化工设备机械基础-总复习

1、化工设备机械基础化工设备机械基础第一章第一章 静力分析静力分析第二章第二章 直杆的拉伸与压缩直杆的拉伸与压缩第三章第三章 直梁的弯曲直梁的弯曲第四章第四章 应力状态与强度理论应力状态与强度理论第五章第五章 化工设备用材料化工设备用材料第六章第六章 化工设备设计概论化工设备设计概论第七章第七章 内压薄壁容器的应力分析内压薄壁容器的应力分析第八章第八章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计内压薄壁圆筒与封头的强度设计第九章第九章 外压薄壁圆筒与封头的设计外压薄壁圆筒与封头的设计第十章第十章 容器零部件容器零部件第十一章第十一章 塔设备设计塔设备设计第一章第一章 静力分析（刚体）静力分析（刚体）l1.力的概

2、念及性质：力的概念及性质：l力：物体之间的相互机械作用力：物体之间的相互机械作用；效应效应：运动状态发生改变；运动状态发生改变；产生变形产生变形。l力的成对性力的成对性( (作用力与反作用力作用力与反作用力) )；二力平衡条件；二力平衡条件（二力构（二力构件及二力杆）件及二力杆）；力的可传性；力的可传性； 力的可合性和可分解性力的可合性和可分解性（三（三力汇交平衡定理）力汇交平衡定理）；l2.约束与约束反力约束与约束反力l柔软体、光滑面、圆柱铰链支座（固定，活动）、固定端柔软体、光滑面、圆柱铰链支座（固定，活动）、固定端l3.受力图受力图l取分离体取分离体(分析对象分析对象)，解除约束，在被约

3、束处代之以约束，解除约束，在被约束处代之以约束反力；画上主动力。反力；画上主动力。第一章第一章 静力分析（刚体）静力分析（刚体）l4.平面汇交力系的平衡条件平面汇交力系的平衡条件解析法解析法l4.1 合力投影定理：合力投影定理：力系的合力在某一轴上的投影，等于该力系中的力系的合力在某一轴上的投影，等于该力系中的各力在同一轴上投影的代数和。各力在同一轴上投影的代数和。 l4.2 平面汇交力系平衡的充要条件是合力为零平面汇交力系平衡的充要条件是合力为零： Fx=0 & Fy =0l4.3 平面汇交力系平衡问题的求解步骤：平面汇交力系平衡问题的求解步骤：l 根据题意，选取适当的构件作为研究对

4、象，并解除约束，使之成根据题意，选取适当的构件作为研究对象，并解除约束，使之成为分离体，分离体可以为一个构件，也可以是几个构件的组合，甚为分离体，分离体可以为一个构件，也可以是几个构件的组合，甚至是整个物体。至是整个物体。l 对分离体进行受力分析，正确画出受力图。对分离体进行受力分析，正确画出受力图。【注意【注意】根据约束的性质确定约束反力的方向，若约束反力的指向预先不能根据约束的性质确定约束反力的方向，若约束反力的指向预先不能确定可以任意假定，然后再根据计算结果的正或负值，确定约束反力的实际确定可以任意假定，然后再根据计算结果的正或负值，确定约束反力的实际指向，要会判断，要注意作用力与反作用

5、力的关系，会正确运用三力平衡汇指向，要会判断，要注意作用力与反作用力的关系，会正确运用三力平衡汇交定理。交定理。l 建立坐标系，列平衡方程。建立坐标系，列平衡方程。坐标轴选取时应使投影计算方便，一般应使坐标轴与较多的力平行或垂直。坐标轴选取时应使投影计算方便，一般应使坐标轴与较多的力平行或垂直。平衡方程最好只含一个未知量，以避免解联立方程。平衡方程最好只含一个未知量，以避免解联立方程。 第一章第一章 静力分析（刚体）静力分析（刚体）l5.平面力偶系的合成与平衡条件平面力偶系的合成与平衡条件l力矩：力矩：度量力转动效应的物理量度量力转动效应的物理量；符号规定；符号规定（逆时针：正）（逆时针：正）

6、l力偶：力偶：大小相等、方向相反、作用线不重合的两平行力组成的力系大小相等、方向相反、作用线不重合的两平行力组成的力系l力偶矩：力偶矩：力力F和力偶臂的乘积和力偶臂的乘积Fh来度量力偶引起的转动效应来度量力偶引起的转动效应l力偶性质：力偶性质：无合力无合力、转动效应与矩心位置无关转动效应与矩心位置无关、等效性；等效性；l平面力偶系合成平面力偶系合成：一平面内的多个力偶可以合成为一个合力偶，其一平面内的多个力偶可以合成为一个合力偶，其合力偶矩等于原力偶系中各力偶矩的代数和合力偶矩等于原力偶系中各力偶矩的代数和；l平衡条件：平衡条件：力偶系中各力偶矩的代数和等于零力偶系中各力偶矩的代数和等于零 m

7、i =0第一章第一章 静力分析（刚体）静力分析（刚体）l6.平面一般力系的合成与平衡条件平面一般力系的合成与平衡条件l力的平移定理力的平移定理：作用在物体上某点的力，可以平行移动到作用在物体上某点的力，可以平行移动到该物体上的任意一点该物体上的任意一点A，但必须同时附加一个力偶，这个，但必须同时附加一个力偶，这个附加力偶的力偶矩等于原力对点附加力偶的力偶矩等于原力对点A之矩。之矩。l平衡条件：平衡条件：主矢和力系对其作用面内任一点的主矩均为零主矢和力系对其作用面内任一点的主矩均为零 l基本形式：基本形式：Fx=0，Fy=0，Mo(F)=0l二矩式方程：二矩式方程：Fx=0，MA=0，MB=0注

