化工设备基础-第四章 王绍良 教案

1、第四章第四章压力容器压力容器一、容器的分类与结构（一）结构图图 2-1卧式容器的结构简图卧式容器的结构简图（二）分类第一种：按设计压力分类按承压方式，压力容器可分为内压容器与外压容器。内压容器又可按设计压力（P）大小分为四个压力等级。外压容器中，当容器的内压力小于 0.1MPa 时又称为真空容器。第二种：按作用原理（即用途）分类第三种：按安全技术管理分类第四种：按容器壁温分类，可分为常温、中温、高温和低温容器四种。第五种：按壁厚分类，分为薄壁容器（/Di0.1）和厚壁容器/Di0.1二、容器机械设计的基本要求在进行压力容器机械设计时,它的总体尺寸、 零部件尺寸由工艺条件决定或由经验所得，因此我

2、们这里主要是指结构设计。要求有以下几个方面。（一）安全性1、强度：强度就是容器抵抗外力破坏的能力。容器应有足够的强度，否则造成事故。2、刚度：是指容器或构件在外力作用下维持原有形状的能力。承受压力的容器或构件，必须保证足够的稳定性，以防止被压瘪或出现折皱。3、密封性：设备密封的可靠性是安全生产的重要保证之一，因为化工厂中所处理的物料中很多是易燃、易爆或有毒的，设备内的物料如果泄漏出来，不但会造成生产上的损失，更重要的是会使操作人员中毒，甚至引起爆炸；反过来，如果空气混入负压设备，亦会影响工艺过程的进行或引起爆炸事故。因此， 化工设备必须具有可靠的密封性， 以保证安全和创造良好的劳动环境以及维持

3、正常的操作条件。4、耐久性：化工设备的设计使用年限一般为 10 年一 15 年，但实际使用年限往往超过这个数字，腐蚀、疲劳、蠕变或振动等，都会影响耐久性，尤其是腐蚀，所以以后的设计中会看到考虑腐蚀余量。（二）可行性包括制造、安装、操作、维修及运输的可能性、方便性。（三）经济性指五个方面。单位生产能力；消耗系数；设备价格；管理费用：包括劳动工资、维护和检修费用等。管理费用降低，产品成本也随之降低。但管理费用不是一个孤立的因素，例如有时采用高度自动化的设备，管理费用是降低了，但投资则会增加。产品总成本：是生产中一切经济效果的综合反映。一般要求产品的总成本愈低愈好，但如果一个化工设备是生产中间产品，

4、则为了使整个生产的最终产品的总成本为最低， 此中间产品的成本就不一定选择最低的指标，而应从整个生产系统的经济效果来确定。三、容器零部件的标准化1标准化的意义组织现代化生产的重要手段之一。实现标准化，有利于成批生产，缩短生产周期，提高产品质量，降低成本从而提高产品的竞争能力。标准化为组织专业化生产提供了有利条件。有利于合理地利用国家资源，节省原材料，能够有效地保障人民的安全与健康；采用国际性的标准化 可以消除贸易障碍提高竞争能力， 实现标准化可以增加零部件的互换性。有利于设计、制造、安装和检修，提高劳动生产率。我国有关部门已经制定了一系列容器零部件的标准，例如圆简体、封头、法兰、支座、人孔、手孔

5、、视镜和液面计等。2、容器零部件标准化的基本参数公称直径 DN 和公称压力 PN。公称直径：是将容器及管子直径加以标准化以后的标准直径。A 压力容器(筒体、封头)的公称直径：由钢板卷制的筒体，公称直径是指它的内径；B当筒体的直径较小， 直接采用无缝钢管制作时， 容器的公称直径应是指无缝钢管的外径；封头的公称直径与筒体一致。B管子：公称直径既不是它的内径，也不是外径，而是小于管于外径的一个数值。只要管子的公称直径一定， 它的外径也就确定了， 而管子的内径则根据壁厚的不同有多种尺寸，它们大都接近于管子的公称直径。C 其它零部件的公称直径：有些零部件的公称直径，如压力容器法兰，鞍式支座等就是指与它相

