第四章：容器设计基础课件

第四章：容器设计基础容器是各种设备外部壳体的总称1/4/20231第四章：容器设计基础容器是各种设备外部壳体的总称12/11/1/4/2023212/11/20222概述容器的结构容器分类按器壁厚度、压力性质、压力大小、承受温度、《压力容器安全技术监察规程》分类。容器机械设计的基本要求容器的标准化1/4/20233概述容器的结构12/11/20223第一节：内压薄壁圆筒的设计一、内压圆筒的应力分析二、内压圆筒的设计与计算三、压力试验1/4/20234第一节：内压薄壁圆筒的设计一、内压圆筒的应力分析12/11/一、内压圆筒的应力分析在工艺给定的压力p下，p垂直作用于器壁表面，容器将产生拉长，胀大的趋势。如圆柱筒体、平盖封头容器，在轴向产生拉长；在环向产生胀大，并产生弯矩Mo。若不考虑Mo弯矩的影响，称无力矩壁厚，反之称为有力矩壁厚。1/4/20235一、内压圆筒的应力分析在工艺给定的压力p下，p垂直作用于器壁圆柱筒体、平面封头：环向dc轴向abmT

NT′nnmW1/4/20236圆柱筒体、平面封头：12/11/20226从壳体上截出一微元体abcd，进行受力分析：环向应力σ2，轴向应力σ1。

σ2σ2σ2

σ1σ1

M0M0

σ21/4/20237从壳体上截出一微元体abcd，进行受力分析：12/11/20假设：在应力是均匀的，壁厚很薄的条件下，可略去Mo弯矩的影响。对薄壁容器，结构尺寸取其中径D中。D中=(Do+Di)/2=Di+δδ=(Do-Di)/21/4/20238假设：在应力是均匀的，壁厚很薄的条件下，可略去Mo弯矩的影响环向应力：σ2=pD中/2δyσ2TδlxpθdθW1/4/20239环向应力：σ2=pD中/2δ12/11/20229轴向应力：σ1=pD中/4δyδNpσ1zT′x1/4/202310轴向应力：σ1=pD中/4δ12/11/202210二、内压圆筒的设计与计算圆筒壁厚的计算公式壁厚的其他影响因素设计厚度设计参数的确定1/4/202311二、内压圆筒的设计与计算圆筒壁厚的计算公式12/11/202圆筒壁厚的计算公式式中δ—计算厚度，mm；pc—设计压力，MPa；Di—圆筒内径，mm；[σ]t—设计温度下材料的许用应力，MPa；

φ—焊缝系数，查P127表9-6。1/4/202312圆筒壁厚的计算公式12/11/202212壁厚的其他影响因素1、钢板的负偏差，c1；(如：8±0.8mm)详见P128，表9-10钢板厚度负偏差。2、腐蚀裕量，c2；（在设计使用年限内的腐蚀量。n年×λmm/a）

c2=n·λ(mm)3、加工中的减薄量，c3。1/4/202313壁厚的其他影响因素12/11/202213设计厚度设计厚度(δd)=计算厚度(δ)+腐蚀裕量(c2)即：1/4/202314设计厚度12/11/202214将设计厚度（δd）加上c1、c3后，向上圆整至钢板标准规格厚度，称为名义厚度或实际厚度δn。

δn=δd+c1+c3+Δ=δ+c1+c2+c3+Δ有效厚度δe

δe=δ+Δ=δn-c1-c2-c31/4/202315将设计厚度（δd）加上c1、c3压力容器最小厚度：δmin(不包括c2、c3)计算厚度δ，是内压圆筒仅从强度因素得出的。而最小厚度是综合考虑刚度要求提出的。对碳素钢、低合金钢制容器，δmin≥3mm；对高合金钢制容器，δmin≥2mm。1/4/202316压力容器最小厚度：δmin(不包括c2、c3)12/1设计参数的确定1、设计压力pc；2、设计温度T；3、许用应力[σ]；4、焊缝系数φ；5、厚度附加量c。1/4/202317设计参数的确定12/11/202217三、压力试验进行液压试验时试验压力的确定进行气压试验时试验压力的确定液压试验方法与过程控制气压试验方法与过程控制气密性试验对所确定的试验压力进行强度校核1/4/202318三、压力试验进行液压试验时试验压力的确定12/11/2022液压试验时的试验压力且

pT≥pC+0.1MPa其中1/4/202319液压试验时的试验压力12/11/202219式中pT—试验压力，MPa；pC—设计压力，MPa；[σ]—试验温度下材料的许用应力，MPa；[σ]t—设计温度下材料的许用应力，MPa。1/4/202320式中12/11/202220气压试验时的试验压力

