化工设备机械基础课件-容器概述和薄膜应力

第七章压力容器中的薄膜应力、弯曲应力与二次应力§7.1容器的概述§7.2回转壳体中的薄膜应力§7.3圆形平板承受均布载荷时的弯曲应力§7.4边界区内的二次应力第七章压力容器中的薄膜应力、弯曲应力与二次应力§7.1容1

7.1容器概述装置机器：运动的装置设备：静止的装置设备反应设备：主要用于完成介质的物理、化学反应换热设备：主要是用于完成介质的热量交换

分离设备：主要是用于完成介质的净化分离

储存设备：主要用于储存、盛装液化气体等介质

容器是指储存设备和其他各种化工设备的外壳。7.1容器概述装置机器：运动的装置设备：2反应釜反应釜3管板换热器管板换热器4精馏塔：精馏主要是利用混合物中各组分的挥发度不同而进行分离。精馏塔：精馏主要是利用混合物中各组分的挥发度不同而进行分离。5储罐储罐6一般是由筒体、封头、法兰、支座、接管及人孔(或手孔)等组成。一、容器的结构承压元件有哪些？一般是由筒体、封头、法兰、支座、接管及人孔(或手孔)等组成7二、容器的分类

按容器的形状

名称名称矩形容器由平板焊成，制造简便，但承压能力差，只用作小型常压贮槽球形容器承压能力好，但由于安装内件不便，制造稍难，一般多用作贮罐圆筒形容器

由圆柱形筒体和各种凸形封头(半球形、椭球形、碟形、圆锥形)或平板封头所组成。作为容器主体的圆柱形筒体，制造容易，安装内件方便，而且承压能力较好，因此这类容器应用最广

二、容器的分类按容器的形状名称名称矩形容器由平板焊成，制8按承压性质分类

内压容器：内部介质压力大于外界压力

低压：0.1MPa≤p<1.6MPa中压：1.6MPa≤p<10MPa高压：10MPa≤p<100MPa超高压：100MPa≤p外压容器：内部介质压力小于外界压力真空容器：内部压力小于一个绝对大气压(0.1MPa)的外压容器按承压性质分类内压容器：内部介质压力大于外界压力外压容器：9按监督管理

根据设计压力p和容积V、介质的性质将容器划分为I类、II类和III类。按监督管理根据设计压力p和容积V、介质的性质将容器划分为I10低温容器低于-20℃条件下常温容器

-20℃~200℃高温容器达到材料蠕变温度中温容器壁温介于常温和高温之间按容器壁温低温容器低于-20℃条件下按容器壁温11◎按制造容器所用的材料容器有金属制的和非金属制的两类。◎按应用情况可分为反应压力容器、换热压力容器、分离压力容器和储存压力容器。其它常见的分类方法◎按制造容器所用的材料容器有金属制的和非金属制的两类。其它127.2回转壳体中的薄膜应力一、回转壳体的定义与实例1.回转曲面：以任意直线或平面曲线作母线，绕其同平面内的轴线（回转轴）旋转一周而成的曲面。平面曲线不同，得到的回转曲面的形状也不同。7.2回转壳体中的薄膜应力一、回转壳体的定义与实例13化工设备机械基础课件-容器概述和薄膜应力142.回转壳体以回转曲面为中间面的壳体就是回转壳体。2.回转壳体以回转曲面为中间面的壳体就是回转壳体。15二、回转壳体的几何概念母线、经线、平行圆、纬线母线平面经线平面横截面圆锥面二、回转壳体的几何概念母线、经线、平行圆、纬线母线平面经线16纵截面横截面锥截面纵截面横截面锥截面17工程实际中的压力容器大多为薄壁容器。通常根据K=DO/

