化工设备课件(修改-3)

1、化工设备设计基础施强前 言v化工容器及设备设计包括工艺和机械设计,前者是化工原理解决的问题,后者是本课程解决的问题。v在学好本课程的基础上,结合其他专业课程所学知识,同学们可选择一种产品,进行合成、工艺及设备设计,实现个人价值。v本课程的课程设计即是对同学们设计能力的强化训练。l财富财富生产生产设备设备l容器容器是设备外壳及容器的总称是设备外壳及容器的总称化工容器及设备设计化工容器及设备设计工艺设计工艺设计机械设计机械设计尺寸、高、径尺寸、高、径换热面积换热面积塔板数塔板数 化化工工原原理理整体及部件结构整体及部件结构选材选材强、刚度计算强、刚度计算设备设计设备设计预预算算合成设计合成设计工艺

2、设计工艺设计设备设计设备设计启动资金启动资金效益效益回收期回收期二、怎样学好本课程v掌握教材中涉及的一些基本专业名词和知识掌握教材中涉及的一些基本专业名词和知识v 弄懂经验图表和公式的用处及适用范围弄懂经验图表和公式的用处及适用范围v将课本当作工具箱，要求通过本课程的学习，将课本当作工具箱，要求通过本课程的学习，形成解决问题形成解决问题 的清晰思路的清晰思路三、本课程成绩 由三部分组成：由三部分组成： 平时（笔记、作业、出勤）平时（笔记、作业、出勤） 课程设计课程设计 20% 期末考试期末考试 80%四、参考书籍1、化工设备机械基础化工设备机械基础（第二版），（第二版）， 董大勤主编，化学工业

3、出版社。董大勤主编，化学工业出版社。 2、 化工容器及设备简明设计手册化工容器及设备简明设计手册， 贺匡国主编，化学工业出版社贺匡国主编，化学工业出版社。第一章 化工设备材料v 这就对设备的选材造成了这就对设备的选材造成了复杂性复杂性。腐、毒性、介质低、高温、温度负、常、低、中、高压、压力321为什么将设备材料作为一章来加以学习？为什么将设备材料作为一章来加以学习？ 化工生产是多种多样的，其设备化工生产是多种多样的，其设备操作操作条件条件也是多种多样的也是多种多样的：第一节 材料的一般性能一、物理性能物理性能 金属材料的物理性能有密度、熔点、比金属材料的物理性能有密度、熔点、比热、导热系数、热

4、膨胀系数、导电性、弹性热、导热系数、热膨胀系数、导电性、弹性模量和泊松比等模量和泊松比等。1、导热系数材料的导热温度系数。度时的导热系数；温时的导热系数；0)1(00ttxtdAdQtt2、热膨胀系数变因温度变化引起的线应线应变tttLL123、弹性模量弹性模量（1）弹性变形阶段(ob段）A、虎克定律虎克定律其值随温度而变。是材料的基本属性，但示材料的弹性。弹性模量，其值大小表EMPaEtg示材料的弹性。弹性模量，其值大小表EMPaEtgB 、泊松比泊松比随温升而变小）随温而变（、）限内；）以上讨论是在弹性极注意：又叫横向变形系数故EEllldddlllddd2100000000随温升而变小）

5、随温而变（、）限内；）以上讨论是在弹性极注意：又叫横向变形系数故EElllddd210000（2）屈服阶段（初塑变阶段，屈服阶段（初塑变阶段，c段）段）电子电子 自由自由 不自由不自由跑动跑动连接连接正离子正离子 原子原子不动不动晶体晶体自由电子穿梭于动态正离子间，象一团电自由电子穿梭于动态正离子间，象一团电子云气把金属正离子牢固地束缚在一起，子云气把金属正离子牢固地束缚在一起，这种金属原子间的结合称为这种金属原子间的结合称为金属键金属键。“屈服屈服”二字的由来？二字的由来？A、（补充内容）金属键、（补充内容）金属键金属键是一种动态平衡金属键是一种动态平衡B、杆内斜截面上的受力分析当拉力当拉力

6、F 增大，斜截面增大，斜截面上的剪力上的剪力 也增大。而也增大。而 的作用是使晶体相的作用是使晶体相邻晶面有相互错动的趋邻晶面有相互错动的趋势。一旦错动在金属学势。一旦错动在金属学中称为中称为滑移滑移。A、当当F不大时，不大时， ，金属原子间的结合力抵金属原子间的结合力抵抗了剪应力，错动只是抗了剪应力，错动只是趋势，此时只弹性变形趋势，此时只弹性变形。B、当当 时，错动时，错动发发生了。此时滑移并没破生了。此时滑移并没破坏金属键，所以滑移是坏金属键，所以滑移是有限的。易滑的滑完后有限的。易滑的滑完后就不再屈服了。就不再屈服了。se 由于滑移是外力功的宏观表现，故此功不象弹性由于滑移是外力功的宏

7、观表现，故此功不象弹性变形时那样全部转变成材料的变形能。故滑移后变形时那样全部转变成材料的变形能。故滑移后的晶面在外力除去后也不能滑回去了。的晶面在外力除去后也不能滑回去了。滑移做功有限使物复原变形能后，外力功达使物复原变形能内，外力功在ee、外力功外力功 思考题：思考题：为什么滑移之后的材料不能复原？为什么滑移之后的材料不能复原？（3） 强化阶段（强化阶段（cd段，弹塑变形阶段）段，弹塑变形阶段）在屈服阶段，随着滑移的进行，金属的晶在屈服阶段，随着滑移的进行，金属的晶粒会出现变形、破碎，晶格会出现扭曲、粒会出现变形、破碎，晶格会出现扭曲、破坏现象，这就改变了最大剪应力的角度破坏现象，这就改变

