2章 容器设计基本知识

1、 第二篇 化工容器设计 第二章 容器设计基本知识12.1 压力容器的基本结构与分类（一） 基本结构一般容器的结构以卧式容器为例（二） 压力容器分类1.按容器的形状6圆筒形容器7球形容器8异形容器 （二） 压力容器分类2.按工艺要求分类： 9根据容器在生产工艺过程中的作用原理，将容器分为四种：（1）反应容器（R）：用于完成截至化学反应的压力容器。如反应釜、合成塔等。（2）换热容器（E）：用于完成介质的热量交换的压力容器。如管壳式换热器、冷凝器、蒸发器等。（3）分离容器（S）：用于完成介质的流体压力平衡和气体净化分离的压力容器。如分离器、过滤器、吸收塔、干燥塔等。（4）贮存容器（C、B）：用于盛装

2、生产用的原料气、液体等。如各种形式贮罐。10 加氢裂化反应器 R11氨合成塔R 12换热器 E 13冷却器 E14油水分离器 S 15氯尾气吸收塔 S 16计量槽 压缩空气包 液氯贮罐液化气体贮罐（槽） 压力缓冲器等C3.按承压性质和能力（1）内压容器：当容器内部介质的压力大于外部压力时，为内压容器，容器设计时主要考虑强度问题。（2）外压容器：当容器外部压力大于内部介质压力时为外压容器，设计时主要考虑稳定问题。通常内压容器按照其设计压力的大小分为：低压容器（L）：0.1MPa p 1.6MPa；中压容器（M）：1.6MPa p 10MPa；高压容器（H）：10MPa p 100MPa；4.按容

3、器壁温（1）常温容器 -20壁温2000C;（2）高温容器 壁温蠕变温度 碳钢，低合金钢 - 4200C， 奥氏体不锈钢- 5500C。（3）低温容器 壁温-200C -200C-400C为浅冷容器， 壁温-400C为深冷容器。5.按技术监督和管理分为三类 见书P5318压力等级介质性质气体、液化气体或最高工作温度高于常压沸点的液体非易燃无毒或微毒易燃中高毒性高毒或剧毒pV/MJ0.50.510 100.50.5100.2 0.2低压 0.11.6分离容器换热容器贮存容器反应容器管壳废热锅炉1m1m中压 1.610搪玻璃容器分离容器换热容器贮存容器反应容器管壳废热锅炉高压 10100分离容器换

4、热容器贮存容器反应容器管壳废热锅炉超高 100超高压容器 易燃及有毒介质分类：常见易燃介质：一甲胺，乙烷，乙烯，氯甲烷，环氧乙烷，环丙烷，氢，丁烷，三甲胺，丁二烯，丁烯，丙烷，丙烯，甲烷等。毒性程度举例：极度危害、高度危害介质：氟，氢氰酸，光气，氟化氢，碳酰氟，氯等；中度危害介质：二氧化硫，氨，一氧化碳，氯乙烯，甲醇，氧化乙烯，硫化乙烯，二硫化碳，乙炔，硫化氢等；轻度危害介质：氢氧化钠，四氟乙烯，丙酮等。206 按制造方法不同焊接容器 整体锻造容器 铸造容器搪玻璃容器搪玻璃容器8 按材料不同钢制容器有色金属（铌、钛、钽、镍、铜、铝）及其合金制容器非金属（复合材料、塑料、石墨等）容器等全钛容器衬

5、塑料容器24玻璃钢容器259 按壳体结构形式不同分类单层容器多层热套容器多层绕带容器多层绕丝容器多层绕板容器等26多层包扎式27热套式28绕板式29型槽绕带式筒体 30型槽钢带示意图 31扁平钢带倾角错绕式筒体 （三）容器设计计算的一般内容：1.设计压力容器 根据化工生产工艺提出的条件，确定强度设计所需参数(p，t，D)，选定材料及结构形式，最后通过强度计算确定容器筒体及封头壁厚。2校核在用容器(1)判定在下一个检验周期内，或在剩余寿命期间内，容器是否还能在原设计条件下安全使用。如果容器已不能在原设计条件下使用，应通过强度计算，为容器提出最高允许工作压力。(2)如果容器针对某一使用条件需要判废

6、，应为判废提供依据。（四） 压力容器的失效设计时，应先确定容器最有可能发生的失效形式，选择合适的失效判据和设计准则，确定适用的设计规范标准，再按规范标准要求进行设计和校核。压力容器失效失效的最终表现形式：泄漏、过度变形和断裂。压力容器可能同时发生多种形式的失效，即交互失效，如腐蚀介质和交变应力同时作用时引发的腐蚀疲劳、高温和交变应力同时作用时引发的蠕变疲劳等。失效 设计准则分类强度失效设计准则（弹性失效设计准则 、塑性失效设计准则 、爆破失效设计准则 、弹塑性失效设计准则 、疲劳失效设计准则 蠕变失效设计准则 、脆性断裂失效设计准则 ）刚度失效设计准则稳定失效设计准则泄漏失效设计准则1 强度失