Di的大小来判断，K≤1.2为薄壁容器。如：1000+2x6=1012（mm）1012/1000=1.012≤1.2为薄壁容器由于薄壁容器的壳体壁厚相对直径来说很小，可近似比作薄膜，这时可以认为应力沿壁厚均匀分布，这种应力称之为薄膜应力。三、回转薄壳的薄膜应力工程实际中的压力容器大多为薄壁容器。三、回转薄壳的薄膜应力18三、回转薄壳的薄膜应力回转壳体在其内表面受到介质均匀的内压作用时，其经向纤维和环向纤维都要发生伸长变形。环向纤维（纬线）受到拉伸，因而在壳壁的纵截面上将产生环向应力，用sθ表示。经向纤维受到拉伸，因而在壳壁的锥截面内将产生经向应力，用sm表示。三、回转薄壳的薄膜应力回转壳体在其内表面受到介质均匀的内压作19（一）圆筒形壳体上的薄膜应力（一）圆筒形壳体上的薄膜应力201.环向薄膜应力sθ作用在筒体内表面上介质压力p产生的合力N为1.环向薄膜应力sθ作用在筒体内表面上介质压力p产生的合力N21这表明：由作用于任一曲面上介质压力所产生的合力等于介质压力与该曲面沿合力方向所得投影面积的乘积，而与曲面形状无关。筒壁纵截面上的环向薄膜应力sθ之合力T为利用平衡条件N=T这表明：由作用于任一曲面上介质压力所产生的合力等于介质压力与222.经向薄膜应力sm

作用在封头内表面上的介质压力p的轴向合力N′为2.经向薄膜应力sm作用在封头内表面上的介质压力p的轴向合23－式中的D是圆筒的平均直径，通常称其为中径。且D=Di+δ,δ与D相比甚小。作用在筒壁环形横截面上的经向薄膜应力的合力T′为利用平衡条件－式中的D是圆筒的平均直径，通常称其为中径。且D=Di+δ24圆柱壳薄膜应力分布结论1、σθ=2σm

圆柱壳的纵向截面是薄弱截面。2、圆柱壳的承压能力取决于（δ/D），并非厚度越大承压能力越好。圆柱壳薄膜应力分布结论1、σθ=2σm2、圆柱壳的承压能25实例问题a：筒体上开椭圆孔，如何开?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。思考实例问题a：筒体上开椭圆孔，如何开?应使其短轴与筒体的轴线平26问题b：钢板卷制圆筒形容器，纵焊缝与环焊缝哪个易裂？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。问题b：钢板卷制圆筒形容器，纵焊缝与环焊缝哪个易裂？筒体纵向27（二）圆球形壳体上的薄膜应力（二）圆球形壳体上的薄膜应力28如果过一点和球心，在相互垂直的两个方向上截开球形壳体，分别用sθ和sm表示，则球形壳体任一点处的薄膜应力为如果过一点和球心，在相互垂直的两个方向上截开球形壳体，分别用29球壳应力分布结论1、球壳各点σθ=σm

说明球壳的薄膜应力分布十分均匀。2、在载荷和几何条件相同的情况下，球壳的最大应力只是圆柱壳的一半，故球壳的承压能力比圆柱壳好。球壳应力分布结论1、球壳各点σθ=σm2、在载荷和几何条件30（三）椭球形壳体上的薄膜应力常用（三）椭球形壳体上的薄膜应力常用31椭球壳上的薄膜应力分布及其与球壳应力分布分布规律的对比椭球壳上的薄膜应力分布及其与球壳应力分布分布规律的对比32椭球壳上各点sθ和sm的分布规律1.椭球形壳体的顶点B处①当a/b≤2，顶点处的应力最大；②该点处的sθ＝sm；③可见，椭球越扁，顶点处的薄膜应力越大。椭球壳上各点sθ和sm的分布规律1.椭球形壳体的顶点B处332.椭球形壳体的赤道处C点①在直径不变的条件下，圆球形壳体向椭球形壳体过渡时，赤道处的经向薄膜应力不变。②在直径不变的条件下，赤道处的环向薄膜应力随着椭球变扁（即a/b增大），开始是逐渐减少，当a/b超过1.414后，赤道处的环向薄膜应力变为负值，即成为环向薄膜压缩应力。2.椭球形壳体的赤道处C点①在直径不变的条件下，圆球形壳体向34（三）椭球壳上的薄膜应力1、椭球壳上各点应力大小与点的坐标（x，y）有关2、椭球壳上各点应力大小及分布状况与a/b有关3、σm恒为正，最大值在顶点，最小值在赤道。σθ在顶点恒为正，在赤道有大于零、等于零、小于零三种情况。（三）椭球壳上的薄膜应力1、椭球壳上各点应力大小与点的坐标（35

