过程装备机械设计基础—_压力容器

1、过程设备设计过程设备设计过程装备机械基础第第1111章内压容器设计章内压容器设计1. 压力容器导言压力容器导言2.压力容器的应力分析压力容器的应力分析3.压力容器的内压圆筒和封头设计压力容器的内压圆筒和封头设计4.压力容器的压力试验压力容器的压力试验1. 压力容器导言压力容器导言1.1 压力容器总体结构和主要零部件压力容器总体结构和主要零部件1.2 压力容器分类压力容器分类1.3 压力容器规范标准压力容器规范标准1.1压力容器的总体结构和主要零部件 1.1.1.压力容器的总体结构 1.1.2压力容器主要零部件1.1.1压力容器的总体结构 概念：压力容器是内部或外部承受气体或液体压力，并对安全性

2、有较高要求的密闭容器。 一般泛指在工业生产中用于完成反应、传热、分离和储存等生产工艺过程的密封容器。筒节筒节环焊缝环焊缝纵焊缝纵焊缝补强圈补强圈盲板盲板接管接管支座支座上封头上封头下封头下封头南京扬子石化公司1000 m3 钢球罐群 1.1.2压力容器的主要零部件 1）筒体(壳体） 2）封头(端盖） 3）法兰 4）密封装置 5）开孔与接管 6）支座 7)安全附件 1）筒体）筒体 钢板卷制而成钢板卷制而成 制造容易、成本低制造容易、成本低筒体筒体 整体锻造而成整体锻造而成 制造困难、成本高、制造困难、成本高、性能好性能好 单层单层 多用于中低压容器多用于中低压容器筒体筒体 多层多层 多用于高压容

3、器多用于高压容器问题：压力容器可以用什么材料制作？问题：压力容器可以用什么材料制作？2） 封头封头 按形状可分为：球形封头、椭圆形封头、碟按形状可分为：球形封头、椭圆形封头、碟形封头、锥形封头、平板封头等。形封头、锥形封头、平板封头等。 特点：轴对称！特点：轴对称！半椭球封头半椭球封头 半椭球封头半椭球封头 半球形封头半球形封头锥形封头锥形封头3）法兰）法兰 法兰的作用法兰的作用 a.用于容器间或容器与封头的连接；用于容器间或容器与封头的连接； b.用于管道间的连接；用于管道间的连接；4） 密封装置密封装置 用于连接件之间的密封，防止物料泄漏。用于连接件之间的密封，防止物料泄漏。5） 开孔与接

4、管开孔与接管 在容器上开孔的目的是为了便于检在容器上开孔的目的是为了便于检修（人孔和手孔），或是为了安装各种安修（人孔和手孔），或是为了安装各种安全附件、或是为了满足工艺的要求。全附件、或是为了满足工艺的要求。 6）支座支座 把压力容器支承并固定在基础上。把压力容器支承并固定在基础上。7）安全附件安全附件 安装各种安全阀和各种压力表、测温安装各种安全阀和各种压力表、测温仪表、液位计等。仪表、液位计等。 1.2 压力容器的分类压力容器的分类1） 压力容器分类的原因和依据压力容器分类的原因和依据 压力容器存在的危害程度不同！压力容器存在的危害程度不同！ 危害程度与很多因素有关，如设计压力、危害程度

5、与很多因素有关，如设计压力、容器的容积、介质的危害性、使用场合和容器的容积、介质的危害性、使用场合和安装方式等。安装方式等。其中，介质的危害性是最主要的影响因素！其中，介质的危害性是最主要的影响因素！2） 介质的危害性介质的危害性 介质的危害性是指介质的危害性是指介质的毒性、介质的毒性、易燃性、氧化性和腐蚀性等。影响压易燃性、氧化性和腐蚀性等。影响压力容器分类的主要是毒性和易燃性。力容器分类的主要是毒性和易燃性。3） 压力容器分类方式压力容器分类方式1、 按承压性质分内压容器和外压容器。 内压容器按压力p大小分为4个等级： 低压容器（L） 0.1MPap1.6MPa 中压容器（M） 1.6MP

