压力容器设计之厚壁容器.ppt

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1、压力容器设计之厚壁容器 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2.3 厚壁圆筒应力分析厚壁圆筒应力分析厚壁容器：厚壁容器：厚壁容器：厚壁容器：或设计压力在或设计压力在10100MPa之间的容器之间的容器2.2.12.2.1厚壁圆筒的结构形式厚壁圆筒的结构形式 高压容器在化工与石油化工企业中有很广泛的应用。高压容器在化工与石油化工企业中有很广泛的应用。如：合成氨、合成甲醇、合成尿素、油类加氢等合如：合成氨、合成甲醇、合成尿素、油类加氢等合成反应都是在高压反应

2、器中借助压力、温度和催化成反应都是在高压反应器中借助压力、温度和催化剂而进行的。这类反应器不但压力高，而且也伴有剂而进行的。这类反应器不但压力高，而且也伴有高温，例如：合成氨常在高温，例如：合成氨常在1532MPa压力和压力和500高温下进行合成反应的。高温下进行合成反应的。一、高压容器的应用一、高压容器的应用二、高压容器的结构特点二、高压容器的结构特点 因为直径大壁厚就增大，制造就越困难因为直径大壁厚就增大，制造就越困难三、高压容器的结构型式三、高压容器的结构型式筒体结构筒体结构单层式单层式组合式组合式整体锻造式整体锻造式锻焊式锻焊式卷焊式卷焊式单层瓦片式单层瓦片式无缝钢管式无缝钢管式层板包

3、扎式层板包扎式热套式热套式绕板式绕板式等等等等1 1、单层式、单层式（1 1）整体锻造式）整体锻造式（2 2）锻焊式）锻焊式 优点：直径可适当加大，总长度不受限制；直径可适当加大，总长度不受限制；缺点：缺点：由于分段制造，工作量加大，且深由于分段制造，工作量加大，且深 环焊缝焊接工艺要求较高并对筒体环焊缝焊接工艺要求较高并对筒体 强度有所削弱。强度有所削弱。（3 3）卷焊式）卷焊式 优点：优点：制造工艺简单、生产率高、周期短、制造工艺简单、生产率高、周期短、成本较低。成本较低。缺点：缺点：a）由于采用大型卷板机，若圆筒直径过小则无）由于采用大型卷板机，若圆筒直径过小则无法卷筒，一般直径法卷筒，

4、一般直径400mm才可使用此种结构。才可使用此种结构。b）可卷制的厚度也受到卷板机能力的限制。）可卷制的厚度也受到卷板机能力的限制。（直径大于（直径大于1000mm目前最大为目前最大为=110mm）c）厚钢板的综合性能不如薄钢板，冲击韧性较）厚钢板的综合性能不如薄钢板，冲击韧性较差。当壁厚较大时差。当壁厚较大时 要注意材料的韧性指标，以要注意材料的韧性指标，以防容器低应力下发生脆性破坏。防容器低应力下发生脆性破坏。）（4 4）单层互片式）单层互片式（5 5）无缝钢管式）无缝钢管式 高压无缝钢管的直径不超过高压无缝钢管的直径不超过500mm综合以上五种单层厚壁高压容器，受到如下几个综合以上五种单

5、层厚壁高压容器，受到如下几个因素的制约因素的制约a a）厚壁原材料的来源；）厚壁原材料的来源；b b）大型机械条件）大型机械条件c c）纵向或环向深厚焊缝中缺陷检测与消除的可）纵向或环向深厚焊缝中缺陷检测与消除的可能性。能性。由于以上因素而使以上五种结构的厚壁容器由于以上因素而使以上五种结构的厚壁容器使用受到限制，从而相继出现了许多组合式的高使用受到限制，从而相继出现了许多组合式的高压厚壁容器。压厚壁容器。2 2、组合式厚壁容器（即多层式）、组合式厚壁容器（即多层式）2 2、制造：、制造：用装置将层板逐层、同心用装置将层板逐层、同心 地包扎在内筒上；地包扎在内筒上；借纵焊缝的焊接收缩力使借纵焊

6、缝的焊接收缩力使 层板和内筒、层板与层板层板和内筒、层板与层板 之间互相贴紧，产生一定之间互相贴紧，产生一定 的预紧力；的预紧力；筒节上均开有安全孔筒节上均开有安全孔 报警。报警。筒体筒体深环焊缝深环焊缝筒节筒节内层内层1225mm外层外层412mm为避免裂纹沿壁厚为避免裂纹沿壁厚方向扩展，各层板方向扩展，各层板之间的纵焊缝应相之间的纵焊缝应相互错开互错开75。筒节的长度视钢板的筒节的长度视钢板的宽度而定，层数则随宽度而定，层数则随所需的厚度而定。所需的厚度而定。（1 1）多层包扎式）多层包扎式1 1、结构：、结构：多层包扎筒节多层包扎筒节多层包扎筒节多层包扎筒节3 3、优点：、优点：制造工艺

