压力容器材料壁厚计算与校核计算实例

第一节输入分析及功能性能描述
1、工作介质：硫酸钴液体
由于硫酸钴液体内杂质成份较复杂，且内部成份容易结晶，所以过滤器及管道、阀门全部选用不锈钢材料。

2、原液固含量：≤5%
和本公司的液体高级工程师莫工和中南大学廖博士联系咨询后，取得硫酸钴溶液中固体的固含量≤5%的范围内
3、设备的最高工作温度不超过70℃
工艺要求提出设备的最高工作温度不得超过70℃，因此设计时应适当的放大，将设计温度提高到80℃。

4、工作压力
由于中南装置功能及工艺参数中指出，反洗压力0.5Mpa(气源压力),所以在设计装置时按照0.8Mpa进行装置的设计。

5、过滤组件为1个；
经过对工艺条件的提出，过滤组件为2个，1个为多通道滤芯过滤组件，1个双层滤芯过滤组件。

6、滤芯参数
1.1双层滤芯规格：双层管YTT75X200-3-C0.4-D2（外管外径75，内径69；内管外径63，内径57）
1.2滤芯数量：5套
1.3过滤面积：
1.3.1总过滤面积：
1.3.2单管过滤面积：
1.4过流截面面积S：0.00062㎡
1.5滤芯安装形式：1个过滤器内1只滤芯组件
2.1多通道滤芯规格：多通道滤芯YTT60X200-C0.5-D3
2.2滤芯数量：2套
2.3过滤面积：
2.3.1总过滤面积：
2.3.2单管过滤面积：
2.4过流截面面积S：0.00079㎡
2.5滤芯安装形式：1个过滤器内1只滤芯组件
7、输送管道为DN40管道；
经工艺计算出循环系统的循环管直径为DN40，补液管道为DN25，回流排气管道为DN25，清液出口管道为DN25，反冲器安装管道为DN25，排渣管道为DN25，
过滤罐体的材质为OCr18Ni9，管道的材质为OCr18Ni9；
8、法兰的公称压力为1.6Mpa;
工艺条件指出,设备管道法兰的公称压力为1.6Mpa,设计时,应按照此标准进行管道法兰的设计与选择。

9、清液储液罐的体积
经过工艺工程师计算得，反冲器内部可用于反冲液的液体体积约为0.8L,因此在设计清液储液罐容积时按照1.2L来进行设计。

第二节内压容器筒体与封头厚度的设计与强度计算
1、 经查OCr18Ni9材料的许用应力表得，材料在2mm-60mm 且温度在100℃下的许用应用力[σ]τ
=114Mpa 。

2、 根据所选取的筒体的为DN100型号，外径为'
D =108mm
3、
确定设计温度：工艺要求设计温度不低于70℃，设计时可适当把温度提高，则确定为80℃。

4、 确定设计压力：工艺条件指出,设备的最高工作压力为0.5 Mpa,设计时应适当
的将其放大,以0.8Mpa 的最大压力进行设计。

5、 焊接系数的确定： （1）焊接头的影响：
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，φ ＝1.00； 局部无损探伤， φ ＝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， φ ＝1.00； 局部无损探伤， φ ＝0.8； ● 无法进行探伤的单面焊环向对接焊缝，无垫板： φ＝0.6； 因此在设计时取焊接系数φ=0.8
6、设备的设计年限可定为a=10年。

7、强度计算：
（1）理论计算厚度δ（required thickness ）
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P C （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：
t r ][3σσσθ≤= ，t r PD
][23σδ
σ≤=
（1） 式中： t
][σ--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。

φσδσt r PD ][23
≤=，则有：[]φσδ
δστγ*2)('3≤-=D P 得到，
[]P
PD +≥φσδτ
*2'
（2） 式中'
D 为筒体外径，D i 为筒体中径，P 为设计压力，[]τ
σ为材料的许用应力，φ为
焊接系数，当壁厚没有确定时，则中径也是待定值，利用'
D =D i +δ可以得到，公式（2）
一般被简化为
[]φ
σδτ
*2PD ≥
， （3）
代入数据，计算得[]0.8*108
0.47368420.4742*114*0.8
2*PD mm τ
δσϕ
≥
=
=≈
（2）设计壁厚d δ（design thickness ） 计算壁厚δ与腐蚀余量C 2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。

2d C δδ=+ （4）
C 2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。

C 2=k · a ， mm ； 取C 2=1, 得到2d C δδ=+=0.474mm+1mm=1.474mm, 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，C 2≥ 1mm ；对于不锈钢，当介质腐蚀性能极微时，取C 2＝0。

（3）名义厚度d δ（normal thickness ） 设计厚度d δ加上钢板负偏差C 1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。

1n d C δδ=+∆+ （5）
C 1—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 ，且不超过名义厚度的6％时，负偏差可忽略不计。

表4 钢板负偏差值 钢板厚度（mm ） 2 2.2 2.5 2.8~3.0 3.2~3.5 3.8~4.0 4.5~5.5 负偏差（mm ） 0.18 0.19 0.2 0.22 0.25 0.3 0.5 钢板厚度（mm ） 6~7 8~25 26~30 32~34 36~40 42~50 52~60 负偏差（mm ） 0.6
0.8
0.9
1.0
1.1
1.2
1.3
由以上的数据可得,取钢板的负偏差C 1=0.5,然后根据选型标得到筒体的壁厚
1n d C δδ=+∆+ =1.474+0.5+ △=1.974+△=3mm,因此选择3mm 的过滤筒体壁厚满
足设计要求。

摘自：1、《GB150-1998》钢制压力容器；
2、设备材料20R 在不同温度下的许用应力表。