第七章 压力容器设计基础

第七章压力容器设计基础化工设备机械基础1第七章压力容器设计基础§7-1概述§7-2回转壳体中的薄膜应力§7-3

边界区内的二次应力§7-4强度条件2一、压力容器的概念§7-1

概述化工设备——工艺过程中静止设备的总称。容器——化工设备外壳的总称。压力容器——承受压力载荷作用的容器。由于化工容器几乎都承受压力载荷，通常直接称其为压力容器。化工容器的特点：高温、高压，介质易燃易爆、有毒、有腐蚀性。3二、压力容器的分类2.按壁厚分类：薄壁容器（δ/Di≤0.1或k=Do/Di≤1.2）

厚壁容器（δ/Di＞0.1或k=Do/Di

＞1.2

）

1.按照在生产过程中的作用原理（用途）分类：反应容器（R）：完成介质的物理、化学反应。换热容器（E）：完成介质的热量交换。分离容器（S）：完成介质的压力平衡和气体净化等.储存容器（Ｃ，球罐为Ｂ）：盛装原料气体、液体、液化气体等。43.按容器承受的介质压力分

1）常压容器：－0.02MPa＜

p

＜

0.1MPa2）受压容器：又分为内压容器和外压容器内压容器：低压容器中压容器高压容器超高压容器容器分类设计压力p(MPa)低压容器L中压容器M高压容器H超高压容器U0.1≤p＜1.61.6≤p＜1010≤p＜100

p≥100内压容器是指容器内部压力大于外部压力的容器。外压容器是指容器外部压力大于内部压力的情况。注：设计压力p指表压。55.压力容器综合分类：压力容器安全技术监察规程，根据容器承受的压力、介质危害程度、P·V乘积等，可以分为：一、二、三类容器。4.按壁温分：常温容器：壁温-20℃至200℃；高温容器：壁温达到蠕变温度,碳素钢或低合金钢容器，温度超过420℃，合金钢超过450℃，奥氏体不锈钢超过550℃，均属高温容器；中温容器：在常温和高温之间；低温容器：壁温低于-20℃,-20℃至-40℃为浅冷容器，低于-40℃者为深冷容器。6名称说明三类容器（1）高压容器；

（2）毒性程度为极度和高度危害介质的中压容器；

（3）中度危害介质，且pV大于等于10MPa·m3中压储存容器

（4）中度危害介质，且pV大于等于0.5MPa·m3中压反应容器

（5）毒性程度为极度和高度危害介质，且pV乘积大于等于

0.2MPa·m3的低压容器；

（6）高压、中压管壳式余热锅炉；

（7）中压搪玻璃压力容器；

（8）使用强度级别较高的材料制造的压力容器；

（9）移动式压力容器，铁路罐车、罐式汽车等；

（10）容积大于等于50m3的球形储罐；

（11）容积大于5m3的低温液体储存容器。

二类容器（1）中压容器；

（2）毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器；

（3）易燃介质或毒性程度为中度危害介质的低压反应容器和低压储存容器；

（4）低压管壳式余热锅炉；

（5）低压搪玻璃压力容器。

一类容器不在第三类、第二类压力容器之内的低压容器为第一类压力容器。指标介质毒性分级Ⅰ极度危害Ⅱ高度危害Ⅲ中度危害

Ⅳ轻度危害

急性中毒吸入

＜200mg/m3200mg/m3~2000mg/m3~＞20000

mg/m3经皮＜100100~500500~2500＞2500经口＜2525~500500~5000＞5000急性中毒易中毒，后果严重可中毒，愈后良好偶可中毒无中毒但有影响慢性中毒患病率高较高偶有发生有影响慢性中毒后果

