态下,脆性材料将发生脆性断裂.因而应选用第一强度理论;而在大多数应力状态下,塑性材料将发生屈服和剪断.故应选用第三强度理论或第四强度理论.但材料的破坏
5、形式不仅取决于材料的力学行为,而且与所处的应力状态,温度和加载速度有关.实验表明,塑性材料在一定的条件下(低温和三向拉伸),会表现为脆性断裂.脆性材料在三向受压表现为塑性屈服。,13,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,总结:,14,第四强度理论 (能量理论),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 采用第三强度理论.,15,第三强度理论的强度条件为:,因此圆筒强度条件为:,16,4.2 内压
6、薄壁圆筒壳与球壳的强度设计 4.2.1 强度计算公式 依据第三强度理论,强度公式为:,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f(1); 4.材料的许用应力与设计温度有关。,17,考虑实际情况,引入pc等参数,考虑介质 腐蚀性,考虑钢板厚度 负偏差并圆整,第二节内压薄壁圆筒壳体与球壳的强度设计,一、强度设计公式,1、内压薄壁圆筒,这是写在图纸上的钢板厚度!,18,强度校核公式,最大允许工作压力计算公式,1、当筒体采用无缝钢管时,应将式中的Di换为D0 2、以上公式的适用
7、范围为 3、用第四强度理论计算结果相差不大,19,式中e有效壁厚, e=圆整后的壁厚(n)C1C2 。,强度校核公式: 1)在工作压力及温度下,现有容器强度够否?,2)现有容器的最大允许工作压力如何?,20,公式的适用范围为,2、内压球形壳体,21,工作压力,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,指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,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,二、设计参数的确定,1、压力,表压,22,工作压力pw -正常工作情况下
8、,容器顶部可能达到的最高压力。 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。,23,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:,(1)容器上装有安全阀,取不低于安全阀开启压力 : p (1.051.1)pw 系数取决于弹簧起跳压力 。,24,(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。P93 表4-3,表4-4。,防爆膜装置示意图,看看爆破片的工作情况,25,(3)无安全泄放装置取 p=(1.01.1)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
9、。(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。 例如:液氨储罐。金属壁温最高工作为50,氨的饱和蒸汽压为2.07MPa。 1.容器的设计压力? 2.若容器安放有安全阀,设计压力?,26,(5)外压容器取 p正常操作下可能产生的最大压差。 注意:“正常操作”含空料,真空检漏,稳定生产,中间停车等情况。 (6)真空容器 不设安全阀时,取0.1MPa ; 设有安全阀时 取Min(1.25p ,0.1MPa) 。,27,釜壁可能承受压力情况: 釜内空料,夹套内充蒸汽-外压0.2MPa; 釜内真空,夹套内充蒸汽
10、-外压0.3MPa; 釜内0.3MPa,夹套内0.2MPa-内压0.1MPa; 釜内0.3MPa,夹套内空料-内压0.3MPa; 釜壁承受的最大压差:内压0.3MPa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 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0.3MPa。该釜壁承受压力如何?,28,表4-1 设计压力与计算压力的取值范围,29,计算压力pc-在相应设计温度下,用以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=设计压力+液柱静压力(5%P时计入) 可见,
11、计算压力设计压力工作压力=容器顶部表压,例:一立式容器,工作压力0.5MPa,液体深10m, 密度为10,000N/m3。,pw=0.5MPa, p=0.5MPa pc=0.5+(1010,000)/1,000,000=0.6MPa,30,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,31,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P94表4-5。 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、热水或其它液体加热或冷却的器壁,取热
12、介质的温度;等等。,32,(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,33,常温容器,中温容器,高温容器,34,(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,35,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,36,容器上
13、存在有: 纵焊缝-A类焊缝 环焊缝-B类焊缝 需要进行无损检验。 检验方法主要是: X射线检查和超声波检查。,为什麽要进行无损检验?,37,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。,焊接后常出现:,38,焊接缺陷,39,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)。, f,40,焊接接头系数(f):,41,你能回答下列问题吗?,1.可否采用搭接焊结构制作压力容器壳体?为什麽? 2.焊缝处为什麽要进行无损探伤检查? 3.焊缝系数()为什麽小于等于1? 4.取焊缝系数的依据是什麽?
14、5.壁厚计算公式中的t是钢板的许用应力,还是焊缝材料的许用应力? 6.带垫板的焊缝结构中,垫板的作用是什麽?是否起加强作用?,42,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,43,A、容器壁厚附加量 (1)钢板或钢管厚度负偏差 C1: 例如,,44,在设计容器壁厚时要 -预先考虑负偏
15、差。 钢板负偏差参见p97表4-9选取; 钢管厚度负偏差参见P97表4-10。,45,B、腐蚀裕量C2,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! 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-容器的设计寿命,通常为1015年。 一般情况, Ka=0.050.13mm/a的轻微腐蚀时, 对单面腐蚀取C2=12mm; 对双面腐蚀取C2=24mm。 对于不锈钢,一般取0。,46,1. 确定腐蚀裕度的依据? 2.腐蚀裕度的有效期? 3.列管换热器的管子、壳体腐蚀裕度如何定?,容器各元件受到的腐蚀程
16、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。,还要记住!,47,6.直径系列与钢板厚度,要按照钢板厚度尺寸系列标准GB709-88的规定选取。P99表4-13。,钢板厚度是否可以随意取?,压力容器的直径系列已经施行标准化(GB9019-88),筒体与封头的公称直径配套。见P60表2-5。,筒体直径是否可以随意定?,48,1. 压力容器的公称直径 钢板卷焊筒体和成型封头的公称直径是内径。,49,标准化问题,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。,50,1
17、、厚度的定义,三、容器的厚度和最小厚度,图4-2 壁厚的概念,51,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,2、最小厚度,c,碳素钢、低合金钢制塔式容器,min,d,max,4mm,;,不锈钢制塔式容器,max,3mm.,52,1.标注在图纸上的容器壁厚是如何确定的? 2.壁厚加工减薄量由谁定? 3.加工后容器的实际壁厚不能小于多厚才可以在使用寿命期内保证安全? 4.规定容器最小壁厚的目的是什麽?,思考如下问题
18、:,53,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,54,为什麽要进行压力试验呢? 制造加工过程不完善,导致不安全,发生过大变形或渗漏。 最常用的压力试验方法是液压试验。 使用常温水。也可用不会发生危险的其它液体。液压试验时水温不能过低(碳素钢、16MnR不低于5,其它低合金钢不低于15), 试验时液体的温度应低于其闪点或沸点。,55,压力试验的时机:1)容器制成后; 2)检修后。 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
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- 薄壁 圆筒 强度 设计
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