其中1/4/202321气压试验时的试验压力12/11/202221液压试验方法与过程控制将容器充满液体，最高点设排气口。缓慢将压力升到规定试验压力后，保压半小时，降压到规定试验压力的80%，保持足够长的时间，以便对所有焊缝和连接部位进行检查。1/4/202322液压试验方法与过程控制将容器充满液体，气压试验方法与过程控制对不适合作液压试验的容器，才采用气压试验。缓慢升压到规定试验压力的10%，且不超过0.05MPa，保持10分钟，查验所有焊缝及连接部位，多次检查。合格后，升到试验压力的50%，而后每次升级为试验压力的10%，直到试验压力。保持10分钟，然后降至试验压力的87%，检查焊缝情况。1/4/202323气压试验方法与过程控制对不适合作液压试气密性试验容器须经液压试验后，方可进行气密试验。方法是缓慢升压至试验压力，保持10分钟，然后降至设计压力。同时进行检查。气体温度应不低于5℃。1/4/202324气密性试验容器须经液压试验后，方可进行试验压力的强度校核（一）液压试验时气压试验时1/4/202325试验压力的强度校核（一）液压试验时12/11/202225试验压力的强度校核（二）液压试验时气压试验时1/4/202326试验压力的强度校核（二）液压试验时12/11/202226第二节：内压容器封头的设计一、边缘应力概念二、凸形封头三、平板封头四、封头的结构特性及选择1/4/202327第二节：内压容器封头的设计一、边缘应力概念12/11/202一、边缘应力概念产生实质存在联接边缘；联接处二者变形大小不同。特点局部性；自限性。对边缘应力的处理1/4/202328一、边缘应力概念产生实质12/11/202228二、凸形封头半球封头椭圆形封头碟形封头球冠形封头1/4/202329二、凸形封头半球封头12/11/202229半球封头母线绕o轴回转而成球体，其任意时刻停留线均为经线。σ1=σ2=σo

σ2

δσ1Dz

σDio1/4/202330半球封头母线绕o轴回转而成球体，其任意半球、球壳计算厚度公式外力=内力1/4/202331半球、球壳计算厚度公式实际应用时，筒体与半球形封头厚度相同，主要是考虑边缘应力和焊接工艺。等厚焊接可以降低边缘联接处的边缘应力。半球形封头多用于直径较大，或压力较高的容器。1/4/202332实际应用时，筒体与半球形封头厚度相同，椭圆形封头由区域平衡方程得：由微体平衡方程得：椭圆方程：1/4/202333椭圆形封头12/11/202233取分离体zR2δ

σm

R2σm

θθpD1/4/202334取分离体12/11/202234由z轴方向的平衡条件，得Nz-Pz=0即σmπDδ·sinθ-πD2p/4=0(a)

∵sinθ=D/2R2

∴D=2R2sinθ代入(a)式得到1/4/202335由z轴方向的平衡条件，得12/11/202235经向应力计算公式式中

σm—经向应力，MPa；

δ—壳体厚度，mm；R2—所求应力点的第二曲率半径，mm；p—壳体所受的内压力，MPa。1/4/202336经向应力计算公式12/11/202236取微元体R2

σmR1dθ2

dθ1

σθ

σθ

σm

1/4/202337取微元体12/11/202237

回转壳体应力分析

σm

δdl2

δdθ2dθ1σθδdl1pdl1

σθδdl1dl2

σm

δdl21/4/202338回转壳体应力分析经向应力σm与环向应力σθ

dθ1

σmdθ1

/2pR1nσθ

σmR2p

ndθ2

dθ2

/21/4/202339经向应力σm与环向应力σθdθ1σm根据法线n方向上力的平衡条件，得到Pn–Nmn–Nθn=0即pdl1dl2-2σm

δdl2sindθ1

/2

-2σθδdl1sindθ2

/2

=0(b)1/4/202340根据法线n方向上力的平衡条件，得到12/11/20224因为夹角dθ1与dθ2很小，可取sindθ1

/2≈dθ1

/2=dl1/2R1sindθ2

/2≈dθ2

/2=dl2/2R2将以上两式代入(b)式，并化简，整理得1/4/202341因为夹角dθ1与dθ2很小，可取12/11/202241环向应力计算公式式中σθ—环向应力，MPa；R1—所求应力点的第一曲率半径，mm。1/4/202342环向应力计算公式12/11/202242椭圆封头应力分析又椭圆方程：由第一曲率半径：1/4/202343椭圆封头应力分析又椭圆方程：12/11/202243第二曲率半径：R2=-x/sinθ

