化工设备基础08

1、第四章压力容器pressure vessel1内压薄壁容器2内压容器封头3容器附件4外压容器1、内压薄壁圆筒的计算、内压薄壁圆筒的计算 中间面直径为中间面直径为D，壁厚为，壁厚为，内部受到介质压力，内部受到介质压力p p 的作用。的作用。一、内压薄壁圆筒与球壳的应力计算一、内压薄壁圆筒与球壳的应力计算 在纵的方向上，作用于两端封头的内压在纵的方向上，作用于两端封头的内压p p长生的长生的两个合力两个合力P P使筒体发生拉伸变形，因而在垂直于筒体使筒体发生拉伸变形，因而在垂直于筒体轴线的横截面内存在均匀分布的拉应力称为轴线的横截面内存在均匀分布的拉应力称为轴向应轴向应力力，用，用 表示。表示。z

2、 在横的方向上（即筒体的径向）将发生直径增大在横的方向上（即筒体的径向）将发生直径增大的变形，经理论分析，在经过筒体轴线的纵截面内的变形，经理论分析，在经过筒体轴线的纵截面内同时存在弯曲应力和拉应力，但弯曲应力与拉应力同时存在弯曲应力和拉应力，但弯曲应力与拉应力比起来要小得多。比起来要小得多。 在筒体器壁的纵截面内只存在均匀分布的拉应力，在筒体器壁的纵截面内只存在均匀分布的拉应力，并称为并称为环向应力环向应力。采用截面法计算筒体内的应力，采用截面法计算筒体内的应力，先计算轴向应力先计算轴向应力。 用一个垂直于筒体轴线的平面将筒体截成左右两部分，用一个垂直于筒体轴线的平面将筒体截成左右两部分，移

3、去右面部分而研究左面部分的平衡。首先计算作用于封头移去右面部分而研究左面部分的平衡。首先计算作用于封头的内压的内压p产生的合力产生的合力P。关于作用于曲面上的介质压力的合力。关于作用于曲面上的介质压力的合力计算有如下结论：计算有如下结论： 在在作用任一曲面上的介质压力，其合力作用任一曲面上的介质压力，其合力P等于压力等于压力p 作用作用于封头的合力方向所得投影面积于封头的合力方向所得投影面积A的乘积，而与曲面形状无的乘积，而与曲面形状无关。在本例中，内压关。在本例中，内压p作用于封头的合力作用于封头的合力P沿筒体轴线水平向沿筒体轴线水平向右，故左侧封头曲面的投影面积右，故左侧封头曲面的投影面积

4、A为为：所以，作用于封头的内压所以，作用于封头的内压p p产生的合力产生的合力P P为为24DA24DppAPP使左面部分有向左移动之趋势，为了保持原来的平衡，被使左面部分有向左移动之趋势，为了保持原来的平衡，被移去的右面部分必给左面部分以作用力，即在筒体器壁的横移去的右面部分必给左面部分以作用力，即在筒体器壁的横截面内产生轴向应力。根据轴向平衡条件截面内产生轴向应力。根据轴向平衡条件 有：有：整理后得：整理后得：0zP042DpDz4pDz 计算环向应力计算环向应力：投影面积：投影面积A=Dl ，所以，所以P=pDl , P 使下使下面部分有向下移动的趋势，为了保持原来的平衡，被移去面部分有

5、向下移动的趋势，为了保持原来的平衡，被移去的上面部分必给下面部分以作用力，即在筒体器壁的纵截的上面部分必给下面部分以作用力，即在筒体器壁的纵截面内产生环向应力。根据平衡条件面内产生环向应力。根据平衡条件 有：有：整理后得：整理后得：0yP02 pDllt2pDt2、内压薄壁球壳的应力计算、内压薄壁球壳的应力计算可以认为在通过可以认为在通过球心的截面内在球心的截面内在存在均匀分布的存在均匀分布的拉应力。计算方拉应力。计算方法与求轴向应力法与求轴向应力相同即：相同即：4pD二、强度条件与壁厚算计二、强度条件与壁厚算计1、内压薄壁圆筒的强度条件与壁厚计算、内压薄壁圆筒的强度条件与壁厚计算设器壁材料的

