压力容器的强度计算Word下载.docx

1、设计压力指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，其值不低于工作压力。1对最大工作压力小于 0.1Mpa的内压容器，设计压力取为 0.1Mpa ；2当容器上装有超压泄放装置时，应按 超压泄放装置”的计算方法规定。3对于盛装液化气体的装置，在规定的充满系数范围内，设计压力由工作条件下，可能达到的最高金属温度确定。 （详细内容，参考 GB150-1998，附录B （标准的附录），超压泄放装置。）计算压力Pc是GB150-1998新增加的内容，是指在相应设计温度下， 用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力，当静压力值小于 5%的设计压力时，可略去静压力。1注意与GB150

2、-1989对设计压力规定的区别；钢制压力容器规定设计压力是指在相应设计温度下，用以确定容器壳壁计算 厚度的压力，亦是标注在铭牌上的设计压力，取略高或等于最高工作压力。当容器受 静压力值大于5%设计压力时，应取设计压力与液柱静压力之和进行元件的厚度计算。 使许多设计人员误将设计压力和液柱静压力之和作为容器的设计压力。2一台设备的设计压力只有一个，但受压元件的计算压力在不同部位可能有所变化。3计算压力在压力容器总图的技术特性中不出现，只在计算书中出现。4、 设计温度（Design temperature设计温度是指容器在正常工作情况下， 在相应的设计压力下，设定的受压元件的金属温度。主要用于确定受

3、压元件的材料选用、 强度计算中材料的力学性能和许用应力， 以及热应力计算时设计到的材料物理性能参数。设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度；当设计温度在 0C以下时，不得高于元件金属可能达到的最低温度；当容器在各部分工作状态下有不同温度时，可分别设定每一部分的设计温度；5、 许用应力（Maximum allowable stress values）许用应力是以材料的极限应力除以适当的安全系数，在设计温度下的许用应力的大小， 直接决定容器的强度， GB150-1998对钢板、锻件、紧固件均规定了材料的许用应力。表3钢制压力容器中使用的钢材安全系数帝训戒讲计盘雇 下的划帶点设计盧FS

4、4沖万小时祈闿的iitftiUfS 下坨 WH小时U4 + *1的蒔空權展tr：乱|）lfi 16、焊接接头系数（Joint efficiency的影响（1） 焊接接头的影响焊接接头是容器上比较薄弱的环节，较多事故的发生是由于焊接接头金属部分焊接影响 区的破裂。一般情况下，焊接接头金属的强度和基本金属强度相等， 甚至超过基本金属强度。但由于焊接接头热影响区有热应力存在， 焊接接头金属晶粒粗大， 以及焊接接头中心出现气孔和未焊透缺陷，仍会影响焊接接头强度，因而必须采用焊接接头强度系数， 以补偿焊接时可能产生的强度消弱。焊接接头系数的大小取决于焊接接头型式、 焊接工艺以及焊接接头探伤检验的严格程度

5、等。（2） 焊接接头系数的选取：由接头形式和无损探伤的长度确定双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头：100 %无损探伤， = 1.00; 局部无损探伤， - = 0.85;单面焊的对接接头，沿焊接接头根部全长具有紧贴基本金属的垫板：100 %无损探伤， =1.00;局部无损探伤， =0.8;无法进行探伤的单面焊环向对接焊缝，无垫板： - = 0.6;第二节 内压容器筒体与封头厚度的设计1、内压圆筒（cylindrical shel）的厚度设计（1）理论计算厚度 （required thick ness）GB150-1998定义：按各章公式计算得到的厚度， 为能安全承受计算压力 Pc （

6、必要时尚需计入其他载荷）。内压圆筒壁内的基本应力是薄膜应力，由第三强度理论可知薄膜应力的强度条件为：r3PDT7（1）式中：刁七-制造筒体钢板在设计温度下的许用应力;考虑到焊接接头的影响，公式（1）中的许用应力应使用强度可能较低的焊接接头金属 的许用应力，即把钢板的许用应力乘以焊缝系数。式中D为中径，当壁厚没有确定时，则中径也是待定值，利用 D=Di+.：:则有:（2）二2叮-Pc公式（2 ）一般被简化为：、二PD （3）2坊9（2）设计壁厚 ,（design thickness）计算壁厚与腐蚀余量C2之和称为设计壁厚。可以将其理解为同时满足强度、刚度和使用寿命的最小厚度。C2为腐蚀裕度 根据

