过程设备总复习1

1、011.1 压力容器总体结构1.1.1 压力容器基本组成压力容器基本组成1.3 压力容器规范标准1.2 压力容器分类1.1.2 压力容器零部件间的焊接压力容器零部件间的焊接1.2.1 介质危害性介质危害性1.2.2 压力容器分类压力容器分类1.3.1 国外主要规范标准简介国外主要规范标准简介1.3.2 国内主要标准规范介绍国内主要标准规范介绍01压力容器=功能内件+受压外壳一般包括筒体、封头、密封装置、开孔一般包括筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座和安全附件，其接管、支座和安全附件，其功能功能是提供是提供能承受一定温度和压力的密闭空间。能承受一定温度和压力的密闭空间。外壳外壳压力容器的总体结

2、构压力容器的总体结构筒体筒体封头封头封头拼接封头拼接焊缝焊缝环焊缝环焊缝纵焊缝纵焊缝法兰法兰支座支座人孔人孔补强圈补强圈压力表压力表安全阀安全阀液面计液面计01(1) 筒体筒体提供工艺所需的承压空间，是压力容器最主要提供工艺所需的承压空间，是压力容器最主要的受压元件之一，其内直径和容积往往需由工的受压元件之一，其内直径和容积往往需由工艺计算确定。艺计算确定。作用：作用：01圆柱形筒体按其结构可分为:单层式组合式单层卷焊式、整体锻造式、锻焊式单层卷焊式、整体锻造式、锻焊式多层式、缠绕式多层式、缠绕式(2) 封头封头根据几何形状的不同封头球形球冠形椭圆形蝶形锥壳平盖凸形封头凸形封头01螺栓法兰连接

3、（简称法兰连接）是一种应用最广的密封装置，它的作用是通过螺栓连接，并通过拧紧螺栓使密封元件压紧而保证密封。法兰按其所连接的部件分为容器法兰和管道法兰。(3) 密封装置密封装置01(4) 开孔与接管开孔与接管 由于工艺要求和检修的需要，常在压力容器的筒由于工艺要求和检修的需要，常在压力容器的筒体或封头上开设各种大小的孔或安装接管，如体或封头上开设各种大小的孔或安装接管，如人孔、手孔、视镜孔、物料进出口接管，以及以及安装压力表、液面计、安全阀、测温仪表等接管开孔。等接管开孔。 筒体或封头上开孔后，开孔部位的强度被削弱，并使该处的应力增大。这种削弱程度随开孔直径的增大而加大，因而容器应尽量减少开孔的

4、数量，尤其要避免开大孔。对容器已开设的孔，还应进行开孔补强设计，以确保所需的强度。01压力容器靠支座支承并固定在基础上。随安装位压力容器靠支座支承并固定在基础上。随安装位置不同，圆筒形容器支座分置不同，圆筒形容器支座分立式容器支座立式容器支座和和卧式卧式容器支座容器支座两类。两类。耳式支座耳式支座 支承式支座支承式支座腿式支座腿式支座 裙式支座裙式支座(5) 支座支座01(6) (6) 安全附件安全附件安全附件安全阀爆破片装置紧急切断阀安全联锁装置压力表液面计测温仪表等01压力容器的使用范围广、数量多、工作条件复杂，压力容器的使用范围广、数量多、工作条件复杂，发生事故所造成的危害程度各不相同。

5、危害程度发生事故所造成的危害程度各不相同。危害程度与多种因素有关，如设计压力、设计温度、介质与多种因素有关，如设计压力、设计温度、介质危害性、材料力学性能、使用场合和安装方式等。危害性、材料力学性能、使用场合和安装方式等。危害程度愈高，压力容器材料、设计、制造、检危害程度愈高，压力容器材料、设计、制造、检验、使用和管理的要求也愈高。因此，验、使用和管理的要求也愈高。因此，需要对压需要对压力容器进行合理分类力容器进行合理分类。世界各国规范对压力容器分类的方法各不相同，世界各国规范对压力容器分类的方法各不相同，本节着重介绍中国本节着重介绍中国固定式固定式压力容器安全技术监压力容器安全技术监察规程察

6、规程中的分类方法。中的分类方法。内压容器外压容器01内压容器又可按设计压力（内压容器又可按设计压力（p）大小分为：）大小分为：L LMHU低压低压(代号代号L)容器容器 0.1 MPap1.6 MPa;中压中压(代号代号M)容器容器 1.6 MPap10.0 MPa;高压高压(代号代号H)容器容器 10.0 MPap100 MPa;超高压超高压(代号代号U)容器容器 p100MPa。01E E换热压力容器换热压力容器( (代号代号E)E)用于完成介质的热量交换用于完成介质的热量交换。如热交换器、蒸发器如热交换器、蒸发器R R反应压力容器反应压力容器( (代号代号R)R)用于完成介质的物理、化学

7、反用于完成介质的物理、化学反应。应。如氨合成塔、反应器S分离压力容器（代号分离压力容器（代号S)S)用于完成介质流体压力平衡用于完成介质流体压力平衡缓冲和气体净化分离缓冲和气体净化分离。如过。如过滤器滤器C储存压力容器（代号储存压力容器（代号C C，其中球罐代号，其中球罐代号B B）用于储存、盛装气、液、液化气体等介质用于储存、盛装气、液、液化气体等介质。如液氨储罐。如液氨储罐01a.固定式压力容器固定式压力容器有固定安装和使用地点，工艺条件和操作人员也较固定的有固定安装和使用地点，工艺条件和操作人员也较固定的压力容器。压力容器。b.移动式压力容器移动式压力容器使用时不仅承受内压或外压载荷，搬

