化工机械基础(第三版)第十章容器设计基础

1、第十章 容器设计基础第一节 概 论按容器形状分类名称特 点方形矩形容器平板焊成，制造简便，但承压能力差，只用作小型常压贮槽球形容器弓形板拼焊，承压好，安装内件不便，制造稍难,多用作贮罐圆筒形容器 筒体和凸形或平板封头。制造容易，安装内件方便，承压较好，应用最广内压：内部介质压力大于外界压力内压：内部介质压力大于外界压力外压：内部介质压力小于外界压力外压：内部介质压力小于外界压力真空：内部压力小于一个绝压的外压容器真空：内部压力小于一个绝压的外压容器容器分类设计压力 p （MPa）低压容器0.1p1.6中压容器1.6p10高压容器10p100超高压容器p100项 目条 件最高工作压力pwpw0.

2、1MPa，不包括液体静压内径Di，容积VDi0.15m 且 V0.025m3介质气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体根据压力等级、介质毒性危害程度以及生产中的作用，压力容器可分为三类。第一类压力容器第一类压力容器第二类压力容器第二类压力容器第三类压力容器第三类压力容器不包括核能、船舶专用、直接受火焰加热容器指指 标标分分 级级极度危害极度危害高度危害高度危害 中毒危害中毒危害 轻度危害轻度危害 急性中急性中毒毒吸入吸入 200 200 mg/mmg/m3 3200 200 mg/mmg/m3 32000 2000 mg/mmg/m3 320000 mg/m3经皮经皮1001001

3、00 100 500 500 2500经口经口252525 25 500 500 5000急性中毒急性中毒易中毒后果易中毒后果严重严重可中毒，愈可中毒，愈后良好后良好偶可中毒偶可中毒无中毒但有无中毒但有影响影响慢性中毒慢性中毒患病率高患病率高较高较高偶有发生偶有发生有影响有影响慢性中毒后果慢性中毒后果 继续进展不继续进展不能治愈能治愈可基本治愈可基本治愈可恢复无严可恢复无严重后果重后果可恢复无不可恢复无不良后果良后果致癌性致癌性 人体致癌人体致癌可疑致癌可疑致癌动物致癌动物致癌无致癌性无致癌性最高容许浓度最高容许浓度 0.10.10.10.1-1.0-1.0-1010常见化学介质常见化学介质

4、光气、汞、光气、汞、氰化氢氰化氢甲醛甲醛, ,苯胺、苯胺、氟化氢、氟化氢、二氧化硫二氧化硫, ,硫硫化氢化氢, ,氨氨名称名称说明说明三类容器三类容器（1 1） 高压容器；高压容器；（2 2） 毒性程度为极度和高度危害介质的中压容器；毒性程度为极度和高度危害介质的中压容器； （3 3） 中度危害介质，且中度危害介质，且pVpV大于等于大于等于10MPam10MPam3 3中压储存容器；中压储存容器；（4 4） 中度危害介质，且中度危害介质，且pVpV大于等于大于等于0.5MPam0.5MPam3 3中压反应容器；中压反应容器； （5 5） 毒性程度为极度和高度危害介质，且毒性程度为极度和高度危

5、害介质，且pVpV乘积乘积0.2MPam0.2MPam3 3的低压容器；的低压容器； （6 6） 高压、中压管壳式余热锅炉；高压、中压管壳式余热锅炉；（7 7） 中压搪玻璃压力容器；中压搪玻璃压力容器；（8 8） 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；（9 9） 移动式压力容器，铁路罐车、罐式汽车和罐式集装箱等；移动式压力容器，铁路罐车、罐式汽车和罐式集装箱等； （1010） 容积大于等于容积大于等于50 m50 m3 3的球形储罐；的球形储罐；（11 11） 容积大于容积大于5 m5 m3 3的低温液体储存容器。的低温液体储存容器。 二类容器二类容器（1

6、 1） 中压容器；中压容器； （2 2） 毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器；毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器； （3 3） 易燃介质或毒性程度为中度危害介质的低压反应容器和低易燃介质或毒性程度为中度危害介质的低压反应容器和低压储存容器；压储存容器； （4 4） 低压管壳式余热锅炉；低压管壳式余热锅炉；（5 5） 低压搪玻璃压力容器。低压搪玻璃压力容器。 一类容器一类容器不在第三、第二类压力容器之内的低压容器为第一类压力容器。不在第三、第二类压力容器之内的低压容器为第一类压力容器。常温容器常温容器：壁温-20至200；高温容器高温容器：壁温达到蠕变温度,碳素钢或低合金钢容器，温度超过

