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1、内压薄壁圆筒与封头的强度设计2022/9/27第一页，讲稿共三十七页哦第四章第四章 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本章重点：本章重点：内压薄壁圆筒的厚度计算本章难点本章难点：厚度的概念和设计参数的确定计划学时计划学时：6学时2022/9/27第二页，讲稿共三十七页哦第四章第四章 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强度设计公式推导过程如下：强度设计公式推导过程如下：根据薄膜理论进行应力分析，确定薄膜应力状态下的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；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根据弹性失效的设计准则，应用
2、强度理论确定应力的强度判据；判据；对于封头，考虑到薄膜应力的变化和边缘应力的影响，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。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出具体的计算公根据应力强度判据，考虑腐蚀等实际因素导出具体的计算公式。式。2022/9/27第三页，讲稿共三十七页哦4.1强度设计的基本知识4.1.1关于弹性失效的设计准则1、弹性失效理论 对于中、低压薄壁容器，目前通用的是弹性失效理论。依据这一理论，容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点st，容器即告失效(失去正常的工作能力)，也
3、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，即当s。2022/9/27第四页，讲稿共三十七页哦4.1强度设计的基本知识2强度安全条件 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0 极限应力（由简单拉伸试验确定）n 安全系数 许用应力当相当应力，由强度理论来确定。2022/9/27第五页，讲稿共三十七页哦4.1强度设计的基本知识4.1.2强度理论及其相应的强度条件 以圆筒形容器作例：2022/9/27第六页，讲稿共三十七页哦4.1强度设计的基本知识第一强度理论最大主应
4、力理论第二强度理论最大变形理论 （与实际相关较大，未用）第三强度理论最大剪应力理论第四强度理论能量理论（适用于塑性材料）2022/9/27第七页，讲稿共三十七页哦4.1强度设计的基本知识2022/9/27第八页，讲稿共三十七页哦4.2内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计4.2.1设计计算一、圆筒形容器1、强度设计公式 根据前面所讲的第三强度理论，有：将平均直径换为圆筒内径D=Di+S;将压力p换为计算压力pc；考虑焊接制造因素，将换为t则有：2022/9/27第九页，讲稿共三十七页哦4.2内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计其中 S 计算壁厚,mm t 材料在设计温度下的许用应力，Mpa;2、厚度的定义
5、计算厚度：设计厚度 Sd =SC2 名义厚度 Sn =SdC1圆整值=SC圆整值 有效厚度 Se =SnC2022/9/27第十页，讲稿共三十七页哦4.2内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计其中C1钢板壁厚负偏差；C2腐蚀裕度；C=C1C2 如图所示C1C2圆整值加工减薄量C=C1+C22022/9/27第十一页，讲稿共三十七页哦4.2内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计3、校核公式 若已知，要计算一台容器所能承受的载荷时4、采用无缝钢管作圆体时，公称直径为钢管的外径。2022/9/27第十二页，讲稿共三十七页哦4.2内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计上述计算公式的适用范围为pc0.4t。二、球形容器对于球形
6、容器，由于其主应力为利用上述推导方法，可以得到球形容器壁厚设计计算公式，即上述球形容器计算公式的适用范围为pc0.6t。2022/9/27第十三页，讲稿共三十七页哦4.2内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计4.2.2设计参数的确定1压力 工作压力pw：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p：指设定的容器顶部的最高压力，它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。计算压力pc：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。当壳体各部位或元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。2022/9/27第十四页，讲稿共三十七页哦4.2内压
7、薄壁圆壳体与球壳的强度设计2 设计温度 设计温度：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。3 许用应力和安全系数（1）许用应力的取法2022/9/27第十五页，讲稿共三十七页哦4.2内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计（2）安全系数的取法 安全系数是不断发展变化的参数，科技发展，安全系数变小；要求记忆：常温下，碳钢和低合金钢nb=3.0，ns=1.6。2022/9/27第十六页，讲稿共三十七页哦4.2内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计4 焊接接头系数 焊缝区是容器上强度比较薄弱的地方。焊缝区的强度