8、运过程中还会受到由使用时不仅承受内压或外压载荷，搬运过程中还会受到由于内部介质晃动引起的冲击力，以及运输过程带来的外部于内部介质晃动引起的冲击力，以及运输过程带来的外部撞击和振动载荷，因而在结构、使用和安全方面均有其特撞击和振动载荷，因而在结构、使用和安全方面均有其特殊的要求。殊的要求。01(4) 按安全技术管理分类按安全技术管理分类上面所述的几种分类方法仅仅考虑了压力容器的某个上面所述的几种分类方法仅仅考虑了压力容器的某个设计参数或使用状况，还不能综合反映压力容器的危设计参数或使用状况，还不能综合反映压力容器的危险程度。险程度。压力容器的危险程度还与介质危险性及其设计压力压力容器的危险程度还

9、与介质危险性及其设计压力p和全容积和全容积V的乘积有关，的乘积有关，pV值愈大，则容器破裂时爆值愈大，则容器破裂时爆炸能量愈大，危害性也愈大，对容器的设计、制造、炸能量愈大，危害性也愈大，对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求愈高。检验、使用和管理的要求愈高。固定式压力容器安全技术监察规程固定式压力容器安全技术监察规程采用既考虑容采用既考虑容器压力与容积乘积大小，又考虑介质危险性以及容器器压力与容积乘积大小，又考虑介质危险性以及容器在生产过程中的作用的综合分类方法，有利于安全技在生产过程中的作用的综合分类方法，有利于安全技术监督和管理。该方法将压力容器分为术监督和管理。该方法将压力容器分为

10、三类三类。01 T -20 -20 -40 为浅冷容器为浅冷容器T -40 为深冷容器为深冷容器a. 常温容器常温容器 -20 T 200 b. 高温容器高温容器 碳钢、低合金钢：碳钢、低合金钢： T 420 奥氏体不锈钢：奥氏体不锈钢：T 550 （蠕变温度）（蠕变温度）c. 低温容器低温容器 011911年美国机械工程师学会（年美国机械工程师学会（ASME）着手）着手编写世界上第一部有关压力容器规范编写世界上第一部有关压力容器规范锅炉建锅炉建造规范造规范.1914版版，1915年春出版发行。年春出版发行。1.3.1 国外主要规范标准简介国外主要规范标准简介01(2)日本压力容器标准日本压力

11、容器标准JIS B 8243 JIS B 8243 压力容器构造JIS B 8250JIS B 8250压力容器构造另一标准JIS B 8270JIS B 8270 压力容器( (基础标准) )JIS B 8271JIS B 8271 82858285压力容器( (单项标准) )根据根据ASME1ASME1根据根据ASME2ASME219931993年颁布年颁布01(3) 欧盟压力容器规范标准欧盟压力容器规范标准欧盟将压力容器、压力管道、安全附件、承压附件等以流欧盟将压力容器、压力管道、安全附件、承压附件等以流体压力为基本载荷的设备统称为承压设备。体压力为基本载荷的设备统称为承压设备。为促进承

12、压设备在欧盟成员国内的自由贸易，尽可能在最为促进承压设备在欧盟成员国内的自由贸易，尽可能在最广泛的工业领域内实施统一的技术法规，欧盟颁布了许多广泛的工业领域内实施统一的技术法规，欧盟颁布了许多与承压设备有关的与承压设备有关的EEC/ECEEC/EC指令（指令（DIRECTIVEDIRECTIVE）和和协调标准协调标准（HARMONIZED STANDARDSHARMONIZED STANDARDS）011.3.2 国内主要标准规范介绍国内主要标准规范介绍1.3.2.1 法规法规特种设备安全监察条列2003年3月国务院颁布特种设备安全监察条列特种设备安全监察条列适用于适用于同时具备下列条件的压力

13、容器：同时具备下列条件的压力容器：（1）最高工作压力大于等于）最高工作压力大于等于0.1MPa（表压）；（表压）；（2）压力与容积的乘积大于或者）压力与容积的乘积大于或者等于等于2.5MPa.L；（3）盛装介质为气体、液化气体）盛装介质为气体、液化气体或者最高工作温度高于等于标准或者最高工作温度高于等于标准沸点的液体。沸点的液体。授权国务院特种设备安全监督管理授权国务院特种设备安全监督管理部门（部门（国家质量监督检验检疫总局国家质量监督检验检疫总局特种设备安全监察局特种设备安全监察局）负责全国特）负责全国特种设备的安全监察工作。种设备的安全监察工作。检验检测大致可分为监督检验、检验检测大致可分

14、为监督检验、定期检验、型式试验和设计文件定期检验、型式试验和设计文件鉴定等四类。鉴定等四类。2009年年5月修订月修订011.3.2.2 行政规章行政规章泛指以国家质量监督检验检疫总局局长泛指以国家质量监督检验检疫总局局长“令令”形式颁布的、形式颁布的、行政管理性内容较突出的文件。行政管理性内容较突出的文件。如如2001年年9月发布的国家质量监督检验检疫总局第月发布的国家质量监督检验检疫总局第2号令号令锅炉压力容器压力管道特种设备事故处理规定锅炉压力容器压力管道特种设备事故处理规定等。等。011.3.2.3 安全技术规范安全技术规范安全技术规范是政府对特种设备安全性能和相应的设计、安全技术规范

15、是政府对特种设备安全性能和相应的设计、制造、安装、修理、改造、使用和检验检测等环节所提出制造、安装、修理、改造、使用和检验检测等环节所提出的一系列安全基本要求，以及许可、考核条件、程序的一的一系列安全基本要求，以及许可、考核条件、程序的一系列具有行政强制力的规范性文件，其作用是把法规和行系列具有行政强制力的规范性文件，其作用是把法规和行政规章的原则规定具体化。政规章的原则规定具体化。压力容器安全监察规程1981年院国家劳动总局颁布压力容器安全技术监察规程1991年原劳动部颁布修订压力容器安全技术监察规程1999年原国家质量技术监督局修订修订适用于同时具备下列条件的压力容器：适用于同时具备下列条

