化工设备使用及维护第二章 压力容器基础

1、化工设备使用与维护第二章 压力容器基础第一节 压力容器的类型及规范介绍第二节 压力容器的设计计算 第三节 压力容器的主要零部件目录知识目标教学目标 2.理解压力容器设计参数的含义知识目标1. 了解压力容器的类型及主要的标准规范3.掌握压力容器强度计算的方法能力目标能够根据工艺条件，对压力容器进行强度计算、特别是校核计算4.掌握压力容器主要零部件的构造第一节 压力容器的类型及规范介绍Slide 2/1一、压力容器的类型 压力容器是指压力和容积达到一定的数值、容器所处的工作温度使其内部介质呈气态的密闭容器。按中国压力容器安全技术监察规程的规定，同时具备下列条件的容器就称为压力容器。第一节 压力容器

2、的类型及规范介绍工作压力大于等于0.1MPa（不含液柱静压力）；直径（非圆形截面指断面最大尺寸）大于等于0.15m，且容积大于等于0.025m3；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。工艺用途分类Slide 2/2（一）按工艺用途分类第一节 压力容器的类型及规范介绍反应容器主要用于完成介质的化学和物理反应过程，如反应釜、分解塔、聚合釜、合成塔、煤气发生炉等。20 1 Text储存容提器主要用于盛装气体、液体、液化气体等介质，如液化气储罐、液氨储罐、球罐、槽车等。4换热器主要用于完成介质的热量交换过程，如热交换器、冷却器、冷凝器、蒸发器、冷却塔等。 2分离容器主要用于完成流体

3、的压力平衡和气体净化分离等过程，如分离器、过滤器、洗涤器、干燥塔、汽提塔、乙烯精馏塔等。 3Slide 2/3（二）按设计压力高低分类1. 低压容器：0.1MPaP1.6 MPa压力容器2.中压容器：1.6MPaP10.0MPa3.高压容器：10.0MPaP100MPa4.超高压容器：P100MPa第一节 压力容器的类型及规范介绍Slide 2/4（三）按安全技术监察规程的要求分类压力容器第一类压力容器第二类压力容器第三类压力容器第一节 压力容器的类型及规范介绍Slide 2/5二、压力容器规范介绍（一）GB 150-1998钢制压力容器（二）GB 151-1999管壳式换热器（三）JB/T

4、4710-2005钢制塔式容器（四）压力容器安全技术监察规程第一节 压力容器的类型及规范介绍The End第一节 压力容器的类型及规范介绍第二节 压力容器的设计计算Slide 2/6一、典型回转薄壳应力分析 压力容器及化工设备的外壳，通常是由板、壳制造而成的焊接结构件。而常见的外壳多数是由具有轴对称的回转壳体组合而成，如圆柱壳、球壳、椭球壳、圆锥壳，等。因此，在研究压力容器及化工设备之前，首先要认识这些壳体的几何特性和受力关系。第二节 压力容器的设计计算Slide 2/7第二节 压力容器的设计计算（一）回转薄壳的形成及几何特性 任何平面曲线绕同平面内的某一已知直线旋转而成的曲面称为回转曲面，其

5、中已知直线称为回转曲面的轴，绕轴旋转的平面曲线称为回转曲面上的母线。 壳体是一种以内外曲面为界，且曲面之间的距离远小于其他方向尺寸的几何构件，两曲面之间的距离即是壳体的厚度。与壳体内外表面等距离的曲面称为中间面，中间面是平分壳体厚度且能反映壳体几何特性的一个特殊曲面，如果中间面是回转曲面的壳体即称为回转壳体。Slide 2/8 在对回转薄壁壳体进行应力分析时，假设：壳体材料连续、均匀、各向同性；受力后发生的变形是弹性小变形；壳体中各层纤维在变形中互不挤压。第二节 压力容器的设计计算（二）承受气压回转薄壳的受力分析Slide 2/91.圆筒形壳体（圆筒体）1：经向应力（或轴向应力）2：环向应力第

6、二节 压力容器的设计计算Slide 2/10=根据力学平衡，内压产生的轴向合力与壳壁横截面上的轴向总拉力相等，即214pDD 14pD经向应力第二节 压力容器的设计计算Slide 2/11= 根据力学平衡，由于内压作用，垂直于截面的合力与纵截面上产生的总拉力相等，即22LDpL22pD环向应力第二节 压力容器的设计计算Slide 2/12 可以看出， 。说明在圆筒形壳体中，环向应力是经向应力的2倍，因此，在圆筒体上开设椭圆形人孔或手孔时，应当将短轴设计在纵向，长轴在环向，以减小开孔对壳体强度的影响。另外，在制造圆筒形压力容器时，纵向焊缝的质量应比环向焊缝高，以确保容器使用时的安全可靠性。第二节

