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ASME培训 - Lesson 3 设计要求


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ASME 规范第 VIII-1 卷 -- 压力容器 设计要求

课程 3

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目的
本课程结束后,你将对设计要求及其运用有初步了解,知道怎样为具体情 况确定适用的要求,并确定所要使用的有关参数。

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课程概况
? VIII-1 卷的设计方法 ? 确定设计参数的责任 ? 接头形式和要求 ? 射线检测 ? 厚度方面的考虑 ? 封头设计的一些限制

VIII-1 卷的设计方法
VIII-1 卷的设计要求根据: ? ? 所采用的制造方法; 所使用的材料。

使用条件的要求
用户必须说明使用条件的类型、以及其它有关情况,否则,可能造成制造 厂不能满足规范对特定使用条件提出的有关要求。

设计公式
如果规范公式适合于具体一个元件的计算,那么,该公式的运用是强制性 的。

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使用条件的类型
VIII-1 卷提到使用条件有以下 5 个: 1. 2. 3. 4. 5. 有毒介质 低温 非受火蒸汽锅炉 直接受火容器 其它(UW-2 中未提到的容器)

设计载荷
VIII-1 卷列出了以下几类载荷,在设计时都必须考虑到: ? ? ? ? ? ? ? ? 压力 温度梯度 容器和介质的重量 叠加载荷(如:静压头) 局部应力* 循环和动载荷(如:疲劳考虑) 风载* 地震载荷*

*如果存在的话。 注:VIII-1 提供的设计法则仅适合于压力载荷的计算,对于其它载荷,任 何适用的工程方法都可使用。

确定设计参数的责任
在“ASME 体系”里涉及到的几个单位之间存在着接口,为每个单位规定 了职责或要做的工作。每个单位负责进行他们自己的工作,ASME 标志符 持有人仅负责确保符合 ASME 规范的所有相关要求。

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用户的责任
用户应使用 KK 表格向制造厂提供以下数据, 以便使所设计的容器满足预 期的使用条件: ? ? ? ? ? ? 设计压力和温度 载荷 腐蚀余量 使用要求 附加的 PWHT 或 RT 主体材料、简图和制造的公差。

VIII-1 卷容器的设计可以由用户或其设计代理、ASME 标志符持有人或其 分供方进行,但是,给容器打钢印的 ASME 标志符持有人必须对设计符 合 ASME 规范的要求负责。 VIII-1 卷对设计人员的资格没有规定,只要雇主认定就可。

焊接接头形式及限制(UW)
接头类别(Joint Category)
接头类别是按接头在容器上的位置定义的。

注: D 类接头可以是角接接头,也可以是对接接头。平封头上拼接焊缝为 A 类接头。

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焊接接头
除类别外,规范还用类型(Type)来描述接头。Type 是焊接接头结构的 定义。 Type 1 Type 4 Type 2 Type 5 Type 3 Type 6

关于焊接类型的限制
接头类型 Type 1 2 3 4 5 环 厚
所有 所有,但 ?5/8” 对 Offset 于 所有 所有

缝 度 直
所有

纵 径 注 厚
所有

缝 度 注

?3/8 in 对于球 封头 ?5/8” ?5/8” 封头 ?1/2” 夹套壳体?5/8” ?24” O.D. 所有 ?24”O.D 所有 所有 不允许 ?3/8”

不允许用于球 封头

不允许

6

凸面受压封头 所有封头

?24”O.D.

特殊容器
UW-2(a) 有毒介质 当容器按有毒介质设计时,所有的焊接接头必须 100%RT。 各类接头必须是: ? A类 Type 1

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? ? ? UW-2(b) 低温

B类 C类 D类

Type 1 或 2 Type 1 或 2,但允许 Fig. UW-13.5 所示的焊接结构。 (见 UW-2(c)(a)) 全焊透

下列情况属于低温容器: ? ? ? ? ? ? 按 UG-68,碳钢、低合金钢容器的 MDMT 小于-55?F(-48?C) ; 高合金钢容器, 按 UHA-51 要求对母材或焊缝金属进行冲击试验。 各类接头必须是: A类 Type 1(对于某些奥氏体不锈钢及其焊缝,可以使用 Type 1 或 2) B类 Type 1 或 2 C类 全焊透 (法兰必须采用全焊透连接, 不使用平焊法兰) 。 D类 全焊透,但以下情况可采用不焊透结构: UHA-51(d)(1)(a)和(b)、UHA-51(d)(2)(a)的材料, MDMT?-320?F。 UHA-51(d)(1)(c) 和 UHA-51(d)(2)(b) 的 材 料 , MDMT?-50?F。