7、420，合金钢超过450，奥氏体不锈钢超过550，均属高温容器；中温容器中温容器：在常温和高温之间；低温容器低温容器：壁温低于-20, -20至-40为浅冷容器，低于-40者为深冷容器。应用最多是低碳钢和普通低合金钢，腐蚀严重或产品纯度要求高用不锈钢、不锈复合钢板、铝板及钛材。在深冷操作中，可用铜或铜合金；常用非金属材料的有：硬聚氯乙烯、玻璃钢、不透性石墨、化工搪瓷、化工陶瓷及砖、板、橡胶衬里等。300 (350) 400 (450) 500 (550) 600 (650) 700 (750)8009001000(1100)1200(1300)1400(1500)1600(1700)1800(

8、1900)2000(2100)2200(2300)2400 2500 2600 28003000 3200 3400 3500 3600 3800 4000 4200 4400 45004600 4800 5000 5200 5400 5500 5600 5800 6000159219273325377426表表10-5 10-5 无缝钢管制作筒体时容器的公称直径（无缝钢管制作筒体时容器的公称直径（mmmm）压力容器法兰0.250.61.01.62.5 4.0 6.4管法兰0.250.61.01.62.5 4.0 5.0101525一、薄壁容器设计的理论基础一、薄壁容器设计的理论基础薄壁容器

9、根据容器外径DO与内径Di的比值K来判断，iiiiDDDDDK2120当K1.2为薄壁容器 K1.2则为厚壁容器第二节第二节 内压薄壁容器设计内压薄壁容器设计圆筒形薄壁容器承受内压时的应力圆筒形薄壁容器承受内压时的应力只有拉应力无弯曲“环向纤维”和“纵向纤维”受到拉力。1（或轴）圆筒母线方向(即轴向)拉应力，2（或环）圆周方向的拉应力。圆筒的应力计算圆筒的应力计算 1. 1. 轴向应力轴向应力D-筒体平均直径，亦称中径，mm404112pDDDp2. 2. 环向应力环向应力20222pDlpDl分析：（1）薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍。问题a：筒体上开椭圆孔，如何开?2/24/pDpD

10、应使其短轴与筒体的轴线平行，以尽量减少开孔对纵截面的削弱程度，使环向应力不致增加很多。分析：问题b：钢板卷制圆筒形容器，纵焊缝与环焊缝哪个易裂？2/24/pDpD筒体纵向焊缝受力大于环向焊缝，故纵焊缝易裂，施焊时应予以注意。（2）分析式(10-1)和(10-2)也可知，2/24/pDpDDp/2/内压筒壁的应力和/D成反比，/D 值的大小体现着圆筒承压能力的高低。因此，分析一个设备能耐多大压力，不能只看厚度的绝对值。二、无力矩理论基本方程式二、无力矩理论基本方程式 基本概念与基本假设基本概念与基本假设 1 1 基本概念基本概念 （1 1） 旋转壳体旋转壳体 ：壳体中面（等分壳体厚度）是任意直线

11、或平面曲线作母线，绕其同平面内的轴线旋转一周而成的旋转曲面。（2 2） 轴对称轴对称壳体的几何形状、约束条件和所受外力都是对称于某一轴。化工用的压力容器通常是轴对称问题。 （3 3）旋转壳体的几何概念）旋转壳体的几何概念 母线与经线法线、平行圆第一曲率半径：经线曲率半径第二曲率半径：垂直于经线的平面与中面相割形成的曲线BE的曲率半径2 2基本假设基本假设 假定壳体材料有连续性、均匀性和各向同性，即壳体是完全弹性的。 (1)(1)小位移假设小位移假设 各点位移都远小于厚度。可用变形前尺寸代替变形后尺寸。变形分析中高阶微量可忽略。 (2)(2)直线法假设直线法假设 变形前垂直于中面直线段，变形后仍

12、是直线并垂直于变形后的中面。变形前后法向线段长度不变。沿厚度各点法向位移相同，厚度不变。 (3)(3)不挤压假设不挤压假设 各层纤维变形前后互不挤压。 无力矩理论基本方程式无力矩理论基本方程式 无力矩理论是在旋转薄壳的受力分析中忽略了弯矩的作用。此时应力状态和承受内压的薄膜相似。又称薄膜理论薄膜理论2cos212pRprk（10-3）平衡方程（10-4）区域平衡方程 无力矩理论基本方程式：无力矩理论基本方程式：pRR2211三、基本方程式的应用三、基本方程式的应用1 1圆筒形壳体圆筒形壳体 第一曲率半径R1=，第二曲率半径R2=D/2 代入方程（10-3）和（10-4）得： 与式（10-1）、