6、ap10MPa 高压容器（H） 10MPap100MPa 超高压容器（U） p100MPa2）按作用原理分类）按作用原理分类 反应器（反应器（R)如合成塔、分解塔如合成塔、分解塔 换热器换热器(E)如废热锅炉、汽车发动机水冷却如废热锅炉、汽车发动机水冷却器器 分离器分离器(S)如精馏塔、干燥塔如精馏塔、干燥塔 储储 罐罐(C)如油罐、家用液化气罐如油罐、家用液化气罐3）按安装方式分类）按安装方式分类 固定式固定式绝大部分压力容器绝大部分压力容器 移动式移动式如火车物料罐、汽车油罐如火车物料罐、汽车油罐按安全管理分类（按容规分类按安全管理分类（按容规分类 最重要的分类！最重要的分类！）分为三类：

7、分为三类： 具有下列情况之一的，为第三类压力容器：具有下列情况之一的，为第三类压力容器：高压容器高压容器中压容器且介质为极度毒性和高度危害中压容器且介质为极度毒性和高度危害中压贮存容器且介质为易燃或中等毒性、中压贮存容器且介质为易燃或中等毒性、pv10MPa. m中压反应容器且介质为易燃或中等毒性、中压反应容器且介质为易燃或中等毒性、pv0.5MPa. m容规：压力容器安全技术监察规程容规：压力容器安全技术监察规程 低压容器且介质为极度毒性和高度危害、低压容器且介质为极度毒性和高度危害、 pv0.2MPa. m 高压、中压管壳式余热锅炉高压、中压管壳式余热锅炉 中压搪玻璃压力容器中压搪玻璃压力

8、容器 使用强度级别较高的材料制造的压力容器使用强度级别较高的材料制造的压力容器(抗拉强抗拉强度度540MPa) 移动式压力容器移动式压力容器 容积大于容积大于50m的球形容器的球形容器 容积大于容积大于5m的低温贮存容器的低温贮存容器具有下列情况之一的，为第二类压力容器：具有下列情况之一的，为第二类压力容器： 中压容器中压容器 低压容器且介质为极度毒性和高度危害低压容器且介质为极度毒性和高度危害 低压反应器和低压贮存容器，介质易燃或毒性中等低压反应器和低压贮存容器，介质易燃或毒性中等 低压管壳式余热锅炉低压管壳式余热锅炉 低压搪玻璃压力容器低压搪玻璃压力容器除上述规定以外的低压容器为第一类压力

9、容器。除上述规定以外的低压容器为第一类压力容器。1.3 压力容器规范标准压力容器规范标准1.3.1 国外压力容器标准简介国外压力容器标准简介 ASME规范规范 美国标准（美国标准（American society of Machinery engineering) 为世界上第一部压力容器设计和制造方为世界上第一部压力容器设计和制造方面的规范，历史悠久，更新速度快，涵盖范围面的规范，历史悠久，更新速度快，涵盖范围宽，同时也是许多国家制定相关规范的蓝本宽，同时也是许多国家制定相关规范的蓝本（如日本、中国等国家）。（如日本、中国等国家）。 1965年推出年推出ASME规范；规范；1968年推出年推出

10、ASME规范的两个分册：规范的两个分册：第一册为传统的规则设计（第一册为传统的规则设计（Design by Rules)第二册为分析设计规范（第二册为分析设计规范（Design by Analysis）提示提示1：压力容器设计分为常规设计和分析设：压力容器设计分为常规设计和分析设计！后者更科学、更合理！计！后者更科学、更合理！ 欧盟压力容器标准欧盟压力容器标准 早期的欧盟国家，各国之间的压力容器标准是相早期的欧盟国家，各国之间的压力容器标准是相对独立的，后来随着国际贸易间的发展，为适应对独立的，后来随着国际贸易间的发展，为适应欧洲一体化而逐步建立起统一的标准，正在逐步欧洲一体化而逐步建立起统一

11、的标准，正在逐步完善。完善。 该规范对中国的压力容器标准也有一定的影响。该规范对中国的压力容器标准也有一定的影响。如英国如英国1976年制定的年制定的BS5500标准，为分析设计标准，为分析设计标准。标准。 日本标准日本标准 日本于日本于1993年推出分析设计标准年推出分析设计标准JIS8250。1.3.2 国内主要压力容器标准国内主要压力容器标准 较为成熟的标准是：较为成熟的标准是： 1989年制定的年制定的GB150-89钢制压力容器和钢制压力容器和 GB151-89钢制管壳式换热器等。钢制管壳式换热器等。 1998，1999年又重新修订了这两部标准和年又重新修订了这两部标准和相关标准。这