UW-2(c) 非受火蒸汽锅炉 非受火蒸汽锅炉(如:废热锅炉)的设计压力超过 50 psi(0.34 Mpa)时, 各类接头必须是: ? ? ? ? A类 B类 C类 D类 Type 1 Type 1 或 2 无限制 无限制

UW-2(d) 直接受火容器 压力容器或部件直接承受燃料(固体、液体或气体)燃烧火焰,其制造不 属 Section I、III、或 IV 的范围,此类容器上的各类焊缝必须是: ? ? ? A类 B 类(t>5/8”) C类 Type 1 Type 1 或 2 无限制

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?

D类

无限制

射线检测
RT 的类型
? ? ? 全部(100%) 局部(抽检) 无射线检测要求

要求 RT
UW-11(a)(1)规定,用于有毒介质的壳体和封头,其上面的所有对接焊缝 必须做 RT 检查。 UW-11(a)(2)规定,除了容器的使用条件要求进行 RT 外,对接焊缝的厚度 超过一定的尺寸时,也要求 RT 检查,如 Table UCS-57、还有 UHA-57 要 求对所有 Type 1 接头作 RT 检查。

可选 RT
当规范没有规定要作 RT 时,RT 检验的程度由设计者选择,并取决于所 期望的焊缝系数和/或质量系数。见 UW-11 和 12。

UW-12 焊缝系数
当规范没有规定 RT 时,RT 便成为设计的选项。设计者可以通过选择附 加的 RT,以使用较高的焊缝系数。按 UW-12,这一选项可以运用在整台 容器上,也可以运用在具体一部分焊缝上。 几个定义: a) 应力乘数: “E” 是应力乘数, 它可以是焊缝系数, 也可以是质量系数。 除 UW-11(a)(5)外,应力乘数运用于接头,而不是容器筒节。设计者 可按每个接头来使用应力乘数。

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b) 质量系数: 对于不符合 UW-11(a)(5)(b) RT 抽检的无缝部件, 应使用应 力乘数 0.85。注意:焊制管必须符合此要求,也就是说,除了 Section II Part D 中已对许用应力运用了 15%应力降低系数外,还要运用质量 系数 0.85。 c) 焊缝增量:一个焊工在一台容器上焊接的 50 ft.(15 m)焊缝,如果 是多台一致的容器,此焊缝增量可以是一台或多台容器上的焊缝。焊 缝增量的定义见 UW-52,目的在于规定一张抽检片子代表的焊缝长 度,一张抽检片子必须包括每一焊工所焊接的焊缝。

UW-11(a) 100% RT
以下焊缝必须按 UW-51 对其全长进行 RT 检查: ? ? ? 筒节或封头上的所有 A 类和 D 类对接焊缝, 当接头或部件取 UW-12(a) 允许的焊缝系数进行设计时,应作全长 RT 检查。 接管、及与容器相连的压力腔壳体(Communicating Chamber)上的对 接焊缝,当其超过 NPS10 或 1-1/8 in.厚度时,应作全长 RT 检查。 与 A 类对接焊缝相交、或连接无缝筒体或封头的 B 类或 C 类对接焊 缝,至少应满足按 UW-52 的 RT 抽检要求。本条要求的 RT 抽检不可 用来满足运用于其它焊缝增量的 RT 抽检要求。符合此要求的容器应 打上 RT2 钢印。