继续进展不能治愈可基本治愈可恢复无严重后果可恢复无不良后果致癌性

人体致癌可疑致癌动物致癌无致癌性最高容许浓度

＜0.10.1～1.01.0～10＞10常见化学介质

光气、汞、氰化氢甲醛,苯胺、氟化氢、二氧化硫,硫化氢,氨7.按材料分：金属容器：钢制,铸铁,有色金属容器非金属材料：既可作为容器的衬里，又可作为独立的构件。应用最多是低碳钢和普通低合金钢，腐蚀严重用不锈钢、不锈复合钢板、铝板及钛材。在深冷操作中，可用铜或铜合金。6.按容器形状分类：矩形容器、球形容器、圆筒形容器等。9化工容器一般由筒体、封头、支座（基本件）、接管、法兰（对外连接件）、人孔、手孔、液面计（附件）以及一些内构件等零部件组成。三、容器的结构组成101.筒体筒体单层式组合式无缝钢管式单层卷焊式整体锻造式锻焊式多层式缠绕式绕板式绕带式层板包扎式热套式11优点：加工简单，生产效率高，中低压容器普遍应用。缺点：高压厚壁容器卷制时设备受限制。单层卷焊式12直径300～800mm，长度12m优点：性能优良；缺点：设备笨重，加工费用高。较少采用。整体锻造式13

（1）对加工设备的要求不高。（2）压缩预应力可防止裂纹的扩展。（3）内筒可采用不锈钢防腐。（4）层板厚度薄韧性好，不易发生脆性断裂。优点

（1）包扎工序繁琐，费工费时，效率低。（2）层板材料利用率低。3）层间松动问题。缺点层板包扎式14层板包扎式15

（1）套合层数少，效率高，成本低。（2）纵焊缝质量容易保证。（1）只能套合短筒，筒节间深环焊缝多。（2）要求准确的过盈量，对筒节的制造要求高。优点缺点热套式16优点：（1）机械化程度高，操作简便，材料利用率高（2）纵焊缝少。缺点：（1）绕板薄，不宜制造壁厚很大的容器。（2）层间松动问题。优点缺点绕板式17（1）筒壁应力分布均匀且能承受一部分由内压产生的轴向力。（2）机械化程度高，材料利用率高。（1）钢带成本高，公差要求严格。（2）绕带时钢带要求严格啮合，否则无法贴紧。优点缺点槽形绕带式18

（1）机械化程度高，材料利用率高。（2）整体绕制，无环焊缝。（3）带层呈网状，不会整体裂开。（4）扁平钢带成本低，绕制方便。特点扁平钢带倾角错绕式19组合式筒体结构202.封头封头凸形封头椭圆形封头碟形封头半球形封头球面形封头锥形封头折边锥形封头无折边锥形封头平板形封头21半球形封头椭圆形封头碟形封头折边锥形封头球冠形封头平板封头223.支座支座立式容器支座耳式支座支承式支座腿式支座裙式支座卧式容器支座鞍座圈座支腿球形容器支座23球形容器支座244.开孔与接管开孔与接管人孔、手孔、试镜孔等物料进出口接管仪表接管口255.密封装置266.安全附件安全附件监测——压力表、温度计、液面计等报警或泄放——紧急切断阀、安全阀、爆破膜等271.

标准化的意义容器的零部件(例如封头、法兰、支座、人孔、手孔、视镜、液面计等)标准化、系列化，有利于成批生产，提高质量；可增加零部件的互换性，有利于设计、制造、安装和维修。2.

容器零部件标准化的基本参数

公称直径DN

公称压力PN四、容器的标准化设计28①压力容器(筒体、封头)的公称直径

对钢板卷焊的筒体，公称直径是指其内径。（表7-1）300(350)400(450)500(550)600(650)700(750)8009001000(1100)1200(1300)1400(1500)1600(1700)1800(1900)2000(2100)2200(2300)24002500260028003000320034003500360038004000420044004500460048005000520054005500560058006000

⑴公称直径指标准化以后的标准直径，以DN表示。容器直径较小，可直接用无缝钢管制作。此时公称直径指钢管外径。

无缝钢管制作筒体时容器的公称直径（mm）159219273325377426表（7-2）设计时，应将工艺计算初步确定的设备内径，调整为符合表7-1或表7-2所规定的公称直径。封头的公称直径与筒体一致。30②容器零部件的公称直径

有些零部件如法兰、支座等的公称直径指的是与其相配的筒体、封头的公称直径。如DN2000法兰，DN

2000鞍座；还有一些零部件的公称直径是与它相配的管子的公称直径，如DN200管法兰是指连接DN200mm管子的管法兰；另有一些容器零部件公称直径是指结构中某一重要尺寸，DN