6、许用应力为设器壁材料的许用应力为 钢板卷制容器时，在焊缝及其附近处，存在焊接缺陷，钢板卷制容器时，在焊缝及其附近处，存在焊接缺陷，引入焊接接头系数引入焊接接头系数： t则筒体的强度条件为：则筒体的强度条件为： tctDp2 tctDp2计算压力计算压力 一般工艺条件确定的是圆筒内直径一般工艺条件确定的是圆筒内直径 ，在计算，在计算公式中，用内直径比用中间面直径方变更，为此，可将公式中，用内直径比用中间面直径方变更，为此，可将中间面直径中间面直径 带入上式得：带入上式得：解出式中的解出式中的，整理后得内压圆筒的计算壁厚：整理后得内压圆筒的计算壁厚： tictDp2iDDcticpDp2iD2、内

7、压薄壁球壳的强度条件与壁厚计算、内压薄壁球壳的强度条件与壁厚计算同理可得强度条件：同理可得强度条件： tictDp4计算壁厚：计算壁厚：cticpDp43、容器厚度的概念、容器厚度的概念计算厚度计算厚度 指按各强度公式计算得到的厚度指按各强度公式计算得到的厚度设计厚度设计厚度d d 指计算厚度与腐蚀裕量指计算厚度与腐蚀裕量C C2 2之和，即之和，即d d = =+ C+ C2 2名义厚度名义厚度n n 根据设计厚度加上钢材厚度负偏差根据设计厚度加上钢材厚度负偏差C C1 1后，向上圆整至钢材后，向上圆整至钢材标准规格的厚度。常用钢板厚度（标准规格的厚度。常用钢板厚度（mmmm）为：）为：3

8、3、4 4、5 5、6 6、8 8、1010、1212、1414、1616、1818、2020、2222、2525、2828、3030等。此值等。此值应标注在设计图样上。应标注在设计图样上。 有效厚度有效厚度ee 指名义厚度减去钢材厚度负偏差和腐蚀裕量，即指名义厚度减去钢材厚度负偏差和腐蚀裕量，即 ee=n=n- -（C C1 1 + C + C2 2）= =nn-C-C 式中式中C=CC=C1 1+C+C2 2称为厚度附加量。称为厚度附加量。根据介质的腐蚀性及容根据介质的腐蚀性及容器的设计寿命确定器的设计寿命确定最小厚度最小厚度minmin对碳素钢、低合金钢制容器，对碳素钢、低合金钢制容器，

9、 minmin不不小于小于3 3mmmm ; ;对高合金钢制容器，对高合金钢制容器， minmin不不小于小于2 2mmmm 。容器名义厚度的可按下图方法确定：容器名义厚度的可按下图方法确定：比较比较min已包括已包括C1+C2+C2d+C1最大值最大值n n按钢材厚度按钢材厚度规格向上圆整规格向上圆整4、容器的校核计算、容器的校核计算 旧容器的重新启用，正在使用的容器改变操作条件旧容器的重新启用，正在使用的容器改变操作条件等属于校核性计算，相应的校核公式为：等属于校核性计算，相应的校核公式为：圆筒形容器：圆筒形容器：球形容器：球形容器：eietwDp2 eietwDp4许用工许用工作压力作压

10、力三、设计参数的确定三、设计参数的确定 设计参数包括设计参数包括设计压力设计压力、设计温度设计温度、许用应力许用应力、焊接接头系数焊接接头系数及及厚度附加量厚度附加量等等例如例如1、设计压力设计压力 tictDp4工作压力工作压力P Pw w。指正常操作情况下容器顶部可能出现的最高压力。指正常操作情况下容器顶部可能出现的最高压力。设计压力设计压力P P。指设定的容器顶部的最高工作压力，与相应的设计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，其值不低于工作压力。温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。 有安全阀：有安全阀：P P= = （1.1-1.051.1-1

