化工机械第五章压力容器

1、第五章压力容器第五章第五章 压力容器压力容器5.1 概述概述5.2 内压薄壁容器的应力分析内压薄壁容器的应力分析5.3 内压薄壁容器的设计计算内压薄壁容器的设计计算5.4 外压容器外压容器5.5 储存设备储存设备5.6 简单容器设计举例简单容器设计举例第五章压力容器5.1 概述5.1.1 压力容器总体结构压力容器:凡是含有压力介质的凡是含有压力介质的密闭容器都被称作压力容都被称作压力容器。器。化工生产所用的各种化工设备外部壳体的总称。常用结构:圆柱壳、球壳、椭球壳、锥形壳、组合壳等，多为回转壳体。5.1.2 压力容器分类1.按形状分类.方形或矩形容器.球形容器 承压能力好承压能力好第五章压力容

2、器塔塔设设备备第五章压力容器球罐球罐第五章压力容器2.按承压性质分类可分为内压容器与外压容器两类内压容器：容器内部介质压力大于外部压力。外压容器：容器内部介质压力小于外部压力。.圆筒形容器制作方便、安装内件制作方便、安装内件 容易、承压能力好、容易、承压能力好、 广泛使用。广泛使用。第五章压力容器3.按结构材料分类金属容器：广泛应用低碳钢和低合金钢制造， 对于腐蚀严重的介质或产品纯度要 求较高的场合，使用不锈钢，不锈 复合钢板或铝合金等制造。非金属容器：常用的材料有硬聚氢乙烯，玻璃 钢，化工陶瓷等。或在钢制容器 内加非金属衬里或涂层。第五章压力容器4.按使用场合分类反应压力容器：容器内介质有物

3、理或化学反 应，使介质分离为多种产品或 几种物质合成为某一种物质。换热压力容器：容器内介质进行热量交换达到 介质的加热或冷却。例如：原油分离成为汽油、煤油、柴油、石蜡油、原油分离成为汽油、煤油、柴油、石蜡油、沥青、焦炭等。沥青、焦炭等。又如：将水、煤气、氨气合成为合成氨。将水、煤气、氨气合成为合成氨。第五章压力容器分离压力容器：将介质在混合状态下进行分离。储存压力容器：用于装载各种产品或原料的容 器。5.按安全监察规程分类一般分为三类进行管理和监督检查。一般分为三类进行管理和监督检查。第五章压力容器2）中压，介质为剧毒，容积很大的容器。3）低压，介质为极毒，容积很大的容器。4）高压、中压 管壳

4、式余热锅铲。5）使用材料强度级别较高的压力容器。 o540 MPa6）移动式压力容器、各种罐车、集装箱等。7）球形储罐。（V 50 m3）8）低温液体储存容器。（V 5 m3）第三类压力容器：1）高压容器、超高压容器。第五章压力容器第二类压力容器：1）中压容器。2）低压容器、反应器、介质毒性为极度或中度。3）低压管壳式余热锅铲。第一类压力容器：压力的区分：压力的区分：低压容器（除以上规定的低压容器）超高压：超高压：P 100 MPaP 100 MPa高压：高压： 100 P 100 P 10 MPa10 MPa中压：中压： 10 P 10 P 1.6 MPa1.6 MPa低压：低压： 1.6

5、P 1.6 P 0.1 MPa0.1 MPa常压：常压： P P 0.1 MPa0.1 MPa第五章压力容器容器及设备不仅是石油化工生产中的重要生产工具，容器及设备不仅是石油化工生产中的重要生产工具，在航空、航海、原子能、冶金、机械制造、精细化工、在航空、航海、原子能、冶金、机械制造、精细化工、轻工、交通和农副业产品加工待业也有大量的应用轻工、交通和农副业产品加工待业也有大量的应用。容器的结构：容器的结构：如图示，容器一般可分解为：如图示，容器一般可分解为：筒体（筒身）筒体（筒身）封头（端盖）封头（端盖）法兰法兰人孔人孔手孔手孔支座支座管口等管口等这些都是通用标准件。这些都是通用标准件。第五章

6、压力容器5.1.3 容器机械设计的基本要求 容器的体积、直径、高度、传热面积、管子数量、大小、位置尺寸等属于工艺尺寸，由工艺计算和生产要求确定。 在工艺尺寸确定之后，为了满足安全和使用要求，还要确定强度尺寸，零部件在机械设计时，应满足以下要求：强度有足够的抵抗外力破坏的能力。有足够的抵抗外力破坏的能力。刚度有足够的抵抗外力变形的能力，以防有足够的抵抗外力变形的能力，以防 止变形过大。止变形过大。稳定性有保持自身形状的能力，以防压瘪或有保持自身形状的能力，以防压瘪或 皱折。皱折。第五章压力容器耐久性在介质腐蚀下可以长期使用，一般使在介质腐蚀下可以长期使用，一般使 用年限在用年限在1515年以上。