6、配的筒体与封头的公称直径。D 而管法兰、手孔等则是指与它相配的管子的公称直径。公称压力：是将所能承受的压力范围分为若干个等级，因为公称直径相同的同类零件，只要它们的工作压力不相同， 那么它们的其他尺寸也就不会一样。 所以规定了若干个压力等级，这种规定的标准压力等级就是公称压力，以 PN 表示。四、压力容器相关的法规与标准相关标准与规定近 300 个，其中 GB150-1998钢制压力容器是我国压力容器标准体系中的核心标准。在压力容器的标准与规定中，一部分是技术性的规定，另一部分是法规性的规定（有强制性） ，目前法规性规定的标准有 3 个：GB150-1998钢制压力容器 ； 特种设备安全监察条

7、例 ；压力容器安全技术监察规程 。第三章第三章内压薄壁容器的应力分析内压薄壁容器的应力分析本章重点本章重点：薄膜理论及其应用本章难点本章难点：薄膜理论公式推导建议学时：建议学时：6 学时工程实际中，应用较多的是薄壁容器，并且，这些容器的几何形状常常是轴对称的，而且所受到的介质压力也常常是轴对称的， 甚至于它的支座， 或者说约束条件都对称于回转轴，我们把几何形状、所受外力、约束条件都对称于回转轴的问题称为轴对称问题。第一节第一节回转壳体的应力分析回转壳体的应力分析薄膜应力理论薄膜应力理论一、一、薄膜容器及其应力特点薄膜容器及其应力特点(一) 内压薄壁容器的结构与受力：(二) 内压薄壁容器的变形：

8、(三) 内压薄壁容器的内力：结论在任何一个压力容器中，总存在着两类不同性质的应力：薄膜应力、边缘应力二、基本概念与基本假设二、基本概念与基本假设(一一)回转壳体中的基本的几何概念回转壳体中的基本的几何概念1、面（1）中间面： 平分壳体厚度的曲面称为壳体的中间面， 中间面与壳体内外表面等距离，它代表了壳体的几何特性。（2）回转曲面： 由平面直线或平面曲线绕其同平面内的回转轴回转一周所形成的曲面。（3）回转壳体：由回转曲面作中间面形成的壳体称为回转壳体。2、线（1）母线：绕回转轴回转形成中间面的平面曲线。（2）经线：过回转轴的平面与中间面的交线。（3）法线：过中间面上的点且垂直于中间面的直线称为中

9、间面在该点的法线。（法线的延长线必与回转轴相交）（4）纬线： 以法线为母线绕回转轴回转一周所形成的圆锥法截面与中间面的交线平行圆：垂直于回转轴的平面与（5）中间面的交线称平行圆。显然，平行圆即纬线。3、点4、半径（1）第一曲率半径： 中间面上任一点 M 处经线的曲率半径为该点的“第一曲率半径”R1，R1=MK1。图图 3-1 内压薄膜容器内压薄膜容器数学公式：23211yyR （2）第二曲率半径：通过经线上一点 M 的法线作垂直于经线的平面与中间面相割形成的曲线 MEF，此曲线在 M 点处的曲率半径称为该点的第二曲率半径R2。第二曲率半径的中心落在回转机上，其长度等于法线段 MK2，即 R2=

10、MK2。二、回转壳体的无力矩理论及两个基本方程式（一） 壳体理论的基本概念壳体在外载荷作用下，要引起壳体的弯曲，这种变形由壳体内的弯曲和中间面上的拉或压应力共同承担， 求出这些内力或内力矩的理论称为一般壳体理论或有力矩理论， 比较复杂；但是，对于壳体很薄，壳体具有连续的几何曲面，所受外载荷连续，边界支承是自由的，壳体内的弯曲应力与中间面的拉或压应力相比， 中到可以忽略不计， 认为壳体的外载荷只是由中间面的应力来平衡，这种处理方法，称为薄膜理论或无力矩理论。1 有力矩理论不要求。2 无力矩理论（应用无力矩理论，要假定壳体完全弹性，材料具有连续性、均匀性各各向同性，此外，对于薄壁壳体，通常采用以下

