过程设备设计

过程设备设计过程装备与控制工程专业核心课程教材目录

绪论压力容器导言压力容器应力分析压力容器材料及环境和时间对其性能的影响压力容器设计储存设备换热设备塔设备绪论（1）产品的分类硬件产品（hardware)软件产品(software)流程性产品(processedmaterial)（2）过程工业的概念

过程工业是指包括:化工轻工炼油食品制药冶金能源等行业在内的工业。炼油厂设备（3）过程工业的特点

a.属于生产流程性材料产品的制造业

b.生产过程为流程性的例：合成氨工业造气、净化、合成三大部分组成。

c.处理的物料以流体、粉体为主（4）过程装备过程装备——过程机器

——过程设备过程机器——压缩机、泵、分离机、风机等。

完成其功能的主要部件为转动或平动！过程设备——塔器、传热设备、反应器、储罐等完成其功能的主要部件不运动！（5）工艺与装备的关系“工艺是先导，装备是保障”。启示：只有既懂工艺，又懂装备与控制，才可能成为合格的过程工业的工程师。

（6）过程系统

工艺+装备+控制+技术经济学（7）过程工业的主要发展领域过程原理与技术的创新

——主要包括三传一反原理与技术的创新。成套装置技术的创新

——从系统工程的角度研究装备技术的创新。过程装备放大技术的创新

——规模化是过程工业的发展趋势。过程装备结构技术的创新

——具有优良性能的新结构技术。

过程装备设计理论和手段的创新

——如热经济学优化设计理论、强度理论、失效判断理论等；计算机辅助设计(CAE)软件包（i-deas、pro-e、UG、ANSYS等）。过程装备材料技术的创新

——陶瓷材料、纳米材料、复合材料等的技术创新。过程装备制造技术的创新

——计算机辅助制造技术（CAM)。过程装备故障诊断技术的创新

——再线诊断技术的创新。过程控制技术的创新

——新型传感器技术和控制理论的创新。清洁生产技术的创新

——环境影响评估技术与清洁生产技术的创新。（8）过程设备与过程机器示例

过程机器和过程设备的联系与区别：——都属于过程装备；——过程机器：完成其主要功能的部件是运动的（平动或转动），如压缩机、风机、泵、分离机；物料只经历物理过程；——过程设备：完成其主要功能的部件是不动的，如塔、换热器、反应器、储罐；物料经历物理或化学过程；——过程机器的主要功能是把能量传递给物料，提高其压力或速度；过程设备的主要功能是为物料的物理过程或化学过程提供适宜的场所；（9）过程设备的基本要求a.安全可靠过程设备往往都是“炸弹”，即使是常压设备，由于过程工业所处理的物料往往具有较强的腐蚀性、毒性、发射性，一旦物料泄漏，将对环境和各种生物带来毁灭性的伤害，所以，过程设备必须安全可靠。b.满足过程的要求过程设备的主要功能是为物料的物理过程或化学过程提供适宜的场所，因此它必须要满足过程的要求。如合成塔、吸收塔、换热器都必须满足相应过程的要求。c.有好的经济技术指标单位产品成本低、热力学完善度高。d.易于操作、维护和控制操作简单、可维护性和可修理性好，有优良的控制水平。如换热器的清污性能好、管束替换方便、操作弹性好。e.优良的环境性能

对环境的影响尽可能地小（包括：物料污染、声污染、光污染、热污染、放射性污染等）。（10）过程设备的设计

a.设计制造使用维护与修理评估标准：功能安全性经济性对环境的影响可制造性时间等改进b.过程设备设计的主要内容文献检索与分析确定设计标准确定材料确定设计理论和设计方法工艺设计总体设计强度设计结构设计确定制造工艺性能评价总结：过程设备是化工、轻工、炼油、食品、制药、冶金、能源等行业广泛使用的一种装备，有别于一般的装备。过程设备的设计涉及到过程原理、固体力学、流体力学、热力学、机械学、自动控制原理与仪器仪表等学科。其涉及学科的范围和问题的复杂程度都是工程问题中极为少见的。先进的过程设备设计方法是以计算机辅助设计（CAE)为标志的以寻求最优化结果为目标的设计。压力容器导言1.1压力容器总体结构1.2压力容器的分类1.3压力容器规范标准封头筒身支座接管筒节环焊缝纵焊缝补强圈盲板接管支座上封头下封头图片法兰补强圈图片返回思考题：压力容器主要由哪几部分构成？各有什么作用？a.筒身

钢板卷制而成制造容易、成本低筒身整体锻造而成制造困难、成本高、性能好单层多用于中低压容器筒身多层多用于高压容器b.封头

按形状可分为：球形封头、椭圆形封头、碟形封头、锥形封头、平板封头等。图片c.

法兰

容器法兰：用于容器间或容器与封头的连接；

管道法兰：用于管道间的连接；图片d.密封装置

用于连接件之间的密封，防止物料泄漏。e.开孔与接管

在容器上开孔的目的是为了便于检修（人孔和手孔），或是为了安装各种安全附件、或是为了满足工艺的要求。f.支座把压力容器支承并固定在基础上。g.补强圈开孔会引发开孔区域产生过大的应力，为安全计，需要补强圈补强。h.安全附件安装各种安全泄放装置和各种压力表、测温仪表、液位计等。1.2压力容器的分类a.压力容器分类的理由压力容器潜在的危害程度不同！

压力容器发生事故所造成的危害程度差别很大，而决定危害程度的因素又很多，有压力、温度、物料的相态、物料的毒性、易燃易爆性、规模、使用场所等。b.压力容器分类的依据主要根据压力、温度、物料的相态、物料的毒性、易燃易爆性、规模、使用场所等。c.压力容器的分类按设计压力大小分低压容器（L）0.1MPa≤p<1.6MPa

