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(共69张PPT)
4.1　强度设计的基本知识
4.2　内压薄壁圆筒壳与球壳的强度设计
4.3　封头的设计
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强度设计的基本知识
4.1.1 关于弹性失效的设计准则
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 , 如图 4 - 1 所示 。
4.1.2 强度理论及其相应的强度条件
　　建立这种应力状态的强度条件, 必须借助于强度理论, 将二向应力状态和三向应力状态转换成相当于单向拉伸应力状态的相当应力。欲建立式 (4 - 1) 所表示的强度条件, 必须解决两方面的问题 : 一是根据应力状态确定主应力 ; 二是确定材料的许用应力。对于承受均匀内压的薄壁圆筒形容器 , 其主应力为
4.1.2 强度理论及其相应的强度条件
4.1.2 强度理论及其相应的强度条件
2
内压薄壁圆筒壳与球壳的强度设计
大连理工大学出版社
4.2.1 强度计算公式
4.2.1 强度计算公式
4.2.1 强度计算公式
4.2.1 强度计算公式
4.2.1 强度计算公式
4.2.1 强度计算公式
4.2.2 设计参数的确定
1 . 压力
　　本书所涉及的压力 , 除注明者外 , 均指表压力 。
1
工作压力 pw
指在正常工作情况下 , 容器顶部可能达到的最高压力 。
2
设计压力 p
指设定的容器顶部的最高压力 , 它与相应的设计温度一起作为容器的基本设计载荷条件 , 其值不低于工作压力 。
3
计算压力 pC
指在相应设计温度下 , 用以确定壳体各部位厚度的压力 , 包括液柱静压力等附加载荷 。
4.2.2 设计参数的确定
4.2.2 设计参数的确定
4.2.2 设计参数的确定
4.2.2 设计参数的确定
4.2.2 设计参数的确定
2 . 设计温度
　　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 , 设定的元件的金属温度( 沿元件金属截面厚度的温度平均值 )。 设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件 。 标志在产品铭牌上的设计温度应是壳体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基本参数 。 容器的壁温可由实测同类设备获得 , 或由传热过程计算确定 ,当无法计算或实测壁温时 , 可按下列原则确定 :
　　(1) 容器器壁与介质直接接触且有外保温 ( 保冷 ) 时 , 设计温度应按表 4 - 5 中的 Ⅰ 或 Ⅱ确定 。
　　(2) 容器内介质用蒸气直接加热或被内置加热元件间接加热时 , 设计温度取最高工作温度 。
4.2.2 设计参数的确定
4.2.2 设计参数的确定
4.2.2 设计参数的确定
3 . 许用应力和安全系数
4.2.2 设计参数的确定
4.2.2 设计参数的确定
4.2.2 设计参数的确定
4.2.2 设计参数的确定
4.2.2 设计参数的确定
4.2.2 设计参数的确定
4 . 焊接接头系数
　　焊接接头系数是指对接焊接接头强度与母材强度之比值 , 用以反映由于焊接材料 、 焊接缺陷和焊接残余应力等因素使焊接接头强度被削弱的程度 , 是焊接接头力学性能的综合反映 。
　　我国的压力容器标准中的焊接接头系数仅根据压力容器的 A、B 类对接接头的焊接结构特点 ( 单面焊 、 双面焊 , 有或无垫板 ) 及无损检测的长度比例确定 , 与其他类别的焊接接头无关 。 具体按表 4 - 8 选取 。