11、三点假设使问题简化）1）小位移假设2）直法线假设3）不挤压假设（二） 回转壳体应力分析及基本方程式（1）微体平衡方程式pRRm21取微元体由三对曲面截取而得截面 1：壳体的内外表面；截面 2：两个相邻的，通过壳体轴线的经线平面；截面 3：两个相邻的，与壳体正交的圆锥法截面受力分析和平衡方程分析计算后可得pRRm21壳体的壁厚，mm；1R回转壳体曲面在所求应力点的第一曲率半径，mm；2R回转壳体曲面在所求应力点的第二曲率半径，mm；m经向应力，MPa；环向应力，MPa；p壳体的内压力，MPa.上式称为微体平衡方程式， 也称拉普拉斯方程式， 它说明回转壳体上任一点处的m、与内压p及该点曲率半径1R

12、、2R、壁厚的关系。（2）区域平衡方程式22pRm用截面法将壳体沿经线的法线方向切开，即在平行园直径 D 处有垂直于经线的法向圆锥面截开，取下部作脱离体，建立静力平衡方程式分析可得：22PRm（三）薄膜理论的适用条件1、壳转壳体曲面在几何上是轴对称,壳体厚度无突变；曲率半径是连续变化的，材料是各向同性的，且物理性能（主要是 E 和）应当是相同的；2、载荷在壳体曲面上的分布是轴对称和连续的；3、壳体边界的固定形式应该是自由支承的；4、壳体的边界力应当在壳体曲面的切平面内，要求在边界上无横剪力和弯矩。5、/Di0.1第二节第二节薄膜理论的应用薄膜理论的应用一、受气体图图 3-5回转壳体上的径向应力

13、分析回转壳体上的径向应力分析内压的圆筒形壳体 1R22DrR 422pDpRm 22pDpR 22pRm pRRm 21，讨论： 环向应力是经向应力的 2 倍， 所以环向承受应力更大， 环向上就要少削弱面积，故开设椭圆孔时，椭圆孔之短轴平行于向体轴线，如图所以应力与/D 成反比，不能只看壁厚大小。二、受气体内压的球形壳体DppD/22 DppD/22 21DR 22DR 22pRm pRRm 21 4pD 4pDm 讨论：对相同的内压，球壳的环向应力要比同直径、同厚度的圆筒壳的环向应力小一半，这是球壳显著的优点。三、受气体内压的锥形壳体圆锥形壳半锥角为圆锥形壳半锥角为，A 点处平行圆半径点处平

14、行圆半径 r，则在，则在 A 点处：点处： cos2prm cos pr 1R cos2rR 22pRm pRRm 21讨论： （1）应力随 r 的增大而增大，在锥底处 r=D/2 时，应力最大,在锥顶处，应力为零。因此，一般在锥顶开孔。（2）应力随半锥角 a 的增大而增大，故 a 角要选择合适，不宜太大。（3）锥形壳体环向应力是经向应力两倍。四、受气体内压的椭球壳2第二曲率半径采用作图法，如图，自任意点 A（x,y）作经线的垂线，交回转轴于 O 点，则 OA 即为2R，根据几何关系，得3、应力计算公式a,b分别为椭球壳的长、短半径，mm ;x 椭球壳上任意点距椭球壳中心轴的距离 mm ；其它

15、符号意义与单位同前。五、受气体内压的碟形壳【例例 3-1】有一外径为219 的氧气瓶，最小壁厚为=6.5mm,材质为 40Mn2A,工作压力为15MPa,试求氧气瓶筒壁内的应力。解气瓶筒身平均直径为5 .2125 . 62190DDmm经向应力：m=4PD=5 . 645 .21215=122.6(MPa)环向应力：=2PD=5 . 625 .21215=245.2(MPa)【例例 3-2】有圆筒形容器，两端为椭圆形封头，已知圆筒平均直径 D=2020m 壁厚=20mm,工作压力 p=2MPa。(1)试求筒身上的经向应力m和环向应力(2)如果椭圆形封头的 a/b 分别为 2，2和 3，封头厚度

16、为 20mm，分别确定封头上最大经向应力与环向应力及最大应力所在的位置。)(22224baxabpm )(2)(2222442224baxaabaxabp 解：解：求筒身应力求筒身应力经向应力：经向应力：)(5 .50204202024MPapDm 环向应力：环向应力：)(101202202022MPapD 2 2求封头上最大应力求封头上最大应力a/b=2a/b=2 时，时，a=1010mm,b=505mma=1010mm,b=505mm)(101220210102)(2MPabapam )(5 .50202101022MPapam )(101)42(20210102)2(222MPabapa