7、年以上。其他制造性能、操作性能、维修运输性能、制造性能、操作性能、维修运输性能、 经济性等。经济性等。气密性具有良好的密封性能，防止介质泄露。具有良好的密封性能，防止介质泄露。 本书仅限于设计压力本书仅限于设计压力P 10 MPaP 10 MPa，设计温度高，设计温度高于于-20-20C C的中、低压容器的机械设计。的中、低压容器的机械设计。第五章压力容器5.2内压薄壁容器的应力分析薄壁容器（按容器薄壁容器（按容器D D0 0与内径与内径D Di i的比值的比值K K的不同分）的不同分）厚壁容器：厚壁容器：2 . 12120ininiiDDDDDK薄壁容器：薄壁容器：K1.2K1.22.2.回

8、转壳体回转壳体母线绕同平面内的轴线旋母线绕同平面内的轴线旋转一周后形成的曲面称转一周后形成的曲面称回转曲回转曲面面，以回转曲面为中间面的壳，以回转曲面为中间面的壳体称为体称为回转壳体回转壳体。第五章压力容器K1K2 回转薄壁壳体：圆筒形、球形、椭球形、圆回转薄壁壳体：圆筒形、球形、椭球形、圆锥形薄壁壳体。在内压作用下，壳壁将产生两个锥形薄壁壳体。在内压作用下，壳壁将产生两个方向的拉伸压力：方向的拉伸压力：第五章压力容器环向薄膜应力 由于内压作用使壳壁的环向受到拉伸，均匀由于内压作用使壳壁的环向受到拉伸，均匀向外膨胀，在圆周的切线方向产生拉应力，使壳向外膨胀，在圆周的切线方向产生拉应力，使壳壁的

9、纵向截面产生环向拉伸应力，称为壁的纵向截面产生环向拉伸应力，称为环向薄膜环向薄膜应力应力，又称为，又称为周向应力周向应力，用，用表示。表示。径向薄膜应力 由于内压作用使壳壁沿径向也受到拉伸，产由于内压作用使壳壁沿径向也受到拉伸，产生径向拉应力，称为生径向拉应力，称为径向薄膜应力径向薄膜应力，用，用表示。表示。第五章压力容器5.2.1圆筒形壳体上的薄膜应力 如图5-2，为一承受气压P作用的圆筒形容器，壳壁上任一点K将在两个方向上产生拉伸应力：第五章压力容器径向薄膜应力 用一个垂直圆筒轴线的横截面，将筒体分用一个垂直圆筒轴线的横截面，将筒体分为两部分，保留左边部分。由平衡条件，作用为两部分，保留左

10、边部分。由平衡条件，作用在筒体上的轴向外力为：在筒体上的轴向外力为： 作用在截面上的轴向内为：作用在截面上的轴向内为： ，沿轴，沿轴向两力相等，故可以得到：向两力相等，故可以得到：PD24D4PD（5-1）其中：其中：PP内压，内压，MPaMPa D D筒体平均直径，即中径，筒体平均直径，即中径，mmmm 筒体壁厚，筒体壁厚，mmmm 筒体径向应力，筒体径向应力，MPaMPa。第五章压力容器环向薄膜应力 假想将圆筒沿轴线对称剖开，取下半部分假想将圆筒沿轴线对称剖开，取下半部分进行分析。可知，作用在下半部分壳体上的进行分析。可知，作用在下半部分壳体上的y y轴轴方向的合外力为：方向的合外力为：作

11、用在下半部分壳体上作用在下半部分壳体上y y轴方向的合内力为：轴方向的合内力为：它们沿它们沿y y轴方向必然大小相等，方向相反，故有：轴方向必然大小相等，方向相反，故有：PDLL22PD（5-2） 从计算公式可知，薄壁圆筒承受内压时，环向应力是从计算公式可知，薄壁圆筒承受内压时，环向应力是轴向应力的两倍。因此在圆筒上如果要开椭圆孔时，应使轴向应力的两倍。因此在圆筒上如果要开椭圆孔时，应使椭圆孔的短轴平行于筒体的轴线，以减小纵向截面被削弱椭圆孔的短轴平行于筒体的轴线，以减小纵向截面被削弱的程度。的程度。第五章压力容器5.2.2 受气压作用的球形壳体 球形壳体各点曲率均相同，故球壳上的两向应力值也

12、是相等的，由受力平衡条件可以求得截面上薄膜应力为：4PD（5-3） 球形壳体与圆筒形壳体相比，薄膜应力只有圆筒球形壳体与圆筒形壳体相比，薄膜应力只有圆筒形壳体上最大薄膜应力的一半，在同样直径和压力情形壳体上最大薄膜应力的一半，在同样直径和压力情况下，壳体的厚度可以减小很多，故可以节省一定的况下，壳体的厚度可以减小很多，故可以节省一定的金属材料。金属材料。R R第五章压力容器5.2.3受内压作用的椭球形壳体 在化工容器中，常用椭球形壳体作容器的封头，其形状如图5-5，椭球壳体由长半轴为a，短半轴为b的曲线，绕y轴旋轴一周形成的椭球曲线组成，为了使封头与圆筒壳体连接处减少应力集中。采用加一段直边部