　　压力容器的焊接必须由持有压力容器安全技术监察部门颁发的相应类别焊工合格证的焊工担任 。 压力容器无损检测亦必须由持有压力容器安全技术监察部门颁发的相应检测方法无损检测人员资格证书的人员担任 。
4.2.2 设计参数的确定
4.2.2 设计参数的确定
5 . 厚度附加量
　　压力容器在制造 、 使用过程中都会有厚度的减薄 , 为了保证容器在整个使用过程中保有必需的设计厚度 , 从而确保其设计寿命内的安全 , 在设计中应考虑厚度附加量 。 厚度附加量包括材料厚度负偏差 C1 、 介质的腐蚀裕量 C2和加工裕量 C3 , 即
C = C1 + C2 + C3
4.2.2 设计参数的确定
　　(1) 材料厚度负偏差 C1
　　板材或管材的厚度负偏差按相应材料标准的规定选取 , 表 4 - 9 列出了部分板材标准厚度负偏差 , 表 4 - 10 为部分钢管厚度负偏差 。
4.2.2 设计参数的确定
4.2.2 设计参数的确定
　　 (2) 介质的腐蚀裕量C2
　　为防止容器元件在运行过程中由于腐蚀 、 机械磨损 、 冲蚀而导致厚度减薄 , 设计时应根据具体运行情况 , 对与工作介质接触的筒体 、 封头 、 接管 、 人孔 、 手孔等部件考虑腐蚀裕量 。表 4 - 11 为筒体 、 封头的腐蚀裕量 , 表 4 - 12 为容器内件的单面腐蚀裕量 。
4.2.2 设计参数的确定
4.2.2 设计参数的确定
腐蚀裕量的选取原则如下 :
　　① 对有均匀腐蚀 、 磨损或冲蚀的元件 , 应根据预期的容器设计使用年限和介质对金属材料的腐蚀速率确定腐蚀裕量 ;
　　② 容器各元件受到的腐蚀程度不同时 , 可采取不同的腐蚀裕量 ;
　　③ 介质为压缩空气 、 水蒸气或水的碳素钢或低合金钢制容器 , 腐蚀裕量不小于 1 mm。
4.2.2 设计参数的确定
　　(3) 加工裕量C3
　　加工裕量又称加工减薄量 ,1989 年以前设计依据 《 钢制石油化工压力容器设计规定 》 规定 : 在厚度附加量中计入加工裕量 , 并由设计者根据容器的不同冷热加工成型状况选取加工裕量 ;GB 150—1989《 钢制压力容器 》 规定 : 设计者在图纸上注明的厚度不包括加工裕量 , 加工裕量由制造单位依据各自的加工工艺和加工能力自行确定 , 只要保证产品的实际厚度不小于名义厚度减去钢板的厚度负偏差即可 ;GB 150—1998《 钢制压力容器 》 进一步规定 : 对冷卷圆筒 , 投料的钢板厚度不得小于名义厚度减去钢板的厚度负偏差 ; 对凸形封头和热卷筒节成形后的厚度不小于该部件的名义厚度减去钢板的厚度负偏差 ;GB/T 150—2011《 压力容器 》 依然把加工裕量的确定交给制造厂处理 , 即由制造厂根据图样中名义厚度和最小成形厚度以及制造工艺自行决定加工裕量 , 同时也考虑到如果设计者根据设计经验和制造的实际经验 , 已经在设计中考虑了加工减薄量的需要 , 则应在图样中予以说明 。
4.2.3 容器的厚度和最小厚度
1 . 厚度
　　在上述强度设计的诸多公式中 , 为了便于设计以及满足设计和制造不同阶段厚度的变化 , 明确指出了计算厚度 ( δ )、 设计厚度 ( δd )、 名义厚度 ( δn ) 和有效厚度 ( δe ) 的含义 。 各种厚度之间的关系如图 4 - 2 所示 。
4.2.3 容器的厚度和最小厚度
4.2.3 容器的厚度和最小厚度
2 . 最小厚度
　　在容器设计中 , 对于计算压力很低的容器 , 按强度计算公式计算出的厚度很小 , 不能满足制造 、 运输和安装时的刚度要求 。 因此 , 对容器规定一最小厚度 。 最小厚度是指壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度 。GB/T 150.1—2011《 压力容器 第 1 部分 : 通用要求 》中对容器最小厚度 ( 不包括腐蚀裕量 ) 的规定是 : 对碳素钢 、 低合金钢制容器 , 不小于 3 mm;对高合金钢制容器 , 一般应不小于 2 mm。