7、简单，不需大型复杂加工设备；制造工艺简单，不需大型复杂加工设备；安全可靠性高，层板间隙具有阻止缺陷和裂安全可靠性高，层板间隙具有阻止缺陷和裂纹向厚度方向扩展的能力；纹向厚度方向扩展的能力；减少了脆性破坏的可能性；减少了脆性破坏的可能性；包扎预应力改善筒体的应力分布；包扎预应力改善筒体的应力分布；对介质适应性强，可选择合适的内筒材料。对介质适应性强，可选择合适的内筒材料。4 4、缺点：、缺点：筒体制造工序多、周期长、效率低、钢材筒体制造工序多、周期长、效率低、钢材利用率低（仅利用率低（仅60%60%左右）；左右）；深环焊缝对制造质量和安全有显著影响。深环焊缝对制造质量和安全有显著影响。无损检测困

8、难，环焊缝的两侧均有层板，无损检测困难，环焊缝的两侧均有层板，无法用超声检测，只能射线检测；无法用超声检测，只能射线检测；焊缝部位存在很大的焊接残余应力，且焊缝部位存在很大的焊接残余应力，且焊缝晶粒易变得粗大而韧性下降；焊缝晶粒易变得粗大而韧性下降；环焊缝的坡口切削工作量大，且焊接复环焊缝的坡口切削工作量大，且焊接复杂。杂。5 5、应用情况：、应用情况：目前世界上使用最广泛、制造和使用经验最为丰富目前世界上使用最广泛、制造和使用经验最为丰富的组合式筒体结构。的组合式筒体结构。1、结构，制造：、结构，制造：内筒（厚度内筒（厚度 30mm）卷焊成直径不同但可）卷焊成直径不同但可过盈过盈配合配合的筒

9、节，将外层筒节加热到计算的温度进行的筒节，将外层筒节加热到计算的温度进行套合，冷却收缩后得到紧密贴合的厚壁筒节。套合，冷却收缩后得到紧密贴合的厚壁筒节。热套筒节热套筒节（2 2）热套式）热套式2 2、优点：、优点：工序少，周期短，且具有包扎式筒体的大多数工序少，周期短，且具有包扎式筒体的大多数优点。优点。3、缺点：缺点：筒体要有较准确的过盈量，卷筒的精度要求筒体要有较准确的过盈量，卷筒的精度要求很高，且套合时需选配套合；很高，且套合时需选配套合；套合时贴紧程度不很均匀；套合时贴紧程度不很均匀；套合后，需热处理以除套合预应力及深环焊套合后，需热处理以除套合预应力及深环焊缝的焊接残余应力。缝的焊接

10、残余应力。（3 3）绕板式）绕板式1、结构：、结构：由内筒、绕板层和外筒三部分组成，是在多层包由内筒、绕板层和外筒三部分组成，是在多层包扎式筒体的基础上发展起来的。扎式筒体的基础上发展起来的。2、制造：、制造：内筒与多层包扎式内筒相同，外层是在内筒外面内筒与多层包扎式内筒相同，外层是在内筒外面连续缠绕若干层连续缠绕若干层35mm厚的薄钢板而构成筒节，厚的薄钢板而构成筒节，只有内外两道纵焊缝，需要只有内外两道纵焊缝，需要2个楔形过渡段，外个楔形过渡段，外筒为保护层，由两块半圆或三块筒为保护层，由两块半圆或三块“瓦片瓦片”制成。制成。3、优点：机械化程度高，制造效率高，材料利用优点：机械化程度高，

11、制造效率高，材料利用率高（可达率高（可达90%以上）。以上）。4、缺点：、缺点：中间厚两边薄，累积间隙。中间厚两边薄，累积间隙。绕板式绕板式（4 4）整体多层包扎式）整体多层包扎式1 1、结构、结构：错开环缝和采用液压夹钳逐层包扎的圆筒结构。错开环缝和采用液压夹钳逐层包扎的圆筒结构。2 2、制造、制造：将内筒拼接到所需的长度，两端焊上法兰或封将内筒拼接到所需的长度，两端焊上法兰或封头；头；在整个长度上逐层包扎层板，待全长度上包扎在整个长度上逐层包扎层板，待全长度上包扎好并焊完磨平后再包扎第二层，直至所需厚度。好并焊完磨平后再包扎第二层，直至所需厚度。3 3、优点、优点：环、纵焊缝错开，筒体与封

12、头或法兰间的环焊缝环、纵焊缝错开，筒体与封头或法兰间的环焊缝为一定角度的斜面焊缝，承载面积增大。为一定角度的斜面焊缝，承载面积增大。内筒内筒包扎层板包扎层板端部法兰端部法兰底封头底封头整体多层包扎式厚壁容器筒体整体多层包扎式厚壁容器筒体 （5 5）绕带式）绕带式以钢带缠绕在内筒外面获得所需厚度筒壁以钢带缠绕在内筒外面获得所需厚度筒壁两种结构两种结构型槽绕带式型槽绕带式扁平钢带倾角错绕式扁平钢带倾角错绕式(1)型槽绕带式型槽绕带式 (2)用特制的型槽钢带螺旋缠绕在特制的内筒上，端用特制的型槽钢带螺旋缠绕在特制的内筒上，端(3)面形状见图面形状见图4-4（a），内筒外表面上预先加工有），内筒外表面

