【力学教案】 高压厚壁容器

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1、第六章高压厚壁容器第一节厚壁容器设计理论及结构【学习目标】掌握高压容器设计理论及壁厚计算公式，了解多层包扎压力容器、热套压力容器等多层厚壁圆筒结构。一、厚壁容器设计理论高压容器（10MPa≤P＜100MPa）又称为厚壁容器，δ/D＞0.1或K=D0/Di＞1.2。厚壁容器由于径向应力较大，不能忽略，因此筒壁处于三向应力状态。在三向应力中，除经向应力仍可视为沿壁厚均匀分布外，径向应力和环向应力并不沿壁厚均匀分布，最大当量应力发生在容器的内壁上。1、厚壁容器的失效准则（1）弹性失效准则这种观点认为，器壁上应力最大处（内壁）的应力达到屈服极限后，容器便失去正常

2、的工作能力，亦即失效，这种失效称之为弹性失效。厚壁容器内壁屈服后，可能会在局部应力较大处出现微裂纹，并且在各种因素作用之下，可能会使裂纹进一步扩展，最终导致破坏。弹性失效准则被许多国家采用，我国的GB150《压力容器》标准也是依据了这一准则。（2）塑性失效准则这种观点认为，器壁上应力最大处的材料进入屈服阶段，并不导致整个容器的破坏，因为容器都是用具有一定塑性及韧性的材料制成的，内壁处的材料虽然屈服了，但在它外面的材料仍处于弹性状态，故屈服了的材料想进一步发生塑性变形，便要受到仍处于弹性状态的外层材料的约束。只有当压力逐渐增加，塑性区不断扩展，直至容器的整

3、个截面从里到外都达到屈服，才失去正常的工作能力。这种失效称之为塑性失效。（3）爆破失效准则这种观点认为，厚壁容器的壁很厚，材料的塑性又较好，它不会一达到整体屈服就发生破坏，它有明显的应变硬化现象，只有当容器承受的压力继续增大时，器壁中的应力和应变才会继续增加，直至压力增大到爆破压力，容器发生爆破，才能算真正失效。2、厚壁容器弹性设计理论弹性设计理论下厚壁容器三向应力计算公式见表6-1。在材料力学中，三个主应力按一定的顺序排列，即σ1＞σ2＞σ3，对应厚壁圆筒的三向应力为σt＞σx＞σr。在弹性失效准则下，有四个不同的弹性强度理论，见表6-2。通过实验证明

4、，K=D0/Di＜1.5时，应用四个不同的弹性强度理论，其计算结果和实验值都比较接近，尤其是当K=D0/Di＜1.2时，各公式的计算结果颇为接近。当K=D0/Di≥1.5时，各公式的计算结果差异较大，而且K越大，计算结果差异也越大，但第三强度理论和第四强度理论与实验数据相近，尤其是第四强度理论尤为相近。3、中径公式9采用第一强度理论的中径公式见表6-3。表6-3强度条件中径公式①中径公式以圆筒内径为基准时，将设计压力p换成计算压力pc,考虑焊接接头系数：导出得到筒壁厚度计算公式：（6-1）②中径公式以圆筒外径为基准时，将设计压力p换成计算压力pc,考虑焊

5、接接头系数：导出得到筒壁厚度计算公式：（6-2）按GB150规定，中径公式的适用范围为：。GB150-2011《压力容器》标准适用于设计压力不大于35MPa的压力容器，因此设计压力10MPa≤P≤35MPa的高压容器仍采用与薄壁容器相同的中径公式来计算最大主应力，并以第一强度理论来设计容器的壁厚。二、厚壁圆筒结构1、单层厚壁圆筒单层厚壁圆筒与中、低压薄壁圆筒一样，由卷板机卷制而成，制造技术要求也与中、低压薄壁圆筒基本相同。2、多层压力容器圆筒由两层以上（含两层）板材或带材、层间以非焊接方法组合构成的压力容器，不包括衬里容器。①多层包扎压力容器在内筒上逐层

6、包扎层板形成多层压力容器。②钢带错绕压力容器在整体内筒上沿一定缠绕角度，逐层交错缠绕钢带形成的多层压力容器。9③套合压力容器由数层具有一定过盈量的筒节，经加热逐层套合，并经热处理消除其套合预应力形成套合筒节，再通过环向焊接接头组焊后形成的压力容器。三、多层容器制造GB150.4第12章“多层容器”。第二节密封结构及零部件【学习目标】学习GB1500.3附录C“密封结构”，了解高压容器金属平垫密封、双锥密封等密封结构及相关零部件。一、金属平垫密封1、适用范围平垫密封的适用范围见表6-4,其结构见图6-1。表6-4适用范围设计温度/℃设计压力/MPa内直径D

7、i/mm0～200≤16≤1000＞16～22≤800＞22～35≤6001-主螺母2-垫圈3-平盖4-主螺栓5-筒体端部6-平垫片图6-1金属平垫密封结构2、平垫片材料和尺寸①平垫片材料a)退火铝（硬度为15HBW10/250～30HBW10/250）；9b)退火紫铜（硬度为30HBW10/500～50HBW10/500）；c)10钢。②平垫片的宽度b和厚度δ按表6-5、表6-6选取。3、密封面密封面尺寸按表6-7确定。平盖和筒体端部的密封面上应各有2条深1mm的三角形沟槽。密封面配合公差见图6-2。图6-2平盖图6-3密封面配合公差4、筒体端部筒体端

8、部和主螺栓、主螺母的设计按GB150.3第7章7.7的规定。5、平盖平盖的结构见