13、分的结构。)(22224baxabP椭球形壳体上任一点的两向薄膜应力为：)(2 )(2222442224baxaabaxabP（5-4）第五章压力容器 由式（5-4）可知，椭球封头上的应力是随x的变化而变化的。对于标准椭圆形封（a/b=2），封头顶点处的（x=0），两向应力有最大拉应力值，在封头边缘处（x=a），径向应力为顶点处的1/2，环向应力为负应力，且其值与顶点处值相等。5.2.4受气压作用的锥形壳体 锥形壳体，如图5-6所示，由推到可得其两向薄膜应力为：cosPrcos2Pr（5-5）第五章压力容器其中：其中：rr壳体在壳体在A A点处的半径，点处的半径，mmmm 圆锥壳体的半锥角圆锥

14、壳体的半锥角 PP作用在壳体内的气压力，作用在壳体内的气压力，MPaMPa 壳体的壁厚，壳体的壁厚，mmmm 由比较可知，在壳体上任一点处的两向应力为：2 即锥形壳体上环向应力是径向应力的两倍。由应力计算公式可知，应力与角成正比，角增大，应力也随着增加。两向应力随着r的增加而增加。在锥壳开口处，两向应力有最大值，在锥顶端r=0处，两向应力为零。第五章压力容器5.2.5边缘应力的概念 由应力分析及推导可知，当薄壁壳体的几何形状发生突变，或载荷分布发生突变；或壳体厚度发生突变，材料发生突变等，都会在突变处产生附加的局部应力，我们称为边缘应力。这种局部应力有时会是薄膜应力的数倍，甚至会导致容器失效，

15、设计中应予以重视。边缘应力的两个特点：边缘应力具有局限性 在某些情况下，边缘应力值可能会相当大，但其作用在某些情况下，边缘应力值可能会相当大，但其作用范围是很小的。研究表明，随着离边缘距离的增大，边缘范围是很小的。研究表明，随着离边缘距离的增大，边缘应力会迅速衰减。壳壁愈薄，衰减就愈快，这是边缘应力应力会迅速衰减。壳壁愈薄，衰减就愈快，这是边缘应力的一个特点。的一个特点。第五章压力容器边缘应力的自限性 边缘应力是由边缘部位变形不连续，以及由此而产边缘应力是由边缘部位变形不连续，以及由此而产生的弹性变形相互约束作用所引起的。一旦材料在边缘生的弹性变形相互约束作用所引起的。一旦材料在边缘应力作用下

16、发生了塑性变形。这种弹性相互约束就会缓应力作用下发生了塑性变形。这种弹性相互约束就会缓解，边缘应力也就自然受到限制。解，边缘应力也就自然受到限制。 根据边缘应力的两个特点，在设计中，我们可以根据边缘应力的两个特点，在设计中，我们可以在结构上作一定的局部处理，使边缘应力降低的措施在结构上作一定的局部处理，使边缘应力降低的措施有：有：a a）在壳体曲率或经线发生突变处，采用圆弧过度，）在壳体曲率或经线发生突变处，采用圆弧过度， 使连接处边缘应力值降低。使连接处边缘应力值降低。b b）在壳体壁厚发生突然改变的连接处，采用切坡口）在壳体壁厚发生突然改变的连接处，采用切坡口 的方法，使连接处壁厚改变程度

17、减缓，使边缘应的方法，使连接处壁厚改变程度减缓，使边缘应 力减小。力减小。第五章压力容器c c）在载荷发生突变的局部，采用局部加强的结构，）在载荷发生突变的局部，采用局部加强的结构， 使壳体上应力可以尽可能的均匀分布。使壳体上应力可以尽可能的均匀分布。d d）在边缘应力值高的区域内，尽量避免其他局部应）在边缘应力值高的区域内，尽量避免其他局部应 力的作用或产生，例如，焊缝引起的焊接残余应力的作用或产生，例如，焊缝引起的焊接残余应 力，开孔引起的开孔应力集中应力，支座引起的力，开孔引起的开孔应力集中应力，支座引起的 载荷集中等附加应力，应避免同时作用在相同位载荷集中等附加应力，应避免同时作用在相

18、同位 置。置。第五章压力容器5.3 概述5.3.1 设计参数的确定 对于内压薄壁容器的设计计算主要是确定有关设计参数，并在合理选取材料后，进行壳体和封头的壁厚计算。1.设计压力P 设计压力时，一般是指设定的容器顶部的最高压力，用以确定壳壁厚度的压力值，其值不得低于最大工作压力。 工作压力是由工艺过程决定的，设备工作过程中的最高工作压力。第五章压力容器2.设计温度t.对于装有安全阀的内压容器： .对于两侧受压的压力容器元件：P 分别取两侧设计 压力值进行设计.对于真空容器有安全阀控制： 或 中的较小值。.对于无安全阀控制的真空设备：工作PP) 1 . 105. 1 (压差PP25. 1MPaP1

19、 . 0MPaP1 . 0 设计温度是指容器正常工作情况下，在相应的设定压力下壳壁可能达到的最高或最低的（指-20以下）平均壁温。第五章压力容器3.许用应力 当设计温度无法通过传热计算或测试测定时，对于容器壁与介质直接接触，且容器有保温设施时，可按介质的最高（或最低）工作温度加减一定余量而确定，如表5-2. 许用应力是材料在设计温度下，已考虑了一定安全系数的应力值，一般由查表得到，如表5-3.许用应力是决定容器强度条件是否满足的重要参数。第五章压力容器5.厚度附加量 焊接接头系数是为了补偿焊接时可能出现的焊接缺陷对容器强度的影响而引入的，其值大小由焊缝的结构及检验要求来确定，一般也可查表得到，