16、件的压力容器：(1) 最高工作压力大于等于最高工作压力大于等于0.1MPa（不含液体静压力）；（不含液体静压力）；(2)工作压力与容积的乘积大于或者等于工作压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPaL；(3) 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2009年国家质检总局颁布固定式压力容器安全技术监察规程011.3.2.4 标准标准标准由标准化委员会组织制定，政府代表参与。标准是法规标标准由标准化委员会组织制定，政府代表参与。标准是法规标准体系的技术基础，是法规得以实施的重要保证。无相应标准准体系的技术基础，是法规得

17、以实施的重要保证。无相应标准的，不得进行压力容器产品的设计和制造。的，不得进行压力容器产品的设计和制造。石油化工零部件标准1960年原化学工业部颁布钢制石油化工压力容器设计规定1977年原机械工业部、化学工业部、中国石化总公司颁布01GB15089钢制压力容器”全国压力容器标准化技术委员会“颁布GB1501998钢制压力容器修订我国已经颁布并实施了以我国已经颁布并实施了以GB150压力容器压力容器为核心的一系列压力容器基础标准、产品标准和零为核心的一系列压力容器基础标准、产品标准和零部件标准，并以此构成了压力容器标准体系的部件标准，并以此构成了压力容器标准体系的基本框架。基本框架。GB1502

18、011压力容器压力容器01这是中国的第这是中国的第1部压力容器国家标准，其基本思路与部压力容器国家标准，其基本思路与ASME 1相同，属常规设计标准。相同，属常规设计标准。适用于设计压力不大于适用于设计压力不大于35MPa的钢制压力容器的设计、的钢制压力容器的设计、制造、检验及验收。适用的设计温度范围根据钢材允许制造、检验及验收。适用的设计温度范围根据钢材允许的使用温度确定，从的使用温度确定，从-196到钢材的蠕变限用温度。到钢材的蠕变限用温度。GB150只适用于固定的承受恒定载荷的压力容器，不适只适用于固定的承受恒定载荷的压力容器，不适用于以下用于以下8种压力容器：种压力容器：l直接用火焰加

19、热的容器直接用火焰加热的容器l核能装置中的容器核能装置中的容器l经常搬运的容器经常搬运的容器l设计压力低于设计压力低于0.1MPa的容器的容器l真空度低于真空度低于0.02MPa的容器的容器l内直径小于内直径小于150mm的容器的容器l要求作疲劳分析的容器要求作疲劳分析的容器l旋转或往复运动的机械设备中旋转或往复运动的机械设备中自成整体或作为部件的受压器室自成整体或作为部件的受压器室(1) GB150(1) GB150压力容器压力容器01JB4732JB4732是我国第是我国第1 1部压力容器分析设计的行业标准，其基部压力容器分析设计的行业标准，其基本思路与本思路与ASME -2ASME -2

20、相同。相同。该标准与该标准与GB150同时实施，在满足各自要求的前提下，同时实施，在满足各自要求的前提下，设计者可选择其中之一使用，但不得混用。设计者可选择其中之一使用，但不得混用。与与GB150相比，相比，JB4732允许采用较高的设计应力强度，允许采用较高的设计应力强度，在相同设计条件下，容器的厚度可以减薄，重量可以减在相同设计条件下，容器的厚度可以减薄，重量可以减轻。一般推荐用于重量大、结构复杂、操作参数较高的轻。一般推荐用于重量大、结构复杂、操作参数较高的压力容器设计。压力容器设计。(2) JB4732(2) JB4732钢制压力容器钢制压力容器分析设计标准分析设计标准02 2.1 载

21、荷分析2.1.1 载荷2.1.2 载荷工况 2.2 回转薄壳应力分析2.2.1 薄壳圆筒的应力2.2.2 回转薄壳的无力矩理论2.2.3 无力矩理论的基本方程2.2.4 无力矩理论的应用2.2.5 回转薄壳的不连续分析 2.3 厚壁圆筒应力分析 2.4 平板应力分析022.1 载荷分析载荷（包括内压、外压或两者同时存在包括内压、外压或两者同时存在）均布于容器壳体，用均布于容器壳体，用表压表压表示。表示。压力p非压力载荷重力载荷重力载荷风载荷风载荷地震载荷地震载荷运输载荷运输载荷波动载荷波动载荷整体载荷局部载荷管系载荷管系载荷支座反力支座反力吊装力吊装力02容器正常操作时的载荷包括：设计压力容器

22、正常操作时的载荷包括：设计压力p、液体、液体静压力静压力gh、重力载荷、重力载荷mg(包括隔热材料、衬里、包括隔热材料、衬里、内件、物料、平台、梯子、管系及支承在容器上内件、物料、平台、梯子、管系及支承在容器上的其他设备重量的其他设备重量)、风载荷、风载荷Mw和地震载荷和地震载荷ME及其及其他操作时容器所承受的载荷。他操作时容器所承受的载荷。载荷工况有三种：正常、特殊、意外。02b. 特殊载荷工况制造完工的容器在制造厂进行制造完工的容器在制造厂进行压力试验压力试验时，载荷时，载荷一般包括试验压力一般包括试验压力pT、容器自身的重量、容器自身的重量、 液柱静液柱静压压gh 。开停工及检修开停工及

23、检修时的载荷主要包括风载荷、地震载时的载荷主要包括风载荷、地震载荷、容器自身重量，以及内件、平台、梯子、管荷、容器自身重量，以及内件、平台、梯子、管系及支承在容器上的其他设备重量。系及支承在容器上的其他设备重量。特殊载荷工况特殊载荷工况压力试验压力试验开停工及检修开停工及检修02c.意外载荷工况 紧急状况下容器的快速启动或突然停车、容器紧急状况下容器的快速启动或突然停车、容器内发生化学爆炸、容器周围的设备发生燃烧或爆内发生化学爆炸、容器周围的设备发生燃烧或爆炸等意外情况下，容器会受到炸等意外情况下，容器会受到爆炸载荷爆炸载荷、热冲击热冲击等意外载荷的作用。等意外载荷的作用。02壳体的厚度：壳体