11、.05）P Pw w 有爆破片：有爆破片： P P= = （1.1-1.71.1-1.7）P Pw w计算压力计算压力PcPc。指在相应设计温下，用以确定元件厚度的指在相应设计温下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力，压力，其中包括液柱静压力，计算压力计算压力= =设计压力设计压力+ +液柱静压液柱静压力液柱静压力力液柱静压力5%5%设计压力时可忽略不计，即设计压力时可忽略不计，即Pc=PPc=P。2、设计温度设计温度 ：表表4-1，4-1指容器在正常工作情况下，设定的元件的指容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度金属温度。3、许用应力：表、许用应力：表4-3元件金属截面元件金属截

12、面温度的平均值温度的平均值4、焊接接头系数：表焊接接头系数：表4-45、厚度附加量：表厚度附加量：表4-5，4-6常见的焊接形式：常见的焊接形式： 缺陷，夹渣，未焊透，晶粒粗大等，缺陷，夹渣，未焊透，晶粒粗大等，在外观看不出来；在外观看不出来； 熔池内金属从熔化到凝固的过程受到熔池内金属从熔化到凝固的过程受到熔池外金属的刚性约束，内应力很大。熔池外金属的刚性约束，内应力很大。焊缝区强度比较薄弱焊缝区强度比较薄弱。焊接缺陷焊接缺陷焊接接头系数（焊接接头系数（f）：）：焊接接头结构焊接接头结构100%无损检无损检验验局部无损检验局部无损检验 示意图示意图双面对接焊双面对接焊 1.0 0.85 带垫

13、板单面带垫板单面对接焊对接焊 0.90 0.80四、容器的压力试验四、容器的压力试验 目的：验证容器在超工作压力的条件下，器壁的宏观目的：验证容器在超工作压力的条件下，器壁的宏观强度（主要指焊缝的强度）、焊缝的致密性和容器密封强度（主要指焊缝的强度）、焊缝的致密性和容器密封结构的可靠性，可以及时发现钢材、制造或检修过程中结构的可靠性，可以及时发现钢材、制造或检修过程中的缺陷，是对材料、设计、制造或检修的综合性检查，的缺陷，是对材料、设计、制造或检修的综合性检查，将压力容器的不安全因素在投产前充分暴露产来，防患将压力容器的不安全因素在投产前充分暴露产来，防患于未然。于未然。压力试验压力试验1、水

14、压试验装置及过程、水压试验装置及过程液压试验，又称水压试验。液压试验，又称水压试验。气压试验气压试验 将水注满容器后将水注满容器后，再用泵逐步增压到试验压力，检验容器的强度，再用泵逐步增压到试验压力，检验容器的强度和致密性。和致密性。试验时将装设在容器最高处的排气阀打开，灌水试验时将装设在容器最高处的排气阀打开，灌水将气排将气排尽尽后关闭。后关闭。 开动试压泵使水压缓慢上升，达到规定的实验压力后，开动试压泵使水压缓慢上升，达到规定的实验压力后，关闭直通阀关闭直通阀保持保持30min，在此期间容器上的压力表读数应该保持不变。，在此期间容器上的压力表读数应该保持不变。然后将之工作压力并保持足够长时

15、间，对所有焊缝和联接部位进行检然后将之工作压力并保持足够长时间，对所有焊缝和联接部位进行检查。查。 在试验过程中，应保持容器观察表面的干燥，如发现焊缝有水在试验过程中，应保持容器观察表面的干燥，如发现焊缝有水滴出现，表明焊缝有泄漏（压力表读数下降），应作标记，卸压后修滴出现，表明焊缝有泄漏（压力表读数下降），应作标记，卸压后修补，修好后重新试验直到合格为止。补，修好后重新试验直到合格为止。2 2、气压试验、气压试验 不优先考虑气压试验的原因：因为液体的可压缩不优先考虑气压试验的原因：因为液体的可压缩性极小，液压试验是安全的，即使容器爆破，也没有性极小，液压试验是安全的，即使容器爆破，也没有巨大

