化工设备机械基础第四章PPT.ppt
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第第4章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StrengthDesignofCylindersandHeadssubjectedtoInternal-Pressure第一节第一节强度设计的基本知识强度设计的基本知识第二节第二节内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计第三节第三节内压圆筒封头的设计内压圆筒封头的设计2012-20132012-2013（11）化工设备机械基础）化工设备机械基础2022/11/91本章本章重点重点：
内压薄壁圆筒与封头的设计：
内压薄壁圆筒与封头的设计本章本章难点难点：
厚度的概念：
厚度的概念设计参数的确定设计参数的确定计划学时：
计划学时：
10学时学时2012-20132012-2013（11）化工设备机械基础）化工设备机械基础2022/11/92内压容器涉及的问题很多，本章只讨论容器的壳内压容器涉及的问题很多，本章只讨论容器的壳体与封头。
重点是它们的强度计算，包括两个方面。
体与封头。
重点是它们的强度计算，包括两个方面。
（1）设计压力容器）设计压力容器
（2）校核在用容器）校核在用容器容器能否在原设计条件下安全使用？
容器能否在原设计条件下安全使用？
针对某一使用条件提供容器判废的依据。
针对某一使用条件提供容器判废的依据。
2012-20132012-2013（11）化工设备机械基础）化工设备机械基础2022/11/934.1.1关于弹性失效的设计准则关于弹性失效的设计准则Criterionsofelasticityfailure容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点，该容器即告破坏。
服点，该容器即告破坏。
强度安全条件强度安全条件：
4.1强度设计的基本知识强度设计的基本知识BasicKnowledgeofStrengthDesign2012-20132012-2013（11）化工设备机械基础）化工设备机械基础2022/11/944.1.2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、圆筒壁内应力为经向应力、环向应力、法向应力（被认为是环向应力、法向应力（被认为是0）。
）。
则三项主应力为：
则三项主应力为：
2012-20132012-2013（11）化工设备机械基础）化工设备机械基础2022/11/95第一强度理论第一强度理论最大主应力理论（适用于脆性材料）最大主应力理论（适用于脆性材料）第二强度理论第二强度理论最大变形理论最大变形理论（与实际相差较大与实际相差较大,未用未用）第三强度理论第三强度理论最大剪应力理论（适用于塑性材料）最大剪应力理论（适用于塑性材料）第四强度理论第四强度理论能量理论（适用于塑性材料）能量理论（适用于塑性材料）2012-20132012-2013（11）化工设备机械基础）化工设备机械基础2022/11/96第三强度理论的第三强度理论的强度条件强度条件为：
为：
因此，因此，圆筒圆筒强度条件强度条件为：
为：
压力容器都采用塑性材料制造，应采用第三压力容器都采用塑性材料制造，应采用第三或第四强度理论，我国采用或第四强度理论，我国采用第三第三强度理论。
强度理论。
2012-20132012-2013（11）化工设备机械基础）化工设备机械基础2022/11/974.2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StrengthDesignofThin-walledCylinderandsphericalvesselsSubjecttoInternalPressure4.2.1强度计算公式强度计算公式Strengthcalculatingequation依据第三强度理论，强度公式为：
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，将中径换算为圆筒内径，D=Di+;2.压力换为计算压力压力换为计算压力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，粗大等造成的强度削弱，引进引进焊接接头系数焊接接头系数
（1）；4.材料的许用应力与设计温度有关。
材料的许用应力与设计温度有关。
2012-20132012-2013（11）化工设备机械基础）化工设备机械基础2022/11/98内压薄壁圆筒内压薄壁圆筒强度计算公式强度计算公式：
再考虑腐蚀裕量再考虑腐蚀裕量C2,于是得到圆筒的于是得到圆筒的设计壁厚设计壁厚为：
为：
计算壁厚计算壁厚公式：
公式：
2012-20132012-2013（11）化工设备机械基础）化工设备机械基础2022/11/99在公式（在公式（4-2）基础上，）基础上，考虑到钢板的负偏差考虑到钢板的负偏差C1（钢板在轧制时产生了偏差）钢板在轧制时产生了偏差）名义壁厚名义壁厚公式：
公式：
再根据钢板标准规格再根据钢板标准规格向上圆整向上圆整。
最终最终名义厚度名义厚度。
这是写在这是写在图纸上的钢板厚度！
图纸上的钢板厚度！
2012-20132012-2013（11）化工设备机械基础）化工设备机械基础2022/11/910式中式中e有效壁厚有效壁厚，e=圆整后的壁厚（圆整后的壁厚（n）C1C21）在工作压力及温度下，现有容器强度够否？
）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？
）现有容器的最大允许工作压力如何？
已有圆筒设备的已有圆筒设备的强度校核公式强度校核公式：
2012-20132012-2013（11）化工设备机械基础）化工设备机械基础2022/11/911球形容器球形容器强度计算公式强度计算公式：
由薄膜理论：
由薄膜理论：
由第三强度理论，强度条件：
由第三强度理论，强度条件：
