第四章：容器设计基础

1、2021-12-141第四章：容器设计基础容器是各种设备外部壳体的总称2021-12-1422021-12-143概述 容器的结构 容器分类 按器壁厚度、压力性质、压力大小、承受温度、压力容器安全技术监察规程分类。 容器机械设计的基本要求 容器的标准化2021-12-144第一节：内压薄壁圆筒的设计一、内压圆筒的应力分析二、内压圆筒的设计与计算三、压力试验2021-12-145一、内压圆筒的应力分析 在工艺给定的压力p下，p垂直作用于器壁表面，容器将产生拉长，胀大的趋势。如圆柱筒体、平盖封头容器，在轴向产生拉长；在环向产生胀大，并产生弯矩Mo。 若不考虑Mo弯矩的影响，称无力矩壁厚，反之称为有

2、力矩壁厚。2021-12-146圆柱筒体、平面封头： 环向 d c 轴向 a b m T N T n n m W 2021-12-147从壳体上截出一微元体abcd，进行受力分析：环向应力2 ，轴向应力1 。 2 2 2 1 1 M0 M0 2 2021-12-148 假设：在应力是均匀的，壁厚很薄的条件下，可略去Mo弯矩的影响。 对薄壁容器，结构尺寸取其中径D中。 D中=(Do+Di)/2=Di+ =(Do-Di)/22021-12-149 环向应力：2=pD中/2 y 2 T l x p d W2021-12-1410 轴向应力：1= pD中/4 y N p 1 z T x2021-12-

3、1411二、内压圆筒的设计与计算 圆筒壁厚的计算公式 壁厚的其他影响因素 设计厚度 设计参数的确定2021-12-1412 圆筒壁厚的计算公式式中 计算厚度，mm； pc 设计压力，MPa； Di 圆筒内径，mm； t 设计温度下材料的 许用应力，MPa； 焊缝系数，查P127表9-6。pDpctic2021-12-1413 壁厚的其他影响因素1、钢板的负偏差，c1；(如：80.8mm) 详见P128，表9-10钢板厚度负偏差。2、腐蚀裕量，c2；（在设计使用年限内的 腐蚀量。n年mm/a） c2 = n (mm)3、加工中的减薄量，c3。2021-12-1414 设计厚度设计厚度(d)=计算

4、厚度()+腐蚀裕量(c2)即：cpDpccticd2222021-12-1415 将设计厚度（ d ）加上c1、 c3后，向上圆整至钢板标准规格厚度，称为名义厚度或实际厚度n。 n = d +c1+c3+=+c1+c2+c3+ 有效厚度e e=+= n -c1-c2-c32021-12-1416 压力容器最小厚度：min(不包括c2、c3) 计算厚度，是内压圆筒仅从强度因素得出的。而最小厚度是综合考虑刚度要求提出的。 对碳素钢、低合金钢制容器， min3mm； 对高合金钢制容器， min2mm。2021-12-1417 设计参数的确定 1、设计压力pc； 2、设计温度T； 3、许用应力； 4、

5、焊缝系数； 5、厚度附加量c。2021-12-1418三、压力试验 进行液压试验时试验压力的确定 进行气压试验时试验压力的确定 液压试验方法与过程控制 气压试验方法与过程控制 气密性试验 对所确定的试验压力进行强度校核2021-12-1419液压试验时的试验压力 且 pTpC + 0.1MPa 其中25. 1tcTpp8 . 1t2021-12-1420式中pT 试验压力，MPa；pC 设计压力，MPa； 试验温度下材料的许用应力， MPa；t 设计温度下材料的许用应力， MPa。2021-12-1421气压试验时的试验压力 其中8 . 1t15. 1tcTpp2021-12-1422液压试验

6、方法与过程控制 将容器充满液体，最高点设排气口。缓慢将压力升到规定试验压力后，保压半小时，降压到规定试验压力的80%，保持足够长的时间，以便对所有焊缝和连接部位进行检查。2021-12-1423气压试验方法与过程控制 对不适合作液压试验的容器，才采用气压试验。缓慢升压到规定试验压力的10%，且不超过0.05MPa，保持10分钟，查验所有焊缝及连接部位，多次检查。合格后，升到试验压力的50%，而后每次升级为试验压力的10%，直到试验压力。保持10分钟，然后降至试验压力的87%，检查焊缝情况。2021-12-1424气密性试验 容器须经液压试验后，方可进行气密试验。方法是缓慢升压至试验压力，保持1

7、0分钟，然后降至设计压力。同时进行检查。气体温度应不低于5。2021-12-1425试验压力的强度校核（一）液压试验时气压试验时)(9 . 02)(2 . 0seeiTTDP)(8 . 02)(2 . 0seeiTTDP2021-12-1426试验压力的强度校核（二）液压试验时气压试验时)(9 . 02)(2 . 0seeiTTDP)(8 . 02)(2 . 0seeiTTDP2021-12-1427第二节：内压容器封头的设计一、边缘应力概念二、凸形封头三、平板封头四、封头的结构特性及选择2021-12-1428一、边缘应力概念 产生实质 存在联接边缘；联接处二者变形 大小不同。 特点 局部性