中压容器（M）1.6MPa≤p<10MPa

高压容器（H）10MPa≤p<100MPa

超高压容器（U）p>100MPa按用途分反应器换热器分离器储罐按安装方式分固定式和移动式。按安全管理分（按容规分类）分为三类：具有下列情况之一的，为第三类压力容器：高压容器中压容器且介质为极度毒性和高度危害中压贮存容器且介质为易燃或中等毒性、pv≥10MPa.m³中压反应容器且介质为易燃或中等毒性、pv≥0.5MPa.m³低压容器且介质为极度毒性和高度危害、pv≥0.2MPa.m³高压、中压管壳式余热锅炉中压搪玻璃压力容器使用强度级别较高的材料制造的压力容器(抗拉强度≥540MPa)移动式压力容器容积大于50m³的球形容器容积大于5m³的低温贮存容器具有下列情况之一的，为第二类压力容器：中压容器低压容器且介质为极度毒性和高度危害低压反应器和低压贮存容器，介质易燃或毒性中等低压管壳式余热锅炉低压搪玻璃压力容器除上述规定以外的低压容器为第一类压力容器。注意：各国对压力容器的分类方法不相同，各有特点。1.3压力容器规范标准1.3.1国外压力容器标准简介ASME规范美国标准（AmericansocietyofMachineryengineering)

为世界上第一部压力容器设计和制造方面的规范，历史悠久，更新速度快，涵盖范围宽，同时也是许多国家制定相关规范的蓝本（如日本、中国等国家）。

1965年推出ASME规范；1968年推出ASME规范的两个分册：第一册为传统的规则设计（DesignbyRules),第二册为分析设计规范（DesignbyAnalysis）。欧盟压力容器标准为适应欧洲一体化而建立的标准，正在逐步完善。该规范对中国的压力容器标准也有一定的影响。如英国1976年制定的BS5500标准，为分析设计标准。日本标准日本于1993年推出分析设计标准JIS8250。1.3.2国内主要压力容器标准较为成熟的标准是：2011年制定的GB150-2011《压力容器》和

GB151-1999《管壳式换热器》等。1998年又重新修订了这两部标准和相关标准。这些标准都是以ASME规范为蓝本，同时也吸取了欧洲标准的一些思想，同时也加入了一些自己的思想和方法（如管板强度设计方法）。

1995年推出分析设计标准JB4732。注意：由于部门分割、标准修订时间间隔过长和所采用的强度设计准则不同，造成了我国有国家标准和行业标准，甚至还有地方标准的状况，但这些标准的差别并不是很大，今后，行业标准和地方标准会逐步淡出，压力容器的规范还是以国家标准为主，国家标准也会因为经济全球化而逐步向国际标准靠拢。1.3.3国家标准和工业国家标准的比较

GB150与美国标准、欧洲标准的内容基本相同，制定标准的出发点也相差不多。差别主要在标准的适用范围、材料的许用应力、材料的品牌性能、某些技术指标有所不同。1.3.4制定标准的目的标准化的目的是为了实现产品的系列化、通用化、降低产品成本、且提供了法律依据。压力容器是一种潜在危害很大的装备，因此，对设计、制造、使用、维修等方面的工作和从事这些工作的资质都必须有章可循。思考题：如何看待压力容器的规范？在容器分类中，为什么不仅要考虑压力的高低，还要考虑pv的大小？压力容器应力分析2.1回转薄壳的应力分析2.2厚壁容器的应力分析2.3结构与力学性能的关系2.4壳体的稳定性分析2.5典型局部应力2压力容器应力分析问题：你觉得压力容器失效的后果会是怎样的？导致压力容器失效的最根本原因又是什么呢？2.1回转薄壳的应力分析2.1.1回转薄壳的概念回转壳的特点：母线以回转轴为中心旋转而得，故为对称壳体。若：

壁厚/中面曲率半径≤0.1，称该壳体为薄壳，反之为厚壳。

在应力分析中，假定：材料是连续、各向同性、变形为弹性小变形、壳壁各层纤维在变形过程及变形后互相不挤压（？）。2.1.2薄壁圆筒的应力分析分析方法：单元体平衡法环向应力和经向应力2.1.3回转薄壳的几何要素

第一曲率半径R1、第二曲率半径R22.1.4无力矩理论和有力矩理论

2.1.5无力矩理论的基本方程

采用微元体平衡法导出区域平衡方程——应力求解的重要途径！2.1.6无力矩理论的应用

承受气体内压的回转薄壳C、锥形壳体D、椭球形壳体储存液体的回转薄壳E.球形壳体

应力在支座支承处有突变，说明什么？图片无力矩理论的应用条件壳体的厚度、中面曲率和载荷连续，没有突变，且构成壳体的材料的物理性能相同。壳体的边界处不受集中力、且不受变形限制。客观地说，实际的压力容器都不能使用无力矩理论，但对于大部分的薄壁容器，由无力矩理论得到的结果与真实情况之间的偏差并不大，完全可以满足工程界的要求。如果上述条件得不到满足，则无力矩理论不适用。2.1.7回转薄壳的不连续分析

a.不连续和不连续分析几何形态不连续、或数学不连续、或载荷突变，由此造成应力突变或出现大应力状况。由于不连续情况的存在，在此区域内出现了各部分变形不协调的情况，造成过大的应力，导致设备在局部破坏，最终造成设备失效。分析不连续应力的方法称为不连续分析。b.不连续分析方法

力的连续（各种内力、应力）分析方法的核心是：变形的连续（线位移、角位移）注意：内力包括轴力、剪力、弯距；应力包括正应力和剪应力。通过有力矩理论建立协调方程后即可求解出不连续区域的各种力和变形。c.不连续应力的特性局限性自限性（限于塑性材料）d.对不连续应力的处理尽量消除或降低不连续应力产生的条件；对一般的由塑性材料制成的压力容器不进行不连续应力的计算（计算难度大且工作量大、局限性和自限性也降低了不连续应力的危害），仅根据不连续应力的特点进行局部处理；对由脆性材料制成的压力容器或重要的设备（如三类容器），必须用有限元程序计算不连续应力。2.2厚壁容器的应力分析方法：在弹性力学和板壳理论的基础上，按有力矩理论的方法处理。但只有一部分相对简单的问题可以得到理论解，而大部分的问题无法得到理论解，此时，只能利用有限元程序包（i-deas、pro-e、UG、ANSYS等）来对厚壁容器的应力和变形进行分析。2.2.1压力载荷引起的弹性应力采用微元体平衡分析方法。物理方程：即广义虎克定律综合平衡方程、几何方程和物理方程得：2.2.2温差引起的热应力