8、了最大剪应力的角度加上金属键的作用，滑移就被阻止了。要加上金属键的作用，滑移就被阻止了。要想再滑，就要增大外力，此即想再滑，就要增大外力，此即强化强化现象现象。4（4）颈缩阶段（bf阶段）问答题：问答题：断裂后弹变将随内力消失而消失，它是怎样消失断裂后弹变将随内力消失而消失，它是怎样消失的呢？的呢？bb当应力达当应力达 时，试件的直径会突然变细，时，试件的直径会突然变细，此即此即颈缩颈缩现象。此时金属键遭破坏。一旦现象。此时金属键遭破坏。一旦颈缩，断裂就不可避免。故颈缩，断裂就不可避免。故 又叫又叫断裂断裂极限极限。是沿平行于是沿平行于ob的直线的直线dg消失的。这说明弹性变形在恢复消失的。这

9、说明弹性变形在恢复时也符合虎克定律。时也符合虎克定律。是总弹性变形量；能表示材料的塑性大小，是总塑性变形量图中：nmmo是总弹性变形量；能表示材料的塑性大小，是总塑性变形量图中：nmmo二、力学性能力学性能是指金属材料在外力作用下的力学性能是指金属材料在外力作用下的表现出来的特性，如强度、硬度、弹表现出来的特性，如强度、硬度、弹性、塑性和韧性等。性、塑性和韧性等。1、强度（1） ：不允许有微量变形不允许有微量变形（2） ：允许有微量变形允许有微量变形sb2、硬度力单位压陷球面所承受压222MPadDDDFHB NDP22943、塑性材料受力到了屈服点材料受力到了屈服点 ， 就开始表现出塑就开始

10、表现出塑性。性。 表示了材料抗塑变的能力。而塑性的表示了材料抗塑变的能力。而塑性的大小，即塑变的能力则用大小，即塑变的能力则用 或或 表示。表示。塑性塑性是单位长度的材料所能提供的最大不是单位长度的材料所能提供的最大不可逆变形量。可逆变形量。ss0ll202ddAA4、弹性1）定义：物体受力变形，除去外力后能自行定义：物体受力变形，除去外力后能自行复原的能力，即弹性是抗变形的能力。复原的能力，即弹性是抗变形的能力。2）E值表示弹性大小，是材料属性，但随温度值表示弹性大小，是材料属性，但随温度变化而变化变化而变化。5、韧性冲击功冲击功：冲击韧性冲击韧性：)(21mNHHGAkSAakk 破坏过程

11、破坏过程： 受击受击裂纹裂纹扩展扩展断裂断裂1）定义：单位缺口截面所能承受的极限冲击功。定义：单位缺口截面所能承受的极限冲击功。或者说：韧性是材料在外加动载荷突击时的一或者说：韧性是材料在外加动载荷突击时的一种及时而迅速塑性变形的能力种及时而迅速塑性变形的能力。2）韧性高，塑性高，塑是韧的基础。韧性高，塑性高，塑是韧的基础。 但塑性但塑性高，韧性不一定高高，韧性不一定高。因静载下能缓慢塑变的材料不一定在动载下能因静载下能缓慢塑变的材料不一定在动载下能迅速塑变。迅速塑变。三、化学性能v化学性能指材料在所处介质中的化学稳化学性能指材料在所处介质中的化学稳定性，主要指耐腐蚀性和抗氧化性定性，主要指耐

12、腐蚀性和抗氧化性。l金属的腐蚀现象很复杂。金属的腐蚀现象很复杂。l 碳钢不耐稀硫酸，而耐浓硫酸；碳钢不耐稀硫酸，而耐浓硫酸；l 铅不耐浓硫酸，而耐稀硫酸；铅不耐浓硫酸，而耐稀硫酸；l 不锈钢不耐浓硝酸，而耐稀硝酸不锈钢不耐浓硝酸，而耐稀硝酸;l 1、电化学腐蚀由于金属表面组织结构由于金属表面组织结构不均，左边一对电化学不均，左边一对电化学反应分别在金属表面的反应分别在金属表面的不同区域进行。不同区域进行。渗碳体渗碳体电负性较小，电负性较小， 内部得内部得e表面放表面放e。铁素体铁素体电负性较大，内部电负性较大，内部供供e表面放表面放Fe。电化学腐蚀电化学腐蚀指金属与电解质溶液间产生电指金属与电

13、解质溶液间产生电化学作用而引起的破坏。其化学作用而引起的破坏。其特点特点是在腐蚀是在腐蚀过程中有电流产生，且是点腐蚀。过程中有电流产生，且是点腐蚀。两种相互接触的不同金属浸在腐蚀性介质两种相互接触的不同金属浸在腐蚀性介质中，由于存在电位差，其中一种电位较负中，由于存在电位差，其中一种电位较负的金属往往会遭受腐蚀，这叫的金属往往会遭受腐蚀，这叫电偶腐蚀电偶腐蚀。防护的办法是垫绝缘片，叫防护的办法是垫绝缘片，叫“断桥断桥”。2、化学腐蚀金属遇到干燥气体或非电解质溶液发生化金属遇到干燥气体或非电解质溶液发生化学作用所引起的腐蚀叫学作用所引起的腐蚀叫化学腐蚀化学腐蚀。其其特点特点是在腐蚀过程中无电流产

14、生，且是是在腐蚀过程中无电流产生，且是面腐蚀。（有的能形成稳定的面腐蚀。（有的能形成稳定的“钝化膜钝化膜”）问答题：问答题：电化学腐蚀与化学腐蚀的主要区别？电化学腐蚀与化学腐蚀的主要区别？第二节 碳钢与铸铁v什么是钢？什么是钢？l钢和铸铁是由钢和铸铁是由95%以上的铁和以上的铁和0.05-4%的的碳以及碳以及1%左右的其他杂质元素所组成，因左右的其他杂质元素所组成，因此，钢和铸铁又称此，钢和铸铁又称“铁碳合金铁碳合金”。l一般来说，含碳量一般来说，含碳量 2%的称为的称为铸铁铸铁。一、铁碳合金的组织结构1、金属的组织与结构金属的组织与结构 晶胞晶胞：将代表原子振动中心的点用直线连：将代表原子振

