文档介绍：第三章内压薄壁容器设计
第一节内压薄壁圆筒设计
【学习目标】通过内压圆筒应力分析和应用第一强度理论,推导出内压圆筒壁厚设计公式。掌握内压圆筒壁厚设计公式,了解边缘应力产生的原因及特性。
一、内压薄壁圆筒应力分析
当圆筒壁厚与曲面中径之比δ/D≤、内径之比K=D0/Di≤,可认为是薄壁圆筒。
1、基本假设
①圆筒材料连续、均匀、各向同性;
②圆筒足够长,忽略边界影响(如筒体两端法兰、封头等影响);
③圆筒受力后发生的变形是弹性微小变形;
④壳体中各层纤维在受压(中、低压力)变形中互不挤压,径向应力很小,忽略不计;
⑤器壁较薄,弯曲应力很小,忽略不计。
2、圆筒变形分析
图3-1 内压薄壁圆筒环向变形示意图
筒直径增大,说明在其圆周的切线方向有拉应力存在,即环向应力(周向应力)
圆筒长度增加,说明在其轴向方向有轴向拉应力存在,即经向应力(轴向应力)。
圆筒直径增大还意味着产生弯曲变形,但由于圆筒壁厚较薄,产生的弯曲应力相对环向应力和经向应力很小,故忽略不计。
另外,对于受低、中压作用的薄壁容器,垂直于圆筒壁厚方向的径向应力相对环向应力和经向应力也很小,忽略不计。
3、经向应力分析
采用“截面法”分析。
根据力学平衡条件,由于内压作用产生的轴向合力(外力)与壳壁横截面上的轴向总应
力(内力)相等,即:
由此可得经向应力:
图3-2 圆筒体横向截面受力分析
4、环向应力分析
采用“截面法”分析。
图3-3 圆筒体纵向截面受力分析
根据力学平衡条件,由于内压作用产生的环向合力(外力)与壳壁纵向截面上的环向总应力(内力)相等,即:
(3-3)
由此可得环向应力: (3-4)
5、结论
通过以上分析可以得到结论:,即环向应力是经向应力的2倍。因此,对于圆筒形内压容器,纵向焊接接头要比环向焊接接头危险程度高。在圆筒体上开设椭圆形人孔或手孔时,应当将短轴设计在纵向,长轴设计在环向,以减少开孔对壳体强度的影响。
6、薄壁无力矩理论
在以上薄壁圆筒应力分析过程中,只考虑由于内压作用在筒壁产生的环向拉伸应力和经向拉伸应力,而由于弯曲应力值很小忽略不计、径向应力值很小忽略不计,采用这一近似方法分析薄壁圆筒,称为薄壁无力矩理论。
二、内压薄壁圆筒壁厚计算公式
根据第一强度理论(最大主应力理论),得到:
引入焊接接头系数,得到:
①圆筒以内径为基准时,将中径D转换为内径Di,D=Di+δ,得到:
根据GB150规定,确定圆筒厚度的压力为计算压力,得到:
导出,得到设计温度下圆筒的计算厚度公式为:
考虑介质腐蚀、机械磨损因素,加上腐蚀裕量C2,得到设计厚度为:
再加上钢板厚度负偏差C1,最后圆整取钢板标准厚度。
②圆筒以外径为基准时,将中径D转换为外径Do,D=Do-δ,得到:
考虑介质腐蚀、机械磨损因素,加上腐蚀裕量C2,得到设计厚度为:
再加上钢板厚度负偏差C1,最后圆整取钢板标准厚度。
③按GB150规定,设计温度下的内压圆筒计算厚度公式适用范围为:,这意味着GB150标准中设计压力不大于35MPa的内压容器都适用该公式。
三、边缘应力
容器壳体两部分之间相连接形成的边界称为连接边缘,如筒体与筒体之间的焊接连接、筒体与封头之间的焊接连接、筒体与容器法兰之间的焊接连接等。在连接边缘,如果两部分经线形状不一致,
曲率半径不相等,那么在介质压力作用下,两部分的变形也不一致,而且由于焊接连接的原因导致变形相互约束,彼此之间产生边缘力和边缘力矩的作用,由此在筒体内部产生附加应力——边缘应力。筒体与封头连接边缘受力状态分析如图3-4所示。
边缘应力对壳体强度的影响表现出两个特征:
①局部性
②自限性
四、计算示例:100m3(DN3000)C5原料罐筒体壁厚计算
教学项目一:100m3(DN3000)C5原料罐(设计任务书见第二章)
工作压力
计算压力
工作温度
设计温度
筒体材料
ReL [б] [б]t
焊接接头系数
腐蚀余量
70℃
80℃
Q245R
245,148, 147
(局部检测)
2mm
五、压力容器公称直径
GB/T9019-2001《压力容器公称直径》规定,压力容器公称直径以容器圆筒直径表示,分为两个系列:
①以内径为基准的压力容器公称直径
②以外径为基准的压力容器公称直径
第二节内压椭圆形封头设计
【学习目标】《设计》第5章“封头”和GB/T21598-2010《压力容器封头》,了解各种封头结构及设计计算,掌握标准椭圆形封头的设计计算公式。
一、内压椭圆形封头