13、（10-2）同。pRR22112 421pDpD 受气体内压壳体的受力分析受气体内压壳体的受力分析 2cos212pRprk2 2球形壳体球形壳体 球壳R1R2=D/2，得： 直径与内压相同，球壳内应力仅是圆筒形壳体环向应力的一半，即球形壳体的厚度仅需圆筒容器厚度的一半。 当容器容积相同时，球表面积最小，故大型贮罐制成球形较为经济。pRR2211 421pD2cos212pRprk3 3圆锥形壳体圆锥形壳体圆锥形壳半锥角为a，A点处半径为r，厚度为d，则在A点处：代入（10-3）、（10-4）可得A点处的应力：cos 21rRR（10-6） 锥形壳体环向应力是经向应力两倍，随半锥角a的增大而增

14、大； a角要选择合适，不宜太大。 在锥形壳体大端r=R时，应力最大，在锥顶处，应力为零。因此，一般在锥顶开孔。 cos21kpr cos2kpr4椭圆形壳体 椭圆壳经线为一椭圆，a、b分别为椭圆的长短轴半径。由此方程可得第一曲率半径为：12222byaxbabaxadxyddxdyR42/32224222/321)()(1 bbaxaxR2/ 122242)(sin（10-7） )(2 )(2)(2222442224222241baxaabaxabpbaxabp化工常用标准椭圆形封头，a/b=2，故 顶点处： 边缘处： 顶点应力最大，经向应力与环向应力是相等的拉应力。 顶点的经向应力比边缘处的

15、经向应力大一倍； 顶点处的环向应力和边缘处相等但符号相反。 应力值连续变化。pa21papa212 受液体静压的圆筒形壳体的受力分析受液体静压的圆筒形壳体的受力分析 筒壁上任一点的压力值（不考虑气体压力）为： 根据式（10-3）（10-4）可得：ghp22ghD2 421pDpD 底部支承的圆筒（a），液体重量由支承传递给基础，筒壁不受液体轴向力作用，则1=0。 上部支承圆筒（b），液体重量使得圆筒壁受轴向力作用，在圆筒壁上产生经向应力：422121gHDgHRgHRR例题10-1：有一外径为219mm的氧气瓶，最小厚度为6.5mm，材料为40Mn2A，工作压力为15MPa，试求氧气瓶壁应力。

16、解析：平均直径 mm经向应力 MPa环向应力 MPa5.2125.62190DD6.1225.645.2121541pD2.2455.625.2121522pD四、筒体强度计算四、筒体强度计算实际设计中须考虑三个因素：（1）焊接接头系数（2）容器内径（3）壁厚 筒体内较大的环向应力不应高于在设计温度下材料的许用应力，即t-设计温度t下材料许用应力，MPatpD2 焊接接头系数钢板卷焊。夹渣、气孔、未焊透等缺陷，导致焊缝及其附近区域强度可能低于钢材本体的强度。 钢板 t乘以焊接接头系数， 1tpD2 容器内径工艺设计确定内径Di，制造测量也是内径，而受力分析中的D却是中面直径。解出，得到内压圆筒

17、的厚度计算式tiDp2)(ppDti2 壁厚考虑介质腐蚀，计算厚度的基础上，增加腐蚀裕度C2。筒体的设计厚度为 式中 -圆筒计算厚度， mm； d-圆筒设计厚度， mm； Di-圆筒内径， mm； p-容器设计压力， MPa； -焊接接头系数。 22CppDtid ppDti2另一种情况：另一种情况：筒体设计厚度加上厚度负偏差C1后向上圆整，即为筒体名义厚度。对于已有的圆筒，测量厚度为 n，则其最大许可承压的计算公式为：式中 ：n-圆筒名义厚度 圆整成钢材标准值； eietnintDCDCp221Cdne-圆筒有效厚度C-厚度附加量。 设计温度下圆筒的计算应力 teeictDp2Cne21CC

18、C五、球壳强度计算设计温度下球壳的计算厚度：设计温度下球壳的计算应力 teeictDp4 ppDti4六、设计参数 厚度设计参数按GBl50-1998中规定取值。 设计压力、 设计温度、 许用应力、 焊接接头系数 厚度附加量等参数的选取。22CppDtid1Cdn设计压力（计算压力）设计压力（计算压力）设计压力设计压力: :相应设计温度下确定壳壁厚度的压力，亦即标注在铭牌上的容器设计压力。其值稍高于最大工作压力。最大工作压力：最大工作压力：是指容器顶部在工作过程中可能产生的最高压力（表压）。v使用安全阀时设计压力不小于安全阀开启压力或取最大工作压力1.051.10倍；v使用爆破膜作为安全装置时