容器内外表面温度不一样时，会在材料内产生温差应力，对厚壁容器来说，该应力有时会很大。作业：定量比较K和Kr对厚壁容器三向应力的影响;第87页第3、4、5题。2.2.3厚壁容器材料的有效利用

厚壁内压容器在承受压力时，内部材料先于外部材料进入塑性状态，由此提出两个问题：一是容器的失效判定，二是材料的有效利用问题。第一个问题涉及容器设计的强度理论，第二个问题涉及容器的合理结构和材料的配置使用问题。2.2.4圆平板的应力分析周边固支圆平板的应力分布：周边简支圆平板的应力分布：支承方式对变形和应力的影响：在其它条件相同的情况下，周边固定圆平板的最大应力小于周边简定圆平板的最大应力，只约为后者的2/3；前者的最大变形也仅为后者的1/4。2.2.5有限元方法有限单元法：把连续的实体（无限多自由度）离散为有限多个单元实体的集合（有限多自由度），即把一个连续的问题转化为不连续的问题，最终得到问题的数值解。启示：布料的结构pp

总的质量不变，梁的刚度不变，把连续分布的质量离散为4个集中质量，梁本身无质量。引擎连杆的(CAE)分析（实体分为2978个元素）

作为一种数学方法，有限元法的思想在很早以前就提出来了，但由于计算量太大，限制了该方法的应用。80年代以后，由于计算机的普及尤其是PC机性能的提高，有限元法得到了飞速发展，出现了集CAD、CAE、CAM为一体的各种有限元软件包，如i-deas、pro-e、UG、ANSYS、SAP等。目前，有限元方法的软件包越来越多，功能也越来越强大，大量地应用于航天、机械、水利、能源等等领域，不仅用于力学方面，也用于温度场的确定。

2.3结构与力学性能的关系决定设备应力分布的因素很多，其中，设备的结构是重要的一个因素。通过比较各种结构薄壁容器的应力大小，我们可以得到如下的一些结论：对筒身来说，力学性能由好到差的顺序是按球体、椭球体、圆筒、锥筒、平壁容器排列的；对封头来说，力学性能由好到差的顺序是按半球形、半椭球形、碟形、锥形、平板形。2.4壳体的稳定性分析对外压容器，存在失稳的破坏形式。2.4.1圆柱壳体的三种类型：长圆筒失稳呈两个波形短圆筒失稳呈两个以上波形刚性圆筒不失稳问题：什么样的圆筒易失稳？2.4.2临界压力和临界长度临界长度

Lcr

式中：D0——圆筒外径

t——厚度当Lcr<L时，为长圆筒（L为计算长度）当Lcr>L时，为短圆筒计算长度L为刚性构件（如封头、法兰、加强圈等）之间的距离，取法见下图：临界压力对长圆筒：对短圆筒：外压容器的失效形式步骤：判断圆筒类型计算临界压力判断圆筒是否安定p<pcr2.4.3理论计算和工程实践的关系现象：外压力<临界压力,有时也会发生容器的失稳！？结论：理论计算的预测不够准确原因：理论计算的模型和真实容器存在较大的出入。

理论模型的假定条件？材料是各向同性的；材料无缺陷；圆筒的不直度和不圆度为0；各处壁厚完全一样。

理论的功能：解释现象预测现象问题：什么样的理论是正确的？表象上可能有偏差，但必须揭示现象的本质规律！大卫·思各特的实验2.5典型局部应力不连续问题!解决不连续问题的方法?有力矩理论采用塑性好的材料如铜、铝、钛的合金，或低碳钢合理的结构设计还有其它计算方法吗？不开孔时壳体上的环向薄膜应力最大应力如何降低局部应力?合理的结构设计减少两连接部件的刚度差别；尽量采用圆弧过渡；减少附件传递的局部载荷尽量减少结构中的缺陷局部补强选择合理的开孔位置图片总结：回转薄壳薄壁圆筒的应力分析单元体平衡法：拉普拉斯公式区域平衡方程无力矩理论及其使用条件有力矩理论不连续问题及其解决方法厚壁容器的应力分析方法：有力矩理论、有限元法压力容器材料及环境和时间对其性能的影响3.1压力容器常用钢材3.2非金属材料3.3环境对压力容器用钢性能的影响3.4压力容器材料的选择3.1压力容器常用钢材钢材形状：钢板如筒身钢管如接管锻造件如法兰钢材类型