20、如表5-4. 厚度附加量由两部分组成，即4.焊接街头系数21CCC.钢板厚度负偏差C1 第五章压力容器 钢板在制造过程中，其厚度存在负偏差，为了保证容器设计中厚度值的要求，在厚度计算时，应加上其可能存在的负偏差值。常用钢板厚度的负偏差都有统一的标准，可查表得到，如表5-5. 当钢板的负偏差不大于0.25mm时，且不超过名义厚度的6%时，取01C.腐蚀余量 C2 设备在工作过程中，由于工作介质的腐蚀，钢板会按工作年限厚度被削弱和减薄，因此设计时，应考虑介质对钢板的腐蚀减薄，一般根据刚才在介质中的腐蚀速度和容器使用年限来确定腐第五章压力容器蚀余量的值，也可以根据经验合理选取腐蚀余量。 化工设备主要

21、容器一般使用年限为1520年，可按设计要求计算，表5-6列取了有关腐蚀余量的选取参考值。 当容器上作用的载荷很小时，按强度计算得到的厚度值往往也很小，但由于设备在制造，安装，运输等过程中，要求设备必须具有足够的刚度，因此，当大型容器壳壁厚度太薄时，为了保证刚度要求，而对容器壳体的最小厚度有以下规定：6.最小厚度第五章压力容器碳素钢、低合金钢： 对于直径较大，厚度较薄的容器在制造、运输、安装时，应考虑适当地采取相关临时加固措施。高合金钢：碳素钢，低合金钢制塔式容器： 且不锈钢制塔式容器：管壳式换热器： 根据有关规范确定mm3minmm2miniD10002minmm4minmm3min第五章压力

22、容器 按有关强度公式计算得到的厚度值，不包括厚度附加值C。2Cd.设计厚度 计算厚度与腐蚀余量之和，即.计算厚度.名义厚度 名义厚度是将设计厚度加上钢板厚度负偏差后向上圆整至钢板标准规格的厚度，也是图纸上标注的厚度。 对于容器壳体，在任何情况下都应使：2minCn第五章压力容器有效厚度是指名义厚度减去厚度附加量，即Cne各项名义厚度之间关系为：.有效厚度名义厚度名义厚度厚度负偏差厚度负偏差腐蚀余量腐蚀余量厚度附加量厚度附加量计算厚度计算厚度厚度圆整值厚度圆整值设计厚度设计厚度有效厚度有效厚度满足强度条件所需厚度满足强度条件所需厚度第五章压力容器5.3.2 内压薄壁壳体的厚度设计1.内压薄壁圆筒

23、的厚度设计 内压薄壁圆筒，由前介绍可知，环向应力与纵向应力的关系为： ，故应按环向应力进行强度计算，即2 tPD2第五章压力容器其中：P设计压力，MPa； D圆筒中径， mm； Do圆筒外径，mm； Di圆筒内径，mm； 圆筒的计算厚度，mm； 设计温度下圆筒材料的许用应 力，MPa，可查有关手册。iioDDDD2 考虑容器在制造过程中，焊缝对容器整体强度的影响，故取乘一个小于或等于1的焊缝系数，即第五章压力容器 由于，一般工艺条件确定的直径尺寸为圆筒内径Di，用 代入上式，解得内压圆筒的计算厚度为：iDD tPD2 PPDti2 此式是在弹性变形状态下推导得到的计算式，故其适用范围为：设计压

24、力 的情况。 tP4 . 0第五章压力容器 考虑到操作过程中介质的腐蚀影响，得到设计厚度为：1Cdn 22CPPDtid 在选取筒体名义厚度时，应根据：（5-7） 进行筒体厚度的确定第五章压力容器2.内压薄壁球壳的厚度设计 内压球形壳体承受气压时，球壳上径向应力与环向应力相等，即：4PD 24CPPDtid 同理，将 ，考虑焊缝系数及腐蚀余量，则球壳的厚度设计公式为：mm (5-8)iDD第五章压力容器选取球壳名义厚度时，应根据： 进行球壳名义厚度的确定。1Cdn 比较可知，在相同压力、相同直径情况下，球壳的厚度可小很多，故更加节省材料。 tP6 . 0 本计算公式使用范围：第五章压力容器5.