12、些标准都是以相关标准。这些标准都是以ASME规范为蓝本，规范为蓝本，同时也吸取了欧洲标准的一些思想，同时也加同时也吸取了欧洲标准的一些思想，同时也加入了一些自己的思想和方法（如管板强度设计入了一些自己的思想和方法（如管板强度设计方法）。方法）。 1.3.3 国家标准和工业国家标准的比较国家标准和工业国家标准的比较 GB150较多地参照了较多地参照了ASME！1、与美国标准、欧洲标准的内容基本相同；、与美国标准、欧洲标准的内容基本相同；2、制定标准的出发点也相差不多；、制定标准的出发点也相差不多；3、差别主要在：、差别主要在： a、标准的适用范围、标准的适用范围 b、材料的许用应力、材料的许用应

13、力 c、材料的牌号及其性能、技术指标有所不同。、材料的牌号及其性能、技术指标有所不同。1.3.4 制定标准的目的制定标准的目的 标准化的目的是为了实现产品的系列标准化的目的是为了实现产品的系列化、通用化、降低产品成本、且提供了法化、通用化、降低产品成本、且提供了法律依据。压力容器是一种潜在危害很大的律依据。压力容器是一种潜在危害很大的装备，因此，对设计、制造、使用、维修装备，因此，对设计、制造、使用、维修等方面的工作和从事这些工作的资质都必等方面的工作和从事这些工作的资质都必须有章可循。须有章可循。注意：工程设计必须遵守相关国家标准！注意：工程设计必须遵守相关国家标准！2压力容器应力分析压力容

14、器应力分析2.1 回转薄壳的应力分析回转薄壳的应力分析2.2 厚壁容器的应力分析厚壁容器的应力分析2.3 结构与力学性能的关系结构与力学性能的关系2.4 壳体的稳定性分析壳体的稳定性分析2.5 典型局部应力典型局部应力本章为常规设计的基础！是期末考和考研的重点！本章为常规设计的基础！是期末考和考研的重点！问题：应力分析的目的？问题：应力分析的目的？问题：何谓强度？问题：何谓强度？2 压力容器应力分析压力容器应力分析问题：压力容器失效的后果？导致压问题：压力容器失效的后果？导致压力容器失效的最根本原因是什么力容器失效的最根本原因是什么呢？呢？2.1 回转薄壳的应力分析回转薄壳的应力分析2.1.1

15、 回转薄壳的概念回转薄壳的概念回转壳的特点：回转壳的特点： 母线以回转轴为中心旋转而母线以回转轴为中心旋转而得，故为得，故为对称壳体对称壳体。若：壁厚若：壁厚/ /中面曲率半径中面曲率半径0.1，称该壳体为薄壳，反之为，称该壳体为薄壳，反之为厚壳。厚壳。为什么要区分厚、薄壳？为什么要区分厚、薄壳？薄壳薄壳常规设计，依据无力矩理论！简单，误差大！常规设计，依据无力矩理论！简单，误差大！厚壳厚壳分析设计，依据有力矩理论！复杂，误差小！分析设计，依据有力矩理论！复杂，误差小！在应力分析中，假定：材料是连续、各向同性、变形为在应力分析中，假定：材料是连续、各向同性、变形为弹性小变形、壳壁各层纤维在变形

16、过程及变形后互相不弹性小变形、壳壁各层纤维在变形过程及变形后互相不挤压（？）。挤压（？）。考研同学注意此假定！考研同学注意此假定！2.1.2 薄壁圆筒的应力分析薄壁圆筒的应力分析分析方法：单元体平衡法分析方法：单元体平衡法环向应力和经向应力环向应力和经向应力问题：环向应力和经向应力的作用效果？问题：环向应力和经向应力的作用效果？水平方向力平衡关系（采用截面法）：水平方向力平衡关系（采用截面法）：DtpD24tpD4提示：区域平衡方程！提示：区域平衡方程！说明：截面法并不都可用！单元体平衡法更具普遍性！说明：截面法并不都可用！单元体平衡法更具普遍性！扩展：还原论扩展：还原论水平方向的力平衡式：水