则导出则导出壁厚计算公式壁厚计算公式：
2012-20132012-2013（11）化工设备机械基础）化工设备机械基础2022/11/912已有球形容器的已有球形容器的强度校核强度校核：
2012-20132012-2013（11）化工设备机械基础）化工设备机械基础2022/11/913Scopeofapplicationofpreviousequation:
cylinder:
P0.4t（Do/Di1.5）spherical:
P0.6t（Do/Di1.35）2012-20132012-2013（11）化工设备机械基础）化工设备机械基础应该注意应该注意：
2022/11/9144.2.2设计参数的确定设计参数的确定Determinationofdesignparameters1.压力压力Pressure2012-20132012-2013（11）化工设备机械基础）化工设备机械基础2022/11/915-正常工作情况下，容器顶部正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。
可能达到的最高压力。
由工艺计算确定：
由工艺计算确定：
化学反应所要求的；化学反应所要求的；传递过程所必需的；传递过程所必需的；由液化气体的饱和蒸汽压所由液化气体的饱和蒸汽压所决定的。
决定的。
（1）工作压力工作压力pw2012-20132012-2013（11）化工设备机械基础）化工设备机械基础2022/11/916设定的设定的容器顶部的最高压力。
容器顶部的最高压力。
容器的容器的设计压力应该设计压力应该高于其最大工作压力高于其最大工作压力。
容器上装容器上装有安全阀有安全阀设计压力设计压力p等于或稍大于安全阀的整定（开启）等于或稍大于安全阀的整定（开启）压力压力pz，即，即ppz。
一般取一般取pz=（1.051.1）pw；当；当pz0.18MPa时，可适当提高时，可适当提高pz相对于相对于pw的比值。
的比值。
取值方法：
取值方法：
2012-20132012-2013（11）化工设备机械基础）化工设备机械基础
（2）设计压力设计压力p：
2022/11/917若图中注明最高允许工作压力，则允许安全阀的整定若图中注明最高允许工作压力，则允许安全阀的整定压力压力不高于该容器的最高允许工作压力（即可不高于该容器的最高允许工作压力（即可能高于设计压力）。
能高于设计压力）。
容器的最大允许工作压力是根容器的最大允许工作压力是根据容器的有效壁厚计算得到的实际可承受的压力据容器的有效壁厚计算得到的实际可承受的压力。
2012-20132012-2013（11）化工设备机械基础）化工设备机械基础最大工作压力最大工作压力pw/MPa安全阀开启压力安全阀开启压力pz/MPa最大工作压力最大工作压力pw/MPa安全阀开启压力安全阀开启压力pz/MPa2时时:
atboundaryandmatthetoppoint,ThenintroducingthestressstrengtheningcoefficientKtoreplace（Di/4hi）,get:
名义厚度名义厚度=计算壁厚计算壁厚+壁厚附加量壁厚附加量+圆整量圆整量标准椭圆封头标准椭圆封头（a/b=2）K=1。
2012-20132012-2013（11）化工设备机械基础）化工设备机械基础+2022/11/975椭圆形封头的最大允许工作压力计算公式：
椭圆形封头的最大允许工作压力计算公式：
椭圆形封头的工作应力计算公式：
椭圆形封头的工作应力计算公式：
2012-20132012-2013（11）化工设备机械基础）化工设备机械基础2022/11/9761.加工减薄量由制作单位确定；加工减薄量由制作单位确定；2.各参数的单位各参数的单位公式中公式中只用只用MPa和和mm；3.对于同一容器上的圆筒与椭圆形封头，如果壁对于同一容器上的圆筒与椭圆形封头，如果壁厚相同，椭圆形封头的强度高于圆筒。
所以，水厚相同，椭圆形封头的强度高于圆筒。
所以，水压试验强度校核时，校核筒体强度就可以了；压试验强度校核时，校核筒体强度就可以了；4.直边高度按标准（直边高度按标准（P105表表4-15）选取；）选取；5.国标规定：
国标规定：
K1的椭圆形封头的椭圆形封头e0.15%Di；K1的椭圆形封头的椭圆形封头e0.30%Di。
注注意意2012-20132012-2013（11）化工设备机械基础）化工设备机械基础2022/11/9774.3.3碟形封头碟形封头Dishedhead（sphericalheadwithhem）碟形壳的应力分布：
碟形壳的应力分布：
2012-20132012-2013（11）化工设备机械基础）化工设备机械基础2022/11/9781.碟形封头的结构碟形封头的结构：
相同受力，碟形封头壁厚相同受力，碟形封头壁厚比椭圆形封头壁厚要大些，而比椭圆形封头壁厚要大些，而且碟形封头存在应力不连续。
且碟形封头存在应力不连续。
没有椭圆形封头应用广泛。
没有椭圆形封头应用广泛。
又称带折边球形封头，球又称带折边球形封头，球面半径面半径RRii、过渡圆弧半径、过渡圆弧半径rr和和高度为高度为hh的直边。
的直边。
2012-20132012-2013（11）化工设备机械基础）化工设备机械基础2022/11/9792.壁厚计算公式：
壁厚计算公式：
式中式中M-形状系数。
形状系数。
（Ri/r值不同；值不同；球面与摺边连接处的曲率突变。
）球面与摺边连接处的曲率突变。
）标准碟形封头标准碟形封头:
Ri=0.9Di,r=0.17Di壁厚计算公式为：
壁厚计算公式为：
2012-20132012-2013（11）化工设备机械基础）化工设备机械基础2022/11/980Workingstressandthemaximumallowableworkingpressure2012-20132012-2013（11）化工设备机械基础）化工设备机械基础2022/11/9814.3.4球冠形封头（无折边球形封头）球冠形封头（无折边球形封头）Sphericalhead
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