25、3.3 内压容器封头的厚度设计 封头是容器重要受力构件，按形状可分为三类：凸形封头凸形封头、锥形封头锥形封头和平板封头平板封头。凸形封头：半球封头、椭圆封头、碟形封头、球 冠封头。锥形封头：无折边锥形封头、有折边锥形封头。 封头设计其设计参数的确定与壳体设计取法相同。第五章压力容器1.半球形封头形状：以半径Ri为内半径的球 壳，如图5-9.特点：由多块钢板拼焊而成， 用于直径较大的设备或 由于工艺要求而选用， 制造加工要求较高。.封头结构第五章压力容器 计算得到的厚度较薄，但考虑到焊接需 要，一般取与相连接的筒体等厚。.厚度设计 与球形容器相同，设计厚度的计算公式为 24CPPDtid（5-9

26、）第五章压力容器.封头结构2.椭圆封头形状：由长轴半径为a，短轴半径为b的椭圆曲线 绕回转轴oo形成的半个椭球壳体和一段高 度为h的短圆筒节组成。采用钢板冲压而成。特点：制造方便，受力较好，被广泛应用于筒体 的封头。第五章压力容器 由推导可知，椭圆形封头的最大应力值与椭圆的长短轴之比a/b有关。其计算公式为： 25 . 02CPKPDtd.厚度设计(5-10a) 当椭圆封头 时，一般可用整块钢板冲压成型，此时可取 ，当 时，钢板要先拼焊，后冲压，焊缝系数按有关规定选取。式中：K椭圆形封头形状系数，标准椭圆封头 a/b=2,K=1. mmDi1200mmDi12001第五章压力容器3.碟形封头由

27、于碟形封头一般多被椭圆形封头取代，故不作详细介绍。第五章压力容器4.球冠形封头形状：半径为Ri，构成的部分球冠形封头，如图 5-12，5-13，冲压成型，直接焊在筒体 上，或筒体的中间位置，作中间封头。或 端面封头。特点：结构简单，制造方便，凸面高度小，但与 筒体连接处局部应力较大，要求连接处焊 缝全焊透，质量应满足强度要求。必要 时，要采用加强结构，如图5-13.封头结构第五章压力容器封头的设计厚度为：.厚度设计 22QCPPDtid（5-12）其中：Q应力修正系数，由图5-14查取。 与球冠形风头连接的圆筒厚度应不小于封头厚度，否则应在风头与圆筒间设置加强段来过渡连接，加强段厚度应与封头等

28、厚，其长度不小于 ，如图5-12，图5-13所示。riDL5 . 02第五章压力容器5.圆锥形封头形状：无折边锥形封头为锥顶角为2的锥形壳 体，直接与筒体连接。但由于连接处经线 发生突变会产生一定的局部应力。 有折边锥形封头带有过渡圆弧和直边部 分，可以较好地减小局部应力，使与筒体 连接处附加应力可以降低，如图5-15.特点：由多块钢板拼焊而成，用于直径较大的设 备或由于工艺要求而选用，制造加工要求 较高。.封头结构第五章压力容器 设计计算公式为： 2cos12CPPDtid.厚度设计(5-13)其中：锥形封头半锥顶角。 第五章压力容器6.平板封头.封头结构形状：如表5-9所示，圆平板可作为筒

29、体的平盖或 人孔、手孔的平盖，可用螺栓连接或直接 焊在筒体上。特点：制造简单，但在连接处有附加应力。 设计厚度计算公式为： tcdKPD.厚度设计(5-14)第五章压力容器其中： Dc计算直径，见表5-9. K 平盖系数，见表5-9查取。 以上各封头在计算得到设计厚度值之后，应再加上钢板负偏差值，然后才可选取封头的实际需要的钢板厚度值。第五章压力容器5.3.4 压力试验 压力容器在制造安装完成后，或在检修完成后，都必须进行压力试验。压力试验的目的：压力试验的目的： 检验容器在超工作压力条件下，器壁上焊缝强度、致密性和容器结构的密封性能，以及钢材、制造或检修过程中的缺陷，是对材料、设计、制造或检

30、修的综合性检查，使压力容器在投入使用前作全面的安全检查，防患于未然。第五章压力容器1.压力试验的分类 压力试验包括耐压试验和气密性试验。耐压试验又分为液压试验和气压试验两种。.液压试验 液压试验是压力容器最常用的压力试验方法，试验介质常为水。液压试验时，压力应缓慢上升，达到规定试压压力后，保压时间一般不少于30分钟，然后降至规定实验压力的80%，并保持足够长时间，以检查所有焊缝和连接部位是否有无泄露，如有泄露应做好记号，待修补后，再重新试验。图5-16为水压试验示意图。第五章压力容器.气密性检验 当压力容器内介质为极度或高度危害的毒性介质时，在液压试验合格后，必须再次进行气密性试验，经检查无泄

31、露，方可用于正常生产。2.内压容器试验压力.液压试验 MPaPMPaPt1 . 025. 1TP取两者中的较大值（5-15）第五章压力容器.气密性检验式中：PT容器的试验压力，MPa； P 容器的设计压力，MPa； ,t容器材料在试验温度和设计温度 下的许用应力，MPa。3.压力试验的应力校核.液压试验的应力校核条件： 由于压力试验时容器承受的压力PT高于设计压力P，故应进行强度校核，其校核公式为PPTseeiTTDP9 . 02（5-17）第五章压力容器式中：t圆筒在液压试验下的应力，MPa。第五章压力容器5.4 外压容器 由于生产过程的需要，在化工生产中，也有由于生产过程的需要，在化工生产