7、 压力容器的设计计算Slide 2/132.球形壳体（圆筒体） 根据力学平衡，垂直于截面的总压力与壳体圆环截面上的拉相等，即24pDD4pD第二节 压力容器的设计计算区域平衡方程Slide 2/143.无力矩理论及其应用 在工程应用中，当壳体的径比K=D0/Di1.2时为了简化计算，常忽略弯曲应力而只考虑拉应力的影响，这种分析问题的方法称为“无力矩理论”，由此求得的旋转壳体中的应力称为“薄膜应力”。微体平衡方程prr21sin0KrrprdrK22pr第二节 压力容器的设计计算Slide 2/152 1020125.544 20pDMPa第二节 压力容器的设计计算【例题2-1】圆筒形和球形容器

8、内气体压力均为2MPa，圆筒形壳体内径Di为l000mm，球形壳体内径为2000mm，壳体壁厚均为20mm，试求圆筒体截面上的经向应力、环向应力以及球形壳体截面的拉应力。解：(1)计算圆筒形壳体的应力圆筒体的中间面直径为 D = Di +=1000+20 =1020mm根据式(2-1)简体横截面的经向应力为 根据式(2-2) 圆筒体纵截面的环向应力为 (2)计算球形壳体截面的拉应力其中间面直径为 D = Di +=2000+20 =2020mm根据式(2-3)球形壳体截面的拉应力为 从以上计算结果可见，虽然球形壳体的直径比圆筒形壳体直径大一倍，但在相同压力和壁厚的条件下，球形壳体截面的应力值与

9、圆筒形壳体截面的环向应力值相当。因此，从受力角度来理解，对于内压较大的压力容器选择球形结构较为合适。Slide 2/164.边缘问题 在壳体上不满足无力矩理论应用条件的部位称为连接边缘，在边缘处壳体相互之间产生的约束力称为边缘应力。第二节 压力容器的设计计算Slide 2/17常见的连接边缘有：壳体与封头的连接处。直径和材料相同但壁厚不同两壳体的连接处。壳体上有法兰、接管等部位。壳体上有集中载荷、或边界法向有约束的部位。不同材料制造的同直径和同壁厚圆筒的连接处等。壳体与封头的连接处。直径和材料相同但壁厚不同两壳体的连接处。壳体上有法兰、接管等部位。第二节 压力容器的设计计算Slide 2/18

10、边缘应力的特点：局部性自限性图2-5 圆筒与平封头连接边缘应力示意图第二节 压力容器的设计计算Slide 2/19二、容器的强度计算 压力容器的强度计算包括设计计算和校核计算。由已知的工艺条件，如压力、温度、介质等，设计一台新容器所进行的计算为设计计算；对现有的容器改变使用条件，或进行安全性能的检验所进行的计算为校核计算。第二节 压力容器的设计计算Slide 2/20（一）圆筒和球壳的强度计算1.设计计算圆筒形容器 （2-1） 2citcp Dp球形容器 （2-2） 4citcp Dp第二节 压力容器的设计计算Slide 2/212.校核计算圆筒形容器 （2-3） 2tewiepD球形容器 （

11、2-4） 4tewiepD第二节 压力容器的设计计算Slide 2/22（二）封头的强度计算 封头是压力容器的重要组成部分，常用的有半球封头、椭圆形封头、蝶形封头、锥形封头和平封头。其中，平封头根据需要有多种形式，其结构都比较简单，但其与其他类型的封头相比在同等条件下，满足强度要求的厚度却很大，故在中低压容器中应用不多；锥形封头主要用于不同直径圆筒的过渡连接、介质中含有固体颗粒或粘度较大时容器下部的出料口等。工程上应用较多的是半球形封头、椭圆形封头和蝶形封头，以椭圆形封头常用。第二节 压力容器的设计计算Slide 2/231.椭圆形封头椭圆形封头是由半个椭球壳和一段高度为h的直边部分组成。直边

12、高度h的大小按封头直径和厚度不同有25mm，40mm，50mm，三种，直边部分的作用是使椭圆壳和圆筒的连接边缘与封头和圆筒焊接连接的接头错开，避免边缘应力（互相连接的两部分由于变形不协调、互相约束而在连接处产生的附加应力）与热应力（由于焊接在焊接接头处产生的附加应力）叠加的现象，改善封头和圆筒连接处的受力状况。第二节 压力容器的设计计算Slide 2/24当椭圆封头的 时，称为标准椭圆封头。22iiDh 20.5citcKp Dp 20.5tewiepKDK：椭圆形封头的形状系数，可查GB 150，对标准椭圆形封头 K=1.00。第二节 压力容器的设计计算Slide 2/252.碟形封头蝶形封