17、平方向的力平衡式：202sin2tdpRi提示提示1：厚度设为：厚度设为1提示提示2：总体平衡，则其部分必处于平衡状态。：总体平衡，则其部分必处于平衡状态。tpD2单元体平衡法：由局部微元的平衡关系推导出整体单元体平衡法：由局部微元的平衡关系推导出整体 的平衡关系。的平衡关系。提示：微分提示：微分 积分积分一般方法：一般方法： 取有代表性微元取有代表性微元 （关键！）（关键！） 建立力平衡关系建立力平衡关系 （一般为微分方程）（一般为微分方程） 解微分方程得到定解解微分方程得到定解 （一般需考虑边界条件）（一般需考虑边界条件）提示：轴对称回转薄壳的应力求解非常简单！提示：轴对称回转薄壳的应力求

18、解非常简单！问题：如何取有代表性微元问题：如何取有代表性微元 ？2.1.3 回转薄壳的几何要素回转薄壳的几何要素第一曲率半径第一曲率半径R1、第二曲率半径、第二曲率半径R22.1.4 无力矩理论和有力矩理论无力矩理论和有力矩理论壳体内力分析壳体内力分析无力矩理论无力矩理论（薄膜理论）（薄膜理论）有力矩理论有力矩理论（弯曲理论）（弯曲理论）薄膜力薄膜力横向剪力横向剪力弯矩、扭矩弯矩、扭矩十个内力分量十个内力分量内力有力矩理有力矩理论或弯曲论或弯曲理论理论（静不定（静不定）无力矩理无力矩理论或薄膜论或薄膜理论理论（静定）（静定）10个个薄膜内力NNNN、由中面的拉伸、压缩、由中面的拉伸、压缩、剪切

19、变形而产生剪切变形而产生4个个无力矩理论都是围绕无力矩理论都是围绕中面中面展开的，因壁很薄，中面展开的，因壁很薄，中面上的变形和应力可代表薄壳的变形和应力！上的变形和应力可代表薄壳的变形和应力！弯曲内力QQ 、扭矩横向剪力MM 、MM、由中面的曲率、扭矩变由中面的曲率、扭矩变形而产生形而产生6个个弯矩对于承受轴对称载荷的壳体中面受力？对于承受轴对称载荷的壳体中面受力？薄膜内力N、N2个个弯曲内力Q横向剪力MM 、3个个弯矩有力矩理论更合理，也更复杂！有力矩理论更合理，也更复杂！设想：如果可以用简单的无力矩理论进行压力容器的设计，且设想：如果可以用简单的无力矩理论进行压力容器的设计，且 误差又不

20、大！误差又不大！ 回转薄壳！回转薄壳！2.1.5 无力矩理论的基无力矩理论的基本方程本方程采用微元体平衡法导出采用微元体平衡法导出注意：以下为无力矩力学理论注意：以下为无力矩力学理论！建立作用在微元体上的内力与外载荷之间的平衡关系建立作用在微元体上的内力与外载荷之间的平衡关系最后得：最后得： 拉普拉斯方程拉普拉斯方程注意：注意： P与壳体表面垂直的压力与壳体表面垂直的压力问题问题1：公式中各物理量的单位？：公式中各物理量的单位？问题问题2：一个公式中有两个未知量，如何解？：一个公式中有两个未知量，如何解？提示提示1：记住公式！明确其中物理量！：记住公式！明确其中物理量！提示提示2：考研者需学会

21、推导！：考研者需学会推导！tpRR21区域平衡方程区域平衡方程应力求解的重应力求解的重要途径！要途径！一般用来求经向应力，在一般用来求经向应力，在回转轴方向回转轴方向建立力平衡方程。建立力平衡方程。气体压力在回转轴方向合力：气体压力在回转轴方向合力：环带：环带：内力在回转轴方向合力：内力在回转轴方向合力：区域平衡方程：区域平衡方程：mrrpdrV02cos2 rpdldV dldrcosmrrpdrV02cos2trVmVV 例：圆柱薄壳的区域平衡方程：例：圆柱薄壳的区域平衡方程：DtpD24tpD4tpD2结合拉普拉斯方程得结合拉普拉斯方程得：tpD4与之前的推导相同！与之前的推导相同！提示