7、介质对选用材料腐蚀速度和设计使用寿命共同考虑。C2=k -a, mm;k腐蚀速度（corrosion rate）, mm/a; a设计年限（desired life time ）。对碳素钢和低合金钢， C2 1mm;对于不锈钢，当介质腐蚀性能极微时，取 C2= 0。（3）名义厚度,-.d （normal thickness）设计厚度：-d加上钢板负偏差 Ci后向上圆整至刚才标 准规格的厚度，即标注在设计图样上的壳体厚度。二-p * G （5）Ci 钢板负偏差。任何名义厚度的钢板出厂时，都允许有一定的负偏差。钢板和钢管 的负偏差按钢材标准的规定。当钢板负偏差不大于 0.25mm，且不超过名义厚度

8、的 6%时,负偏差可忽略不计。表4 钢板负偏差值钢板厚度（mm）22.22.52.83.03.23.53.84.04.55.5负偏差（mm）0.180.190.20.220.250.30.567825263032343640425052600.60.80.91.01.11.21.3（4）有效厚度飞名义厚度s减去腐蚀裕量和钢材厚度负偏差，从性质上可以理解为真正可以承受介质 压强的厚度，成为有效厚度。数值上可以看作是计算厚度加上向上钢材圆整量。-e - n - G （ 6）厚度系数1 ：圆筒的有效厚度和计算厚度之比称为圆筒的厚度系数。（5 ）最小厚度、伽为满足制造、运输及安装时刚度要求，根据工程经

9、验规定的不包括腐蚀裕量的最小壁厚。3碳素钢和低合金钢制造的容器，最小壁厚不小于 3mm;高合金钢制容器，（如不锈钢制造的容器），最小壁厚不小于 2mm。当筒体的计算厚度小于最小厚度，应取最小厚度作为计算厚度，这时筒体的名义厚度 可以分为两种不同的情况分别计算。（1）当min-Ci, 5 =讪+。2+厶,（厶可以等于零）（2）当-min C1时，必须考虑钢板负偏差,-n=-min +C2+C1+ ：表5钢板的常用厚度表2.3 J ,（50,8.10.1234 J6J8.20.22 5 30.32.34,36.38 J0.42.46 0.55 - , - 60.55 .80.85 KJ.115 J

10、20表6几种厚度之间的相互关系T厚 JffWWidc腐辿裕iftG计算厚度忌厚施閲钱佰A2、内压球壳（sphere）的厚度设计球壳的任意点处的薄膜应力均相同，且PD 心6 匚谡计 r 第文厚度忌 有蚊母麗打厂- ;-m，根据薄膜应力第三强度条件:4o其他的厚度计算与筒体一样。3、内压封头的厚度设计（1）半球形圭寸头（hemispherical head）半球形封头的厚度采用球壳的壁厚设计公式进行计算。左=二用（2）标准椭圆形圭寸头（ellipsoidal head）h二岁，直边高度与封头的公称直径有关。表7封头的直边高度/伽封头的公称直径 DN2000封头的直边高度h2540对于标准椭圆封头，

11、最大的薄膜应力位于椭球的顶部，大小和圆筒的环向应力完全相同， 其厚度和圆筒形的计算一样。但是和下面的GB150-1998规定的不太一样，主要是因为在简 化是产生的，影响不大。（8）KPcDj2汀-0鬼1 Di 21K为椭圆封头形状系数， K = |2 + （）26】幼一标准椭圆封头为K=1.0- PCDJ t2二-0.5pc应当注意，承受内压时椭圆封头的赤道处为环向压缩应力， 为了避免失稳，规定标准椭圆的计算厚度不得小于封头内径的 0.15%。（3 ）碟形封头又称带折边球形封头，有三部分组成，以 Ri为半径的球面壳体、半径为 r的圆弧为母线所构成的环状壳体（折边或过渡圆弧） 。球面半径Ri 一

12、般不大于筒体直径 Dj;折边半径r在任何情况下不得小于球面半径的 10%，其应大于三倍的封头厚度。图3碟形封头碟形封头的厚度如果太薄，则会出现内压下的弹性失稳，所以规定:M 1.34, 、e -0.15%Di ；M 1.34, -0.3%Di（4）球冠形封头（没有折边）封头的结构，为了进一步降低凸形封头的高度，将碟形封头的过度圆弧和直边部分去掉，将球面部分直接焊接到圆柱壳体上，如下图所示。7/ / ； t . J! 万 f 图4球冠形圭寸头 作容器的端封头；用作容器中两个相邻承压空间的中间封头。 封头的厚度（凹面受压时）：（10）QPcDi2汀-PQ为系数主要和球形半径和筒体内径之比、 压力和