19、，根据其型式，一般取最大工作压力的1.151.4倍作为设计压力。 容器内盛有液体，若其静压力不超过最大工作压力的5，则设计压力可不计入静压力，否则，须在设计压力中计入液体静压力。 此外，某些容器有时还必须考虑重力、风力、地震力等载荷及温度的影响，这些载荷不直接折算为设计压力，必须分别计算。 设计温度设计温度选择材料和许用应力的确定直接有关。 设计温度指容器正常工作中，在相应的设计条件下，金属器壁可能达到的最高或最低温度。器壁温度通过换热计算，或者已适用的同类容器上测定，或按内部介质温度确定。v不被加热或冷却，筒内介质最高或最低温度。v用蒸汽、热水或其它载热体加热或冷却，载体最高温度或最低温度。

20、v不同部位出现不同温度分别计算许用应力许用应力v许用应力是以材料的各项强度数据为依据，合理选择安全系数n得出的。v抗拉强度、屈服强度，蠕变强度、疲劳强度。取其中最低值。v当设计温度低于0时，取20时的许用应力。n0焊接接头系数焊接接头系数v焊接削弱而降低设计许用应力的系数。v根据接头型式及无损检测长度比例确定。焊接接头形式无损检测的长度比例100%局部双面焊对接接头或相当于双面焊的对接接头1.00.85单面焊对接接头或相当于单面焊的对接接头0.90.8符合压力容器安全技术检察规程才允许作局部无损探伤。抽验长度不应小于每条焊缝长度的20。厚度附加量厚度附加量满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的

21、厚度量，包括由钢板负偏差(或钢管负偏差) Cl、腐蚀裕量 C2，即 C Cl十 C2厚度22.22.52.83.03.23.53.84 4.55.5 负偏差0.130.140.150.160.18 0.2 0.2 厚度6782526303234 36404250 5260 负偏差0.60.8 0.91 1.11.21.3 腐蚀裕量C2应根据各种钢材在不同介质中的腐蚀速度和容器设计寿命确定。 塔类、反应器类容器设计寿命一般按20年考虑，换热器壳体、管箱及一般容器按10年考虑。 腐蚀速度0.05mma(包括大气腐蚀)时： 碳素钢和低合金钢单面腐蚀C21mm，双面腐蚀取C22mm， 当腐蚀速度0.0

22、5mma时，单面腐蚀取C22mm，双面腐蚀取C24mm。 不锈钢取C20。l氢脆、碱脆、应力腐蚀及晶间腐蚀等，增加腐蚀裕量不是有效办法，而应根据情况采用有效防腐措施。 l工艺减薄量，可由制造单位依据各自的加工工艺和加工能力自行选取，设计者在图纸上注明的厚度不包括加工减薄量。七、最小壁厚七、最小壁厚l设计压力较低的容器计算厚度很薄。l大型容器刚度不足，不满足运输、安装。l限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求。l壳体加工成形后不包括腐蚀裕量最小厚度min：a. 碳素钢和低合金钢制容器不小于3mm b. 对高合金钢制容器，不小于2mm 22CppDtid八、压力试验八、压力试验为什麽要进行压力试验呢？

23、为什麽要进行压力试验呢？制造加工过程不完善，导致不安全，发生过大变形或渗漏。最常用的压力试验方法是液压试验。通常用常温水，也可用不会发生危险的其它液体。试验时液体的温度应低于其闪点或沸点。不适合作液压试验的容器：不适合作液压试验的容器：如装入贵重催化剂要求内部烘干；容器内衬耐热混凝土不易烘干；由于结构原因不易充满液体的容器以及容积很大的容器等，可用气压试验代替液压试验。对压力试验的规定情况如下表所示：对压力试验的规定情况如下表所示：类型试验压力强度条件说明 备注液压试验 (10-17) （10-19)立式容器卧置进行水压试验，试验压力取立置试验压力+液柱静压力压力试验时，由于容器承受的压力pT