8、；自限性。 对边缘应力的处理2021-12-1429二、凸形封头 半球封头 椭圆形封头 碟形封头 球冠形封头2021-12-1430半球封头 母线绕o轴回转而成球体，其任意时刻停留线均为经线。1= 2 = o 2 1 Dz Di o2021-12-1431半球、球壳计算厚度公式 外力 = 内力pDpDDDpDDpcticiztzczzc44422021-12-1432 实际应用时，筒体与半球形封头厚度相同，主要是考虑边缘应力和焊接工艺。 等厚焊接可以降低边缘联接处的边缘应力。 半球形封头多用于直径较大，或压力较高的容器。2021-12-1433椭圆形封头由区域平衡方程得：由微体平衡方程得：椭圆

9、方程：pRRm2122Rpm12222byax2021-12-1434取分离体 z R2 m R2 m p D2021-12-1435由 z 轴方向的平衡条件，得 Nz - Pz = 0 即 mDsin- D2p/4 = 0 ( a ) sin= D/2 R2 D = 2 R2 sin 代入( a )式得到 22Rpm2021-12-1436经向应力计算公式 式中 m 经向应力，MPa； 壳体厚度，mm； R2 所求应力点的第二曲率半径，mm； p 壳体所受的内压力，MPa。22Rpm2021-12-1437取微元体 R2 m R1 d2 d1 m 2021-12-1438 回转壳体应力分析

10、m dl2 d2 d1 dl1 p dl1 dl1 dl2 m dl22021-12-1439经向应力m与环向应力 d1 m d1 /2 p R1 n m R2 p n d2 d2 /22021-12-1440根据法线 n 方向上力的平衡条件，得到 Pn Nmn Nn = 0即 pdl1dl2 - 2 m dl2sin d1 /2 - 2 dl1sin d2 /2 = 0 (b)2021-12-1441因为夹角d1与d2很小，可取 sin d1 /2 d1 /2 = dl1/2 R1 sin d2 /2 d2 /2 = dl2/2 R2将以上两式代入(b)式，并化简，整理得pRRm212021

11、-12-1442环向应力计算公式式中 环向应力，MPa； R1 所求应力点的第一曲率半径，mm。pRRm212021-12-1443椭圆封头应力分析又椭圆方程：由第一曲率半径：12222byaxyyR 2/321)1 (2/3222441)(1baxaaRb2021-12-1444第二曲率半径：R2= -x /sin y R1 A x b a R22/122242)(1baxaRb2021-12-1445 由 得22RpmpRRm21)2(22)(1212221RRRRRRRmmmpp2021-12-1446将代入 与得2/3222441)(1baxaaRb2/122242)(1baxaRb2

12、/1222421)(22baxaRbppm22Rpm)2(12RRm)(2)2(22244122baxaaRRmm2021-12-1447 顶点 边缘 X=0 X=a轴向环向m122pa)(2bapa)2(222bapa)(2bapa2021-12-1448轴向应力分布图 y y h h0 x b x a )(2bapam2pam2021-12-1449环向应力分布图当 时，此时 y x 0)2(22ba2ba2021-12-1450当 当 y y x x2ba21ba2021-12-1451当 时，为标准椭圆封头 y y x x 轴向应力 环向应力2ba2021-12-1452椭圆封头计算厚

13、度公式当a/b=2时，K=1，为标准椭圆封头。标准椭圆封头计算厚度公式：pDpcticK5 . 02pDpctic5 . 022021-12-1453碟形封头 又称带有折边的球形封头。设有折边是为了缓解边缘应力。 折边 r h h0 Ri 直边，取值 Di 25、40、50 mm。2021-12-1454碟形封头厚度计算公式 考虑到球面部分与过渡区联接处的局部高应力，规定RiDi，r/Di0.1，且r3n。厚度计算公式碟形封头形状系数)3(415 .02rMMRpRpictic2021-12-1455标准碟形封头厚度计算公式 当 Ri = 0.9Di，r = 0.17Di，称为标准碟形封头，此

14、时 M = 1.325。 标准碟形封头计算厚度公式pDpctic5.022.12021-12-1456球冠形封头 球面部分直接焊在筒体上，也称无折边球形封头。可降低封头高度，但存在较大的局部边缘应力。2021-12-1457 Ri=(0.71.0)Di，圆筒加强段L的厚度与封头厚度等厚。 Di Ri L2021-12-1458三、平板封头 圆形平盖 非圆形平盖2021-12-1459圆形平盖 平盖封头主要用于常压和低压的设备上，或直径较小的设备。 一种是不可拆的固定平盖，其最大应力是轴向弯曲应力，产生在圆板边缘。 另一种是可拆平盖，其最大应力产生在平板中心。2021-12-1460 上述两类问

