压力容器零部件的结构和计算

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解:工作介质对碳钢、低合金钢有轻微腐蚀,C2=0.1x20=2mm. 工作介质对碳钢、低合金钢有轻微腐蚀,C
焊缝采用双面对焊，局部无损探伤 Φ=0.85 t 筒体材料 Q235-B 插GB150 [σ ] =113MPa Q235计算厚度按 pc Di 0.8 1000 = 2×113××0.85−0.8 δ= 2[σ ]t ϕ − pc
σϕ
σθ
即为第一主应力， 即为第一主应力，经向应力
为第二主应力
另一个主应力是径向应力
σr
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无力矩理论（薄膜理论） 无力矩理论（薄膜理论）
K = Do / Di ≤ 1.2
薄壁壳体在内压作用下必产生应力而向外变形， 薄壁壳体在内压作用下必产生应力而向外变形， 在内压作用下必产生应力而向外变形 使其曲率半径增大，故必存在拉伸和弯曲应力。 使其曲率半径增大，故必存在拉伸和弯曲应力。 在特定条件下，认为， 在特定条件下，认为，弯曲应力相对于拉伸应 力可以忽略， 力可以忽略，采用这近似方法分析薄壁壳体的 理论为无力矩理论。 理论为无力矩理论。
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2． 压力容器失效形式 ．
1、失效的概念
压力容器因机械载荷或温度载荷过高而 丧失正常工作能力。 丧失正常工作能力。
2、压力容器及过程设备的失效形式
强度失效 刚度失效 失稳失效 泄漏失效
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2． 压力容器失效形式 ．
1、强度失效
因材料屈服或断裂引起的压力容器失效， 因材料屈服或断裂引起的压力容器失效，称 为强度失效。容器中某最大应力点超过屈服点 为强度失效。 后就会出现不可恢复的变形。随着载荷的增大， 后就会出现不可恢复的变形。随着载荷的增大， 容器的朔性区不断扩大， 容器的朔性区不断扩大，当载荷大到某一极限 朔性区就会扩展到一定的一定范围， 时，朔性区就会扩展到一定的一定范围，容器 便会失去了承载能力。 便会失去了承载能力。
t
当内压和内直径相同时， 当内压和内直径相同时， 球壳的壁厚约为圆筒的一 消耗钢材最少。 半，消耗钢材最少。 另外球形容器占地面积小， 另外球形容器占地面积小， 其表面积也最小， 其表面积也最小，相应带 来的保温等费用也少， 来的保温等费用也少，因 此球形容器在石油、化工、 此球形容器在石油、化工、 冶金、 冶金、国防等工业中得以 广泛应用， 广泛应用，如用以储存乙 液氢、氧气、 烯、液氢、氧气、液化石 油气、天然气等。 油气、天然气等。
图 薄壁圆筒在内压作用下的应力 周向应力或环向应力σθ 周向应力或环向应力 经向应力或轴向应力σφ 经向应力或轴向应力
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薄壳圆筒的应力（续） 薄壳圆筒的应力（ B点受力分析 点受力分析
B点 点
轴向：经向应力或轴向应力 轴向：经向应力或轴向应力σφ 圆周的切线方向：周向应力或环向应力 圆周的切线方向：周向应力或环向应力σθ 壁厚方向：径向应力 壁厚方向：径向应力σr σθ 、σφ ＞＞σr 三向应力状态
σ θ = 2σ ϕ
周向应力或环向应力 经向应力或轴向应力
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圆筒的厚度计算
容器圆筒承受均匀内压 作用时，其器壁中产 作用时， 生如下薄膜应力(设圆筒的平均直径为D,壁厚为 生如下薄膜应力(设圆筒的平均直径为D,壁厚为 )
pD σθ = 2δ 第一强度理论 pD pD σ1 = ≤ [σ ]t σϕ = 2δ 4δ σr ≈ 0
2、刚度失效
由于构件过度的弹性变形引起的失效，称为刚度失效。 由于构件过度的弹性变形引起的失效，称为刚度失效。 例如，露天立置的塔在风载荷作用下， 例如，露天立置的塔在风载荷作用下，若发生过大的 弯曲变形， 弯曲变形，会破坏塔的正常工作或塔体受到过大的弯 5 曲应力。 曲应力。
2． 压力容器失效形式 ．
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球壳的厚度计算
球形容器的壳体， 作用时， 球形容器的壳体，在承受均匀内压 作用时， 其周向薄膜应力与环向薄膜应力相等， 其周向薄膜应力与环向薄膜应力相等，即
pD σϕ = σθ = 4δ σr ≈ 0
第一强度理论
pD σ1 = ≤ [σ ]t 4δ
考虑了容器内直径与平均直径的关系和焊接接头系 数后， 数后，球壳的计算厚度公式为
3、失稳失效
在压应力作用下， 在压应力作用下，压力容器突然失去其原 有的规则几何形状引起的失效称为失稳失效
4、腐蚀失效
是指与介质接触的器壁受到腐蚀性介质的侵蚀而受到 的破坏。 的破坏。
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3.强度判据和强度理论 3.强度判据和强度理论
我国压力容器设计标准GB150 我国压力容器设计标准GB150采用的强度 GB150采用的强度 判据是弹性失效准则 判据是弹性失效准则