22、：环向应力也可由拉普拉斯方程直接得到！提示：环向应力也可由拉普拉斯方程直接得到！例：承受气压球壳例：承受气压球壳M点经向应力。点经向应力。得经向应力：得经向应力：结合拉普拉斯方程得：结合拉普拉斯方程得：mrrpdrV02prm2mrrpdrV02sin2trVmtpR2tpR2sinRrm2.1.6 无力矩理论的应用无力矩理论的应用 承受气体内压承受气体内压的回转薄壳：的回转薄壳：左侧公式为通用公左侧公式为通用公式！通用的范围？式！通用的范围？提示：考研必考内容！提示：考研必考内容！问题：载荷不止气问题：载荷不止气压时，怎么办？压时，怎么办？tpR2tpR2tpRa.球形壳体球形壳体b.圆柱壳

23、体圆柱壳体提示：记住公式，分析特点！提示：记住公式，分析特点！问题：球形壳体的优点？缺点？问题：球形壳体的优点？缺点？扩展问题：工业实践中，很少使用半球形封头，理由？扩展问题：工业实践中，很少使用半球形封头，理由？扩展问题：工业实践中，很少使用球形容器，理由？扩展问题：工业实践中，很少使用球形容器，理由？C、锥形壳体、锥形壳体prV2截面是什么形状？截面是什么形状？过过A点截面与点截面与OA子线垂直！子线垂直！cos2rtV A点的两相应力计算公式？有何特点？点的两相应力计算公式？有何特点？半锥角等于半锥角等于90度时？度时？ 半锥角等于半锥角等于0度时？度时？O点的应力？点的应力？原因？原因

24、？D、椭球形壳体、椭球形壳体情况要复杂一些，但仍然按情况要复杂一些，但仍然按拉普拉斯拉普拉斯方程和方程和区域平衡区域平衡方程求解！方程求解！几个问题：几个问题：1. a/b 的不同比值与两向薄膜应力之间的关系；的不同比值与两向薄膜应力之间的关系；2. a/b比值为比值为1时，对应球形薄壳；时，对应球形薄壳；3. a/b比值为比值为2时，对应标准椭球薄壳，其一半为标时，对应标准椭球薄壳，其一半为标准半椭球封头，为应用最广泛的封头（？）。准半椭球封头，为应用最广泛的封头（？）。E、储存液体的回转薄壳、储存液体的回转薄壳gxpp0tRgxp0tRgxp)(0由拉普拉斯方程得：由拉普拉斯方程得：由由A

25、点以上部分的区域平衡方程得：点以上部分的区域平衡方程得：022pRRttRp20问题：如果支座在容器的问题：如果支座在容器的中部，支座上方、下方的中部，支座上方、下方的应力如何推导？应力如何推导？仅受自重作用时的应力仅受自重作用时的应力由拉普拉斯方程得：由拉普拉斯方程得：由区域平衡方程得：由区域平衡方程得： 为为A点以上部分壳体的重量。点以上部分壳体的重量。tRgxp)(0 xGRt20G如果支座不再底部，其上方、下方的两向应力？如果支座不再底部，其上方、下方的两向应力？回转薄壳回转薄壳圆柱、圆锥、球壳圆柱、圆锥、球壳在以下情况时的两向薄膜应力如何推导？在以下情况时的两向薄膜应力如何推导？ 仅

26、受自重作用仅受自重作用 仅受气压作用仅受气压作用 仅受液体静压作用仅受液体静压作用 气压和液体静压共同作用气压和液体静压共同作用方法都一样！方法都一样！ 拉普拉斯方程拉普拉斯方程 区域平衡方程区域平衡方程求经向应力求经向应力考研特别注意！考研特别注意！E .球形壳体球形壳体应力在支座支承处有突变，说明什应力在支座支承处有突变，说明什么？么？支座处弯曲内力很大！无力矩理论计算结果误差大！支座处弯曲内力很大！无力矩理论计算结果误差大！图片无力矩理论的应用条无力矩理论的应用条件件 壳体的厚度、中面曲率和载荷连续，没有突变，壳体的厚度、中面曲率和载荷连续，没有突变，且构成壳体的材料的物理性能相同。且构