碳素钢含碳量〈2.06%

如Q235系列、10、20、20R钢低合金钢低碳低合金，合金元素总量〈3%

如16MnR、16MnDR等高合金钢低碳高合金如0Cr18Ni9、40Cr、1Cr18Ni9Ti等铁-碳合金相图：

α—α铁素体

γ—奥氏体

δ—δ铁素体3.1.1晶粒尺寸和合金元素提示：晶体：原子或分子在空间规则排列的物质。材料分为晶体和非晶体，金属材料是晶体。晶粒尺寸与材料性能的关系结论：晶粒尺寸越小，材料的整体性能越好。措施？塑性变形铁匠反复锻打铁块的目的？加工拉面或千层饼的面团如何处理？淬火处理可以细化晶粒。回火、焊接操作对晶粒尺寸的影响？合金元素的作用纯金属的特点以纯铁为例合金的特点合金元素在基体材料中加入的某些金属或非金属元素。合金化合金化的目的提高材料的综合性能。如力学性能、加工性能、防止腐蚀的性能等。3.1.2塑性变形塑性变形的优点？细化晶粒尺寸使晶格扭曲提高材料的强度！塑性变形的缺点？造成加工硬化降低材料的抗腐蚀性能。3.1.3焊接焊接的优点加工方便、成本低等优点。焊接的缺点造成晶粒粗大、有残余应力、局部变形、焊接缺陷等现象。图片图片焊接缺陷焊接质量检验一般采用无损探伤方法，如射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤等方法。3.2非金属材料主要有工程塑料、石墨、陶瓷等。共同特点为耐蚀性好、强度低。用途逐渐增多，如汽车发动机、石墨换热器、陶瓷换热器等。3.3环境对压力容器用钢性能的影响温度性能变化高温蠕变介质腐蚀3.3.1温度短期、静载条件下温度对钢材力学性能的影响E—弹性模量σs—屈服强度σb—抗拉强度δ—延长率Ψ—断面收缩率高温、长期静载条件下钢材的力学性能3.3.2介质化学腐蚀腐蚀电化学腐蚀局部腐蚀腐蚀全面腐蚀图片金属腐蚀的危害？金属材料的浪费、突发安全事故、污染产品等。绝大部分金属材料的腐蚀都是能够自发进行的过程提示：不要想从根本上消除腐蚀！影响金属材料腐蚀的因素？四个：材料、介质、力学因素和结构因素。提示：防止或减小腐蚀的措施也要从这几方面着手！腐蚀分类局部腐蚀全面腐蚀局部腐蚀分类应力腐蚀孔蚀间隙腐蚀晶间腐蚀腐蚀疲劳磨损腐蚀3.4压力容器材料的选择3.4.1压力容器用钢的基本要求较高的强度良好的塑性韧性制造性与介质的相容性介质使材料脆化、腐蚀经济性3.4.2压力容器钢材的选择

需考虑以下因素：压力容器的使用条件制造工艺的特点材料的使用经验（尤其是工业经验）经济性能相关规范和标准压力容器设计4.1概述4.2设计准则4.3工程设计的过去、现在、将来4.4常规设计4.5分析设计4.6疲劳分析4.7压力容器设计进展4.1概述4.1.1设计要求设计要求：功能、安全性、先进性、经济性的统一满足设备的功能是最基本的要求；安全是核心，是前提；经济是目标；先进性必须以设备的功能、安全、经济性为前提，并在这三个方面得到体现。

注意事项：对待工程设计的态度决定了设计的成败；设备设计必须有系统思想；设计依据必须充分；设计方案的论证是关键；必须遵循设计规范；工程设计可以不完美，但绝不能有错误；没有哪个设计是十全十美的；相关技术问题的有效解决是达成合格设计的前提；先进、高效的设计手段是达成优秀设计作品的有力保证。4.1.2设计文件包括：设计任务书；设计参数；设计方案论证；设计图纸，包括装配图和零部件图；设计说明书，包括工艺设计、强度设计、结构设计等内容。4.2设计准则4.2.1压力容器失效压力容器在使用条件和使用时间内，因尺寸、形状或材料的性能发生改变而不能继续使用的现象称为失效。失效形式：强度失效刚度失效失稳失效泄漏失效a.强度失效韧性失效——断裂前有明显的塑性变形。厚度过薄或压力过高是主要原因。脆性失效——断裂前无明显的塑性变形。脆性材料或材料存在严重缺陷是主要原因。疲劳断裂失效——在交变载荷作用下，经历一段时间后，突然断裂。材料脆性或有裂纹或腐蚀疲劳等是主要因素。蠕变断裂失效——容器在高温下长期承载，逐步发生蠕变变形，最终断裂。腐蚀断裂失效——腐蚀导致壁厚减薄，或局部腐蚀导致断裂。b.刚度失效——过度的弹性变形使设备无法使用。c.失稳失效——外压容器或受压杆件的失效。泄漏失效——物料泄漏量超过规定的设备。4.2.2失效判据与设计准则问题：如何判定设备是否会失效？失效判据对各种失效形式，以相应物理量是否超过某个值作为失效与否的判据。使用失效判据的优缺点：优点：直观且物理意义明确；缺点：使用的可靠性低；例如：♠不同企业制造的Q235钢，力学和化学指标是有差别的；♣不同企业加工的产品；♦各种判据的定量指标的获取是有误差的或是其使用场合有限制的话。设计准则理想气体真实气体；理想叶轮真实叶轮失效判据设计准则

强度失效设计准则刚度失效设计准则设计准则稳定失效设计准则

泄漏失效设计准则修正修正修正安全系数

4.2.3强度失效设计准则弹性失效设计准则一

为最大拉应力，为设计温度下的许用应力。称为最大拉应力准则。弹性失效设计准则二（最大剪应力理论）弹性失效设计准则三（形状改变能理论）外力变形能量变形能当比变形能≥临界比变形能失效！塑性失效设计准则判据：材料整体屈服为失效

－整体失效载荷；－安全系数爆破失效设计准则(爆破为失效)

－爆破压力－安全系数安定设计准则局部材料屈服但塑性变形不会持续增加，周围材料仍处于弹性状态时，设备处于安定状态，不会失效！疲劳失效设计准则注意：腐蚀疲劳的特点蠕变失效设计准则脆性断裂设计准则4.2.4刚度失效设计准则刚度的物理意义？位移<=许可位移不失效！例如：传动轴的许可位移为0.5～1.0度/米注意：位移为广义位移4.2.5稳定失效设计准则即：承载压力<临界压力

p<pcr4.2.6泄漏失效设计准则4.3工程设计的过去、现在、将来工程设计？有目标有手段非实体作品

运用科技方法和知识，有目标地创造工程产品的构思过程和计划过程。例如：？工具生活资料公共工程家庭用品仪器运载工具武器服装设备计算机软件电子产品工程设计涉及人类生活的各个方面！工程设计的费用1977年河南出土的距今7000年的用于价格谷物的石磨盘和磨棒

功能！

合理性！设计特点：经验、灵感1973山东出土的距今4000多年的黑陶高柄杯高265mm厚、0.2～0.3mm功能！结构！制造工艺！132年张衡候风地动仪数学、自然科学知识和原理的应用1852年德国学者Redtenbacher：机械设计的力学和方法学40年代Kesslring提出工程设计的5项评价标准：最低成本原理最小尺寸原理最小质量原理最低损耗原理最方便操作原理60年代以后：工程设计：——方案设计