13、上预先加工有(4)与钢带相啮合的螺旋状凹槽。与钢带相啮合的螺旋状凹槽。缠绕时，钢带先经电加热，再进行螺旋缠绕，绕缠绕时，钢带先经电加热，再进行螺旋缠绕，绕制后依次用空气和水进行冷却，使其收缩产生预制后依次用空气和水进行冷却，使其收缩产生预紧力，可保证每层钢带贴紧；各层钢带之间靠凹紧力，可保证每层钢带贴紧；各层钢带之间靠凹槽和凸肩相互啮合，缠绕层能承受一部分由内压槽和凸肩相互啮合，缠绕层能承受一部分由内压引起的轴向力。引起的轴向力。（a a）型槽绕带式筒体）型槽绕带式筒体 （b b）型槽钢带结构示意图）型槽钢带结构示意图缩套环缩套环双锥面垫片双锥面垫片焊缝焊缝（a）（b）（5）绕带式）绕带式过

14、程 设 备 设 计优点：优点：筒体具有较高的安全性，机械化程度高，材料损筒体具有较高的安全性，机械化程度高，材料损耗少，且由于存在预紧力，在内压作用下，筒壁耗少，且由于存在预紧力，在内压作用下，筒壁应力分布较均匀。应力分布较均匀。缺点：缺点：钢带需由钢厂专门轧制，尺寸公差要求严，技钢带需由钢厂专门轧制，尺寸公差要求严，技术要求高；为保证邻层钢带能相互啮合，需采术要求高；为保证邻层钢带能相互啮合，需采用精度较高的专用缠绕机床。用精度较高的专用缠绕机床。（2 2）扁平钢带倾角错绕式）扁平钢带倾角错绕式 中国首创的一种新型绕带式筒体；该结构中国首创的一种新型绕带式筒体；该结构已被列入已被列入ASME

15、-1和和ASME-2标准的规范案例，标准的规范案例，编号分别为编号分别为 2229和和2269。内筒内筒钢带层钢带层底封头底封头端部法兰端部法兰（c c）扁平钢带倾角错绕式筒体扁平钢带倾角错绕式筒体与其它类型厚壁筒体相比，扁平钢带倾与其它类型厚壁筒体相比，扁平钢带倾角错绕式筒体结构具有设计灵活、制造角错绕式筒体结构具有设计灵活、制造方便、可靠性高、在线安全监控容易等方便、可靠性高、在线安全监控容易等优点。优点。结构：结构：内筒厚度约占总壁厚的内筒厚度约占总壁厚的1/61/4，采用采用“预应力冷绕预应力冷绕”和和“压棍预弯贴紧压棍预弯贴紧”技术，环向技术，环向1530倾角在薄内筒外交倾角在薄内筒

16、外交错缠绕扁平钢带。错缠绕扁平钢带。钢带宽约钢带宽约80-160mm、厚约、厚约4-16mm，其，其始末两端分别与底封头和端部法兰相焊始末两端分别与底封头和端部法兰相焊接。接。优点：优点：四、设计选型原则四、设计选型原则 各种结构型式的高压容器主要是围绕如何用经各种结构型式的高压容器主要是围绕如何用经济的方法获得大厚度这一中心问题而逐步发展济的方法获得大厚度这一中心问题而逐步发展出来的。在设计选型时必须综合原材料来源，出来的。在设计选型时必须综合原材料来源，配套的焊条焊丝、制造厂所具备的设计条件和配套的焊条焊丝、制造厂所具备的设计条件和工夹具条件，以及特殊材料焊接能力，热处理工夹具条件，以及特

17、殊材料焊接能力，热处理要求及工厂装备条件等等。要求及工厂装备条件等等。2.3.2单层圆筒的应力分析：（弹性应力分析）单层圆筒的应力分析：（弹性应力分析）一、厚壁容器的应力变形特点：一、厚壁容器的应力变形特点：1 1、应考虑径向应力，是三向应力状态；、应考虑径向应力，是三向应力状态；2 2、应力沿壁厚不均匀分布；、应力沿壁厚不均匀分布；3 3、若内外壁间的温差大，应考虑器壁中的热应力。、若内外壁间的温差大，应考虑器壁中的热应力。4 4、仍然是轴对称问题。、仍然是轴对称问题。静不定问题，需平衡、几何、物理静不定问题，需平衡、几何、物理等方程联立求解等方程联立求解分析方法：分析方法：有一两端封闭的厚

18、壁圆筒，受到内压有一两端封闭的厚壁圆筒，受到内压 Pi 和外和外压压P0 的作用，圆筒的内半径和外半径分别为的作用，圆筒的内半径和外半径分别为Ri、Ro，任意点的半径为，任意点的半径为r。以轴线为。以轴线为z轴建立圆柱坐轴建立圆柱坐标。求解远离两端处筒壁中的三向应力。标。求解远离两端处筒壁中的三向应力。由于筒体两端和封头连接，一般来说，筒体和与由于筒体两端和封头连接，一般来说，筒体和与其相连的封头或端盖的刚度是不同的，因此在这其相连的封头或端盖的刚度是不同的，因此在这些边缘处必然产生相互约束，从而使得相连处及些边缘处必然产生相互约束，从而使得相连处及附近筒体的应力状态和远离端部的筒体的应力状附