y

R1Ax

θba

θR21/4/202344第二曲率半径：R2=-x/sinθ12/11/202

由｛得1/4/20234512/11/202245将代入与得1/4/202346将12/11/202246顶点边缘X=0X=a轴向环向1/4/202347顶点边缘X=0轴向应力分布图yyhh0xbxa1/4/202348轴向应力分布图环向应力分布图当时，此时

yx1/4/202349环向应力分布图当时，此时当当yyxx1/4/202350当当时，为标准椭圆封头yyxx轴向应力环向应力1/4/202351当时，为标准椭圆封头12/椭圆封头计算厚度公式当a/b=2时，K=1，为标准椭圆封头。标准椭圆封头计算厚度公式：1/4/202352椭圆封头计算厚度公式12/11/202252碟形封头又称带有折边的球形封头。设有折边是为了缓解边缘应力。折边δrhh0Ri直边，取值Di25、40、50mm。1/4/202353碟形封头又称带有折边的球形封头。设有碟形封头厚度计算公式

考虑到球面部分与过渡区联接处的局部高应力，规定Ri≤Di，r/Di≥0.1，且r≥3δn。厚度计算公式碟形封头形状系数1/4/202354碟形封头厚度计算公式考虑到球面部分标准碟形封头厚度计算公式

当Ri=0.9Di，r=0.17Di，称为标准碟形封头，此时M=1.325。

标准碟形封头计算厚度公式1/4/202355标准碟形封头厚度计算公式当Ri=球冠形封头球面部分直接焊在筒体上，也称无折边球形封头。可降低封头高度，但存在较大的局部边缘应力。1/4/202356球冠形封头球面部分直接焊在筒体上，也称Ri=(0.7~1.0)Di，圆筒加强段L的厚度δ与封头厚度δ等厚。DiRi

δL1/4/202357Ri=(0.7~1.0)Di，圆筒加三、平板封头圆形平盖非圆形平盖1/4/202358三、平板封头圆形平盖12/11/202258圆形平盖平盖封头主要用于常压和低压的设备上，或直径较小的设备。一种是不可拆的固定平盖，其最大应力是轴向弯曲应力，产生在圆板边缘。另一种是可拆平盖，其最大应力产生在平板中心。1/4/202359圆形平盖平盖封头主要用于常压和低压的设

上述两类问题简化为板边缘结构特征系数K来考虑。因为圆形平盖计算厚度1/4/202360上述两类问题简化为板边缘结构特征系数式中Dc—计算直径，见表10-4K—结构特征系数，见表10-4Pc—设计压力，MPa[σ]t—设计温度下的许用应力，MPa

Φ—焊缝系数δ—平盖计算厚度1/4/202361式中12/11/202261非圆形平盖(a)表10-4中⑶～⑹，⑽～⑿式中：z—非圆平盖形状系数z=3.4-2.4a/b，且z≤2.5a—非圆平盖的短轴长度b—非圆平盖的长轴长度1/4/202362非圆形平盖(a)表10-4中⑶～⑹，⑽～⑿12/11/202(b)表10-4中⒀⒁1/4/202363(b)表10-4中⒀⒁12/11/202263四、封头的结构特性及选择封头的结构形式是由工艺过程、承载能力、制造方便等方面的要求而决定。从受力情况看：半球最好，椭圆、碟形其次，球冠、锥形更次之，而平板最差。从制造方便看：平板最易，球冠、锥形、碟形、椭圆较易，半球最难。1/4/202364四、封头的结构特性及选择封头的结构形式是由工艺过程、承载能力第三节：外压圆筒的设计一、外压容器的稳定性二、外压圆筒的简化公式计算法三、外压圆筒图算设计方法四、外压圆筒图算设计方法说明五、外压圆筒厚度表六、外压容器的试压1/4/202365第三节：外压圆筒的设计一、外压容器的稳定性12/11/202一、外压容器的稳定性圆筒失稳的形式周向失稳；轴向失稳；局部失稳。临界压力设计外压影响临界压力的因素筒体尺寸；材料性能；筒体形状。1/4/202366一、外压容器的稳定性圆筒失稳的形式12/11/202266二、外压圆筒的简化公式计算法钢制长圆筒钢制短圆筒刚性圆筒临界长度计算法步骤1/4/202367二、外压圆筒的简化公式计算法钢制长圆筒12/11/20226钢制长圆筒指圆筒的中央吸瘪时，临界压力pcr不受两端盖的影响。L/D0值较大，pcr与δe/D0有关，而与L/D0无关。1/4/202368钢制长圆筒指圆筒的中央吸瘪时，临界压力设计准则名义厚度1/4/202369设计准则12/11/202269钢制短圆筒指圆筒的中央吸瘪时，临界压力pcr受其两端盖的支撑作用。pcr与δe/D0有关，也与L/D0有关。1/4/202370钢制短圆筒指圆筒的中央吸瘪时，临界压力设计准则名义厚度1/4/202371设计准则12/11/202271刚性圆筒指圆筒破坏原因是由于在外压力作用下，相应所产生的压应力，其值超过材料的屈服极限所致。而不会发生失稳。L/D0值较小，δe/D0较大，pcr值趋于无穷大。1/4/202372刚性圆筒指圆筒破坏原因是由于在外压力作

