內(nèi)壓薄壁容器模塊設(shè)計(jì)

化工設(shè)備廣泛地應(yīng)用于化工、食品、醫(yī)藥、石油及其相關(guān)的其他工業(yè)部門(mén)。其典型的外殼為內(nèi)壓薄壁容器，常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)為鋼制圓筒形結(jié)構(gòu)，主要由鋼制圓筒體和兩端的封頭組成。并設(shè)有工藝接管、人孔、手孔、及保護(hù)容器安全而設(shè)置的安全裝置等，整個(gè)容器借助支座安放在基礎(chǔ)上。本人將其整體設(shè)計(jì)歸結(jié)為筒體強(qiáng)度計(jì)算、封頭強(qiáng)度計(jì)算、壓力試驗(yàn)及應(yīng)力校核、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)計(jì)算、支座設(shè)計(jì)計(jì)算五個(gè)模塊。通過(guò)這樣的模塊設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)過(guò)程環(huán)環(huán)相扣、銜接緊湊，確?；ぴO(shè)備能夠長(zhǎng)效安全地運(yùn)轉(zhuǎn)。

1 筒體強(qiáng)度計(jì)算

1.1筒體名義壁厚δn的確定

筒體的強(qiáng)度計(jì)算主要是筒體名義壁厚δn的確定，根據(jù)薄膜理論，筒體的計(jì)算壁厚公式為：   

式中：

δ-圓筒計(jì)算厚度， mm； Di -圓筒內(nèi)徑， mm；

p -容器設(shè)計(jì)壓力， MPa；φ-焊接接頭系數(shù)。

   此步驟應(yīng)注意：在設(shè)計(jì)條件下得到的筒體設(shè)計(jì)厚度，加上鋼材厚度附加量后向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度，即為筒體的名義厚度δn。

1.2其最大許可承壓的計(jì)算公式：

式中:

δn-圓筒名義厚度，mm；       δe-圓筒有效厚度，δe=δn－C， mm；

C -厚度附加量，C= C1+ C2mm；　[σ]t應(yīng)小于或等于[σ]。

1.3薄膜理論的應(yīng)用條件

薄膜理論適用于幾何形狀、材料、載荷對(duì)稱和連續(xù)的薄壁殼體，同時(shí)需保證殼體具有自由邊界，當(dāng)這些條件之一不能滿足時(shí)，就不能利用薄膜理論分析應(yīng)力。因?yàn)橹挥袧M足上述條件，變形分析中的高階微量可以忽略不計(jì)，使問(wèn)題簡(jiǎn)化，沿厚度各點(diǎn)的法向位移均相同，變形前后殼體厚度不變，其結(jié)果就變?yōu)槠矫鎲?wèn)題。

1.4筒體的最小壁厚

對(duì)于設(shè)計(jì)壓力較低的容器，根據(jù)強(qiáng)度公式計(jì)算出來(lái)的厚度很薄。大型容器，如果筒體厚度過(guò)薄，將導(dǎo)致剛度不足而極易引起過(guò)大的變形，不能滿足運(yùn)輸、安裝的要求。因此，必須限定一個(gè)最小厚度以滿足剛度和穩(wěn)定性要求。

殼體加工成形后不包括腐蝕裕量的最小厚度δmin按下述方法確定

①對(duì)碳素鋼和低合金鋼制容器

當(dāng)內(nèi)徑Di≤3800 mm時(shí)，δmin = 2 Di /1000 mm,且不小于3mm；

當(dāng)內(nèi)徑Di＞3800 mm時(shí)，δmin 按運(yùn)輸和現(xiàn)場(chǎng)制造安裝條件確定。

②對(duì)不銹鋼制容器，取 δmin=2 mm。

2.封頭強(qiáng)度計(jì)算

2.1標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭計(jì)算壁厚

封頭的形式有半球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭等。標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭在中低壓容器上被廣泛采用。本文僅分析標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭強(qiáng)度計(jì)算。其壁厚設(shè)計(jì)仍依據(jù)薄膜理論，計(jì)算壁厚的公式為：δ=                   