19、近筒体的应力状态和远离端部的筒体的应力状态不同使问题简化，我们避开端部影响区，从薄态不同使问题简化，我们避开端部影响区，从薄壳边缘应力的特性可知，只要离开端部一定距离，壳边缘应力的特性可知，只要离开端部一定距离，端部的影响便可忽略不计。端部的影响便可忽略不计。因此，我们假设：因此，我们假设：（1 1）筒体有足够的长度）筒体有足够的长度（2 2）满足连续性及各项同性的假设）满足连续性及各项同性的假设 二、单层厚壁圆筒的弹性应力分析：二、单层厚壁圆筒的弹性应力分析：1 1、取单元体受力分析、取单元体受力分析（1 1）取微元体）取微元体 取圆柱坐标取圆柱坐标r、z，为便于分析筒体上任一点的为便于分析

20、筒体上任一点的应力，围绕这一点取微元体。在距离端部足够远处，应力，围绕这一点取微元体。在距离端部足够远处，分别用：分别用：半径为半径为r r和和drdr的两个同心圆柱面；的两个同心圆柱面；过筒体对称轴夹角为过筒体对称轴夹角为dd的两个铅垂平面；的两个铅垂平面；以及相距为以及相距为dzdz的两个水平面，的两个水平面，从圆筒体上截取微元体从圆筒体上截取微元体abcdefgh。如图：。如图：（2 2）受力分析）受力分析轴向 环向环向 径向径向 面：和 面：和 面：面：面：面：和 2 2、列微元体平衡方程、列微元体平衡方程（1 1）各力分量在）各力分量在z z轴上的平衡：轴上的平衡：整理得：整理得：两

21、端同乘：两端同乘：得得 代入边界条件代入边界条件 根据应力互等定理根据应力互等定理（2）各力在过微元体中心的）各力在过微元体中心的r轴上的平衡轴上的平衡（3）各力在）各力在方向的平衡自然成立方向的平衡自然成立 因此，由上面推导可得，平衡方程只有一个，即因此，由上面推导可得，平衡方程只有一个，即 平衡方程平衡方程 3 3、几何方程应变与位移之间的关系、几何方程应变与位移之间的关系 由于结构及变力得对称性，厚壁圆筒在由于结构及变力得对称性，厚壁圆筒在 内压或内压或外压作用下要产生对称于轴线的膨胀外压作用下要产生对称于轴线的膨胀(内压内压)或或收缩（外压）。也就是说，横截面上各点都在收缩（外压）。也

22、就是说，横截面上各点都在原来所在的半径上发生径向位移。微元体各个原来所在的半径上发生径向位移。微元体各个面的位移情况如下图。即：沿半径方向（面的位移情况如下图。即：沿半径方向（r方向）方向）产生径向位移产生径向位移 u 及及udu，由，由ABCD变到变到ABCD 得：得：径向应变径向应变 环向应变环向应变 几何方程几何方程 4 4、变形协调方程、变形协调方程 变形协调方程 5 5、物理方程应力与应变的关系、物理方程应力与应变的关系 物理方程 因为在弹性范围内，所以满足虎克定律因为在弹性范围内，所以满足虎克定律6 6、建立应力微分方程平衡、几何、物理方程的综合、建立应力微分方程平衡、几何、物理方

23、程的综合 由 得 由 可知：即 由平衡方程得代入上式得 应力微分方程 7 7、求解应力微分方程、求解应力微分方程 上式可简化为能直接积分的形式 两边同时积分得 两边再同时积分一次得 可改写成 将 代入平衡方程 则 于是便有 应力微分方程的解、利用边界条件求积分常数、利用边界条件求积分常数 设壁厚筒半径为i，外半径为o，内压i，外压o，两端封闭 利用边界条件 将上面的两式相减得 将 代入 可解得 即有、建立应力公式拉美公式、建立应力公式拉美公式 将 代入式中得 1010、求轴向应力（截面法）、求轴向应力（截面法）如果圆筒两端是开口的，其横截面上沿圆筒轴线如果圆筒两端是开口的，其横截面上沿圆筒轴线

24、方向不变力，即方向不变力，即 如果圆筒两端是封闭的，由变形与平面假定可知，如果圆筒两端是封闭的，由变形与平面假定可知，圆筒上的横截面在变形后仍然保持为平面。圆筒上的横截面在变形后仍然保持为平面。根据根据圣维南原理，可以认为：圣维南原理，可以认为：沿壁厚均匀分布。沿壁厚均匀分布。在距离筒体端部较远处垂直于轴线截取分离体，在距离筒体端部较远处垂直于轴线截取分离体，如图：如图：即：即：式中式中 作用在端部的轴向力作用在端部的轴向力 圆环面积圆环面积 故有故有 径向应力径向应力周向应力周向应力轴向应力轴向应力称称Lam（拉美）公式（拉美）公式内压厚壁圆筒的应力沿壁厚的分布规律内压厚壁圆筒的应力沿壁厚的

25、分布规律:如图如图(1)应力分布：特殊点：应力厚壁圆筒中各应力分量分布厚壁圆筒中各应力分量分布 (a)仅受内压仅受内压 (b)仅受外压仅受外压 =-仅在内压作用下，筒壁中的应力分布规律：仅在内压作用下，筒壁中的应力分布规律：周向应力周向应力 及轴向应力及轴向应力 均为拉应力（正值），均为拉应力（正值），径向应力径向应力 为压应力（负值）。为压应力（负值）。且周向应力和径向应力沿壁厚成二次曲线的分布，非均匀且周向应力和径向应力沿壁厚成二次曲线的分布，非均匀分布，而且内壁大，外壁小，轴向应力沿壁厚均匀分布，分布，而且内壁大，外壁小，轴向应力沿壁厚均匀分布，不随着不随着r r的变化而发生变化，其危险