15、动中心的点用直线连接起来形成一个空间格子，称为晶胞接起来形成一个空间格子，称为晶胞。 晶格晶格：由晶胞在空间重复堆积而成的。：由晶胞在空间重复堆积而成的。 晶界晶界：多晶体的晶粒与晶粒之间由于：多晶体的晶粒与晶粒之间由于结晶方位不同而形成的交界称为晶界。结晶方位不同而形成的交界称为晶界。2、铁碳关系珠光体、莱氏体混合固溶体溶解化合珠光体、莱氏体混合固溶体溶解化合CFeCFe33珠光体、莱氏体混合固溶体溶解化合CFe3A 固溶体固溶体：两种或两种以上元素在固态下两种或两种以上元素在固态下互溶而仍保持溶剂晶格原来形状的物体。互溶而仍保持溶剂晶格原来形状的物体。B 铁素体铁素体：碳溶解在：碳溶解在

16、中的固溶体。中的固溶体。C奥氏体奥氏体：碳溶解在：碳溶解在 中的固溶体。中的固溶体。D渗碳体渗碳体：碳化铁：碳化铁E珠光体珠光体：是：是 和和 组成的共析混合物，组成的共析混合物，含碳含碳0.8%，含，含11%，又叫，又叫共析钢共析钢。F莱氏体莱氏体：是：是 和和 的共晶混合物，又叫的共晶混合物，又叫共共晶白口铁晶白口铁。G马氏体马氏体：碳在：碳在 中过饱和的固溶体。中过饱和的固溶体。 FeFeCFe3CFe3CFe3FeFeFe3、铁碳平衡状态图铁碳平衡状态图4、纯铁的同素异构转变 纯铁纯铁相变点相变点：910 C 高温高温 低温低温面心面心 体心体心无磁性无磁性 有磁性有磁性FeFe问答题

17、问答题： 纯铁有相变点，含碳的钢有吗？纯铁有相变点，含碳的钢有吗？铁、奥固溶体铁、奥固溶体相变区相变区：910727 C思考题铸铁含碳量高于钢，其强度为什么不如钢？铸铁含碳量高于钢，其强度为什么不如钢？ FeCFe3铸铁中的碳，除了溶入固溶体铸铁中的碳，除了溶入固溶体 及化合物及化合物 外，还存在游离石墨，而石外，还存在游离石墨，而石墨很软，从而降低了强度。墨很软，从而降低了强度。二、钢的钢的热处理热处理v以消除钢的某些缺陷或改善某些性能为以消除钢的某些缺陷或改善某些性能为目的，将钢加热到一定温度并保持一段目的，将钢加热到一定温度并保持一段时间，然后以不同速度冷却的一种操作时间，然后以不同速度

18、冷却的一种操作。1、 （补充）（补充）共析钢过冷奥氏体等温转变曲线共析钢过冷奥氏体等温转变曲线 这个曲线又叫这个曲线又叫C型线，是热处理的理论依据型线，是热处理的理论依据。 原子能扩散原子能扩散晶格重整铁重新分布碳Fe因为铁已不能扩散因为铁已不能扩散，碳也扩不快，故，碳也扩不快，故碳开始过饱和。碳开始过饱和。原子都不能扩散。原子都不能扩散。因含碳过饱的因含碳过饱的 存有相当内应力，存有相当内应力，体体心立方晶格被扭曲，心立方晶格被扭曲，故强、硬度好，塑、故强、硬度好，塑、韧性差，发脆。韧性差，发脆。2、钢的热处理3）淬火淬火：在冷介质中降温在冷介质中降温 目的：获得马氏体，提高硬度目的：获得马

19、氏体，提高硬度止变形目的：消除内应力，防正火：在空气中降温退火：随炉或沙降温)21)4）回火回火：淬火后重新加热再冷却淬火后重新加热再冷却分类分类温度范围温度范围作用作用低温回火低温回火150-250 消除部分内应力消除部分内应力（耐磨）（耐磨）中温回火中温回火350-450 消除大半内应力消除大半内应力（提高弹性）（提高弹性）高温回火高温回火500-650 消除内应力消除内应力（提高塑、韧性，强度）（提高塑、韧性，强度）思考题：思考题：为什么含碳量小于为什么含碳量小于0.3%或大于或大于0.6%的钢不的钢不能做调质钢？能做调质钢？5）调质调质：淬火后高温回火淬火后高温回火。含碳量低于含碳量低

20、于0 .3%的钢淬不硬。的钢淬不硬。 含碳量高于含碳量高于0 .6%的钢调不去内应力的钢调不去内应力。三、碳钢(一)常存杂质元素对钢材性能的影响常存杂质元素对钢材性能的影响1、硫硫的影响的影响-热脆热脆现象现象 硫以硫化铁的形态存在于钢中。硫化铁和铁形硫以硫化铁的形态存在于钢中。硫化铁和铁形成低熔点化合物成低熔点化合物(985 ) )，而钢材的热加工温度一，而钢材的热加工温度一般在般在1150-1200 1150-1200 以上，故当钢材热加工时，由以上，故当钢材热加工时，由于硫化铁化合物的过早熔化而导致工件开裂，称于硫化铁化合物的过早熔化而导致工件开裂，称为为热脆热脆。 2、磷磷的影响的影响

21、冷脆冷脆现象现象 磷虽能使钢材的强度、硬度增加，磷虽能使钢材的强度、硬度增加，但引起塑性、冲击韧性显著降低，特别是但引起塑性、冲击韧性显著降低，特别是在低温时，它使钢材显著变脆，称之为在低温时，它使钢材显著变脆，称之为冷冷脆脆。使钢材的冷加工及焊接性变坏。使钢材的冷加工及焊接性变坏。3、锰的影响锰的影响 锰是有益元素，脱氧、耗硫锰是有益元素，脱氧、耗硫(MnS,m.p.1600 )。4、硅的影响硅的影响 硅是有益元素，脱氧硅是有益元素，脱氧(SiO2)。5、氧的影响、氧的影响 氧是有害元素。以氧是有害元素。以MnO、SiO2、FeO、Al2O3的的高熔点颗粒形式存在于钢中，破坏了钢体的连续性，

