第四讲:压力容器设计.ppt
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1、机械设备安全技术 周杰 王时龙 主编 重庆大学出版社,主讲教师:周杰 Mob : 13452885065 E_mail: ,第二部分 内压薄壁容器设计,一、薄壁容器设计的理论基础, 薄壁容器 根据容器外径DO与内径Di的比值K来判断,,当K1.2为薄壁容器 K1.2则为厚壁容器,圆筒形薄壁容器承受内压时的应力,只有拉应力无弯曲 “环向纤维”和“纵向纤维”受到拉力。 s1(或s轴)圆筒母线方向(即轴向)拉应力, s2(或s环)圆周方向的拉应力。, 圆筒的应力计算,1. 轴向应力,D-筒体平均直径,亦称中径,mm;,2. 环向应力,分析:,(1)薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍。 问题a:筒体
2、上开椭圆孔,如何开?,应使其短轴与筒体的轴线平行,以尽量减少开孔对纵截面的削弱程度,使环向应力不致增加很多。,分析:,问题b:钢板卷制圆筒形容器,纵焊缝与环焊缝哪个易裂?,筒体纵向焊缝受力大于环向焊缝,故纵焊缝易裂,施焊时应予以注意。,(2)分析式(4-1)和(4-2)也可知,,内压筒壁的应力和d/D成反比,d/D 值的大小体现着圆筒承压能力的高低。 因此,分析一个设备能耐多大压力,不能只看厚度的绝对值。,(4-1),(4-2),二、无力矩理论基本方程式, 基本概念与基本假设 1 基本概念 (1) 旋转壳体 :壳体中面(等分壳体厚度)是任意直线或平面曲线作母线,绕其同平面内的轴线旋转一周而成的
3、旋转曲面。,(2) 轴对称,壳体的几何形状、约束条件和所受外力都是对称于某一轴。 化工用的压力容器通常是轴对称问题。,(3)旋转壳体的几何概念,一、回转薄壳的几何要素(如图2-3) 回转薄壳:中面是由一条平面曲线或直线绕同平面内的轴线回转而成。,(3)旋转壳体的几何概念,母线:绕轴线(回转轴)回转形成中面的平面曲线。 极点:中面与回转轴的交点。 经线平面:通过回转轴的平面。 经线:经线平面与中面的交线。 平行圆:垂直于回转轴的平面与中面的交线称为平行圆。 中面法线:过中面上的点且垂直于中面切平面的直线,法线必与回转轴相交,(3)旋转壳体的几何概念,第一主曲率半径R1:经线上点的曲率半径。 第二
4、主曲率半径R2:垂直于经线的平面与中面交线上点的曲率半径。,(3)旋转壳体的几何概念,平行圆半径r:平行圆半径。 同一点的第一与第二主曲率半径都在该点的法线上。 曲率半径的符号判别:曲率半径指向回转轴时,其值为正,反之为负。 r与R2的关系: r=R2sin=R2cosa;,(4-3)平衡方程,(4-4)区域平衡方程,无力矩理论基本方程式:,三、基本方程式的应用,1圆筒形壳体 第一曲率半径R1=, 第二曲率半径R2=D/2 代入方程(4-3)和(4-4)得:,与式(4-1)、(4-2)同。,2球形壳体,2球形壳体,球壳 R1R2=D/2,得:,直径与内压相同,球壳内应力仅是圆筒形壳体环向应力的
5、一半,即球形壳体的厚度仅需圆筒容器厚度的一半。 当容器容积相同时,球表面积最小,故大型贮罐制成球形较为经济。,3圆锥形壳体,圆锥形壳半锥角为a,A点处半径为r,厚度为,则在A点处:,代入(4-3)、(4-4) 可得A点处的应力:,, (4-6),锥形壳体环向应力是经向应力两倍,随半锥角a的增大而增大; a角要选择合适,不宜太大。 在锥形壳体大端r=R时,应力最大,在锥顶处,应力为零。因此,一般在锥顶开孔。,4椭圆形壳体,椭圆壳经线为一椭圆, a、b分别为椭圆的长短轴半径。 由此方程可得第一曲率半径为:,(4-7),顶点应力最大,经向应力与环向应力是相等的拉应力。 顶点的经向应力比边缘处的经向应
6、力大一倍; 顶点处的环向应力和边缘处相等但符号相反。 应力值连续变化。, 焊接接头系数,钢板卷焊。夹渣、气孔、未焊透等缺陷,导致焊缝及其附近区域强度可能低于钢材本体的强度。 钢板 st乘以焊接接头系数, 1;, 容器内径,工艺设计确定内径Di,制造测量也是内径,而受力分析中的D却是中面直径。,解出d,得到内压圆筒的厚度计算式, 壁厚,考虑介质腐蚀,计算厚度d的基础上,增加腐蚀裕度C2。筒体的设计厚度为,式中 d-圆筒计算厚度, mm; dd-圆筒设计厚度, mm; Di-圆筒内径, mm; p-容器设计压力, MPa; -焊接接头系数。,另一种情况:,筒体设计厚度加上厚度负偏差后向上圆整,即为
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