24、 高于设计压力p，故必要时需进行强度效核。气压试验 (10-18） (10-20)pT -试验压力， MPa； p -设计压力， MPa； 一试验温度下的材料许用应力， MPa； T 一设计温度下的材料许用应力， MPa 液压试验时水温不能过低(碳素钢、16MnR不低于5，其它低合金钢不低于15)，外壳应保持干燥。 设备充满水后，待壁温大致相等时，缓慢升压到规定试验压力，稳压30min，然后将压力降低到设计压力，保持30min以检查有无损坏，有无宏观变形，有无泄漏及微量渗透。 水压试验后及时排水，用压缩空气及其它惰性气体，将容器内表面吹干。例题4-2：某化工厂欲设计一台石油气分离工程中的乙烯精

25、馏塔。工艺要求为塔体内径Di=600mm；设计压力p2.2MPa；工作温度t-3-20。试选择塔体材料并确定塔体厚度。解析：解析：由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在-20以上，承受一定的压力，故选用16MnR。 根据式(10-12)式中p2.2MPa；Di=600mm；170MPa （附录表6） =0.8(表10-9)； C2=1.0 mm 得：22CppDtidmmd89.50.12.28.017026002.2考虑钢板厚度负偏差C10.6mm圆正取dn=7mm水压试验时的应力 16MnR的屈服限s=345MPa（附录表6）水压试验时满足强度要求。sT9.0九、边缘应力九、边缘应力无力矩理论忽

26、略了剪力与弯矩的影响，可以满足工程设计精度的要求。但对图中所示的一些情况，就须考虑弯矩的影响。(a)、(b)、(c)是壳体与封头联接处经线突然折断；(d)是两段厚度不等的筒体相连接 (e)、(f)、(g)有法兰、加强圈、管板等刚度大的构件。 相邻两段性能不同，或所受温度或压力不同，导致两部分变形量不同，但又相互约束，从而产生较大的剪力与弯矩。筒体与封头联接为例， 边缘应力数值很大，有时导致容器失效，应重视。边缘应力具有局限性和自限性两个基本特性：边缘应力具有局限性和自限性两个基本特性： 1局限性 大多数都有明显的衰减波特性，随离开边缘的距离增大，边缘应力迅速衰减。 2自限性 弹性变形相互制约，

27、一旦材料产生塑性变形，弹性变形约束就会缓解，边缘应力自动受到限制，即边缘应力的自限性。v塑性好的材料可减少容器发生破坏。 v局部性与自限性，设计中一般不按局部应力来确定厚度，而是在结构上作局部处理。v但对于脆性材料，必须考虑边缘应力的影响。思考题思考题1.承受气体压力的圆筒和圆锥形壳体的应力有什么特点？标准椭圆壳的应力又是怎样的？2.无力矩理论的适用条件是什么？3.边缘应力的特点是什么？4.在什么情况下需要考虑边缘应力？作作 业业习题：P224 4，8一、外压容器失稳外压容器：容器外部压力大于内部压力。石油、化工生产中外压操作，例如：石油分馏中的减压蒸馏塔、多效蒸发中的真空冷凝器、带有蒸汽加热

28、夹套的反应釜 真空干燥、真空结晶设备等。第三节 外压圆筒设计失稳的概念失稳的概念容器外压与受内压一样产生径向和环向应力，是压应力。也会发生强度破坏。容器强度足够却突然失去了原有的形状，筒壁被压瘪或发生褶绉，筒壁的圆环截面一瞬间变成了曲波形。这种在外压作用下，筒体突然失去原有形状的现象称弹性弹性失稳失稳。容器发生弹性失稳将使容器不能维持正常操作，造成容器失效。失稳现象的实质：失稳现象的实质：外压失稳前，只有单纯的压缩应力，在失稳时，产生了以弯曲应力为主的附加应力。外压容器的失稳，实际上是容器筒壁内的应力状态由单纯的压应力平衡跃变为主要受弯曲应力的新平衡。二、容器失稳形式二、容器失稳形式侧向失稳侧

29、向失稳由于均匀侧向外压引起失稳叫侧向失稳侧向失稳。壳体横断面由原来的圆形被压瘪而呈现波形，其波形数可以等于两个、三个、四个。轴向失稳轴向失稳 薄壁圆筒承受轴向外压，当载荷达到某一数值时，也会丧失稳定性。失稳，仍具有圆环截面，但破坏了母线的直线性，母线产生了波形，即圆筒发生了褶绉。 局部失稳局部失稳在支座或其他支承处以及在安装运输中由于过大的局部外压也可能引起局部失稳。三、临界压力计算三、临界压力计算临界压力：临界压力：导致筒体失稳的外压，Pcr临界应力：临界应力：筒体在临界压力作用下，筒壁内的环向压缩应力，以cr表示。外压低于Pcr，变形在压力卸除后能恢复其原先形状，即发生弹性变形。达到或高于

