化工机械基础内压薄壁容器设计

化工机械基础内压薄壁容器设计第一页，共五十九页，2022年，8月28日一、薄壁容器设计的理论基础

㈠薄壁容器根据容器外径DO与内径Di的比值K来判断，当K≤1.2为薄壁容器K＞1.2则为厚壁容器第二页，共五十九页，2022年，8月28日㈡圆筒形薄壁容器承受内压时的应力只有拉应力无弯曲“环向纤维”和“纵向纤维”受到拉力。s1（或s轴）圆筒母线方向(即轴向)拉应力，s2（或s环）圆周方向的拉应力。第三页，共五十九页，2022年，8月28日㈢圆筒的应力计算

1.轴向应力

D-筒体平均直径，亦称中径，mm；

第四页，共五十九页，2022年，8月28日2.环向应力第五页，共五十九页，2022年，8月28日分析：（1）薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍。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。第六页，共五十九页，2022年，8月28日分析：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。第七页，共五十九页，2022年，8月28日（2）分析式(10-1)和(10-2)可知，内压筒壁的应力和d/D成反比，d/D值的大小体现着圆筒承压能力的高低。因此，分析一个设备能耐多大压力，不能只看厚度的绝对值。第八页，共五十九页，2022年，8月28日二、无力矩理论基本方程式

㈠基本概念与基本假设1．基本概念（1）旋转壳体：壳体中面（等分壳体厚度）是任意直线或平面曲线作母线，绕其同平面内的轴线旋转一周而成的旋转曲面。第九页，共五十九页，2022年，8月28日（2）轴对称壳体的几何形状、约束条件和所受外力都是对称于某一轴。化工用的压力容器通常是轴对称问题。

第十页，共五十九页，2022年，8月28日（3）旋转壳体的几何概念

母线与经线法线、平行圆第一曲率半径：经线曲率半径第二曲率半径：垂直于经线的平面与中面相割形成的曲线BE的曲率半径第十一页，共五十九页，2022年，8月28日2．基本假设假定壳体材料有连续性、均匀性和各向同性，即壳体是完全弹性的。(1)小位移假设

各点位移都远小于厚度。可用变形前尺寸代替变形后尺寸。变形分析中高阶微量可忽略。第十二页，共五十九页，2022年，8月28日2．基本假设(2)直线法假设

变形前垂直于中面直线段，变形后仍是直线并垂直于变形后的中面。变形前后法向线段长度不变。沿厚度各点法向位移相同，厚度不变。(3)不挤压假设

各层纤维变形前后互不挤压。第十三页，共五十九页，2022年，8月28日㈡无力矩理论基本方程式

无力矩理论是在旋转薄壳的受力分析中忽略了弯矩的作用。此时应力状态和承受内压的薄膜相似。又称薄膜理论第十四页，共五十九页，2022年，8月28日（4-3）——平衡方程（4-4）——区域平衡方程

无力矩理论基本方程式：第十五页，共五十九页，2022年，8月28日三、基本方程式的应用1．圆筒形壳体第一曲率半径R1=∞，第二曲率半径R2=D/2代入方程（10-3）和（10-4）得：与式（10-1）、（10-2）同。第十六页，共五十九页，2022年，8月28日2．球形壳体

球壳R1＝R2=D/2，得：

直径与内压相同，球壳内应力仅是圆筒形壳体环向应力的一半，即球形壳体的厚度仅需圆筒容器厚度的一半。当容器容积相同时，球表面积最小，故大型贮罐制成球形较为经济。

制造第十七页，共五十九页，2022年，8月28日3．圆锥形壳体圆锥形壳半锥角为a，A点处半径为r，厚度为d，则在A点处：代入（4-3）、（4-4）可得A点处的应力：第十八页，共五十九页，2022年，8月28日

，

（4-6）锥形壳体环向应力是经向应力两倍，随半锥角a的增大而增大；

a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。

第十九页，共五十九页，2022年，8月28日4．椭圆形壳体

椭圆壳经线为一椭圆，a、b分别为椭圆的长短轴半径。由此方程可得第一曲率半径为：

第二十页，共五十九页，2022年，8月28日

（4-7）第二十一页，共五十九页，2022年，8月28日

化工常用标准椭圆形封头，a/b=2，故顶点处：

边缘处：

顶点应力最大，经向应力与环向应力是相等的拉应力。顶点的经向应力比边缘处的经向应力大一倍；顶点处的环向应力和边缘处相等但符号相反。应力值连续变化。第二十二页，共五十九页，2022年，8月28日㈡受液体静压的圆筒形壳体的受力分析