当δe/D0≥0.04时，即认为是刚性圆筒。此时，δe可按内压圆筒公式进行计算。1/4/202373当δe/D0≥0.04时，即认为是刚临界长度在相同的δe/D0下，长、短圆筒的区别在于是否受边界端盖的支撑作用。当短圆筒的长度逐渐增加到不受其两端盖的影响时，即进入长圆筒，在此临界处，可用短圆筒计算，也可用长圆筒计算。此时的长度称为临界长度Lcr，且两种计算结果相同。1/4/202374临界长度在相同的δe/D0下，长、短圆即临界长度当实际圆筒的计算长度L＞Lcr时，就属于长圆筒，反之则属于短圆筒，据此判断应选择的计算公式。1/4/202375即12/11/202275计算法步骤由工艺计算已知：Di，L及p工作＜pc，D0=Di+2δe1、假设有效壁厚δe，根据外径D0计算临界长度Lcr值，比较L与Lcr，判别长、短圆筒；1/4/202376计算法步骤由工艺计算已知：Di，L及p工作＜pc，12/112、按相应长短圆筒公式求出pcr值。长圆筒短圆筒1/4/2023772、按相应长短圆筒公式求出pcr值。12/11/2022773、比较p工作＜pc≤[p]=pcr/m，说明假设δe正确。否则重新假设δe，重新计算。p工作＜pc，但数值应较为接近。若相差过大，也要重新计算。1/4/2023783、比较p工作＜pc≤[p]=pcr/m，说明12相关参数的含义计算长度L=L1+2h/3+2h0Lh/3hL1h01/4/202379相关参数的含义计算长度L=L1+2h/3+2h01三、外压圆筒图算设计方法几何参数计算图壁厚计算图Do／e≥20的圆筒和管子Do／e＜20的圆筒和管子Do／e＜4.0的圆筒和管子1/4/202380三、外压圆筒图算设计方法几何参数计算图12/11/20228几何参数计算图图11-51/4/202381几何参数计算图图11-512/11/202281壁厚计算图图11-7～11-101/4/202382壁厚计算图图11-7～11-1012/11/202282Do／e≥20的圆筒和管子1、假设δn，令δe=δn-c，计算出L/D0

和D0/δe

。2、由算图11-5，查A值，若L/D0

＞50，则取L/D0=50；若L/D0

＜0.5，则取L/D0=0.5。1/4/202383Do／e≥20的圆筒和管子1、假设δn，令δe=δn3、由A值及相应的工作温度，查算图11-7～算图11-10，得B值。若A值落在温度-材料线右方，可得B值，则计算许用外力1/4/2023843、由A值及相应的工作温度，12/11/202284

若A值落在温度-材料线左方，得不到B值，此时，B=2AEt/3。则许用外力1/4/202385若A值落在温度-材料线左方，12/114、比较pc＜[p]是否成立，成立则假设

δn符合设计要求，否则重新计算，直到[p]大于且接近pc为止。注意δn与[p]的单位为：mm，MPa。1/4/2023864、比较pc＜[p]是否成立，成立则假设12/11/202Do／e＜20的圆筒和管子此时为刚性圆筒。1、与上述相同的步骤查得B值。但对Do／e＜4.0的圆筒和管子（此时为厚壁容器），应按下式计算A值。

