过程装备机械设计基础——8 压力容器修

1、一、一、 压力容器的结构压力容器的结构封头人孔支座筒体管口液位计典型反应器结构典型反应器结构二、压力容器分类二、压力容器分类1、 按承压性质分设计压力通常为低压外压容器:MPaMPaPMPaPMPaP10010010106 . 16 . 11 . 0超高压/U高压/H中压/M低压/L内压容器2、 按形状分按形状分 圆筒，球形，矩形；圆筒，球形，矩形；3、 按材料分按材料分 金属材料，非金属材料金属材料，非金属材料4、 按壁厚分按壁厚分 薄壁容器（薄壁容器（Ro/Ri=1.2）5、 按安装方式分按安装方式分 固定式容器固定式容器 移动式容器移动式容器6、 按作用原理分按作用原理分 反应器（反应器

2、（R），换热器（），换热器（E），）， 分离器（分离器（S），储存容器（），储存容器（C，B） 分离器（分离器（S）：用于介质的流体压力平衡和）：用于介质的流体压力平衡和气体净化分离的压力容器，气体净化分离的压力容器，如过滤器，集油如过滤器，集油器，缓冲器，吸收塔，干燥塔，除氧器。器，缓冲器，吸收塔，干燥塔，除氧器。反应器（反应器（R）：完成介质物理化学反应的压力）：完成介质物理化学反应的压力容器。容器。如反应器，反应釜，分解锅，硫化罐，如反应器，反应釜，分解锅，硫化罐，分解塔，聚合釜，高压釜，合成塔分解塔，聚合釜，高压釜，合成塔 换热器（换热器（E）：用于完成介质的热量交换的压）：用于完成介

3、质的热量交换的压力容器，力容器，如余热锅炉，热交换器，消毒罐，如余热锅炉，热交换器，消毒罐，染色器，烘缸，预热锅，蒸汽发生器，煤气染色器，烘缸，预热锅，蒸汽发生器，煤气发生炉的水夹套，冷凝器等发生炉的水夹套，冷凝器等 储存容器（储存容器（C，B）：主要用于储存和盛装气）：主要用于储存和盛装气体，液体和液化气体等介质的压力容器，体，液体和液化气体等介质的压力容器，如：如：各种形式的储罐等各种形式的储罐等同一容器，多种功能时，按主要作用来划分。同一容器，多种功能时，按主要作用来划分。7、 按监察规程分按监察规程分a. 最高工作压力最高工作压力Pw0.1MPab. 内直径内直径Di0.15m，且，且

4、V0.025m3c. 盛装介质为气体、液化气体或最高工作盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体。温度高于等于标准沸点的液体。监察规程的管辖范围监察规程的管辖范围压力容器安全压力容器安全技术监察规程技术监察规程 GB5044职业性接触毒物危害程度分级/HG20660压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类 (1)极度危害10mg/m3,氢氧化钠、丙酮等 一类容器一类容器1.非易燃或低毒的低压反应容器和储存容器非易燃或低毒的低压反应容器和储存容器;2 .有毒和有危害的低压容器有毒和有危害的低压容器1、一般中压容器；、一般中压容器； 二类容器二类容器2、 介质为易燃或毒性程

5、度为中度危介质为易燃或毒性程度为中度危 害的低压反应容器和储存容器；害的低压反应容器和储存容器；3、 毒性程度为极度和高度危害介质毒性程度为极度和高度危害介质 的低压容器；的低压容器；4 、低压管壳式余热锅炉；、低压管壳式余热锅炉；5、低压搪玻璃压力容器。、低压搪玻璃压力容器。 三类容器三类容器1、 高压容器；高压容器；2 、低压容器、低压容器(毒性为极度或高度危害介质，毒性为极度或高度危害介质， 且且PVPV大于大于0.2MPam0.2MPam3 3)；3、 中压反应容器中压反应容器(易燃或毒性程度为中度危易燃或毒性程度为中度危 害介质且害介质且PV0.5MPamPV0.5MPam3 3)；