24、的厚度：壳体两个曲面之间的距离，用壳体两个曲面之间的距离，用t表示。表示。壳体：壳体：以两个曲面为界，且曲面之间的距离远比其它方向尺寸小以两个曲面为界，且曲面之间的距离远比其它方向尺寸小得多的构件。压力容器多为回转壳体，如圆柱、球、椭圆、锥等得多的构件。压力容器多为回转壳体，如圆柱、球、椭圆、锥等壳体的中面：壳体的中面：与壳体两个曲面等距离的点所组成的曲面。与壳体两个曲面等距离的点所组成的曲面。薄壁圆柱壳（薄壁圆筒）：薄壁圆柱壳（薄壁圆筒）：比值比值K=Do/Di1.11.2的圆柱壳体。的圆柱壳体。薄壳：薄壳：壳体厚度壳体厚度t与其中面曲率半径与其中面曲率半径R的比值的比值 (t/R)max0

25、.1。02壳体材料连续、均匀、各向同性；壳体材料连续、均匀、各向同性；受载后的变形是弹性小变形；受载后的变形是弹性小变形；壳壁各层纤维在变形后互不挤压；壳壁各层纤维在变形后互不挤压；应力沿壁厚方向均匀分布。应力沿壁厚方向均匀分布。典型的薄壁圆筒tpD4tpD2202回转薄壳的几何要素回转薄壳的几何要素回转薄壳回转薄壳:中面由一条平面曲线或直线绕同平面内的轴线回转中面由一条平面曲线或直线绕同平面内的轴线回转360而成的薄壳。而成的薄壳。母线母线OAOA：绕轴线（回转轴绕轴线（回转轴OOOO）回转形成中面的平面曲线。）回转形成中面的平面曲线。极点O：中面与回转轴中面与回转轴OOOO的交点。的交点。

26、经线平面：通过回转轴通过回转轴OOOO的平面。的平面。经线：经线平面与中面的交线。经线平面与中面的交线。02平行圆：垂直于回转轴垂直于回转轴OO的平面与中面的交线。的平面与中面的交线。法线：过中面上的点且垂直于中面的直线。不同点有不同法过中面上的点且垂直于中面的直线。不同点有不同法线。法线必与回转轴线。法线必与回转轴OO相交。用相交。用K2表示交点。表示交点。第一主曲率半径第一主曲率半径R1：经线上考察点经线上考察点B的曲率半径（即的曲率半径（即K1B） ，K1为第一曲率为第一曲率 中心。中心。第二主曲率半径第二主曲率半径R2：纬线上点的曲率半径。等于考察点纬线上点的曲率半径。等于考察点B到到

27、K2之间长度（即之间长度（即K2B）。）。平行圆半径r：平行圆的半径。平行圆的半径。纬线：法线绕法线绕OO轴回转形成的锥面与中面的交线。轴回转形成的锥面与中面的交线。02r=R2sin为法线与为法线与oo轴的夹角轴的夹角同一点的同一点的R1与与R2都在该点的法线上。都在该点的法线上。半径之间的关系：半径之间的关系：02 (2) 无力矩理论与有力矩理论薄膜内力弯曲内力内力N、N、N、N横向剪力 Q、Q弯矩扭矩M 、 M、M、 M无力矩理论或无力矩理论或薄膜理论（静定）薄膜理论（静定）有力矩理论或有力矩理论或弯曲理论弯曲理论（静不定）（静不定）02tpRR2122sin2tRVmrprdrV020

28、2分析几种工程中典型回转薄壳的薄膜应力分析几种工程中典型回转薄壳的薄膜应力承受气体内压的回转薄壳储存液体的回转薄壳球形薄壳薄壁圆筒锥形壳体椭球形壳体圆筒形壳体球形壳体02 (1) 承受气体内压的回转薄壳承受气体内压的回转薄壳tpR22122RR适用于适用于仅承受气压的薄壳。仅承受气压的薄壳。02A、球形壳体、球形壳体tpR2B、薄壁圆筒、薄壁圆筒tpRtpR2,02C、锥形壳体、锥形壳体cos2cos222tprtprtpR锥顶锥顶r =0, =0；离锥顶越远应力越大，大端有；离锥顶越远应力越大，大端有max；任意；任意r 处都处都有有=2；当半锥角当半锥角 0 时，锥壳的应力时，锥壳的应力圆

29、筒的壳体应力。当圆筒的壳体应力。当 90时，锥体变成平板，应力时，锥体变成平板，应力 。02椭球壳中的应力随椭球壳中的应力随 a/b 的变化规律的变化规律D、椭球形壳体、椭球形壳体02在顶点处和赤道处大小相等但符号相反，即顶点处为在顶点处和赤道处大小相等但符号相反，即顶点处为pa/t，赤道上为，赤道上为-pa/t恒为拉应力，赤道处为恒为拉应力，赤道处为pa/2t，顶点处达最大值，顶点处达最大值pa/t标准椭圆形封头，标准椭圆形封头，a/b=2。其应力情况为：。其应力情况为：02 (2) 储存液体的回转薄壳储存液体的回转薄壳从无力矩理论两个从无力矩理论两个基本方程求解基本方程求解tpRR2122

30、sin2tRVmrprdrV0202A、圆筒形壳体、圆筒形壳体tpRR2122sin2tRVtpRRtV2关键关键将将 p、V 表示出来表示出来02 储存液体的圆筒壳储存液体的圆筒壳p0底部支承的密闭圆筒底部支承的密闭圆筒tRgxp)(0tRp2002B、球形壳体、球形壳体充满液体充满液体的球壳，支座的球壳，支座A-A处为处为0cos1cos21622tgRcos1cos25622tgR支座之上支座之上支座之下支座之下cos1cos2cos65622tgRcos1cos2cos61622tgR02h应力分布图应力分布图支座处有突变支座处有突变022sin32tgR支座处的应力需采用支座处的应力