——技术设计

——工艺设计60年代以后项目研究系统预研系统开发系统制度系统运行分析综合分析评价决策目标社会经济政治人文法律环境工程设计造型艺术自然科学工程科学管理科学工程设计的基础与环境现代工程设计和产品开发的核心因素生态环境法律环境技术环境质量时间成本用户需求市场竞争现代工程设计的发展趋势：a.设计过程的数字化设计与开发过程生产与营销过程现代工程设计开发与生产营销过程b.平行设计

平行设计工程工作模式c.协同设计d.绿色设计物质集成与优化能量集成与优化清洁生产物质循环利用资源最有效利用生命周期分析可回收性对环境的排放最小！e.面向制造、环境、经营的集成设计RPM——快速原型制造技术DFMA——面向制造和装配的设计f.综合智能优化设计优化设计系统综合智能理论和方法结论工程设计是艺术和科学的结合；工程设计是所有科学结晶的综合；工程设计的发展历史同时也是人类文明的发展历史。4.4常规设计4.4.1概述设计思想——按规则设计（DesignbyRules)；规则——GB150-1998及相关规定；载荷——最大静载荷（寻找最危险截面）；设计准则——最大拉应力理论；为什么不用最大剪应力准则、比能设计准则？不连续问题的处理——通过局部结构的合理设计来规避风险，不教学具体计算；前言范围引用标准总论材料内压圆筒和内压球壳外压圆筒和外压球壳封头开孔和开孔补强法兰制造、检验与验收附录

范围——本标准规定了钢制压力容器的设计、制造、检验和验收的要求。规定了适用的容器类型。引用标准——45个，涉及材料、加工、公差与配合、运输、探伤、结构、检验澄方面。总论——设计单位、制造单位的资格和职责；基本概念、基本公式、基本规定等。材料——压力容器用材料的使用规定和力学性能。内压圆筒和内压球壳——设计计算方法与公式。外压圆筒和外压球壳——设计计算方法与公式。封头——类型、结构、应力计算公式与图表。开孔和开孔补强——结构、应力计算公式与图表、补强方法和计算公式等。法兰——类型、结构、应力计算公式与图表、焊接坡口制造、检验与验收——标准、规定、方法等计算公式薄壁容器：最大拉应力准则中径公式说明：a.中径公式只能用于薄壁容器，此处未考虑此限制。b.纵坐标为表4－1中应力强度项系数的倒数。结论：a.比能理论最合理；b.对于薄壁容器，各种设计准则的差别很小；c.最大拉应力理论最激进，而最大剪应力理论最保守。4.4.2圆筒设计4.4.2.1结构圆筒：单层多层：多层包扎式热套式绕板式整体多层包扎式绕带式多层包扎圆筒（捆绑后焊接、通气小孔）热套式圆筒（预热外筒热套）绕板式圆筒（绕多层后焊接、楔形）扁平钢带倾角（15～30°）错绕式筒体4.4.2.2内压圆筒的设计中径公式：设计计算公式：式中：为计算压力，φ为焊缝系数。校核计算：若已知、（名义厚度）或强度校核：确定最大允许工作压力：（真实厚度）习题：

1、如果采用比能设计准则，薄壁容器的壁厚计算公式、强度校核公式、最大允许工作压力计算公式分别是怎样的？

2、P.230第2题4.4.2.3安全泄放装置4.4.2.4设计参数的确定设计参数：设计压力容器的依据，由设备运行中的参数得出。有：设计压力设计温度厚度及厚度附加量焊接系数许用应力

设计压力用于容器设计的压力，其值往往为设备工作过程中可能出现的最大压力。容器是有超压泄放装置时，执行GB150附录B的规定：设计压力不小于安全阀的开启压力，通常为最高工作压力的1.05～1.1倍；b.安装了爆破片的装置，取爆破片标定压力的上限；c.对于承装液化气体的容器，按工作过程中可能出现的最高金属温度来确定设计压力；

注意：压力：一般指表压，MPa；工作压力：在正常工作情况下，容器中可能出现的最高压力。计算压力：用来确定元件最危险截面厚度的压力，一般为设计压力加液柱静压力。设计温度一般为工作过程中金属可能达到的最高温度或最低温度（对低温设备）。厚度及厚度附加量a.计算厚度：设计公式计算值；b.设计厚度：计算厚度＋腐蚀裕量c.名义厚度：设计厚度＋钢板负偏差，圆整得到的钢板标准规格厚度。d.有效厚度：名义厚度－腐蚀裕量－钢板负偏差钢板负偏差

例：GB/T3274中5.5～7.5规格钢板的负偏差为0.6mm腐蚀裕量

腐蚀速度*使用年限焊接系数焊接区域比其它区域更薄弱：各种缺陷、晶粒粗大。焊接接头焊接系数焊接接头形式无损检测比例Φ值焊接接头形式无损检测比例Φ值双面焊对接接头100％局部1.000.85单面焊对接接头100％局部0.900.80焊接系数与哪些因素有关？许用应力由GB150中可以查到。例4－1（P.135）：计算厚度1.49mm，加腐蚀裕量后为3.49mm，钢板厚度负偏差为0，但GB150规定最小真实厚度不小于3mm，故名义厚度为5mm,考虑钢板厚度规格，取6mm。4.4.2.5外压圆筒设计复习：外压圆筒的失效形式？如何判断外压圆筒是否会失稳？步骤：判断圆筒的类型当Lcr<L时，为长圆筒（L为计算长度）当Lcr>L时，为短圆筒计算临界压力对长圆筒：对短圆筒：判定圆筒是否稳定若P<Pcr,容器稳定！一般按P≤Pcr/m=[P]作为容器稳定的条件,对于圆筒容器m=3。问题：设计容器之前，壁厚未知，如何判断容器是否稳定？方法：假设名义壁厚δn，计算有效厚度δ；计算临界长度Lcr，确定圆筒的类型；计算临界压力Pcr及[P],若P≤[P]且二者接近，设计结束！否则重新假设壁厚，重复以上步骤直至满意为止。太麻烦了！图算法：