椭圆形封头=半个椭球壳+高度为h0的短圆筒(直边)标准椭圆形封头取a/b＝2的半椭球封头为标准椭圆形封头椭圆形封头=半个椭球壳+高度为h0的短圆筒(直边)标准椭36为什么选择a/b＝2的半椭球封头为标准的椭圆形封头？从降低封头高度、便于冲压制造考虑，封头的深度浅一些好，即a/b大一些比较好。但a/b过大时，在赤道处会出现较大的压缩环向应力，有可能把椭球压瘪。当a/b＝2时，可见，标准半椭球内的最大薄膜应力值与同直径、同厚度的圆筒形壳体的最大薄膜应力值相等。两者强度计算完全相同。为什么选择a/b＝2的半椭球封头为标准的椭圆形封头？从降低封37（四）圆锥形壳体中的薄膜应力（四）圆锥形壳体中的薄膜应力38r－讨论点所在处的锥形壳体中面半径α－半锥角r－讨论点所在处的锥形壳体中面半径39圆锥壳应力分布结论1、r↑，两向均应力↑

，在锥顶处应力为零，因此一般开孔在锥顶。2、α↑，两向应力↑，故锥壳的半顶角不宜过大。圆锥壳应力分布结论1、r↑，两向均应力↑，在锥顶处应力为零40锥顶开孔锥顶开孔41四、薄膜应力的强度条件1）弹性失效理论对于中、低压薄壁容器，目前通用的是弹性失效理论。依据这一理论，容器上一点处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点σ，容器即告失效(失去正常的工作能力)，也就是说，容器的每一部分必须处于弹性变形范围内。sσr≤[σ]t四、薄膜应力的强度条件1）弹性失效理论sσr≤[σ]t422）按第三强度理论建立的薄膜应力强度条件讨论过的几种典型回转壳体中，承受内压时，危险点处的薄膜应力sθ和sm都是拉伸应力，所以该点处的三个主应力分别是σ1=sθ

，σ2=sm，σ3=0。

根据第三强度理论σr3=σ1-σ3=sθ所以，薄膜应力强度条件σr3=sθ≤[σ]t

2）按第三强度理论建立的薄膜应力强度条件讨论过的几种典型回转43薄膜应力强度条件：σr3=sθ≤[σ]tφ施焊过程中焊接热的影响，而造成焊接应力、焊缝金属晶粒度粗大以及气孔、未焊透等缺陷，降低了焊缝及附近区域的强度。故焊接接头往往是容器强度比较薄弱的地方。Φ－焊接接头系数

因此在钢板许用应力基础上乘以一个等于或小于1的焊接接头系数φ来作为焊接接头处金属的许用应力。薄膜应力强度条件：σr3=sθ≤[σ]tφ施焊过程中焊接热44第七章压力容器中的薄膜应力、弯曲应力与二次应力§7.1容器的概述§7.2回转壳体中的薄膜应力§7.3圆形平板承受均布载荷时的弯曲应力§7.4边界区内的二次应力第七章压力容器中的薄膜应力、弯曲应力与二次应力§7.1容45

7.1容器概述装置机器：运动的装置设备：静止的装置设备反应设备：主要用于完成介质的物理、化学反应换热设备：主要是用于完成介质的热量交换

分离设备：主要是用于完成介质的净化分离

储存设备：主要用于储存、盛装液化气体等介质

容器是指储存设备和其他各种化工设备的外壳。7.1容器概述装置机器：运动的装置设备：46反应釜反应釜47管板换热器管板换热器48精馏塔：精馏主要是利用混合物中各组分的挥发度不同而进行分离。精馏塔：精馏主要是利用混合物中各组分的挥发度不同而进行分离。49储罐储罐50一般是由筒体、封头、法兰、支座、接管及人孔(或手孔)等组成。一、容器的结构承压元件有哪些？一般是由筒体、封头、法兰、支座、接管及人孔(或手孔)等组成51二、容器的分类