，A＞0.1时，取A=0.1然后，查B值。1/4/202387Do／e＜20的圆筒和管子此时为刚性圆筒。12/11/202、按下式计算许用压力式中：σ0表示应力，取以下两值中的较小值。3、［p］应大于或等于pc。否则重新计算。1/4/2023882、按下式计算许用压力12/11/202288四、外压圆筒图算设计方法说明习题11-1，159页厚壁容器与薄壁容器，长圆筒、短圆筒、刚性圆筒，几何参数计算图，150页弹性失稳与非弹性失稳，壁厚计算图，152页1/4/202389四、外压圆筒图算设计方法说明习题11-1，159页12/11五、外压圆筒厚度表真空筒体厚度计算表，154页带夹套的受压筒体厚度计算表1/4/202390五、外压圆筒厚度表真空筒体厚度计算表，154页12/11/2六、外压容器试压外压容器和真空容器按内压容器进行试压液压试验试验压力取1.25倍的设计外压。气压试验试验压力取1.15倍的设计外压。1/4/202391六、外压容器试压外压容器和真空容器按内压容器进行试压12/1第四节：外压球壳与凸形封头设计本节自学，见教材第156页。1/4/202392第四节：外压球壳与凸形封头设计本节自学，见教材第156页。1第五节：容器零部件一、法兰连接二、容器支座三、容器的开孔与补强四、容器附件1/4/202393第五节：容器零部件一、法兰连接12/11/2022931/4/20239412/11/2022941/4/20239512/11/2022951/4/20239612/11/202296一、法兰连接可拆连接压力容器法兰和管法兰法兰形式密封面平焊法兰与对焊法兰1/4/202397一、法兰连接可拆连接12/11/202297二、容器支座卧式容器支座鞍座、圈座、支腿。立式容器支座耳式支座、支承式支座、腿式支座、裙式支座。1/4/202398二、容器支座卧式容器支座12/11/202298三、容器的开孔与补强开孔适用的开孔范围、不另行补强的最大开孔直径。补强补强的设计原则、补强结构。1/4/202399三、容器的开孔与补强开孔12/11/202299四、容器附件接管视镜人孔、手孔液面计设备吊孔1/4/2023100四、容器附件接管12/11/2022100第四章：容器设计基础容器是各种设备外部壳体的总称1/4/2023101第四章：容器设计基础容器是各种设备外部壳体的总称12/11/1/4/202310212/11/20222概述容器的结构容器分类按器壁厚度、压力性质、压力大小、承受温度、《压力容器安全技术监察规程》分类。容器机械设计的基本要求容器的标准化1/4/2023103概述容器的结构12/11/20223第一节：内压薄壁圆筒的设计一、内压圆筒的应力分析二、内压圆筒的设计与计算三、压力试验1/4/2023104第一节：内压薄壁圆筒的设计一、内压圆筒的应力分析12/11/一、内压圆筒的应力分析在工艺给定的压力p下，p垂直作用于器壁表面，容器将产生拉长，胀大的趋势。如圆柱筒体、平盖封头容器，在轴向产生拉长；在环向产生胀大，并产生弯矩Mo。若不考虑Mo弯矩的影响，称无力矩壁厚，反之称为有力矩壁厚。1/4/2023105一、内压圆筒的应力分析在工艺给定的压力p下，p垂直作用于器壁圆柱筒体、平面封头：环向dc轴向abmT

NT′nnmW1/4/2023106圆柱筒体、平面封头：12/11/20226从壳体上截出一微元体abcd，进行受力分析：环向应力σ2，轴向应力σ1。

σ2σ2σ2

σ1σ1

M0M0

σ21/4/2023107从壳体上截出一微元体abcd，进行受力分析：12/11/20假设：在应力是均匀的，壁厚很薄的条件下，可略去Mo弯矩的影响。对薄壁容器，结构尺寸取其中径D中。D中=(Do+Di)/2=Di+δδ=(Do-Di)/21/4/2023108假设：在应力是均匀的，壁厚很薄的条件下，可略去Mo弯矩的影响环向应力：σ2=pD中/2δyσ2TδlxpθdθW1/4/2023109环向应力：σ2=pD中/2δ12/11/20229轴向应力：σ1=pD中/4δyδNpσ1zT′x1/4/2023110轴向应力：σ1=pD中/4δ12/11/202210二、内压圆筒的设计与计算圆筒壁厚的计算公式壁厚的其他影响因素设计厚度设计参数的确定1/4/2023111二、内压圆筒的设计与计算圆筒壁厚的计算公式12/11/202圆筒壁厚的计算公式式中δ—计算厚度，mm；pc—设计压力，MPa；Di—圆筒内径，mm；[σ]t—设计温度下材料的许用应力，MPa；