8、意注意A、B是平面内的任意两个点，但是平面内的任意两个点，但A、B两点的连线不能两点的连线不能垂直于垂直于x轴。轴。l三矩式方程：三矩式方程： MA=0，MB=0，MC=0注意注意 A、B、C是平面内不共线的三个任意点。是平面内不共线的三个任意点。第一章第一章 静力分析（刚体）静力分析（刚体）l例题例题图示结构由曲梁图示结构由曲梁ABCDABCD及杆及杆CECE、BEBE和和GEGE构成，构成，A A、B B、C C、E E、G G均为铰接。已知均为铰接。已知F=20kNF=20kN，均布载荷，均布载荷q=10kNq=10kNm m，M=20kNmM=20kNm，a=2ma=2m。试求。试求A

9、 A、G G处的反力及杆处的反力及杆BEBE、CECE所受之力。所受之力。AGEBCDFMqaaaa分析：分析：未知数与平衡方程数未知数与平衡方程数BE与与CE为二力杆为二力杆第一章第一章 静力分析（刚体）静力分析（刚体）l解解: :l(1)(1)分别取分别取ABCDABCD与与GEGE为分离体，画出图示受为分离体，画出图示受力图；力图；l(2)(2)列平衡方程：列平衡方程：lMA=0 lMG=0 l联立方程组求解可得联立方程组求解可得BE、CE受力受力l构件构件ABCDABCD列力平衡方程可求列力平衡方程可求A A点约束反力点约束反力lFx=0 lFy=0 l构件构件GEGE列力平衡方程可求

10、列力平衡方程可求G G点约束反力点约束反力lFx=0 lFy=0 AGEBCDFMqNBENBENCENCENGyNAyNGxNAx第二章第二章 拉伸与压缩拉伸与压缩(变形体杆变形体杆)l1.杆件的基本变形杆件的基本变形l拉伸或压缩拉伸或压缩 、弯曲、剪切、弯曲、剪切、 扭转扭转l2.内力的概念内力的概念l工程力学上把构件不受外力作用时的内力看作是零，而把外力工程力学上把构件不受外力作用时的内力看作是零，而把外力作用后引起的作用后引起的内力变化量内力变化量（附加内力）。内力可以是力，也可（附加内力）。内力可以是力，也可以是力偶。以是力偶。 l截面法求内力截面法求内力l 在所求内力的截面处，假想

11、地用一平面将杆件切成两段；在所求内力的截面处，假想地用一平面将杆件切成两段；l 取任一段为研究对象，而把另一段对该段的作用以内力代替，取任一段为研究对象，而把另一段对该段的作用以内力代替，并在截面上画出，使其与作用在该段上的外力相平衡；并在截面上画出，使其与作用在该段上的外力相平衡；l 利用静力平衡方程求解内力。利用静力平衡方程求解内力。l 画轴力图画轴力图第二章第二章 拉伸与压缩拉伸与压缩(变形体杆变形体杆)l3.轴向拉压时的应力轴向拉压时的应力l应力：应力：就是指作用在单位面积上的内力值，它表示内力在某点处就是指作用在单位面积上的内力值，它表示内力在某点处的集度。（的集度。（Nm2）帕）帕

12、(Pa)、兆帕（、兆帕（MPa） l正应力正应力：垂直于横截面的应力分量，用：垂直于横截面的应力分量，用表示；表示；拉为正拉为正l剪应力剪应力：平行于横截面的应力分量，用：平行于横截面的应力分量，用表示。表示。顺时针为正顺时针为正l4. 拉压时的强度条件拉压时的强度条件l 强度校核强度校核l设计截面尺寸设计截面尺寸l确定许可载荷确定许可载荷ANmaxANNAAN第二章第二章 拉伸与压缩拉伸与压缩(变形体杆变形体杆)l5. 虎克定律虎克定律l基本形式基本形式：直杆受轴向拉伸或压缩时，若其横截面上的应力未超：直杆受轴向拉伸或压缩时，若其横截面上的应力未超过某一限度时，则纵向应变与正应力成正比过某一

13、限度时，则纵向应变与正应力成正比 =E=E l导出形式导出形式：弹性范围内，直杆受轴向拉伸或压缩时，则直杆的绝：弹性范围内，直杆受轴向拉伸或压缩时，则直杆的绝对变形与轴力及杆长成正比，而与杆的横截面面积对变形与轴力及杆长成正比，而与杆的横截面面积A成反比。成反比。EANll 第二章第二章 拉伸与压缩拉伸与压缩(变形体杆变形体杆)l6. 低碳钢拉伸机械性能曲线低碳钢拉伸机械性能曲线l弹性阶段：弹性阶段：l比例极限比例极限p ；弹性极限弹性极限e l屈服阶段：屈服阶段：屈服极限，屈服极限，s l强化阶段：强化阶段：强度极限强度极限b l颈缩阶段颈缩阶段 l7. 低碳钢主要机械性能低碳钢主要机械性能

14、l强度指标强度指标l屈服极限屈服极限sl强度极限强度极限bl弹性指标：弹性指标：El塑性指标塑性指标l材料的延伸率材料的延伸率 l断面收缩率断面收缩率 %100ll%100AAA1第三章第三章 弯曲弯曲( (梁梁) )l1. 平面弯曲平面弯曲l定义：定义：梁上所有外力和外力偶均作用在由梁对称轴和梁的梁上所有外力和外力偶均作用在由梁对称轴和梁的轴线组成的对称平面内，则梁变形时，它的轴线将在此纵轴线组成的对称平面内，则梁变形时，它的轴线将在此纵向对称平面内弯曲成一条曲线。向对称平面内弯曲成一条曲线。l梁的载荷种类梁的载荷种类l集中载荷集中载荷Q l分布载荷分布载荷 ql集中力偶集中力偶 Ml梁的分

