第八章内压容器

第二篇压力容器第六章压力容器与化工设备常用材料第七章压力容器的薄膜应力、弯曲应力、二次应力第八章内压容器第九章外压容器与压杆的稳定计算第十章法兰连接第十一章人孔、手孔、视镜和液面计第十二章开孔补强与设备凸缘第十三章容器支座第十四章容器的焊接结果第十五章压力容器的监察管理与定期检验序言1设计参数的确定2内压容器筒体与封头厚度的计算3在用压力容器的强度校核4容器筒体与封头的尺寸和质量5容器壳体在材料使用上的规定第八章内压容器序言p（设计压力）t（设计温度——正常工作的情况下设定的元件金属的温度）D容器的直径[σ]t（设计温度下的许用应力）j

（焊接接头系数）等1设计参数的确定2内压容器筒体与封头厚度的计算3在用压力容器的强度校核4容器筒体与封头的尺寸和质量5容器壳体在材料使用上的规定第八章内压容器容器筒体和封头的直径都已经标准化（GB9019-88），不能随意取值。筒体与封头的公称直径要配套。对于钢板卷焊的筒体，以内径作为它的公称直径（表8-1）。当用无缝钢管作筒体时，以外径作为它的公称直径（表8-2）。设计时，应将工艺计算初步确定的容器内径调整为符合规定的公称直径。一、容器直径第一节设计参数的确定第一节设计参数的确定二、工作压力和设计压力使用安全阀时，设计压力不小于安全阀的开启压力pk，或取最大工作压力的1.05～1.10倍；

设计压力p：在相应的设计温度下用以确定壳壁厚度的压力，亦即标注在铭牌上的容器设计压力。设计压力稍高于最大工作压力。

最大工作压力（pw）是指容器顶部在工作过程中可能产生的最高压力（表压）。安全阀容器第一节设计参数的确定使用爆破膜作安全装置时，设计压力不得低于爆破片的设计爆破压力上限，根据爆破膜片的型式确定，一般取最大工作压力的1.15～1.75倍作为设计压力。防爆片容器盛装液化气容器，选最高温度下该气体的饱和蒸汽压作为设计压力（表8-4，8-5）。当容器内盛有液体物料时，若液体物料的静压力<最大工作压力的5％，则在设计压力中可不计入液体静压力，否则，须在设计压力中计入液体静压力。第一节设计参数的确定三、设计温度t设计温度t：指容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度。设计温度在容器设计中的作用：

①选择材料；②确定许用应力。设计温度不得低于容器工作时器壁金属可能达到的最高温度。如果容器器壁金属温度在0℃以下，则设计的设计温度不能高于器壁金属可能达到的最低温度。最低温度如何取？第一节设计参数的确定计算压力pc：在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液体静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。

计算压力=设计压力+液柱静压力(≥5%P时计入)四、计算压力pc计算时用计算压力，应用时用设计压力。在检查管理上，以设计压力分类。通常取计算压力pc=设计压力p计算压力≥设计压力≥工作压力=容器顶部表压第一节设计参数的确定五、许用应力[σ]t许用应力是以材料的各项强度数据为依据，合理选择安全系数n得出的，即所需要考虑的强度指标主要有抗拉强度、屈服强度，对于需要考虑蠕变的材料，强度指标还应有蠕变强度。常用钢板与钢管的许用应力可从资料中直接查取（表8-6，8-7，8-8，8-9）。第一节设计参数的确定六、焊接接头系数j容器上焊缝：纵焊缝——A类焊缝环焊缝——B类焊缝环焊缝纵焊缝纵向焊缝承受的应力比环向焊缝大一倍，焊接接头系数主要针对纵向焊缝。第一节设计参数的确定焊接接头系数的大小决定于焊接接头的型式和无损检测的长度比率无损检验方法主要是：X射线检查和超声波检查焊缝结构焊缝系数全部无损探伤局部无损探伤双面焊或相当于双面焊的全焊透对接焊缝1.00.85单面焊的对接焊缝，在焊接过程中沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板0.90.8焊接接头系数j焊接接头系数j一般取1或0.851设计参数的确定2内压容器筒体与封头厚度的计算3在用压力容器的强度校核4容器筒体与封头的尺寸和质量5容器壳体在材料使用上的规定第八章内压容器第二节内压容器筒体和封头厚度的计算一、内压容器的五种厚度1.计算厚度计算厚度（δ）：由公式采用计算压力得到的厚度，必要时还应计入其它载荷对厚度的影响。内压圆筒器壁内的基本应力是薄膜应力，根据第三强度理论得出的薄膜应力强度条件是：[σ]t