13、许用应力及焊缝系数有关， 可以根据图表查得。在任何情况下，与球冠形封头连接的圆筒厚度应不小于封头厚度。 否则，应在封头与圆筒间设置加强段过渡连接。 圆筒加强段的厚度应与封头等厚； 端封头一侧或中间封头两侧的加强段长度L均应不小于2、0.5D。（5）内压锥形圭寸头（cone head）锥形封头和椭圆形、 半球形封头相比强度较差。 在工业生产中，但当操作介质含有固体 颗粒或当介质粘度很大时，采用锥形封头有利于出料，亦有利于流体的均匀分布。 此外，顶角较小的锥壳还可用来改变流体的流速， 另外锥形壳体用来连接两个直径不等的圆筒， 作变径段。因此，锥形封头仍得到广泛应用，一般锥形封头有三种形式：图5锥形

14、封头示意图不带折边锥形封头的壁厚锥形封头的最大薄膜应力位于锥体的大端:根据第一或第三强度理论，并以内径表示可得:PD 1 PD 1m ,46 cosa 2d cosot由于无折边锥形封头与筒体的连接处曲率半径突变， 所以存在着较大的边界应力，如果利用（11）计算的壁厚满足边界应力不得超过 3倍时，则可以直接使用，否则需要增加连接处的壁厚，因此无折边封头的计算公式写为：（12）图6锥壳大端与圆筒连接处 Q值图PQ值随着忒的增大而减少，水平直线代表1cos：采用加强的壁厚焊接比较繁琐、成本也较高，是否可以整体采用加强后计算的壁厚，目前还没有定论；教材中采用此图目的是不用进行判断， 与GB150-1

15、998存在差异，实际设计时严格按照 GB150-1998。在任何情况下，加强段的厚度不得小于相连接的锥壳厚度。锥壳加强段的长度 L1应不小于2 0.5Di r ；圆筒加强段的长度L应不小于2 0.5Dp r 。 cos口折边锥壳分为锥壳大端有折边以及锥壳大端、小端均有折边两种。此处只讲解大端部分, 小端的计算方法详见 GB150-1998的第7部分。大端的壁厚应同时计算过渡段厚度和与其相连接的锥壳厚度，取二者大值。Di 连接筒体内直径； K 过渡部分形状系数。表8系数K值r/D,0,100. n0. soQ” 300. 40氏5010*山 6111C. TS90. 5403o. sies 50

16、00仇 Q9S0a 635?0.59*60.1522a S2230. 5000300, 7544IL ASIA0. 3S7& 5749Q. M3S 500055*a nooo. ni0. 66290. 59140lS407仏 5000+0*0. B547山 7604Oussiia0. 5 SOS0, 5000博0. 9K80. 74400.仇 5&350- 500050*r M700.4944Ql 80450.67650” 5A040. sowL1608q”0.89St0. 72490.鶴器0.5000花 3$ 001.1433L oooo0L 7923Ql 1 -2rf锥形封头形状系数， f

17、 1-cos/2cos,其值列于表5。Di教材中，认为折边部分与锥体部分厚度相同时，折边内的压力总是小于锥体部分 的压力，所以只对大端进行计算，然后取折边和大端等厚度，所以只给出了一个 计算公式，而且其系数由于公式的改变是 GB150-1998的两倍，有点欠妥。学生可以采用二者之一的公式，但是必须注意公式和系数的准确性。表9系数f值p0. 10OUS0. zo0.400. 50O, 500.50SS0. 50470. 5032CK50170- 500C 1ZD-0.52570. SEIS0.53930-51ZB0. SO 6430*O. 56140. 55420. 54400- 53106 S

18、3SS0. 5GOO35-0+ d 拥3O. 57730. Sfld0U 5442a. miQ690. 5飢占（K56U0+ 530S电亍0. 66S?0+ 64300. *143o. sm0l54U0. 50X O0l 72230. 694566SmgCl 5SH（L SOMCL 79730. 78020. 72305 64A6乩畀430, 500C600.90000, S500o,axxi（L 70000. 6000比必帥注t申間價用内插法.（6）平板圭寸头（circular flat heads）圆形平板作为封头承受压力时，处于受弯的不利状态，而且造成筒体在边界处产 生较大的边界应力，所

19、以一般不使用平板封头。但是压力容器的人孔、手孔等为平板。在实际工程中，可把圆形平盖简化为受均匀分布横向载荷的圆平板，最大弯曲应 力公式为：_K PD2max - K T应用第一强度理论，结合实际工程经验，其设计公式为:B（15）K 结构系数，从相关的表中查取;De-计算直径，一般为筒体内直径;B-平板的计算厚度。第三节压力试验与在用压力容器的强度校核1、压力试验（hydrostatic test pressure容器制造时，钢板经过了弯卷、焊接、拼装等工序以后，会存在以下的问题： 是否能够承受规定的工作压力？是否会发生过大变形？ 在规定的工作压力作用下，焊缝等处是否会发生局部渗漏？因此需要进行