注:要满足打 RT1 钢印的要求,上述焊缝须进行全长 RT 探伤。

UW-11(b) RT 抽检
如果筒体或封头的设计使用 UW-12(b)允许的焊缝系数时,其上的焊缝应 按 UW-52 进行 RT 检查。 RT 抽检是质量控制检验的一种手段,抽检的范围应包括: ? ? ? ? ? 每 50 ft (15 m) 焊缝增量或不足此增量的焊缝长度抽检 6 in. (150 mm) 长; 每 59 ft(15 m)焊缝增量必须包括足够数量的抽检,以检查每个焊工 的工作质量; RT 抽检的部位由 AI 选定; 满足其它条款而要求的 RT 不得用来满足此条的抽检要求; UW-51(a)的要求同样适合 RT 抽检(RT-3) 。

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厚度方面的考虑
设计-一般要求
UG-16(b) 壳体和封头成形后的允许最小厚度,不管是什么材料形式,去除腐蚀余量 后应为 1/16”(1.6 mm) 。以下情况例外: 1) 2) 3) 对于板式换热器的换热板不适用。 对于壳-管式换热器中的管子不适用。 非受火蒸汽锅炉的壳体和封头的去除腐蚀余量后的最小厚度为 1/4” (3.2 mm) 。 4) 用于压缩空气的壳体和封头,如用 UCS 材料制成,去除腐蚀余量 后,其最小厚度应为 3/32”(2.4 mm) 。 UG-16(c) 板材钢厂负偏差为订购厚度的 6%,但最大不超过 0.01”(0.25 mm) 。 UG-16(d) 管子负偏差:如果管子按公称厚度订购,除按 UG-37 和 UG-40 计算管接 头壁厚补强面积要求外,都应考虑到壁厚的制造负偏差。大多数情况下, 管子的负偏差为 12.5%。 UG-16(e) 腐蚀余量:用于计算公式中的尺寸不包括腐蚀余量。 UG-23 最大许用应力 UG-23(a) 最大许用应力应从 Section II Part D 中的有关表里(如表 1A 或 1B)查取, 应在考虑承载条件下金属预期保持的温度下取值。 UG-23(b) 最大许用纵向压应力应取以下较小值: 1) 最大许用拉应力;

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2) 按 UG-23(b)(2)确定的 B 值。 UG-23(c) 由 UG-22 所列载荷同时作用产生的最大总体一次薄膜应力不超过 Section II Part D 中的最大许用应力值。对于产生弯曲应力的载荷,最大一次薄膜 应力加上一次弯曲应力不超过 Section II Part D 中的最大许用应力的 1.5 倍。 UG-23(d) 地震或风载与 UG-22 所列的其它载荷组合作用下,总体一次薄膜应力不 应超过 UG-23(a)、(b)、(c)允许的最大许用应力值。 环向应力和纵向应力

对于无缝的薄壁圆形筒体,环向应力基本上是纵向应力的 2 倍。在大多数 情况下,计算厚度时,UG-27 中的环向应力公式起确定作用,但也有少数 情况,纵向应力起确定作用,如:非常高的立式容器在风载和地震载荷作 用下、鞍座支撑的卧式长容器。 应该注意,如果圆形筒体既有环缝、又有纵缝,UG-27 纵向应力公式只有 在环焊缝的焊缝系数小于 0.5 时、或当附加载荷(UG-22)使得纵向弯曲 或拉伸与内压一起作用时,才起确定作用。

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内压下壳体厚度计算公式(仅供参考,以最新版的规范为准) 圆形筒体 环向应力(纵向焊缝) 用内径表示 (t ?
R 或 P ? 0.385 SE) 2 PR SEt t= 或 P= SE ? 0.6 P R ? 0.6t R 或 P ? 0.385SE) 2 PR O SEt t= 或 P= SE ? 0.4 P RO ? 0.4t

UG-27(c)(1)

用外径表示 (t ?