32、中，也有一些外压容器。例如真空工作储罐、减压塔、冷一些外压容器。例如真空工作储罐、减压塔、冷凝器等，这些容器外面的压力大于容器内部的压凝器等，这些容器外面的压力大于容器内部的压力，是处于外压操作的容器。力，是处于外压操作的容器。5.4.1 临界压力计算1.失稳 当容器在外压作用下，筒壁上也将产生径向当容器在外压作用下，筒壁上也将产生径向和环向的压缩应力，由推导可知，其值为和环向的压缩应力，由推导可知，其值为4PD2PD第五章压力容器 大量实验表明，随着外压逐渐增大到某临界值时，大量实验表明，随着外压逐渐增大到某临界值时，筒壁就会突然发生压瘪或瞬间的失去自身原来形状的筒壁就会突然发生压瘪或瞬间的

33、失去自身原来形状的情况，这种现象称为失稳，是外压容器失效的主要现情况，这种现象称为失稳，是外压容器失效的主要现象。象。 在均匀外压作用下，薄壁圆筒的变形是有规律的，在均匀外压作用下，薄壁圆筒的变形是有规律的，其失稳后出现多种变形波的形状，可以，可以由公式其失稳后出现多种变形波的形状，可以，可以由公式推导得到相应的失稳后的变形波数，用推导得到相应的失稳后的变形波数，用n n表示。表示。 第五章压力容器外压容器在失稳时的压力值称外压容器在失稳时的压力值称为临界压力，用为临界压力，用PcrPcr表示。在设表示。在设计时，应使筒体允许的工作外计时，应使筒体允许的工作外压小于该筒体的临界压力，并压小于该

34、筒体的临界压力，并且应留有一定的安全储备，故且应留有一定的安全储备，故外压圆筒的计算外压力应当满外压圆筒的计算外压力应当满足如下条件：足如下条件：其中：其中：mm稳定安全系数，对于圆筒取稳定安全系数，对于圆筒取m=3m=3，对，对 于凸形封头取于凸形封头取m=14.52.m=14.52. mPPPcr（5-19）第五章压力容器 影响筒体临界压力的因素主要有影响筒体临界压力的因素主要有筒体尺寸筒体尺寸（筒体长度、壁厚、直径）、（筒体长度、壁厚、直径）、材料性能材料性能以及以及筒体筒体的形状精度的形状精度等。等。第五章压力容器2.临界压力的计算 当圆筒长度超过某一极限长度当圆筒长度超过某一极限长度

35、L Lcrcr值后，封头值后，封头对筒壁中部的支撑作用将消失，此时对筒壁中部的支撑作用将消失，此时圆筒的变形圆筒的变形波为波为n=2n=2，这类圆筒为，这类圆筒为长圆筒长圆筒，当，当筒体长度小于筒体长度小于L Lcrcr值值时，圆筒的变形收到封头的支撑影响，其变时，圆筒的变形收到封头的支撑影响，其变形波为形波为n2n2，这类圆筒为，这类圆筒为短圆筒短圆筒。32 . 2oecrDEP.长圆筒 长圆筒易被压扁，其临界压力长圆筒易被压扁，其临界压力P Pcrcr值按下式计值按下式计算：算：(5-20)第五章压力容器其中：其中：P Pcrcr临界压力，临界压力，MPaMPa； E E 材料在设计温度下

36、的弹性模量，材料在设计温度下的弹性模量， MPaMPa； e e 圆筒的有效厚度，圆筒的有效厚度，mmmm； D Do o 圆筒的外直径，圆筒的外直径，mmmm。 ooecrDLDEP5 . 26 . 2.短圆筒 短圆筒的临界压力值按下式计算：短圆筒的临界压力值按下式计算：(5-21)第五章压力容器式中：式中：L L 圆筒的计算长度，圆筒的计算长度，mmmm，由图，由图5-195-19确确 定，按两个刚性构件之间的距离，定，按两个刚性构件之间的距离， 取大值。取大值。5.4.2 外压容器的设计1.设计参数的确定 设计压力设计压力P P是外压容器厚度计算的重要设计参是外压容器厚度计算的重要设计参

37、数，设计压力应取正常工作时，容器内外可能出现数，设计压力应取正常工作时，容器内外可能出现的最大压差，对于真空设备，装有安全控制装置时，的最大压差，对于真空设备，装有安全控制装置时，P=1.25PP=1.25P压差，或压差，或P=0.1 MPaP=0.1 MPa两者中的小值；当无安两者中的小值；当无安全控制装置时，设计压力全控制装置时，设计压力P=0.1 MPaP=0.1 MPa ，在以上基础，在以上基础上考虑相应的液体静压力，得到设计压力上考虑相应的液体静压力，得到设计压力P P。第五章压力容器 对于受到夹套内外压力作用，或两个压力室对于受到夹套内外压力作用，或两个压力室作用的容器或容器构件，

