内压薄壁圆筒和球壳的强度设计..
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化工设备机械基础：第四章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计
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2020/12/14
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
压力容器零部件中各点的受力大多数是二向应力状态或三向应
力状态。预建立强度条件必须解决：（1）根据应力状态确定主 应力，（2）确定材料的许用应力。以圆筒形容器作例：
m
pD ;
4
pD
2
主应力为： 1
在内压容器设计中，一般都是根据工艺要求确定其公 称直径。强度设计的任务是选择合适的材料，然后根 据给定的公称直径以及设计压力（计算压力）和设计 温度，设计出合适的厚度，以保证设备安全可靠运行
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2020/12/14
第四章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计
内压薄壁圆筒和封头的强度设计公式推导过程如下： ①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； ②根据弹性失效的设计准则，应用强度理论确定应力 的强度判据； ③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 ④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。
)
，
t n
ns
nn
，
t D
nD
（2）安全系数的取法
安全系数选择包括：（1）计算方法的准确性，可靠性和受
力分析的精确程度；（2）材料的质量、焊接检验等制造技术
水平；（3）容器的工作条件，如压力、温度和温压波动及容
器在生产中的重要性和危险性等
安全系数是不断发展变化的参数，科技发展，安全系数变小 常温下，碳钢和低合金钢nb=3.0，ns=1.6。（表4－6）
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第三章-内压薄壁容器的强度计算(1)PPT课件
2
- 3 2
3
-1 2
强度条件为
当
pD
2.3
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.
10
3.2 内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计
3.2.1强度计算公式 一、圆筒形容器 1、强度设计公式
根据第三强度理论，有：
III 当
1 3
pD
2
0 [ ]
将平均直径换为圆筒内径D = Di+δ; 将压力p换为计算压力pc； 考虑焊接制造因素φ，将[σ]换为[σ]tφ则有：
第三章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计
压力容器强度计算的内容：
1、新容器的设计 ⑴确定设计参数（P，t，D……等）； ⑵选材； ⑶确定容器的结构型式； ⑷计算筒体与封头壁厚； ⑸选取标准件（如法兰、膨胀节、支座、螺栓、垫片）； ⑹绘制设备图纸
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.
3
第三章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计
4[ ]t
pc
C2
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.
15
校核计算公式
t pc (Di e ) [ ]t 4 e
[
pw
]
4[
Di
]t e e
上述球形容器计算公式的适用范围为pc≤0.6[σ]tφ。
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.
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(Di ) pc [ ]t
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2 .
11
故：
＝
pc Di
2[ ]t
pc
其中[δσ]—t 计—算材壁料厚在,设mm计温度下的许用应力，MPa;
2、厚度的定义 计算厚度：
＝
pc Di
2[ ]t
pc
设计厚度 δd = δ＋C2 名义厚度 δn = δd＋C1＋圆整值=δ＋C＋圆整值 有效厚度 δe = δn－C
化工设备设计基础第8章内压薄壁圆筒与封头的强度设计
查，气体温度应不低于5℃。
四、压力试验及其强度校验
3.压力试验时的强度校核
压力试验时，容器壁内的最大应力不得超过所用材料在试验 温度下屈服点的90％（液压试验）或80％（气压试验）。
T
pT
Di
2Se
Se
0.9
s
液压试验
T
pT
Di
2Se
【注意】设计压力的确定：
1.容器上装安全阀时：取P≥1.05Pw～1.1Pw 2.单个容器无安全泄放装置：P=1.0～1.1Pw 3.外压容器：取不小于在正常操作工况下可能产生的内外压差