31、需采用有力矩理论有力矩理论求解求解02 (3) 无力矩理论应用条件无力矩理论应用条件壳体的厚度、中面曲率和载荷连续，没有突变，且构成壳体壳体的厚度、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。的材料的物理性能相同。壳体的边界处不受横向剪力、弯矩和扭矩作用。壳体的边界处不受横向剪力、弯矩和扭矩作用。壳体的边界处的约束沿经线的切线方向，不得限制边界处的壳体的边界处的约束沿经线的切线方向，不得限制边界处的转角与挠度。转角与挠度。对很多实际问题：对很多实际问题：无力矩理论无力矩理论求解求解+ +有力矩理论有力矩理论修正修正02不连续效应不连续效应由于结构不连续，组合壳在连接处附近的局

32、由于结构不连续，组合壳在连接处附近的局部区域出现衰减很快的应力增大现象，称为部区域出现衰减很快的应力增大现象，称为“不连续效应不连续效应”或或“边缘效应边缘效应”。不连续应力不连续应力由边缘效应引起的局部应力称为由边缘效应引起的局部应力称为“不连续应不连续应力力”或或“边缘应力边缘应力”。不连续分析不连续分析分析组合壳不连续应力的方法，在工程上称分析组合壳不连续应力的方法，在工程上称为为“不连续分析不连续分析”。02 圆柱壳受边缘力和边缘力矩作用的弯曲解分析思路：分析思路：a. 基本微分方程b.微分方程通解c.由边界条件确定积分常数d.边缘内力e.边缘应力02 不连续应力的特性 局部性局部性自

33、限性自限性a.局部性不连续应力随着离边缘距离不连续应力随着离边缘距离x的增加而的增加而呈指数函数迅速衰减以至消失，这种性呈指数函数迅速衰减以至消失，这种性质称为不连续应力的质称为不连续应力的局部性局部性。当当x 时，可忽略边缘应力。时，可忽略边缘应力。tR25 . 202b.自限性不连续应力是由于连接边缘两部分的变形受到不连续应力是由于连接边缘两部分的变形受到弹性约束所致，当边缘出现屈服变形时，这种弹性约束所致，当边缘出现屈服变形时，这种弹性约束即自行缓解，变形不会连续发展，不弹性约束即自行缓解，变形不会连续发展，不连续应力也不再无限制地增加，这种性质称为连续应力也不再无限制地增加，这种性质称

34、为不连续应力的不连续应力的自限性自限性。02厚壁容器厚壁容器: :8个未知数，只有个未知数，只有2个平衡方程，属个平衡方程，属静不定静不定问题，问题， 需需补充几何方程和物理方程补充几何方程和物理方程来联立求解。来联立求解。三向应力状态三向应力状态)(;,rfrz 沿壁厚不均匀分布沿壁厚不均匀分布r,可能需考虑热应力可能需考虑热应力K=Do/Di1.11.2应力特点：应力特点：分析方法：分析方法：分析对象：分析对象：单层厚壁圆筒单层厚壁圆筒02求解远离两端处筒体的三向应力求解远离两端处筒体的三向应力一、压力载荷引起的弹性应力二、温度变化引起的弹性热应力02周向应力周向应力径向应力径向应力轴向应

35、力轴向应力112202KKpKpiz111222022KKKpKKprri111222022KKKpKKprrirLam（拉美）公式（拉美）公式02周向应力周向应力 及轴向应力及轴向应力 均为拉应力（正值），径向应力均为拉应力（正值），径向应力 为压应力（负值）。为压应力（负值）。rz在内压在内压pi作用下，筒壁中的应力分布规律作用下，筒壁中的应力分布规律周向应力在周向应力在内壁内壁达达最大最大，其值，其值为：为：1122maxKKpi122minKpi在在外壁外壁处减至处减至最小最小，其值为：，其值为：ipoi内外壁内外壁 之差为：之差为：02径向应力在内壁处为径向应力在内壁处为irip 在

36、外壁处减至在外壁处减至0rorz21 轴向应力沿壁厚均匀分布，轴向应力沿壁厚均匀分布，且为周向应力与径向应力和且为周向应力与径向应力和的一半，即的一半，即 和和 沿厚度的不均匀程沿厚度的不均匀程度与度与K有关，例如有关，例如r212Koi02 (2) 温度变化引起的弹性热应力温度变化引起的弹性热应力 热应力热应力 厚壁圆筒的热应力厚壁圆筒的热应力 内压与温差同时作用引起的弹性应力内压与温差同时作用引起的弹性应力 热应力的特点热应力的特点02周向热应力周向热应力径向热应力径向热应力轴向热应力轴向热应力11lnln1)1 (222KKKKtErrt11lnln)1 (222KKKKtErrtr12

37、lnln21)1 (22KKKtErtzioRRK rRKoroittt厚壁圆筒各处的厚壁圆筒各处的热应力热应力见表，见表，热应力分布热应力分布如图所示。如图所示。02总应力见总应力见表表，应力分布情况见，应力分布情况见图图。tzzz,t,trrr02热应力随约束程度的增大而增大热应力随约束程度的增大而增大 热应力是自平衡应力（热应力是自平衡应力（Self-balancing stress）热应力具有自限性，屈服流动或高温蠕变可降低热应力热应力具有自限性，屈服流动或高温蠕变可降低热应力02psiDCBApsopb内壁屈服整体屈服爆破psipsopb弹弹性性弹弹塑塑性性强强化化O近内壁处近内壁处

38、塑性区塑性区塑性区之外塑性区之外弹性区弹性区 处于弹塑性状态的厚壁圆筒处于弹塑性状态的厚壁圆筒内压内压pi、外压、外压pc； 半径半径Ri、Rc内压内压pc 、外压、外压0； 半径半径Rc、Ro弹性区弹性区塑性区塑性区02内压内压pi、外压、外压pc； 半径半径Ri、RciisrpRrln32 iispRrln132iiszpRrln213 02内压内压pc 、外压、外压0； 半径半径Rc、Ro222213rRRRoocsr222213rRRRoocs223ocszRR02 加载时的应力分布加载时的应力分布塑性区塑性区 弹塑性区的应力分布弹塑性区的应力分布弹性区弹性区sr02塑性区受压塑性区受