38、设计压力作用的容器或容器构件，设计压力P P取各压力室可取各压力室可能出现的最大压差为设计压力值。能出现的最大压差为设计压力值。2.外压圆筒图算法 外压薄壁圆筒的壁厚计算有解析法和图算法，外压薄壁圆筒的壁厚计算有解析法和图算法，图算法是借助计算图来确定壁厚，这种方法比较简图算法是借助计算图来确定壁厚，这种方法比较简单，且我国压力容器设计规定采用图算法进行外压单，且我国压力容器设计规定采用图算法进行外压壁厚设计。壁厚设计。20eoD.的外压圆筒和管子第五章压力容器设计方法与步骤：设计方法与步骤：1）假设外压圆筒或管子的名义厚度，则 ；2）计算外径， 计算 和 ；3）在圆筒几何参数计算图纵 坐标上

39、找到L/Do值，过此 点向右作水平线与Do/e 线相交得到交点，过此 点作铅垂线与横坐标相交 得到系数A。CnenioDD2oDLeoD4）按筒体所用材料选相应厚度计算图，在图 的横坐标上找到系数A，若A值位于设计温第五章压力容器4）按筒体所用材料选相 应厚度计算图，在图 的横坐标上找到系数 A，若A值位于设计温 度线下方，且A值与温 度线有交点，则向上 作铅垂线，与温度相 交，得到交点作水平 线向右侧得到相应系 数B值。并按下式计算 许用外压力P： eoDBPMPa (5-22)第五章压力容器 eoDAEP32MPa (5-23)5）比较P与P，P应大于并接近P，所选名 义厚度合理，否则应重

40、新假设圆筒的名义 厚度值，再重复以上步骤，直到P大于并 接近P为止。 对于对于D Do o/e e2020的外压圆筒和管子，其设计的外压圆筒和管子，其设计方法与上相同。方法与上相同。 若所得A值位于设计温度下材料线与横坐标交点的左方，则许用外压力P为第五章压力容器3.外压封头图算法 外压容器封头的结构形式与内压容器相同，在外压容器封头的结构形式与内压容器相同，在外压作用下，封头与筒体一样，也存在失稳问题。外压作用下，封头与筒体一样，也存在失稳问题。故也是采用图算法进行封头壁厚的设计。故也是采用图算法进行封头壁厚的设计。Cne.半球形封头受外压的半球形封头壁厚的设计步骤如下：1）假设半球形封头名

41、义厚度为，则2）由 ，计算nioRReoR第五章压力容器3）按（5-24）式计算A值：eoRA125. 0（5-24）4）根据封头材料，选取壁厚计算图，在横坐 标上找到系数A值点，若A值在设计温度下 材料线与横坐标交点在右方，过此点作铅 垂线与温度线相交，得到交点后作水平线 与右侧纵坐标相交得到B值。于是许用外 压P为第五章压力容器 eoRBP（5-25） 若若A A值在温度线与横坐标交点的左方，则用值在温度线与横坐标交点的左方，则用下式计算许用外压力下式计算许用外压力PP 2E0833. 0eoRP（5-25）第五章压力容器5）比较计算外压P与许用外压P，P大于 P，且接近P，则所设名义厚度

42、合理，否则 应重新假设封头名义厚度值，重复以上 步骤，直到P大于P，且接近P值为止。ooDKR1.椭圆形封头受外压作用的椭圆封头厚度计算，设计步骤与半球形封头相同，只是半径Ro取椭圆形封头的当量外半径。即第五章压力容器其中：K1椭圆形长短轴壁纸不同而设的修 正系数。对于标准椭圆形封头 K1=0.94.提高外压容器稳定性的途径.改变容器的几何尺寸 在外压圆筒材料和直径都已确定的条件下，增加筒体壁厚或者缩短筒体计算长度，都能提高筒体的临界压力，因而提高筒体的稳定性。两者减小计算长度更加有利。第五章压力容器.增设圈加强 将长圆筒变成短圆筒的有效措施是在筒体上焊加强圈，可以焊在外侧，也可以焊在内侧，使

43、加强圈提高筒体的刚度，达到提高筒体稳定性的目的，加强圈可以采用工字钢、角钢、扁钢等，如图5-24.第五章压力容器例例5-25-2 已知某外压圆筒形塔体， ，筒体总长 （不包封头），两边为标准椭圆封头，高 ，直边高 ，设计温度 ，材料为20R钢，真空操作，无安全控制装置，取腐蚀余量 ，试计算筒体与椭圆封头厚度。mmDi1000mmL8000mmH250mmh25Ct150mmC2 . 12解：采用图算法，根据题目条件及设计压力选解：采用图算法，根据题目条件及设计压力选 取规定，塔的设计压力取规定，塔的设计压力MPaP1 . 0第五章压力容器1 1）假设筒体名义厚度）假设筒体名义厚度 ，表，表5-

44、5- 5 5查得查得 ，(1)(1)筒体厚度计算筒体厚度计算mmn10mmC8 . 01mmCne8)8 . 02 . 1 (10筒体有效厚度：筒体有效厚度：筒体外径：筒体外径：筒体计算长度：筒体计算长度：mmDDnio10202010002mmL82172252250318000故故1 . 810208217oDL第五章压力容器2 2）由图）由图5-205-20，根据，根据 ， 查得查得000099. 0A1 . 8oDL5 .127eoD3 3）根据筒体材料）根据筒体材料20R20R钢，设计温度钢，设计温度 ，及，及 查图查图5-215-21图，系数图，系数A A落在设计温落在设计温 度与