按容器的形状

名称名称矩形容器由平板焊成，制造简便，但承压能力差，只用作小型常压贮槽球形容器承压能力好，但由于安装内件不便，制造稍难，一般多用作贮罐圆筒形容器

由圆柱形筒体和各种凸形封头(半球形、椭球形、碟形、圆锥形)或平板封头所组成。作为容器主体的圆柱形筒体，制造容易，安装内件方便，而且承压能力较好，因此这类容器应用最广

二、容器的分类按容器的形状名称名称矩形容器由平板焊成，制52按承压性质分类

内压容器：内部介质压力大于外界压力

低压：0.1MPa≤p<1.6MPa中压：1.6MPa≤p<10MPa高压：10MPa≤p<100MPa超高压：100MPa≤p外压容器：内部介质压力小于外界压力真空容器：内部压力小于一个绝对大气压(0.1MPa)的外压容器按承压性质分类内压容器：内部介质压力大于外界压力外压容器：53按监督管理

根据设计压力p和容积V、介质的性质将容器划分为I类、II类和III类。按监督管理根据设计压力p和容积V、介质的性质将容器划分为I54低温容器低于-20℃条件下常温容器

-20℃~200℃高温容器达到材料蠕变温度中温容器壁温介于常温和高温之间按容器壁温低温容器低于-20℃条件下按容器壁温55◎按制造容器所用的材料容器有金属制的和非金属制的两类。◎按应用情况可分为反应压力容器、换热压力容器、分离压力容器和储存压力容器。其它常见的分类方法◎按制造容器所用的材料容器有金属制的和非金属制的两类。其它567.2回转壳体中的薄膜应力一、回转壳体的定义与实例1.回转曲面：以任意直线或平面曲线作母线，绕其同平面内的轴线（回转轴）旋转一周而成的曲面。平面曲线不同，得到的回转曲面的形状也不同。7.2回转壳体中的薄膜应力一、回转壳体的定义与实例57化工设备机械基础课件-容器概述和薄膜应力582.回转壳体以回转曲面为中间面的壳体就是回转壳体。2.回转壳体以回转曲面为中间面的壳体就是回转壳体。59二、回转壳体的几何概念母线、经线、平行圆、纬线母线平面经线平面横截面圆锥面二、回转壳体的几何概念母线、经线、平行圆、纬线母线平面经线60纵截面横截面锥截面纵截面横截面锥截面61工程实际中的压力容器大多为薄壁容器。通常根据K=DO/

Di的大小来判断，K≤1.2为薄壁容器。如：1000+2x6=1012（mm）1012/1000=1.012≤1.2为薄壁容器由于薄壁容器的壳体壁厚相对直径来说很小，可近似比作薄膜，这时可以认为应力沿壁厚均匀分布，这种应力称之为薄膜应力。三、回转薄壳的薄膜应力工程实际中的压力容器大多为薄壁容器。三、回转薄壳的薄膜应力62三、回转薄壳的薄膜应力回转壳体在其内表面受到介质均匀的内压作用时，其经向纤维和环向纤维都要发生伸长变形。环向纤维（纬线）受到拉伸，因而在壳壁的纵截面上将产生环向应力，用sθ表示。经向纤维受到拉伸，因而在壳壁的锥截面内将产生经向应力，用sm表示。三、回转薄壳的薄膜应力回转壳体在其内表面受到介质均匀的内压作63（一）圆筒形壳体上的薄膜应力（一）圆筒形壳体上的薄膜应力641.环向薄膜应力sθ作用在筒体内表面上介质压力p产生的合力N为1.环向薄膜应力sθ作用在筒体内表面上介质压力p产生的合力N65这表明：由作用于任一曲面上介质压力所产生的合力等于介质压力与该曲面沿合力方向所得投影面积的乘积，而与曲面形状无关。筒壁纵截面上的环向薄膜应力sθ之合力T为利用平衡条件N=T这表明：由作用于任一曲面上介质压力所产生的合力等于介质压力与662.经向薄膜应力sm