22、高熔点颗粒形式存在于钢中，破坏了钢体的连续性，降低了其韧性和疲劳强度。称为降低了其韧性和疲劳强度。称为氧脆氧脆。6、氮氮的影响的影响时效时效(氮脆氮脆)现象现象 氮是有害元素。铁素体溶氮能力低，氮是有害元素。铁素体溶氮能力低，在加热到在加热到200 200 时，会发生氮化物的析时，会发生氮化物的析出，使钢强度、硬度提高，塑性下降，出，使钢强度、硬度提高，塑性下降，在钢液中加入在钢液中加入Al、Ti生成生成AlN、TiN可固可固氮，消除时效。氮，消除时效。7、氢氢的影响的影响白点白点(氢脆氢脆)现象现象 钢由高温奥氏体冷至低温时，氢原子来不及钢由高温奥氏体冷至低温时，氢原子来不及扩散到表面逸出，

23、留在钢中一些缺陷处，由原子扩散到表面逸出，留在钢中一些缺陷处，由原子态氢变成分子态氢，局部产生几百大气压的压力，态氢变成分子态氢，局部产生几百大气压的压力，超过了钢的强度极限，而在此处形成超过了钢的强度极限，而在此处形成白点白点裂纹裂纹源，这种很危险的现象叫源，这种很危险的现象叫“氢脆氢脆”。(二) 钢的分类与编号1、按化学成分分类、按化学成分分类%10.%105.%5.%60. 0.%60. 025. 0.%25. 0.%04. 0.合金总量高合金钢合金总量中合金钢合金总量低合金钢合金钢含碳高碳钢含碳中碳钢含碳低碳钢含碳工业纯铁碳素钢%10.%105.%5.%60.0.%60.025.0.%

24、25.0.%04.0.合金总量高合金钢合金总量中合金钢合金总量低合金钢合金钢含碳高碳钢含碳中碳钢含碳低碳钢含碳工业纯铁碳素钢 另外，合金钢又根据合金元素的种类分为锰另外，合金钢又根据合金元素的种类分为锰钢、铬钢、铬镍钢等。其中，各合金元素作用钢、铬钢、铬镍钢等。其中，各合金元素作用见下表：见下表：合金元素种类合金元素种类作用作用Si耐耐H2SCr耐腐耐腐Mn高强、高韧高强、高韧Ni耐腐、耐热耐腐、耐热Mo耐耐H+Ti耐热、防腐耐热、防腐V耐热、高塑耐热、高塑2、按品质分类按品质分类%030. 0%040. 0%050. 0含量，含量均、优质钢含量均、普碳钢CuSPSP%025. 0%030.

25、0%030. 0%040. 0%050. 0含量，含量均、高级优质钢含量，含量均、优质钢含量均、普通钢CuSPCuSPSP1)普碳钢普碳钢1.GB700-88以屈服极限值区分普通钢为五种：以屈服极限值区分普通钢为五种： Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。2.再按质量分四级：再按质量分四级：A不做冲击实验；不做冲击实验； B做冲击实验，做冲击实验，V型缺口；型缺口； C、D做焊接结构等更多质检做焊接结构等更多质检。3.又按脱氧方法不同分四种：又按脱氧方法不同分四种： F沸腾钢，冶炼过程中和弱脱氧剂沸腾钢，冶炼过程中和弱脱氧剂Mn脱氧；脱氧； Z镇静钢，加入强脱氧剂镇静钢，加入强脱

26、氧剂Al，脱氧完全；，脱氧完全； b半镇静钢；半镇静钢； TZ特殊镇静钢。特殊镇静钢。2)优质钢优质钢1.以含碳量的万分之几编号，取两位数。以含碳量的万分之几编号，取两位数。2.若含锰量较高，钢号中将标有若含锰量较高，钢号中将标有Mn元素。元素。例如：例如：30Mn30代表平均含碳量为代表平均含碳量为0.3%，标出，标出Mn表示含表示含锰量较高，达锰量较高，达0.71.0%。3)高级优质钢高级优质钢1.在优质钢的末尾加在优质钢的末尾加“A”，例：，例：30MnA。2.特种钢：特种钢：g锅炉用钢；锅炉用钢； R容器用钢；容器用钢； Hp 气瓶用钢。气瓶用钢。例：例：20g、16MnR、20Hp。

27、3.不锈钢：以含碳量的千分之几编号，取不锈钢：以含碳量的千分之几编号，取一位数。例：一位数。例：1Cr13、1Cr18Ni9、0Cr13。思考题：思考题：不锈钢为什么含碳量都很低？不锈钢为什么含碳量都很低？ 623CCr623CCrFe不锈钢是以其所含的不锈钢是以其所含的 Cr 在氧化介质在氧化介质 形成氧化膜保形成氧化膜保护层而不锈。而护层而不锈。而 C 与与 Cr 生成生成 消耗了消耗了 Cr 。同时，。同时， 沿晶界析出造成晶间腐蚀沿晶界析出造成晶间腐蚀。讨论：讨论：不锈钢为什么无磁性？（奥氏体不锈钢？）不锈钢为什么无磁性？（奥氏体不锈钢？）因合金元素太多，破坏了因合金元素太多，破坏了

28、的体心立方结构。的体心立方结构。第三节 合金钢一、分类与编号一、分类与编号例：例：35CrMoA二、普通低合金钢二、普通低合金钢1)普低钢按强度分类普低钢按强度分类2)选钢材的依据选钢材的依据三、特殊性能钢三、特殊性能钢第二章 容器设计本章内容：本章内容： 1.讨论承受中、低压容器的筒体、封讨论承受中、低压容器的筒体、封头的设计头的设计 计算。计算。 2.介绍常、低压化工设备通用零部件介绍常、低压化工设备通用零部件标准及其选用方法标准及其选用方法。第一节 概述一、容器的结构容器的结构v 定义：定义：容器是化工生产所用各种设备外部的总称容器是化工生产所用各种设备外部的总称。用途：用途： 储存物料