制造筒体的钢板在设计温度t下的许用应力σr3

按第三强度理论得到的薄膜应力的相当应力j

焊接接头系数第二节内压容器筒体和封头厚度的计算对于筒体，强度条件为筒体计算壁厚多数情况下筒体计算壁厚简化式，适用于大多数情况。D：中径Di：内径d：壁厚第二节内压容器筒体和封头厚度的计算2.设计厚度（δd）设计厚度（δd）：计算厚度与腐蚀裕量C2之和。

C2：腐蚀裕量，容器元件由于腐蚀或机械磨损而导致厚度变薄，在设计壁厚时要考虑容器使用寿命期内的安全性。(mm)λ：腐蚀速率（mm/a），由材料手册或实验确定。一般情况，λ=0.05～0.13mm/a，轻微腐蚀时，单面腐蚀C2=1～2mm，双面腐蚀C2=2～4mm，对于不锈钢，一般C2=0。n：容器的设计寿命，通常为10～15年。第二节内压容器筒体和封头厚度的计算名义壁厚

δn：设计厚度加上钢材厚度负偏差C1后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即为名义厚度。3.名义厚度（δn）C1：钢板厚度负偏差（钢板在轧制时产生了偏差）Δ：除去负偏差后的圆整值标注在图样上的厚度即为名义厚度δn第二节内压容器筒体和封头厚度的计算4.有效厚度（δe）有效厚度（δe）：名义厚度减去钢材负偏差和腐蚀裕量有效厚度（δe）是真正可以用来承受介质压力的厚度第二节内压容器筒体和封头厚度的计算5.最小厚度（δmin）对于设计压力较低的容器，根据强度公式计算出来的厚度很薄。大型容器，如果筒体厚度过薄，将导致刚度不足而极易引起过大的弹性变形，不能满足运输、安装等要求。因此，必须限定一个最小厚度（不包括腐蚀裕量）以满足刚度和稳定性要求。最小厚度δmin的规定（不包括腐蚀裕量）：碳素钢、低合金钢容器：δmin不小于3mm；高合金制容器：δmin不小于2mm；第二节内压容器筒体和封头厚度的计算1）若取当筒体的计算厚度小于最小厚度时，应取最小厚度作为计算厚度。此时名义厚度：2）若取第二节内压容器筒体和封头厚度的计算例1设计条件如下：p=0.3MPa，Di=2m，[σ]t=113MPa，j=0.85，C2=2mm。试确定容器筒体的计算厚度、设计厚度，名义厚度、有效厚度、圆整值。解：第二节内压容器筒体和封头厚度的计算二、内压凸形封头厚度计算封头种类凸形封头平板形封头锥形封头半球形封头椭圆形封头碟形封头球冠形封头带折边的锥形封头不带折边的锥形封头第二节内压容器筒体和封头厚度的计算1.半球形封头半球形封头是由半个球壳构成。直径较小、器壁较薄的半球形封头可整体热压成形。大直径的则先分瓣冲压，再焊接组合。焊缝钢板第二节内压容器筒体和封头厚度的计算半球形封头厚度计算公式半球形封头厚度简化计算公式优点：薄膜应力为相同直径圆筒体的一半，最理想的结构形式。缺点：深度大，直径小时，整体冲压困难，大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。应用：高压容器第二节内压容器筒体和封头厚度的计算2.标准椭圆形封头由半个椭球面和短圆筒（直边）组成椭球部分直边长轴半径a和短轴半径b之比a/b=2曲面深度h=Di/4hh0δDN第二节内压容器筒体和封头厚度的计算