φ—焊缝系数，查P127表9-6。1/4/2023112圆筒壁厚的计算公式12/11/202212壁厚的其他影响因素1、钢板的负偏差，c1；(如：8±0.8mm)详见P128，表9-10钢板厚度负偏差。2、腐蚀裕量，c2；（在设计使用年限内的腐蚀量。n年×λmm/a）

c2=n·λ(mm)3、加工中的减薄量，c3。1/4/2023113壁厚的其他影响因素12/11/202213设计厚度设计厚度(δd)=计算厚度(δ)+腐蚀裕量(c2)即：1/4/2023114设计厚度12/11/202214将设计厚度（δd）加上c1、c3后，向上圆整至钢板标准规格厚度，称为名义厚度或实际厚度δn。

δn=δd+c1+c3+Δ=δ+c1+c2+c3+Δ有效厚度δe

δe=δ+Δ=δn-c1-c2-c31/4/2023115将设计厚度（δd）加上c1、c3压力容器最小厚度：δmin(不包括c2、c3)计算厚度δ，是内压圆筒仅从强度因素得出的。而最小厚度是综合考虑刚度要求提出的。对碳素钢、低合金钢制容器，δmin≥3mm；对高合金钢制容器，δmin≥2mm。1/4/2023116压力容器最小厚度：δmin(不包括c2、c3)12/1设计参数的确定1、设计压力pc；2、设计温度T；3、许用应力[σ]；4、焊缝系数φ；5、厚度附加量c。1/4/2023117设计参数的确定12/11/202217三、压力试验进行液压试验时试验压力的确定进行气压试验时试验压力的确定液压试验方法与过程控制气压试验方法与过程控制气密性试验对所确定的试验压力进行强度校核1/4/2023118三、压力试验进行液压试验时试验压力的确定12/11/2022液压试验时的试验压力且

pT≥pC+0.1MPa其中1/4/2023119液压试验时的试验压力12/11/202219式中pT—试验压力，MPa；pC—设计压力，MPa；[σ]—试验温度下材料的许用应力，MPa；[σ]t—设计温度下材料的许用应力，MPa。1/4/2023120式中12/11/202220气压试验时的试验压力

其中1/4/2023121气压试验时的试验压力12/11/202221液压试验方法与过程控制将容器充满液体，最高点设排气口。缓慢将压力升到规定试验压力后，保压半小时，降压到规定试验压力的80%，保持足够长的时间，以便对所有焊缝和连接部位进行检查。1/4/2023122液压试验方法与过程控制将容器充满液体，气压试验方法与过程控制对不适合作液压试验的容器，才采用气压试验。缓慢升压到规定试验压力的10%，且不超过0.05MPa，保持10分钟，查验所有焊缝及连接部位，多次检查。合格后，升到试验压力的50%，而后每次升级为试验压力的10%，直到试验压力。保持10分钟，然后降至试验压力的87%，检查焊缝情况。1/4/2023123气压试验方法与过程控制对不适合作液压试气密性试验容器须经液压试验后，方可进行气密试验。方法是缓慢升压至试验压力，保持10分钟，然后降至设计压力。同时进行检查。气体温度应不低于5℃。1/4/2023124气密性试验容器须经液压试验后，方可进行试验压力的强度校核（一）液压试验时气压试验时1/4/2023125试验压力的强度校核（一）液压试验时12/11/202225试验压力的强度校核（二）液压试验时气压试验时1/4/2023126试验压力的强度校核（二）液压试验时12/11/202226第二节：内压容器封头的设计一、边缘应力概念二、凸形封头三、平板封头四、封头的结构特性及选择1/4/2023127第二节：内压容器封头的设计一、边缘应力概念12/11/202一、边缘应力概念产生实质存在联接边缘；联接处二者变形大小不同。特点局部性；自限性。对边缘应力的处理1/4/2023128一、边缘应力概念产生实质12/11/202228二、凸形封头半球封头椭圆形封头碟形封头球冠形封头1/4/2023129二、凸形封头半球封头12/11/202229半球封头母线绕o轴回转而成球体，其任意时刻停留线均为经线。σ1=σ2=σo