39、压弹性区受拉弹性区受拉当厚壁圆筒进入弹塑性状态后卸除内压当厚壁圆筒进入弹塑性状态后卸除内压pi残余应力残余应力使用前超压处理，使用前超压处理，pap卸载卸载pa后有残余应力后有残余应力工作时工作时pi70MPa,ASME采用采用04bbnpp bp：爆破压力：爆破压力bn：爆破安全系数：爆破安全系数meLeLbRRKRp2ln320 . 35 . 2bnp100MPa，中国，中国超高压容器安全监察规程超高压容器安全监察规程、日本、日本超高压圆筒容器设计规则超高压圆筒容器设计规则采用。采用。 044.3.1 概述概述4.3.2 内压内压圆筒设计圆筒设计4.3.9 压力试验压力试验4.3.3 内压

40、内压封头设计封头设计4.3.4 密封装置设计密封装置设计4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计4.3.6 支座和检查孔支座和检查孔4.3.7 安全泄放装置安全泄放装置4.3.8 焊接结构设计焊接结构设计04设计依据设计依据失效准则失效准则强度理论强度理论载载 荷荷静载，不考虑交变载荷静载，不考虑交变载荷薄壳无力矩理论、平板理论薄壳无力矩理论、平板理论弹性失效准则弹性失效准则第一、第三强度理论第一、第三强度理论04圆筒结构圆筒结构单层式单层式组合式组合式4.3.2.1 筒体结构筒体结构筒体强度设计筒体强度设计单层圆筒体单层圆筒体中径公式中径公式（薄壁薄壁筒体）筒体）多层厚壁圆筒多层厚壁

41、圆筒Mises屈服公式屈服公式（厚壁厚壁筒体）筒体）Faupel爆破公式爆破公式（厚壁厚壁筒体）筒体）4.3.2.2 内压圆筒的强度设计内压圆筒的强度设计(一一) 单层薄壁圆筒单层薄壁圆筒 eiewDtp2 cticpDp2 tDpeeic2(二二) 单层厚壁圆筒单层厚壁圆筒1、Mises屈服公式屈服公式) 1() 1(23pniissoeRKR2、Faupel爆破公式爆破公式1)2(23bssbpnieR(三三) 多层厚壁筒体多层厚壁筒体当当 pc 0.4t时，仍用薄壁计算式，即时，仍用薄壁计算式，即cticpDp2但式中的许用应力但式中的许用应力t 用用代替：代替： oonoiinittt

42、04设计技术参数设计压力设计压力 p设计温度设计温度 t 厚度厚度 及附加量及附加量 C焊接接头系数焊接接头系数 许用应力许用应力 t(1) 设计压力设计压力压力容器的设计载荷条件之一压力容器的设计载荷条件之一,其其值值不低于最高工作压力不低于最高工作压力pw。容器顶部在正常工作过程容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压中可能产生的最高表压p=(1.01.1) pwp=(1.05 1.1) pwp 爆破片最低标定爆破压爆破片最低标定爆破压psmin+ 制造范围下、上限制造范围下、上限 若有可靠的保冷措施，则按可能达到的最高金属温度确定；若有可靠的保冷措施，则按可能达到的最高金属温度确定；否

43、则按否则按5050时的饱和蒸汽压来确定。时的饱和蒸汽压来确定。 有安全泄放装置时，有安全泄放装置时，无安全泄放装置时，无安全泄放装置时，p=min(1.25p , 0.1 MPa)p= 0.1 MPa以两侧以两侧可能的最大压力差可能的最大压力差作为设计压力。作为设计压力。ghppc当其值当其值 5% p时时可忽略不计可忽略不计在相应设计温度下，用以确定元件最危险截面厚度在相应设计温度下，用以确定元件最危险截面厚度的压力，其中的压力，其中包括液柱静压力包括液柱静压力设计温度设计温度压力容器的设计载荷条件之一，指容器在正压力容器的设计载荷条件之一，指容器在正常情况下，设定元件的常情况下，设定元件的

44、金属温度金属温度（沿元件金属截面的温度（沿元件金属截面的温度平均值）平均值）金属温度金属温度 0时时设设计温度不得低于元件金属计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度；可能达到的最高温度；金属温度金属温度 0时时设设计温度不得高于元件金属计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。可能达到的最低温度。(3) 厚度及厚度附加量厚度及厚度附加量计算厚度（计算厚度（）按公式计算得到的厚度。按公式计算得到的厚度。设计厚度（设计厚度（d）d C2 C2 为腐蚀裕量为腐蚀裕量有效厚度（有效厚度（e）enC1C2， 多用于应力校多用于应力校核核名义厚度（名义厚度（n）n+C1+C2+圆整值，是图样上圆整值，是

45、图样上标注的厚度，标注的厚度， C1为钢板厚度负偏差为钢板厚度负偏差钢板或钢管厚度负偏差钢板或钢管厚度负偏差C1a、压力容器常用钢板、压力容器常用钢板Q245R、Q345R、16MnDR的的C1=0.3mm；厚度附加量（厚度附加量（C）C=C1+C2b、其它钢板的、其它钢板的C1见见GB/T 709 。c、钢管钢管的的C1 碳钢和低合金钢碳钢和低合金钢 n 20 mm时，时，C1=15%n n20 mm时，时，C1=12.5%n 不锈钢不锈钢 n 10 mm时，时，C1=15%n n1020 mm时，时，C1=20%nC2=KBa、无特殊腐蚀介质、无特殊腐蚀介质 碳素钢、低合金钢：碳素钢、低合