17、 最大应力有两处最大应力有两处：一处在椭圆形封头的顶点一处在椭圆形封头的顶点，即即 x=0 x=0 处处；一处在椭圆形封一处在椭圆形封头的底边，即头的底边，即 x=ax=a 处。如图处。如图 3-19a3-19a 所示。所示。a/b=a/b=时，时，a=1010mm,b=714mma=1010mm,b=714mm)(4 .71220210102)(2MPabapam )(5 .50202101022MPapam 0)22(20210102)2(222 bapa 最大应力在最大应力在 x=0 x=0 处，如图处，如图 3-19b3-19b 所示。所示。2a/b=a/b= 3 3时，时，a=101

18、0mm,b=337mma=1010mm,b=337mm)(5 .151320210102)(2MPabapam )(5 .50202101022MPapam )(5 .353)32(20210102)2(2222MPabapa 最大应力在最大应力在 x=ax=a 处，如图处，如图 3-19c3-19c 所示。所示。第三节第三节内压圆筒边缘应力的概念内压圆筒边缘应力的概念一、边缘应力的概念二、边缘应力的特点局部性、自限性三、对边缘应力的处理ts，容器即告失效(失去正常的工作能力)，也就是说，容器的每一部分必须处于弹性变形范围内。 保证器壁内的相当应力必须小于材料由单向拉伸时测得的屈服点， 即当s

19、。2强度安全条件：为了保证结构安全可靠地工作，必须留有一定的安全裕度，使结构中的最大工作应力与材料的许用应力之间满足一定的关系。即n0当= 0极限应力（由简单拉伸试验确定）n安全系数 许用应力当相当应力，由强度理论来确定。二、强度理论及其相应的强度条件以圆筒形容器作例第一强度理论最大主应力理论（适用于脆性材料）21PD当第二强度理论最大变形理论（与实际相关较大，未用） 21 pD 42 pDm 03 r 第三强度理论最大剪应力理论（适用于塑性材料）20231PDPDIII当第四强度理论能量理论（适用于塑性材料）21323222121IV当3 . 243212221PDPD压力容器都采用塑性材料

20、制造，应采用第三或第四强度理论，我国采用第三强度理论。第二节第二节内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计内压薄壁圆壳体与球壳的强度设计一、设计计算（一）圆筒形容器1、 强度设计公式根据前面所讲的第三强度理论，有20231PDPDIII当将平均直径换为圆筒内径 iDD将压力p换为计算压力cp；考虑焊接制造因素，将 换为 t则有：tcipD2故： cticpDp2其中计算壁厚,mm t材料在设计温度下的许用应力，MPa2、厚度的定义计算厚度 cticpDp2设计厚度2Cd名义厚度圆整值圆整值CCdn1有效厚度CSne其中1C钢板壁厚负偏差；2C腐蚀裕度；C=1C+2C如图所示最小厚度：壳体加工成形后，不包

21、括腐蚀裕量的最小厚度min1碳素钢、低合金钢制容器min 3mm；2高合金钢制容器min 2mm；3碳素钢、低合金钢制塔式容器minmaxiD10002, 4mm；不锈钢制塔式容器minmaxiD10002, 3mm.3、校核公式若已知e，要计算一台容器所能承受的载荷时teeictDp2 eietwDp24、采用无缝钢管作圆体时，公称直径为钢管的外径，)( 20mmpDpctc)( 220mmCpDpctcd)(20MPaDpteect )(20MPaDpeetw上述公式的适用范围为tcp 4 . 0C1C2圆整值加工减薄量C=C1+C2（二）球形容器对于球形容器，由于其主应力为421pD利用

22、上述推导方法，可以得到球形容器壁厚设计计算公式，即)( 4mmpDpctic)( 42mmCpDpcticd)(4MPaDpteeict )(4MPaDpeietw上述球形容器计算公式的适用范围为tcp 6 . 0二、设计参数的确定1、 压力工作压力wp：指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。设计压力p：指设定的容器顶部的最高压力，它与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。计算压力cp：指在相应设计温度下，用以确定壳体各部位厚度的压力，其中包括液柱静压力。当壳体各部位或元件所承受的液柱静压力小于 5%设计压力时，可忽略不计。2、 设计温度指容器在正常工作情况下，在相