1.3计算压力Pc
在相应的设计温度下用以确定元件厚度的压力，包括液柱静压力， 当液柱静压力小于5％设计压力时可忽略不计。
5分钟，然后对所有焊缝和连接部位进行初次检查；合格后继续升压到规 定试验压力的50％，其后按每级为规定试验压力的10％的级差逐渐升压 到试验压力，保持10分钟后，然后再降到试验压力的87％，保持足够时 间并同时进行检查。
2.3气密试验
容器须经液压试验合格后，方可进行气密试验。 首先缓慢升压至试验压力保持10分钟，然后降至设计压力，同时进行检
⑤ 液压试验完毕后，应将液体排尽并用压缩空气将内部吹干。
四、压力试验及其强度校验
2.压力试验的要求与试验方法
2.2气压试验
气压试验适用场合。 试验介质要求：干燥、洁净的空气、氮气或其他惰性气体，试验气体温
度一般应不低于15℃。 试验程序是：缓慢升压至规定试验压力的10％，且不超过0.05MPa，保持
二、设计参数的确定
2. 设计温度
设计温度是指容器正常工作情况下，设定的元件金属温度 （沿元件金属截面温度平均值）。设计温度是选择材料及 确定材料许用应力时的一个基本设计参数。
四、压力试验及其强度校验
3.压力试验时的强度校核
压力试验时，容器壁内的最大应力不得超过所用材料在试验 温度下屈服点的90％（液压试验）或80％（气压试验）。
T
pT
Di
2Se
Se
0.9
s
液压试验
T
pT
Di
2Se
【注意】设计压力的确定：
1.容器上装安全阀时：取P≥1.05Pw～1.1Pw 2.单个容器无安全泄放装置：P=1.0～1.1Pw 3.外压容器：取不小于在正常操作工况下可能产生的内外压差
1.3计算压力Pc
在相应的设计温度下用以确定元件厚度的压力，包括液柱静压力， 当液柱静压力小于5％设计压力时可忽略不计。
5分钟，然后对所有焊缝和连接部位进行初次检查；合格后继续升压到规 定试验压力的50％，其后按每级为规定试验压力的10％的级差逐渐升压 到试验压力，保持10分钟后，然后再降到试验压力的87％，保持足够时 间并同时进行检查。
2.3气密试验
容器须经液压试验合格后，方可进行气密试验。 首先缓慢升压至试验压力保持10分钟，然后降至设计压力，同时进行检
⑤ 液压试验完毕后，应将液体排尽并用压缩空气将内部吹干。
四、压力试验及其强度校验
2.压力试验的要求与试验方法
2.2气压试验
气压试验适用场合。 试验介质要求：干燥、洁净的空气、氮气或其他惰性气体，试验气体温
度一般应不低于15℃。 试验程序是：缓慢升压至规定试验压力的10％，且不超过0.05MPa，保持
二、设计参数的确定
2. 设计温度
设计温度是指容器正常工作情况下，设定的元件金属温度 （沿元件金属截面温度平均值）。设计温度是选择材料及 确定材料许用应力时的一个基本设计参数。
化工设备基础内压薄壁圆筒和球壳设计剖析
设计难点
材料选择：需要考虑材料的强度、耐腐蚀性和耐高温性等性能
结构设计：需要考虑结构的稳定性、安全性和可维护性等要求
制造工艺：需要考虑制造工艺的可行性、成本和效率等因素
测试与验证：需要考虑测试方法和验证标准，确保设计的安全性和有效性
解ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ方案
采用先进的制造工艺，如焊接、锻造等，提高设备的可靠性和耐久性
04
材料加工性能：选择易于加工成型的材料，以降低制造成本和周期
结构优化
优化检测方法：采用先进的检测方法，如超声波、射线等，确保产品质量
04
优化制造工艺：采用先进的制造工艺，如焊接、冲压等
03
优化结构设计：采用合理的结构形式，如加强筋、肋板等
02
优化材料选择：选择高强度、轻质、耐腐蚀的材料
01
内压薄壁球壳设计
采用有限元分析方法，对内压薄壁圆筒和球壳进行应力分析
优化设计参数，如壁厚、材料、结构等，以降低应力水平
定期进行设备检查和维护，确保设备安全运行
设计优化方向
提高安全性能
优化材料选择：选择具有更高强度和耐腐蚀性的材料
01
优化结构设计：采用更加合理的结构设计，提高设备的稳定性和可靠性
02
优化制造工艺：采用更加先进的制造工艺，提高设备的加工精度和质量
03
优化检测方法：采用更加精确的检测方法，确保设备的安全性能符合要求
04
降低成本
优化材料选择：选择价格较低、性能可靠的材料
1
优化结构设计：减少不必要的结构，降低制造成本
2
优化生产工艺：采用先进的生产工艺，降低生产成本
3
优化设计方案：选择最优的设计方案，降低整体成本
4
材料选择：需要考虑材料的强度、耐腐蚀性和耐高温性等性能
结构设计：需要考虑结构的稳定性、安全性和可维护性等要求
制造工艺：需要考虑制造工艺的可行性、成本和效率等因素
测试与验证：需要考虑测试方法和验证标准，确保设计的安全性和有效性
解ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ方案
采用先进的制造工艺，如焊接、锻造等，提高设备的可靠性和耐久性
04
材料加工性能：选择易于加工成型的材料，以降低制造成本和周期
结构优化
优化检测方法：采用先进的检测方法，如超声波、射线等，确保产品质量
04
优化制造工艺：采用先进的制造工艺，如焊接、冲压等
03
优化结构设计：采用合理的结构形式，如加强筋、肋板等
02
优化材料选择：选择高强度、轻质、耐腐蚀的材料
01
内压薄壁球壳设计