30、Pcr时，产生的曲波形将是不可能恢复的。临界压力与哪些因素有关？临界压力与哪些因素有关？失稳是固有性质，不是由于圆筒不圆或是材料不均或其它原因所导致。每一具体的外压圆筒结构，都客观上对应着一个固有的临界压力值。临界压力的大小与筒体几何尺寸、材质及结构因素有关。根据失稳情况将外压圆筒分为三类：根据失稳情况将外压圆筒分为三类：长圆筒：长圆筒：刚性封头对筒体中部变形不起有效支撑，最容易失稳压瘪，出现波纹数n=2的扁圆形。短圆筒：短圆筒：两端封头对筒体变形有约束作用，失稳破坏波数n2，出现三波、四波等的曲形波。刚性圆筒：刚性圆筒：若筒体较短，筒壁较厚，即L/D0较小，e/D0较大，容器的刚性好，不会因

31、失稳而破坏。 长圆筒长圆筒 式中 Pcr-临界压力， MPa； e-筒体的有效厚度， mm； D0-筒体的外直径， mmEt-操作温度下圆筒材料的弹性模量， MPa -材料的泊桑比。长圆筒的临界压力计算公式：302)(12DEpecrniDD20分析： 长圆筒的临界压力仅与圆筒的相对厚度e/D0有关，而与圆筒的相对长度L/D0无关。对于钢制圆筒，=0.3，则30)(20.2DEpetcr302)(12DEpecr 短圆筒短圆筒短圆筒的临界压力计算公式为：l 短圆筒临界压力与相对厚度e/D0有关，也随相对长度L/D0变化。lL/D0越大，封头的约束作用越小，临界压力越低。)/()/(59.205

32、.20DLDEpecrL为筒体计算长度，指两相邻加强圈的间距；对与封头相连接的那段筒体而言，应计入凸形封头中的1/3的凸面高度。)/()/(59.205.20DLDEpecr临界压力计算公式使用范围：临界压力计算公式使用范围：临界压力计算公式在认为圆筒截面是规则圆形及材料均匀的情况下得到的。实际筒体都存在一定的圆度，不可能是绝对圆的，实际筒体临界压力将低于计算值。但即使壳体形状很精确和材料很均匀，当外压力达到一定数值时，也会失稳，只不过是壳体的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。 刚性筒刚性筒 刚性筒是强度破坏，计算时只要满足强度要求即可，其强度校核公式与内压圆筒相同

33、。 22CppDtid 临界长度临界长度实际外压圆筒是长圆筒还是短圆筒，可根据临界长度Lcr来判定。 当圆筒处于临界长度Lcr时，长圆筒公式计算临界压力Pcr值和短圆筒公式计算临界压力Pcr值应相等)/()/(59.2)(20.205.2030DLDEDEee得： v 当筒长度LLcr，Pcr按长圆筒 v 当筒长度LLcr时，Pcr按短圆筒公式按规则圆形推的，实际圆筒总存在一定的不圆度，公式的使用范围必须要求限制筒体的圆度e。ecrDDL0017.1四、外压圆筒的设计四、外压圆筒的设计 算法概述 外压圆筒计算常遇到两类问题两类问题：一是已知圆筒的尺寸，求它的许用外压 p；另一是已给定工作外压，

34、确定所需厚度e。 1 1许用外压许用外压 p p 圆度，长圆筒或管子一般压力达到临界压力值的 l213时就可能会被压瘪。 大于计算压力的工况，不允许在外压力等于或接近于临界压力，必须有一定的安全裕度，使许用压力比临界压力小，即p-许用外压； m-稳定安全系数，m1mppcr稳定安全系数稳定安全系数mm的选取的选取主要考虑两个因素： 一个是计算公式的可靠性； 另一个是制造上所能保证的圆度。根据GB150-1998钢制压力容器的规定m=3，圆度与D0/e、L/D0有关。2 2设计外压容器设计外压容器由于Pcr或p都与筒体的几何尺寸（e、D0、L）有关，通常采用试算法：设计外压容器，应使许用外压p小

35、于临界压力Pcr，即稳定条件为： pmpcr试算法试算法：由工艺条件定内径和筒体长度 先假定一个e pmpcr根据筒体计算长度判断属于长圆筒还是短圆筒，再代入相应临界压力计算式。ecrDDL0017.1求出相应的p,然后比较p是否大于或接近设计压力p，以判断假设是否合理。30)(20.2DEpetcr)/()/(59.205.20DLDEpecr设计外压：设计外压： 不小于正常工作过程中可能出现的最大内外压力差。真空容器： 有安全控制装置（真空泄放阀），取1.25倍最大内外压差或0.1MPa中较小值； 无安全控制装置，取0.1MPa。带夹套容器：真空设计压力再加上夹套设计压力。（二）（二） 图