　　另外 , 碳素钢和低合金钢制塔式容器的最小厚度为塔体内直径的 2/1 000, 且 不 小 于 3 mm, 不锈钢制塔式容器的最小厚度不小于 2 mm; 对于名义厚度取决于最小厚度且公称直径较大、 厚度较薄的容器 , 为防止在制造 、 运输或安装时产生过大的变形 , 应根据具体情况采取临时加固措施 , 如在容器内部设置临时性支承元件等 。
4.2.4 耐压试验
　　压力容器制成后 ( 或重大修理 、 改造后投入生产前 ), 应经耐压试验 , 且合格后才能投入使用 。
4.2.4 耐压试验
1 . 耐压试验的目的
　　耐压试验的目的是考察容器的整体强度 、 刚度和稳定性 ; 检查焊接接头的质量 ; 验证密封结构的密封性能 ; 消除或减低焊接残余应力 、 局部不连续区的峰值应力 ; 对微裂纹产生闭合效应 , 钝化微裂纹尖端 。
4.2.4 耐压试验
2 . 耐压试验的种类
液压试验
气液组合压力试验
气压试验
4.2.4 耐压试验
3 . 试验压力的确定
4.2.4 耐压试验
4.2.4 耐压试验
4 . 压力试验的应力校核
4.2.4 耐压试验
4.2.4 耐压试验
5 . 耐压试验的要求
　　制造完工的容器 , 应按图样规定进行耐压试验 ( 液压试验 、 气压试验或气液组合压力试验 )。 压力试验必须装配两个量程相同的并经过校正的压力表 。 压力表的量程为试验压力的 2 倍左右为宜 , 不应低于 1 . 5 倍试验压力或高于 4 倍试验压力 。 应在压力试验前向容器的开孔补强圈中通入 0 . 4 ~0 . 5 MPa 的压缩空气检查焊接接头质量 。
4.2.4 耐压试验
　　(1) 液压试验
　　液压试验一般采用水 , 需要时也可采用不会导致发生危险的其他液体 。 试验时液体的温度应低于其闪点或沸点 。 奥氏体不锈钢制容器用水进行液压试验后 , 应将水渍清除干净 。当无法清除干净时 , 应控制水中氯离子含量不超过 25 mg/L。
　　① 试验温度 。 对碳钢 、Q345R、Q370R 和 07MnMoVR 钢制容器进行液压试验时 , 液体温度不得低于 5 ℃; 对其他低合金钢制容器进行液压试验时 , 液体温度不得低于 15 ℃。 如果由于板厚等因素造成材料无塑性转变温度升高 , 则须相应提高试验液体温度 。
4.2.4 耐压试验
　　② 试验方法 。 试验时容器顶部应设排气口 , 充液时应将容器内的空气排净 , 试验过程中应保持容器观察表面干燥 。 试验时压力应缓慢上升至设计压力 , 若无泄漏 , 再缓慢上升 , 达到规定的试验压力 后 , 保压时间一般不少于 30 min。 然后将压力降至规定试验压力的80%, 并保持足够长的时间 , 以对所有焊接接头和连接部位进行检查 。 如有渗漏 , 修补后重新试验 , 直至合格 。 对于夹套容器 , 先进行内筒液压试验 , 合格后再焊夹套 , 然后进行夹套内的液压试验 ; 液压试验完毕后 , 应将液体排净 , 并用压缩空气将内部吹干 。
4.2.4 耐压试验
　　对于由两个或两个以上压力室组成的多腔压力容器 , 每个压力室的试验压力按其设计压力确定 , 各压力室分别进行耐压试验 。 试验前校核公用元件在试验压力下的稳定性 , 如不能满足稳定性要求 , 且保证原结构尺寸不变 , 则应先进行泄漏情况检查 , 确认相邻压力室之间不漏液后再进行耐压试验 。 在进行耐压试验时 , 相邻压力室应保持一定压力 , 以使整个压力试验过程( 包括升压 、 保压和卸压 ) 中任一时刻 , 各压力室压力差保持不变 。
