第一章  薄壁容器基礎(chǔ)知識

第一節(jié)  內(nèi)壓薄壁容器

一、內(nèi)壓薄壁圓筒的強度計算

1.受力與變形

圖1-1(a)所示為一圓筒形容器，筒體的平均直徑為D，厚度為δ0，內(nèi)部介質(zhì)壓力為p(大于筒體外部壓力)，筒身長為l。現(xiàn)分析薄壁筒體在介質(zhì)壓力作用下的受力與變形。

由截面法分析得知，薄壁筒體在內(nèi)壓作用下，筒壁的軸向和環(huán)向都將受到拉伸，因而在橫截面上存在軸向拉伸應(yīng)力，用σz表示，如圖1-1(b)所示；在縱截面上存在環(huán)向拉伸應(yīng)力，用σθ表示,如圖1-1(c)所示，根據(jù)對稱關(guān)系，內(nèi)壓力p在筒體的縱橫截面上不會引起剪應(yīng)力，只會產(chǎn)生軸向應(yīng)力σz和環(huán)向應(yīng)力σθ，即薄壁筒體處于兩向應(yīng)力狀態(tài)。由于薄壁筒體厚度δ0遠遠小于直徑D，可以假設(shè)σz和σθ沿厚度均勻分布。

2.應(yīng)力計算

筒體內(nèi)軸向應(yīng)力（σz）和環(huán)向應(yīng)力（σθ）的數(shù)值，可用截面法求出。

(1)計算軸向應(yīng)力假想用一垂直于軸線的平面將筒體截開，如圖1-1(b)所示，內(nèi)壓p的軸向合力為，截面上的內(nèi)力(軸向應(yīng)力σz的合力)為πDδ0σz，根據(jù)靜平衡條件∑pz=0，即

得    (1-1)

(2)環(huán)向應(yīng)力計算假想用一過軸線的平面將筒體截開，如圖1-1(c)所示，并取長度為l的一段進行受力分析。內(nèi)壓p的合力為pDl，截面上的內(nèi)力(環(huán)向應(yīng)力σθ的合力)為2δ0lσθ，根據(jù)靜平衡條件∑pθ=0，即

得    (1-2)

比較式(1-1)與式(1-2)可得出如下結(jié)論。

① 薄壁圓筒的環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力的兩倍，即σθ=2σz。

② 實驗證明，因圓筒在制作過程中焊縫處可能存在缺陷，所以裂紋常發(fā)生在縱向焊縫處，故內(nèi)壓筒體易產(chǎn)生縱向裂紋而破裂。在設(shè)計和制造容器時，縱向焊縫的質(zhì)量要求較高，開孔也最好避開縱向焊縫。在筒體上開設(shè)橢圓形人孔時，其短軸應(yīng)與筒體縱向相一致，以降低開孔對筒壁強度的削弱程度。

③ 筒體在承受內(nèi)壓時，筒壁內(nèi)產(chǎn)生的應(yīng)力和圓筒的成反比，的大小反映了筒體的承壓能力。

3.強度計算公式

由于筒體的環(huán)向應(yīng)力較大，因此，對強度起決定作用的是環(huán)向應(yīng)力σθ，所以筒體內(nèi)產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)力應(yīng)小于或等于材料的許用應(yīng)力，其強度條件為

   (1-3)

由于圓筒除直徑較小時可用無縫鋼管制作外，一般都由鋼板卷制焊接而成。焊接接頭中可能存在的氣孔、夾渣、未焊透、裂紋等缺陷及熱影響區(qū)，使得接頭處強度低于母材的強度，故引入焊接接頭系數(shù)補償接頭對強度的影響，即接頭處的許用應(yīng)力為因圓筒的內(nèi)徑是由工藝計算決定的，所以把中徑D換為以內(nèi)徑Di表示的形式，即D=Di+δ0，使強度條件變?yōu)?/p>

整理后得計算厚度為

考慮到化工生產(chǎn)中許多介質(zhì)有腐蝕性，鋼板厚度的不均勻和制造過程的損耗等，上式的計算厚度還必須增加一個厚度附加量C，于是內(nèi)壓容器的厚度計算公式應(yīng)為δ=δ0＋C，即

    (1-4)

式中p——設(shè)計壓力，MPa；是指設(shè)定的容器頂部的最高壓力，其值不得小于工作壓力，具體取值按表1-1選取；

Di——圓筒的內(nèi)直徑，mm；

［σ］t——材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，MPa;

——焊接接頭系數(shù)，按表1-2選取；

C——厚度附加量，mm。

厚度附加量按以下公式確定

C＝C1+C2+C3

其中C1表示鋼板厚度負偏差，查表1-3、表1-4。當鋼板厚度大于60～100mm時鋼板厚度負偏差取1.5mm，當鋼板厚度負偏差小于0.25mm且不超過鋼板標準規(guī)格厚度的6％時，可取C1＝0；C2為腐蝕裕量，對于碳素鋼和低合金鋼，當介質(zhì)為空氣、水和水蒸氣時取C2不小于1mm，對于不銹鋼當介質(zhì)的腐蝕性極微小時C2等于0，具體可參考表1-5；C3為加工減薄量，筒體采用冷加工方法制造，取C3＝0，封頭C3的取值見表1-6。

