内压薄壁圆筒与封头的强度设计(I)

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1、第四章内压薄壁容器的强度设计§1强度设计的基本知识§2内压薄壁圆筒的强度计算§3内压圆筒封头的设计概述概述1、强度设计的任务：内压容器的强度设计包含设备的壁厚设计和在用设备的强度校核两方面。1）设计型计算——根据给定的公称直径以及设计压力和温度，设计出合适的壁厚，以保证设备安全可靠。2）校核型计算——根据已有的设备公称直径以及工作压力和温度，判断设备的使用安全性。2、内压薄壁圆筒与封头的强度计算公式，以壳体无力矩理论为推导基础，其推导过程如下：①根据薄膜理论进行应力分析，确定薄膜应力状态下的主应力；②根据弹性失

2、效的设计准则，应用强度理论确定应力的强度判据；③对封头，考虑到薄膜应力的变化和边缘应力的影响，按壳体中的应力状况在公式中引进应力增强系数。④根据应力强度判据，考虑腐蚀等实际因素导出具体的计算公式。第一节强度设计的基本知识一、关于弹性失效的设计准则设计压力容器时，为了保证结构安全可靠的工作，必须留有一定的安全裕度，即强度安全条件：二、强度理论及其相应的强度条件借助于强度理论，将二向和三向应力状态转换成单向拉伸应力状态的相当应力，同时须解决两个问题：①根据应力状态确定主应力；②确定材料的许用应力。对承受均匀内压的薄

3、壁容器，其主应力为：1）第一强度理论（最大主应力理论）及相应的强度条件第一强度理论认为在三向应力中，若最大应力小于许用应力，则安全。其强度条件为：2）第二强度理论（最大线应变理论）及相应的强度条件第二强度理论认为在三向应力中，若最大线应变小于许用应变，则安全。其强度条件为：3）第三强度理论（最大剪应力理论）及相应的强度条件第三强度理论认为最大剪应力（σ1-σ3）是引起材料屈服破坏的主要因素。其强度条件为：3）第四强度理论（形状改变比能理论）及相应的强度条件第四强度理论认为设备构件受外力产生弹性变形时物体内部也就

4、积蓄了能量，即变形能。单位变形体体积内所积蓄的变形能称为变形比能。当构件变形比能达到材料的极限值时，会引起屈服破坏。其相应的强度条件：适用性：第一强度理论适用于脆性材料；第三、第四强度理论适用于塑性材料。第二节内压薄壁圆筒的强度计算一、强度计算公式1）圆柱筒体由薄膜应力理论可知，圆柱筒体上任一点处薄膜应力如下：σ1=σθ=pD中/2S，σ2=σm=pD中/4S，σ3=0由第三强度理论可得：σ1-σ3=pD中/2S其安全条件为：考虑到计算的方便准确性，对上式应作如下修正：①工作压力p工作→p设计（由于实际操作中工

5、作压力的波动，设计中应以工作压力乘以放大系数表示设计压力，并以设计压力作为设计壁厚的计算压力）②[σ]→[σ]t(考虑到材料的许用应力随温度的升高而降低，设计计算中应以材料在工作中所能达到的最高温度下的许用应力为准)③D中→Di+S(考虑到工程中径无法测量以内径代入计算更为方便)④引入焊缝系数φ（对焊接制成的压力容器，考虑到焊缝处强度与整板强度的差异，用焊缝系数表示焊缝处强度与整板强度的比值，应以焊缝处的实际强度为评判是否安全的标准。）考虑到上述四个修正并算出S后，上述表达式演变为：此处S0为计算壁厚。设计中，

6、对最终选定的名义壁厚Sn，应在计算壁厚的基础上再作如下补充：⑤壁厚附加量C考虑腐蚀裕量C2，得到圆筒的设计壁厚为：同样，取第四强度理论的应力强度可得：所以对已有设备进行强度校验和确定最大允许工作压力的计算公式分别为：采用无缝钢管作圆筒体时，其公称直径为钢管的外径。将D=D0-S代入S=pD/2[σ]t中，并考虑焊缝φ，得到以外径为基准的公式：以上各式适用范围是p≤0.4[σ]tφ，（即外径与内径之比K≤1.5）。对地球形容器由于其主应力为以上各式适用范围是p≤0.6[σ]tφ，（即外径与内径之比K≤1.35）。

7、二、设计参数的确定1、设计压力设计压力是在相应的设计温度下用以确定壳壁厚度的压力，其值不得小于最高工作压力（容器顶部在工作中可能产生的最高表压力）。2、设计温度设计温度是指容器在操作过程中在相应的设计压力下容器壳壁或受压元件沿截面厚度可能达到的最高或最低的（指-20℃以下）平均壁温。容器的设计温度指壳体的设计温度。3、许用应力许用应力是以材料强度的极限应力σ0为基础，并合理选择安全系数，即：（1）极限应力σ0的取法①对常温容器,实际中应采用的许用压力为下列二式中较小值:②对中温容器,根据设计温度下材料的抗拉强度

8、或屈服点确定许用压力,取下列二式中较小值:③对高温容器,考虑到材料的高温持久强度和蠕变强度的许用应力,当碳钢和低合金钢、合金钢、奥氏体不锈钢的设计温度分别超过420℃、450℃、550℃时，许用应力应取下列式中较小值：（2）安全系数的取法如何选择合理的安全系数时设计中比较复杂和关键的问题，因为它与下列因素有关：①计算方法的准确性、可靠性和受力分析的精确程度。②材料的质量和制造的技术水平