13、头是由半径为 的部分球面、高度为 的直边部分及连接以上两部分的半径为 的过渡区所组成。GB 150中推荐取 （也可以认为是标准蝶形封头），这时球面部分的壁厚与圆筒接近，封头的深度也不大，便于制造。在蝶形封头中直边部分的作用和取法与椭圆形封头相同。第二节 压力容器的设计计算Slide 2/26GB 150中推荐取 时，称为标准蝶形封头。M:椭圆形封头的形状系数，可查GB 150，对标准碟形封头M =1.33。0.9,0.17iiRrD 20.5citcMp Rp 20.5tewiepMR第二节 压力容器的设计计算Slide 2/273.半球形封头 半球形封头为半个球壳，与其他形式的封头相比应力分

14、布均匀，但由于深度较大，当直径较小时制造困难，因此中小直径的容器很少采用半球形封头。对于大直径的半球形封头，先在制造现场分瓣冲压，然后再运送到安装现场进行拼焊。第二节 压力容器的设计计算Slide 2/28半球形封头的强度计算与球形容器完全相同。适用范围同样是pc0.6t，相当于K1.33。第二节 压力容器的设计计算Slide 2/29（三）容器的最小厚度 GB 150中对圆筒形容器加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度作了如下限制。碳素钢、低合金钢制容器， min不小于3mm；直径和材料相同但壁厚不同两壳体的连接处。第二节 压力容器的设计计算取大值Slide 2/30（四）容器厚度的确定21CC

15、min2C按钢板厚度规格向上圆整n第二节 压力容器的设计计算Slide 2/30（五）各类厚度的相互关系第二节 压力容器的设计计算Slide 2/31三、设计参数的确定1.设计压力 设计压力是指设定的容器顶部的最高工作压力，用p表示，设计压力应标在容器的铭牌上；与相应的设计温度一起作为设计载荷，其值不低于工作压力。 工作压力是指正常操作情况下容器顶部可能出现的最高压力，用 pw表示。 在相应的设计温度下，用以确定容器元件厚度的压力称为计算压力，用 pc表示。,cp ppppp液液液5%p5%p第二节 压力容器的设计计算Slide 2/32容器的设计压力可按以下方法确定：当容器上装有爆破片装置时

16、，p=(1.151.3)pw。当容器上装有安全阀时，设计压力应大于等于安全阀的开启压力，即p=(1.051.1)pw。当容器系统中装有安全控制装置，而单个容器上无安全控制且各个容器之间的压力降难以确定时，其设计压力可按表2-1确定。第二节 压力容器的设计计算Slide 2/33盛装液化气体或混合液化石油气的容器，设计压力可按表2-2确定。表2-2盛装液化气体的压力容器设计压力选用注：P50为混合液化石油气50时的饱和蒸汽压力；表中的1.94MPa、1.62MPa、0.58MPa分别为丙烯、丙烷、已丁烷50时的饱和蒸汽压力，乘以1.1即为设计压力。第二节 压力容器的设计计算Slide 2/342

17、.设计温度 设计温度是指容器正常工作情况下，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面温度的平均值），用t表示。对于0以上的金属温度，设计温度不得低于元件金属在工作状态下可能达到的最高温度；对于0以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。第二节 压力容器的设计计算Slide 2/35容器的设计温度可参考以下原则确定。容器内介质被热载体或冷载体直接加热时，设计温度按下表确定。容器内壁与介质直接接触且有外保温时，设计温度按下表确定。容器内介质用蒸汽直接加热或被内置加热元件（如加热盘管、电热元件等）间接加热时，其设计温度取被加热介质的最高工作温度。对液化气用压力容器当设计压力确定后，其设

18、计温度就是与其对应的饱和蒸汽的温度。对储存用压力容器（包括液化气储罐），当壳体温度仅由大气环境条件确定时，其设计温度可取该地区历年来月平均气温的最低值，或据实计算。第二节 压力容器的设计计算Slide 2/363.许用应力 许用压力是容器壳体、封头等受压元件所采用材料的许用强度，它是由材料的各极限应力（ s 、b 、 st 、 nt 、 Dt ）除以相应的安全系数来确定的。安全系数是为了保证容器受压元件的强度有足够的安全储备量而设定的一个强度“保险”系数，它是可靠性和先进性相统一的系数，是考虑了材料的力学性能、载荷条件、设计计算方法、加工制造及使用等方面的不确定因素后确定的。第二节 压力容器的

19、设计计算Slide 2/374.焊接接头系数 焊接制造的容器，在焊缝中可能存在着夹渣、气孔、裂纹及未焊透等缺陷，使焊缝及热影响区的强度受到削弱，为了补偿焊接时可能出现的焊接缺陷对容器强度的影响，引入了焊接接头系数，它是接头处材料的强度与母材强度之比，用表示。焊接接头系数的取值与接头的形式及对其进行无损检测的长度比例有关，由GB 150的规定可按下列方法确定。1,100%0.850.90,100%0.80无损检测双面焊对接接头，局部无损检测无损检测单面焊对接接头，局部无损检测第二节 压力容器的设计计算Slide 2/385.厚度附加量 容器的壁厚不仅要满足强度和刚度的要求，还要考虑钢材的厚度负偏

