第三章 內(nèi)壓薄壁容器設(shè)計

《第三章 內(nèi)壓薄壁容器設(shè)計》由會員上傳分享，免費在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫。

1、第三章內(nèi)壓薄壁容器設(shè)計第一節(jié)內(nèi)壓薄壁圓筒設(shè)計【學(xué)習(xí)目標】通過內(nèi)壓圓筒應(yīng)力分析和應(yīng)用第一強度理論，推導(dǎo)出內(nèi)壓圓筒壁厚設(shè)計公式。掌握內(nèi)壓圓筒壁厚設(shè)計公式，了解邊緣應(yīng)力產(chǎn)生的原因及特性。一、內(nèi)壓薄壁圓筒應(yīng)力分析當(dāng)圓筒壁厚與曲面中徑之比δ/D≤0.1或圓筒外徑、內(nèi)徑之比K=D0/Di≤1.2時，可認為是薄壁圓筒。1、基本假設(shè)①圓筒材料連續(xù)、均勻、各向同性；②圓筒足夠長，忽略邊界影響（如筒體兩端法蘭、封頭等影響）；③圓筒受力后發(fā)生的變形是彈性微小變形；④殼體中各層纖維在受壓（中、低壓力）變形中互不擠壓，徑向應(yīng)力很小，忽略不計；⑤器壁

2、較薄，彎曲應(yīng)力很小，忽略不計。2、圓筒變形分析圖3-1內(nèi)壓薄壁圓筒環(huán)向變形示意圖筒直徑增大，說明在其圓周的切線方向有拉應(yīng)力存在，即環(huán)向應(yīng)力（周向應(yīng)力）圓筒長度增加，說明在其軸向方向有軸向拉應(yīng)力存在，即經(jīng)向應(yīng)力（軸向應(yīng)力）。圓筒直徑增大還意味著產(chǎn)生彎曲變形，但由于圓筒壁厚較薄，產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力相對環(huán)向應(yīng)力和經(jīng)向應(yīng)力很小，故忽略不計。另外，對于受低、中壓作用的薄壁容器，垂直于圓筒壁厚方向的徑向應(yīng)力相對環(huán)向應(yīng)力和經(jīng)向應(yīng)力也很小，忽略不計。3、經(jīng)向應(yīng)力分析采用“截面法”分析。根據(jù)力學(xué)平衡條件，由于內(nèi)壓作用產(chǎn)生的軸向合力（外力）與殼壁

3、橫截面上的軸向總應(yīng)力（內(nèi)力）相等，即：13由此可得經(jīng)向應(yīng)力：圖3-2圓筒體橫向截面受力分析4、環(huán)向應(yīng)力分析采用“截面法”分析。圖3-3圓筒體縱向截面受力分析根據(jù)力學(xué)平衡條件，由于內(nèi)壓作用產(chǎn)生的環(huán)向合力（外力）與殼壁縱向截面上的環(huán)向總應(yīng)力（內(nèi)力）相等，即：（3-3）由此可得環(huán)向應(yīng)力：（3-4）5、結(jié)論通過以上分析可以得到結(jié)論：，即環(huán)向應(yīng)力是經(jīng)向應(yīng)力的2倍。因此，對于圓筒形內(nèi)壓容器，縱向焊接接頭要比環(huán)向焊接接頭危險程度高。在圓筒體上開設(shè)橢圓形人孔或手孔時，應(yīng)當(dāng)將短軸設(shè)計在縱向，長軸設(shè)計在環(huán)向，以減少開孔對殼體強度的影響。6、薄

