化工设备机械基础(第四版)第4章内压薄壁圆筒与封头的

形状改变比能：随着弹性体发生变形而积蓄在其内部的能量，如
拉满的弓、机械表的发条被拧紧时；
强度条件：
1 2
1
2
2
2
3 2
3
1 2
也称为形状改变比能理论。
IV 当
PD 2.3S
[ ]
第二节、内压薄壁圆筒壳与球壳的强度设计
1. 内压薄壁圆筒壳的强度条件
❖ 若基于内径：
若取第三强度理论，
第4章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计
第一节、强度设计的基本知识 第二节、内压薄壁圆筒与球壳的强度设计 第三节、内压圆筒封头的设计
第一节、强度设计的基本知识
❖ 强度设计：根据给定的公称直径以及计算压力和温度，
设计出合适的壁厚，以保证设备安全可靠地运行。
❖ 新压力容器强度计算的内容：
• 确定设计参数； • 选择所使用的材料； • 确定容器的结构形式； • 计算筒体与封头壁厚； • 选取标准件； • 绘制设备图纸。
按照科技发展的总趋势，安全系数将逐渐变小。
3.4 焊接接头系数
• 对于壁厚不超过38mm的容器，对其接头的焊接处，采用射线探伤； • 由于结构不明，不能采用射线探伤的，采取超声波探伤。
3.5 壁厚附加量C=C1+C2 3.5.1 钢板负偏差C1
• 钢板出厂时标注的厚度是钢板的名义厚度，钢板的实际厚度可能 大于名义厚度(正偏差)，也有可能小于名义厚度(负偏差)。钢板 的标准中规定了允许的正、负偏差值。因此如果按照设计壁厚去 购置钢板，就有可能购得实际厚度小于设计壁厚的钢板。为了杜 绝这种情况，在确定筒体壁厚时，应在设计壁厚的基础上将钢板 的负偏差加上去。
在相同的壁厚、直径条件下，球壳的耐压能力是圆筒的两倍。
3. 设计参数的确定
3.1 设计压力
• 工作压力：是指在正常情况下，容器顶部可能达到的最高压力； 由工艺过程决定的；
• 设计压力：标注在设备铭牌上的压力，其值不低于工作压力；根 据具体条件而规定的；
• 计算压力：在相应设计条件下，用以确定元件厚度的压力，包括 液体静压力。
强度条件：
I 当
1
PD
2S
在17世纪提出，最早的强度理论，也称为最大拉应力理论；
只适用于脆性材料。
2.2 第二强度理论
认为材料沿最大主应力方向破坏并不是由最大主应力 达到某一极限值所引起的，而是由于最大拉伸应变达 到某一极限所引起的；
也称为最大主应变理论； 因为应变难以测量，因此第二强度理论用得不多。
对于承受均匀内压的薄壁容器，其主应力规定为：
环向应力 轴向应力 径向应力
1
PD 2S
2
m
PD 4S
3 r 0
2.1 第一强度理论
根据：当作用在构件上的外力过大时，材料就会沿着最大拉应力
所在的截面发生脆性断裂，也就是说，不论在什么样的应力状态
下，只要三个主应力中最大拉应力σ1达到了 材料的极限应力，材 料就发生破坏；
有效壁厚 Se Sn C1 C2 S
强度校核
• 对已有设备进行强度校核：
t Pc Di Se t
2Se
• 最大允许工作压力：
[Pw ]
2[ ]t Se
Di Se
2. 内压球形容器的强度条件
S
Pc Di
4[ ]t
Pc
pw
4
Di
t Se
Se
相同压力、直径条件下，球壳的计算壁厚约为相同条件下圆筒壁 厚的一半；
❖ 再用压力容器的强度校核：我国对压力容器实施定期检查制度。压 力容器在使用一定年限后会因腐蚀而导致壁厚减薄，所以在每次检 查时，应根据实测壁厚进行强度校核，其目的是：
• 判定在下一个检验周期内，或在剩余寿命期间，容器是否能 够在原设计条件下安全使用；
• 当容器已被判定不能在原设计条件下使用，应通过强度计算， 提出容器监控使用的条件；
2.3 第三强度理论
根据：当作用在构件上的外力过大时，材料就会沿着最大剪应力 所在的截面滑移而发生流动破坏；
不论在什么样的应力状态下，只要最大剪应力达到了材料的极限
值，就会引起材料的流动破坏；
强度条件： 1
3
[
]
III 当
PD [ ]
2S
也称为最大剪应力理论。
2.4 第四强度理论
根据：不论在什么样的应力状态下，只要构件内一点的形状改变 比能达到了材料的极限值，就会引起材料的流动破坏；
设计压力的取值
3.2 设计温度
设计温度是指容器在正常工作温度下，设定的元件的金属温度； 标注在产品铭牌上的设计温度，应该是壳体在金属设计温度的最
高值或最低值； 设计温度虽然不直接反映在上述计算公式中，但它是设计中选择
材料和确定许用应力时不可缺少的一个参数。
设计温度的确定
3.3 许用应力与安全系数
3.5.2 腐蚀裕量C2
• 由于容器在使用过程中会受到介质的腐蚀，因此必须考虑一定的 腐蚀裕量；
• 介质不同、材料不同，所考虑的腐蚀裕量值也不尽相同。
3.6 钢板厚度
许用应力 t 0 极限应力
n 安全系数
❖ 极限应力的取法取决于材料的类型：
▪ 塑性材料制成的承压件：一般以屈服点为许用应力； ▪ 脆性材料制成的容器，一般以抗拉强度为许用应力； ▪ 对于锅炉和压力容器的承压部件，一般也以抗拉强度作为
许用应力。
❖ 影响安全系数的主要因素
• 材料性能的稳定、可靠性及其可能存在偏差的大小； • 估算的载荷状态及其数值上的偏差； • 计算方法的精确程度； • 制造工艺及其允许的偏差； • 检验手段及其严格的程度； • 使用操作的经验。
S
PD
2 t
S Pc Di S
2[ ]t
整理得到计算壁厚S的公式，
❖ 若基于外径：
S Pc Di
2[ ]t Pc
基于内径的圆筒 计算壁厚公式
同样取第三强度理论，SΒιβλιοθήκη PD2 tS
Pc Do S
2[ ]t
整理得到计算壁厚S的公式，
S
Pc Do
2[ ]t
Pc
基于外径的圆筒 计算壁厚公式
若考虑腐蚀裕量C2，得到 设计壁厚Sd， Sd S C2 名义壁厚 Sn Sd C1
• 当容器针对某一使用条件需要判废时，应提出判废标准。
1. 关于弹性失效的设计准则
• 弹性失效：内压容器一处的最大应力达到材料在设计温度下的
屈服点时，容器即为受到破坏，也就是说，容器的每一部分都必 须处于弹性变形范围之内；
• 设计准则：为了保证安全，必须留有一定的安全裕度：
当
0
n
[ ]
2. 强度理论及其相应的强度条件