36、算图算 长、短圆筒临界压力计算式均可归纳为)/()/(59.205.20DLDEpecr30)(DKEpecrK为特征系数，00,DDLKe302)(12DEpecr外压圆筒在临界压力下的周向应力为200)(212DKEDpeecrcr周向应变以A代替00,DLDfe eDBp032,3232的关系是即而BAAEAB（三）（三） 外压圆筒厚度设计方法外压圆筒厚度设计方法 利用算图确定外压圆筒厚度。步骤如下： 1 1 D D0 0/d/de e2020的外压圆筒及外压管的外压圆筒及外压管a. 假设n,计算en-C,定出L/D0、D0/e值b. 在图10-15 外压或轴压受压圆筒和管子几何参数计算

37、图中得到系数A；c. 根据所用材料，从A-B关系图（图10-16至图10-20）中选用，读出B值，并按式（10-25）或（10-26）计算许用外压力p：eDBp/0)/(320eDAEpd. 比较许用外压p与设计外压p若pp，假设的厚度n可用，若小得过多，可将n适当减小，重复上述计算若pp，需增大初设的n，重复上述计算，直至使pp且接近p为止。2. 2. D D0 0/ /e e2020的外压圆筒及外压管子的外压圆筒及外压管子a用与D0/e20相同的方法得到系数B，但对D0/e4圆筒及管子计算系数A值：系数A0.1时，取A=0.1； 20)/(1.1eDABDpe0625. 0/25. 201

38、b计算pl和p2。取pl和p2中的较小值为许用外压p/11/20002eeDDpt20tts2.009.09.0或0取以下两式中的较小值c比较许用外压p与设计外压pv若pp，假设的厚度n可用，若小得过多，可将n适当减小，重复上述计算v若pp，需增大初设的n，重复上述计算，直至使pp且接近p为止。五、外压容器的试压五、外压容器的试压外压容器和真空容器按内压容器进行液压试验，试验压力取1.25倍的设计外压，即 :式中p-设计外压力，MPa； pT-试验压力，MPa。ppT25.1l夹套容器内筒如设计压力为正值时，按内压容器试压；如设计压力为负值时按外压容器进行液压试验。l夹套容器液压试验合格后再焊

39、接夹套。夹套内压试验压力为：l夹套内压试验必须事先校核该容器在夹套试压时的稳定性是否足够。l不满足稳定性，则液压试验时容器内保持一定压力，以便在整个试压过程中，夹套与筒体的压力差不超过设计值。 tTpp25. 1例10-3：分馏塔内径2000mm，塔身(不包括椭圆形封头)长度为6000mm，封头深度500mm。370及真空条件下操作。现库存有9、12、14mm厚20g钢板。能否用这三种钢板制造。 塔的计算长度：钢板负偏差均为0.8mm钢板的腐蚀裕量取1mm。有效厚度为7.2、10.2和12.2mm。简化计算，有效厚度7、10和12mmmmL63405003126000当e=7mm时查图10-1

40、5得A=0.000085。20g钢板的s=250MPa（查附录6），查图10-17，A值点落在材料温度线得左方，故：20g钢板370时的E=1.69105MPap0.1MPa，所以9mm钢板不能用。14.392200063400DL3.288720180eDEAB32MPaDBpe033. 03 .2881105 . 81069. 132/550当e=10mm时查图4-15得A=0.000013。查图10-17，A值所在点仍在材料温度线得左方，故p0.1MPa，所以12mm钢板也不能用。132.3122200063400DL4.2021020240eDMPaDBpe072. 04 .20211

41、03 . 11069. 132/450当e=12mm时查图10-15得A=0.000018。查图10-17，A值所在点仍在材料温度线得左方，故：p0.1MPa，所以，须采用14mm厚的20g钢板制造。126.3142200063400DL1691220280eDMPaDBpe12.01691108 .11069.132/450六、加强圈六、加强圈内径2000mm、全长7000mm的分馏塔，要保证在0.1MPa外压下安全操作，须用14mm厚钢板。较簿钢板满足不了外压要求。装上一定数量的加强圈，利用圈对筒壁的支撑作用，可以提高圆筒的临界压力，从而提高其工作外压。扁钢、角钢、工字钢等都以制作加强圈。