46、金钢： C21 mm；腐蚀裕量腐蚀裕量C2K腐蚀速率，腐蚀速率，mm/年年B容器设计寿命，年容器设计寿命，年b、轻微腐蚀性介质、轻微腐蚀性介质 不锈钢：不锈钢：C2=0c 、其它介质情况下、其它介质情况下 腐蚀程度腐蚀程度 无腐蚀无腐蚀 轻微腐蚀轻微腐蚀 腐蚀腐蚀 重腐蚀重腐蚀腐蚀速率腐蚀速率K,mm/年年 0.05 0.050.13 0.130.25 0.25C2,mm 0 1 2 3 为了满足安装、制造、运输等对刚度的要求为了满足安装、制造、运输等对刚度的要求碳素钢、低合金钢制容器：碳素钢、低合金钢制容器：min= 3 mm高合金钢制容器：高合金钢制容器： min= 2 mm最小厚度（最小

47、厚度（min）不包括腐蚀裕量不包括腐蚀裕量 (4) 焊接接头系数焊接接头系数焊接接头系数焊接接头系数焊缝金属与母材强度的比值，反映容器强度焊缝金属与母材强度的比值，反映容器强度受削弱的程度。受削弱的程度。1、焊接接头形式、焊接接头形式2、无损检测要求及长度比例、无损检测要求及长度比例焊接接头形式焊接接头形式无损检测比例无损检测比例值值示意图示意图双面对接焊双面对接焊 100%局部局部 1.0 0.85 带垫板单面对接焊带垫板单面对接焊100%局部局部 0.90 0.80(5) 许用应力许用应力：容器壳体、封头等受压元件的材料许用强度。容器壳体、封头等受压元件的材料许用强度。取材料强度失效判据的

48、极限值与相应的材料设取材料强度失效判据的极限值与相应的材料设计系数（又称安全系数）之比。计系数（又称安全系数）之比。 =材料强度指标材料强度指标/ /安全系数安全系数 1.01.51.51.52.7tntDteLeLmtRRRRR，min04(1) 压力试验的目的压力试验的目的a a、检查容器在超工作压力下的宏观强度。、检查容器在超工作压力下的宏观强度。图样上必须注明压力试验的种类、要求和试验压力值。图样上必须注明压力试验的种类、要求和试验压力值。b b、检查容器有无渗漏现象。、检查容器有无渗漏现象。c c、检查密封结构的密封性能。、检查密封结构的密封性能。04液压试验液压试验压力试验耐压试验

49、气密性试验气压试验气压试验04(2) (2) 试验压力及应力校核试验压力及应力校核a a、液压试验、液压试验试验压力试验压力tTpp25. 1应力校核应力校核eLeeiTTRDp9 . 02)(04b b、气压试验、气压试验试验压力试验压力内压容器内压容器应力校核应力校核tTpp.101eLeeiTTRDp8 . 02)(04c c、气密性试验、气密性试验规定：规定：介质为易燃或毒性程度为极度、高度危害或设计上不允介质为易燃或毒性程度为极度、高度危害或设计上不允许有微量泄漏（如真空度要求较高）的压力容器，必须许有微量泄漏（如真空度要求较高）的压力容器，必须在液压试验合格后进行在液压试验合格后进

50、行气密性试验。气密性试验。试验压力试验压力ppT04半球形封头半球形封头封头种类封头种类平平 盖盖椭圆形封头椭圆形封头凸形封头凸形封头锥形封头锥形封头 碟形封头碟形封头球冠形封头球冠形封头有折边有折边无折边无折边04 cticpDp4eitewDp404 cticpDKp5 . 02 eietwKDp5 . 0204 cticpDp5 . 02标准椭圆封头标准椭圆封头04 cticpRMp5 . 02 eietwMRp5.0204标准碟形封头标准碟形封头 cticpDp5 . 022 . 1043045304504(1) (1) 受内压无折边锥壳受内压无折边锥壳 cos12ctcccpDpa.

51、a.锥壳厚度锥壳厚度3004b.b.锥壳大端锥壳大端 cticrpDQp2Q应力增值系数，查图应力增值系数，查图4-20。0430 cos12ctcccpDpa.a.锥壳厚度锥壳厚度04 cticpDfp5 . 0f系数，查表系数，查表4-7b.b.锥壳大端锥壳大端 cticpDKp5 . 02K系数，查表系数，查表4-604 tccpKpDK结构特征系数，查表结构特征系数，查表4-8。Dc计算直径，见表计算直径，见表4-8。04表中的平盖：表中的平盖： tcpKZpaZ形状系数；形状系数；表中的平盖：表中的平盖： tcpKpa04螺栓法兰连接螺栓法兰连接螺纹连接螺纹连接承插式连接承插式连接可

52、拆密封装置三要素三要素螺栓螺母、垫片、法兰螺栓螺母、垫片、法兰基本要求基本要求紧密不漏或泄漏量小；紧密不漏或泄漏量小；强度足够强度足够04密封机理及分类密封机理及分类影响密封性能的主要因素影响密封性能的主要因素螺栓法兰连接设计螺栓法兰连接设计高压密封设计高压密封设计04(1) 密封机理密封机理界面泄漏界面泄漏渗透泄漏渗透泄漏泄漏途径泄漏途径04密封机理密封机理（a a）未预紧）未预紧（c c）操作）操作（b b）预紧）预紧压紧面是凹凸不平的。压紧面是凹凸不平的。压紧面压紧面法兰与垫法兰与垫片的接触面。片的接触面。垫片产生塑性变形，填满垫片产生塑性变形，填满凹凸不平处，堵塞泄漏通凹凸不平处，堵塞

53、泄漏通道，形成道，形成初始密封初始密封条件。条件。压力上升压力上升,螺栓伸长，螺栓伸长，垫片回弹，压紧面保垫片回弹，压紧面保留一定压应力，维持留一定压应力，维持密封密封。04预紧比压预紧比压预紧预紧(无内压无内压)时形成初始密封条件的垫时形成初始密封条件的垫片单位面积上所需的最小压紧力，称为片单位面积上所需的最小压紧力，称为“垫片比压力垫片比压力”，用，用y表示表示，也称预紧密，也称预紧密封比压，单位为封比压，单位为MPa。在预紧工况下，。在预紧工况下，若垫片单位面积上所受的压紧力小于比若垫片单位面积上所受的压紧力小于比压力压力y，介质即发生泄漏。，介质即发生泄漏。04垫片系数垫片系数 工作时