1-1(a)(1)

纵向应力(环向焊缝) 用内径表示 (t ?
R 或 P ? 1.25SE) 2 PR 2 SEt t= 或P= 2 SE ? 0.4 P R ? 0.4t

UG-27(c)(2)

用管子制成的筒体 – UG-31 UG-31 允许用管子制造筒体,并可用 UG-27 给出的公式计算厚度。在订 购管子时, 必须注意, 管子材料有无缝和电阻焊管(ERW)两种, 如 SA-53-b, 它们的许用应力是不一样的。 球体壳 用内径表示
PR 2 SEt 或 P= 2 SE ? 0.2 P R ? 0.2t 用外径表示 PR O 2 SEt t= 或 P= 2 SE ? 0.8 P RO ? 0.8t

t=

UG-27(d)

1-1(a)(2)

符号

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t P R R S E

– – – – – –

壳体的最小要求厚度(in.) 设计内压(psi.) 内径(Ri) 外径 最大许用应力(psi.) 圆筒或球体壳的焊缝系数、孔桥系数,取较低值。

流体静压头对压力容器设计的影响 ? ? ? UG-22 载荷 较高立式容器(塔器)、或低设计压力的容器要考虑的因素。 如果流体静压头仅在水压试验时存在,设计时可不必考虑流体静压 头,可以有以下选择: 1) 在水平位置进行水压试验,以使静水压头降为最低。 2) 用气压试验代替水压试验。 3) 计算水压试验中静压头引起的附加应力。水压试验压力没有 上限,见 UG-99(d),但是,如果容器发生明显的永久变形, AI 有权拒收容器。 静压头引起的附加压力: P(f) = H? 式中: P(f) = 静压头引起的附加压力。 H = 流体柱的高度。 ? = 流体密度。 厚壁圆筒的计算公式 Appendix 1 – 其它设计计算公式 如果 t > R/2 或 P > 0.385SE,考虑环向应力(纵向焊缝),见 1-2, 当“P”已知,求 t 时:
1

t = R( Z

2

? 1) ? RO

(Z

1

2 1

? 1)
2

Z

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式中:Z =

SE ? P SE ? P

如果“t”已知,计算 P: t = SE (
Z ?1 ) Z ?1

式中:Z = ( 封头设计

R R R?t 2 ) ? ( O )2 ? ( O )2 R R RO ? t

半球形封头 椭圆封头 碟形封头 锥壳 折边锥壳 平封头 球凸形封头(螺栓连接封头) ASME 规范条文 UG-32 和附录 1-4,凹面受压(受内压)成形封头和锥壳,即非螺栓连接成 形封头如:半球形封头、椭圆形封头、碟形封头、锥壳和折边锥壳。 注意:Code Case 2260 给出了设计封头的另一方法。 UG-33,凸面受压(受外压)成形封头。 附录 1-5,内压下锥壳封头和过渡段与圆形筒体连接处的补强计算。 UG-34,无拉撑平封头和平封盖(圆形或非圆形、焊接、螺栓连接、螺纹 连接等形式的平封盖、盲法兰等)。 UG-35,其它类型的封盖。如:附录 1-6,球凸形封头;UG-35(b),快开 式封盖。 UG-47,拉撑面或有拉撑平封头。

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典型封头的主要尺寸(见 Fig 1-4) t D D0 h L r ? Di = 成形后封头的最小要求厚度。 = 封头直边的内径;椭圆封头的内表面长轴长度;锥壳封 头考虑点处垂直于轴线的内直径。 = 外径(与内径相似)。 = 椭圆封头短轴长度的 1/2。 = 碟形封头和半球形封头球或冠的内半径。 = 转角内半径。 = 锥壳中心夹角的 1/2。 = 折边锥壳封头转角与锥壳相切处与轴线相垂直的内直 径。 = D – 2r(1-cos?) = 设计内压

P

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2:1 标准椭圆封头 短轴是长轴的一半:
D ?2 2h

可以作为近似 2:1 标准椭圆封头(见 UG-32(d)): 转角半径 r = 0.17D; 球冠半径 L = 0.90D。 UG-32(d)给出了最小要求厚度或 MAWP 的计算公式:
t? PD 2 SEt 或 P? 2 SE ? 0.2 P D ? 0.2t

其它椭圆封头 对于非 2:1 的椭圆封头,附录 1-4(c)给出了计算公式:
t? PDK 2SEt 或 P? 2 SE ? 0.2 P KD ? 0.2t

碟形封头 标准碟形封头 L = D0 = 直边的外径; r = 6%L = 球冠内半径的 6% = 6%D0 = 直边外径的 6%; 此标准碟形封头的厚度和压力计算公式(UG-32(e)):
t? 0.885 PL SEt 或 P? SE ? 0.1P 0.885 L ? 0.1t