筒壁上任一点的压力值（不考虑气体压力）为：

根据式（4-3）（4-4）可得：第二十三页，共五十九页，2022年，8月28日

底部支承的圆筒（a），液体重量由支承传递给基础，筒壁不受液体轴向力作用，则s1=0。上部支承圆筒（b），液体重量使得圆筒壁受轴向力作用，在圆筒壁上产生经向应力：第二十四页，共五十九页，2022年，8月28日例题10-1：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析：平均直径mm经向应力MPa环向应力MPa第二十五页，共五十九页，2022年，8月28日四、筒体强度计算实际设计中须考虑三个因素：（1）焊接接头系数（2）容器内径（3）

壁厚

筒体内较大的环向应力不应高于在设计温度下材料的许用应力，即[s]t-设计温度t℃下材料许用应力，MPa。第二十六页，共五十九页，2022年，8月28日㈠焊接接头系数

钢板卷焊。夹渣、气孔、未焊透等缺陷，导致焊缝及其附近区域强度可能低于钢材本体的强度。钢板[s]t乘以焊接接头系数j，j≤1

第二十七页，共五十九页，2022年，8月28日㈡容器内径

工艺设计确定内径Di，制造测量也是内径，而受力分析中的D却是中面直径。解出d，得到内压圆筒的厚度计算式第二十八页，共五十九页，2022年，8月28日㈢壁厚

考虑介质腐蚀，计算厚度d的基础上，增加腐蚀裕度C2。筒体的设计厚度为式中d-圆筒计算厚度，mm；

dd-圆筒设计厚度，mm；

Di-圆筒内径，mm；

p-容器设计压力，MPa；

j-焊接接头系数。第二十九页，共五十九页，2022年，8月28日另一种情况：筒体设计厚度加上厚度负偏差后向上圆整，即为筒体名义厚度。对于已有的圆筒，测量厚度为dn，则其最大许可承压的计算公式为：式中：dn-圆筒名义厚度

圆整成钢材标准值；第三十页，共五十九页，2022年，8月28日de-圆筒有效厚度C-厚度附加量。

设计温度下圆筒的计算应力第三十一页，共五十九页，2022年，8月28日五、球壳强度计算

设计温度下球壳的计算厚度：设计温度下球壳的计算应力第三十二页，共五十九页，2022年，8月28日六、设计参数厚度设计参数按GBl50-1998中规定取值。设计压力、设计温度、许用应力、焊接接头系数厚度附加量等参数的选取。第三十三页，共五十九页，2022年，8月28日㈠设计压力（计算压力）设计压力:相应设计温度下确定壳壁厚度的压力，亦即标注在铭牌上的容器设计压力。其值稍高于最大工作压力。最大工作压力：是指容器顶部在工作过程中可能产生的最高压力（表压）。第三十四页，共五十九页，2022年，8月28日㈠设计压力（计算压力）使用安全阀时设计压力不小于安全阀开启压力或取最大工作压力1.05～1.10倍；使用爆破膜根据其型式，一般取最大工作压力的1.15～1.4倍作为设计压力。第三十五页，共五十九页，2022年，8月28日容器内盛有液体，若其静压力不超过最大工作压力的5％，则设计压力可不计入静压力，否则，须在设计压力中计入液体静压力。此外，某些容器有时还必须考虑重力、风力、地震力等载荷及温度的影响，这些载荷不直接折算为设计压力，必须分别计算。

第三十六页，共五十九页，2022年，8月28日㈡设计温度选择材料和许用应力的确定直接有关。设计温度指容器正常工作中，在相应的设计条件下，金属器壁可能达到的最高或最低温度。第三十七页，共五十九页，2022年，8月28日㈡设计温度器壁温度通过换热计算。不被加热或冷却，筒内介质最高或最低温度。用蒸汽、热水或其它载热体加热或冷却，载体最高温度或最低温度。不同部位出现不同温度分别计算第三十八页，共五十九页，2022年，8月28日㈢许用应力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。抗拉强度、屈服强度，蠕变强度、疲劳强度。取其中最低值。当设计温度低于0℃时，取20℃时的许用应力。第三十九页，共五十九页，2022年，8月28日㈣焊接接头系数焊接削弱而降低设计许用应力的系数。根据接头型式及无损检测长度比例确定。焊接接头形式无损检测的长度比例100%局部双面焊对接接头或相当于双面焊的对接接头1.00.85单面焊对接接头或相当于单面焊的对接接头0.90.8符合《压力容器安全技术检察规程》才允许作局部无损探伤。抽验长度不应小于每条焊缝长度的20％。第四十页，共五十九页，2022年，8月28日㈤厚度附加量满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚度量，包括由钢板负偏差(或钢管负偏差)Cl、腐蚀裕量C2，即C＝Cl十C2厚度22.22.52.8～3.03.2～3.53.8～44.5～5.5负偏差0.130.140.150.160.180.20.2