15、题简化为板边缘结构特征系数K来考虑。 因为 圆形平盖计算厚度22maxtcctccpDDpKK2021-12-1461式中 Dc 计算直径，见表10-4 K 结构特征系数，见表10-4 Pc 设计压力，MPa t 设计温度下的许用应力，MPa 焊缝系数 平盖计算厚度2021-12-1462非圆形平盖(a)表10-4中，式中：z 非圆平盖形状系数 z = 3.4-2.4a/b，且z2.5 a 非圆平盖的短轴长度 b 非圆平盖的长轴长度2tcpKza2021-12-1463(b)表10-4中2tcpKa2021-12-1464四、封头的结构特性及选择 封头的结构形式是由工艺过程、承载能力、制造方便

16、等方面的要求而决定。 从受力情况看：半球最好，椭圆、碟形其次，球冠、锥形更次之，而平板最差。 从制造方便看：平板最易，球冠、锥形、碟形、椭圆较易，半球最难。2021-12-1465第三节：外压圆筒的设计一、外压容器的稳定性二、外压圆筒的简化公式计算法三、外压圆筒图算设计方法四、外压圆筒图算设计方法说明五、外压圆筒厚度表六、外压容器的试压2021-12-1466一、外压容器的稳定性 圆筒失稳的形式 周向失稳；轴向失稳；局部失稳。 临界压力 设计外压 影响临界压力的因素 筒体尺寸；材料性能；筒体形状。2021-12-1467二、外压圆筒的简化公式计算法 钢制长圆筒 钢制短圆筒 刚性圆筒 临界长度

17、计算法步骤2021-12-1468钢制长圆筒 指圆筒的中央吸瘪时，临界压力pcr不受两端盖的影响。 L/D0值较大，pcr与e/D0有关，而 与 L/D0无关。2021-12-1469设计准则名义厚度cmpentcrccrcrcDEpppppe)(032 . 2332021-12-1470钢制短圆筒 指圆筒的中央吸瘪时，临界压力pcr受其两端盖的支撑作用。 pcr与e/D0有关，也与 L/D0有关。2021-12-1471设计准则名义厚度cLmpenetcrccrcrcDDEpppppe00259. 2332021-12-1472刚性圆筒 指圆筒破坏原因是由于在外压力作用下，相应所产生的压应力

18、，其值超过材料的屈服极限所致。而不会发生失稳。 L/D0值较小，e/D0较大，pcr值趋于无穷大。2021-12-1473 当e/D00.04时，即认为是刚性 圆筒。此时， e可按内压圆筒公式 进行计算。ecticpDpc22021-12-1474临界长度 在相同的e/D0下，长、短圆筒的区别在于是否受边界端盖的支撑作用。当短圆筒的长度逐渐增加到不受其两端盖的影响时，即进入长圆筒，在此临界处，可用短圆筒计算，也可用长圆筒计算。此时的长度称为临界长度Lcr，且两种计算结果相同。2021-12-1475即临界长度 当实际圆筒的计算长度LLcr时，就属于长圆筒，反之则属于短圆筒，据此判断应选择的计算

19、公式。ecrecrttDDLDDLEDEee00002317. 159. 22 . 2)(02021-12-1476计算法步骤由工艺计算已知：Di，L及p工作pc， D0=Di+2e1、假设有效壁厚e ，根据外径D0计算 临界长度Lcr值，比较L与Lcr ，判别长、 短圆筒；ecrDDL0017. 12021-12-14772、按相应长短圆筒公式求出pcr值。长圆筒短圆筒etcrtcrDDEpDEpLee002359. 22 . 2)(02021-12-14783、比较 p工作pc p = pcr/m ，说明 假设e正确。否则重新假设e ， 重新计算。 p工作pc，但数值应较为接近。 若相差过

20、大，也要重新计算。2021-12-1479相关参数的含义计算长度 L=L1+2h/3+2h0 L h/3 h L1 h02021-12-1480三、外压圆筒图算设计方法 几何参数计算图 壁厚计算图 Doe20的圆筒和管子 Doe20的圆筒和管子 Doe4.0的圆筒和管子2021-12-1481几何参数计算图图11-52021-12-1482壁厚计算图图11-711-102021-12-1483Doe20的圆筒和管子1、假设n，令e = n - c，计算出L/D0 和D0/ e 。2、由算图11-5，查A值， 若L/D0 50，则取 L/D0 = 50； 若L/D0 0.5，则取 L/D0 =

21、0.5。2021-12-14843、由A值及相应的工作温度， 查算图11-7算图11-10，得B值。 若A值落在温度-材料线右方， 可得B值，则计算许用外力eDBp02021-12-1485 若A值落在温度-材料线左方， 得不到B值，此时，B=2AEt/3。 则许用外力eteteDEDEDAABp00032322021-12-14864、比较pc p是否成立，成立则假设 n符合设计要求，否则重新计算， 直到p大于且接近pc为止。 注意n与p的单位为：mm，MPa。2021-12-1487Doe20的圆筒和管子此时为刚性圆筒。1、与上述相同的步骤查得B值。 但对Doe4.0的圆筒和管子（此时 为厚壁容器），应按下式计算A值。 ，A0.1时，取A=0.1 然后，查B值。)