第七章压力容器设计

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1、第七章 内压薄壁容器设计内压薄壁容器设计o 本章重点介绍设计压力不大于35Mpa的内压容器的筒体和封头的设计计算，容器的设计计算通常是根据工艺条件和要求，选择使用材料、确定设计参数，并计算容器筒体和封头等受压元件的强度尺寸。o 压力容器设计以GB150钢制压力容器为依据的，该标准以弹性失效为设计准则，这种设计主要是控制壳体主体的基本（薄膜）应力不超过材料的许用应力值，对于结构不连续引起的边缘应力主要以结构的局部处理为主，必要时则以应力增强系数的形式引入设计计算式予以考虑。本章重点o 本章重点是筒体和封头的强度计算以确定其壁厚，涉及强度计算的内容包括两方面：o 设计压力容器 根据工艺条件，确定设

2、计参数（p,t,D），选定材料和结构形式，通过强度计算确定筒体和封头的壁厚；o 校核在用容器 判断在剩余寿命期间内是否安全 容器针对某一使用条件需判废，应为判废提供依据7.1设计参数的确定设计参数的确定o 根据GB150的有关规定正确选定设计参数。o 两个基本参数： 公称直径DN：指标准化以后的标准直径，以DN表示，单位mm，例如内径1200mm的容器的公称直径标记为DN1200。 公称压力PN：容器及管道的操作压力经标准化以后的标准压力称为公称压力，以PN表示，单位MPa。7.1.1容器直径容器直径o 容器筒体和封头的直径都有规定，不能任意取值，应圆整为公称直径。o 压力容器的公称直径：是指

3、容器的内径，见P181表14-1o 钢板卷焊公称直径是内径。o 无缝钢管制作筒体时，以外径作为公称直径，见表14-27.1.2工作压力与设计压力工作压力与设计压力o 设计压力是设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件。o 工作压力是由工艺过程决定的，会变动，通常指最大工作压力，既指容器顶部在工作过程中可能产生的最高压力（表压）o 设计压力:相应设计温度下确定壳壁厚度的压力，亦即标注在铭牌上的容器设计压力。其值稍高于最大工作压力。设计压力的确定o 使用安全阀时设计压力不小于安全阀开启压力或取最大工作压力1.051.10倍；o 使用爆破膜根据其型式，一般取最大工作压力的1.1

4、51.75倍作为设计压力，不低于爆破片的爆破压力o 固定式液化气体储罐的设计压力应根据充装介质在容器内可能达到的最高金属温度下相应的饱和蒸汽压确定，具体参照TSGR0004o 移动式压力容器设计压力参照TSGR0005计算压力 o 计算压力 ：指在相应设计温度下，用于确定受压元件厚度的压力，其中应包括液柱静压力。容器内盛有液体，若其静压力不超过最大工作压力的5，则设计压力可不计入静压力，否则，须在设计压力中计入液体静压力。多数情况 。o 夹套容器的内筒，当夹套中用蒸气加热时，内筒的计算压力应按生产中可能出现的最大压差来确定。cpcpp7.1.3设计温度设计温度o 选择材料和许用应力的确定直接有

5、关。o 设计温度指容器正常工作中，在相应的设计条件下，金属器壁可能达到的最高或最低温度。o 器壁温度通过换热计算。o 不被加热或冷却，筒内介质最高或最低温度。o 用蒸汽、热水或其它载热体加热或冷却，载体最高温度或最低温度。o 不同部位出现不同温度可分别计算7.1.4许用应力许用应力o 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。o 设计温度下许用压力值的大小直接决定着容器强度，是重要设计参数之一。 0n7.1.5焊接接头系数焊接接头系数 多数容器采用焊接结构、焊接时可能出现焊接缺陷（如未焊透、气孔和夹渣等），对容器强度产生影响。在设计中用焊接接头系数 表示焊缝热影响区金属与

