内压薄壁容器的设计计算.ppt

内压薄壁容器的设计计算 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望一、内压薄壁容器一、内压薄壁容器1、容器、容器：容器是制浆造纸生产中所用的各种设备外部壳体：容器是制浆造纸生产中所用的各种设备外部壳体的总称。的总称。n一般由筒体（壳体）、封头（端盖）、法兰、支座、接口一般由筒体（壳体）、封头（端盖）、法兰、支座、接口管、人孔、手孔、视镜等组成。管、人孔、手孔、视镜等组成。1-端盖端盖 2-进料管进料管 3-推料螺旋推料螺旋 4-壳体壳体 5-仪表接孔仪表接孔 6-手孔手孔7-备用排气管备用排气管 8-传动链条传动链条 9-出料管出料管 10支座支座 11-进汽管进汽管 12-轴承轴承22、容器的分类、容器的分类（1）按受力情况：内部介质的压力大于外界压力，称为内）按受力情况：内部介质的压力大于外界压力，称为内压容器。反之称为外压容器。压容器。反之称为外压容器。q常压容器：压力常压容器：压力p0.07MPaq内压容器：内压容器：n0.07p1.6MPa；低压容器；低压容器n1.6p10MPa；高压容器；高压容器q外压容器外压容器3（2）按壁厚分为薄壁容器、厚壁容器）按壁厚分为薄壁容器、厚壁容器n按照容器的外径（按照容器的外径（Do）和内径（）和内径（Di）的比值）的比值K=Do/Diq薄壁容器：薄壁容器：K1.2n厚壁容器多用于高温、高压条件，制浆造纸应用较多的是厚壁容器多用于高温、高压条件，制浆造纸应用较多的是薄壁容器。薄壁容器。4（3）按照容器的形状）按照容器的形状n方形或矩形：由平板焊接而成，制造简单，但承压能力低，方形或矩形：由平板焊接而成，制造简单，但承压能力低，用于小型常压贮槽。用于小型常压贮槽。n球形：节省材料，承压能力强，但制造困难，设备内件安球形：节省材料，承压能力强，但制造困难，设备内件安装不方便，一般用作贮罐。装不方便，一般用作贮罐。n圆筒形：主体为圆柱形筒体，加各种形式的封头（半球形、圆筒形：主体为圆柱形筒体，加各种形式的封头（半球形、椭圆形、锥形、碟形、平盖板）。制造容易，设备内件安椭圆形、锥形、碟形、平盖板）。制造容易，设备内件安装方便，承压能力强，应用广泛。装方便，承压能力强，应用广泛。5（4）按容器所用的材料）按容器所用的材料n金属材料：低碳钢、低合金钢、不锈钢、复合钢板、铜、金属材料：低碳钢、低合金钢、不锈钢、复合钢板、铜、铝等；铝等；n非金属材料：聚氯乙烯、玻璃钢、陶瓷、石墨、橡胶等；非金属材料：聚氯乙烯、玻璃钢、陶瓷、石墨、橡胶等；可用作容器的构件或衬里等。可用作容器的构件或衬里等。n内压薄壁容器：内压薄壁容器：n容器的外径和内径之比容器的外径和内径之比 K1.2的内压容器，称为内压薄壁的内压容器，称为内压薄壁容器。容器。n内压薄壁容器的设计主要是根据操作条件和制造工艺来确内压薄壁容器的设计主要是根据操作条件和制造工艺来确定筒体的结构和壁厚。对于已有容器可以进行强度校核或定筒体的结构和壁厚。对于已有容器可以进行强度校核或最大允许操作压力的验算。最大允许操作压力的验算。6二、内压圆筒体的强度计算二、内压圆筒体的强度计算n制浆造纸过程中，圆筒形容器主要有：制浆造纸过程中，圆筒形容器主要有：n立式蒸煮锅、塔式连蒸设备、横管连蒸设备、烘缸（焊接）立式蒸煮锅、塔式连蒸设备、横管连蒸设备、烘缸（焊接）、加压溶气气浮的溶气罐、氧漂白塔。、加压溶气气浮的溶气罐、氧漂白塔。n氧漂的通常工艺条件：浆浓：氧漂的通常工艺条件：浆浓：10-14%；反应温度：；反应温度：90-120；氧压：；氧压：0.4Mpa；氧用量：氧用量：2-3%。7氧漂白塔的结构氧漂白塔的结构 n中浓氧漂白塔为带压的升流式漂白中浓氧漂白塔为带压的升流式漂白塔塔，氧漂白塔塔体为圆筒形容器。，氧漂白塔塔体为圆筒形容器。