29、用储存物料用储罐、高位槽储罐、高位槽v 进行物理过程进行物理过程换热器、蒸馏塔换热器、蒸馏塔v 进行化学反应进行化学反应聚合釜、反应器聚合釜、反应器结构：容器一般是由筒体、封头、法兰、支座等结构：容器一般是由筒体、封头、法兰、支座等构成，如图构成，如图3-1。二、容器的分类1、按容器形状分按容器形状分 1)方形方形或或矩形矩形容器容器由平板焊成，承压能力差，用作小型常压储槽；由平板焊成，承压能力差，用作小型常压储槽； 2)球形球形容器容器由弓形板拼焊成，承压能力好，用作储罐；由弓形板拼焊成，承压能力好，用作储罐； 3)圆筒形圆筒形容器容器由圆柱形筒体和各种成型封头组成，承压能力较由圆柱形筒体和

30、各种成型封头组成，承压能力较好，应用最广。好，应用最广。2 、按承压性质分按承压性质分 1)内压容器内压容器容器的内部介质压力大于外界压容器的内部介质压力大于外界压力时为内压容器力时为内压容器 低压容器低压容器 (0.1MPa1.0MPa) 中压容器中压容器 (1.0MPa10MPa) 高压容器高压容器 (10MPa100MPa) 2)外压容器外压容器容器的内部介质压力大于外界压力容器的内部介质压力大于外界压力时为外压容器时为外压容器三、失效准则，即整体屈服是失效整体不失效局部塑性失效时失效材料不能弹变复原，即弹性失效变形失效刚度失效塑性失效弹性失效强度失效准则稳定失效刚度失效准则失效准则ss

31、e. 3. 2. 1)(四、容器零部件标准化容器零部件标准的最基本参数是容器零部件标准的最基本参数是公称直径公称直径与与公称压力公称压力1.公称直径公称直径DN表示，单位表示，单位mm 用钢板卷制成的筒体，用钢板卷制成的筒体，DN为内径为内径 用无缝钢管制作的筒体，用无缝钢管制作的筒体，DN为外径为外径注意：设计时，应将工艺计算初步确定的设备内注意：设计时，应将工艺计算初步确定的设备内径，调整为符合表径，调整为符合表2-3或表或表2-4所规定的公称直径。所规定的公称直径。2.公称压力公称压力PN表示，单位表示，单位Mpa 容器及管道的操作压力经标准化以后的压力容器及管道的操作压力经标准化以后的

32、压力第二节 内压薄壁容器设计一、薄壁容器设计的理论基础薄壁容器设计的理论基础1.薄壁容器薄壁容器v 工程上，以容器内、外径之比工程上，以容器内、外径之比K来区分厚薄。来区分厚薄。v 当当K1.2时，容器为薄壁容器；时，容器为薄壁容器；v 当当K 1.2时，容器为厚壁容器时，容器为厚壁容器。iiiiDDDDDK2120内径外径为什么要区分筒壁的厚薄？为什么要区分筒壁的厚薄？2.分析薄壁壳体中的应力有两种理论分析薄壁壳体中的应力有两种理论 1)无力矩理论无力矩理论 假定壳体很薄，其断面不能承受弯矩，壳体假定壳体很薄，其断面不能承受弯矩，壳体中只有拉或压应力，不存在弯曲应力中只有拉或压应力，不存在弯

33、曲应力。 2)有力矩理论有力矩理论 壳壁虽薄，但仍有一定厚度和刚度，故除拉壳壁虽薄，但仍有一定厚度和刚度，故除拉应力外，还存在由弯矩引起的弯曲应力应力外，还存在由弯矩引起的弯曲应力。注意：实际中，无力矩是相对的，有力矩是绝对的。注意：实际中，无力矩是相对的，有力矩是绝对的。但一般弯应力很小，可略，故可用无力矩理论简化计算但一般弯应力很小，可略，故可用无力矩理论简化计算。v3回转壳体回转壳体的几何概念的几何概念 以任何以任何直线直线或或平面曲线平面曲线作为作为母线母线，绕其，绕其同平面内的轴线（回转轴）旋转一周既形同平面内的轴线（回转轴）旋转一周既形成成回转曲面回转曲面。 v设平面曲线设平面曲线

34、OB 饶同平面中的饶同平面中的OO轴旋出一个轴旋出一个回转面回转面。OB叫回转面的叫回转面的母线母线又称又称经线经线。过回。过回转面上任一点转面上任一点P的的经线的曲率半径经线的曲率半径 称为称为P点的点的第一曲率半径第一曲率半径。用。用 示之。它与点示之。它与点P的切线垂直，且过的切线垂直，且过OO轴。轴。v过过P点做圆锥面与壳体中间面正交。所得圆叫点做圆锥面与壳体中间面正交。所得圆叫回转曲面的回转曲面的纬线纬线。 P点的点的维线的曲率半径维线的曲率半径 称为称为P点的点的第二曲率半径第二曲率半径。用。用 示之。示之。v过过P点做垂直与点做垂直与OO轴的平面与壳体中间面相轴的平面与壳体中间面

35、相交。得到一个平行圆。它的曲率半径交。得到一个平行圆。它的曲率半径 称称为为P点的点的第三曲率半径第三曲率半径。用。用 r 示之。示之。v 能截出壳体的真实壁厚，能截出壳体的真实壁厚， r不能不能。1PK2PK1R2R3PK1R2R3.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 1）筒体在）筒体在P作用下，纵向伸长，横向增大。作用下，纵向伸长，横向增大。 2）AC伸长了，伸长了，AB不但伸长了，曲率半径不但伸长了，曲率半径增加，增加，(P86)说明筒体同时存在拉应力和弯曲应力。说明筒体同时存在拉应力和弯曲应力。 3）对于薄壁容器）对于薄壁容器 ，根据，根据“无力矩理论无力矩理

36、论”，忽略弯曲应力。忽略弯曲应力。微体平衡方程v微体微体abcd受力受力 vab、cd截面上的周向力截面上的周向力 v ad、bc截面上的轴向力截面上的轴向力21dldlPF1dlf2dlf 上下左右的力平衡了，谁来抗衡向外的力上下左右的力平衡了，谁来抗衡向外的力？v侧视看侧视看v(上下拉力上下拉力,v对应对应R1)轴向力11222RdlddSindd很小与11222RdldldSinf对边分力v俯视看俯视看v(左右拉力，左右拉力，v对应对应R2)2212Rdldl 对边分力2211122122222222RdldlRdldldldlPdSinfdSinfF2211122122222222Rd