2.2標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭特點(diǎn)

標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭與筒體壁厚計(jì)算公式幾乎相同，導(dǎo)致兩者壁厚近似相等，所以兩者通常采用相同厚度的鋼板。益處在于為選材帶來(lái)方便，也便于筒體與封頭的組對(duì)焊接。

2.3封頭有效厚度校核

橢圓形封頭受內(nèi)壓作用后,在其邊緣會(huì)出現(xiàn)壓應(yīng)力，為防止在此壓應(yīng)力作用下封頭出現(xiàn)周向失穩(wěn)現(xiàn)象，要求對(duì)有效厚度校核，即： 

δe ≥ 0.15% Ri           其中 (δe=δn－C)。

3．參數(shù)確定

厚度設(shè)計(jì)中的各個(gè)參數(shù)，應(yīng)按GBl50-1998中的有關(guān)規(guī)定取值。下面分別介紹設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、許用應(yīng)力、焊接接頭系數(shù)和厚度附加量參數(shù)的選取。

3.1設(shè)計(jì)壓力 

設(shè)計(jì)壓力是在相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度下用以確定殼壁厚度的壓力，亦即標(biāo)注在銘牌上的容器設(shè)計(jì)壓力。其值稍高于最大工作壓力。最大工作壓力是指容器頂部在工作過(guò)程中可能產(chǎn)生的最高壓力（表壓）。使用安全閥時(shí)，設(shè)計(jì)壓力不小于安全閥的開(kāi)啟壓力，或取最大工作壓力的1.05～1.10倍；使用爆破膜作安全裝置時(shí)，根據(jù)爆破膜片的型式確定，一般取最大工作壓力的1.15～1.4倍作為設(shè)計(jì)壓力。

當(dāng)容器內(nèi)盛有液體物料時(shí)，若液體物料的靜壓力不超過(guò)最大工作壓力的5％，則在設(shè)計(jì)壓力中可不計(jì)入液體靜壓力，否則，須在設(shè)計(jì)壓力中計(jì)入液體靜壓力。

此外，某些容器有時(shí)還必須考慮重力、風(fēng)力、地震力等載荷及溫度的影響，這些載荷不能直接折算為設(shè)計(jì)壓力而代入以上計(jì)算公式，必須分別計(jì)算。 

3.2設(shè)計(jì)溫度 

設(shè)計(jì)溫度的取值在設(shè)計(jì)公式中沒(méi)有直接反映，但它對(duì)容器材料的選擇和許用應(yīng)力的確定直接有關(guān)。

設(shè)計(jì)溫度指容器正常工作過(guò)程中，在相應(yīng)的設(shè)計(jì)條件下，金屬器壁可能達(dá)到的最高或最低(指-20℃下)溫度。金屬器壁的溫度通過(guò)換熱計(jì)算。為了方便，對(duì)于不被加熱或冷卻的器壁，規(guī)定取介質(zhì)的最高或最低溫度作為設(shè)計(jì)溫度。對(duì)于用蒸汽、熱水或其它載熱體加熱或冷卻的壁，取加熱介質(zhì)（或冷卻介質(zhì)）的最高溫度或最低溫度作為設(shè)計(jì)溫度。在工作過(guò)程中，當(dāng)容器不同部位可能出現(xiàn)不同溫度時(shí)，按預(yù)期的不同溫度作為各相應(yīng)部分的設(shè)計(jì)溫度。 

3.3許用應(yīng)力 

許用應(yīng)力是以材料的各項(xiàng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)為依據(jù)，合理選擇安全系數(shù)n得出的。所需要考慮的強(qiáng)度指標(biāo)主要有抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度，對(duì)于需要考慮蠕變的材料，強(qiáng)度指標(biāo)還應(yīng)有蠕變強(qiáng)度。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)比較各種許用應(yīng)力，取其中最低值。常用鋼板與鋼管的許用應(yīng)力可從附錄中直接查取。當(dāng)設(shè)計(jì)溫度低于0℃時(shí)，取20℃時(shí)的許用應(yīng)力。 