26、面为容器的内壁面，的变化而发生变化，其危险面为容器的内壁面，即筒体的内壁面是最大应力区即筒体的内壁面是最大应力区 分布特点分布特点 仅在外压作用下，筒壁中的应力分布规律：仅在外压作用下，筒壁中的应力分布规律：周向应力周向应力 及轴向应力及轴向应力 均为压应力（负值），均为压应力（负值），径向应力径向应力 为压应力（负值）。为压应力（负值）。且周向应力和径向应力沿壁厚成二次曲线的分布，非均匀分且周向应力和径向应力沿壁厚成二次曲线的分布，非均匀分布，而且外壁大，内壁小，轴向应力沿壁厚均匀分布，不随布，而且外壁大，内壁小，轴向应力沿壁厚均匀分布，不随着着r r的变化而发生变化的变化而发生变化.分布特

27、点分布特点 无论是内压作用还是外压作用，筒壁中的应力无论是内压作用还是外压作用，筒壁中的应力 分布均有如下规律：分布均有如下规律：分布特点分布特点 过程设备设计过程设备设计在数值上有如下规律：在数值上有如下规律：内壁周向应力内壁周向应力 有最大值，其值为：有最大值，其值为：外壁处减至最小，其值为：外壁处减至最小，其值为：内外壁内外壁 之差为之差为 ；径向应力内壁处为径向应力内壁处为 ，随着，随着 增加，增加，径向应力绝对值径向应力绝对值 逐渐减小，在外壁处逐渐减小，在外壁处 =0；轴向应力为一常量，沿壁厚均匀分布，且为周向应力与径向应力轴向应力为一常量，沿壁厚均匀分布，且为周向应力与径向应力

28、和的一半，即和的一半，即 仅在内压作用下仅在内压作用下过程设备设计过程设备设计除除 外，其它应力沿壁厚的不均匀程度与径比外，其它应力沿壁厚的不均匀程度与径比K值有关。值有关。以以 为例，外壁与内壁处的为例，外壁与内壁处的 周向应力周向应力 之比为：之比为：K值愈大不均匀程度愈严重，值愈大不均匀程度愈严重，当内壁材料开始出现屈服时，当内壁材料开始出现屈服时，外壁材料则没有达到屈服，外壁材料则没有达到屈服，因此筒体材料强度不能得到充分的利用。因此筒体材料强度不能得到充分的利用。仅在内压作用下仅在内压作用下1.一厚壁圆筒，内半径为一厚壁圆筒，内半径为100mm，外半径为，外半径为150mm，受，受6

29、0MPa内压和内压和30MPa外压作用，外压作用，求该求该圆筒内，外壁的径向应力，周向应力和轴向应力圆筒内，外壁的径向应力，周向应力和轴向应力。2.一厚壁圆筒，内径一厚壁圆筒，内径Di=800mm，在内压，在内压Pi作用下作用下实验测得筒体内壁的环向应力实验测得筒体内壁的环向应力试计算筒体外径试计算筒体外径Do=?轴向应力轴向应力二二 厚壁圆筒的温差应力厚壁圆筒的温差应力 高压容器在高压下多数还伴随着高温操作，高压容器在高压下多数还伴随着高温操作，内外壁常存在温差内外壁常存在温差。设内壁温度为设内壁温度为外壁温度为外壁温度为 当当 为内热式为内热式 即即 当当为外热式为外热式 即即 一般来说：

30、一般来说：壁厚越大，温差越大，温差应力也就越大壁厚越大，温差越大，温差应力也就越大 在进行厚壁圆筒的温差应力分析同样也要做基本的在进行厚壁圆筒的温差应力分析同样也要做基本的假设：假设：假设筒体有足够的长度，不受边缘力的影响假设筒体有足够的长度，不受边缘力的影响 ；由于温差作用使筒体变形前垂直于对称轴的平面由于温差作用使筒体变形前垂直于对称轴的平面变形后仍为平面；变形后仍为平面；轴向热应变为常量，即轴向热应变为常量，即为稳定传热问题。为稳定传热问题。1.1.厚壁圆筒的温差应力表达式厚壁圆筒的温差应力表达式厚壁圆筒的温差应力表达式厚壁圆筒的温差应力表达式过程设备设计过程设备设计1.1.厚壁圆筒的温

31、差应力表达式厚壁圆筒的温差应力表达式厚壁圆筒的温差应力表达式厚壁圆筒的温差应力表达式引进、温差应力沿壁厚方向的分布、温差应力沿壁厚方向的分布 令 内内壁壁 外外壁壁 过程设备设计过程设备设计厚壁圆筒中的热应力分布厚壁圆筒中的热应力分布 （a）内部内部加热；加热；（b）外部外部加热加热3.3.温差应力的特点温差应力的特点在厚壁容器中在厚壁容器中,温差应力与温差温差应力与温差T成正比成正比,即即而与温度本身的绝对值无直接关系。而与温度本身的绝对值无直接关系。无论内热式无论内热式 外热式，在内外壁表面均有：外热式，在内外壁表面均有：并且并且 在任意半径处的数值均很小，但周向和轴向温在任意半径处的数值

