內壓薄壁容器模塊設計

化工設備廣泛地應用于化工、食品、醫(yī)藥、石油及其相關的其他工業(yè)部門。其典型的外殼為內壓薄壁容器，常見的結構為鋼制圓筒形結構，主要由鋼制圓筒體和兩端的封頭組成。并設有工藝接管、人孔、手孔、及保護容器安全而設置的安全裝置等，整個容器借助支座安放在基礎上。本人將其整體設計歸結為筒體強度計算、封頭強度計算、壓力試驗及應力校核、開孔補強設計計算、支座設計計算五個模塊。通過這樣的模塊設計，使設計過程環(huán)環(huán)相扣、銜接緊湊，確保化工設備能夠長效安全地運轉。

1 筒體強度計算

1.1筒體名義壁厚δn的確定

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

式中：

δ-圓筒計算厚度， mm； Di -圓筒內徑， mm；

p -容器設計壓力， MPa；φ-焊接接頭系數(shù)。

   此步驟應注意：在設計條件下得到的筒體設計厚度，加上鋼材厚度附加量后向上圓整至鋼材標準規(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應小于或等于[σ]。

1.3薄膜理論的應用條件

薄膜理論適用于幾何形狀、材料、載荷對稱和連續(xù)的薄壁殼體，同時需保證殼體具有自由邊界，當這些條件之一不能滿足時，就不能利用薄膜理論分析應力。因為只有滿足上述條件，變形分析中的高階微量可以忽略不計，使問題簡化，沿厚度各點的法向位移均相同，變形前后殼體厚度不變，其結果就變?yōu)槠矫鎲栴}。

1.4筒體的最小壁厚

對于設計壓力較低的容器，根據(jù)強度公式計算出來的厚度很薄。大型容器，如果筒體厚度過薄，將導致剛度不足而極易引起過大的變形，不能滿足運輸、安裝的要求。因此，必須限定一個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對碳素鋼和低合金鋼制容器

當內徑Di≤3800 mm時，δmin = 2 Di /1000 mm,且不小于3mm；

當內徑Di＞3800 mm時，δmin 按運輸和現(xiàn)場制造安裝條件確定。

②對不銹鋼制容器，取 δmin=2 mm。

2.封頭強度計算

2.1標準橢圓形封頭計算壁厚

封頭的形式有半球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭等。標準橢圓形封頭在中低壓容器上被廣泛采用。本文僅分析標準橢圓形封頭強度計算。其壁厚設計仍依據(jù)薄膜理論，計算壁厚的公式為：δ=                   

2.2標準橢圓形封頭特點

標準橢圓形封頭與筒體壁厚計算公式幾乎相同，導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方便，也便于筒體與封頭的組對焊接。

2.3封頭有效厚度校核

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

δe ≥ 0.15% Ri           其中 (δe=δn－C)。

3．參數(shù)確定

厚度設計中的各個參數(shù)，應按GBl50-1998中的有關規(guī)定取值。下面分別介紹設計壓力、設計溫度、許用應力、焊接接頭系數(shù)和厚度附加量參數(shù)的選取。

3.1設計壓力 

設計壓力是在相應的設計溫度下用以確定殼壁厚度的壓力，亦即標注在銘牌上的容器設計壓力。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程中可能產生的最高壓力（表壓）。使用安全閥時，設計壓力不小于安全閥的開啟壓力，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，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倍作為設計壓力。

當容器內盛有液體物料時，若液體物料的靜壓力不超過最大工作壓力的5％，則在設計壓力中可不計入液體靜壓力，否則，須在設計壓力中計入液體靜壓力。

此外，某些容器有時還必須考慮重力、風力、地震力等載荷及溫度的影響，這些載荷不能直接折算為設計壓力而代入以上計算公式，必須分別計算。 

3.2設計溫度 

設計溫度的取值在設計公式中沒有直接反映，但它對容器材料的選擇和許用應力的確定直接有關。

設計溫度指容器正常工作過程中，在相應的設計條件下，金屬器壁可能達到的最高或最低(指-20℃下)溫度。金屬器壁的溫度通過換熱計算。為了方便，對于不被加熱或冷卻的器壁，規(guī)定取介質的最高或最低溫度作為設計溫度。對于用蒸汽、熱水或其它載熱體加熱或冷卻的壁，取加熱介質（或冷卻介質）的最高溫度或最低溫度作為設計溫度。在工作過程中，當容器不同部位可能出現(xiàn)不同溫度時，按預期的不同溫度作為各相應部分的設計溫度。 

3.3許用應力 

許用應力是以材料的各項強度數(shù)據(jù)為依據(jù)，合理選擇安全系數(shù)n得出的。所需要考慮的強度指標主要有抗拉強度、屈服強度，對于需要考慮蠕變的材料，強度指標還應有蠕變強度。設計時應比較各種許用應力，取其中最低值。常用鋼板與鋼管的許用應力可從附錄中直接查取。當設計溫度低于0℃時，取20℃時的許用應力。 

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，希望使焊縫金屬的強度等于甚至超過母材金屬的強度，但由于施焊過程中焊接熱的影響，而造成焊接應力、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)域的強度。因此，焊接接頭系數(shù)是考慮到焊接對強度的削弱，而降低設計許用應力的一種系數(shù)。
焊接接頭系數(shù)應根據(jù)受壓元件的焊接接頭型式及無損檢測的長度比例確定。只有符合《壓力容器安全技術檢察規(guī)程》中的相關規(guī)定，才允許對焊縫只作局部無損探傷。焊縫抽驗長度不應小于每條焊縫長度的20％。