6、4、 中压储存容器中压储存容器(易燃或毒性程度为中度危易燃或毒性程度为中度危 害介质，且害介质，且PV10MPamPV10MPam3 3)；5、 高压、中压管壳式余热锅炉；高压、中压管壳式余热锅炉； 三类容器三类容器(续）续）6、 中压搪玻璃压力容器；中压搪玻璃压力容器；7 、球形（、球形（V=50m3) ；8、移动式压力容器。、移动式压力容器。9、中压容器（仅限毒性程度为极度或、中压容器（仅限毒性程度为极度或 高度危害介质。高度危害介质。10、使用强度级别较高的材料制造的压、使用强度级别较高的材料制造的压 力容器。力容器。11、低温储存容器、低温储存容器(V5m3) 。Question: 多

7、压力腔容器如何归类管理？Heat Exchanger, Jacket Reactor1、按容器的外径、按容器的外径Do和内径和内径Di的比值的比值K 不同，可将容器分为：不同，可将容器分为： 厚壁容器：厚壁容器：K1.2 薄壁容器：薄壁容器：K 1.22、应力分析理论、应力分析理论 无力矩理论或薄膜理论无力矩理论或薄膜理论 力矩理论力矩理论1 1、受内压圆筒壳体、受内压圆筒壳体0sin2dPRltltPR静力平衡方程：静力平衡方程：环向应力为环向应力为:环向应力环向应力周向应力周向应力PtR一、典型壳体应力分析一、典型壳体应力分析RPtR22tPR2静力平衡方程：静力平衡方程：经向应力为经向应

8、力为经向应力经向应力/轴向应力轴向应力 薄壁圆筒形压力容器环向应力薄壁圆筒形压力容器环向应力为经向应力的二倍为经向应力的二倍tRp2、承受内压的球形壳体、承受内压的球形壳体tpR2球形壳体的厚度仅需圆筒形壳体的一半；球形容器的表面积最小；所以耗材是最少的。xMaR2R1K21b3、承受内压的椭球形壳体、承受内压的椭球形壳体* ptbax abptbax abaax ab2224222422244222()()()batpa22222batpatpa在顶点：在顶点：在赤道：在赤道：+112+-椭圆形封头的应力分布椭圆形封头的应力分布 标准椭圆形封头 取顶点处的周向应力与赤道处的周向应力相等，22

9、22batpabatpa得: a=2brR2tpOx4、承受内压的锥形壳体*tgtpxtprtgtpxtprcos2cos2 由此可见，锥形壳体由此可见，锥形壳体的周向应力是经向应力的周向应力是经向应力的两倍。的两倍。 在锥顶处应力为零。在锥顶处应力为零。 应力随半锥角的增大应力随半锥角的增大而增大。而增大。1. 边缘应力的产生原因几何非线性载荷非线性约束非线性材料非线性0Q0Q00ppM0M0M0M0图图 8-17 圆筒形容器的边缘效应圆筒形容器的边缘效应 2. 边缘应力的特点 局部性 自限性3. 工程上的处理方法 危害性较小，不做特殊处理 仅作局部结构调整，p161 图8-18 几个前提

10、不大于35MPa的内压容器的筒体和封头 设计准则为弹性失效 一般不考虑边缘应力，必要时以应力增强系数的形式引入设计计算。 依据：GB150-1999钢制压力容器一、一、 强度设计公式强度设计公式 tittDP2)（ CPDPttin2强度条件：设计公式： teeitttDp2)( ptDtpeitew2强度校核条件：或二、二、 设计参数确定设计参数确定1、 设计压力设计压力(P)通常：P(1.01.1)PW安全阀：P= (1.051.1)PW. 且不低于安全阀 开启压力。爆破片：(1.151.75)PW. 爆破压力制造偏差介质为液化气：TMAX时液化气饱和蒸汽压介质为液体：当液柱静压大于0.0