54、，为保证密封性能，垫片上必须维持工作时，为保证密封性能，垫片上必须维持一定的操作密封比压一定的操作密封比压q， q 与介质计算压力与介质计算压力pc的的比值，称为比值，称为垫片系数垫片系数m。cqpm04结论结论保证密封的两个条件：保证密封的两个条件：y0预紧预紧(无内压无内压)时，比压时，比压 ；cqmp工作工作(有内压有内压)时，比压时，比压 ；04(2) 密封分类密封分类半自紧式密封半自紧式密封强制密封强制密封自紧密封自紧密封中低压密封中低压密封高压密封高压密封密封分类密封分类按获得密封比压按获得密封比压力方法的不同力方法的不同按被密封介质的按被密封介质的压力大小压力大小04压紧面的质量

55、压紧面的质量螺栓预紧力螺栓预紧力垫片性能垫片性能法兰刚度法兰刚度操作条件操作条件预紧力应适当、均匀预紧力应适当、均匀垫片变形能力和回弹能力垫片变形能力和回弹能力形状和粗糙度形状和粗糙度足够的刚度足够的刚度压力、温度、介质等压力、温度、介质等04法兰结构类型及标准非标法兰设计简介法兰密封面和垫片的选择044.3.4.3.1 法兰结构类型及标准法兰结构类型及标准窄面法兰窄面法兰宽面法兰宽面法兰容器法兰标准容器法兰标准容器法兰容器法兰垫片的接触面分布于螺垫片的接触面分布于螺栓孔中心圆内外两侧栓孔中心圆内外两侧垫片的接触面位于螺栓孔垫片的接触面位于螺栓孔圆周范围内圆周范围内管法兰管法兰管法兰标准管法兰

56、标准 法兰的基本结构形式按组成法兰的圆筒、法兰环、锥颈三部法兰的基本结构形式按组成法兰的圆筒、法兰环、锥颈三部分的分的整体性程度整体性程度分为：分为：松式法兰松式法兰,整体法兰整体法兰,任意式法兰任意式法兰按接触面分为按应用场合分为04分 类(2)(2)法兰标准法兰标准相同公称直径、公称压力的管法兰与容器法兰相同公称直径、公称压力的管法兰与容器法兰的连接尺寸各不相同，二者不能相互套用。的连接尺寸各不相同，二者不能相互套用。公称压力pN和公称直径DN管法兰、容器法兰管法兰、容器法兰选择参数04容器和管道标准化后的尺寸系列。容器和管道标准化后的尺寸系列。压力容器压力容器管子、管件管子、管件例如：例

57、如：DN100的无缝钢管，有的无缝钢管，有1084、1084.5、1085等等规格规格DN=DiDNdo di容器和管道的标准化压力等级。容器和管道的标准化压力等级。04体系我国及欧洲体系（我国及欧洲体系（SI制）：制）：0.1、0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.3、6.4、10.0、16.0、25.0 MPa美洲体系（美洲体系（SI制）：制）：2.0、5.0、11.0、15.0、26.0、42.0 MPaClass制：制：150、300、600、900、1500、2500只要法兰的公称直径、公称压力确定了，法兰的只要法兰的公称直径、公称压力确定了，法兰的尺寸也就确定了。尺

58、寸也就确定了。04内容包括内容包括：甲型平焊法兰、乙型平焊法兰和长颈对焊法兰等：甲型平焊法兰、乙型平焊法兰和长颈对焊法兰等三种法兰的分类、技术条件、结构形式和尺寸，三种法兰的分类、技术条件、结构形式和尺寸，以及相关垫片、螺栓型式等。以及相关垫片、螺栓型式等。压力容器法兰压力容器法兰公称压力范围公称压力范围为为0.256.4 MPa，公称直径为公称直径为3003000 mm。04 管法兰标准管法兰标准国家标准国家标准 GB9112GB911291259125钢制管法兰钢制管法兰机械行业标准机械行业标准 JB/T 74JB/T 749090管路法兰和垫片管路法兰和垫片化工行业标准化工行业标准 HG

59、/THG/T 20592205922063520635钢制管法兰、钢制管法兰、垫片、紧固件垫片、紧固件（包括欧洲体系和美洲体系）（包括欧洲体系和美洲体系）04 标准法兰的选用标准法兰的选用根据容器（管道）的公称直径、公根据容器（管道）的公称直径、公称压力、工作温度、工作介质特性称压力、工作温度、工作介质特性以及法兰材料进行选用。以及法兰材料进行选用。044.3.4.3.2 法兰密封面和垫片的选择法兰密封面和垫片的选择螺栓法兰连接设计关键要解决两个问题保证连接处保证连接处“紧密不漏紧密不漏”法兰具有足够的强度法兰具有足够的强度压紧面压紧面垫片垫片密封性能密封性能实际应用中主要是泄漏。实际应用中主

60、要是泄漏。04（1 1） 法兰压紧面的选择法兰压紧面的选择全平面（全平面（FF）压紧面主要根据压紧面主要根据工艺条件、密封口径工艺条件、密封口径以及以及垫片垫片等进行选择。等进行选择。形 式突突 面（面（RF）凹凸面（凹凸面（FM M）环连接面（环连接面（T型槽）型槽）榫槽面（榫槽面（T G）最常用的类型最常用的类型04（2 2） 垫片的选择垫片的选择选择依据基本要求压力、温度、介压力、温度、介质腐蚀性、压紧质腐蚀性、压紧面形状，兼顾价面形状，兼顾价格、制造、更换格、制造、更换是否方便等因素是否方便等因素不污染工作介质、不污染工作介质、耐腐蚀、具有良好耐腐蚀、具有良好的变形能力和回弹的变形能力