15、类梁的分类l简支梁：简支梁：一端为固定铰链支座，另一端为活动铰链支座的梁。一端为固定铰链支座，另一端为活动铰链支座的梁。l外伸梁：外伸梁：简支梁的一端或两端伸出支座以外的梁简支梁的一端或两端伸出支座以外的梁l悬臂梁：悬臂梁：一端固定，另一端自由的梁称为悬臂梁。一端固定，另一端自由的梁称为悬臂梁。第三章第三章 弯曲弯曲( (梁梁) )l2. 梁的内力梁的内力l剪力：剪力：截面被剪断的趋势截面被剪断的趋势，剪力大小等于这个截面之左（或右）所有，剪力大小等于这个截面之左（或右）所有外力的代数和；外力的代数和；l弯矩：弯矩：梁的横截面产生转动而弯曲的趋势，梁的横截面产生转动而弯曲的趋势，梁的任一截面之

16、左（或右）梁的任一截面之左（或右）所有外力（包括力偶）对该截面形心之矩的代数和。所有外力（包括力偶）对该截面形心之矩的代数和。l【重点强调【重点强调】一般在所求内力的横截面上把内力（一般在所求内力的横截面上把内力（Q、M）假设为正号）假设为正号。如果计算结果为正值，则表示假设的内力方向（转向）是正确的，求如果计算结果为正值，则表示假设的内力方向（转向）是正确的，求得的得的Q、M即为正的剪力和正的弯矩。即为正的剪力和正的弯矩。第三章第三章 弯曲弯曲( (梁梁) )l典型力学参量中的符号规定典型力学参量中的符号规定第三章第三章 弯曲弯曲( (梁梁) )l3. 梁的剪力图与弯矩图梁的剪力图与弯矩图l

17、剪力图剪力图：描绘剪力：描绘剪力Q沿梁轴线沿梁轴线x变化规律的图形；变化规律的图形；l弯矩图弯矩图：描绘弯矩：描绘弯矩M沿梁轴线沿梁轴线x变化规律的图形。变化规律的图形。l剪力图与弯矩图的做法剪力图与弯矩图的做法：l求梁的支座反力；求梁的支座反力；l分段列出剪力方程和弯矩方程；分段列出剪力方程和弯矩方程；l画图：选择适当的比例尺，以横截面位置画图：选择适当的比例尺，以横截面位置x为横坐标，以剪力为横坐标，以剪力Q或弯或弯矩矩M为纵坐标，按所列方程分段画出为纵坐标，按所列方程分段画出Q图或图或M图。图。l规定规定一般将正的剪力或正的弯矩画在一般将正的剪力或正的弯矩画在x轴的上方，负的剪力或负的轴

18、的上方，负的剪力或负的弯矩画在弯矩画在x轴的下方。轴的下方。第三章第三章 弯曲弯曲( (梁梁) )l例题例题已知梁的载荷已知梁的载荷F=10kNF=10kN，q=10kNq=10kNm m，b=1mb=1m，a=0.4ma=0.4m，列出梁的剪力、弯矩方程，列出梁的剪力、弯矩方程，并做出剪力、弯矩图。并做出剪力、弯矩图。 l解：解： 画受力图，列平衡方程，求支反力；画受力图，列平衡方程，求支反力；lN NB B=1kN=1kNlNc=19 kNNc=19 kNl 利用截面法分别列出利用截面法分别列出ACAC、CBCB段的剪力和弯段的剪力和弯矩方程；矩方程；lACAC段：段：Q(X)=-10Q(

19、X)=-10l M(X)=-10X (0X0.4) M(X)=-10X (0X0.4)lCBCB段：段：Q(X)=13-10XQ(X)=13-10Xl M(X)=-5X M(X)=-5X2 2 + 13X - 8.4 (0.4X1.4)+ 13X - 8.4 (0.4686)(HBW686)，是一种较粗而硬的组织。，是一种较粗而硬的组织。l(6)(6)马氏体马氏体(M)(M)l钢和铁从高温奥氏体状态急冷钢和铁从高温奥氏体状态急冷( (淬火淬火) )下来，得到一种碳原下来，得到一种碳原子在子在-Fe-Fe铁中铁中过饱和的固溶体过饱和的固溶体，称为马氏体，以，称为马氏体，以M M表示。表示。马氏体

20、组织有很高的硬度，而且硬度随着含碳量的增大而马氏体组织有很高的硬度，而且硬度随着含碳量的增大而提高。马氏体很脆，延展性很低，几乎不能承受冲击载荷。提高。马氏体很脆，延展性很低，几乎不能承受冲击载荷。马氏体由于碳原子过饱和，所以不稳定，加热后容易分解马氏体由于碳原子过饱和，所以不稳定，加热后容易分解或转变为其他组织。或转变为其他组织。3.钢铁的组织结构及热处理钢铁的组织结构及热处理l3.2 3.2 铁碳合金相图铁碳合金相图l铁碳合金状态图是描绘铁碳合金内部组织、成分铁碳合金状态图是描绘铁碳合金内部组织、成分( (含碳量含碳量) )与温与温度关系的图形。它能显示出不同含碳量的钢和铸铁在缓慢加热度关

21、系的图形。它能显示出不同含碳量的钢和铸铁在缓慢加热或冷却过程中组织变化的规律，是研究钢铁组织与性能的基础。或冷却过程中组织变化的规律，是研究钢铁组织与性能的基础。3.钢铁的组织结构及热处理钢铁的组织结构及热处理l3.3 3.3 钢的热处理钢的热处理l钢铁在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式，以改变其组织，满钢铁在固态下通过加热、保温和不同的冷却方式，以改变其组织，满足所要求的物理、化学与力学性能，这样的加工工艺称为热处理。足所要求的物理、化学与力学性能，这样的加工工艺称为热处理。l退火：退火：是把工件加热到一定温度，保温一段时间，然后随炉一起缓是把工件加热到一定温度，保温一段时间，然后随炉一