6、用材强度的比值，反映容器强度削弱的程度， 的大小应根据受压元件的焊接接头形式、坡口形式、焊缝形式和无损检测的长度比例有关 焊缝系数7.2内压容器筒体和封头厚度计算内压容器筒体和封头厚度计算 o 7.2.1内压圆筒的五种厚度及其确定方法内压圆筒的五种厚度及其确定方法o 理论计算厚度理论计算厚度o 设计厚度设计厚度o 名义厚度名义厚度o 有效厚度有效厚度o 最小壁厚最小壁厚理沦计算厚度理沦计算厚度o 圆筒受力：o 按第一强度理沦： （GB150）o 按第三强度理沦： （ ASME） 2tip D1r3r4mpD2pD0r 22tiitp DpDp 22tipDpt5Mpa问题a：筒体上开椭圆孔，如

7、何开？ 答案o 应使其短轴与筒体的轴线平行，以尽量减少开孔对纵截面的削弱程度，使环向应力不致增加很多。问题：o 钢板卷制圆筒形容器，纵焊缝与环焊缝哪个易裂？答案： 筒体纵向焊缝受力大于环向焊缝，故纵焊缝易裂，施焊时应予以注意设计厚度设计厚度 o 设计厚度设计厚度 ：计算厚度 与腐蚀裕量 之和o ：年腐蚀率mm/y；o n：预期容器寿命d2dC2Cn mmd2C名义厚度名义厚度 o 定义：指设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度o 、 参照P189的规定112ndCCC n1C2C有效厚度有效厚度o 定义：名义厚度减去腐蚀裕量和钢板负偏差 ee12CC最小壁厚最小壁厚 o 常压

8、、低压计算的壁厚可能很小，GB150规定了最小壁厚（不包括腐蚀裕量）o 对碳素钢、低合金钢容器不小于3mm；o 对高合金钢制容器不小于2mmo 时，取 ；o 时， ；o 时， 必须计入 中去， minminmin为min1Cmin20nC 可以为min1C1Cnmin12nCC厚度系数 越大，容器在强度的安全储量越大。e7.2.2内压凸形封头厚度计算内压凸形封头厚度计算o 内压凸形封头包括四种形式：o 半球形o 标准椭圆形o 碟形o 无折边球形半球形封头半球形封头DNt半球形封头由半个球壳构成半球形封头半球形封头o 半球形封头由半个球壳构成o 球壳中任意点处的薄膜应力均相同， ，根据薄膜应力强

9、度条件 o 的计算和筒体的计算相同,dne 34trpD 4citp Dp 4citp D 4tpm标准椭圆形封头o 封头由半个椭球和一段高度为 的圆柱形筒节（称为直边）构成，封头曲面深度 b，封头的直边高度 与封头的厚度有关o a/b=2，标准椭球封头，最大薄膜应力位于椭球的顶点，其值与圆筒体的 完全相同4iDh 0h0hDNh1th2标准椭圆形封头o 承受内压的椭圆形封头在赤道处将产生压缩应力，为防止封头在这一压应力下产生折皱，规定标准椭圆形封头的计算厚度不得小于封头内直径的0.15%，非标准椭圆形封头的计算厚度不小于封头内直径的0.30%。 22tipDpaab 2citp DpGB15

10、0规定：o 为什么？o 椭圆形封头和圆筒连接处附近存在较大的边缘应力，其最大值的所在位置在以封头中心为中心的0.8 范围以外，以及和圆筒（即直边段）连接处之间的区域，其值与封头的结构尺寸值a/b有关，可用形状系数K表示，即最大应力值为直径和椭圆形封头直径相同的半球形封头薄膜应力的2K倍o 标准封头：K=1 2420.5cicittp DKp DKpp 20.5citp Dp 20.5citp DpiD21262iiDKh碟形封头（带直边球形封头）碟形封头（带直边球形封头）o 碟形封头由三部分组成，即以R为半径的球面部分,以高度为 h2 的圆筒形部分及以r为半径的过渡区,在这三部分的连接处经线曲