第一章  薄壁容器基礎知識

第一節  內壓薄壁容器

一、內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，內部介質壓力為p(大于筒體外部壓力)，筒身長為l。現分析薄壁筒體在介質壓力作用下的受力與變形。

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

2.應力計算

筒體內軸向應力（σz）和環向應力（σθ）的數值，可用截面法求出。

(1)計算軸向應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，內壓p的軸向合力為，截面上的內力(軸向應力σz的合力)為πDδ0σz，根據靜平衡條件∑pz=0，即

得    (1-1)

(2)環向應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。內壓p的合力為pDl，截面上的內力(環向應力σθ的合力)為2δ0lσθ，根據靜平衡條件∑pθ=0，即

得    (1-2)

比較式(1-1)與式(1-2)可得出如下結論。

① 薄壁圓筒的環向應力是軸向應力的兩倍，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，所以裂紋常發生在縱向焊縫處，故內壓筒體易產生縱向裂紋而破裂。在設計和制造容器時，縱向焊縫的質量要求較高，開孔也最好避開縱向焊縫。在筒體上開設橢圓形人孔時，其短軸應與筒體縱向相一致，以降低開孔對筒壁強度的削弱程度。

③ 筒體在承受內壓時，筒壁內產生的應力和圓筒的成反比，的大小反映了筒體的承壓能力。

3.強度計算公式

由于筒體的環向應力較大，因此，對強度起決定作用的是環向應力σθ，所以筒體內產生的環向應力應小于或等于材料的許用應力，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，使得接頭處強度低于母材的強度，故引入焊接接頭系數補償接頭對強度的影響，即接頭處的許用應力為因圓筒的內徑是由工藝計算決定的，所以把中徑D換為以內徑Di表示的形式，即D=Di+δ0，使強度條件變為

整理后得計算厚度為

考慮到化工生產中許多介質有腐蝕性，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，于是內壓容器的厚度計算公式應為δ=δ0＋C，即

    (1-4)

式中p——設計壓力，MPa；是指設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——圓筒的內直徑，mm；

［σ］t——材料在設計溫度下的許用應力，MPa;

——焊接接頭系數，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，當介質為空氣、水和水蒸氣時取C2不小于1mm，對于不銹鋼當介質的腐蝕性極微小時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、內壓球形容器

化工設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，且各處的應力均相同，即軸向應力與環向應力相等，故沒有“軸向”與“環向”之分。因此，球形殼壁上的應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，球形殼體在內壓力p的作用下，產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生拉應力σ，而整個截面上的總內力為

上述兩個力為平衡狀態，即

故

根據強度條件，同理可得

考慮實際應用時的具體情況，內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省不少金屬材料，因此球形容器得到廣泛應用，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。隨著設計、制造水平的不斷提高，目前高壓設備也有采用球形的。

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格的厚度，其值應標注在設計圖樣上；可按下列方法確定：

四、焊后熱處理

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

壓力容器的焊后消除應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整體熱處理、爐內分段熱處理和焊縫局部熱處理三種。

【例1-1】某化工廠反應釜，內徑1400mm，設計溫度為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.確定各設計參數

因釜體上裝有安全閥，所以取設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 =1.0；

按表1-4，鋼板厚度負偏差C1=0.8mm(假設其名義厚度在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，按鋼板厚度規格向上圓整后得釜體名義厚度δn=12mm(在初始假設的8～25mm之間)。