采用有限元分析方法，对内压薄壁圆筒和球壳进行应力分析
优化设计参数，如壁厚、材料、结构等，以降低应力水平
定期进行设备检查和维护，确保设备安全运行
设计优化方向
提高安全性能
优化材料选择：选择具有更高强度和耐腐蚀性的材料
01
优化结构设计：采用更加合理的结构设计，提高设备的稳定性和可靠性
02
优化制造工艺：采用更加先进的制造工艺，提高设备的加工精度和质量
03
优化检测方法：采用更加精确的检测方法，确保设备的安全性能符合要求
04
降低成本
优化材料选择：选择价格较低、性能可靠的材料
1
优化结构设计：减少不必要的结构，降低制造成本
2
优化生产工艺：采用先进的生产工艺，降低生产成本
3
优化设计方案：选择最优的设计方案，降低整体成本
4
9 内压薄壁圆筒和球壳设计
23
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
——容器上装有安全阀时，取 1.05~1.1倍的最高工作 压力作为设计压力；使用爆破膜作为安全装置时，取 1.15~1.3倍的最高工作压力作为设计压力；其余应按 GB150-1998 相应规定确定容器的设计压力。
24
25
26
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
28
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
（3）设计温度 ——指容器在正常工作情况下，设定的元件的金属 温度（指容器受压元件沿截面厚度的平均温度）， 其值不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高 温度。对于 0℃以下的金属温度，设计温度不得高 于元件金属可能达到的最低温度。 ※设计温度在容器设计中的作用 ——选择材料、确定许用应力 ※确定设计温度的方法 （1）对类似设备实测； （2）传热计算；（3）参照书P123表9-1。
15
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
（3）有效厚度 ——从真正可作为依靠来承受介质压力的厚度而言，
只有δ和Δ，把δ与Δ之和称为圆筒的有效厚度，用δe表
示，即 或
e
e n C1 C2
16
9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
（4）压力容器的最小厚度
内压圆筒计算厚度仅从强度考虑得出的。
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9 内压薄壁圆筒和球壳设计（续）
耐压试验 ——容器制成后、检修后投入生产前 ——试验目的 ※检验容器宏观强度—是否出现裂纹,是否变形过大； ※密封点及焊缝的密封情况。 ——需要焊后热处理的容器，须热处理后进行压力试 验和气密试验； ——须分段交货的容器，在工地组装并对环焊缝进行 热处理后，进行压力试验； ——塔器须安装后进行水压试验；
安全系数 材料 nb ns nD nn
化工机械基础-第09章 内压薄壁圆筒与球壳设计
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化工设备机械 基础
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化工设备机械 基础
5) 焊缝接头系数 焊接接头系数为小于等于1的 数，数值见表9-6。 6) 厚度附加量 厚度附加量由两部分组成
①钢板厚度的负偏差C1 ②腐蚀裕量C2
C=C1+C2
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化工设备机械 基础
5) 焊缝接头系数 受压元件间的焊缝接头分为A,B,C,D四类，非受 压元件与受压元件间的焊缝接头为E类焊缝接 头。
计算厚度
pc Di 4[ ]t pc
设计厚度
d
pc Di
4[ ]t
pc
C2
设计温度下球壳的计算应力：
t pc Di e
4e
设计温度下球壳的最大允许工作压力：[
pw ]
4e[ ]t Di e
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化工设备机械 基础
三、设计参数的确定
1) 设计压力p
指容器顶部的最高压力，与相应设计温度一起作为容器 的基本设计载荷条件，其值不小于工作压力。 对无安全泄放装置的压力容器，设计压力不低于1.0~1.1 倍工作压力。 装有安全泄放装置的压力容器，设计压力不低于安全阀 开启压力和爆破片装置的设计爆破压力加制造范围上限。 外压容器的设计压力，应不小于正常情况下可能出现的 最大内外压力差。
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化工设备机械 基础
2）气压试验。 a.缓慢升压到规定试验压力的10%，且不超过0.05MPa，保
压5min； b.对所有焊缝和连接部位检查； c.合格后，将压力升压规定试验压力50%; d.按照每级为规定试验压力的10%的级差升压到试验压力，
保压10min； e.降到设计压力，保压足够长时间并进行检查； f.如有泄漏，修补后重新试验。 g.试验温度应该比容器金属脆性转变温度高30℃。
化工设备机械 基础