3.4焊接接頭系數(shù) 

焊縫是容器和受壓元件中比較薄弱的環(huán)節(jié)，雖然在確定焊接材料時(shí)，希望使焊縫金屬的強(qiáng)度等于甚至超過(guò)母材金屬的強(qiáng)度，但由于施焊過(guò)程中焊接熱的影響，而造成焊接應(yīng)力、焊縫金屬晶粒度粗大以及氣孔、未焊透等缺陷，降低了焊縫及附近區(qū)域的強(qiáng)度。因此，焊接接頭系數(shù)是考慮到焊接對(duì)強(qiáng)度的削弱，而降低設(shè)計(jì)許用應(yīng)力的一種系數(shù)。
焊接接頭系數(shù)應(yīng)根據(jù)受壓元件的焊接接頭型式及無(wú)損檢測(cè)的長(zhǎng)度比例確定。只有符合《壓力容器安全技術(shù)檢察規(guī)程》中的相關(guān)規(guī)定，才允許對(duì)焊縫只作局部無(wú)損探傷。焊縫抽驗(yàn)長(zhǎng)度不應(yīng)小于每條焊縫長(zhǎng)度的20％。

3.5厚度附加量 

厚度附加量是指在滿足強(qiáng)度要求而計(jì)算出的厚度之外，考慮其它因素而額外增加的厚度量，包括由鋼板負(fù)偏差(或鋼管負(fù)偏差) C1腐蝕裕量C2，即C= C1+ C2。

C1按相應(yīng)鋼板(或鋼管)的標(biāo)準(zhǔn)選取，單位為mm。

C2應(yīng)根據(jù)各種鋼材在不同介質(zhì)中的腐蝕速度和容器設(shè)計(jì)壽命確定。關(guān)于設(shè)計(jì)壽命，塔類(lèi)、反應(yīng)器類(lèi)容器一般按20年考慮，換熱器殼體、管箱及一般容器按10年考慮。 當(dāng)腐蝕速度＜0.05mm／a(包括大氣腐蝕)時(shí)，碳素鋼和低合金鋼單面腐蝕C2＝1mm，雙面腐蝕取C2＝2mm，不銹鋼取C2＝0。 當(dāng)腐蝕速度＞0.05mm／a時(shí)，單面腐蝕取C2＝2mm，雙面腐蝕取C2＝4mm。 當(dāng)介質(zhì)對(duì)容器材料產(chǎn)生氫脆、堿脆、應(yīng)力腐蝕及晶間腐蝕等情況時(shí)，增加腐蝕裕量不是有效辦法，而應(yīng)根據(jù)情況采用有效防腐措施。 在容器制造時(shí)，對(duì)于整體沖壓成型的封頭，其局部區(qū)域由于拉伸變形造成厚度的減薄量或鋼板熱卷圓時(shí)引起厚度的減薄量，可由制造單位依據(jù)各自的加工工藝和加工能力自行選取，設(shè)計(jì)者在圖紙上注明的厚度不包括加工減薄量。 

4.壓力試驗(yàn)及應(yīng)力校核

容器制作以后或檢修后投入生產(chǎn)之前應(yīng)進(jìn)行壓力試驗(yàn)。目的在于檢查容器的宏觀強(qiáng)度和致密性。壓力試驗(yàn)可根據(jù)容器的特點(diǎn)選用液壓或氣壓。通常選用液壓試驗(yàn)，不宜充液體的容器可以用氣壓試驗(yàn)代替液壓試驗(yàn)。

4.1液壓試驗(yàn)壓力的確定

                  1.25 p [σ] /[σ]t    MPa

      　          p + 0.1          MPa 

取兩者中的較大值作為試驗(yàn)壓力p T。

在確定試驗(yàn)壓力時(shí)應(yīng)注意：容器銘牌上規(guī)定有最大允許工作壓力時(shí)，公式中就以最大允許工作壓力代替設(shè)計(jì)壓力，如果容器各元件(筒體、封頭、接管、法蘭及緊固件等) 所有材料不同時(shí)，應(yīng)取各元件材料 [σ] /[σ]t 比值中最小者。