80(Dg80)视镜是指窥视孔的直径为80mm。31⑵公称压力工作压力不同，相同公称直径的压力容器其筒体及其零部件的尺寸也不同，标准零部件尺寸需按压力确定。将承受的压力范围分为若干个标准压力等级，即公称压力。表7-3压力容器法兰与管法兰的公称压力PN压力容器法兰（MPa）－0.25－0.61.01.62.54.06.4管法兰（MPa）0.10.250.400.61.01.62.54.06.432

压力容器标准是全面总结压力容器生产、设计、安全等方面的经验，不断纳入新科技成果而产生的。它是压力容器设计、制造、验收等必须遵循的准则。压力容器标准涉及设计方法、选材及制造、检验方法等。五、压力容器的标准简介33⑴国内标准1989我国压力容器标准化技术委员会制订了GB150-89《钢制压力容器》1998年修订成GB150-1998，使标准更加完善。GB150《钢制压力容器》内容包括：压力容器板壳元件计算容器结构要素的确定密封设计超压泄放装置的设置容器的制造与验收的要求等34主要标准GB150—1998《钢制压力容器》GB151—1999《管壳式换热器》JB4732—1995《钢制压力容器—分析设计标准》JB/T4735《钢制焊接常压容器》GB12337—1998《钢制球形储罐》JB4710—2000《钢制塔式容器》

35⑵国外主要规范国外的规范主要有四个：美国ASME规范；英国压力容器规范（BS）；日本国家标准（JIS）；德国压力容器规范（AD）。3637思考题1.压力容器按照压力、温度、监察管理各是怎样分类的？2.钢板卷制的筒体和成型封头的公称直径指的是哪个直径？无缝钢管制作筒体时，公称直径指的是哪个直径？法兰、支座等的公称直径，指的是什么直径？3.什么是公称压力？压力容器法兰的公称压力有哪些等级？38（一）面一、回转壳体几何概念§7-2

回转壳体中的薄膜应力1.回转曲面：由一条平面曲（直）线绕其同平面内的回转轴回转一周所形成的曲面。如：圆柱面、椭球面、圆锥面、球面等。2.中间面：平分壳体厚度的曲面称为壳体的中间面，中间面与壳体内外表面等距离，它代表了壳体的几何特性。3.回转壳体：由回转曲面作中间面形成的壳体称为回转壳体。如筒体、封头等。39回转曲面与回转壳体40（二）回转曲面上的线母线：形成回转曲面的平面曲线（AB）经线：过回转轴的平面与回转曲面的交线（AB'）法线：过回转曲面上任一点M且垂直于回转曲面的直线称为回转曲面在该点的法线n。（法线的延长线必与回转轴相交）纬线：以法线为母线绕回转轴回转一周所形成的圆锥法截面与回转曲面的交线称纬线；垂直于回转轴的平面与回转曲面的交线称平行圆。显然，平行圆即纬线。F

圆柱面、圆锥面、球面、椭球面的经线、法线各是什么？41第一曲率半径：回转曲面上任一点M处经线的曲率半径为该点的“第一曲率半径R1”，

R1=MK1。2.第二曲率半径：通过经线上一点M的法线作垂直于经线的平面与回转曲面相割形成的曲线EMF（法截线），法截线在M点处的曲率半径称为该点的第二曲率半径R2。第二曲率半径的曲率中心落在回转轴上，其长度等于法线段MK2，即R2=MK2。（三）曲率半径F

F

圆柱面、圆锥面、球面的第一、第二曲率半径各是多少？42⑴圆柱面：R1=∞，R2=R⑵球面：R1=R2=R⑶圆锥面：R1

=∞，

R2=r/cosα(α为半锥角）⑷椭球面：A常见回转曲面的曲率半径R1，R243二、回转壳体的无力矩理论

及两个基本方程式

（一）板壳理论（PlateTheory）的基本概念壳体在介质内压作用下，其直径、长度都将增加，由此壳体上将产生弯曲应力及中间面的拉（压）应力，求出这些内力或内力矩的理论称为有力矩理论，比较复杂；当壳体很薄时，壳体内的弯曲应力与中间面的拉（压）应力相比很小甚至可以忽略不计，可认为壳体的外载荷只是由中间面的拉（压）应力来平衡，这种处理方法，称为薄膜理论或无力矩理论。44（二）回转壳体应力分析及基本方程式1.微体平衡方程式为两向应力状态σθ－环向应力，σm－经向应力①取微元体—由三对曲面截取而得：截面1：壳体的内外表面；截面2：两个相邻的，通过壳体轴线的经线平面；截面3：两个相邻的，与壳体正交的圆锥法截面。45受力分析：n—法向，σθ－环向应力，σm－经向应力