σ2

δσ1Dz

σDio1/4/2023130半球封头母线绕o轴回转而成球体，其任意半球、球壳计算厚度公式外力=内力1/4/2023131半球、球壳计算厚度公式实际应用时，筒体与半球形封头厚度相同，主要是考虑边缘应力和焊接工艺。等厚焊接可以降低边缘联接处的边缘应力。半球形封头多用于直径较大，或压力较高的容器。1/4/2023132实际应用时，筒体与半球形封头厚度相同，椭圆形封头由区域平衡方程得：由微体平衡方程得：椭圆方程：1/4/2023133椭圆形封头12/11/202233取分离体zR2δ

σm

R2σm

θθpD1/4/2023134取分离体12/11/202234由z轴方向的平衡条件，得Nz-Pz=0即σmπDδ·sinθ-πD2p/4=0(a)

∵sinθ=D/2R2

∴D=2R2sinθ代入(a)式得到1/4/2023135由z轴方向的平衡条件，得12/11/202235经向应力计算公式式中

σm—经向应力，MPa；

δ—壳体厚度，mm；R2—所求应力点的第二曲率半径，mm；p—壳体所受的内压力，MPa。1/4/2023136经向应力计算公式12/11/202236取微元体R2

σmR1dθ2

dθ1

σθ

σθ

σm

1/4/2023137取微元体12/11/202237

回转壳体应力分析

σm

δdl2

δdθ2dθ1σθδdl1pdl1

σθδdl1dl2

σm

δdl21/4/2023138回转壳体应力分析经向应力σm与环向应力σθ

dθ1

σmdθ1

/2pR1nσθ

σmR2p

ndθ2

dθ2

/21/4/2023139经向应力σm与环向应力σθdθ1σm根据法线n方向上力的平衡条件，得到Pn–Nmn–Nθn=0即pdl1dl2-2σm

δdl2sindθ1

/2

-2σθδdl1sindθ2

/2

=0(b)1/4/2023140根据法线n方向上力的平衡条件，得到12/11/20224因为夹角dθ1与dθ2很小，可取sindθ1

/2≈dθ1

/2=dl1/2R1sindθ2

/2≈dθ2

/2=dl2/2R2将以上两式代入(b)式，并化简，整理得1/4/2023141因为夹角dθ1与dθ2很小，可取12/11/202241环向应力计算公式式中σθ—环向应力，MPa；R1—所求应力点的第一曲率半径，mm。1/4/2023142环向应力计算公式12/11/202242椭圆封头应力分析又椭圆方程：由第一曲率半径：1/4/2023143椭圆封头应力分析又椭圆方程：12/11/202243第二曲率半径：R2=-x/sinθ

y

R1Ax

θba

θR21/4/2023144第二曲率半径：R2=-x/sinθ12/11/202

由｛得1/4/202314512/11/202245将代入与得1/4/2023146将12/11/202246顶点边缘X=0X=a轴向环向1/4/2023147顶点边缘X=0轴向应力分布图yyhh0xbxa1/4/2023148轴向应力分布图环向应力分布图当时，此时

yx1/4/2023149环向应力分布图当时，此时当当yyxx1/4/2023150当当时，为标准椭圆封头yyxx轴向应力环向应力1/4/2023151当时，为标准椭圆封头12/椭圆封头计算厚度公式当a/b=2时，K=1，为标准椭圆封头。标准椭圆封头计算厚度公式：1/4/2023152椭圆封头计算厚度公式12/11/202252碟形封头又称带有折边的球形封头。设有折边是为了缓解边缘应力。折边δrhh0Ri直边，取值Di25、40、50mm。1/4/2023153碟形封头又称带有折边的球形封头。设有碟形封头厚度计算公式

考虑到球面部分与过渡区联接处的局部高应力，规定Ri≤Di，r/Di≥0.1，且r≥3δn。厚度计算公式碟形封头形状系数1/4/2023154碟形封头厚度计算公式考虑到球面部分标准碟形封头厚度计算公式