4.2強(qiáng)度校核

由于壓力試驗(yàn)是在高于工作壓力的工況下進(jìn)行的，所以在進(jìn)行試驗(yàn)前必須對(duì)容器在規(guī)定的試驗(yàn)壓力下的強(qiáng)度進(jìn)行校核，只有容器滿足了要求后，才能進(jìn)行壓力試驗(yàn)的實(shí)際操作。該應(yīng)力校核的條件為：

σT =                 ≤ 0.9σs

式中：

pT -試驗(yàn)壓力，  MPa；

 p - 設(shè)計(jì)壓力，  MPa；

 [σ] - 試驗(yàn)溫度下的材料許用應(yīng)力，  MPa； 

[σ]T -設(shè)計(jì)溫度下的材料許用應(yīng)力，  MPa

5 開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，目前通用的是等面積補(bǔ)強(qiáng)法 ( 塑性失效的補(bǔ)強(qiáng)準(zhǔn)則，也開(kāi)始應(yīng)用)，其原則在于局部補(bǔ)強(qiáng)的金屬截面積必須等于或大于開(kāi)孔所減去的殼壁截面，其含義在于補(bǔ)強(qiáng)殼壁的平均強(qiáng)度，用開(kāi)孔等截面的外加金屬來(lái)補(bǔ)償被削弱的殼壁強(qiáng)度。

5.1允許開(kāi)孔的范圍

當(dāng)采用局部補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，筒體及封頭上開(kāi)孔的最大直徑不得超過(guò)以下數(shù)值：

①筒體內(nèi)徑 Di ≤1500 mm時(shí)，開(kāi)孔最大直徑 d≤ Di / 2 ，且不得大于500 mm；

②筒體內(nèi)徑 Di ＞1500 mm時(shí)，開(kāi)孔最大直徑 d≤ Di / 3 ，且不得大于1000 mm；

③凸形封頭或球殼開(kāi)孔的最大直徑d ≤ Di / 2；

④錐形封頭開(kāi)孔最大直徑d ≤ Dk / 3，Dk為開(kāi)孔中心處錐體內(nèi)徑。

若開(kāi)孔直徑超出上述規(guī)定，則開(kāi)孔的補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算應(yīng)作特殊考慮。

5.2不需進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)計(jì)算的開(kāi)孔直徑

滿足下述要求時(shí)不另行補(bǔ)強(qiáng)：

①兩相鄰開(kāi)孔中心的間距(曲面間距以弧長(zhǎng)計(jì)算)不小于兩孔直徑之和的兩倍；

②設(shè)計(jì)壓力p≤2.5MPa時(shí)，當(dāng)殼體δn＞12mm時(shí)，接管公稱直徑小于或等于80mm；當(dāng)殼體δn≤12mm時(shí)，接管公稱直徑小于或等于50mm。

5.3補(bǔ)強(qiáng)材料與結(jié)構(gòu)

補(bǔ)強(qiáng)材料一般要與殼體相同，若補(bǔ)強(qiáng)材料許用應(yīng)力小于殼體或封頭的許用應(yīng)力，則補(bǔ)強(qiáng)面積應(yīng)按殼體或封頭材料與補(bǔ)強(qiáng)材料許用應(yīng)力之比而增加；反之，所需補(bǔ)強(qiáng)面積不得減少。采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)時(shí)，要求補(bǔ)強(qiáng)圈厚度不得超過(guò)1.5δn ，且殼體名義壁厚δn ≤38 mm ； 高溫高壓或受波動(dòng)載荷的重要容器，不采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)形式。