4.2.4 耐压试验
　　③ 合格要求 。 液压试验时压力容器符合无渗漏 、 无可见的变形 、 试验过程中无异常的响声条件时 , 判定为合格 。
4.2.4 耐压试验
　　(2) 气压试验
　　由于气压试验比液压试验危险性大 , 所以应有安全措施 。 该安全措施需经试验单位技术总负责人批准 , 并经本单位安全部门检查监督 。 试验所用气体应为干燥洁净的空气 、 氮气或其他稀有气体 。
　　① 试验温度 。 对碳素钢和低合金钢制容器 , 气压试验时介质温度不得低于 15 ℃; 对其他钢制容器 , 气压试验温度按图样规定 。
　　② 试验方法。 试验时压力应缓慢上升, 至规定试验压力的10%, 保压 5~10 min, 然后对所有焊接接头和连接部位进行初次泄漏检查 , 如有泄漏 , 修补后重新试验。初次泄漏检查合格后, 方可继续缓慢升压至规定试验压力的 50%, 其后按规定试验压力的10% 的级差逐级增至规定试验压力。 保压10 min 后 , 将压力降至设计压力 , 并保持足够长的时间后再次进行检查 , 如有泄漏 , 修补后再按上述规定重复试验。 气压试验过程中严禁带压紧固螺栓 。
4.2.4 耐压试验
　　③ 合格要求 。 气压试验时压力容器符合无可见的变形 、 试验过程中无异常的响声 、 经过肥皂液或者其他检漏液检查无漏条件时 , 判定为合格 。
4.2.4 耐压试验
　　(3) 气液组合压力试验
　　对于因基础承重等原因无法注满液体进行耐压试验的压力容器 , 可根据承重能力先注入部分试验液体 , 然后注入试验气体 , 进行气液组合压力试验 。 试验用的液体 、 气体与液压试验和气压试验的要求相同 。 气液组合压力试验的温度 、 升降压要求 、 安全防护要求以及合格标准与气压试验要求相同 。
4.2.5 泄漏试验
　　介质的毒性程度为极度 、 高度危害或者设计上不允许有微量泄漏的压力容器 , 应在耐压试验合格后方可进行泄漏试验 。 对于设计图样要求做气压试验的压力容器 , 是否需要再做泄漏试验 , 应当在设计图样上规定 。
4.2.5 泄漏试验
泄漏试验根据试验介质的不同 , 分为：
1 . 气密性试验
3 . 卤素检漏试验
2 . 氨检漏试验
4 . 氦检漏试验
4.2.6 例 题
【 例4-1 】
　　某化工厂欲设计一台石油气分离用乙烯精馏塔 。 工艺参数为 : 塔体内径
Di = 600 mm, 计算压力 pc =2.2 MPa, 工作温度为 -3~20℃。 试选择塔体材料并确定塔体厚度 。
4.2.6 例 题
4.2.6 例 题
4.2.6 例 题
4.2.6 例 题
【 例4-2 】
　　有一锅炉汽包 , 其内径 D i =1 300 mm, 工作压力为 15. 6 MPa, 汽包上装有安全阀 , 设计温度为 350℃, 材质为 18MnMoNbR, 双面焊对接接头 ,100% 无损检测 , 试设计该汽包厚度 。
4.2.6 例 题
4.2.6 例 题
4.2.6 例 题
【 例4-3 】
　　有一库存很久的氧气瓶 , 其材质为 40Mn2A, 外径 D o =219mm, 系无缝钢管 收口而成 , 实测其最小壁厚 δ n =6. 5mm。 已知材料的 R m =784 . 8MPa, R eL =510. 12MPa, A=18%, 设计温度为常温 。 今欲在 15MPa 的压力下充装 , 问强度是否够 如强度不够 , 该氧气瓶的最大允许工作压力是多少
4.2.6 例 题
4.2.6 例 题
4.2.6 例 题

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