37、ldlRdldldldlPdSinfdSinfF径向力这方程的意义在于把这方程的意义在于把材料应力材料应力和和压力压力及及几何尺寸几何尺寸挂钩。挂钩。21RRPl问题：一个方程两个未知数问题：一个方程两个未知数区域平衡方程 CosP22SinrPCosrP224.无力矩理论基本方程式无力矩理论基本方程式1）微体平衡方程）微体平衡方程2）区域平衡方程区域平衡方程PRR21cos2 rP5.基本方程式的应用基本方程式的应用1）圆筒形壳体的受力分析）圆筒形壳体的受力分析2）球形壳体的受力分析）球形壳体的受力分析3）锥形壳体的受力分析）锥形壳体的受力分析4）椭圆形壳体的受力分析）椭圆形壳体的受力分析5

38、.基本方程式的应用基本方程式的应用1RRR 2RP2PDPR242cos2PDPRrP1)圆筒形壳体的受力分析圆筒形壳体的受力分析将圆筒的第一曲率半径将圆筒的第一曲率半径 、第二曲率半径、第二曲率半径 代入微体平衡方程和区域平衡方程，得代入微体平衡方程和区域平衡方程，得思考题试解释椭形人孔的短轴总与筒体纵轴试解释椭形人孔的短轴总与筒体纵轴平行的原因？平行的原因？ 大，若再开大孔，应力更加集中大，若再开大孔，应力更加集中（掰苹果）。所以，（掰苹果）。所以，（1）开椭圆形人孔）开椭圆形人孔时，应使其短轴与筒体纵向一致。（时，应使其短轴与筒体纵向一致。（2） 为保证纵向焊缝质量，尽量不要在纵向为保证

39、纵向焊缝质量，尽量不要在纵向焊缝上开孔。焊缝上开孔。22)球形壳体的受力分析球形壳体的受力分析将将 、 ，代入，代入微体微体平衡方程，得：平衡方程，得：RRR2142PDPR思考题试解释大型储罐总作成球形而不是圆试解释大型储罐总作成球形而不是圆筒形？筒形？ (P88)(max)422CosPDCosrPCosrP(max)22CosPDCosrPPR4)椭圆形壳体受力分析椭圆形壳体受力分析babaxaR4322241bbaxaR2224222244222422baxaabbaxaPbbaxaP22224推导过程1 ） 极限点处的力极限点处的力顶点处，顶点处，x=0,边缘处，边缘处，x=a,ba

40、Pa22222baPa42PDPa应力分析应力分析1）x=0处，经向应力处，经向应力 与横向应力与横向应力 相等；相等；2）经向应力）经向应力 恒为正值，最大值在顶点恒为正值，最大值在顶点处处(x=0)，最小值在边缘处，最小值在边缘处(x=a)，且顶点处，且顶点处 的经向应力的经向应力为边缘处为边缘处 的二倍；的二倍；3）横向应力）横向应力00200200200222222，处，在处，在bababaaxx2） 当当a/b=2时时，椭球上的最大应力，椭球上的最大应力x=0时，时，x=a时，时， 最大应力与园筒最大应力与园筒 相同，此相同，此为为国标国标。2PD 222PDPa2PD42PDPa二

41、、筒体强度计算二、筒体强度计算v据失效准则：据失效准则：v焊接因素：焊接因素：v计算壁厚：计算壁厚：v设计壁厚：设计壁厚： 腐蚀余量腐蚀余量nPDt22Cd2C tiDP2PPDti2v名义壁厚：名义壁厚：v 钢板负偏差钢板负偏差 v 示向上圆整至钢板标准规格厚度示向上圆整至钢板标准规格厚度v有效壁厚：有效壁厚：v最小壁厚：最小壁厚： （P92）v 1Cdn1C21CCnemin12minCCden园整21,CC取大取大v强度效验：由强度效验：由 得出真实强度得出真实强度v许用应力：由许用应力：由 求出求出e t P eietDP2 teeiDP2v对无缝钢管：对无缝钢管：tDP20PPDt2

42、02Cd1Cdn21CCnev强度效验：强度效验：v许用应力：由许用应力：由 求出求出 t P teeDP20eetDP02三、设计参数确定 1、设计压力、设计压力 P 1）定义：以相应设计温度下的最大工作压）定义：以相应设计温度下的最大工作压力为依据，加上一定的裕量而确定力为依据，加上一定的裕量而确定。v2）内压容器与安全阀的压力关系示意图）内压容器与安全阀的压力关系示意图l 工作压力工作压力l实验压力实验压力 l 排放压力排放压力 l 设计压力设计压力 l 开启压力开启压力l 关闭压力关闭压力 最高工作压力最高工作压力 3）考虑液体的静压力）考虑液体的静压力 （P28,90）ns2、设计温

43、度设计温度 （P29,91） 根据设计温度，可确定此温度下材料的许用压力。根据设计温度，可确定此温度下材料的许用压力。3、许用应力许用应力l 的选取取决于材料的的选取取决于材料的 判废标准。判废标准。l一般按弹性失效的设计准则取屈服极限一般按弹性失效的设计准则取屈服极限ln的合理选择也是设计的关键的合理选择也是设计的关键。4、焊缝系数、焊缝系数 （P29,91） 5、壁厚附加量壁厚附加量v 的选取标准的选取标准 （P30,92）v 的设计的设计 （P30,92)21CCC1C2C五、压力试验及强度效验五、压力试验及强度效验目的目的：1、超压下的密封性超压下的密封性 2、超压下的焊缝、超压下的焊

