內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)1

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1、NanjingUniversityofTechnology《食品機(jī)械基礎(chǔ)》第三篇化工容器設(shè)計(jì)授課教師：仲兆祥第九章內(nèi)壓薄壁圓筒與封頭的強(qiáng)度設(shè)計(jì)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基本知識(shí)12內(nèi)壓薄壁圓筒與球殼的強(qiáng)度設(shè)計(jì)3內(nèi)壓圓筒封頭的設(shè)計(jì)9.1.1關(guān)于彈性失效的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則容器上一處的最大應(yīng)力達(dá)到材料在設(shè)計(jì)溫度下的屈服點(diǎn)，該容器即告破壞。(中低壓薄壁容器)強(qiáng)度安全條件：9.1強(qiáng)度設(shè)計(jì)的基本知識(shí)9.1.2強(qiáng)度理論及其相應(yīng)的強(qiáng)度條件由薄膜理論,圓筒壁內(nèi)應(yīng)力為經(jīng)向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力、法向應(yīng)力（被認(rèn)為是0）。則三項(xiàng)主應(yīng)力為：第三強(qiáng)度理論的強(qiáng)度條件為：因此圓筒強(qiáng)度條件為：9.2內(nèi)壓薄壁圓筒殼

2、與球殼的強(qiáng)度設(shè)計(jì)9.2.1強(qiáng)度計(jì)算公式依據(jù)第三強(qiáng)度理論，強(qiáng)度公式為：參數(shù)變換：1.將中徑換算為圓筒內(nèi)徑，D=Di+δ;2.壓力換為計(jì)算壓力Pc；3.考慮到焊縫處因氣孔、夾渣等缺陷以及熱影響區(qū)晶粒粗大等造成的強(qiáng)度削弱，引進(jìn)焊縫系數(shù)φ(≤1)；4.材料的許用應(yīng)力與設(shè)計(jì)溫度有關(guān)。內(nèi)壓圓筒強(qiáng)度計(jì)算公式：再考慮腐蝕裕量C2,于是得到圓筒的設(shè)計(jì)壁厚為：計(jì)算壁厚公式：在公式（9-2）基礎(chǔ)上，考慮到鋼板的負(fù)偏差C（鋼板在軋制時(shí)產(chǎn)生了偏差）——名義壁厚公式：再根據(jù)鋼板標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格向上圓整?！罱K名義厚度。這是寫(xiě)在圖紙上的厚度！式中δe——有效壁厚，δe=圓整后的壁厚（

3、δn）－C1－C2。強(qiáng)度校核公式：1）在工作壓力及溫度下，現(xiàn)有容器強(qiáng)度夠否？2）現(xiàn)有容器的最大允許工作壓力如何？1.壓力工作壓力pw---正常工作情況下，容器頂部可能達(dá)到的最高壓力。由工藝計(jì)算確定：化學(xué)反應(yīng)所要求的；傳遞過(guò)程所必需的；由液化氣體的飽和蒸汽壓所決定的。9.2.2.設(shè)計(jì)參數(shù)的確定設(shè)計(jì)壓力p：設(shè)定的容器頂部的最高壓力---設(shè)計(jì)載荷。取值方法：（1）容器上裝有安全閥取不低于安全閥開(kāi)啟壓力：p≥（1.05～1.1）pw系數(shù)取決于彈簧起跳壓力。（2）容器內(nèi)有爆炸性介質(zhì)，安裝有防爆膜時(shí)：取設(shè)計(jì)壓力為爆破片設(shè)計(jì)爆破壓力加制造范圍上限。P211表12