4、壁無力矩理論在以上薄壁圓筒應(yīng)力分析過程中，13只考慮由于內(nèi)壓作用在筒壁產(chǎn)生的環(huán)向拉伸應(yīng)力和經(jīng)向拉伸應(yīng)力，而由于彎曲應(yīng)力值很小忽略不計、徑向應(yīng)力值很小忽略不計，采用這一近似方法分析薄壁圓筒，稱為薄壁無力矩理論。二、內(nèi)壓薄壁圓筒壁厚計算公式根據(jù)第一強度理論（最大主應(yīng)力理論），得到：引入焊接接頭系數(shù)，得到：①圓筒以內(nèi)徑為基準時，將中徑D轉(zhuǎn)換為內(nèi)徑Di，D=Di+δ，得到：根據(jù)GB150規(guī)定，確定圓筒厚度的壓力為計算壓力，得到：導(dǎo)出，得到設(shè)計溫度下圓筒的計算厚度公式為：考慮介質(zhì)腐蝕、機械磨損因素，加上腐蝕裕量C2，得到設(shè)計厚度為:

5、再加上鋼板厚度負偏差C1，最后圓整取鋼板標準厚度。②圓筒以外徑為基準時，將中徑D轉(zhuǎn)換為外徑Do，D=Do-δ，得到：考慮介質(zhì)腐蝕、機械磨損因素，加上腐蝕裕量C2，得到設(shè)計厚度為:再加上鋼板厚度負偏差C1，最后圓整取鋼板標準厚度。③按GB150規(guī)定，設(shè)計溫度下的內(nèi)壓圓筒計算厚度公式適用范圍為：，這意味著GB150標準中設(shè)計壓力不大于35MPa的內(nèi)壓容器都適用該公式。三、邊緣應(yīng)力容器殼體兩部分之間相連接形成的邊界稱為連接邊緣，如筒體與筒體之間的焊接連接、筒體與封頭之間的焊接連接、筒體與容器法蘭之間的焊接連接等。在連接邊緣，如果

6、兩部分經(jīng)線形狀不一致，13曲率半徑不相等，那么在介質(zhì)壓力作用下，兩部分的變形也不一致，而且由于焊接連接的原因?qū)е伦冃蜗嗷ゼs束，彼此之間產(chǎn)生邊緣力和邊緣力矩的作用，由此在筒體內(nèi)部產(chǎn)生附加應(yīng)力——邊緣應(yīng)力。筒體與封頭連接邊緣受力狀態(tài)分析如圖3-4所示。邊緣應(yīng)力對殼體強度的影響表現(xiàn)出兩個特征：①局部性②自限性四、計算示例：100m3（DN3000）C5原料罐筒體壁厚計算教學(xué)項目一：100m3（DN3000）C5原料罐（設(shè)計任務(wù)書見第二章）工作壓力計算壓力工作溫度設(shè)計溫度筒體材料ReL[б][б]t焊接接頭系數(shù)腐蝕余量0.6MPa

7、0.66MPa70℃80℃Q245R245，148，1470.85（局部檢測）2mm五、壓力容器公稱直徑GB/T9019-2001《壓力容器公稱直徑》規(guī)定，壓力容器公稱直徑以容器圓筒直徑表示，分為兩個系列：①以內(nèi)徑為基準的壓力容器公稱直徑②以外徑為基準的壓力容器公稱直徑第二節(jié)內(nèi)壓橢圓形封頭設(shè)計【學(xué)習(xí)目標】學(xué)習(xí)GB150.3《設(shè)計》第5章“封頭”和GB/T21598-2010《壓力容器封頭》，了解各種封頭結(jié)構(gòu)及設(shè)計計算，掌握標準橢圓形封頭的設(shè)計計算公式。一、內(nèi)壓橢圓形封頭應(yīng)力分析橢圓曲線方程：①在x=0即橢球殼頂點處，產(chǎn)生最

8、大應(yīng)力：當(dāng)a/b=2時，，說明半橢球殼頂點處的最大應(yīng)力與圓筒的環(huán)向應(yīng)力（最大應(yīng)力）相等，即在相同內(nèi)壓作用下，a/b=2的橢圓形封頭的厚度與相焊接的圓筒厚度是相等的。所以GB150把a/b=2的橢圓形封頭定義為標準橢圓形封頭。②在x=a即橢球殼的邊緣處，，當(dāng)時，，說明時，環(huán)向應(yīng)力為拉應(yīng)力。13當(dāng)a/b=2