內(nèi)壓薄壁容器設(shè)計

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1、第二節(jié)內(nèi)壓薄壁容器設(shè)計一、薄壁容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)㈠　薄壁容器根據(jù)容器外徑DO與內(nèi)徑Di的比值K來判斷，當(dāng)K≤1.2為薄壁容器K＞1.2則為厚壁容器㈡圓筒形薄壁容器承受內(nèi)壓時的應(yīng)力只有拉應(yīng)力無彎曲“環(huán)向纖維”和“縱向纖維”受到拉力。s1（或s軸）圓筒母線方向(即軸向)拉應(yīng)力，s2（或s環(huán)）圓周方向的拉應(yīng)力。㈢　圓筒的應(yīng)力計算1.軸向應(yīng)力D-筒體平均直徑，亦稱中徑，mm；2.環(huán)向應(yīng)力分析：（1）薄壁圓筒受內(nèi)壓環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力兩倍。問題a：筒體上開橢圓孔，如何開應(yīng)使其短軸與筒體的軸線平行，以盡量減少開孔對縱截面的削弱程度，使環(huán)向應(yīng)力不致增加很多。分析：問題b：

2、鋼板卷制圓筒形容器，縱焊縫與環(huán)焊縫哪個易裂？筒體縱向焊縫受力大于環(huán)向焊縫，故縱焊縫易裂，施焊時應(yīng)予以注意。（2）分析式(4-1)和(4-2)也可知，內(nèi)壓筒壁的應(yīng)力和d/D成反比，d/D值的大小體現(xiàn)著圓筒承壓能力的高低。因此，分析一個設(shè)備能耐多大壓力，不能只看厚度的絕對值。二、無力矩理論基本方程式㈠基本概念與基本假設(shè)1．基本概念（1）旋轉(zhuǎn)殼體：殼體中面（等分殼體厚度）是任意直線或平面曲線作母線，繞其同平面內(nèi)的軸線旋轉(zhuǎn)一周而成的旋轉(zhuǎn)曲面。（2）軸對稱殼體的幾何形狀、約束條件和所受外力都是對稱于某一軸?；び玫膲毫θ萜魍ǔＪ禽S對稱問題。（3）旋轉(zhuǎn)殼體的幾何概念母

3、線與經(jīng)線法線、平行圓第一曲率半徑：經(jīng)線曲率半徑第二曲率半徑：垂直于經(jīng)線的平面與中面相割形成的曲線BE的曲率半徑2．基本假設(shè)假定殼體材料有連續(xù)性、均勻性和各向同性，即殼體是完全彈性的。(1)小位移假設(shè)　各點(diǎn)位移都遠(yuǎn)小于厚度?？捎米冃吻俺叽绱孀冃魏蟪叽?。變形分析中高階微量可忽略。2．基本假設(shè)(2)直線法假設(shè)　變形前垂直于中面直線段，變形后仍是直線并垂直于變形后的中面。變形前后法向線段長度不變。沿厚度各點(diǎn)法向位移相同，厚度不變。(3)不擠壓假設(shè)　各層纖維變形前后互不擠壓。㈡無力矩理論基本方程式無力矩理論是在旋轉(zhuǎn)薄殼的受力分析中忽略了彎矩的作用。此時應(yīng)力狀

4、態(tài)和承受內(nèi)壓的薄膜相似。又稱薄膜理論（4-3）——平衡方程（4-4）——區(qū)域平衡方程無力矩理論基本方程式：三、基本方程式的應(yīng)用1．圓筒形殼體第一曲率半徑R1=∞，第二曲率半徑R2=D/2代入方程（4-3）和（4-4）得：與式（4-1）、（4-2）同。2．球形殼體球殼R1＝R2=D/2，得：直徑與內(nèi)壓相同，球殼內(nèi)應(yīng)力僅是圓筒形殼體環(huán)向應(yīng)力的一半，即球形殼體的厚度僅需圓筒容器厚度的一半。當(dāng)容器容積相同時，球表面積最小，故大型貯罐制成球形較為經(jīng)濟(jì)。制造3．圓錐形殼體圓錐形殼半錐角為a，A點(diǎn)處半徑為r，厚度為d，則在A點(diǎn)處：代入（4-3）、（4-4）可得A點(diǎn)處的應(yīng)

5、力：，（4-6）錐形殼體環(huán)向應(yīng)力是經(jīng)向應(yīng)力兩倍，隨半錐角a的增大而增大；a角要選擇合適，不宜太大。在錐形殼體大端r=R時，應(yīng)力最大，在錐頂處，應(yīng)力為零。因此，一般在錐頂開孔。4．橢圓形殼體橢圓殼經(jīng)線為一橢圓，a、b分別為橢圓的長短軸半徑。由此方程可得第一曲率半徑為：（4-7）化工常用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，a/b=2，故頂點(diǎn)處：邊緣處：頂點(diǎn)應(yīng)力最大，經(jīng)向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力是相等的拉應(yīng)力。頂點(diǎn)的經(jīng)向應(yīng)力比邊緣處的經(jīng)向應(yīng)力大一倍；頂點(diǎn)處的環(huán)向應(yīng)力和邊緣處相等但符號相反。應(yīng)力值連續(xù)變化。㈡受液體靜壓的圓筒形殼體的受力分析筒壁上任一點(diǎn)的壓力值（不考慮氣體壓力）為：根據(jù)式（4-

6、3）（4-4）可得：底部支承的圓筒（a），液體重量由支承傳遞給基礎(chǔ)，筒壁不受液體軸向力作用，則s1=0。上部支承圓筒（b），液體重量使得圓筒壁受軸向力作用，在圓筒壁上產(chǎn)生經(jīng)向應(yīng)力：例題4-1：有一外徑為219mm的氧氣瓶，最小厚度為6.5mm，材料為40Mn2A，工作壓力為15MPa，試求氧氣瓶壁應(yīng)力解析：平均直徑mm經(jīng)向應(yīng)力MPa環(huán)向應(yīng)力MPa四、筒體強(qiáng)度計算實際設(shè)計中須考慮三個因素：（1）焊接接頭系數(shù)（2）容器內(nèi)徑（3）壁厚筒體內(nèi)較大的環(huán)向應(yīng)力不應(yīng)高于在設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力，即[s]t-設(shè)計溫度t℃下材料許用應(yīng)力，MPa。㈠焊接接頭系數(shù)鋼板卷焊。夾

7、渣、氣孔、未焊透等缺陷，導(dǎo)致焊縫及其附近區(qū)域強(qiáng)度可能低于鋼材本體的強(qiáng)度。鋼板[s]t乘以焊接接頭系數(shù)j，j≤1㈡容器內(nèi)徑工藝設(shè)計確定內(nèi)徑Di，制造測量也是內(nèi)徑，而受力分析中的D卻是中面直徑。解出d，得到內(nèi)壓圓筒的厚度計算式㈢壁厚考慮介質(zhì)腐蝕，計算厚度d的基礎(chǔ)上，增加腐蝕裕度C2。筒體的設(shè)計厚度為式中d-圓筒計算厚度，mm；dd-圓筒設(shè)計厚度，mm；Di-圓筒內(nèi)徑，mm；p-容器設(shè)計壓力，MPa；j-焊接接頭系數(shù)。另一種情況：筒體設(shè)計厚度加上厚度負(fù)偏差后向上圓整，即為筒體名義厚度。對于已有的圓筒，測量厚度為dn，則其最大許可承壓的計算公式為：式中：dn-圓筒

8、名義厚度圓整成鋼材標(biāo)準(zhǔn)值；de-圓筒有效厚度C-厚度附加量。設(shè)計溫