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化工设备机械 基础
5) 焊缝接头系数 焊接接头系数为小于等于1的 数，数值见表9-6。 6) 厚度附加量 厚度附加量由两部分组成
①钢板厚度的负偏差C1 ②腐蚀裕量C2
C=C1+C2
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化工设备机械 基础
5) 焊缝接头系数 受压元件间的焊缝接头分为A,B,C,D四类，非受 压元件与受压元件间的焊缝接头为E类焊缝接 头。
计算厚度
pc Di 4[ ]t pc
设计厚度
d
pc Di
4[ ]t
pc
C2
设计温度下球壳的计算应力：
t pc Di e
4e
设计温度下球壳的最大允许工作压力：[
pw ]
4e[ ]t Di e
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化工设备机械 基础
三、设计参数的确定
1) 设计压力p
指容器顶部的最高压力，与相应设计温度一起作为容器 的基本设计载荷条件，其值不小于工作压力。 对无安全泄放装置的压力容器，设计压力不低于1.0~1.1 倍工作压力。 装有安全泄放装置的压力容器，设计压力不低于安全阀 开启压力和爆破片装置的设计爆破压力加制造范围上限。 外压容器的设计压力，应不小于正常情况下可能出现的 最大内外压力差。
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化工设备机械 基础
2）气压试验。 a.缓慢升压到规定试验压力的10%，且不超过0.05MPa，保
压5min； b.对所有焊缝和连接部位检查； c.合格后，将压力升压规定试验压力50%; d.按照每级为规定试验压力的10%的级差升压到试验压力，
保压10min； e.降到设计压力，保压足够长时间并进行检查； f.如有泄漏，修补后重新试验。 g.试验温度应该比容器金属脆性转变温度高30℃。
内压薄壁圆筒和球壳的强度设计
极限应力的选取与结构的使 用条件和失效准则有关 极限应力可以是 t t t b、 s ( 0.2 )、 st ( 0.2 )、 D、 n
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常温容器
b s 0.2 =min{ , }
nb ns
中温容器
=min{
t
t b
nb
,
t s
t 0.2
第九章
内压薄壁圆筒和球壳设计
教学重点：
内压薄壁圆筒的厚度计算
教学难点：
厚度的概念和设计参数的确定
1
第一节 概述
一、压力容器工艺设计的任务： 根据工艺的要求确定其内直径，设计压力、设计
温度、处理的介质等工艺指标。
二、压力容器强度设计的任务：
根据给定的内直径、设计压力、设计温度以及介 质腐蚀性等工艺条件，设计计算出合适的容器厚度， 以保证新设备能在规定的使用寿命内安全可靠地运 行。
注：5mm为不锈钢常用厚度。
21
三、容器的厚度和最小厚度
1、厚度的定义 计 算 厚 度 设 计 厚 度 名 义 厚 度 有 效 厚 度 毛 坯 厚 度
d
C1
n
e
C2
C C1 C 2
圆整值 加工减薄量
图9-2 壁厚的概念
22
2、最小厚度 min 设计压力较低的容器计算厚度很薄。
26
（2）采用石油蒸馏产品进行液压试验时，试验温度应低于石 油产品的闪点或沸点。
（3）试验温度应低于液体沸点温度，对新钢种的试验应高于
材料无塑性转变温度。
（4）碳素钢、16MnR和正火的15MnVR钢制容器液压试验时，液 体温度不得低于5℃，其它低合金钢制容器（不包括低温容器） 液压试验时，液体温度不低于15 ℃。如果由于板厚等因素造 成材料无塑性转变温度升高，还要相应地提高试验液体温度。 （5）液压试验完毕后，应将液体排尽并用压缩空气将内部吹 干。
内压薄壁圆筒与封头的强度设计
其强度条件为
当
t
n
[ ]t
当
PD 2S
[
]t
内压薄壁圆筒与封头的强度设计
一、强度计算公式
1．圆柱形容器
圆筒的设计壁厚为Байду номын сангаас
Sd
Pc Di
2[ ]t
Pc
C2
对已有设备进行强度校核和确定最大允许工作压力的计算公式分别为
t Pc (Dc Se ) [ ]t
2Se
[Pw ]
2[
Di
]t Se
外压容器
有安全泄放装置 无安全泄放装置 容器(真空) 夹套(内压)
容器(内压) 夹套(真空)
设计压力 1．0～1．10倍工作压力 不低于(等于或稍大于)安全阀开启托力(安全阀开启压力取1．05～ 1．10倍：工作压力) 取爆破片设计爆破压力加制造范围上限 设计外压力取1．25倍最大内外压力差或0．1MPa二者中的小值 设计外压力取0．1MPa 没计外压力按无夹套真空容器规定选取 设计内压力按内压容器规定选取
内压薄壁圆筒与封头的强度设计
四、容器的耐压试验及其强度校核
容器制成以后(或检修后投入生产之前)，必须作耐压试验或增加气密性试验，以 检验容器的宏观强度和有无渗漏现象。耐压试验就是用液体或气体作为加压介 质，在容器内施加比设计压力还要高的试验压力，并检查容器在试验压力下是 否渗漏，是否有明显的塑性变形以及其他的缺陷，以确保设备的安全运行。
Pc
S
Pc Di
4[ ]t
Pc
C2
t Pc (Di Se ) [ ]t
4Se
[Pw ]
4[
Di
]t Se
Se
内压薄壁圆筒与封头的强度设计