27、成壳体的材料的物理性能相同。 壳体的边界处不受集中力、且不受变形限制。壳体的边界处不受集中力、且不受变形限制。 客观地说，实际的压力容器都不能使用无力客观地说，实际的压力容器都不能使用无力矩理论，但对于大部分的薄壁容器，由无力矩理矩理论，但对于大部分的薄壁容器，由无力矩理论得到的结果与真实情况之间的偏差并不大，完论得到的结果与真实情况之间的偏差并不大，完全可以满足工程界的要求。如果上述条件得不到全可以满足工程界的要求。如果上述条件得不到满足，则无力矩理论不适用。满足，则无力矩理论不适用。核心：变形不协调核心：变形不协调！2.1.7 回转薄壳的不连续回转薄壳的不连续分析分析a. 不连续和不连续分

28、析不连续和不连续分析 几何形态不连续、或数学不连续、或载荷突几何形态不连续、或数学不连续、或载荷突变，由此造成应力突变或出现大应力状况。变，由此造成应力突变或出现大应力状况。 由于不连续情况的存在，在此区域内出现了各由于不连续情况的存在，在此区域内出现了各部分变形不协调的情况，造成过大的应力，导致设部分变形不协调的情况，造成过大的应力，导致设备在局部破坏，最终造成设备失效。备在局部破坏，最终造成设备失效。 分析不连续应力的方法称为不连续分析。分析不连续应力的方法称为不连续分析。核心：变形不协核心：变形不协调！调！ 几何形态不连续几何形态不连续问题：图中，几个地方问题：图中，几个地方存在几何形状

29、突变？存在几何形状突变？ 材料不连续材料不连续核心：变形不协核心：变形不协调！调！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、 按作用原理分按作用原理分 反应器（反应器（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） 反应器（反应器（R）：完成介质物理化学反应的压力容）：完成介质物理化学反应的压力容器。器。如反应器，反应釜，分解锅，硫化罐，分解如反应器，反应釜，分解锅，硫化罐，分解塔，聚合釜，高压釜，合

30、成塔塔，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力）：用于完成介质的热量交换的压力容器，容器，如余热锅炉，热交换器，消毒罐，染色器，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，煤气发生炉的水夹烘缸，预热锅，蒸汽发生器，煤气发生炉的水夹套，冷凝器等套，冷凝器等 分离器（分离器（S）：用于介质的流体压力平衡和气体）：用于介质的流体压力平衡和气体净化分离的压力容器，净化分离的压力容器，如过滤器，集油器，如过滤器，集油器， 储存容器（储存容器（C，B）：主要用于储存和盛装气体，）：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，液体和液化气体

31、等介质的压力容器，如：各种形如：各种形式的储罐等式的储罐等6、 按监察规程分按监察规程分1. 最高工作压力最高工作压力Pw0.1MPa2. 内直径内直径Di0.15m，且，且V0.025m33. 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 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;

32、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

33、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)；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

34、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) 。8.3 典型薄壁容器应力分析1、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、 受气压圆筒壳体受气压圆筒壳体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PtRRPtR22tPR2静力平衡方程：静力平衡方程：经向应力

35、为经向应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

36、，2222batpabatpa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。8.3.2 边缘应力及其处理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 8-9 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，p

37、124 图8-10合理不合理不合理合理不合理合理不合理合理 几个前提 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8.3.3 内压圆筒形薄壁壳体设计8.3.4. 强度设计公式强度设计公式 tittDP2)（ CPDPttin2强度条件：设计公式：8.3.5 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：(1.051.75)PW. 爆破压力制造偏差介质为液化气：TMAX时液化

38、气饱和蒸汽压介质为液体：当液柱静压大于0.05P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（低于或等于度（低于或等于-20)2 设计温度设计温度3 、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；

39、 4 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8-2 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。8.3.6 压力与气密性试验压力与气密性试验 MPaPPPtT1 . 025. 1且不小于seeiTTttDp9 . 02)(1 、水压试验

40、、水压试验a. 试验压力：试验压力：b. 强度条件强度条件：1、 水压试验（续）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. 强度条件强度条件：c. 常用介质常用介质 干燥洁净的空

41、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。3压力试验时的应力校核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 外压容器的定义：外压大于内压的容器外压容器的定义：外压大于内压的容器; 失效的主要形式为失稳。其后果

42、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。 8.4.1 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：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。