对于最低抗拉强度超过 80,000 psi 的材料,碟形封头的计算应使用 室温下许用应力 S = 20,000 psi,并按最大许用应力随温度降低成 比例降低的许用应力。

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非标准碟形封头 附录 1-4(d)给出了非标准碟形封头的计算公式:
t? PLM 2 SEt 或 P? 2 SE ? 0.2 P LM ? 0.2t

式中: M ? UG-32(j)

L r

对于任何无拉撑封头, 其球冠内半径 L 不得大于直边的外直径 D0。 对于碟形封头,内转角半径不小于封头直边外直径的 6%,但决不 得小于封头厚度的 3 倍。 Maximum L = 直边外径 D0 Minimum r = 直边外径 D0 的 6%,但不小于封头厚度的 3 倍。 对 L 给出最大值是限制封头的平度,增大 L 使封头更接近平板。 对 r 给出最小值是控制曲率,曲率越小,曲面的变化越陡。使用较 大的 r 是为了减缓这一变化。 斜坡过度 UG-32(l) 所有厚度大于筒体的成形封头, 如采用对接焊缝连接, 应具有足够 长的直边, 以满足 Fig. UW-13.1 中关于 3:1 坡度和中心线对中偏差 的要求。 所有厚度小于或等于筒体厚度的封头, 如采用对接焊缝连接, 可不 必具有整体直边。 当带有直边, 其厚度应不小于相同直径无缝筒体 的要求厚度,即直边部位应按无缝筒体对待。

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斜坡过度 Fig. UW-13.1

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厚度要求 UG-32(a)和 UG-32(b) 对于成形封头(椭圆封头、碟形封头、半球形封头和折边锥壳),要 求的厚度是指成形后最薄处的厚度。 通常使用较厚的板材, 以补偿 成形操作过程中可能引起的减薄(见脚注 18)。 无拉撑椭圆封头或碟形封头的厚度不得小于无缝半球形封头的要 求厚度除于封头与筒体的焊缝系数。 半球形封头 UG-32(f) 当半球形封头的厚度不超过 0.356L、或 P 不超过 0.665SE,则:
t? PL SEt 或 P? 2 SE ? 0.2 P L ? 0.2t

对于厚壁球壳,见附录 1-3 的公式。 薄壁半球形封头的材料利用率最高, 承受相同内压壁厚最薄。 由于 环向和纵向应力相等,因此最大限度地利用了材料。一般来说,半 球形封头的厚度大约是圆形筒体厚度的一半。 封头计算举例 A) 标准碟形封头,其球冠内半径等于直边外直径,转角内半径等于球冠 半径的 6%。 根据 UG-32(e): t ? P L S E = = = =
0.885 PL SE ? 0.1P

设计压力(psi) = 150 psi 球冠内半径(in.) = 72 in. 许用应力(psi) = 12 ksi (SA-516-70 在 800?F 下) 封头上的最低焊缝系数 = 1.0
t? 0.885 ? 159 ? 72 ? 0.798 in. 12000 ? 1.0 ? 0.1 ? 150

B)

80/10 碟形封头,即球冠内半径为直边外径的 80%、转角内半径为直

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边外径的 10%的碟形封头。 根据附录 1-4: t ?
PLM 2 SE ? 0.2 P

M = 碟形封头的系数,它取决于封头 L/r 的尺寸比值, r 是转角内半径。 其它数据和上例相同。
L 72 ? 80% 57.6 ? ? ?8 r 72 ? 10% 7.2

M = 1.46 见表 1-4.2
t? 150 ? 57.6 ? 1.46 ? 0.527 in. 2 ? 12000 ? 1.0 ? 0.2 ? 150

C)

2:1 椭圆封头 根据 UG-32(d): t ?
PD 2 SE ? 0.2 P
150 ? 72 ? 0.450 in. 2 ? 12000 ? 1.0 ? 0.2 ? 150

t?

D)

半球形封头 根据 UG-32(f): t ?
PL 2 SE ? 0.2 P 150 ? (72 ? 2) = 0.225 in. 2 ? 12000 ? 1.0 ? 0.2 ? 150

t?