32、均很小，但周向和轴向温差应力在壁面处均较大，从安全分析的角度看，内外壁差应力在壁面处均较大，从安全分析的角度看，内外壁面是首先需要考虑的位置。面是首先需要考虑的位置。高温侧为压应力，低温侧为拉应力高温侧为压应力，低温侧为拉应力即即:内热式筒体（内热式筒体（T0）在在 在在 处处 处处 均为压应力，且数值相等；均为压应力，且数值相等；均为拉应力，且数值相等。均为拉应力，且数值相等。无论是内热式还是外热式，均有无论是内热式还是外热式，均有 内热式内热式 外热式外热式 4.4.温差应力的简化计算温差应力的简化计算 设设 虽然式中虽然式中和和但随着温度变化的趋向正好相反，其乘积但随着温度变化的趋向正好

33、相反，其乘积不大不大 均为温度有关均为温度有关值变化值变化，因此可将，因此可将 近似地视为材料的常数。近似地视为材料的常数。令令 例如：对于例如：对于k=1.2的低碳钢厚壁圆筒，当的低碳钢厚壁圆筒，当:时可求得：时可求得：Ln1.2=0.182 由此可见：热应力是相当大的，他和内压引起的由此可见：热应力是相当大的，他和内压引起的应力属于同一量级，不能忽视，特别是在投产时，应力属于同一量级，不能忽视，特别是在投产时，由于设备从冷态进入热态，内外壁温差可能很大，由于设备从冷态进入热态，内外壁温差可能很大，为了防止此种情况下产生过高的热应力，规定要为了防止此种情况下产生过高的热应力，规定要缓慢升温。

34、缓慢升温。5 5、可忽略温差应力的几种情况：、可忽略温差应力的几种情况：尽管热应力的数量级很大，但实际设计中，并不是所尽管热应力的数量级很大，但实际设计中，并不是所有情况下都需要考虑热应力。在某些情况下，热应力很小有情况下都需要考虑热应力。在某些情况下，热应力很小或者相当于其他应力而言或者相当于其他应力而言 热应力不是很重要的，这时可热应力不是很重要的，这时可以不考虑热应力。如：以不考虑热应力。如：对于承受内压，又是内加热的容器，但内外壁温差在对于承受内压，又是内加热的容器，但内外壁温差在数值上满足下述经验公式时，可以不考虑热应力。数值上满足下述经验公式时，可以不考虑热应力。操作内压，操作内压

35、，即：即：因此，当压力很小（低压或使中压）时，由上式算得之温因此，当压力很小（低压或使中压）时，由上式算得之温差，约在差，约在1010左右，故热应力较小。或者，从容器看：容左右，故热应力较小。或者，从容器看：容器承受低压或中压时，容器壁都很薄，温差不太大，热应器承受低压或中压时，容器壁都很薄，温差不太大，热应力也不大。当压力较高时，在上述条件下算得的热应力，力也不大。当压力较高时，在上述条件下算得的热应力，要比由于内压引起的应力小的多要比由于内压引起的应力小的多 ，故可不考虑。，故可不考虑。在有良好保温层的情况下在有良好保温层的情况下：容器内外壁温度趋于一致，使热应力大大减小，可容器内外壁温度

36、趋于一致，使热应力大大减小，可不考虑不考虑。在高温下操作，并已经发生蠕变的零部件在高温下操作，并已经发生蠕变的零部件：由于在温度和应力的共同作用下，发生了缓慢的蠕由于在温度和应力的共同作用下，发生了缓慢的蠕变变形，这使变形变得比较自由，而不再是互相牵变变形，这使变形变得比较自由，而不再是互相牵制的了，因而使热应力趋于缓和。所以在这种情况制的了，因而使热应力趋于缓和。所以在这种情况下，也可以不计及热应力下，也可以不计及热应力。、对热应力的限制：、对热应力的限制：热应力是由于各部分变形相互牵制而产生的。因此，热应力是由于各部分变形相互牵制而产生的。因此，当应力达到屈服极限而发生屈服时，热应力不但不

37、会继续当应力达到屈服极限而发生屈服时，热应力不但不会继续增加，而且在很大程度上会得到缓和。所以，热应力对一增加，而且在很大程度上会得到缓和。所以，热应力对一般塑性材料制成的容器或零部件，其对强度的危害性要比般塑性材料制成的容器或零部件，其对强度的危害性要比内压或其它机械载荷引起的应力小的多。因而对热应力的内压或其它机械载荷引起的应力小的多。因而对热应力的限制也就比较宽。限制也就比较宽。在某些设计规范中，将对容器破坏在某些设计规范中，将对容器破坏（或失效）其主要作用的应力，称为（或失效）其主要作用的应力，称为“一次应力一次应力”；而将热应力及其他一些对容器破坏起次要作用的；而将热应力及其他一些对