3.5厚度附加量 

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

C1按相應鋼板(或鋼管)的標準選取，單位為mm。

C2應根據(jù)各種鋼材在不同介質中的腐蝕速度和容器設計壽命確定。關于設計壽命，塔類、反應器類容器一般按20年考慮，換熱器殼體、管箱及一般容器按10年考慮。 當腐蝕速度＜0.05mm／a(包括大氣腐蝕)時，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。 當腐蝕速度＞0.05mm／a時，單面腐蝕取C2＝2mm，雙面腐蝕取C2＝4mm。 當介質對容器材料產生氫脆、堿脆、應力腐蝕及晶間腐蝕等情況時，增加腐蝕裕量不是有效辦法，而應根據(jù)情況采用有效防腐措施。 在容器制造時，對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，設計者在圖紙上注明的厚度不包括加工減薄量。 

4.壓力試驗及應力校核

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

4.1液壓試驗壓力的確定

                  1.25 p [σ] /[σ]t    MPa

      　          p + 0.1          MPa 

取兩者中的較大值作為試驗壓力p T。

在確定試驗壓力時應注意：容器銘牌上規(guī)定有最大允許工作壓力時，公式中就以最大允許工作壓力代替設計壓力，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，應取各元件材料 [σ] /[σ]t 比值中最小者。

4.2強度校核

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

σT =                 ≤ 0.9σs

式中：

pT -試驗壓力，  MPa；

 p - 設計壓力，  MPa；

 [σ] - 試驗溫度下的材料許用應力，  MPa； 

[σ]T -設計溫度下的材料許用應力，  MPa

5 開孔補強的設計計算

開孔補強的設計準則，目前通用的是等面積補強法 ( 塑性失效的補強準則，也開始應用)，其原則在于局部補強的金屬截面積必須等于或大于開孔所減去的殼壁截面，其含義在于補強殼壁的平均強度，用開孔等截面的外加金屬來補償被削弱的殼壁強度。

5.1允許開孔的范圍

當采用局部補強時，筒體及封頭上開孔的最大直徑不得超過以下數(shù)值：

①筒體內徑 Di ≤1500 mm時，開孔最大直徑 d≤ Di / 2 ，且不得大于500 mm；

②筒體內徑 Di ＞1500 mm時，開孔最大直徑 d≤ Di / 3 ，且不得大于1000 mm；

③凸形封頭或球殼開孔的最大直徑d ≤ Di / 2；

④錐形封頭開孔最大直徑d ≤ Dk / 3，Dk為開孔中心處錐體內徑。

若開孔直徑超出上述規(guī)定，則開孔的補強計算應作特殊考慮。

5.2不需進行補強計算的開孔直徑

滿足下述要求時不另行補強：

①兩相鄰開孔中心的間距(曲面間距以弧長計算)不小于兩孔直徑之和的兩倍；

②設計壓力p≤2.5MPa時，當殼體δn＞12mm時，接管公稱直徑小于或等于80mm；當殼體δn≤12mm時，接管公稱直徑小于或等于50mm。

5.3補強材料與結構

補強材料一般要與殼體相同，若補強材料許用應力小于殼體或封頭的許用應力，則補強面積應按殼體或封頭材料與補強材料許用應力之比而增加；反之，所需補強面積不得減少。采用補強圈補強時，要求補強圈厚度不得超過1.5δn ，且殼體名義壁厚δn ≤38 mm ； 高溫高壓或受波動載荷的重要容器，不采用補強圈補強形式。

5.4開橢圓孔方向

薄壁圓筒受內壓時，環(huán)向應力是軸向應力的兩倍。因此，在設計過程中，如在筒體上開橢圓孔，應使其短軸與筒體的軸線平行，以盡量減少開孔對縱截面的削弱程度，使環(huán)向應力不致增加很多。筒體的縱向焊縫受力大于環(huán)向焊縫，施焊時應予以注意。

6 支座的設計計算

臥式筒形設備的支座有鞍座、圈座、支承式支座，其中鞍座應用最廣。通常采有雙支座，這里僅分析雙鞍式支座設計。

6.1鞍座的設置

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

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效應，因此當滿足A≤0.2L時，最好使A≤0.5Ri。

6.2應力校核

① 軸向應力驗算

當鞍座的位置靠近封頭(A≤0.5Ri)或鞍座平面裝有加強圈時，即不考慮扁塌現(xiàn)象，最大拉應力可能在1點或4點，2點或3點可能出現(xiàn)壓應力；

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

驗算條件：拉應力不超過[σ]；壓應力不超過[σ] 、[σ]c r二者中的較小值。

② 鞍座處筒體周向應力驗算

驗算鞍座處筒體的周向應力主要是校驗壓應力。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力驗算

切向剪應力的計算分三種情況：

鞍座平面有加強圈時，最大切向剪應力出現(xiàn)在φ=π/2處；

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

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

驗算條件：τ≤0.8  [σ]

④ 鞍座腹板強度驗算

對鞍座來說，承受著圓筒形容器對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受到拉力作用。要求此拉應力不大于 2 [σ]sa/3 。（[σ]sa為鞍座材料的許用應力）

應力校核中，如不符合要求，則應加大計算壁厚或采取加強措施。對盛裝氣體或輕于水的液體容器，由于水壓試驗的需要，支座應按裝滿水的容器來設計。

7 結語

內壓薄壁壓力容器在化工工業(yè)領域中廣泛應用，掌握了設計的這五個模塊，相當于把握了薄壁壓力容器設計的核心，確保容器在安全的前提下，達到結構合理、易于制造、使用可靠和造價經(jīng)濟等目的。