长圆筒：短圆筒：

绘图！图形的使用：假设，计算出，由图4－6求得A；在图4－7、4－8或4－9中求得B；按计算[P]，然后与p值比较，若p值大于[P]，重新假设厚度，重复以上步骤；若得不到B值，按下式计算：优点：方便、快捷！外压圆筒设计重的几个问题：设计压力a.容器工作重可能出现的最大内外压力差；b.对真空容器，取外压为设计压力，或取0.1Mpa；c.带夹套容器，取容器两侧最大压力差。稳定性安全系数a.圆筒容器m=3;b.球形容器m=14.52。加强圈设计a.设置加强圈的目的——把长圆筒变为短圆筒！加强圈的间距L

由短圆筒计算公式,若、、已知，可得：最大间距是计算压力等于许用压力时的加强圈间距！加强圈的数量与容器的厚度之间有什么关系？c.加强圈截面尺寸

——保证足够的刚度加强圈的结构——用扁钢、角钢、槽钢、工字钢等型材，可以加工成内加强圈或外加强圈。内外压力容器设计方法？电阻应变片贴片与接线实验一、基本原理把试件表面清理光洁，然后把电阻应变片用502胶水粘贴在此表面上，待胶水干燥后，加载荷，则应变片和试件表面产生系统的变形，引起应变片电阻变化，通过电桥放大此电信号后输入电阻应变仪，把信号转换为电流或电压，以应变示值输出。二、实验用仪器及材料压力容器、电阻应变片、万用表、电烙铁、砂纸、丙酮、药棉等。三、实验步骤应变片检查检查内容：外形、是否断短路、电阻值与标定阻值是否一致。试件表面清理把试件表面打磨至光洁明亮，目的是使应变片与时间表面能够密切地贴合。若表面过于光洁，可用0＃砂纸轻轻打出纹路来。打磨时注意先用粗砂纸，后用细砂纸。打磨达到要求后，用药棉粘丙酮清洗金属表面至药棉无污迹。贴片用干净的毛笔粘少许502胶水，均匀地在选好的试件表面薄薄地涂一层，注意胶水不能太多，更不能弄得胶水流动起来，也要避免贴片位置无胶水的现象。整个过程动作要快而准确。干燥固化数分钟后即干燥固化。检查检查内容：是否使应变片失效（破碎、胶水过多或胶水过少以致应变片脱落、电阻丝方向错误等）。接线用电烙铁把应变片的接头与引出接线焊接起来，焊接完成后，若外观符合要求，测量应变片的电阻值，检查是否出现短断路或阻值补符合要求等现象。用凡士林等轻轻涂抹在应变片上以防潮。实验后完成清理工作四、实验数据的整理与分析五、结论附录4.4.3封头设计

常见的封头类型有哪些？半球形封头设计半椭球形封头设计标准封头：对理论修正：碟形封头在实验的基础上得出：球面体、圆环、直边构成！无折边锥形封头设计有折边锥形封头设计圆形平板封头设计符号的含义见表4－8，其中：

K——结构特征系数，与封头的结构型式及与筒身的连接方式有关。

Dc——平板封头计算直径

4.4.4密封结构设计密封机理未预紧预紧工作状况问题：密封的压紧面积和密封效果之间有关系吗？垫片类型a.非金属——如石棉、橡胶、聚四氟乙烯等b.金属——软铝、软铜等或它们的合金密封类型a.静密封动密封流体泄漏途径a.渗透泄漏b.界面泄漏密封面形式

全平面突面凹凸面榫槽面密封效果？影响密封效果的因素a.密封面形式b.预紧力法兰刚度压紧面质量操作条件完全消除泄漏？法兰的类型及其选用可拆连接和法兰！设备法兰接管法兰松式法兰螺纹法兰活套法兰整体法兰其它法兰法兰的标准与法兰选用法兰标准：管法兰标准：GB9112~9125、HG20592~20635、JB/T74~90等。容器法兰标准：JB4703－92、JB4700~4707-92标准多法兰选用：a.公称压力（pN）公称直径（DN）容器为内径管道为名义直径（与内径接近），例如：DN100的钢管，有Φ108×4、Φ108×4.5、Φ108×5等规格。c.工作温度d.介质按标准选用，可不进行强度计算！4.4.5开孔补强容器开孔的后果：a.削弱强度b.不连续问题开孔后补强问题：a.是否需要补强？b.如何补强？图片图片补强形式整锻件补强厚壁接管补强补强圈补强补强圈和焊接的基本要求外补强－平齐外补强－内伸内补强－平齐内外补强－内伸允许不另行补强的最大开孔直径接管公称直径（mm）253238454857657689接管最小厚度（mm）3.54.05.06.0注：按GB150－1998规定，设计压力小于2.5MPa且相邻两孔中心距离大于两孔直径之和补强计算方法等面积补强基本思想：开孔减小了承载面积，需要用金属进行等效面积的补强。补强依据：受拉伸开小孔平板的应力分布规律。允许开孔范围:见教材p184~185（超过此范围后误差大，不符合要求）

最小补强面积：补强面积包括：壳体厚度的等效多余面积A1；接管厚度的等效多余面积A2；焊缝金属的等效多余面积A3；

补强圈增加的有效面积A4，待求！

A4≥A-A1-A2-A3b.极限分析补强－分析设计注意事项：避免在焊缝处开孔；避免在同一条经线上连续开孔；两开孔位置不能离得太近。4.4.6支座鞍式支座图片移动支座耳式支座1－垫板2－筋板3－支脚板4.4.7焊接结构设计容器焊缝分类A类焊缝：容器纵焊缝、凸形封头拚接焊缝B类焊缝：容器环向焊缝C类焊缝：法兰、平封头、管板等与壳体的连接焊缝D类焊缝：接管、人孔等与壳体或封头处的焊缝注意：A、B类焊缝必须为对接焊缝！焊缝分类是为了便于管理！焊缝形式对接接头搭接接头角接接头焊缝坡口形式齐边U形X形V形带垫板V形焊缝筒体与圆平板焊接筒体与圆平板焊接补强圈法兰焊缝4.4.8压力试验复习：压力容器的失效形式：强度失效刚度失效失稳失效泄漏失效问题：导致压力容器失效的原因有哪些？设计错误或失误制造方面的问题使用方面的问题如何尽早发现问题？压力试验的目的：考核压力容器的安全性能！压力试验的类型：耐压试验（强度试验）