当Ri=0.9Di，r=0.17Di，称为标准碟形封头，此时M=1.325。

标准碟形封头计算厚度公式1/4/2023155标准碟形封头厚度计算公式当Ri=球冠形封头球面部分直接焊在筒体上，也称无折边球形封头。可降低封头高度，但存在较大的局部边缘应力。1/4/2023156球冠形封头球面部分直接焊在筒体上，也称Ri=(0.7~1.0)Di，圆筒加强段L的厚度δ与封头厚度δ等厚。DiRi

δL1/4/2023157Ri=(0.7~1.0)Di，圆筒加三、平板封头圆形平盖非圆形平盖1/4/2023158三、平板封头圆形平盖12/11/202258圆形平盖平盖封头主要用于常压和低压的设备上，或直径较小的设备。一种是不可拆的固定平盖，其最大应力是轴向弯曲应力，产生在圆板边缘。另一种是可拆平盖，其最大应力产生在平板中心。1/4/2023159圆形平盖平盖封头主要用于常压和低压的设

上述两类问题简化为板边缘结构特征系数K来考虑。因为圆形平盖计算厚度1/4/2023160上述两类问题简化为板边缘结构特征系数式中Dc—计算直径，见表10-4K—结构特征系数，见表10-4Pc—设计压力，MPa[σ]t—设计温度下的许用应力，MPa

Φ—焊缝系数δ—平盖计算厚度1/4/2023161式中12/11/202261非圆形平盖(a)表10-4中⑶～⑹，⑽～⑿式中：z—非圆平盖形状系数z=3.4-2.4a/b，且z≤2.5a—非圆平盖的短轴长度b—非圆平盖的长轴长度1/4/2023162非圆形平盖(a)表10-4中⑶～⑹，⑽～⑿12/11/202(b)表10-4中⒀⒁1/4/2023163(b)表10-4中⒀⒁12/11/202263四、封头的结构特性及选择封头的结构形式是由工艺过程、承载能力、制造方便等方面的要求而决定。从受力情况看：半球最好，椭圆、碟形其次，球冠、锥形更次之，而平板最差。从制造方便看：平板最易，球冠、锥形、碟形、椭圆较易，半球最难。1/4/2023164四、封头的结构特性及选择封头的结构形式是由工艺过程、承载能力第三节：外压圆筒的设计一、外压容器的稳定性二、外压圆筒的简化公式计算法三、外压圆筒图算设计方法四、外压圆筒图算设计方法说明五、外压圆筒厚度表六、外压容器的试压1/4/2023165第三节：外压圆筒的设计一、外压容器的稳定性12/11/202一、外压容器的稳定性圆筒失稳的形式周向失稳；轴向失稳；局部失稳。临界压力设计外压影响临界压力的因素筒体尺寸；材料性能；筒体形状。1/4/2023166一、外压容器的稳定性圆筒失稳的形式12/11/202266二、外压圆筒的简化公式计算法钢制长圆筒钢制短圆筒刚性圆筒临界长度计算法步骤1/4/2023167二、外压圆筒的简化公式计算法钢制长圆筒12/11/20226钢制长圆筒指圆筒的中央吸瘪时，临界压力pcr不受两端盖的影响。L/D0值较大，pcr与δe/D0有关，而与L/D0无关。1/4/2023168钢制长圆筒指圆筒的中央吸瘪时，临界压力设计准则名义厚度1/4/2023169设计准则12/11/202269钢制短圆筒指圆筒的中央吸瘪时，临界压力pcr受其两端盖的支撑作用。pcr与δe/D0有关，也与L/D0有关。1/4/2023170钢制短圆筒指圆筒的中央吸瘪时，临界压力设计准则名义厚度1/4/2023171设计准则12/11/202271刚性圆筒指圆筒破坏原因是由于在外压力作用下，相应所产生的压应力，其值超过材料的屈服极限所致。而不会发生失稳。L/D0值较小，δe/D0较大，pcr值趋于无穷大。1/4/2023172刚性圆筒指圆筒破坏原因是由于在外压力作

当δe/D0≥0.04时，即认为是刚性圆筒。此时，δe可按内压圆筒公式进行计算。1/4/2023173当δe/D0≥0.04时，即认为是刚临界长度在相同的δe/D0下，长、短圆筒的区别在于是否受边界端盖的支撑作用。当短圆筒的长度逐渐增加到不受其两端盖的影响时，即进入长圆筒，在此临界处，可用短圆筒计算，也可用长圆筒计算。此时的长度称为临界长度Lcr，且两种计算结果相同。1/4/2023