7、效及其主要形式在常温、静载作用下，屈服和断裂是压力容器强度失效的两种主要形式。因材料屈服或断裂引起的压力容器失效-强度失效（1）韧性断裂韧性断裂：压力容器在载荷作用下，产生的应力达到或接近所用材料的强度极限而发生的断裂。特征：断后有肉眼可见的宏观变形，如整体鼓胀，周长延伸率可达 1020，断口处厚度显著减薄；没有碎片，或偶尔有碎片；按实测厚度计算的爆破压力与实际爆破压力相当接近。韧性断裂的原因：厚度过薄和内压过高。压力容器若能严格按照规范进行设计、选材，配备相应的安全附件，且运输、安装、使用、检修遵循有关的规定，在设计寿命内可以避免韧性断裂。40薄壁容器韧性撕裂外观（2）脆性断裂（或低应力脆断

8、）变形量很小、且在壳壁中的应力值远低于材料的强度极限时发生的断裂。这种断裂是在较低应力状态下发生，故又称为低应力脆断。脆性断裂的特征断裂时容器没有鼓胀，即无明显的塑性变形；断口齐平，并与最大应力方向垂直；断裂的速度极快，常使容器断裂成碎片。脆性断裂时容器的实际应力值往往很低，爆破片、安全阀等安全附件不会动作，其后果要比韧性断裂严重得多！42厚壁容器脆性断裂外观4344（3）疲劳断裂压力容器在服役中，在交变载荷作用下，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生断裂失效的过程，称为疲劳断裂。交变载荷：大小和（或）方向都随时间周期性（或无规则）变化的载荷。 它包括： 压力波动、开车停车； 加热或冷却时温度变

9、化引起的热应力变化； 振动或容器接管引起的附加载荷的交变而形成的交变载荷等。原材料或制造过程中产生的裂纹，也会在交变载荷的反复作用下扩展而导致压力容器疲劳46 由于疲劳源于局部应力较高的部位，如接管根部，往往在压力容器工作时发生，因而破坏时容器总体应力水平较低，没有明显的变形，是突发性破坏，危险性很大。随着交变载荷反复作用次数的增加，疲劳裂纹不断扩展。只有当疲劳裂纹扩展到一定值时，才会发生疲劳破坏。疲劳破坏需要有一定时间。（4）蠕变断裂4950（5）腐蚀断裂因均匀腐蚀导致的厚度减薄，或局部腐蚀造成的凹坑，所引起的断裂一般有明显的塑性变形，具有韧性断裂特征；因晶间腐蚀、应力腐蚀等引起的断裂没有明

10、显的塑性变形，具有脆性断裂特征。2 刚度失效 由于构件过度的弹性变形引起的失效，称为刚度失效。例如，塔在风载荷作用下，若发生过大的弯曲变形，会破坏塔的正常工作或塔体受到过大的弯曲应力。 523 失稳失效在压应力作用下，压力容器突然失去其原有的规则几何形状引起的失效称为失稳失效。容器弹性失稳的一个重要特征是弹性挠度与载荷不成比例，且临界压力与材料的强度无关，主要取决于容器的尺寸和材料的弹性性质。4 泄漏失效由于泄漏而引起的失效，称为泄漏失效。泄漏不仅有可能引起中毒、燃烧和爆炸等事故，而且会造成环境污染。设计时应重视各可拆式接头和不同压力腔之间连接接头（如换热管和管板的连接）的密封性能。54（五）

11、压力容器的设计准则5556571.强度失效设计准则（1）弹性失效设计准则将容器总体部位的初始屈服视为失效。596061（2）塑性失效设计准则设材料是理想弹塑性的，以整个危险面屈服作为失效状态的设计准则，称为塑性失效准则。对于内压厚壁圆筒，整个截面屈服时的压力就是全屈服压力pso63弹性失效准则与塑性失效准则比较（3）爆破失效设计准则 压力容器韧性材料一般具有应变硬化现象，爆破压力大于全屈服压力。爆破失效设计准则以容器爆破作为失效状态。设计准则： （4）弹塑性失效设计准则（安定性准则）66安定状态：当容器承受稍大于初始屈服载荷的载荷时，容器内将产生少量的局部塑性变形。因局部塑性区周围的广大区域仍