5.4開(kāi)橢圓孔方向

薄壁圓筒受內(nèi)壓時(shí)，環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力的兩倍。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，如在筒體上開(kāi)橢圓孔，應(yīng)使其短軸與筒體的軸線平行，以盡量減少開(kāi)孔對(duì)縱截面的削弱程度，使環(huán)向應(yīng)力不致增加很多。筒體的縱向焊縫受力大于環(huán)向焊縫，施焊時(shí)應(yīng)予以注意。

6 支座的設(shè)計(jì)計(jì)算

臥式筒形設(shè)備的支座有鞍座、圈座、支承式支座，其中鞍座應(yīng)用最廣。通常采有雙支座，這里僅分析雙鞍式支座設(shè)計(jì)。

6.1鞍座的設(shè)置

當(dāng)A=0.207 L時(shí)，跨間的最大彎矩與支座截面處的彎矩(絕對(duì)值)相等，故對(duì)于臥式設(shè)

備通常取A≤0.2L。

若支座鄰近封頭，則可充分利用封頭的加強(qiáng)效應(yīng)，因此當(dāng)滿足A≤0.2L時(shí)，最好使A≤0.5Ri。

6.2應(yīng)力校核

① 軸向應(yīng)力驗(yàn)算

當(dāng)鞍座的位置靠近封頭(A≤0.5Ri)或鞍座平面裝有加強(qiáng)圈時(shí)，即不考慮扁塌現(xiàn)象，最大拉應(yīng)力可能在1點(diǎn)或4點(diǎn)，2點(diǎn)或3點(diǎn)可能出現(xiàn)壓應(yīng)力；

當(dāng)鞍座處的筒體剛性不足，考慮到扁塌現(xiàn)象，最大拉應(yīng)力將出現(xiàn)在1＇點(diǎn)位置（鞍座角邊處），最大壓應(yīng)力仍處于2點(diǎn)位置。

驗(yàn)算條件：拉應(yīng)力不超過(guò)[σ]；壓應(yīng)力不超過(guò)[σ] 、[σ]c r二者中的較小值。

② 鞍座處筒體周向應(yīng)力驗(yàn)算

驗(yàn)算鞍座處筒體的周向應(yīng)力主要是校驗(yàn)壓應(yīng)力。出現(xiàn)在2位置和鞍座的角邊處1＇位置，要求兩者均不大于1.25 [σ]。 

③ 鞍座處筒體切向剪應(yīng)力驗(yàn)算

切向剪應(yīng)力的計(jì)算分三種情況：

鞍座平面有加強(qiáng)圈時(shí)，最大切向剪應(yīng)力出現(xiàn)在φ=π/2處；

A＞0.5 Ri 時(shí)，最大切向剪應(yīng)力出現(xiàn)在鞍座角邊處，其值較前者大；

A≤0.5Ri 時(shí)，最大切向剪應(yīng)力出現(xiàn)在鞍座角邊處，其值介前兩者之間。

驗(yàn)算條件：τ≤0.8  [σ]

④ 鞍座腹板強(qiáng)度驗(yàn)算

對(duì)鞍座來(lái)說(shuō)，承受著圓筒形容器對(duì)鞍座以徑向分布的壓力，此壓力分解的水平分力使鞍座的橫向直立腹板的軸向截面內(nèi)受到拉力作用。要求此拉應(yīng)力不大于 2 [σ]sa/3 。（[σ]sa為鞍座材料的許用應(yīng)力）

應(yīng)力校核中，如不符合要求，則應(yīng)加大計(jì)算壁厚或采取加強(qiáng)措施。對(duì)盛裝氣體或輕于水的液體容器，由于水壓試驗(yàn)的需要，支座應(yīng)按裝滿水的容器來(lái)設(shè)計(jì)。

7 結(jié)語(yǔ)

內(nèi)壓薄壁壓力容器在化工工業(yè)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，掌握了設(shè)計(jì)的這五個(gè)模塊，相當(dāng)于把握了薄壁壓力容器設(shè)計(jì)的核心，確保容器在安全的前提下，達(dá)到結(jié)構(gòu)合理、易于制造、使用可靠和造價(jià)經(jīng)濟(jì)等目的。