38、容器破坏起次要作用的应力，称为应力，称为“二次应力二次应力”。对对“一次应力一次应力”限制较严，限制较严，对对“二次应力二次应力”限制较宽。但对于脆性材料，由于没有明限制较宽。但对于脆性材料，由于没有明显的屈服过程，热应力很难得到缓和，当其达到强度极限显的屈服过程，热应力很难得到缓和，当其达到强度极限时，即发生破裂。这时的热应力应作为一次应力加以限制。时，即发生破裂。这时的热应力应作为一次应力加以限制。某封闭式厚壁圆筒由钢某封闭式厚壁圆筒由钢制成，其内、外半径为制成，其内、外半径为承受的内压力为承受的内压力为300MPa，求应力沿壁厚的分布。，求应力沿壁厚的分布。如果内外壁的温差是如果内外壁的

39、温差是100，求内外壁的温差应，求内外壁的温差应力。力。Ln4=1.3867 7、压力及温差同时作用的筒体合成应力、压力及温差同时作用的筒体合成应力承受内压及温差同时作用的高压设备较多，其合成应力为：承受内压及温差同时作用的高压设备较多，其合成应力为：式中：式中：对于容器的内壁：即对于容器的内壁：即 对于容器的外壁：即对于容器的外壁：即 由上面合成后的应力分布图，可以看到：当内压与由上面合成后的应力分布图，可以看到：当内压与温差同时作用时温差同时作用时:对于内热内压式，外壁的应力较大；对于内热内压式，外壁的应力较大；对于外热内压式，内壁的应力较大。对于外热内压式，内壁的应力较大。因此，因此，G

40、B150规定规定:内压内热式，校核外壁的强度；内压内热式，校核外壁的强度；内压外热式，校核内壁的强度内压外热式，校核内壁的强度。三、厚壁圆筒的失效准则：三、厚壁圆筒的失效准则：有前面的分析可知，当径比有前面的分析可知，当径比K K增大时，周向应力增大时，周向应力分布的不均匀程度越大。当内壁材料开始屈服时，分布的不均匀程度越大。当内壁材料开始屈服时，外壁还处于弹性状态。那么，筒体处于什么样的应外壁还处于弹性状态。那么，筒体处于什么样的应力状态才算失效呢？是限制内壁处的最大应力在弹力状态才算失效呢？是限制内壁处的最大应力在弹性范围内，还是允许直到筒体外壁都发生屈服呢？性范围内，还是允许直到筒体外壁

41、都发生屈服呢？这就是需要有个准则，即厚壁圆筒失效准则。这就是需要有个准则，即厚壁圆筒失效准则。1 1、厚壁圆筒的破坏过程：、厚壁圆筒的破坏过程：由大量的厚壁容器破环试验结果表明，由塑性较好由大量的厚壁容器破环试验结果表明，由塑性较好的材料制成的厚壁容器，从开始承受压力到发生爆的材料制成的厚壁容器，从开始承受压力到发生爆破，大致经历三个阶段，其变形与实验压力之间的破，大致经历三个阶段，其变形与实验压力之间的关系曲线如图：关系曲线如图：第一阶段（第一阶段（OA）：）：弹性变形阶段弹性变形阶段。容器的应力和变形随着实验压力的增加而成正比增容器的应力和变形随着实验压力的增加而成正比增加。对应加。对应A

42、 A点的压力称为弹性极限压力点的压力称为弹性极限压力第二阶段（第二阶段（AB）：）：塑性变形阶段塑性变形阶段。在这个阶段，首先，由圆筒内壁开始屈服，然后随在这个阶段，首先，由圆筒内壁开始屈服，然后随着试验压力的增加，屈服区域由内壁逐渐向外壁扩着试验压力的增加，屈服区域由内壁逐渐向外壁扩展，直至筒壁全部屈服。相对于展，直至筒壁全部屈服。相对于B点的压力，称为点的压力，称为全屈服压力。这一阶段称为屈服阶段。对于不同材全屈服压力。这一阶段称为屈服阶段。对于不同材料，屈服阶段长短不一。例如，低碳钢制压力容器料，屈服阶段长短不一。例如，低碳钢制压力容器在常下，屈服阶段比较显著，而对于某些高强度钢，在常下

43、，屈服阶段比较显著，而对于某些高强度钢，由于塑性较差，其屈服阶段则不明显。由于塑性较差，其屈服阶段则不明显。第三阶段第三阶段(BC)：应变硬化阶段应变硬化阶段。爆破阶段当压力增加到屈服压力后，由于材料发生应变硬爆破阶段当压力增加到屈服压力后，由于材料发生应变硬化，虽然容器发生大量塑性变形，但容器并不能马上破坏，化，虽然容器发生大量塑性变形，但容器并不能马上破坏，能继续承受压力，直到某一数值时发生爆破，这时的压力能继续承受压力，直到某一数值时发生爆破，这时的压力称为爆破压力称为爆破压力2 2、失效准则、失效准则：从厚壁筒的破坏过程看，从从厚壁筒的破坏过程看，从O O点点C C点，整个过点，整个过

44、程容器都具备承载能力，这期间经历了：程容器都具备承载能力，这期间经历了：弹性塑性应变硬化弹性塑性应变硬化三个阶段。三个阶段。对应于这三个阶段相应地提出了三个失效准则。对应于这三个阶段相应地提出了三个失效准则。弹性失效准则：弹性失效准则：认为容器的最大认为容器的最大当量应力当量应力超过材料的屈服极限超过材料的屈服极限时容器失效。即时容器失效。即:塑性失效准则塑性失效准则:认为容器中的最大当量应力达到材料的屈服极限还认为容器中的最大当量应力达到材料的屈服极限还不致于破坏，只有当整个壁厚都发生屈服时，才算不致于破坏，只有当整个壁厚都发生屈服时，才算失效。失效。爆破失效准则：爆破失效准则：认为材料有应