20、差和介质对容器的腐蚀，所以在确定容器厚度时引入钢板或钢管的厚度负偏差C1和腐蚀裕量C2，二者之和称为厚度附加量，用C表示。12CCC 腐蚀裕量可根据介质的腐蚀性及容器的设计寿命来确定，对介质为压缩空气、水蒸气及水的碳素钢、低合金钢容器，腐蚀裕量不小于1mm；当资料不全难以具体确定时，可参考表2-7选取。第二节 压力容器的设计计算Slide 2/396.压力容器的公称直径、公称压力 规定公称直径的目的是使容器的直径成为一系列规定的数值，以便于零部件的标准化，以符号“DN”表示，单位为mm 。用钢板卷制而成的简体，其公称直径即等于内径，现行标准中规定的压力容器公称直径系列，封头的公称直径与简体一致

21、，如表3-14所示。 对于管子来说，公称直径既不是指管子的内径也不是指管子的外径，而是比外径还要小的数值。只要管子的公称直径一定，管子的外径也就确定了，管子的内径因壁厚不同而有不同的数值。 把压力容器所承受的压力范围分成若干个标准压力等级，称为公称压力，以PN表示，并将其作为选用标准零部件的另一个基本参数。 目前我国制定的压力等级分为常压、0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.4 (单位均为MPa)。选用容器零部件时，必须将操作温度下的最高操作压力（或设计压力）调整为所规定的某一公称压力等级，然后冉根据DN与PN选定该零部件的尺寸。第二节 压力容器的设计计算Slide 2/40

22、 把压力容器所承受的压力范围分成若干个标准压力等级，称为公称压力，以PN表示，并将其作为选用标准零部件的另一个基本参数。 目前我国制定的压力等级分为常压、0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.4 (单位均为MPa)。选用容器零部件时，必须将操作温度下的最高操作压力（或设计压力）调整为所规定的某一公称压力等级，然后冉根据DN与PN选定该零部件的尺寸。第二节 压力容器的设计计算Slide 2/41第二节 压力容器的设计计算【例题2-2】某内压容器的简体设计，已知：设计压力p=0.4MPa，设计温度t=70，圆筒内径Di =1000mm，总高3000mm，盛装液体介质，液柱静压力为0

23、.03Mpa，圆筒材料为16MnR，腐蚀裕量C2取1.5mm，焊接妾头系数= 0.85，试求该容器的筒体厚度。解： (1)根据设计压力p和液柱静压力p液确定计算压力pc液柱静压力为0.03Mpa，已大于设计压力的5%，故应计入计算压力中，则pc = p + p液 = 0.4 + 0.03 = 0.43 MPa,(2)求计算厚度先假设简体厚度为616mm，查表3-6得设计温度为70时的许用应力t =170MPa，将以上参数带入式(3-2)得到简体计算厚度 (3)求设计厚度d (4)求名义厚度n查表(3-10)得钢板厚度负偏差C1 =0.22 mm，因而可取名义厚度n=4mm。但对于低合金钢制的容

24、器，规定不包括腐蚀裕量的最小厚度min应不小于3mm，若加上1.5mm的腐蚀裕量，名义厚度至少应取6mm。根据钢板厚度标准规格，名义厚度n取为6mm 。(5)检查n=6mm，t没有变化，故取名义厚度为6mm合适。Slide 2/42 半球形封头用材最少，但深度太深；碟形封头比较浅，制造比较容易，但比半球形封头多用材8mm，且封头与简体厚度相差悬殊，结构不合理。因此从强度、结构和制造等方面考虑，以采用椭圆形封头最为理想。第二节 压力容器的设计计算Slide 2/43三、容器的压力试验 容器的压力试验是在超过设计压力的压力下，对容器进行试运行的过程。压力试验的目的是检查容器的宏观强度、焊缝的致密性及密封结构的可靠性，及时发现容器钢材、制造及检修过程中存在的缺陷，是对材料、设计、制造及检修等各环节的综合性检查。通过压力试验将容器的不安全因素在正式使用前充分暴露出来，防患于未然。所以压力试验是保证设备安全运行的重要措施，必须严格执行。第二节 压力容器的设计计算Slide 2/44对下列容器应进行压力试验。（1）新制造的的容器。（2）改变使用条件，且超过原设计参数并经强度校核合格的容器。（3）停止使用两年后重新启用的容器。（4）使用单位从外单位拆来新安装的或本单位内部移装的容器。（5）用焊接方法修理制造、更换主要受压元件的容器。（6）需要更