E)

L = 0.90D 和 r = 0.17D 的碟形封头(近似于 2:1 椭圆封头) 根据 UG-32(d)和附录 1-4(d): L = 0.90D = 0.9× 72 = 64.8

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R = 0.17D = 0.17× 72 = 12.24
L 64 .8 ? ? 5.29 r 12 .24

M?

1 L (3 ? ) 4 r
1 (3 ? 5.29 ) ? 1.33 4

M ?

t?

PLM 2 SE ? 0.2 P 150 ? 64.8 ? 1.33 2 ? 12000 ? 1.0 ? 0.2 ? 150

t?

上述计算中,为简化起见,在确定球冠半径和转角半径时直边的外径 看成与直边的内径相等。由于相对于直径,元件的厚度较薄,它们的 差别可忽略不计。 平封盖 UG-34 无拉撑平封头、封盖、盲法兰。 圆形和非圆形平封盖。 焊接和螺栓连接。 计算公式是根据平板的弹性、小变形理论推导得出。边界条件或边缘 的影响用系数 C 来表示。 对于焊接平封盖,C 系数里包含了一个 0.667 的系数,使许用应力增 加到 1.5S(即弯曲许用应力)。对于螺栓连接平封头,考虑的因素是变 形,使用较小的许用应力可减少泄漏的可能性。

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平封头的计算公式 无拉撑圆形焊接平封盖

t?d
螺栓连接圆形平封盖

CP SE

t?d

CP 1.9Wh G ? SE SEd 3

无拉撑正方形、矩形、椭圆形、长圆形、或其它形状的非圆形焊接平 封头

t?d

ZCP SE
d ? 2.5 D

式中: Z ? 3.4 ? 2.4

无拉撑正方形、矩形、椭圆形、长圆形、或其它形状的非圆形螺栓连 接平封头

t?d
符号定义

ZCP 6Wh G ? SE SELd3

d = 直径或短径,按 Fig. UG-34 所示测量。 C = 与连接方法有关的系数,对焊接平封头,它包含有使弯曲许用 应力增加到 1.5S 的系数。 P = 设计压力 S = 最大许用应力,从许用应力表查得。 E = 焊缝系数,对于 UW-3(a)(1)定义的 A 类焊缝,从表 UW-12 查 得。 Z = 非圆形封盖的系数。 W = 按附录 2 确定的螺栓总载荷。 hg = 垫圈力臂 L = 非圆形螺栓连接封盖的螺栓孔中心圆周长。

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平封头的类型

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角接焊接接头 UW-13(e) Fig. UW-13.2,典型无拉撑平封盖

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这些是允许的板与壳体焊接的典型焊缝,包括焊缝尺寸。 不允许的角接接头

这些焊缝的共同特点是它们不能承受弯矩,这一点非常重要,因为封 盖的主要载荷是通过弯曲来传递的。

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无拉撑焊接平封头的设计举例 设计参数: 设计压力 = 150 psi 设计温度 腐蚀余量 材料 壳体厚度 壳体内径 容器 100%RT 探伤 无使用限制 圆形无缝封盖 平封头与壳体的焊接按 Fig. UG-34(f),C = 0.33m ? 0.20

t?d

CP SE

m?

tr 无缝壳体的要求厚度 ? t s 壳体实际厚度扣除腐蚀 余量
PR 150 ? (96 ? 2) ? ? 0.61 in. SE ? 0.6 P 12000 ? 1.0 ? 0.6 ? 150

tr ?

0.61 ? 0.813 0.75 ∵ C ? 0.33 ? 0.813 ? 0.268 ? 0.20

∴ m?

t ? 96

0.268? 150 ? 5.56 in. 12000? 1.0

ASME B16.5 法兰(最新版本号以 U-1 引用的为准) 符合 ASME B16.5 和 UG-11(a)(2)的钢制圆形盲法兰,当属 Fig. UG-34 中的(j)和(k)的类型, 可以按 ASME B16.5 中表 2 的压力-温度等级使用。 符合 B16.5 的标准法兰直接采用即可。 如是非 B16.5 标准的法兰需进 行计算。


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