直边的作用：避免封头和筒体的连接焊缝处出现经向曲率半径突变，以改善焊缝的受力状况。封头公称直径DN≤2000>2000封头直边高度h02540封头的直边高度h0/mm标准椭圆形封头的壁厚计算式：标准椭圆形封头的壁厚简化计算式：标准椭圆形封头的计算厚度不得小于封头内径的0.15％，即第二节内压容器筒体和封头厚度的计算3.蝶形封头结构：又称带折边球形封头，由半径为Rc的球面体、半径为r的过渡圆弧（即折边）和高度为h0的短圆筒（即直边）等三部分组成Rch0hrDi折边直边球体部分第二节内压容器筒体和封头厚度的计算优点：过渡圆弧降低了封头深度，方便成型，且压制碟形封头的钢模加工简单，应用广泛。缺点：不连续曲面，存在较大边缘弯曲应力。边缘弯曲应力与薄膜应力叠加，使该部位的应力远远高于其它部位，故受力状况不佳。Rch0hrDi球面部分的薄膜应力：Rc：球面部分的中面半径δ：壁厚第二节内压容器筒体和封头厚度的计算折边：折边内除了薄膜应力外，还有较大弯曲应力，总应力大于球面内的应力：M：碟形封头的形状系数Rci：球面内半径r：折边半径r/Rci0.150.170.2M1.41.361.31形状系数MRch0hrDi第二节内压容器筒体和封头厚度的计算蝶形封头壁厚：蝶形封头厚度计算公式蝶形封头厚度简化计算公式令Rci=αDi，则：α=0.9或1，常取0.9。第二节内压容器筒体和封头厚度的计算GB150-1998规定：碟形封头的厚度如果太薄，也会发生内压下的弹性失稳。M≤1.34时，δe≥0.15%DiM>1.34时，δe≥0.30%Di第二节内压容器筒体和封头厚度的计算4.球冠形封头结构：将球面部分直接焊在圆柱壳体上，构成了无折边球形封头。封头的球面半径一般取等于圆柱筒体的内直径或0.9倍至0.7倍的内直径。优点：结构简单、制造方便，常用作容器中两独立受压室中间封头，端盖。