20、压力试验，试验的项目和要求应在图样中注明。压力试验可以选用液压和气压。 由于气压试验的危害性大，故一般都采用液压试验，只有不易做液压试验的容器才采用气压试验。（1 ）液压试验试验介质，一般用水，试验压力为： R =1.25Pt （16）吋二t 设计温度下材料的许用应力， MPa ;二试验温度下材料的许用应力， MPa。液压试验方法：液压试验时，压力应缓慢上升，达到规定试验压力时，保持 30分钟，然后将压力降至规定试验压力的 80%，并保持足够长时间以便对所有焊缝和连接部位进行检查。实验结果以无渗漏和无可见的残余变形为合格。（2 ）气压实验不适合做液压实验的容器，例如由于工艺要求，容器内不允许有

21、微量残留液体， 或由于结构原因，不能充满液体的容器， 才允许用气压实验。 凡采用气压实验的容器其焊缝需进行 100%的无损探伤，且应增加实验场所的安全措施，并在有关安全部门的监督下进行。试验介质，Oi干燥气体或者O2洁净的空气、氮气、惰性气体。试验压力为：R 1.15P-4 （17）严气压试验方法：试验时压力应缓慢上升，至规定试验压力 0.1P,且不超过0.05MPa，保压5分钟，检查焊接接头部位。若存在泄漏，修复，重新进行水压实验。合格后，方可重新 进行气压实验。2、强度校核的思路（1）许用应力校核 即根据有效厚度计算出容器在校核压力下的计算应力，判断其是 否小于材料的许用应力。-十在用容器

22、在校核压力 Pch（ Pw，Pk or P）作用下的计算应力为：（18）KPe2.K 形状系数，其值根据受压元件形状确定， 对于圆柱形筒体和标准椭圆形封头，K=1.0 ;对于球壳与半球壳封头， K=0.5 ;碟形封头，K=M二；无折边封头锥形封头， K=Q ；折边锥形封头，K= f0。e筒体或者封头的有效厚度，对于新容器筒体:飞=r _C1 _ C2对于使用多年的容器：=cmin-2 n-实测的年腐蚀率，伽/a； :-Cmin-受压元件的实测最小厚度； n检验周期。（2）在用容器最大允许工作压力例题1:有一圆筒计量罐，内装浓度为50 C。罐顶装有安全mm, 端采用标准椭圆封头，一端采用半球形封

23、头，操作温度不超过阀，安全阀的开启压力 P =2.2Mp a，材料选用 16MnR，在t = 50 C时的机械性能6 =330Mpa,；b =500Mpa。氨对材料的腐蚀速度 Ka ： 0.1mm/年，若设计寿命为 15 年，不计液体静压力，试计算：（1）钢材16MnR在操作条件下的许用应力二F?（2）筒体的壁厚Sc1 ?（3）椭圆封头的壁厚Sc2 ?（4）半球形封头的壁厚 Sc1 ?（5）水压实验压力 Pt?（ 30分）解: （1）用应力；訂；=J 二500 =l66.6MPa，二；=二二鰹=206.3MPanb 3 ns 1.6取d t= 166.6Mpa（2）筒体壁厚Sci,筒体壁厚Sc

24、；按下式计算：Sc； C2 汀-PCP = 2.2Mpa; , Di = 2200mm； d t= 166.6Mpa。由于工作介质为99%的液氯，属于中毒性介质，P V =2.2 2.2 3.2 =26.76MPa m ；0MPa m，划分为 3 类容器。4筒体拼版与筒节焊接采用双面对接焊， 100%无损探伤，取焊缝系数 =1钢板的负偏差取：C1= 0.8伽；腐蚀裕度取： C2 =0.1 15 = 1.5mm2.2 22002 166.6 1-2.22.3 二 16.9mm，取 SC1 = 18 伽（3）椭圆封头SC2PCD2匚_0.5Pc式中符号意义及数值同（2）,解得:（4）半球形Sc3，半球形封头壁厚Sc3按下式计算:SC3C4刁-Pc取Sc 3 = 10 伽（5）水压实验压力 Pt： P =1.25P =2.75MPa【思考题】（1） 确定有效厚度时应注意什么问题？（2） 厚度系数的含义、取值和用途是什么？