22、起缓慢冷却下来，以得到接近平衡状态组织慢冷却下来，以得到接近平衡状态组织（压力容器制造完成后常用来（压力容器制造完成后常用来消除焊接残余应力）消除焊接残余应力）l正火正火：正火是将工件加热至临界点以上正火是将工件加热至临界点以上30305050，并保温一段时间，并保温一段时间，然后将工件从炉中取出置于空气中冷却下来。正火的冷却速度要比退然后将工件从炉中取出置于空气中冷却下来。正火的冷却速度要比退火的快一些，因而晶粒更细化。火的快一些，因而晶粒更细化。 l【说明【说明】退火和正火的作用相似，可以降低硬度，提高塑性；调退火和正火的作用相似，可以降低硬度，提高塑性；调整组织，部分改善力学性能；使组织

23、均匀化，消除部分内应力。整组织，部分改善力学性能；使组织均匀化，消除部分内应力。 l淬火：淬火：淬火是将钢加热至淬火温度临界点以上淬火是将钢加热至淬火温度临界点以上3050，并保温，并保温一定时间，然后在淬火剂中冷却以得到马氏体组织的热处理工艺。一定时间，然后在淬火剂中冷却以得到马氏体组织的热处理工艺。 l回火：回火：回火是在零件淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却处理回火是在零件淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却处理工艺。工艺。第六章第六章 化工设备设计概述化工设备设计概述l1. 容器的分类容器的分类l按容器的作用原理按容器的作用原理l 反应设备反应设备l 换热设备换热设备l 分离设备分离

24、设备l 贮运设备贮运设备l按承压高低分类按承压高低分类l常压容器：常压容器：p 0.1 MPal低压容器：低压容器：0.1p 1.6 MPal中压容器：中压容器：1.6p 10 MPal高压容器：高压容器：10p 100 MPal超高压容器：超高压容器：100 MPa pl按综合安全管理分类按综合安全管理分类 lI类容器类容器II类容器类容器III类容器类容器 第六章第六章 化工设备设计概述化工设备设计概述l2. 我国压力容器设计常用的法规和标准我国压力容器设计常用的法规和标准l特种设备安全监察条例特种设备安全监察条例20032003年国务院颁布实施年国务院颁布实施l压力容器安全技术压力容器安

25、全技术监察监察规程规程19991999版版l钢制压力容器钢制压力容器GB150G钢制化工容器制造技术条件钢制化工容器制造技术条件l3. 容器机械设计的基本要求容器机械设计的基本要求 l强度强度、 刚度刚度、 稳定性稳定性、 耐久性耐久性、 密封性密封性、 节省材料和便于制造节省材料和便于制造、方便操作方便操作和便于运输、技术经济指标合理和便于运输、技术经济指标合理l4. 容器零部件的标准化容器零部件的标准化l公称直径公称直径l钢板卷制的筒体和成形封头：钢板卷制的筒体和成形封头：公称直径是指它们的内径；公称直径是指它们的内径；l无缝钢管作筒体和封头：无缝钢管作筒体和封头

26、：容器的公称直径是指无缝钢管的外径容器的公称直径是指无缝钢管的外径l钢管：钢管：公称直径既不是它的内径，也不是外径，而是小于管子外径的公称直径既不是它的内径，也不是外径，而是小于管子外径的一个数值。一个数值。 l公称压力公称压力：规定的标准压力等级规定的标准压力等级l0.1、0.25、0.4、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.4 第七章第七章 内压薄壁容器的应力分析内压薄壁容器的应力分析l1. 内压薄壁圆筒的应力分析内压薄壁圆筒的应力分析l薄壁容器薄壁容器：S/DS/Di i0.10.1或或K=DK=DO O/D/Di i1.21.2l环向应力：环向应力：当其承受内压力当其承受内压力

27、P作用以后，其直径要稍微增作用以后，其直径要稍微增大，故筒壁内的大，故筒壁内的“环向纤维环向纤维”要伸长，因此在筒体的纵向要伸长，因此在筒体的纵向截面上必定有应力产生，此应力称为环向应力，以截面上必定有应力产生，此应力称为环向应力，以表示。表示。l经向经向( (轴向轴向) )应力：应力：容器两端是封闭的，在承受内压后，筒容器两端是封闭的，在承受内压后，筒体的体的“纵向纤维纵向纤维”也要伸长，则筒体横向截面内也必定有也要伸长，则筒体横向截面内也必定有应力产生，此应力称为经向（轴向）应力，以应力产生，此应力称为经向（轴向）应力，以m表示。表示。 第七章第七章 内压薄壁容器的应力分析内压薄壁容器的应

28、力分析l2. 回转壳体的应力分析回转壳体的应力分析l2.1 基本概念基本概念l回转壳体、轴对称、回转壳体、轴对称、中间面、中间面、母线、母线、经线、法线、纬线经线、法线、纬线l第一曲率半径第一曲率半径：中间面上任一点：中间面上任一点M M处经线的曲率半径，处经线的曲率半径，R Rl lMKMK1 1。l第二曲率半径第二曲率半径：过经线上一点：过经线上一点M M的法线作垂直于经线的平面与中间的法线作垂直于经线的平面与中间面相割形成的曲线面相割形成的曲线MEME，此曲线在，此曲线在M M点处的曲率半径称为该点的第二点处的曲率半径称为该点的第二曲率半径曲率半径R R2 2。第二曲率半径的中心第二曲率

29、半径的中心K K2 2落在回转轴上，落在回转轴上，R R2 2=MK=MK2 2。 第七章第七章 内压薄壁容器的应力分析内压薄壁容器的应力分析l2. 回转壳体的应力分析回转壳体的应力分析l2.1 基本概念基本概念（下列各图指定点的第一、二曲率半径）（下列各图指定点的第一、二曲率半径） ABr第七章第七章 内压薄壁容器的应力分析内压薄壁容器的应力分析l2. 回转壳体的应力分析回转壳体的应力分析l2.2 基本假设基本假设l 小位移假设：小位移假设：壳体受力以后，各点的位移都远小于壁厚。壳体壳体受力以后，各点的位移都远小于壁厚。壳体变形后可以用变形前的尺寸来代替。变形分析中的高阶微量可以忽变形后可以