升流式氧漂白塔外形升流式氧漂白塔外形1塔体塔体2进浆口进浆口3纸浆分散器纸浆分散器4卸料器卸料器5喷浆管喷浆管 8氧漂白塔的强度设计计算氧漂白塔的强度设计计算n中浓纸浆氧漂白是在一定压力下进行的，工艺上一般要求中浓纸浆氧漂白是在一定压力下进行的，工艺上一般要求塔顶表压力在塔顶表压力在0.4MPa以上，因此氧漂白塔属于压力容器。以上，因此氧漂白塔属于压力容器。n在设计氧漂白塔时，除了工艺设计以外，还要进行强度设在设计氧漂白塔时，除了工艺设计以外，还要进行强度设计计算，以保证氧漂白塔在运行时具有可靠性和安全性。计计算，以保证氧漂白塔在运行时具有可靠性和安全性。n氧漂白塔的强度设计计算，主要是圆筒体部分的壁厚计算。氧漂白塔的强度设计计算，主要是圆筒体部分的壁厚计算。9n圆筒形容器，半径为圆筒形容器，半径为R（直径为（直径为D）n径向应力：径向应力：n周向应力：周向应力：n周向应力是径向应力的周向应力是径向应力的2倍，因此在设计圆筒形容器时注倍，因此在设计圆筒形容器时注意：意：（1）径向（轴向）焊缝的强度应高于环向焊缝。）径向（轴向）焊缝的强度应高于环向焊缝。（2）在筒身上开椭圆形人孔，其短轴应在轴线方向。）在筒身上开椭圆形人孔，其短轴应在轴线方向。10强度理论强度理论n第一强度理论第一强度理论q最大拉应力理论：最大拉应力理论：n第二强度理论第二强度理论q最大拉应变理论：最大拉应变理论：n第三强度理论第三强度理论q最大剪应力理论：最大剪应力理论：n第四强度理论第四强度理论q最大形状改变比能理论：最大形状改变比能理论：11（一）（一）运用第一强度理论计算氧漂白塔塔体部分壁厚运用第一强度理论计算氧漂白塔塔体部分壁厚n把氧漂白塔塔体部分看为内压圆筒体。根据第一强度理论，内压圆筒体把氧漂白塔塔体部分看为内压圆筒体。根据第一强度理论，内压圆筒体的强度条件为：的强度条件为：(7-2)式中式中P设计压力，设计压力，MPa S内压圆筒体壁厚，内压圆筒体壁厚，mm D压力容器的壁厚中间面直径，压力容器的壁厚中间面直径，mm 容器所用材料的许用应力，容器所用材料的许用应力，MPa，许用应力的数值，可查有关手册；，许用应力的数值，可查有关手册；n考虑到圆筒体焊缝处强度的降低，设计时引入焊缝系数考虑到圆筒体焊缝处强度的降低，设计时引入焊缝系数 （1）,则式则式(7-2)就成为：就成为：(7-3)若以圆筒体内径若以圆筒体内径Di(D=Di+S)表示表示,则式则式(7-3)就可改写为：就可改写为：12 (7-4)n若考虑到介质对圆筒的腐蚀作用，以及钢板厚度的不均匀和制造若考虑到介质对圆筒的腐蚀作用，以及钢板厚度的不均匀和制造过程中的损耗等原因，在最后确定所计算的壁厚时过程中的损耗等原因，在最后确定所计算的壁厚时,要增加一壁厚要增加一壁厚附加量附加量C。则。则按第一强度理论设计计算内压圆筒体的壁厚为按第一强度理论设计计算内压圆筒体的壁厚为：n （7-5）式中式中Di圆筒体内径，圆筒体内径，mm Sc考虑了腐蚀裕度时圆筒体设计壁厚，考虑了腐蚀裕度时圆筒体设计壁厚，mm 焊缝系数焊缝系数 C壁厚附加量，壁厚附加量，mm 其他符号意义同式（其他符号意义同式（7-2）。）。13（二）（二）运用第四强度理论计算氧漂白塔圆筒体部分壁厚运用第四强度理论计算氧漂白塔圆筒体部分壁厚n如根据第四强度理论，圆筒体的强度条件为：如根据第四强度理论，圆筒体的强度条件为：n （76）n把把 ，代入上式，并且也作如运用第一强度理论时一样的运算，就代入上式，并且也作如运用第一强度理论时一样的运算，就可得：可得：（77）n比较式（比较式（7-5）和式（）和式（7-7），分母右边第一项相差），分母右边第一项相差0.3 。也就是。也就是说，按式（说，按式（7-7）计算的圆筒壁厚）计算的圆筒壁厚Sc要小于按式（要小于按式（7-5）计算的）计算的Sc。n在工程设计中，目前常用式（在工程设计中，目前常用式（7-5）进行设计计算，即采用第一强度理）进行设计计算，即采用第一强度理论推出的设计公式。论推出的设计公式。14（三）（三）设计公式中各参数的确定设计公式中各参数的确定1.