假定壁厚与直径相比很小，认为壁厚很薄 假定壁厚与直径相比很小， 几乎像薄膜一样，只承受拉应力或压应力， 几乎像薄膜一样，只承受拉应力或压应力，不 承受弯矩， 承受弯矩，且认为壳体内的应力沿厚度是均匀 9 薄膜应力。 分布的。这种器壁应力又称为薄膜应力 分布的。这种器壁应力又称为薄膜应力。
薄壁圆筒的应力 基本假设 壳体材料连续、均匀、各向同性； 壳体材料连续、均匀、各向同性； 受载后的变形是弹性小变形； 受载后的变形是弹性小变形； 壳壁各层纤维在变形后互不挤压。 壳壁各层纤维在变形后互不挤压。 典型的 薄壁圆筒
常规设计： 常规设计：
它以薄膜应力分析和 它以薄膜应力分析和弹性 失效设计准则为基础进行压 失效设计准则为基础进行压 力容器的强度设计，在开孔 接管等局部应力较复杂的部 位采用经验设计的方法进行 处理。 只考虑单一载荷，不考虑 交变载荷、容器的疲劳寿命。 目前各国压力容器设计中 仍大量采用常规设计的方法
认为容器只有完全处于弹性状态时，才是安全的， 认为容器只有完全处于弹性状态时，才是安全的， 一旦结构内某点计算应力进入朔性范围， 一旦结构内某点计算应力进入朔性范围，即达到 或超过材料的屈服点，即认为容器失效了。 或超过材料的屈服点，即认为容器失效了。 以壳体主体的基本薄膜应力不超过材料的许用应 壳体主体的基本薄膜应力不超过 不超过材料的许用应 力值；而对于因总体结构不连续的附加应力， 力值；而对于因总体结构不连续的附加应力，以应力 增强系数的形式引入壁厚计算公式。 增强系数的形式引入壁厚计算公式。
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例题1 例题1
例1 一个内压圆筒，设计压力p＝0.8MPa，设计温度t＝100 ℃， 一个内压圆筒，设计压力p 0.8MPa，设计温度t ℃， 圆筒内径Di＝1000mm，焊缝采用双面对焊，局部无损探伤； 圆筒内径Di＝1000mm，焊缝采用双面对焊，局部无损探伤； 工作介质对碳钢、低合金钢有轻微腐蚀，腐蚀速率为 Ka＜0.1mm／ ，设计受命B 20y，试在Q235- 16MnR两种材 Ka＜0.1mm／y，设计受命B＝20y，试在Q235-B、16MnR两种材 料中选用两种作筒体材料，并分别确定两种材料下简体壁厚各 为多少，由计算结果讨论选择哪种材料更省料。
C1 = 0 钢材厚度负偏差 名义厚度 δ n = δ d + C1 = 4.78 → 6mm
检查: 检查:
[σ ]
t
没变化, 没变化,故名义厚度
δ n = 6mm
结论: Q235- 名义厚度8mm,16MnR 结论:对Q235-B 名义厚度8mm,16MnR名义厚度 8mm,16MnR名义厚度 6mm,从经济性考虑最终选用Q235- 为宜. 从经济性考虑最终选用Q235 6mm,从经济性考虑最终选用Q235-B 为宜.
压力容器零部件 压力容器零部件的结构和计算 容器零部件的结构和计算
武汉工程大学化工设备设计研究所
2007 2007年7月
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本次课程主要内容
1、压力容器设计方法 2、压力容器失效形式 3、强度判据和强度理论 4、圆筒的厚度计算 5、封头的厚度计算 6、压力容器开孔及补强设计
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1.压力容器设计方法 压力容器设计方法
作用y截面x 作用y截面x方向内力 2tσ θ
y
σ
ϕ
t
σθ
Di
p
p
x
σϕ
σθ
(a)
(b)
半圆环上外力 2∫02 pRi sin α dα
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π
2.2.1 薄壳圆筒的应力（续） 薄壳圆筒的应力（
2 ∫ 2 pRi sin αdα = 2tσ θ 周向平衡 0
π
pD σθ = 2t
pD σϕ = 4t
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3.第一强度理论（最大主应力理论） 3.第一强度理论（最大主应力理论） 第一强度理论
材料无论在什么状态下，当三个主应力中 材料无论在什么状态下， 有一个在简单拉伸或压缩时发生的破坏的数值 材料便认为是已经破坏了。 时，材料便认为是已经破坏了。
σ 1 ≤ [σ ]
对于内压薄壁容器的回转壳体， 对于内压薄壁容器的回转壳体，周向应力 经向应力
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圆筒的厚度计算
pD σ1 = ≤ [σ ]t 2δ
D = Di + δ
p( Di + δ ) ≤ [σ ]t ϕ 2δ
pc Di δ= 2[σ ]t ϕ − p c
圆筒中径公式适用范围
•K≤1.5，等价于Pc≤0.4[σ]tφ K≤1.5，等价于Pc≤0.4[σ]tφ K≤1.5
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圆筒的厚度计算
圆筒中径公式适用范围
•K≤1.5，等价于Pc≤0.4[σ]tφ K≤1.5，等价于Pc≤0.4[σ] K≤1.5
σ =
t
D 2δ
PC =
Di +δ 2δ
PC =
Di
K +1 2( K −1)
PC ≤ [σ ]
t
Di + δ =
D0 + Di 2
=
K −1 2
K +1 2
δ=
D0 − Di 2
=
D0 K= ≤ 1.5 Di