——液压试验

——气压试验气密性试验——检验密封性能，一般用空气或氮气，压力取1.05倍的设计压力。4.5分析设计4.5.1压力容器设计：常规设计（DesignbyRules）分析设计（DesignbyAnalysis）4.5.2常规设计的特点：简便不计算局部应力执行弹性设计准则不能对容器进行完全定量化的分析评价：设计工作简便，但设计出的容器存在设计隐患、不合理、不经济等缺陷。4.5.3分析设计的基本思想：引起容器材料内应力的原因很多，如载荷、温差、变形不协调等，各种应力的特点及其对容器安全性能的影响不相同。因此，因该在详细了解容器内应力分布情况和对各种应力对容器的危害性的高低进行评估的前提下进行容器的设计。应力载荷温差变形不协调应力1应力2应力3应力4容器安全影响不同！4.5.4常规设计与分析设计的比较常规设计分析设计分析设计常规设计4.5.5应力的详细分布情况管板的分析设计：通过有限元软件包计算得到。4.5.6应力分类及限制应力分类——按照应力产生的原因和应力的分布特点。一次应力——载荷引起的应力，无“自限性”，作用范围大，危害大。二次应力——不同部件间的相互约束造成的应力，作用范围为局部，危害比一次应力小。峰值应力——局部不连续造成的应力，高度局部性，危害小。限制：对不同的应力依据其危害性的高低分别限制。4.6疲劳分析载荷：静载荷——强度或刚度失效动载荷（交变载荷）——疲劳破坏疲劳：交变载荷作用有限次数后，材料出现裂纹并破坏的现象。如：回转构件的疲劳断裂；流体诱导引起的列管式换热器换热管的疲劳断裂等。♣疲劳失效主要发生于动设备，静设备不多见。♦在有腐蚀介质存在的场合，很小的循环应力也会引起材料的失效。4.7压力容器设计进展4.7.1可靠性设计在统计学处理基础是的设计：设计参数的统计学处理可能的失效形式的统计分析以失效的概率描述指导设计4.7.2优化设计在保证功能和安全的前提下，目标函数为极值的设计。如：最小成本设计重量最轻的设计体积最小的设计热经济学优化设计最小排放设计目标函数和约束条件：例：用长度为16米的钢筋加工成一个矩形的框，要求所围的面积最大，答案是：？4.7.3计算机辅助设计CAD——AutoCAD，一种莫大的误解！CAE——i-Deas、ANSYSCAM特点：数值分析交互式设计优化设计储罐设备5.1概述5.2卧式储罐的结构5.1概述储罐的功能储罐的形式——立式

——卧式储罐设计中的考虑因素a.介质的性质——物理的和化学的性质b.规模大小c.场地——室内？室外？地下？山洞？d.环境温度e.填充系数——一般小于0.9f.经济性图片图片5.2卧式储罐的结构热交换器设计6.1换热器在过程工业中的地位和作用6.2换热器的分类和特点6.3换热器的传热原理6.4换热器设计计算的内容6.5换热器设计的主要步骤6.6换热器研究中的几个主要问题设计方法性能评价强化传热污垢沉积与对策流体诱导振动换热器的腐蚀6.1换热器在过程工业中的地位和作用传热设备是化工、轻工、动力、能源、制药和其它许多工业部门广泛应用的一种通用工艺设备。对于化工、炼油等行业，传热设备约占设备总投资的20~40%。换热器不仅可以满足生产工艺的特定要求（如冷凝、加热），而且也是合理利用与节约常规能源，开发新能源的关键设备，特别是在回收工业余热方面能发挥重大作用。

6.2换热器的分类和特点按用途分——预热器（或加热器）、冷却器、冷凝器、蒸发器。按材料分——金属的、陶瓷的、石墨的等。按热量传递方式分——间壁式、混合式、蓄热式、中间载热体式（两个间壁式换热器由载热体连接起来，载热体在高低温换热器中循环，如热管）等。

最常用的换热器为：金属制间壁式换热器。陶瓷或石墨制换热器主要用于温度较高或介质腐蚀性很强的场合。热管主要用于小传热温差、或要求传热量大而体积很小的场合（如计算机芯片的冷却）。沉浸式换热器喷淋式热交换器板式换热器图片刚性管板图片椭圆挠性管板图片折流板膨胀节图片图片主要零部件及结构介绍：换热管排列方式6.3换热器的传热原理冷流体t热流体Ta.温差对数平均温差此温差为纯逆流传热时的平均温差，对于其它的传热方式，需要对该温差进行修正，并要求温差修正系数ψ大于0.8。b.传热单元数——可看作单位传热温差、单位热容量的传热量，是换热器的一个无因次特性，表示了传热的难度，也反映了换热器的规模。c.换热器效率ε——代表换热器热力学完善度的指标

R为热容比6.4换热器设计计算的内容方案论证传热计算压力降计算强度计算结构设计流体诱导振动防范6.5换热器设计的主要步骤根据设计任务书收集有关的原始资料，并选定热交换器的型式等。原始资料应包括：流体的物理化学性质（如结垢性、腐蚀性、爆炸性、化学作用等），流体的流量、压力、温度、热负荷，设备安装场所的限制，材质的限制，压降的限制等等。确定定性温度，并查取物性数据。