30、用变形前的尺寸来代替。变形分析中的高阶微量可以忽略不计。略不计。l 直法线假设：直法线假设：壳体在变形前垂直于中间面的直线段，在变形后壳体在变形前垂直于中间面的直线段，在变形后仍保持直线，并垂直于变形后的中间面。变形前后的法向线段长度仍保持直线，并垂直于变形后的中间面。变形前后的法向线段长度不变，沿厚度各点的法向位移均相同，变形前后壳体壁厚不变。不变，沿厚度各点的法向位移均相同，变形前后壳体壁厚不变。l 不挤压假设：不挤压假设：壳体各层纤维变形前后相互不挤压。壳壁法向壳体各层纤维变形前后相互不挤压。壳壁法向（半径方向）的应力与壳壁其他应力分量比较是可以忽略的微小量，（半径方向）的应力与壳壁其他

31、应力分量比较是可以忽略的微小量，其结果就变为平面问题。其结果就变为平面问题。 第七章第七章 内压薄壁容器的应力分析内压薄壁容器的应力分析l2. 回转壳体的应力分析回转壳体的应力分析l2.3 2.3 区域平衡方程式区域平衡方程式( (经向应力经向应力) ) l2.4 2.4 微体平衡方程式微体平衡方程式( (环向应力环向应力) )l2.5 2.5 薄膜理论的适用条件：薄膜理论的适用条件：壳体是轴对称的，即几何形状、壳体是轴对称的，即几何形状、材料、载荷的对称性和连续性，同时需保证壳体应具有自由边材料、载荷的对称性和连续性，同时需保证壳体应具有自由边缘。缘。 Sp2R2mSRR21mp第七章第七章

32、 内压薄壁容器的应力分析内压薄壁容器的应力分析l3. 薄膜理论的应用薄膜理论的应用l3.1受气体内压的圆筒形壳体受气体内压的圆筒形壳体l3.2 受气体内压的球形壳体受气体内压的球形壳体 l3.3 受气体内压的椭球壳受气体内压的椭球壳 Sp4DmSp2DSp4Dm2224m2Sbp-ba-xa222442224-22Sbp-ba-xaa-ba-xa第七章第七章 内压薄壁容器的应力分析内压薄壁容器的应力分析l3. 薄膜理论的应用薄膜理论的应用l3.4 受气体内压的锥形壳体受气体内压的锥形壳体 l3.5 承受液体内压作用的圆筒壳承受液体内压作用的圆筒壳 cos12Srmpcos1Srp2SDSR00

33、 xpxpSpSp4D2R00m2SD)(0 xP4SH)D(2S2SRHmooPRP第七章第七章 内压薄壁容器的应力分析内压薄壁容器的应力分析l3. 边缘应力边缘应力l联接边缘附近的横截面内，除作用有轴（经）向拉伸应力外，联接边缘附近的横截面内，除作用有轴（经）向拉伸应力外，还存在着轴（经）向弯曲应力，必须用有力矩理论来求解还存在着轴（经）向弯曲应力，必须用有力矩理论来求解l边缘应力的特点边缘应力的特点l局部性局部性 l自限性自限性 第八章第八章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计内压薄壁圆筒与封头的强度设计l1. 弹性失效设计准则弹性失效设计准则l弹性失效准则弹性失效准则l容器上任一处的最大应力

34、达到材料在设计温度下的屈服点容器上任一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点s s，容器即，容器即告失效（指容器失去正常的工作能力）。告失效（指容器失去正常的工作能力）。当当s l强度安全条件强度安全条件l为保证结构安全可靠地工作，必须留有一定的安全裕度，使结构中的最大为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。工作应力与材料的许用应力之间满足一定的关系。 l2. 强度理论对应的强度条件强度理论对应的强度条件（薄壁圆筒）（薄壁圆筒）l第一强度理论的强度条件第一强度理论的强度条件 l第三强度理论的强度条件第三强度理论的强度条件 l

35、【备注】压力容器采用塑性材料制造，我国压力容器设计采用【备注】压力容器采用塑性材料制造，我国压力容器设计采用第一强第一强度理论。度理论。 n0当2ISpD当20-2-31IIISpDSpD当第八章第八章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计内压薄壁圆筒与封头的强度设计l2. 内压圆筒和球壳强度计算公式内压圆筒和球壳强度计算公式第八章第八章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计内压薄壁圆筒与封头的强度设计l3. 设计参数的确定设计参数的确定l3.1 3.1 压力压力l最高工作压力最高工作压力P Pw w：正常工况下，容器顶部可能达到的最高压力；：正常工况下，容器顶部可能达到的最高压力；l设计压力设计压力P Pd

36、 d：指设定的容器顶部的最高工作压力，与相应的设计温指设定的容器顶部的最高工作压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不得小于最高工作压力。度一起作为设计载荷条件，其值不得小于最高工作压力。整台设备整台设备的载荷条件。的载荷条件。容器上装安全阀时：取容器上装安全阀时：取PP1.05P1.05Pw w1.1P1.1Pw w单个容器不装安全泄放装置：取等于或略高于单个容器不装安全泄放装置：取等于或略高于P Pw w外压容器：取不小于在正常操作工况下可能产生的内外压差外压容器：取不小于在正常操作工况下可能产生的内外压差l计算压力计算压力P Pc c：在相应的设计温度下用以确定元件厚度的压力，