44、缝 3、试验强度、试验强度方法：方法：1、液压、液压 2、气压、气压v液压试验液压试验：v气压试验气压试验：取大 tTPP25. 110. PPT取大 tTPP151.10. PPTv效验：效验：v 液压试验时需满足的强度要求液压试验时需满足的强度要求：v气压试验时需满足的强度要求气压试验时需满足的强度要求：v这里这里 不除以安全系数不除以安全系数 n，是因为不是疲劳，是因为不是疲劳操作操作。需效验强度PPTseeiTTDP902.seeiTTDP802.s小结v 在厚度设计时，应首先确定材料在设计在厚度设计时，应首先确定材料在设计温度下的许用应力。但许用应力与厚度有关。温度下的许用应力。但许

45、用应力与厚度有关。由于事先不能确定厚度，故必须首先假定一由于事先不能确定厚度，故必须首先假定一厚度值，查得许用应力再计算厚度。比较计厚度值，查得许用应力再计算厚度。比较计算的名义厚度与初始假设厚度，检查许用应算的名义厚度与初始假设厚度，检查许用应力是否在该许用应力范围内，如力是否在该许用应力范围内，如“跳档跳档”，则重设，直到算设一致。则重设，直到算设一致。例题2-1（P30）v某化工厂欲设计一台石油气分离工程中的某化工厂欲设计一台石油气分离工程中的 乙烯精馏塔。工艺要乙烯精馏塔。工艺要求为：塔体内径为求为：塔体内径为600mm；设计压力为；设计压力为2.2MPa；工作温度为；工作温度为-3-

46、20。试选择塔体材料并确定壁厚。试选择塔体材料并确定壁厚。v解：选解：选16MRv设：设： （实际是设壁厚实际是设壁厚=616mm）附表附表2v （P91 表表312） （ P92）v得：得：v v查查： （P92 表表313）得得： MPat1708 . 0mmC6 . 01mmC0 . 12 mmPPDti9 . 42 . 28 . 017026002 . 22mmCd9 . 519 . 42mmn7v查：查： 无变化，则无变化，则 合适。合适。v若若 不适，则须重设不适，则须重设 ， 直到直到设算一致。设算一致。v一般解题到此为止，也可继续按书一般解题到此为止，也可继续按书P94进行强度

47、核算进行强度核算。 tmmn7 t t例1、计及液柱静压力的内压圆筒设计v某立罐盛装比重为某立罐盛装比重为1.16g/dm3的液体，罐体的液体，罐体材料为材料为Q235-A，罐内液面高度为，罐内液面高度为3200mm，内径为内径为2000mm，设计压力为，设计压力为0.12MPa，设，设计温度为计温度为60C，腐蚀裕度为，腐蚀裕度为2mm，焊缝系数，焊缝系数为为1，试设计罐体壁厚。，试设计罐体壁厚。解：解： 罐体底部液柱压力为罐体底部液柱压力为：由于罐底液压大于设计压力的由于罐底液压大于设计压力的5%，故故 设计压力设计压力 设设: 则：则：取：取：MPaPaP036. 0363772 . 3

48、8 . 91016. 13液MPa006. 0%512. 0036. 0MPaPPP156. 0036. 012. 0液工作 MPat113mmn62min取：mmDi410002000210002min mmPPDti38. 1156. 0111322000156. 02mmCn6242minv查：查： 无变化无变化v则则 t合适mmn6例例2、内压圆筒采用不同材料时的比较设计、内压圆筒采用不同材料时的比较设计l 试设计一内压圆筒容器，设计条件为：试设计一内压圆筒容器，设计条件为：l设计压力为设计压力为0.8MPa，内径为，内径为1000mm，设计温度为，设计温度为100C，介质微腐。，介质

49、微腐。v解：解：由于介质微腐，可选碳素钢或低合金钢。由于介质微腐，可选碳素钢或低合金钢。焊缝选用双面对接焊，局部探伤，则焊缝系数焊缝选用双面对接焊，局部探伤，则焊缝系数为为0.85。腐蚀裕度为。腐蚀裕度为mm。）选。）选Q235-Av设许用应力为设许用应力为113MPa，v计算壁厚：计算壁厚： mm。v设计壁厚：设计壁厚： mm。v查：查：v取：取：v查许用应力无变化，故取名义壁厚为查许用应力无变化，故取名义壁厚为8mm合合适。适。18.48 .085.0113210008 .018. 6218. 4dmmC8 . 01mmn8v）选选16MnR设：设： 为为170MPa，则：则： tmmmm

50、d78.4278.28.085.0170210008.0 为宜选讨论：从经济上考虑，合适。无变化，故查取：查： AntndQmmmmmmCmmCmmC2352min116652338.56 .078.46 .0六、边缘应力边缘应力 （p93）v1、定义：在压力容器的突变连接处，当承压变形时，、定义：在压力容器的突变连接处，当承压变形时，由于相互制约，在连接处不可避免地引起附加内力由于相互制约，在连接处不可避免地引起附加内力（应力），此即边界应力。（应力），此即边界应力。v2、边缘应力的、边缘应力的局限性局限性取决于材料的取决于材料的塑性塑性。v3、边缘应力的、边缘应力的自限性自限性取决于材料的

51、取决于材料的屈服点屈服点。v 自限性自限性v x局限性Rx5.2第三节外压圆筒设计v 压杆的稳定与失稳压杆的稳定与失稳v PPcr，当压力达到临界压力后，杆便会由于，当压力达到临界压力后，杆便会由于受到干扰，失稳而引起弯曲，并在杆内产生相当受到干扰，失稳而引起弯曲，并在杆内产生相当大的弯曲应力，以致最后使杆突然折断。大的弯曲应力，以致最后使杆突然折断。lPcr与什么因素有关与什么因素有关？ 1）与材质有关）与材质有关 （E） 2）与粗细有关）与粗细有关 （） 3）与长短有关）与长短有关 （L）一、外压容器失稳外压容器失稳v失稳的实质失稳的实质:是容器筒壁内的应力状态是容器筒壁内的应力状态由单纯