二、內(nèi)壓球形容器

化工設(shè)備中的球罐以及其他壓力容器中的球形封頭，都屬于球形殼體。球形殼體的特點是中心對稱，且各處的應(yīng)力均相同，即軸向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力相等，故沒有“軸向”與“環(huán)向”之分。因此，球形殼壁上的應(yīng)力值同樣可以用截面法求出。如圖1-2所示，用通過球心的平面把球形殼體截成兩半，球形殼體在內(nèi)壓力p的作用下，產(chǎn)生垂直于截面的總外力為這個總外力有使殼體兩半分開的趨勢，因此在殼體截面上產(chǎn)生拉應(yīng)力σ，而整個截面上的總內(nèi)力為

上述兩個力為平衡狀態(tài)，即

故

根據(jù)強度條件，同理可得

考慮實際應(yīng)用時的具體情況，內(nèi)壓球殼的厚度計算公式為

     (1-5)

式中各符號與式(1-4)意義相同。

將式(1-5)與式(1-4)比較，可以看出，在同樣直徑，同樣壓力的情況下，球形殼壁的厚度僅是圓筒形殼體壁厚的一半；在相同的容積下，球形殼體表面積最小，故采用球形容器可以節(jié)省不少金屬材料，因此球形容器得到廣泛應(yīng)用，一般多用來儲存氧氣、石油液化氣、乙烯、氨、天然氣等。但是球形容器在加工制造方面較麻煩，需要分瓣沖壓后再焊接。圖1-3所示的球形儲罐主要用于壓力較高的氣體或液體的儲存。隨著設(shè)計、制造水平的不斷提高，目前高壓設(shè)備也有采用球形的。

三、容器厚度的確定

1.最小厚度δmin

工作壓力很低的容器，按強度公式計算的厚度往往是很小的，殼體很容易變形，不能滿足在制造、運輸及安裝過程中對容器剛度的要求，故GB 150—2011中對容器加工成型后不包括腐蝕裕量的最小厚度δmin作了如下限制：

① 對碳素鋼、低合金鋼制容器，δmin不小于3mm；

② 對高合金鋼制容器，δmin不小于2mm。

2.名義厚度的確定過程

容器的名義厚度δn是指計算厚度δ0加上厚度附加量C后向上圓整至鋼材標準規(guī)格的厚度，其值應(yīng)標注在設(shè)計圖樣上；可按下列方法確定：

四、焊后熱處理

壓力容器的焊后消除應(yīng)力熱處理是保證壓力容器內(nèi)在質(zhì)量的重要技術(shù)手段之一。其目的在于：消除焊接殘余應(yīng)力、冷變形應(yīng)力，軟化淬硬區(qū)，改善組織，減少含氫量，尤其對合金鋼，可以改善力學(xué)性能及耐蝕性，還可以穩(wěn)定構(gòu)件的幾何尺寸。

壓力容器的焊后消除應(yīng)力熱處理通常是以回火（或低溫退火）的方式進行的。常用的熱處理方式有爐內(nèi)整體熱處理、爐內(nèi)分段熱處理和焊縫局部熱處理三種。

【例1-1】某化工廠反應(yīng)釜，內(nèi)徑1400mm，設(shè)計溫度為150℃，工作壓力為1.5MPa，釜體上裝有安全閥，其開啟壓力為1.6MPa。釜體選用材料為16MnR鋼板，16MnR在150℃時許用應(yīng)力［σ］t=170MPa,雙面對接焊、全部無損檢測。試確定該釜體的厚度。

解：

1.確定各設(shè)計參數(shù)

因釜體上裝有安全閥，所以取設(shè)計壓力等于安全閥的開啟壓力，即p=1.6MPa；

釜體雙面對接焊，全部無損檢測，查表1-2，焊接接頭系數(shù) =1.0；

按表1-4，鋼板厚度負偏差C1=0.8mm(假設(shè)其名義厚度在8～25mm之間)；

按表1-5，腐蝕裕量C2=3mm；

筒體采用冷加工方法制造C3＝0mm；

厚度附加量C＝C1+C2+C3=3.8mm。

2.釜體厚度確定

（1）計算厚度

（2）最小厚度

對低合金鋼容器，其最小厚度δmin=3mm。

（3）名義厚度

δ=δ0＋C=6.6+3.8=10.4mm，δmin＋C2=6mm，取二者中的大值10.4mm，按鋼板厚度規(guī)格向上圓整后得釜體名義厚度δn=12mm(在初始假設(shè)的8～25mm之間)。