8、主要决定于熔焊金属、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。5 厚度附加量 C=C1+C2 C1钢板壁厚负偏差；按相应的钢板或钢管标准的规定选取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。2022/9/27第十七页，讲稿共三十七页哦 C2腐蚀裕量；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。三 压力试验与强度校核 容器制成以后(或检修后投入生产之前)必须作压力试验或增加气密性试验，其目的在于检验容器的宏观强度和有无渗漏现象，即考查容器的密封性，以确保设备的安全运行。对需要进行焊后热处理的容器
9、，应在全部焊接工作完成并经热处理之后，才能进行压力试验和气密试验，对于分段交货的压力容器，可分段热处理在安装 4.2内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计2022/9/27第十八页，讲稿共三十七页哦4.2内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计工地组装焊接，并对焊接的环焊缝进行局部热处理之后，再进行压力试验。压力试验的种类、要求和试验压力值应在图样上注明。压力试验一般采用液压试验。对于不适合作液压试验的容器，例如容器内不允许有微量残留液体或由于结构原因不能充满液体的容器，可采用气压试验。1、试验压力 内压容器的试验压力：2022/9/27第十九页，讲稿共三十七页哦4.2内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计式中：pT试
10、验压力，Mpa；p 设计压力，Mpa；容器元件材料在试验温度下的许用应力，Mpa；t容器元件材料在设计温度下的许用应力，Mpa。2 压力试验的应力校核2022/9/27第二十页，讲稿共三十七页哦4.2内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计T应满足下列条件：3 压力试验的试验要求与试验方法（1）液压试验（2）气压试验（3）气密性试验4 例题2022/9/27第二十一页，讲稿共三十七页哦4.3内压圆筒封头的设计 容器封头又称端盖，按其形状可分为三类；凸形封头、锥形封头和平板形封头。其中凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头(或称带折边的球形封头)和球冠封头(无折边球形封头)四种。4.3.1半球形封头
11、 半球形封头(图43)是由半个球壳构成的，它的计算壁厚公式与球壳相同。2022/9/27第二十二页，讲稿共三十七页哦4.3内压圆筒封头的设计4.3.2椭圆形封头 椭圆形封头(图44)是由长短半袖分别为a和b的半椭球和高度为h。的短圆筒(通称为直边)两部分所构成。直边的作用是为了保证封头的制造质量和避免筒体与封头间的环向焊受边缘应力作用。有以下结论：当椭球壳的长短半轴 a/b2时，椭球壳赤道上出现很大的环向应力(图325(c)，其绝对值远大于顶点的应力。从而引入形状系数K。（也称应力增加系数）2022/9/27第二十三页，讲稿共三十七页哦4.3内压圆筒封头的设计根据强度理论（具体推导过程可参阅华
12、南理工大学P57），受内压（凹面受压）的椭圆形封头的计算厚度公式为：标准椭圆封头K=1（a/b=2），计算厚度公式为：2022/9/27第二十四页，讲稿共三十七页哦4.3内压圆筒封头的设计椭圆封头最大允许工作压力计算公式为：GB150-1998规定：K1时，Se0.15Di K1时，Se0.30Di 但当确定封头厚度时，已考虑了内压下的弹性失稳问题，可不受此限制。现行的椭圆形封头标准为JBT473795。2022/9/27第二十五页，讲稿共三十七页哦4.3内压圆筒封头的设计4.3.3碟形封头 由三部分构成：以Ri为半径的球面；以r为半径的过渡圆弧(即折边)；高度为h0的直边。同样，引入形状系数
13、M，则其计算厚度公式为：2022/9/27第二十六页，讲稿共三十七页哦4.3内压圆筒封头的设计 标准碟形封头：球面内半径Ri0.9Di，过渡圆弧内半径r=0.17Di，此时M1.325，计算壁厚公式：碟形封头最大允许工作压力为：2022/9/27第二十七页，讲稿共三十七页哦4.3内压圆筒封头的设计GB150-1998规定：M1.34时，Se0.15Di M1.34时，Se0.30Di 但当确定封头厚度时，已考虑了内压下的弹性失稳问题，可不受此限制。碟形封头标准为JB57664。4.3.4 球冠形封头 把碟形封头的直边及过渡圆弧部分去掉，只留下球面部分，并把它直接焊在筒体上，就构成球冠形封头。2
14、022/9/27第二十八页，讲稿共三十七页哦4.3内压圆筒封头的设计受内压的球冠形端封头的计算厚度公式：4.3.5 锥形封头 由锥形壳体的应力分析可知，受均匀内压的锥形封头的最大应力在锥壳的大端，其值为：2022/9/27第二十九页，讲稿共三十七页哦4.3内压圆筒封头的设计其强度条件为：厚度计算公式为：锥壳的计算厚度公式：（427）按427式计算的锥形封头的厚度，由于没有考虑封头与筒体连接处的边缘应力，因而此厚度是不够的。连接处的边缘应力如下页图所示。2022/9/27第三十页，讲稿共三十七页哦4.3内压圆筒封头的设计 为降低连接处的边缘应力，一般采用两种方法：（1）、局部加强：将连接处附近的
15、封头及筒体厚度增大无折边锥形封头；（2）、增加过渡圆弧：在封头与筒体之间增加一个过渡圆弧，整个封头由锥体、过渡圆弧及高度为h0折边三部分构成带折边的锥形封头。2022/9/27第三十一页，讲稿共三十七页哦4.3内压圆筒封头的设计2022/9/27第三十二页，讲稿共三十七页哦4.3内压圆筒封头的设计2022/9/27第三十三页，讲稿共三十七页哦4.3内压圆筒封头的设计1、受内压无折边锥形封头（1）、锥壳大端连接处的厚度（适用于锥壳半顶角30o时）首先判断是否需要加强（利用表415），若不需要加强，用427式计算；若需要加强，加强区的厚度用下式计算：（428）2022/9/27第三十四页，讲稿共三
16、十七页哦4.3内压圆筒封头的设计（2）锥壳小端连接处的厚度（使用锥壳半顶角45o时）首先由图417判断是否需要加强。若不需加强，则由427式计算；若需要加强，则加强段的厚度由下式计算：（429）2022/9/27第三十五页，讲稿共三十七页哦4.3内压圆筒封头的设计2、受内压折边锥形封头（1）锥壳大端（适用30o时，rmax10%Di，3S）过渡段厚度：（430）与过渡段相连处的锥壳厚度：（431）2022/9/27第三十六页，讲稿共三十七页哦4.3内压圆筒封头的设计折边锥壳大端厚度按上述两式计算，取较大值。（2）锥壳小端 45o，小端过渡段厚度按429式计算，式中的Q值由图418查取。45o，小端过渡段的厚度按429式计算，式中Q值由图419查取。与过渡段相接的锥壳和圆筒的加强段厚度应与过渡段厚度相同。2022/9/27第三十七页，讲稿共三十七页哦