45、变硬化性能，整体屈服后也不马上破认为材料有应变硬化性能，整体屈服后也不马上破坏，只有发生爆破才算失效。坏，只有发生爆破才算失效。3 3、屈服压力屈服压力(P50)(P50)初始屈服压力初始屈服压力：即按即按弹性失效准则弹性失效准则计算得到的最大承载能力。计算得到的最大承载能力。此时求得最大当量应力有四种方法，即四种强度此时求得最大当量应力有四种方法，即四种强度理论，其中按第四强度理论得到的表达式为：理论，其中按第四强度理论得到的表达式为：（在第四章详解）（在第四章详解）全屈服压力全屈服压力：应用单元体的应力平衡条件与材料的屈服条件求解。应用单元体的应力平衡条件与材料的屈服条件求解。即应力应当满

46、足两个条件：即应力应当满足两个条件：平衡条件和屈服条件平衡条件和屈服条件。A特雷斯长屈服条件特雷斯长屈服条件（Tresca）:即：即：平衡方程：平衡方程：则有：则有：常数常数由边界条件决定：由边界条件决定：当当时：时：当当时：时：即：即：也可以求得此时的三向应力也可以求得此时的三向应力 即即全屈服时的三向应力全屈服时的三向应力：而而 至于两端封闭的承受内压厚壁圆筒的轴向应至于两端封闭的承受内压厚壁圆筒的轴向应力，在塑性状态下对理想弹塑性材料，可以证明力，在塑性状态下对理想弹塑性材料，可以证明它等于其它两向主应力之和的一半，即：它等于其它两向主应力之和的一半，即：B.米塞斯屈服条件米塞斯屈服条件

47、（misess）：）：代入平衡方程：代入平衡方程：当当时，时，当当时，时，米塞斯屈服条件下的极限压力计算式：米塞斯屈服条件下的极限压力计算式：爆破压力的计算爆破压力的计算：对于非理想塑性材料，屈服后要经过应变硬化阶段，其破对于非理想塑性材料，屈服后要经过应变硬化阶段，其破环过程是一个弹塑性及强化过程，由于进行理论分析十分环过程是一个弹塑性及强化过程，由于进行理论分析十分复杂，一般采用半经验公式。复杂，一般采用半经验公式。A.中径公式中径公式：当当时，时，B.福贝尔公式福贝尔公式:(Faupel)福贝尔通过大量的爆破试验得到，实际容器的爆破压力福贝尔通过大量的爆破试验得到，实际容器的爆破压力介于

48、理想塑性体的极限压力介于理想塑性体的极限压力和有应变硬化行为的爆破和有应变硬化行为的爆破之间。即：之间。即：理想塑性体的塑性极限压力理想塑性体的塑性极限压力有应变硬化行为的爆破压力有应变硬化行为的爆破压力压力压力而实际容器的爆破压力处于这两个极端情况之间，设两者而实际容器的爆破压力处于这两个极端情况之间，设两者)作线性变化，则实际容器的爆破作线性变化，则实际容器的爆破 材料的屈强比材料的屈强比随着屈服强比随着屈服强比(压力为：压力为：四、提高厚壁圆筒强度的途径四、提高厚壁圆筒强度的途径：1 1、增加壁厚，、增加壁厚，提高提高k值值，可以提高强度。，可以提高强度。2 2、增加外压、增加外压 自增

49、强自增强 热套热套 多层包扎，绕带等等。多层包扎，绕带等等。一超高压聚乙烯反应器，其筒体内径一超高压聚乙烯反应器，其筒体内径Di=305mm，外径外径Do=508mm，材料的强度，材料的强度 =865MPa，实际操作内压力，实际操作内压力Pi=230MPa，试，试分别用分别用弹性失效准则的第四强度理论，塑性弹性失效准则的第四强度理论，塑性失效准则的失效准则的Mises屈服条件与屈服条件与爆破失效准则的爆破失效准则的福贝尔公式福贝尔公式计算屈服压力计算屈服压力。五、五、单层厚壁圆筒的自增强单层厚壁圆筒的自增强 弹塑性应力分析弹塑性应力分析（一）概述（一）概述 ：自增强：自增强：将一单层厚壁容器在

50、操作使用前进行加压处理，使筒体内将一单层厚壁容器在操作使用前进行加压处理，使筒体内层产生塑性变形，形成塑性变区而外层仍处于弹性状态，层产生塑性变形，形成塑性变区而外层仍处于弹性状态，保持此压力一定时间后，迅速卸压，筒体的塑性变形部分保持此压力一定时间后，迅速卸压，筒体的塑性变形部分不能恢复到原来的位置，而外层弹性区又力图恢复到原来不能恢复到原来的位置，而外层弹性区又力图恢复到原来的位置（状态），但受到内层塑性区残余变形的阻挡而不的位置（状态），但受到内层塑性区残余变形的阻挡而不能恢复，因而承受拉应力，内层受到外层企图恢复的压缩能恢复，因而承受拉应力，内层受到外层企图恢复的压缩作用，而产生压应力