12、处于弹性状态，会制约塑性变形，当载荷卸除后就形成残余应力场。若容器所受的载荷较小，即载荷引起的应力和残余应力叠加后总是小于屈服点，则容器在载荷的反复作用下，始终保持弹性行为，不会产生新的塑性变形，使其处于“安定”状态67安定载荷 （5）疲劳失效设计准则 低周疲劳：疲劳失效时的循环次数n 105，压力容器疲劳一般属于低周疲劳。低周疲劳时，每次循环中材料都将产生一定的塑性应变，根据试验研究和理论分析结果，可以得到虚拟应力幅与许用循环次数之间的关系曲线，即低周疲劳设计曲线。由容器应力集中部位的最大虚拟应力幅，按低周疲劳设计曲线可以确定许用循环次数，只要该循环次数不小于容器所需的循环次数，容器就不会发

13、生疲劳失效，这就是疲劳失效设计准则图算法。 nn707172泄漏失效设计准则 密封装置的介质泄漏率不得超过许用泄漏率。2.刚度失效设计准则 在载荷作用下，要求构件的弹性位移和转角不超过规定的数值： ww 3.稳定失效设计准则 为防止失稳，外压圆筒的外压应小于周向临界压力，由弯矩或弯矩和压力共同引起的轴向压缩，压应力应小于轴向临界应力。（一） 标准化的意义设计无需计算和制图，按已有标准图选择。制造有利于成批生产，降低成本，保证产品质量，提高竞争力。维修备件规格尺寸通用，实现互换性。通商贸易国内、国际间通用，消除贸易障碍。我国已实现容器零部件标准化的有：圆筒体、封头、法兰、支座、人孔、手孔、视镜和

14、液面计等。742.2 容器零部件的标准化（二） 容器零部件标准化的基本参数75公称直径（DN)公称压力 (PN)。规定:（1）圆筒体的公称直径：板卷制的筒体内径； 无缝钢管制的筒体外径。（2）法兰与其相配的管子或筒体的PN、DN相一致。注意：钢管的DNDi,D0 对于用钢板卷焊的筒体，以内径作为它的公称直径。压力容器的公称直径/mm300（350）400450500（550）600（650）7008009001000（1100）1200（1300）1400（1500）1600（1700）1800（1900）2000（2100）2200（2300）240026002800300032003400

15、360038004000注：带括号的公称直径应尽量不采用说明(1).设计时，应将工艺计算初步确定的设备内径，调整为符合规定的公称直径。(2).封头的公称直径与筒体一致。法兰的公称压力系列见表29，P61（一） 压力容器安全监察的范围同时具备如下条件：(固定式压力容器)(1) 最高工作压力pw0.1MPa（表压，不含液体静压力）；(2).内直径Di0.15m,且容积V0.025m3;(3).介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点（大气压力下的饱和温度）的液体。 上述压力容器所用的安全附件亦属于本规程管辖范围。782.3 压力容器的安全监察1：工作压力，是指压力容器在正常使用过程中，其

16、顶部可能达到的最高压力（表压力。2：容积：是指压力容器的几何容积，即由设计图样标注的尺寸计算（不考虑制造公差）并且圆整。一般应当扣除永久连接在容器内部的内件的体积。3：容器内介质为最高工作温度低于其标准备沸点的液体时，如果气相空间容积与工作压力乘积大于或者等于2.5MPaL时，也属于本规程的适用范围 。 （二）相关法规及常用标准1.基本法规：压力容器安全技术监察规程 国家质量技术监督局 19992. 压力容器常用标准：GB150-98 钢制压力容器国家标准GB151-99 管壳式换热器 国家标准 JB4709-2000 钢制压力容器焊接规程JB4730-2005 压力容器无损检测HG20592

17、20635-97 钢制管法兰、垫片、紧固件JB/T47004707-2000压力容器法兰80 2.4容器机械设计的基本要求 （一） 容器机械设计条件及程序：1.容器机械设计条件：（1）工艺结构要求及基本工艺尺寸；（2）工作压力、工作温度及工作介质；（3）容器的工作环境、重要程度；81科学严谨的态度 合格的设计质量82确定设计依据及相关标准开始选择材料确定容器类别结构设计壁厚设计零部件设计压力试验核算绘制施工图校核审核结束合格合格不合格不合格批准2.机械设计程序（二）基本要求：1.强度不发生破坏如焊缝开裂，筒体爆破，螺栓拉断等。2.刚度不发生过大变形如塔体倾斜，塔盘下凹等。3.稳定性不发生瘪塌或褶皱如卧式容器支座之间的筒体发生瘪塌，气柜抽负瘪塌，塔体支座在起吊时发生瘪塌等。834.耐久性保证使用寿命。一般化工设备设计使用寿命为1015年。大多取决于腐蚀情况，有些取决于疲劳、蠕变或振动。5.密封性包括内漏和外漏。846. 标准化设计 法兰、螺栓、封头、筒体、支