设计压力设计压力n最大允许工作压力是指压力容器在工作过程中可能产生的最大允许工作压力是指压力容器在工作过程中可能产生的最高表压力，由工艺过程的技术指标确定，一般设计压力最高表压力，由工艺过程的技术指标确定，一般设计压力P就取略高于最大允许工作压力。就取略高于最大允许工作压力。n如氧漂白塔如氧漂白塔使用了安全阀，就取设计压力为最大工作压力使用了安全阀，就取设计压力为最大工作压力的的1.051.10倍倍。对一般反应容器，当操作压力由于化学。对一般反应容器，当操作压力由于化学反应等原因会突然上升时，按其升压速度的快慢，取最大反应等原因会突然上升时，按其升压速度的快慢，取最大允许工作压力的允许工作压力的1.151.30倍作为设计压力。倍作为设计压力。152.设计温度设计温度n温度在计算公式中没有直接反应出来，但它对选择材料及温度在计算公式中没有直接反应出来，但它对选择材料及选取许用应力有直接关系。选取许用应力有直接关系。n设计温度一般取压力容器工作过程中，在相应的设计压力设计温度一般取压力容器工作过程中，在相应的设计压力下容器壁可能达到的最高或最低的温度，而且只有在下容器壁可能达到的最高或最低的温度，而且只有在20oC以下时，设计温度才取最低温度。以下时，设计温度才取最低温度。163.许用应力许用应力n在设计温度下的许用应力值在设计温度下的许用应力值 ，可以根据不同材料查有关手册。，可以根据不同材料查有关手册。n许用应力是按材料各项强度数据分别除以相应的安全系数许用应力是按材料各项强度数据分别除以相应的安全系数，取其中的，取其中的最小值，即取下式中的最小值：最小值，即取下式中的最小值：（7-10）式中式中 材料抗拉强度，材料抗拉强度，MPa ，分别为在常温和设计温度下的屈服极限，分别为在常温和设计温度下的屈服极限，MPa 设计温度下材料的持久强度极限，设计温度下材料的持久强度极限，MPa 设计温度下材料的蠕变极限，设计温度下材料的蠕变极限，MPanb、ns、nD、nn安全系数，可从有关手册中查到。安全系数，可从有关手册中查到。174.焊缝系数焊缝系数n设计计算中所取焊缝系数的大小，主要是根据压力容器受设计计算中所取焊缝系数的大小，主要是根据压力容器受压部分的焊缝位置、焊接接头和焊缝的无损探伤检验要求压部分的焊缝位置、焊接接头和焊缝的无损探伤检验要求而定的。而定的。185.厚度附加量厚度附加量Cn厚度附加量按下式确定：厚度附加量按下式确定：C=C1+C2（7-11）式中式中C1钢板厚度负偏差，钢板厚度负偏差，mm，可从有关手册中查到，可从有关手册中查到 C2腐蚀裕量，腐蚀裕量，mm，根据介质的腐蚀性和容器的使用，根据介质的腐蚀性和容器的使用寿命决定。对于碳素钢和低合金钢，取寿命决定。对于碳素钢和低合金钢，取C2不小于不小于1mm；对；对不锈钢，当介质的腐蚀性极微时，取不锈钢，当介质的腐蚀性极微时，取C2=0。19n由内压圆筒体壁厚设计计算公式可以解决三类问题：由内压圆筒体壁厚设计计算公式可以解决三类问题：1、强度校核强度校核：对已有容器，已知材料，壁厚，工作时的负：对已有容器，已知材料，壁厚，工作时的负荷，可以由以上公式（荷，可以由以上公式（75）对容器进行强度校核。根）对容器进行强度校核。根据已知条件求出最大工作应力据已知条件求出最大工作应力 ，若，若 ，则容器工，则容器工作安全，否则强度不够。作安全，否则强度不够。2、壁厚设计计算壁厚设计计算：已知最大工作载荷（或设计压力）和材：已知最大工作载荷（或设计压力）和材料的许用应力，可以设计壁厚。直接使用公式（料的许用应力，可以设计壁厚。直接使用公式（75）。）。3、确定许可载荷确定许可载荷：已知壁厚，材料的许用应力，可以确定：已知壁厚，材料的许用应力，可以确定工作时的最大应力工作时的最大应力Pmax。由公式（。由公式（75）计算得到）计算得到P。