37、包括在相应的设计温度下用以确定元件厚度的压力，包括液柱静压力，当液柱静压力小于液柱静压力，当液柱静压力小于5 5设计压力时可忽略不计。设计压力时可忽略不计。l3.2 3.2 设计温度：设计温度：指容器正常工作情况下，设定的元件金属温度指容器正常工作情况下，设定的元件金属温度 第八章第八章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计内压薄壁圆筒与封头的强度设计l3. 设计参数的确定设计参数的确定l3.3 3.3 许用应力许用应力l极限应力：极限应力：屈服点屈服点s s、抗拉强度、抗拉强度b b 、蠕变强度、持久强度、蠕变强度、持久强度l安全系数安全系数l3.4 3.4 焊缝系数焊缝系数l 焊缝区强度降低的原因

38、：焊缝区强度降低的原因：焊接焊缝时可能出现缺陷而未被发现；焊接焊缝时可能出现缺陷而未被发现；焊接热影响区往往形成粗大晶粒区而使强度和塑性降低；由于结构焊接热影响区往往形成粗大晶粒区而使强度和塑性降低；由于结构性约束造成焊接内应力过大等。性约束造成焊接内应力过大等。l 焊缝系数的影响因素：焊缝系数的影响因素：焊接接头的型式和无损检测的比例。焊接接头的型式和无损检测的比例。双面焊全焊透结构对接接头：双面焊全焊透结构对接接头：100100探伤探伤=1.0=1.0；局部探伤；局部探伤=0.85=0.85。单面焊的对接接头：单面焊的对接接头：100100探伤探伤=0.9=0.9；局部探伤；局部探伤=0.

39、8=0.8。安全系数(n)极限应力(0t第八章第八章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计内压薄壁圆筒与封头的强度设计l3. 设计参数的确定设计参数的确定l3.5 3.5 壁厚附加量壁厚附加量 C = CC = Cl l + C + C2 2 l厚度的负偏差厚度的负偏差C1 l腐蚀裕量腐蚀裕量C2 l4. 容器的壁厚容器的壁厚l计算壁厚计算壁厚(S)(S)，设计壁厚，设计壁厚(S(Sd d) )，名义壁厚，名义壁厚(S(Sn n) )和有效壁厚和有效壁厚(S(Se e) ) l最小壁厚：最小壁厚：压力很低的容器，按强度公式计算出的壁厚很小，不压力很低的容器，按强度公式计算出的壁厚很小，不能满足制造、运

40、输和安装时的能满足制造、运输和安装时的刚度要求刚度要求，需规定一最小壁厚。，需规定一最小壁厚。第八章第八章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计内压薄壁圆筒与封头的强度设计l4. 压力试验及其强度校验压力试验及其强度校验l压力试验目的压力试验目的：检验容器宏观强度和有无渗漏现象检验容器宏观强度和有无渗漏现象l试验压力试验压力l液压试验压力液压试验压力：l气压试验压力气压试验压力：立式容器卧置作液压试验时，试验压力应为立置时的试验压力立式容器卧置作液压试验时，试验压力应为立置时的试验压力p pT T加液柱加液柱静压力静压力； l压力试验时的强度校核压力试验时的强度校核l液压试验液压试验 l气压试验气压试

41、验0.1p 1.25pmaxptT，0.1p 1.15pmaxptT，seeiTT0.92SSDpseeiTT0.82SSDp第八章第八章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计内压薄壁圆筒与封头的强度设计l【例【例】一锅炉汽包，一锅炉汽包，DiDi=1300 mm=1300 mm，Pw=15.6 MPaPw=15.6 MPa，装有安全阀，设计温度，装有安全阀，设计温度为为350350，材质为，材质为18MnMoNbR18MnMoNbR，采用双面对接焊缝，采用双面对接焊缝，100100探伤，试确定汽探伤，试确定汽包的壁厚包的壁厚SnSn并进行水压试验校核并进行水压试验校核。l解：解：l 确定设计参数确定

42、设计参数lP=1.1Pw=1.1P=1.1Pw=1.115.6=17.16 MPa15.6=17.16 MPa，D Di i=1300mm=1300mm，t t=190MPa=190MPal =1.0 =1.0，取，取C C2 2=1mm=1mm。l 计算壁厚计算壁厚lC= CC= C1 1 + C + C2 2=1.5+1=2.5mm=1.5+1=2.5mml61.5+C=64 mm61.5+C=64 mml向上圆整取厚度为向上圆整取厚度为SnSn=65mm=65mm的的18MnMoNbR18MnMoNbR钢板。钢板。l 校核水压试验强度校核水压试验强度lSe=SnSe=Sn-C=65-2.

43、5=62.5 mm-C=65-2.5=62.5 mm，s=410 MPas=410 MPa l MPaMPal而而0.90.9s s=0.9=0.9410=369 MPa410=369 MPa，故有，故有T T 0.9 标准椭圆形封头标准椭圆形封头碟形封头碟形封头无折边球形封头无折边球形封头第九章第九章 外压圆筒及封头设计外压圆筒及封头设计l1. 外压容器的失稳外压容器的失稳l外压容器：外压容器：壳体外部压力大于壳体内部压力的容器。壳体外部压力大于壳体内部压力的容器。l应力特点：应力特点：容器受到外压作用后，在筒壁内将产生经向和环容器受到外压作用后，在筒壁内将产生经向和环向压缩应力，按照薄膜应

44、力理论来求解向压缩应力，按照薄膜应力理论来求解；l失效类型：失效类型：强度破坏很少强度破坏很少，多数，多数外压圆筒外压圆筒在在筒壁内的压缩应筒壁内的压缩应力远低于材料的屈服点时，筒壁就被突然压瘪或发生褶绉。力远低于材料的屈服点时，筒壁就被突然压瘪或发生褶绉。l弹性失稳：弹性失稳：外压作用下突然失去原来形状，应力也由失稳前外压作用下突然失去原来形状，应力也由失稳前的压缩应力为主变成以弯曲应力为主的复杂的附加应力。的压缩应力为主变成以弯曲应力为主的复杂的附加应力。l2. 容器失稳型式的分类容器失稳型式的分类l侧向失稳、轴向失稳、局部失稳侧向失稳、轴向失稳、局部失稳 第九章第九章 外压圆筒及封头设计