n已知介质内压为p，壁厚δ，求σθ、σm46②受力分析和平衡方程上式称为微体平衡方程式，也称为拉普拉斯方程式。式中：σm－经向应力，σθ—环向应力，

p—介质内压力MPa，δ－壳体的壁厚mm

整理可得：微体平衡方程式472.区域平衡方程式用截面法：在直径为D的平行圆处用垂直于经线的法向圆锥面把回转曲面分为上下两部分，取下部为分离体：

48区域平衡方程式区域平衡方程式由z轴方向的平衡条件：整理后得：区域平衡方程式微体平衡方程式491.受内压作用的圆柱形壳体介质内压p，平均直径D；将R1=∞，R2=D/2代入两方程式得：结论：σθ＝２σm

（7-1）（7-2）三、无力矩理论在典型薄壁壳体上的应用薄膜理论应用之一50分析：

薄壁圆筒受内压时，环向应力是经向应力的两倍。

σθ＝２σm问题a：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（σθ）大于环向焊缝受力，故纵焊缝易裂，施焊时应予以注意。问题b：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。51因球壳几何形状对称于球心，R1=R2=R，代入两方程式可得：推论：相同内压下，球壳的环向应力要比同直径、同厚度的圆筒壳的环向应力小一半，这是球壳显著的优点。（7-3）2.受内压作用的球形壳体薄膜理论应用之二523.受气压作用的锥形壳体

圆锥形壳半锥角为α，A点处半径为r，厚度为δ，则在A点处：代入两方程式可得A点处的应力：薄膜理论应用之三53锥形壳体环向应力是经向应力两倍，随半锥角α的增大而增大；α角要选择合适，不宜太大。在锥形壳体大端r=R时，应力最大，在锥顶处，应力为零。因此，一般在锥顶开孔。锥形壳体的特点：锥体大端，D=2r，两向应力为最大：（7-9）（7-10）544.受内压作用的椭圆形壳体圆壳经线为一椭圆，a、b分别为椭圆的长短轴半径。曲率半径分别为：

55代入两方程式可得：薄膜理论应用之四56椭圆形壳体上的应力分布⑵在x=a（赤道）处，⑴在x=0（顶点）处，分析上述各式，可得以下结论：①在椭圆形封头的顶点处，经向应力σm和环向应力σθ相等。②经向应力σm恒为正值，且最大值在x=0处，最小值在x=a处③环向应力σθ，在x=0处，σθ>0；在x=a处有三种情况：57椭圆形壳体的应力分布图④a/b值越大，即封头越浅，应力越大；a/b越小，封头越深，但应力越小。规定当a/b=2时，为标准椭圆形封头。标准椭圆封头的应力分布58例题7-1：有一外径为219mm的氧气瓶，最小厚度为6.5mm，材料为40Mn2A，工作压力为15MPa，试求氧气瓶壁应力。解：气瓶平均直径：经向应力环向应力59微体平衡方程式区域平衡方程式1.受气压作用的圆柱形壳体σθ＝２σm

复习602.受气压作用的球壳3.受气压作用的锥形壳体

61

一、边缘应力产生的原因所谓连接边界是指筒体与封头、筒体与法兰、支座等的连接处，在连接边界除产生前面所讲的薄膜应力以外，还有另一种应力。如图示筒体与封头连接处：筒体与封头的自由变形ΔR、ΔR´不相等。将要产生边缘应力。其数值可达薄膜应力的数倍，不可忽视。§7-3边界区内的二次应力62边缘处产生附加内力：

M0-附加弯矩；

Q0-附加剪力。边缘应力的产生边缘应力63边缘应力产生的原因凡连接处存在不相等的自由变形，该处就会产生边缘应力。如：①连接处两部分曲线不同；②