11、5P时，应 计入液体静压力。 指容器正常工作时，在相应的设计压力指容器正常工作时，在相应的设计压力下，器壁金属可能达到的最高和最低温下，器壁金属可能达到的最高和最低温度（低于度（低于0)2 设计温度设计温度3 焊缝系数焊缝系数 焊缝系数决定于二个因素：焊缝系数决定于二个因素： 1）焊缝的结构形式）焊缝的结构形式 2）无损探伤水平）无损探伤水平焊接接头形式无损检测要求焊缝系数双面对接焊100%1.0局部0.85单面对接焊100%0.9局部0.8焊缝系数4、许用应力、许用应力影响许用应力的因素：1 使用温度2 钢板厚度 许用应力由材料的强度极限除以相应许用应力由材料的强度极限除以相应 的安全系数而

12、得。的安全系数而得。 强度极限根据材料的失效类型确定强度极限根据材料的失效类型确定 安全系数则受工况、材料、制造质量安全系数则受工况、材料、制造质量 和计算方法的影响；和计算方法的影响；Question: WHY?5 .厚度厚度(t) a. 壁厚附加量壁厚附加量 CC1C2 C1：钢板负偏差：钢板负偏差, 表表8-9 C2：腐蚀裕量：腐蚀裕量 b. 最小壁厚最小壁厚 保证设备在运输和安装过程中的安全保证设备在运输和安装过程中的安全 碳素钢和低合金钢：不小于碳素钢和低合金钢：不小于3mm。 高合金钢：不小于高合金钢：不小于2mm。三、三、 压力与气密性试验压力与气密性试验 MPaPPPtT1 .

13、 025. 1且不小于seeiTTttDp9 . 02)(1 、水压试验、水压试验a. 试验压力：试验压力：b. 强度条件强度条件：c. 对试压介质的要求对试压介质的要求方便获得；价格低廉；无危险；存储方便；沸点高于试验温度；洁净，无污染，易于清除；无腐蚀性。d. 对试验温度的要求 试验温度应该高于材料的无延性转变温度（NDT）。对于碳钢，16MnR，15MnVR等，试验温度应该大于5 ，其他低合金钢，试验温度应该大于15。 板厚的影响导致试验温度的提高。2 、气压试验、气压试验 MPaPPPtT1 . 015. 1且不小于seeiTTttDp8 . 02)(a. 试验压力：试验压力：b. 强

14、度条件强度条件：c. 常用介质常用介质 干燥洁净的空气； 氮气 惰性气体。d. 试验温度试验温度 对于碳钢和低合金钢，应大于15。eeiTTttDP2)()(8 . 02 . 0ST液压试验时：气压试验时：)(9 . 02 . 0ST薄膜应力：4、 气密性试验气密性试验 tTPP05. 1b. 试验压力：试验压力：a. 用处： 介质毒性程度为极度或高度危害； 设计上不容许有微量泄漏；c. 其他 介质：干净空气或氮气、惰性气体 温度：碳钢、低合金钢等，不低于15 保压：30min，升压缓慢，稳定。8.4 外压薄壁圆筒的设计外压薄壁圆筒的设计 外压容器的定义：外压大于内压的容器外压容器的定义：外压

15、大于内压的容器; 失效的主要形式为失稳。其后果是造成容失效的主要形式为失稳。其后果是造成容 器几何形状偏离原形状。器几何形状偏离原形状。 一、外压容器失稳的概念 常见外压容器：减压蒸馏塔；真空冷凝器；常见外压容器：减压蒸馏塔；真空冷凝器；结晶器；带蒸汽加热夹套；结晶器；带蒸汽加热夹套；长园筒长园筒 容器失稳与压杆失稳类似，取决于：容器失稳与压杆失稳类似，取决于： 1) 圆筒外径与有效壁厚之比圆筒外径与有效壁厚之比 Do/te； 2) 圆筒长度与外径的比值圆筒长度与外径的比值 L/Do 3) 材料的力学性能材料的力学性能 （E， ) 其他：形状偏差，圆度其他：形状偏差，圆度 压杆失稳的主要因素：

16、压杆失稳的主要因素： 1）外载大小）外载大小 2）压杆柔度）压杆柔度(细长比细长比) 3）材料的力学性能。）材料的力学性能。1. 长圆筒： 临界压力32)(12ocrDtEP3)(2 . 2ocrDtEP 21 . 1ocrDtE钢制圆筒： 临界应力： 5 . 1)(/30. 1oocrDtDLE5 . 2)(/59. 2oocrDtDLEP tDDLoocr17. 12. 短圆筒：3. 临界长度：临界应力： 二、 外压薄壁圆筒厚度设计 外压设计的总体思路：保证工作压力外压设计的总体思路：保证工作压力P小小于许用外压于许用外压P 而而P=Pcr/m m 决定于决定于Pcr的准确程度、制造技术、