20n某氧漂塔容积为某氧漂塔容积为80m3，内径为，内径为2200mm，最大工作压力为，最大工作压力为0.9MPa，筒体材料为，筒体材料为316不锈钢，不锈钢，150下下316不锈钢的不锈钢的许用应力为许用应力为117MPa，在，在20环境温度下环境温度下316不锈钢的许用不锈钢的许用应力为应力为118MPa，筒体采用双面焊对接接头，局部无损检，筒体采用双面焊对接接头，局部无损检测，取钢板负偏差为测，取钢板负偏差为0.8mm，取腐蚀裕度为，取腐蚀裕度为2.0mm。试设。试设计筒体壁厚。计筒体壁厚。n设计压力设计压力P0.91.1=1.0MPan筒体壁厚：筒体壁厚：取整数，取整数，SC14mm21三、内压球形容器的强度计算（蒸球）三、内压球形容器的强度计算（蒸球）蒸球为内压薄壁容器，其应力符合拉普拉斯方程式：蒸球为内压薄壁容器，其应力符合拉普拉斯方程式：球球形形壳壳体体各各点点曲曲率率半半径径相相等等，即即R1=R2=R，故故球球壳壳上上各各点点的的径径向向应应力力1与与周向应力周向应力2也相等，即也相等，即1=2=将此关系代入将此关系代入 上式，得上式，得：按第一强度理论，应满足：按第一强度理论，应满足：考虑到筒体焊缝处强度的降低，设计时引入焊缝系数考虑到筒体焊缝处强度的降低，设计时引入焊缝系数（1），故有：），故有：上式中上式中D为中间面直径，改为球体内径为中间面直径，改为球体内径Di表示，则有：表示，则有：上式引入壁厚附加量上式引入壁厚附加量C，得到球体壁厚计算公式为：，得到球体壁厚计算公式为：22式中式中 Sc考虑到腐蚀裕度时容器的壁厚（考虑到腐蚀裕度时容器的壁厚（mm）P设计压力（或最大工作压力）（设计压力（或最大工作压力）（MPa）Di球体内径（球体内径（mm）材料的许用应力（材料的许用应力（MPa）焊缝系数焊缝系数 C壁厚附加量（壁厚附加量（mm）根据以上公式，可求出蒸球的厚度。根据以上公式，可求出蒸球的厚度。23例例：已已知知某某蒸蒸球球用用20g锅锅炉炉钢钢板板焊焊接接制制成成，其其最最高高工工作作压压力力为为7.85105帕，蒸球容积帕，蒸球容积25米米3，试求蒸球的厚度。，试求蒸球的厚度。25米米3的的蒸蒸球球内内径径为为3650毫毫米米，20g锅锅炉炉钢钢板板在在175时时其其许许应应力力=1324105Pa.蒸蒸球球采采用用双双面面焊焊的的对对接接焊焊缝缝，且且进进行行局局部部无无损损探探伤伤，故故取取其其焊焊缝缝系系数数为为=0.85，将将以以上上数数据据带入公式得：带入公式得：=7.02+C(mm)采采用用硫硫酸酸盐盐蒸蒸煮煮，其其腐腐蚀蚀余余度度取取57毫毫米米。为为保保证证蒸蒸球球的的使使用寿命，取用寿命，取C=6毫米，则：毫米，则：Sc=13.02mm,取整数，取整数，Sc=14mm 故故25米米3的蒸球壁厚度为的蒸球壁厚度为14毫米。毫米。24n1、一个、一个25m3蒸球，已知内径为蒸球，已知内径为3650mm，壁厚附加量为，壁厚附加量为6mm，焊缝系数，焊缝系数0.9，最大工作压力为，最大工作压力为0.8MPa，所用材料，所用材料许用应力许用应力115MPa，水压试验压力为，水压试验压力为1.1MPa，试设计壁厚，试设计壁厚及计算水压试验产生的最大压力。及计算水压试验产生的最大压力。（14mm，139.1MPa）n2、已知蒸球内径为、已知蒸球内径为3650mm，壁厚为，壁厚为14mm，焊缝系数，焊缝系数0.9,最大工作压力最大工作压力0.8MPa,材料许用应力材料许用应力115MPa，钢板负，钢板负偏差为偏差为2mm腐蚀速度为腐蚀速度为1.0mm/年，该蒸球可以使用几年年，该蒸球可以使用几年？（约（约5年）年）n3、400t/d的的Kamyr连续蒸煮器，其蒸煮锅内径为连续蒸煮器，其蒸煮锅内径为4000mm，壁厚附加量，壁厚附加量6mm，焊缝系数，焊缝系数0.95，最大工作压力，最大工作压力1.2MPa，材料许用应力为，材料许用应力为115MPa，求蒸煮锅的最小实际壁厚。，求蒸煮锅的最小实际壁厚。（约（约30mm）25