如何确定内压圆筒和内压球壳的厚度？

1.内压圆筒的计算厚度

由薄膜理论分析，在内压p的作用下，在远离结构不连续处，薄壁圆筒体内在两个互相垂直的方向（经向和周向）上均有拉应力存在，圆筒体内任意一点都处于双向应力状态，即

按照最大主应力理论（第一强度理论），σ₁=σ_θ，强度条件为

当圆筒形壳体是用钢板卷焊而成时，由于焊接缺陷和热影响区的存在，使得焊接接头区的强度可能比母材低。因此，将钢板的许用应力乘以一个小于1的焊接接头系数ϕ，即：[σ]^tϕ。一般工艺设计人员给出的工艺参数为设备的内径D_i，有D=D_i+t，同时以δ代替t，以计算压力p_c代替p，公式就变成了下面的形式：

式（3-45）就是内压薄壁圆筒应力强度判别式。经整理后可得出计算圆筒形壳体壁厚的公式为

式（3-46）称为内压薄壁圆筒计算厚度公式，公式的适用范围为p_c≤0.4[σ]^tϕ。

2.内压球壳的计算厚度

对于内压薄壁球壳，其两向应力相等，即

以δ代替t，以计算压力p_c代替p，D=D_i+δ，同理可推得内压薄壁球壳计算厚度为

式（3-47）的适用范围为p_c≤0.6[σ]^tϕ。

比较式（3-46）和式（3-47）可看出，同样计算压力和内径时，采用同样材料设计出来的圆筒厚度约为球壳厚度的2倍。

3.设计厚度、名义厚度、有效厚度和最小厚度

（1）设计厚度

式（3-46）和式（3-47）中所计算出来的厚度仅仅是满足介质压力的强度要求所需要的厚度值，实际还需考虑介质腐蚀性。计算介质在容器使用寿命期内的总腐蚀量，引入腐蚀裕量C₂，得到设计厚度（δ_d），即

δ_d=δ+C₂

腐蚀裕量等于均匀腐蚀速率与容器设计寿命的乘积。

介质为压缩空气、水蒸气或水时，碳素钢、低合金钢材料取C₂不小于1mm；不锈钢材料，介质腐蚀性极微时，可取C₂=0。

（2）名义厚度

在设计厚度的基础上，加上钢材厚度负偏差C₁，并向上圆整（加圆整量Δ）至钢材标准规格的厚度，称为名义厚度，即标注在图样上的厚度，用δ_n表示。

δ_n=δ+C₁+C₂+Δ

钢板或钢管厚度负偏差C₁按照相应钢材标准的规定选取。当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%，负偏差可忽略不计。对于锅炉和压力容器用钢板，其厚度负偏差按GB/T 709—2006的B类偏差规定，C₁=0.3mm。

《承压设备用不锈钢钢板及钢带》（GB 24511—2009）标准中热轧钢板及钢带的厚度允许偏差分为普通精度和较高精度两个等级，压力容器一般采用普通精度，设计单位如需采用较高精度（代号PT）时，应在设计文件中规定。其中热轧厚钢板（厚度>4mm），其厚度负偏差均为C₁=0.3mm。

碳素钢热轧钢板，其厚度负偏差按GB/T 709—2006不同的厚度偏差类别（N、A、B、C类）选用，并在设计中注明。采用N类偏差时，偏差规定见表3-11。

当选用承压设备用不锈钢冷轧钢板时，其厚度负偏差按GB/T 24511—2009之规定。

（3）有效厚度

表3-11 热轧钢板厚度负偏差（N类）（单位：mm）

名义厚度减去钢材负偏差C₁和腐蚀裕量C₂称为有效厚度δ_e。钢材的厚度负偏差C₁和腐蚀裕量C₂之和，称为厚度附加量C。即

δ_e=δ_n-C

（4）最小厚度

当压力较低时，按照强度公式计算出的壁厚较小，给制造和运输带来了困难。为了满足制造工艺的要求以及运输和安装过程中对稳定性的要求，壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度δ_min。

1）对碳素钢、低合金钢制容器，不小于3mm。

2）对高合金钢制容器，一般应不小于2mm。(www.xing528.com)

当筒体计算厚度δ<δ_min时，应取δ_min作为计算厚度。

4.耐压试验时容器强度的考虑

如果采用大于式（3-43）或者采用大于式（3-44）所规定的耐压试验压力p_T，在压力试验前，应校核壳体最大总体薄膜应力σ_T。若试验压力没有超出式（3-43）和式（3-44）的计算值，则可以不校核壳体的最大总体薄膜应力。

液压试验时，圆筒和球壳的应力及应满足的条件分别为式（3-48）和式（3-49）。

气压试验时，圆筒和球壳的应力及应满足的条件分别为式（3-50）和式（3-51）。

式中 p_T——耐压试验压力；

σ_T——试验压力下壳体的最大薄膜应力（MPa）；

R_eL——碳钢和低合金钢壳体材料在试验温度下的屈服强度（或0.2%非比例延伸强度）

（MPa），奥氏体不锈钢壳体材料在试验温度下的1.0%非比例延伸强度（MPa），其他金属制壳体材料在试验温度下的屈服强度（或0.2%非比例延伸强度）（MPa）；

D_i——内径（mm）；

δ_e——有效厚度（mm），见本节厚度内容；

ϕ——焊接接头系数。

例1 一卧置承受内压的圆筒形容器，内径D_i=1000mm，最高工作压力p_w=1.5MPa，工作时，筒壁最高温度为300℃。容器材料为Q345R（16MnR）（下表为该材料部分力学性能），钢板厚度负偏差C₁=0.3mm，容器腐蚀裕量C₂=2mm，筒体采用双面对接焊，局部无损探伤。试计算该筒体的名义厚度并校验水压试验时筒体的强度。

解：

1）厚度计算

取设计压力p=（1.0～1.1）p_w=1.05×1.5MPa=1.6MPa。

不考虑液柱静压力，计算压力p_c=p=1.6MPa。

筒体采用双面对接焊，局部无损探伤，焊接接头系数ϕ=0.85。

设计温度T=300℃，假定筒体厚度在3～16mm间，查表得[σ]³⁰⁰℃=153MPa。

名义厚度为

δ_n=δ+C₁+C₂+Δ=（6.15+0.3+2+Δ）mm=（8.45+Δ）mm

取名义厚度δ_n=10mm

厚度与假定一致。

2）校核水压试验压力

有效厚度为

δ_e=δ_n-C₁-C₂=10-0.3-2=7.7mm

水压试验压力为

取水压试验压力为2.5MPa

应力校核：

水压试验时强度满足要求。