16、声响和碎片，不会伤人。而气体的可压缩性大，巨大声响和碎片，不会伤人。而气体的可压缩性大，因此气压试验比较危险。因此气压试验比较危险。 只有不宜液压试验的容器才进行气压试验，例如只有不宜液压试验的容器才进行气压试验，例如内衬耐火材料不易烘干的容器，生产时装有催化剂不内衬耐火材料不易烘干的容器，生产时装有催化剂不允许有微量残液的反应器壳体等。允许有微量残液的反应器壳体等。 该措施需经试验单位技术总负责人批准，并经本单该措施需经试验单位技术总负责人批准，并经本单位安全部门现场检查监督。位安全部门现场检查监督。试验气体：干燥洁净的空气、氮气或其他惰性气体。试验气体：干燥洁净的空气、氮气或其他惰性气体。

17、试验温度：对碳素钢和低合金钢制容器，不得低于试验温度：对碳素钢和低合金钢制容器，不得低于15气压试验过程气压试验过程 试验时压力应试验时压力应缓慢上升缓慢上升，当升压至规定试，当升压至规定试验压力的验压力的10%，且不超过，且不超过0.05MPa 时时保持保持5min 对容器的全部焊缝和连接部位进行初步检查，对容器的全部焊缝和连接部位进行初步检查，合格后再合格后再继续升压继续升压到试验压力的到试验压力的50%。 其后按每级为试验压力为其后按每级为试验压力为10%的的 级差，逐级差，逐级升到试验压力，保持压力级升到试验压力，保持压力10min。最后将压。最后将压力降至设计压力，至少保持力降至设计

18、压力，至少保持30min，进行全面，进行全面检查，无渗漏为合格。若有渗漏，经返修后重检查，无渗漏为合格。若有渗漏，经返修后重新试验直到合格为止。新试验直到合格为止。 封头封头（按形状分）按形状分）凸形封头凸形封头锥形封头锥形封头平板形封头平板形封头半球形封头半球形封头球冠形封头球冠形封头碟形封头碟形封头椭圆形封头椭圆形封头无折边无折边带折边带折边一、常用封头的形式一、常用封头的形式按其承载的压力分：按其承载的压力分：平板形封头平板形封头球冠形封头球冠形封头无折边锥形封头无折边锥形封头碟形封头碟形封头带折边的锥形封头带折边的锥形封头低压低压半球形封头半球形封头椭圆形封头椭圆形封头高压高压更高压更

19、高压二、标准椭圆形封头二、标准椭圆形封头1、构成：由长短半轴分别为、构成：由长短半轴分别为a和和b的半球壳和高度为的半球壳和高度为h0的短圆筒（统称为直边）构成。的短圆筒（统称为直边）构成。DiRi(a)hi(b)h0S椭 圆 形 封 头2、标准椭圆形封头的壁厚计算公式：、标准椭圆形封头的壁厚计算公式：3、标准椭圆封头的校核计算公式：、标准椭圆封头的校核计算公式： cticpDp5 . 02eietwDp5.02三、半球形封头三、半球形封头 半球形封头的壁厚计算与球形容器相同，半球形封头的壁厚计算与球形容器相同， cticpDp4Di半球形封头四、蝶形封头四、蝶形封头1、构成：以为半径的球面，

20、以、构成：以为半径的球面，以r为半径的过渡圆弧（即为半径的过渡圆弧（即折边）和高度为折边）和高度为h0的直边。的直边。R1DiMrS2、考虑到蝶形封头边缘应力的影响，在设计中、考虑到蝶形封头边缘应力的影响，在设计中引入形状系数引入形状系数M，其壁厚计算公式为：，其壁厚计算公式为： cticpRMp5 . 02球面部分半径球面部分半径形状系数形状系数五、锥形封头五、锥形封头3030 大小端均无折边大小端均无折边30304545小端可无折边，小端可无折边， 大端须有折边大端须有折边4545606060 按平板形封头考虑按平板形封头考虑六、平板形封头六、平板形封头 平板封头是化工设备常用的一种封头。