52、的压应力平衡跃变为主要受弯曲由单纯的压应力平衡跃变为主要受弯曲应力的新平衡应力的新平衡(P94)l临界压力：临界压力： Pcr的数值与筒体的几何尺寸、的数值与筒体的几何尺寸、材质及结构有关，是每个容器固有的材质及结构有关，是每个容器固有的。 这种关系是怎样的？这种关系是怎样的？二、临界压力计算公式临界压力计算公式v、长圆筒长圆筒v定义定义v临界压力临界压力vv临界应力临界应力200112DEDPetecrcr.30192DEPetcr.、短圆筒v）定义）定义v）临界压力）临界压力05 . 2059. 2DLDEPecr两相临加强圈的间距相对长度相对厚度LDLDe00、刚性筒v）定义）定义v）刚

53、性筒只能是强度校核）刚性筒只能是强度校核 teeiDP2eietDP2、长短圆筒判据临界长度v临界时：临界时：P=Pc r 长长=短短052030592192DLDEDEcreet.eocrDDL0171.crL短、刚圆筒的判据临界长度v同理，临界时：同理，临界时： 短短=刚刚 eieteDDLDE25920520.etetcrDEL031 . PP crL公式范围 %5 . 0minmaxnDDDe三、外压圆筒的设计v1、设计准则设计准则v 1）内压容器）内压容器弹性失效设计准则弹性失效设计准则v 2）外压容器）外压容器临界失效设计准则临界失效设计准则 mPPPcrntvP设计外压；设计外压

54、；MpavP许用外压；许用外压；MpavPcr临界压力；临界压力；Mpavm稳定安全系数，其选取主要考虑两个因稳定安全系数，其选取主要考虑两个因素。（素。（P96） GB规定：规定：m=3v2、解决问题的思路解决问题的思路比较 取小设PPPPce25. 11 . 0lP不小于正常工作过程中可能出现得最大内不小于正常工作过程中可能出现得最大内外压差。外压差。3、设计步骤、设计步骤（P97）短临界长P的取值1）真空容器真空容器 a、装有安全控制装置：、装有安全控制装置： b、没有安全控制装置、没有安全控制装置 ： P=0.1MPa取小 PP25. 11 . 02）带夹套的真空容器：带夹套的真空容器

55、： 设计压力为真空容器的设计压力（负压）设计压力为真空容器的设计压力（负压）再加上夹套内的设计压力（正压）。再加上夹套内的设计压力（正压）。v4、关于设计外压关于设计外压P及液试及液试 tPcrP PtPminPPPt25.1 外压外压 （绝对值）（绝对值） 临界临界 试压试压 许用许用 设计设计 P 过程中可能出现的过程中可能出现的四、外压容器的试压v1）外压容器和真空容器）外压容器和真空容器Ppt25. 1l2）带夹套的容器）带夹套的容器 (P103)五、加强圈加强圈mPDEDLe5 . 2006 . 2 05 . 206 . 2ccPDLDeEmPPmP 作用作用:能使长筒变短筒，从而增

56、加了筒体的抗压能力能使长筒变短筒，从而增加了筒体的抗压能力。 若已知加强圈间距，则可确定筒体壁厚。若已知加强圈间距，则可确定筒体壁厚。 若已知筒体的壁厚，则可确定加强圈的间距。（若已知筒体的壁厚，则可确定加强圈的间距。（P104 ， 325）v例题例题33 (P103)足要求钢板设三个加强圈可满用 mmmmmPDEDLe941 . 32093634020931 . 032014720141069. 16 . 26 . 25 . 255 . 200l例题例题 5 若若33题中库存仅有题中库存仅有9mm厚的厚的20g钢钢板，怎么办？板，怎么办？l解：设置加强圈解：设置加强圈例题6v试确定一外压圆筒

57、的壁厚。设计条件：试确定一外压圆筒的壁厚。设计条件：16MnR,vP=0.2MPa, Di=1800mm, t=250， C=2mm, L=10350mm( 包括包括2/3h) ， E=180000MPa解：设解：设 则则mmn141521218287 . 51828103501221418281421800000eneDDLmmCmmDv查：查：A=0.0001v查查B: P100,T317 或设置加强圈须重设曲线的直线段落在neMPaPPMPaDBPMPaEABBAA2 . 0083. 0152167.1267.121011081. 13232045 或设置加强圈须重设曲线的直线段落在ne

58、MPaPPMPaDBPMPaEABBAA2 . 0083. 0152167.1267.12101108 . 13232045v设：添两个加强圈设：添两个加强圈v则：则：1529 .118283450345031035000eDDLmmL 。设两个加强圈适合要求取切交接近或查：查：,14,28. 015215 .4242325 .4200035. 00mmPpMPaDBPEABMPaBAne解法二：解法二：mmn14设：设：则：则：足要求钢板设两个加强圈可满用mmmmmPDEDLe1431 . 249771035049772 . 031828121828108 . 16 . 26 . 25 .

59、255 . 200第四节、封头设计v一、半球形封头一、半球形封头 1、内压、内压 2、外压、外压 求求 步骤步骤mmPPDti4neiieinenRoAARRc125.2.1求球之半径得得设 止。直到重设若与比较值后落右方，读得二）若落左方一）若和求据材料选PPPPPPRBPBAMPaREPAPTneieit,4083.03219.18.17.16.153B二、椭圆形封头v1、内压、内压 MPaKDPhDKmmPKPDeietiiti2226122v2、外压、外压v同球形公式和步骤，同球形公式和步骤，v只是变只是变iiDR9 . 0三、碟形封头v1、组成、组成1050PhrRi直边高度过度半径

60、球面半径v过度部与球面部连接处的经线曲率有突变，过度部与球面部连接处的经线曲率有突变，产生边沿应力。产生边沿应力。 值越大，边沿应力越大。值越大，边沿应力越大。 故碟盖比椭盖要厚些，开孔时也要避开危险区。故碟盖比椭盖要厚些，开孔时也要避开危险区。1、内压、内压rRi MPaMRPrRMmmPMPReietiti5 . 023415 . 02 MPaMRPrRMmmPMPReietiti5 .023415 .02v2、外压、外压v同球形公式和步骤，只是变同球形公式和步骤，只是变iiDR 四、锥形封头A、内压内压v据微体平衡方程得：据微体平衡方程得：v据区域平衡方程得：据区域平衡方程得：CosPR