化工设备机械基础(第四章)20101121.ppt
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1、第第4 4章章 内内压薄壁薄壁圆筒与封筒与封头的的强度度设计1压力容器失效压力容器失效4.1 强度设计的基本知识强度设计的基本知识2 设计压力容器时设计压力容器时,确定容器壁内允许应力的限确定容器壁内允许应力的限度度(即容器判废的标准即容器判废的标准)有不同的理论依据和准则。有不同的理论依据和准则。对于对于中低压薄壁容器中低压薄壁容器,目前通用的是,目前通用的是弹性失效理弹性失效理论论。4.1.1关于弹性失效的设计准则关于弹性失效的设计准则3 容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点,容器即告失效点,容器即告失效(失去正常的工作能力失去正常
2、的工作能力),也就是说,容,也就是说,容器的每一部分必须处于弹性变形范围内。器的每一部分必须处于弹性变形范围内。保证器壁内的相当应力必须小于材料由单向拉伸时测保证器壁内的相当应力必须小于材料由单向拉伸时测得的屈服点。得的屈服点。1、弹性失效理论、弹性失效理论4 弹性失效准则:弹性失效准则:弹性失效准则:弹性失效准则:即把容器元件上远离结构或载荷即把容器元件上远离结构或载荷即把容器元件上远离结构或载荷即把容器元件上远离结构或载荷不连续处在外加机械载荷作用下可能出现的不连续处在外加机械载荷作用下可能出现的不连续处在外加机械载荷作用下可能出现的不连续处在外加机械载荷作用下可能出现的最大最大最大最大相
3、当应力相当应力相当应力相当应力限制在所用材料的弹性范围,即近似地限制在所用材料的弹性范围,即近似地限制在所用材料的弹性范围,即近似地限制在所用材料的弹性范围,即近似地取限制于所用材料的取限制于所用材料的取限制于所用材料的取限制于所用材料的s s s s以下,如果计及安全系数,以下,如果计及安全系数,以下,如果计及安全系数,以下,如果计及安全系数,则限制在许用应力则限制在许用应力则限制在许用应力则限制在许用应力t t t t以下。最大相当应力以下。最大相当应力以下。最大相当应力以下。最大相当应力当当当当一旦超过这一限制则会使容器总体产生过大的变一旦超过这一限制则会使容器总体产生过大的变一旦超过这
4、一限制则会使容器总体产生过大的变一旦超过这一限制则会使容器总体产生过大的变形直至爆破,或者使材料晶粒产生滑移而不能经形直至爆破,或者使材料晶粒产生滑移而不能经形直至爆破,或者使材料晶粒产生滑移而不能经形直至爆破,或者使材料晶粒产生滑移而不能经受正常的操作条件受正常的操作条件受正常的操作条件受正常的操作条件 各有关国家的容器规范都是按照这一失效准则而各有关国家的容器规范都是按照这一失效准则而各有关国家的容器规范都是按照这一失效准则而各有关国家的容器规范都是按照这一失效准则而且由最大主应力理论确定且由最大主应力理论确定且由最大主应力理论确定且由最大主应力理论确定相当应力相当应力相当应力相当应力的的
5、的的强度校核条强度校核条强度校核条强度校核条件件件件的。的。的。的。5为了保证结构安全可靠地工作,必须留有一定的安为了保证结构安全可靠地工作,必须留有一定的安全裕度,使结构中的最大工作应力与材料的许用应全裕度,使结构中的最大工作应力与材料的许用应力之间满足一定的关系,即力之间满足一定的关系,即 相当应力,相当应力,MPa,可由强度理论确定可由强度理论确定 极限应力,极限应力,MPa,可由简单拉伸试验确定可由简单拉伸试验确定 安全裕度安全裕度 许用应力许用应力,MPa2、强度安全条件、强度安全条件6容器壳体在内部介容器壳体在内部介质压力作用下器壁内力作用下器壁内应力状况:力状况:压力容器零部件中