4、-2，表12-3。防爆膜裝置示意圖（3）無(wú)安全泄放裝置——取p=（1.0~1.1）pw。（4）盛裝液化氣容器——設(shè)計(jì)壓力應(yīng)根據(jù)工作條件下可能達(dá)到的最高金屬溫度確定。（地面安裝的容器按不低于最高飽和蒸汽壓考慮，如40℃，50℃，60℃時(shí)的氣體壓力）。注意：要考慮實(shí)際工作環(huán)境，如放置地區(qū)，保溫，遮陽(yáng)，噴水等。（5）外壓容器——取p≥正常操作下可能產(chǎn)生的最大壓差。（6）真空容器—※不設(shè)安全閥時(shí)，取0.1MPa；※設(shè)有安全閥時(shí)取Min（1.25×△p,0.1MPa)。釜壁可能承受壓力情況：※釜內(nèi)空料，夾套內(nèi)充蒸汽-----外壓0.2MPa;※釜內(nèi)真空，夾套

5、內(nèi)充蒸汽-----外壓0.3MPa;※釜內(nèi)0.3MPa，夾套內(nèi)0.2MPa----內(nèi)壓0.1MPa;※釜內(nèi)0.3MPa，夾套內(nèi)空料----內(nèi)壓0.3MPa;釜壁承受的最大壓差:內(nèi)壓0.3MPa或外壓0.3MPa.（7）帶夾套容器——取正常操作時(shí)可能出現(xiàn)的最大內(nèi)外壓差。例如帶夾套的反應(yīng)釜：夾套內(nèi)蒸汽壓力為0.2MPa,釜內(nèi)開(kāi)始抽真空，然后釜內(nèi)升壓至0.3MPa。該釜壁承受壓力如何？計(jì)算壓力pc---在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下，用以確定元件厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。當(dāng)元件所承受的液柱靜壓力小于5%設(shè)計(jì)壓力時(shí)，可忽略不計(jì)。即計(jì)算壓力=設(shè)計(jì)壓力+液柱靜壓力(≥

6、5%P時(shí)計(jì)入)可見(jiàn)，計(jì)算壓力≥設(shè)計(jì)壓力≥工作壓力=容器頂部表壓例：一立式容器，工作壓力0.5MPa，液體深10m，重度為10,000N/m3。pw=0.5MPa,p=0.5MPapc=0.5+(10×10,000)/1,000,000=0.6MPa2.設(shè)計(jì)溫度——指容器在正常工作情況下，設(shè)定的元件的金屬溫度（沿元件金屬截面的溫度平均值）?！O(shè)計(jì)溫度在容器設(shè)計(jì)中的作用：①選擇材料；②確定許用應(yīng)力?！_定設(shè)計(jì)溫度的方法：（1）對(duì)類似設(shè)備實(shí)測(cè)；（2）傳熱計(jì)算；（3）參照書(shū)P213表12-5。例如：不被加熱或冷卻的器壁，且壁外有保溫，取介質(zhì)溫度；用水蒸氣、

7、熱水或其它內(nèi)置加熱元件間接加熱時(shí)，取最高工作溫度；等等。3.許用應(yīng)力和安全系數(shù)定義式：（1）許用應(yīng)力[σ]的確定：※工作溫度為中溫，取※工作溫度為常溫（＜200℃），取※工作溫度為高溫，取式中δnt,δDt----設(shè)計(jì)溫度下材料的蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度。nn,nD----蠕變強(qiáng)度和持久強(qiáng)度的安全系數(shù)。（2）安全系數(shù)及其確定：影響安全系數(shù)的因素：①計(jì)算方法的準(zhǔn)確性、可靠性和受力分析的精度；②材料質(zhì)量和制造的技術(shù)水平；③容器的工作條件及其在生產(chǎn)中的重要性和危險(xiǎn)性。安全系數(shù)材料nbnsnDnn碳素鋼、低合金鋼≥3.0≥1.6≥1.5≥1.0高合金鋼≥3.0≥

8、1.5≥1.5≥1.04.焊接接頭系數(shù)（f）容器上存在有：縱焊縫----A類焊縫環(huán)焊縫----B類焊縫需要進(jìn)行無(wú)損檢驗(yàn)。檢