作用在封头内表面上的介质压力p的轴向合力N′为2.经向薄膜应力sm作用在封头内表面上的介质压力p的轴向合67－式中的D是圆筒的平均直径，通常称其为中径。且D=Di+δ,δ与D相比甚小。作用在筒壁环形横截面上的经向薄膜应力的合力T′为利用平衡条件－式中的D是圆筒的平均直径，通常称其为中径。且D=Di+δ68圆柱壳薄膜应力分布结论1、σθ=2σm

圆柱壳的纵向截面是薄弱截面。2、圆柱壳的承压能力取决于（δ/D），并非厚度越大承压能力越好。圆柱壳薄膜应力分布结论1、σθ=2σm2、圆柱壳的承压能69实例问题a：筒体上开椭圆孔，如何开?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。思考实例问题a：筒体上开椭圆孔，如何开?应使其短轴与筒体的轴线平70问题b：钢板卷制圆筒形容器，纵焊缝与环焊缝哪个易裂？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。问题b：钢板卷制圆筒形容器，纵焊缝与环焊缝哪个易裂？筒体纵向71（二）圆球形壳体上的薄膜应力（二）圆球形壳体上的薄膜应力72如果过一点和球心，在相互垂直的两个方向上截开球形壳体，分别用sθ和sm表示，则球形壳体任一点处的薄膜应力为如果过一点和球心，在相互垂直的两个方向上截开球形壳体，分别用73球壳应力分布结论1、球壳各点σθ=σm

说明球壳的薄膜应力分布十分均匀。2、在载荷和几何条件相同的情况下，球壳的最大应力只是圆柱壳的一半，故球壳的承压能力比圆柱壳好。球壳应力分布结论1、球壳各点σθ=σm2、在载荷和几何条件74（三）椭球形壳体上的薄膜应力常用（三）椭球形壳体上的薄膜应力常用75椭球壳上的薄膜应力分布及其与球壳应力分布分布规律的对比椭球壳上的薄膜应力分布及其与球壳应力分布分布规律的对比76椭球壳上各点sθ和sm的分布规律1.椭球形壳体的顶点B处①当a/b≤2，顶点处的应力最大；②该点处的sθ＝sm；③可见，椭球越扁，顶点处的薄膜应力越大。椭球壳上各点sθ和sm的分布规律1.椭球形壳体的顶点B处772.椭球形壳体的赤道处C点①在直径不变的条件下，圆球形壳体向椭球形壳体过渡时，赤道处的经向薄膜应力不变。②在直径不变的条件下，赤道处的环向薄膜应力随着椭球变扁（即a/b增大），开始是逐渐减少，当a/b超过1.414后，赤道处的环向薄膜应力变为负值，即成为环向薄膜压缩应力。2.椭球形壳体的赤道处C点①在直径不变的条件下，圆球形壳体向78（三）椭球壳上的薄膜应力1、椭球壳上各点应力大小与点的坐标（x，y）有关2、椭球壳上各点应力大小及分布状况与a/b有关3、σm恒为正，最大值在顶点，最小值在赤道。σθ在顶点恒为正，在赤道有大于零、等于零、小于零三种情况。（三）椭球壳上的薄膜应力1、椭球壳上各点应力大小与点的坐标（79

椭圆形封头=半个椭球壳+高度为h0的短圆筒(直边)标准椭圆形封头取a/b＝2的半椭球封头为标准椭圆形封头椭圆形封头=半个椭球壳+高度为h0的短圆筒(直边)标准椭80为什么选择a/b＝2的半椭球封头为标准的椭圆形封头？从降低封头高度、便于冲压制造考虑，封头的深度浅一些好，即a/b大一些比较好。但a/b过大时，在赤道处会出现较大的压缩环向应力，有可能把