6、各点的受力大都是二向力容器零部件中各点的受力大都是二向应力状力状态或三或三向向应力状力状态,如,如图4-1所示。所示。1 2 1 3 2 1 3=0 2 2 1 3图图4-1 二向应力状态和三向应力状态二向应力状态和三向应力状态4.1.2 强度理论及其相应的强度条件强度理论及其相应的强度条件7 建立这种应力状态的强度条件,必须借助于强度理论,将二向和三向应力状态转换为相当于单向拉伸应力状态的相当应力。欲建立强度安全条件 当 0/n (4-1)必必须解决两方面的解决两方面的问题:一是确定相当一是确定相当应力;相当力;相当应力通力通过强度理度理论由主由主应力力计算算确定确定二是确定材料的二是确定材
7、料的许用用应力;力;许用用应力由屈服力由屈服强度和安全系度和安全系数确定。数确定。8径向应力径向应力薄壁压力容器的应力状态薄壁压力容器的应力状态对于承受均匀内于承受均匀内压的薄壁的薄壁圆筒容器,其主筒容器,其主应力力为:9强度理论的分类及名称强度理论的分类及名称相当应力表达式相当应力表达式第第4强度理论强度理论形状改变形状改变比能理论比能理论第第1强度理论强度理论最大拉应最大拉应力理论力理论第第2强度理论强度理论最大伸长最大伸长线应变理论线应变理论第第3强度理论强度理论最大剪应最大剪应力理论力理论第一类强度理论第一类强度理论脆断破坏的理论脆断破坏的理论适用脆性材料适用脆性材料第二类强度理论第二
8、类强度理论屈服失效的理论屈服失效的理论适用塑性材料适用塑性材料(压力容器)(压力容器)四个强度理论的相当应力表达式四个强度理论的相当应力表达式四个强度理论的相当应力表达式四个强度理论的相当应力表达式101、第一、第一强度理度理论及其相及其相应的的强度条件度条件 第一强度理论认为最大拉应力是引起材料破坏的因素。对于薄壁圆筒而言,相当应力就是1。(4-2)强度条件度条件为:适用于适用于脆性材料脆性材料112、第三、第三强度理度理论及其相及其相应的的强度条件度条件 第三强度理论认为最大剪应力是引起材料破坏的因素。对于薄壁容器而言,相当应力就是1 3。由此可由此可见,对于薄壁容器,由于于薄壁容器,由于
9、 3=0,故按第三,故按第三强度理度理论计算的相当算的相当应力及力及强度条件与按第一度条件与按第一强度理度理论计算的算的结果相同。果相同。(4-3)其强度条件为因此有:适用于适用于塑性材料塑性材料123、第四、第四强度理度理论及其相及其相应的的强度条件度条件其其强度条件度条件为:(4-4)适用于适用于塑性材料塑性材料13 上述上述第一第一强度理度理论适用于适用于脆性材料脆性材料;第三和第第三和第四四强度理度理论适用于适用于塑性材料塑性材料。第二强度理论(最大第二强度理论(最大变形理论)与实际相差较大,目前很少采用。变形理论)与实际相差较大,目前很少采用。压力容器都是采用力容器都是采用塑性材料塑
10、性材料制造的,制造的,应该采用采用第三第三和第四和第四强度理度理论。由于第三和第四由于第三和第四强度理度理论计算算结果接近,而第三果接近,而第三强度理度理论的的计算算较为方便,故方便,故我国国我国国标规定定采用第三采用第三强度理论强度理论进行行计算算。14依据第三强度理论,依据第三强度理论,强度计算公式为:强度计算公式为:4.2 内压薄壁圆筒壳体与球壳的强度设计内压薄壁圆筒壳体与球壳的强度设计4.2.1 强度计算公式强度计算公式内压薄壁圆筒内压薄壁圆筒 强度计算公式强度计算公式15参数变换参数变换:1)将中径换算为圆筒内径,D=Di+d;2)压力换为计算压力Pc ;3)考虑到焊缝处因气孔、夹渣
11、等缺陷以及热影响区晶粒粗大等造成的强度削弱,引进焊缝系数焊缝系数f f(1);4)化工设备通常在一定的温度下工作,因此,上式中常温下的许用应力应改为设计温度下的许用应力t,去掉不等号。16再考虑腐蚀裕量C2,于是得到圆筒的设计壁厚设计壁厚为:计算壁厚计算壁厚公式:17 在公式(在公式(4-24-2)基础上,考虑到钢板的负偏差)基础上,考虑到钢板的负偏差C1(钢板在轧制时产生了偏差)钢板在轧制时产生了偏差),再根据钢板标准规再根据钢板标准规格格向上圆整向上圆整。名义壁厚名义壁厚公式:公式:名义厚度名义厚度。这是写在图纸上的钢板厚度这是写在图纸上的钢板厚度!18各种厚度的表达符号19容器在下一个检