17、的准确程度、制造技术、焊缝结构形式等因素。我国规定焊缝结构形式等因素。我国规定 m=3解析法解析法tDDLtPDtPeooecrcrEoeE2359.22 .2短圆筒长圆筒2) 求求Pcr，确定，确定P3) 如如PP且较为接近，则所假定的且较为接近，则所假定的 tn符合要符合要求，否则重算，直到符合要求。求，否则重算，直到符合要求。1) 假设设计名义厚度假设设计名义厚度tn，则有，则有te=tn-CtDDLeoocr17. 1 求解步骤： 根据工况，确定材料； 假定壁厚为tn，确定有效厚度te， 根据已知条件确定临界长度Lcr； 根据公式确定许用设计外压P； 确定设计外压P，并比较P与P，如果

18、P=I . 例题 例3 自学 8.6 压力容器的安全使用与管理一、一、 压力容器的安全技术监察压力容器的安全技术监察1 、安全技术监察的依据、安全技术监察的依据容规容规涉及内容涉及内容:类别划分，材料选用，结构与类别划分，材料选用，结构与强度设计，制造组装，无损检测探伤，强度设计，制造组装，无损检测探伤，压力试验，使用管理，定期检验及安全压力试验，使用管理，定期检验及安全附件，等等附件，等等2 、压力容器的设计监察、压力容器的设计监察资格资格3 、压力容器的制造监察、压力容器的制造监察许可许可美国机械工程师协会颁发的美国机械工程师协会颁发的ASME“U”钢印证书钢印证书 欧盟承压设备指令欧盟承

19、压设备指令PED-CE资质资质 二、压力容器的安全使用与管理二、压力容器的安全使用与管理1 、管理体系与职责、管理体系与职责2 、建立压力容器技术档案、建立压力容器技术档案3、压力容器的使用登记、压力容器的使用登记4 、制订容器的安全操作规程、制订容器的安全操作规程5 、正确操作容器、正确操作容器三、三、 压力容器的定期检验压力容器的定期检验1 、定期检验的目的、定期检验的目的2 、定期检验的内容与期限、定期检验的内容与期限 外部检测，内外部检验，耐压试验；外部检测，内外部检验，耐压试验； 检验程序检验程序 检验报告检验报告 光气又称碳酰氯，无色气体，有腐草臭味，剧毒，微溶于水，较易溶于苯、甲

20、苯等。由一氧化碳和氯的混合物通过活性炭制得。环境中的光气主要来自染料、农药、制药等生产工艺。光气是剧烈窒息性毒气，高浓度吸人可致肺水肿。毒性比氯气约大10倍，但在体内无蓄积作用。在生产条件下以急性中毒为主，主要对呼吸系统造成损害。吸人光气后，发生典型的刺激症状，初为干咳，数小时后加重，轻者出现咳嗽、胸闷、气促、眼结膜刺激和头痛、恶心等；重者可发展为肺水肿、呼吸困难，甚至出现休克。 图解法（略）图解法（略）DoteKEPcr3DoteKEtDPeocrcr222DLtDfDoteKEoeocrcr,22器壁上的应变：器壁上的应力：K为特征系数临界压力：图解法来源：GB150 钢制压力容器 外压圆筒几何参数计算图外压圆筒几何参数计算图 c r(A ) L / Do Do/ te DtDtDoteKEDoteKEmPPoecroecr322323123crB32AEEBcrcr323232 DtBPoe圆筒的许用外压力圆筒的许用外压力：令则而此即为BA图的由来 外压圆筒计算图外压圆筒计算图 (BA图图)BA 设计方法和计算步骤设计方法和计算步骤tDAEPeo32 1 假设假设 2 确定比值：确定比值：L/Do和和D/te 3 查图查图8-