45、横坐标交点的左方，故度与横坐标交点的左方，故 000099. 0A MPaDAEPeo104. 05 .1273102000099. 02)( 325Ct150第五章压力容器4 4）PP和和P P较接近，且较接近，且 ，假设壁厚符合设，假设壁厚符合设计要求，确定筒体壁厚计要求，确定筒体壁厚 。 PP 1 1）假设封头名义厚度）假设封头名义厚度 ，封头有效厚，封头有效厚 度度mmCCCnne5 . 2)2 . 13 . 0(4)(21mmn4mmn10(2)(2)椭圆封头厚度计算椭圆封头厚度计算查得查得mmC3 . 01第五章压力容器已知标准椭圆封头已知标准椭圆封头 ，则封头当量外半径，则封头当

46、量外半径为为9 . 01K2 2）计算系数）计算系数A A2 .3675 . 29180eR00034. 02 .367125. 0125. 00eRAmmDKRoo91810209 . 01计算得到：计算得到：第五章压力容器3 3）查图）查图5-215-21可得，可得，A A点在材料温度线右方，点在材料温度线右方，B = B = 47 47，许用外压，许用外压PP为为 MPaRBPeo13. 02 .367474 4）PP,PP,且接近且接近P P，假设封头壁厚符合设计要求，假设封头壁厚符合设计要求， 考虑到筒体与封头壁厚焊接要求，取封头壁厚考虑到筒体与封头壁厚焊接要求，取封头壁厚 8mm8

47、mm。第五章压力容器5.5 储存设备5.5.1 卧式储罐储罐作用：储存或盛装气体、液体、液化气体等储罐作用：储存或盛装气体、液体、液化气体等 介质。介质。1.基本结构 如氢气储罐、液化石油气储罐、石油储罐、液氨储罐等。介质的特性：易燃、易爆、有毒，压力受温度影介质的特性：易燃、易爆、有毒，压力受温度影 响。响。第五章压力容器(1)地面卧式储罐 由筒体、封头、法兰、人孔、手孔、支座、接管等组成。卧式储罐的设计： 根据压力初步确定壁厚。 确定支座位置，计算支座反力，选择支座标 准及尺寸。 校核筒体在支座作用下，操作状态时的周向、 轴向强度和稳定性。最后确定设备的壁厚。第五章压力容器(2)地下卧式储

48、罐 基本结构与地面卧式储罐相同，但安装有工艺接管，仪表和安全泄放装置等专门接管和接口，并采用集中安装在一个或几个人孔盖板上。特点：减少占地面积，具有防火的优点，对温度特点：减少占地面积，具有防火的优点，对温度 影响小，但应注意防腐。影响小，但应注意防腐。防腐蚀措施： 牺牲阳极保护法，在储罐上焊有专门金属导线，在导线的一端焊接一块电位较负的金属，（如锌、镁、铝等）使设备全部表面都成为阴极，从而实现防止腐蚀效果。第五章压力容器球形储罐分类： 圆球形、椭球形、桔瓣式、足球瓣式等。1.球罐特点 球罐的表面积最小，所需材料最省。 球壳与筒体相比较承载能力大。 球罐占地面积小，有利于地表面积的利用。5.5

49、.2 球形储罐 基础简单、受风面小、外观美观，但加工较 困难。第五章压力容器5.6 简单容器设计举例解解: (1): (1)罐体壁厚设计罐体壁厚设计 选取储罐材料选取储罐材料16MnR16MnR，制作罐体和封头。，制作罐体和封头。例例5-3 试设计一液氨储罐，尺寸为：储罐筒体直径 ，罐体长度（不包括封头） ，使用地点：天津。mmDi2600mmL4800查得查得16MnR16MnR材料在材料在 时，时， （表（表5-35-3）储罐最高温度）储罐最高温度t t取取4040C C，此时液氨饱，此时液氨饱和蒸气压为和蒸气压为 ，取，取焊缝为双面对接焊，焊缝为双面对接焊，100%100%无损探伤，故无

50、损探伤，故 设备内径设备内径 。Ct 40 MPat170MPaP555. 1MPaP6 . 1mmDi2600第五章压力容器于是罐体计算厚度为：于是罐体计算厚度为：查表查表5-55-5得得 ，取，取 ，则，则mmC8 . 01 mmPPDti3 .126 . 10 . 1170226006 . 12mmCCC8 . 118 . 021mmCd3 .1313 .123 .122mmC12根据根据 ，查钢板厚度，取，查钢板厚度，取mmC8 . 01mmn16第五章压力容器(2)(2)封头壁厚设计封头壁厚设计 采用标准椭圆形封头，封头厚度计算采用标准椭圆形封头，封头厚度计算圆整后取圆整后取 mmCPPDtid3 .1316 . 15 . 00 . 1170226006 . 15 . 022mmn16校核罐体与封头水压试验强度：校核罐体与封头水压试验强度：第五章压力容器seeiTtDP9 . 02)(MPaPPT0 . 26 . 125. 125. 1其中：其中：mmCne2 .148 . 116MPas345MPaT31