爱问共享资料压力容器的强度计算]文档免费下载，数万用户每天上传大量最新资料，数量累计超一个亿 ，第11章压力容器的强度计算压力容器的强度计算本章重点要讲解内容1理解内压容器设计时主要设计参数容器内径设计压力设计温度许用应力焊缝系数等的意义及其确定原则2掌握五种厚度计算壁厚设计壁厚名义壁厚有效壁厚最小壁厚的概念相互关系以及计算方法能熟练地确定腐蚀裕度和钢板负偏差3掌握内压圆筒的厚度设计4掌握椭圆封头锥形封头半球形封头以及平板封头厚度的计算5熟悉内压容器强度校核的思路和过程第一节设计参数的确定1我国压力容器标准与适用范围我国现执行GB150－98钢制压力容器国家标准该标准为规则设计采用弹性失效准则和稳定失效准则应用解析法进行...

　　第11章压力容器的强度计算压力容器的强度计算本章重点要讲解内容1理解内压容器设计时主要设计参数容器内径设计压力设计温度许用应力焊缝系数等的意义及其确定原则2掌握五种厚度计算壁厚设计壁厚名义壁厚有效壁厚最小壁厚的概念相互关系以及计算方法能熟练地确定腐蚀裕度和钢板负偏差3掌握内压圆筒的厚度设计4掌握椭圆封头锥形封头半球形封头以及平板封头厚度的计算5熟悉内压容器强度校核的思路和过程第一节设计参数的确定1我国压力容器标准与适用范围我国现执行GB150－98钢制压力容器国家标准该标准为规则设计采用弹性失效准则和稳定失效准则应用解析法进行应力计算比较简便JB4732-1995《钢制压力容器分析设计标准》其允许采用高的设计强度相同设计条件下厚度可以相应地减少重量减轻其采用塑性失效准则失稳失效准则和疲劳失效准则计算比较复杂和美国的ASME标准思路相似2容器直径diameterofvessel考虑压制封头胎具的规格及标准件配套选用的需要容器筒体和封头的直径都有规定对于用钢板卷制的筒体以内径作为其公称直径表1压力容器的公称直径mm如果筒体是使用无缝钢管直接截取的规定使用钢管的外径作为筒体的公称直径表2无缝钢管制作筒体时容器的公称直径mm3设计压力designpressure1相关的基本概念除了特殊注明的压力均指表压力 工作压力PW在正常的工作情况下容器顶部可能达到的最高压力①由于最大工作压力是容器顶部的压力所以对于塔类直立容器直立进行水压试验的压力和卧置时不同②工作压力是根据工艺条件决定的容器顶部的压力和底部可能不同许多塔器顶部的压力并不是其实际最高工作压力themaximumallowableworkingpressure③标准中的最大工作压力最高工作压力和工作压力概念相同 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01Mpa的内压容器设计压力取为01Mpa②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GB150-1989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Designtemperature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0℃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Maximumallowablestressvalues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6焊接接头系数Jointefficiency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＝100局部无损探伤＝085●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＝100局部无损探伤＝08●无法进行探伤的单面焊环向对接焊缝无垫板＝06第二节内压容器筒体与封头厚度的设计1内压圆筒cylindricalshell的厚度设计1理论计算厚度requiredthicknessGB150-19

　　98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1式中--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则有式中D为中径当壁厚没有确定时则中径也是待定值利用DDi则有2公式2一般被简化为32设计壁厚designthickness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4C2为腐蚀裕度根据介质对选用材料腐蚀速度和设计使用寿命共同考虑C2k·ammk腐蚀速度corrosionratemmaa设计年限desiredlifetime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＝03名义厚度normalthickness设计厚度加上钢板负偏差C1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5C1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025mm且不超过名义厚度的6％时负偏差可忽略不计表4钢板负偏差值钢板厚度mm404555负偏差mm305钢板厚度mm4042505260负偏差mm有效厚度名义厚度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6厚度系数圆筒的有效厚度和计算厚度之比称为圆筒的厚度系数5最小厚度为满足制造运输及安装时刚度要求根据工程经验规定的不包括腐蚀裕量的最小壁厚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2 当时必须考虑钢板负偏差表5钢板的常用厚度表表6几种厚度之间的相互关系2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根据薄膜应力第三强度条件采用内径表示7其他的厚度计算与筒体一样3内压封头的厚度设计1半球形封头hemisphericalhe

　　ad半球形封头的厚度采用球壳的壁厚设计公式进行计算图1半球形封头示意图图2椭圆形封头示意图2标准椭圆形封头ellipsoidalhead如图所示由半个椭球和一段高为h0的圆筒形筒节称为直边构成封头曲面深度直边高度与封头的公称直径有关表7封头的直边高度㎜封头的公称直径DN≤20002000封头的直边高度h02540对于标准椭圆封头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8K为椭圆封头形状系数标准椭圆封头为K10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0153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一般不大于筒体直径Di 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碟形封头碟形封头厚度的计算公式9式中M碟形封头形状系数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图4球冠形封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10Q为系数主要和球形半径和筒体内径之比压力和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5内压锥形封头conehead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11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 Q值随着的增大而减少水平直线代表 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GB150-1998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应不小于圆筒加强段的长度L应不小于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过渡部分的壁厚13Di连接筒体内直径K过渡部分形状系数K系数由表4所示表8系数K值过渡段与相连接处的锥壳厚度14f锥形封头形状系数其值列于表5 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6平板封头circularflatheads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应用第一强度理论结合实际工程经验其设计公式为15式中K结构系数从相关的表中查取--计算直径一般为筒体内直径--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hydrostatictestpressure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16设计温度下材料的许用应力MPa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干燥气体或者洁净的空气氮气惰性气体试验压力为17气压试验方法试验时压力应缓慢上升至规定试验压力01P且不超过005MPa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在用容器在校核压力PchPWPkorP作用下的计算应力为18式中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K10对于球壳与半球壳封头K05碟形封头KM无折边封头锥形封头KQ折边锥形封头K筒体或者封头的有效厚度对于新容器筒体对于使用多年的容器式中--实测的年腐蚀率㎜a--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19但是在工程实际中应该严格按照GB150-1998或者JB4732-1995进行校核例题1有一圆筒计量罐内装浓度为99％的液氨筒体内径筒高3200㎜一端采用标准椭圆封头一端采用半球形封头操作温度不超过50℃罐顶装有安全阀安全阀的开启压力材料选用16MnR在t＝50℃时的机械性能氨对材料的腐蚀速度年若设计寿命为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[]t2 筒体的壁厚3 椭圆封头的壁厚4 半球形封头的壁厚5 水压实验压力PT30分解1用应力取[σ]t＝1666Mpa2筒体壁厚Sc1筒体壁厚Sc1按下式计算式中P＝22MpaDi＝2200mm[σ]t＝1666Mpa由于工作介质为99％的液氯属于中毒性介质划分为3类容器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钢板的负偏差取C1＝08㎜腐蚀裕度取取＝18㎜3椭圆封头椭圆封头壁厚按下式计算式中符号意义及数值同2解得取＝18㎜4半球形半球形封头壁厚按下式计算式中符号意义及数值同2解得取＝10㎜5水压实验压力PT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

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