45、外压圆筒及封头设计l3. 临界压力临界压力l定义：定义：导致筒体失稳的压力称为该筒体的临界压力，导致筒体失稳的压力称为该筒体的临界压力，PcrPcr l影响临界压力的因素影响临界压力的因素l筒体几何尺寸筒体几何尺寸：L L（计算长度）、（计算长度）、S/DS/D、L/DL/Dl筒体的材料筒体的材料：E E、l筒体椭圆度和材料不均匀筒体椭圆度和材料不均匀l4. 外压圆筒的分类外压圆筒的分类l长圆筒：长圆筒：P Pcrcr仅与仅与Se/DSe/D0 0有关，而与有关，而与L/DL/D0 0无关；失稳波数为无关；失稳波数为2 2 l短圆筒短圆筒：PcrPcr与与Se/DSe/D0 0、L/DL/D0

46、 0也有关，失稳波数也有关，失稳波数n2 l刚性圆筒：刚性圆筒：圆筒的圆筒的L/DL/D0 0较小，而较小，而Se/DSe/D0 0较大，故刚性较好较大，故刚性较好l注注长圆筒或短圆筒，要同时进行强度计算和稳定性校验，长圆筒或短圆筒，要同时进行强度计算和稳定性校验，后者更重要。后者更重要。 第九章第九章 外压圆筒及封头设计外压圆筒及封头设计l5. 临界压力计算公式临界压力计算公式l钢制长圆筒钢制长圆筒l钢制短圆筒钢制短圆筒l刚性圆筒刚性圆筒l临界长度临界长度l长、短圆筒临界长度长、短圆筒临界长度l短、刚性圆筒临界长度短、刚性圆筒临界长度30etcrDS2.2Ep02.50etcrDLDS2.5

47、9Epteei2SS压Dpe00crSD1.17DLe0tetcrSDS1.3EL压第九章第九章 外压圆筒及封头设计外压圆筒及封头设计l6. 外压圆筒的工程设计外压圆筒的工程设计l设计准则设计准则l许用压力许用压力 l根据根据GBl50GBl509898钢制压力容器钢制压力容器的规定，对圆筒、锥壳取的规定，对圆筒、锥壳取m=3.0m=3.0，球壳、椭圆形和碟形封头取球壳、椭圆形和碟形封头取m=15m=15。 l设计准测：设计准测：使设计压力使设计压力pppp ，并接近，并接近ppmppcr第九章第九章 外压圆筒及封头设计外压圆筒及封头设计l7. 外压圆筒壁厚设计的图算法外压圆筒壁厚设计的图算法

48、第九章第九章 外压圆筒及封头设计外压圆筒及封头设计l图算法具体步骤图算法具体步骤（以薄壁以薄壁D D0 0/S/Se e2020为例为例）l 假设假设SnSn，令，令Se=SnSe=Sn-C-C，而后定出比值，而后定出比值L/DL/D0 0和和D D0 0/Se/Se；l 由由L/DL/D0 0和和D D0 0/Se/Se查取系数查取系数A Al若若L/DL/D0 05050，用，用L/DL/D0 0=50=50查图，若查图，若L/DL/D0 00.050.05，用，用L/DL/D0 0=0.05=0.05查图；查图；l 根据所用材料选用合适的根据所用材料选用合适的A-BA-B图由图由A A查

49、取查取B Bl 计算许用外压力计算许用外压力pp：l (MPa(MPa) )l若若A A值落在设计温度下材料线的左方，说明肯定处于弹性失稳值落在设计温度下材料线的左方，说明肯定处于弹性失稳状态，则用下式计算许用外压力状态，则用下式计算许用外压力pp：l (MPa(MPa) )l 比较比较p p与与pp，若，若p ppp，则需重新假设，则需重新假设SnSn，重复上述步骤，重复上述步骤直至直至pp大于且接近于大于且接近于p p为止。为止。e0/SDBpe0tSD32AEp第十章第十章 压力容器零部件压力容器零部件 l1. 法兰联接结构与密封原理法兰联接结构与密封原理l法兰联接结构法兰联接结构：联接

50、件：联接件( (螺栓、螺母螺栓、螺母) )、被联接件、被联接件( (法兰法兰) )、密、密封元件封元件( (垫片垫片) ) l密封口泄漏途径：密封口泄漏途径：一是垫片渗漏，二是压紧面泄漏。一是垫片渗漏，二是压紧面泄漏。 l法兰密封的原理法兰密封的原理 l预紧密封比压预紧密封比压：形成初始密封条件时加在垫片上的最小压紧应力：形成初始密封条件时加在垫片上的最小压紧应力l工作密封比压工作密封比压：发生临界泄漏时作用在垫片上的剩余压紧应力发生临界泄漏时作用在垫片上的剩余压紧应力 第十章第十章 压力容器零部件压力容器零部件 l2. 法兰的结构与分类法兰的结构与分类l按法兰接触面分类：按法兰接触面分类：宽

51、面法兰、窄面法兰宽面法兰、窄面法兰l按法兰与设备或管道的联接方式分类按法兰与设备或管道的联接方式分类l整体法兰整体法兰：平焊法兰平焊法兰、对焊法兰对焊法兰l活套法兰活套法兰l螺纹法兰螺纹法兰 第十章第十章 压力容器零部件压力容器零部件 l3. 法兰密封的影响因素法兰密封的影响因素l螺栓预紧力螺栓预紧力l压紧面压紧面(密封面密封面) ：平面型、凹凸型、榫槽型、平面型、凹凸型、榫槽型、 锥形、锥形、 梯形槽梯形槽l垫片性能垫片性能：垫片材料和结构垫片材料和结构l法兰刚度法兰刚度l操作条件操作条件：操作压力、操作温度操作压力、操作温度l4. 法兰标准及选用法兰标准及选用 l4.1 法兰标准法兰标准：