12、验周期内,或在剩余寿命期间内,容器在下一个检验周期内,或在剩余寿命期间内,容器是否还能在原设计条件下安全使用?如不能,容器是否还能在原设计条件下安全使用?如不能,最高允许工作压力如何?最高允许工作压力如何?2、强度校核公式、强度校核公式思路:思路:算出容器在校核压力下的计算应力,看它算出容器在校核压力下的计算应力,看它是否小于材料的许用应力,即:是否小于材料的许用应力,即:20现有容器的最大允许工作压力如何?现有容器的最大允许工作压力如何?3、最大允许工作压力计算公式、最大允许工作压力计算公式21 由薄膜理论:由第三强度理论,强度条件:则导出壁厚计算公式:内压球形壳体内压球形壳体 强度计算公式
13、强度计算公式2223工作压力工作压力p pw w 定义:在正常工作情况下,容器顶部可能达定义:在正常工作情况下,容器顶部可能达到的最高压力。到的最高压力。4.2.2 设计参数的确定设计参数的确定1、压力、压力24设计压力设计压力p 指设定的容器顶部的最高压力,它与相应指设定的容器顶部的最高压力,它与相应设计温度一起作为设计载荷条件,其值不低设计温度一起作为设计载荷条件,其值不低于工作压力。于工作压力。取值方法取值方法:(:(详见详见p.92)p.92)(1 1)容器上装有安全阀)容器上装有安全阀取不低于安全阀开启压力取不低于安全阀开启压力 :p (1.051.1)pw系数取决于弹簧起跳压力系数
14、取决于弹簧起跳压力。25(2 2)容器内有爆炸性介质,安装有防爆膜时:)容器内有爆炸性介质,安装有防爆膜时:取 设计压力为爆破片设计爆破压力加制造范围上限。设计压力为爆破片设计爆破压力加制造范围上限。P92表4-2,表4-3。防爆膜装置示意图26 设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。(地面安装的容器按不低于最高饱和蒸汽压考虑,如40,50,60时的气体压力)。注意:要考虑实际工作环境,如放置地区,保温,遮阳,喷水等。例如例如:液氨储罐。金属壁温最高工作为50,氨的饱和蒸汽压为2.07MPa(绝压)。1.容器的设计压力?2.若容器安放有安全阀,设计压力?(3 3)无安全泄放装置无
15、安全泄放装置取 p=(1.01.1)pw。(4 4)盛装液化气容器盛装液化气容器27取 p正常操作下可能产生的最大压差。注意:注意:“正常操作正常操作”含空料,真空检漏,稳含空料,真空检漏,稳定生产,中间停车等情况。定生产,中间停车等情况。(5 5)外压容器)外压容器不设安全阀时,取0.1MPa;设有安全阀时 取Min(1.25p,0.1MPa)。(6 6)无夹套真空容器)无夹套真空容器28釜壁可能承受压力情况:釜内空料,夹套内充蒸汽-外压0.2MPa;釜内真空,夹套内充蒸汽-外压0.3MPa;釜内0.3MPa,夹套内0.2MPa-内压0.1MPa;釜内0.3MPa,夹套内空料-内压0.3MP
16、a;釜壁承受的最大压差:内压0.3MPa或外压0.3MPa.取正常操作时可能出现的最大内外压差。例例如如 带夹套的反应釜:夹套内蒸汽压力为0.2MPa,釜内开始抽真空,然后釜内升压至0.3MPa。该釜壁承受压力如何?(7 7)带夹套容器)带夹套容器29计算压力计算压力pc 指在相应设计温度下,用以确定壳体各部指在相应设计温度下,用以确定壳体各部位厚度位厚度(最危险截面厚度最危险截面厚度)的压力,其中包括液的压力,其中包括液柱静压力。柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于当元件所承受的液柱静压力小于5%5%设计压力时,可忽略不计。设计压力时,可忽略不计。即:计算压力计算压力=设计压力设计压力+液
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