23、应的设计压力下，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面厚度的温度平均值） 。设计温度是选择材料和确定许用应力时不可少的参数。3、 许用应力和安全系数（1）许用应力的取法常温容器 =minbbn,ssn2 . 0中温容器 t=minsttsbtbnn2 . 0,高温容器 t=minDtDntnsttsnnn,2 . 0（2）安全系数的取法安全系数是不断发展变化的参数，科技发展，安全系数变小；要求记忆：常温下，碳钢和低合金钢bn=3.0，sn=1.64、 焊接接头系数焊缝区是容器上强度比较薄弱的地方。 焊缝区的强度主要决定于熔焊金属、 焊缝结构和施焊质量。焊接接头系数的大小决定于焊接接头的型式和无损

24、检测的长度比率。5、 厚度附加量C=1C+2C1C钢板壁厚负偏差；按相应的钢板或钢管标准的规定选取当钢材的厚度负偏差不大于 0.25mm，且不超过名义厚度的 6%时，负偏差可以忽略不计。2C腐蚀裕量；为防止容器元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄，应考虑腐蚀裕量。三、压力试验与强度校核容器制成以后(或检修后投入生产之前)必须作压力试验或增加气密性试验，其目的在于检验容器的宏观强度和有无渗漏现象，即考查容器的密封性，以确保设备的安全运行。对需要进行焊后热处理的容器， 应在全部焊接工作完成并经热处理之后， 才能进行压力试验和气密试验，对于分段交货的压力容器，可分段热处理在安装工地组装焊接，并对

25、焊接的环焊缝进行局部热处理之后，再进行压力试验。压力试验的种类、要求和试验压力值应在图样上注明。压力试验一般采用液压试验。对于不适合作液压试验的容器，例如容器内不允许有微量残留液体或由于结构原因不能充满液体的容器，可采用气压试验。1试验压力2 压力试验的应力校核3 压力试验的试验要求与试验方法各种类型例题共 3 个第三节第三节内压圆筒封头的设计内压圆筒封头的设计容器封头又称端盖，按其形状可分为三类；凸形封头、锥形封头和平板形封头。其中凸形封头包括半球形封头、 椭圆形封头、 碟形封头(或称带折边的球形封头)和球冠封头(无折边球形封头)四种。一、半球形封头半球形封头(图 43)是由半个球壳构成的，

26、它的计算壁厚公式与球壳相同cticpDp 4二、椭圆形封头椭圆形封头(图 44)是由长短半袖分别为 a 和 b 的半椭球和高度为 h。 的短圆筒(通称为直边)两部分所构成。直边的作用是为了保证封头的制造质量和避免筒体与封头间的环向焊受边缘应力作用。有以下结论：当椭球壳的长短半轴 a/b2 时，椭球壳赤道上出现很大的环向应力(图 325(c)，其绝对值远大于顶点的应力。从而引入形状系数 K。 （也称应力增加系数）根据强度理论（具体推导过程可参阅华南理工大学 P57） ，受内压（凹面受压）的椭圆形封头的计算厚度公式为： mm) ( 5 . 02cticpDKp标准椭圆封头 K=1（a/b=2） ，

27、计算厚度公式为 mm) ( 5 . 02cticpDp椭圆封头最大允许工作压力计算公式为：GB150-1998 规定：但当确定封头厚度时，已考虑了内压下的弹性失稳问题，可不受此限制。现行的椭圆形封头标准为 JBT473795。三、碟形封头由三部分构成：以iR为半径的球面；以 r 为半径的过渡圆弧(即折边)；高度为0h的直边。同样，引入形状系数rRMi341，则其计算厚度公式为) ( 5 . 0 2MPaKDpeietwieDK%15. 0,1时ieDK%30. 0,1时 mm 5 . 02cticpRMp标准碟形封头：球面内半径iiDR9 . 0，过渡圆弧内半径 r=0.17Di，此时 M1.