缺点：无转角过渡，存在相当大的不连续应力，其应力分布不甚合理。第二节内压容器筒体和封头厚度的计算应用：端封头或容器中两个相邻承压空间的中间封头，承压小。折边封头与筒体连接处存在较大的边界应力，厚度计算要考虑边界应力：Q：系数，查GB150-1998Q>>1，Q越大，说明边界应力影响越大。第二节内压容器筒体和封头厚度的计算例：为一Di=800mm圆筒设计封头。已知：材料Q235A，设计压力p=1.0MPa，t=200℃，试确定计算厚度：（1）半球形封头；（2）标准椭圆封头；（3）球面内半径Ri=720mm，折边内半径r=108mm的碟形封头；半球形封头j=0.85，其余j=1。1）半球形封头解：查表8-6（P167）Q235A在200℃时的[σ]t=2）标准椭圆形封头105MPa第二节内压容器筒体和封头厚度的计算3）碟形封头结论：凸形封头曲面深度越浅，计算厚度越大（用料越多）。封头半球形封头标准椭圆形封头蝶形封头壁厚/mm2.253.824.81第二节内压容器筒体和封头厚度的计算三、锥形封头轴对称锥壳无折边锥壳带折边锥壳：有过渡圆弧（折边）和直边不带折边锥形封头局部加强的不带折边锥形封头带折边锥形封头不带折边锥形封头与筒体连接处存在较大边界应力，降低边界应力的方法：1）局部加强；2）加折边和直边第二节内压容器筒体和封头厚度的计算带折边锥形封头第二节内压容器筒体和封头厚度的计算特点：结构不连续，应力分布不理想应用许多化工设备的底盖，便于卸料。不同直径圆筒体的中间过渡段（变径段）中低压结构限制无折边锥形封头：半锥角α≤30°带折边锥形封头：半锥角α≤60°折边半径r：不小于Di的10%，且不小于该过渡段厚度的3倍。第二节内压容器筒体和封头厚度的计算1.不带折边锥形封头锥形壳体的最大薄膜应力位于锥体大端：若不考虑封头与圆筒连接处的边界应力，则：当pc<5MPa时简化式第二节内压容器筒体和封头厚度的计算实际上封头与圆筒连接处存在较大的边界应力，引入系数Q，则：不带折边锥形封头厚度计算式不带折边锥形封头锥壳简化计算式1.不带折边锥形封头第二节内压容器筒体和封头厚度的计算Q锥形封头大端与圆筒连接处Q值图第二节内压容器筒体和封头厚度的计算2.带折边锥形封头带折边锥形封头中折边的应力总小于锥体大端处的应力，因此按锥体大端处的薄膜应力建立强度条件：第二节内压容器筒体和封头厚度的计算令带折边锥形封头厚度计算式带折边锥形封头厚度简化计算式第二节内压容器筒体和封头厚度的计算当大端与小端直径之比大于4时，小端不必计算，取与大端相同的厚度。3.锥形封头小端第二节内压容器筒体和封头厚度的计算四、平板形封头优点：平板封头结构简单，制造方便。缺点：受力时产生弯曲变形的不利状态，在同样直径和载荷下所需的厚度最大，很少用于压力容器。仅用于：1）常低压设备和高压小直径设备；2）压力容器的人孔、手孔及在操作时需封闭的接管盲板、换热器端盖等。第二节内压容器筒体和封头厚度的计算平板形封头的厚度计算式：K：结构系数（P183表8-15）δB：计算厚度Dc：计算直径，一般是指容器的内径，在有些结构中DC是指密封垫片的平均直径。第二节内压容器筒体和封头厚度的计算五、计算厚度的通式K：形状系数圆柱形筒体和标准椭圆形封头，K=1球壳和半球形封头，K=0.5蝶形封头，K=Mα，M查表8-13，α=0.9或1无折边锥形封头，K=Q，Q查图8-7折边锥形封头，K=f0，f0查表8-14（除平板封头）第二节内压容器筒体和封头厚度的计算六、封头的选择为了节省钢板，要求封头单位容积的表面积越小越好。上述各类凸形封头中，半球形封头单位容积的表面积最小，标准椭圆形封头和碟形封头的单位容积的表面积比半球形大，无折边锥形封头最大。封头的选择主要根据设计对象的要求，在满足工艺要求的前提下，同时考虑经济技术指标。1.几何方面第二节内压容器筒体和封头厚度的计算要求封头制造容易，封头愈深，直径和厚度愈大，制造愈困难。半球形封头由于深度大，制造比较困难，标准椭圆形封头和其它凸形封头制造较易，而平板封头制造最容易。为了节省材料，要求封头在相同直径、相同材料和相同压力作用下厚度越小越好。

半球形封头厚度最小；标准椭圆形封头次之；碟形封头再次之；平盖封头厚度最大。2.力学方面3.制造方面综合以上结果，标准椭圆形封头几何形状和受力状态都比较好，制造难度又不大，因此，这种封头在化工生产上得到了广泛的应用。1设计参数的确定2内压容器筒体与封头厚度的计算3在用压力容器的强度校核4容器筒体与封头的尺寸和质量5容器壳体在材料使用上的规定第八章内压容器第三节在用压力容器的强度校核（1）原设计已明确提出所采用的强度设计标准的，应按该强度标准进行强度校核（2）当被校核的容器材料牌号不明时，应按同类常用材料的最低标准进行强度计算（3）焊接接头系数应根据焊接接头的实际结构型式和检验结果，参照原设计规定选取。（4）对于使用多年的容器，或者是腐蚀比较严重的容器，其厚度：一、在用压力容器强度校核的原则第三节在用压力容器的强度校核二、在用压力容器强度校核1.在用压力容器在校核压力下的应力应小于材料的许用应力K：形状系数pch：校核压力，根据实际情况可取pw、pk、pδe：有效厚度新容器：δe=δn-C1-C2使用多年或腐蚀严重容器：δe=δCmin-2nλ第三节在用压力容器的强度校核2.在用压力容器的最大允许工作压力应大于校核压力最大允许工作压力注：对带折边的锥形封头，若折边处的实际厚度小于锥体部分，则折边和锥体分别校核：锥体部分：K=f0折边部分：K查表8-16（P187）第三节在用压力容器的强度校核厚度系数的大小反映了筒体厚度上的富裕程度（容器的承压潜力）。三、厚度