厚度6～78～2526～3032～3436～4042～5052～60负偏差0.60.80.911.11.21.3第四十一页，共五十九页，2022年，8月28日腐蚀裕量C2应根据各种钢材在不同介质中的腐蚀速度和容器设计寿命确定。塔类、反应器类容器设计寿命一般按20年考虑，换热器壳体、管箱及一般容器按10年考虑。第四十二页，共五十九页，2022年，8月28日腐蚀速度＜0.05mm／a(包括大气腐蚀)时：碳素钢和低合金钢单面腐蚀C2＝1mm，双面腐蚀取C2＝2mm，当腐蚀速度＞0.05mm／a时，单面腐蚀取C2＝2mm，双面腐蚀取C2＝4mm。不锈钢取C2＝0。第四十三页，共五十九页，2022年，8月28日氢脆、碱脆、应力腐蚀及晶间腐蚀等，增加腐蚀裕量不是有效办法，而应根据情况采用有效防腐措施。工艺减薄量，可由制造单位依据各自的加工工艺和加工能力自行选取，设计者在图纸上注明的厚度不包括加工减薄量。第四十四页，共五十九页，2022年，8月28日七、最小壁厚设计压力较低的容器计算厚度很薄。大型容器刚度不足，不满足运输、安装。限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求。第四十五页，共五十九页，2022年，8月28日壳体加工成形后不包括腐蚀裕量最小厚度dmin：

a.碳素钢和低合金钢制容器不小于3mm

b．对高合金钢制容器，不小于2mm

第四十六页，共五十九页，2022年，8月28日八、压力试验为什麽要进行压力试验呢？制造加工过程不完善，导致不安全，发生过大变形或渗漏。最常用的压力试验方法是液压试验。常温水。也可用不会发生危险的其它液体试验时液体的温度应低于其闪点或沸点。第四十七页，共五十九页，2022年，8月28日八、压力试验不适合作液压试验，如装入贵重催化剂要求内部烘干，或容器内衬耐热混凝土不易烘干，或由于结构原因不易充满液体的容器以及容积很大的容器等，可用气压试验代替液压试验。第四十八页，共五十九页，2022年，8月28日对压力试验的规定情况如下表所示：试验类型试验压力强度条件说明备注液压试验

(4-17)

（4-19)立式容器卧置进行水压试验时，试验压力应取立置试验压力加液柱静压力。压力试验时，由于容器承受的压力pT高于设计压力p，故必要时需进行强度效核。

气压试验

(4-18）

(4-20)pT-试验压力，MPa；p-设计压力，MPa；

[s]一试验温度下的材料许用应力，MPa；

[s]T一设计温度下的材料许用应力，MPa第四十九页，共五十九页，2022年，8月28日液压试验时水温不能过低(碳素钢、16MnR不低于5℃，其它低合金钢不低于15℃)，外壳应保持干燥。设备充满水后，待壁温大致相等时，缓慢升压到规定试验压力，稳压30min，然后将压力降低到设计压力，保持30min以检查有无损坏，有无宏观变形，有无泄漏及微量渗透。水压试验后及时排水，用压缩空气及其它惰性气体，将容器内表面吹干第五十页，共五十九页，2022年，8月28日例题10-2：某化工厂欲设计一台石油气分离工程中的乙烯精馏塔。工艺要求为塔体内径Di=600mm；设计压力p＝2.2MPa；工作温度t＝-3～-20℃。试选择塔体材料并确定塔体厚度。解析：由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在-20℃以上，承受一定的压力，故选用16MnR。根据式(10-12)式中p＝2.2MPa；Di=600mm；[s]＝170MPaj=0.8(表10-9)；C2=1.0mm

得：第五十一页，共五十九页，2022年，8月28日考虑钢板厚度负偏差C1＝0.6mm圆正取dn=7mm水压试验时的应力

16MnR的屈服限ss=345MPa（附录表6）水压试验时满足强度要求。第五