由热平衡计算热负荷及热流体或冷流体的流量。选择壳体和管子的材料。选定流动方式，确定流体的流动空间。求出平均温差。初选传热系数K，并计算传热面积A。设计热交换器的结构。包括：①选取管径和管程流体的流数；②确定每程管数、管长、总管数；③确定管子排列方式、管间距、壳体内径和连接管直径等；④确定壳侧程数及纵向隔板数目、尺寸、或折流板的数目、间距、尺寸等壳程结构尺寸。管程换热计算及阻力计算。当换热系数大于初选传热系数且压降小于允许压降时，才进行下一步计算，否则要重选K，并调整结构。壳程换热计算。根据采用的结构，假定壁温和计算换热系数，若不合理则应调整壳程结构直至满意。校核传热系数和传热面积。核算壁温。要求与假定的壁温相符。计算壳程阻力，使之小于允许压降。对热交换器的零部件进行强度计算。核算管、壳热应力和管子接口处的拉脱力，考虑热补偿措施并校核振动。绘制图纸。6.6换热器研究中的几个主要问题设计方法

a.常规设计

b.计算机模拟设计

c.优化设计性能评价

a.换热器效率

b.总传热系数

c.压力降

d.热力学性能评价

e.经济性评价

f.热经济学评价强化传热总传热系数接近较小的对流传热系数，如果有一侧的对流传热系数远小于另一侧的对流传热系数，怎么办？扩展传热表面积如采用翅派片管、波纹管、板翅式传热面等。加大传热温差提高传热系数提高流速利用插入物提高流体的扰动程度，从而减薄传热边界层的厚度。外加能量提高传热系数，如利用振动、增加流体的脉动等。d.

改变传热表面的结构，如增加粗糙度、采用如椭圆管等形式的异形管等措施。或改进表面结构，如把表面加工成多孔状。或采用表面涂层，如太阳能集热器表面的涂层、减小表面张力的涂层。强化传热的优缺点：优点：可以有效提高传热系数，使得紧凑且高效的换热器成为可能。缺点：形状复杂故造价高；流动阻力大故运行成本高。强化传热措施的适用场合：要求换热器体积小、重量轻的场合（如汽车、航天航空器、计算机等），或两侧流体对流传热系数相差较大的场合（如气液传热、有相变的场合等）。换热器的污垢

污垢沉积与对策图片图片a.污垢的危害污垢的存在，引起了制造成本增大、动力消耗加大、设备维修清洗费用以及产品产量降低四个方面。污垢的种类

ⅰ结晶型污垢如水中的钙镁盐类

ⅱ沉积型污垢如腐蚀产物、杂质等

ⅲ生物型污垢如藻类、菌类形成的污垢

ⅳ其它如燃烧结焦、化学反应产物等c.污垢对传热影响的表达方式——污垢热阻流体诱导振动定义——由于流体流过物体使得物体振动的现象。机理——卡曼漩涡脱落、紊流抖振、流体弹性不稳定等。危害——换热器疲劳失效、或换热管碰撞磨穿，引起设备和人身事故。据统计，约一半的换热器存在不同程度的振动。特别是核电厂的换热器和压缩机级间水冷器的问题尤为严重。措施——改变流速、改变管子的自振频率、增大阻尼、改变流体的流动方式以减小对管子的冲击等。

断裂的折流板振动导致换热管磨穿紊流抖振：横掠管束的流体中的任意一点处，流体的流动都是脉动的，存在一主频率。流体弹性不稳定：流体和处于脉动状态的换热管之间的相互作用，引起流场的不稳定。换热器的腐蚀a.绝大多数金属材料的腐蚀是一个自由能降低的过程，即可以自发进行的过程。换言之，金属由单质变为化合物的过程是一个自发的过程。因此，要从根本上消除金属的腐蚀是非常困难的事。b.影响金属材料腐蚀的因素有四个：材料、介质、力学因素、结构因素。c.换热器中常见的腐蚀种类：异种金属偶合形成的宏观腐蚀电池；换热管与管板连接处的腐蚀疲劳；应力腐蚀破裂；间隙腐蚀；孔蚀；磨损腐蚀等等。换热器的腐蚀塔设备7.1概述7.2填料塔7.3板式塔7.4裙座7.5塔的自振周期7.6塔设备的流体诱导振动7.7塔的载荷分析图片图片7.1概述7.1.1塔设备的应用分离工程——如蒸馏、吸收、洗涤等单元操作。化学反应——如氨合成塔等。7.1.2无化学反应塔设备内单元操作的特点气（汽）——液之间或液——液之间的传质与传热；两种流体逆向流动。7.1.3塔设备的使用情况

塔设备的使用情况装置名称塔设备投资比例％装置名称塔设备重量的比例％化工及石油化工25.460万吨，120万吨催化裂化48.9炼油及煤化工34.930万吨乙烯25.3化纤44.94.5万吨丁二烯54.07.1.4塔设备的类型按功能分——精熘塔、吸收塔、干燥塔、萃取塔、反应塔等。按内部结构分——填料塔和板式塔7.1.5对塔设备的要求a.两种流体充分接触b.生产能力大c.操作稳定d.流体流动阻力小e.技术经济指标好f.安装、维护方便7.1.6填料塔与板式塔的比较7.2填料塔填料金属环矩鞍填料规整填料规整填料填料塔的塔径、流体分布问题由于流体分布容易出现不均匀（塔体倾斜、短路等），故塔径不宜大。填料的支承装置液体分布器7.3板式塔浮阀7.4裙座图片7.5塔的自振周期场地土类型近震远震场地土类型近震远震Ⅰ0.200.25Ⅲ0.400.55Ⅱ0.300.40Ⅳ0.650.85场地土的特性周期7.6塔设备的流体诱导振动7.7塔的载荷分析问题1：塔体上承受哪些载荷？压力（内压或外压）自重风载荷地震载荷问题2：为什么要考虑风载荷？问题3：只有地震时才考虑地震载荷吗？7.7.1压力载荷7.7.2自重——偏心弯矩和压应力7.7.3风载荷风载荷－风载荷－塔的体形系数，一般取0.7

－第i段风振系数，表示风载荷的脉动性质和塔体与风载荷直径的作用特点。

－风压高度变化系数－基本风压，与地区和季