52、压力容器法兰、管法兰：压力容器法兰、管法兰l压力容器平焊法兰压力容器平焊法兰：甲型甲型(JB/T4701-2000)(JB/T4701-2000)、乙型、乙型(JB/T4702-2000)(JB/T4702-2000) l压力容器法兰的尺寸：压力容器法兰的尺寸：法兰公称直径法兰公称直径DNDN：与法兰相配的筒体或封头的公称直径与法兰相配的筒体或封头的公称直径 公称压力公称压力PNPN：在规定设计条件下，在确定法兰结构尺寸时所采用的设计压在规定设计条件下，在确定法兰结构尺寸时所采用的设计压力。力。0.250.25、0.60.6、1.01.0、1.61.6、2.52.5、4.04.0和和6.4MP

53、a6.4MPa第十章第十章 压力容器零部件压力容器零部件 l4. 法兰标准及选用法兰标准及选用l4.1 法兰标准法兰标准：压力容器法兰、管法兰：压力容器法兰、管法兰l确定法兰尺寸的计算基础与最高许用工作压力确定法兰尺寸的计算基础与最高许用工作压力：设计温度是设计温度是200200、规定法兰材料是规定法兰材料是16MnR16MnR或或16Mn16Mn锻件锻件;Pw;Pw l4.2 压力容器法兰的选用步骤压力容器法兰的选用步骤l 根据容器的根据容器的D Di i（DNDN）和设计压力为）和设计压力为p p，参照教材，参照教材P168P168表表12-212-2确定确定法兰的结构类型；法兰的结构类型

54、；l 根据选定的法兰类型和容器的设计压力、设计温度以及法兰材根据选定的法兰类型和容器的设计压力、设计温度以及法兰材料，用表料，用表12-312-3确定法兰的公称压力。然后将所确定的公称压力和确定法兰的公称压力。然后将所确定的公称压力和公称直径用表公称直径用表12-212-2复核一下该复核一下该PNPN与与DNDN是否在所选定的法兰类型包是否在所选定的法兰类型包容的范围之内。容的范围之内。l 根据所确定的根据所确定的PNPN与与DNDN从相应的尺寸表中选定法兰各部分的尺寸。从相应的尺寸表中选定法兰各部分的尺寸。第十章第十章 压力容器零部件压力容器零部件 l【法兰选用举例【法兰选用举例】为一台精馏

55、塔塔节选配法兰。该塔内径为一台精馏塔塔节选配法兰。该塔内径DiDi=1000mm=1000mm，nn=4mm=4mm，操作温度，操作温度280280，设计压力，设计压力p=0.2MPap=0.2MPa，法，法兰材料可用兰材料可用20R20R，也可用，也可用16MnR16MnR，试分别确定使用这两种材料时法，试分别确定使用这两种材料时法兰的类型和尺寸。兰的类型和尺寸。l 确定法兰类型确定法兰类型 根据根据DN=1000mmDN=1000mm，p=0.2MPap=0.2MPa，按表，按表12-212-2可知应可知应选用甲型平焊法兰。选用甲型平焊法兰。l 确定法兰的公称压力：确定法兰的公称压力：根据

56、根据p=0.2MPap=0.2MPa，t=280t=280，查表，查表12-312-3l法兰材料用法兰材料用20R20R，当取，当取PNPN0.25MPa0.25MPa时，时，300300的的p=0.15MPap=0.15MPa，满足，满足不了不了p=0.2MPap=0.2MPa的需要，所以法兰的的需要，所以法兰的PNPN应提高一个等级，确定法兰的应提高一个等级，确定法兰的公称压力公称压力PNPN0.6MPa0.6MPa，300300的的p=0.36MPap=0.36MPa，可以满足要求。，可以满足要求。l法兰材料用法兰材料用16MnR16MnR，PN=0.25MPaPN=0.25MPa时，时

57、，300300的的p=0.21MPap=0.21MPa，能满足，能满足p=0.2MPap=0.2MPa的需要，所以法兰材料选用的需要，所以法兰材料选用16MnR16MnR时，法兰的公称压力为时，法兰的公称压力为PN=0.6MPaPN=0.6MPa。l 确定法兰的结构尺寸确定法兰的结构尺寸l根据根据DNDN1000mm1000mm，PNPN0.6MPa0.6MPa和和PNPN0.25MPa0.25MPa查相应表确定材料为查相应表确定材料为20R20R和和16MnR16MnR时法兰各部分的尺寸。时法兰各部分的尺寸。第十章第十章 压力容器零部件压力容器零部件 l5.5.容器支座容器支座l5.1 卧式

58、容器支座：卧式容器支座：鞍座、圈座和支腿鞍座、圈座和支腿 l5.2 卧式容器载荷分析卧式容器载荷分析l 压力压力l 储罐重量储罐重量l 物料重量量；物料重量量；l 其他载荷雪、风、地震等其他载荷雪、风、地震等l L4A-3L4h1Lh-R214FLMi22i2m13L4h12ALh-RLA-1-1FAMi2i2m2跨中跨中支座支座第十章第十章 压力容器零部件压力容器零部件 l5.5.容器支座容器支座l5.3 筒体的轴向应力计算筒体的轴向应力计算l跨中截面的最高点：跨中截面的最高点： l (MPa)l跨中截面的最低点：跨中截面的最低点：l (MPa)l支座有效截面的最高点处：支座有效截面的最高点处：l筒体支座截面的最低点处：筒体支座截面的最低点处：l5.4 鞍座的选用鞍座的选用l首先根据鞍座实际承载的大小，确定选用轻型（首先根据鞍座实际承载的大小，确定选用轻型（A A型）或重型（型）或重型（BIBI，BIIBII，BIIIBIII，BIVBIV，BVBV型型) )鞍座；鞍座；l再根据容器圆筒强度确定选