42、加强圈最大间距：加强圈最大间距：外压圆筒加强圈间距已选定，可按上述图算法确定出筒体厚度；如果筒体的D0/e已确定，可从下式解出加强圈最大间距：加强圈的实际间距如小于或等于算出的间距，表明该圆筒能安全承受设计压力。)/()/(59.205 .20DLDEpecrmpDEDLe5.200)(59.2加强圈的安装：加强圈的安装：加强圈可设置在容器内部或外部。连续或间断焊接，当加强圈在外面时，每侧间断焊接的总长度不应小于圆筒外圆周长的1/2；在里面，焊缝总长度不应小于内圆周长度1/3。间断焊最大间距，外加强圈不能大于筒体名义厚度8倍；内加强圈不能大于筒体名义厚度12倍为保证强度，加强圈不能任意削弱或割

43、断。水平容器加强圈须开排液小孔。允许割开或削弱而不需补强的最大弧长间断值。思考题思考题 ：1. 外压圆筒的失稳形式有哪些？2. 影响外压圆筒临界压力的因素有哪些？3. 外压圆筒上设置加强圈的目的是什么？作作 业业习题：P224 9，11，12封头又称端盖，其分类：封头又称端盖，其分类：第四节第四节 封头的设计封头的设计一、椭圆形封头一、椭圆形封头半椭球和高度为h的短圆筒(通称直边)两部分构成，直边保证封头制造质量和避免边缘应力作用。受内压的椭圆形封头受内压的椭圆形封头计算厚度：K-椭圆形封头形状系数，标准椭圆形封头(长短轴之比值为2)，K=1。壁厚计算公式：p.KpDti502212261hD

44、KippDti5.02当封头是由整块钢板冲压时，值取为1。筒体设计壁厚计算公式：v忽略分母上微小差异，大多数椭圆封头壁厚与筒体同，或比筒体稍厚。v还应保证封头的有效壁厚e满足：对标准椭圆形封头不小于封头内直径的0.15。 CpKpDtid5 .02 22CppDtid椭圆形封头最大允许工作压力 标准椭圆形封头的直边高度由表10-11确定。封 头材 料碳素钢、普低钢、复合钢板不锈钢、耐酸钢 封 头壁 厚48 101820 39101820 直 边高 度254050254050 eietKDp5.02受外压（凸面受压）椭圆形封头受外压（凸面受压）椭圆形封头外压椭圆形封头厚度设计步骤同外压圆筒。假设

45、n,计算en-C,算出R0/ e 。椭圆形封头当量球壳外半径R0=K1 D0。 K1 由长短轴比值决定，标准椭圆形封头K1 =0.9b. 计算系数eRA/125.00eRBp/0c. 根据材料，从A-B图（图10-16至图10-20）中选用，若A值落在设计温度线的右方，读出B值计算许用外压力p若A值在设计温度线的左方，则许用外压： 20/0833.0eREpd. 比较许用外压p与设计外压pv若pp，假设的厚度n可用，若小得过多，可将n适当减小，重复上述计算v若pp，需增大初设的n，重复上述计算，直至使pp且接近p为止。二、半球形封头二、半球形封头受内压球形封头计算壁厚与球壳相同。球形封头壁厚可

46、较圆筒壳减薄一半。但为焊接方便以及降低边缘压力，半球形封头常和筒体取相同的厚度。 受外压的球形封头的厚度设计，计算步骤同椭圆形封头。球壳外半径R0=K1 D0，其中 K1=0.5 三、碟形封头三、碟形封头又称带折边球形封头，球面半径Ri、过渡圆弧半径r和高度为h的直边。相同受力，碟形封头壁厚比椭圆形封头壁厚要大些，而且碟形封头存在应力不连续，因此没有椭圆形封头应用广泛。四、球冠形封头四、球冠形封头降低凸形封头高度，将碟形封头的直边及过圆弧部分去掉，只留下球面部分。也称无折边球形封头。五、锥形封头五、锥形封头 广泛用于化工设备(如蒸发器、喷雾干燥器、结晶器及沉降器等)的底盖. 便于收集与卸除设备中的固体物料。 塔设备上、下部分的直径不等，也常用锥形壳体连接，称为变径段。（一）无折边锥形封头或锥形筒体（一）无折边锥形封头或锥形筒体适用于锥壳半锥角a3001、锥壳大端 a. 查图10-27，大端是否须加强 c. 需加强，以降低联接处的局部应力。锥壳加强段和圆筒加强段厚度相同 pQpDtir2Q为锥壳与圆筒联接处的应力增值系数，查图10-28 cos5.021riD