28、325，计算壁厚公式：GB150-1998 规定：但当确定封头厚度时， 已考虑了内压下的弹性失稳问题， 可不受此限制。四、球冠形封头五、锥形封头锥形封头广泛应用于许多化工设备(如蒸发器、喷雾干燥器、结晶器及沉降器等)的底盖，它的优点是便于收集与卸除这些设备中的固体物料。此外，有一些塔设备上、下部分的直径不等，也常用锥形壳体将直径不等的两段塔体连接起来，这时的锥形壳体称为变径段。六、平板封头平板封头是化工设备常用的一种封头。平板封头的几何形状有圆形、椭圆形、长圆形、矩形和方形等，最常用的是圆形平板封头。在各种封头中， 平板结构最简单， 制造就方便， 但在同样直径、 压力下所需的厚度最大，因此一般

29、只用于小直径和压力低的容器。但有时在高压容器中，如合成塔中也用平盖，这是因为它的端盖很厚且直径较小，制造直径小厚度大的凸形封头很困难。设计公式是半经验公式，推导不要求。平板封头的计算厚度mm计算直径mm计算压力MPa焊接接头系数结构特征系数材料在设计温度下的许用应力MPa第四节第四节封头的选择封头的选择 mm 5 . 022 . 1cticpRpieDM%15. 0,34. 1时ieDM%30. 0,34. 1时mm tccpKpDptKcpcD一、几何方面二、力学方面三、制造及材料消耗方面第五章第五章外压圆筒与封头的设计外压圆筒与封头的设计本章重点：本章重点：临界压力及外压圆筒的工程设计方法

30、本章难点：本章难点：临界压力建议学时：建议学时：6 学时第一节第一节概述概述一、外压容器的失稳1、外压容器的定义2、外压薄壁容器的受力对于薄壁壳体来讲，内压薄壁圆筒受的是拉应力，即4pDm，2pD。而外压薄壁圆筒所受的是压应力，这种压缩应力的数值与内压容器相同，只是改变了应力的方向，然而，正是由于方向的改变，使得外压容器失效形式与内压不同。外压容器很少因为强度不足发生破坏，常常是因为刚度不足而发生失稳。下面我们来看看失稳的定义。3、失稳及其实质失稳：承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一数值时，壳体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波纹，载荷卸除后，壳体不能恢复原状，这种现象称为外压壳体的失

31、稳（Instability）二、容器失稳型式的分类1、 按受力方向分为侧向失稳与轴向失稳（容器由均匀侧向外压引起的失稳，叫侧向失稳，特点是失稳时，壳体横断面由原来的圆形变为波形，波数可以是两个、三个、四个，如图所示）2、 按压应力作用范围分为整体失稳与局部失稳第二节第二节临界压力临界压力一、临界压力的概念二、影响临界压力的因素（一） 筒体几何尺寸的影响（二） 筒体材料性能的影响圆筒失稳时，在绝大多数情况下，筒壁内的压应力并没有达到材料的屈服点。 （是弹性失稳）故这种情况失稳与材料的屈服点无关，只与材料的弹性模数 E 和泊松比有关。材料的弹性模数 E 和泊松比越大，其抵抗变形的能力就越强，因而其

32、临界压力也就越高。但是，由于各种钢材的 E 和值相差不大，所以选用高强度钢代替一般碳素钢制造外压容器，并不能提高筒体的临界压力（三） 筒体椭圆度和材料不均匀性的影响1、稳定性的破坏并不是由于壳体存在椭圆度或材料不均匀而引起的。无论壳体的形状多么精确，材料多么均匀，当外压力达到一定数值时也会失稳。2、但是壳体的椭圆度与材料的不均匀性能使其临界压力的数值降低，使失稳提前发生。三、长圆筒、短圆筒、钢性圆筒的定性描述相对几何尺寸两端边界影响临界压力失稳波形数长圆筒L/D0较大忽略只与 Se/D0有关，与 L/D0无关2短圆筒L/D0较小显著与 Se/D0有关，与L/D0有关大于 2 的整数刚性圆筒L/D0较小 Se/D0较大不失稳四、临界压力的理论计算公式（一） 长圆筒对钢制长圆筒,由于3 . 0 ,则有推论：从长圆筒