21、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。，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，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，因此一般只但在同样直径、压力下所需的厚度最大，因此一般只用于小直径和压力低的容器。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，制造直径小厚度大是因为它的端盖很厚且直径较小，制造直径小厚度

22、大的凸形封头很困难。的凸形封头很困难。各种封头计算结果比较各种封头计算结果比较封头形式封头形式 壁厚壁厚（mm) 总深度总深度（mm)理论面积理论面积（ ） 重量重量（kg)制造难易程度制造难易程度半球形半球形 4 3000.56517.8 较难较难椭圆形椭圆形 6 1750.46621 较易较易碟型碟型 6 1610.41022.4 较易较易平板形平板形 40 -0.28388.3 易易封头的选择封头的选择1.几何方面几何方面内表面积，容积。内表面积，容积。2.力学方面力学方面承载能力。承载能力。3.使用方面使用方面满足工艺要求。满足工艺要求。4.制造方面制造方面难易程度，标准化程度。难易程

23、度，标准化程度。5.材料消耗材料消耗金属耗量及其价格。金属耗量及其价格。 化工容器除了筒体和化工容器除了筒体和封头封头基本零件外，还有基本零件外，还有法法兰、支座、人孔（手孔）、兰、支座、人孔（手孔）、视镜、视镜、液面计液面计和各种用和各种用途的接管等，这些统称为容器的附件。途的接管等，这些统称为容器的附件。1、公称直径、公称直径 DN 对筒体及封头来说，公称直径指它们的内径；对筒体及封头来说，公称直径指它们的内径； 对管子来说，公称直径指小于外径的一个数值；对管子来说，公称直径指小于外径的一个数值； 对采用无缝钢管做筒体时，筒体或封头的公称直径对采用无缝钢管做筒体时，筒体或封头的公称直径 就

24、不是管子原来的公称直径，而是指钢管的外径。就不是管子原来的公称直径，而是指钢管的外径。2 2、公称压力、公称压力 PNPN 公称压力指化工容器零、部件的承载能力公称压力指化工容器零、部件的承载能力规定为若干个标准的压力等级，便于选用。目规定为若干个标准的压力等级，便于选用。目前，前，我国所规定的公称压力等级为：常压、我国所规定的公称压力等级为：常压、0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.4（MPa）。）。 工程中，在选择工程中，在选择法兰、支座、人孔（手孔）、液法兰、支座、人孔（手孔）、液面计等已经标准化的零、部件时，必须将设计压力调面计等已经标准化的零、部件时，必须将设计压力

25、调整为所规定的某一公称压力等级，然后根据整为所规定的某一公称压力等级，然后根据DNDN和和PNPN选选定该零部件的尺寸。定该零部件的尺寸。一、外压容器的稳定性、临界压力计算一、外压容器的稳定性、临界压力计算1、失稳与临界压力、失稳与临界压力压力单位压力单位压力的表示：压力的表示： 绝对压力绝对压力 单位面积所受到的力单位面积所受到的力 相对压力（表压）相对压力（表压） 绝对压力与大气压之差绝对压力与大气压之差 真空度真空度 大气压与绝对压力之差大气压与绝对压力之差绝对压力绝对压力绝对绝对压力压力真空度真空度表压表压标准大气压标准大气压 外压容器失效形式有两种：外压容器失效形式有两种：一种是因强度而破坏；一种是因强度而破坏；另一种是因刚度不足而失稳，失稳是主要的问题。另一种是因刚度不足而失稳，失稳是主要的问题。 当外压增大到某一值时，筒体的形状就发生了突变，当外压增大到某一值时，筒体的形状就发生了突变，这个外压的临界值称为该筒体的这个外压的临界值称为该筒体的临界压力临界压力 。 外压圆筒的计算外压力应当满足如下条件：外压圆筒的计算外压力应当满足如下条件：2、影响临界压力的因素、影响临界压力的因素 影响临界压力的