化工设备使用与维护第二章压力容器基础

化工设备使用与维护第二章压力容器基础第一页，共六十八页。第一节压力容器的类型及规范介绍第二节压力容器的设计计算第三节压力容器的主要零部件目录第二页，共六十八页。知识目标教学目标

2.理解压力容器设计参数的含义知识目标1.了解压力容器的类型及主要的标准规范3.掌握压力容器强度计算的方法能力目标能够根据工艺条件，对压力容器进行强度计算、特别是校核计算4.掌握压力容器主要零部件的构造第三页，共六十八页。第一节压力容器的类型及规范介绍第四页，共六十八页。Slide2/1一、压力容器的类型压力容器是指压力和容积达到一定的数值、容器所处的工作温度使其内部介质呈气态的密闭容器。按中国《压力容器安全技术监察规程》的规定，同时具备下列条件的容器就称为压力容器。第一节压力容器的类型及规范介绍1工作压力大于等于0.1MPa（不含液柱静压力）；2直径（非圆形截面指断面最大尺寸）大于等于0.15m，且容积大于等于0.025m3；3介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体。第五页，共六十八页。工艺用途分类Slide2/2（一）按工艺用途分类第一节压力容器的类型及规范介绍反应容器主要用于完成介质的化学和物理反应过程，如反应釜、分解塔、聚合釜、合成塔、煤气发生炉等。201

Text储存容提器主要用于盛装气体、液体、液化气体等介质，如液化气储罐、液氨储罐、球罐、槽车等。4换热器主要用于完成介质的热量交换过程，如热交换器、冷却器、冷凝器、蒸发器、冷却塔等。2分离容器主要用于完成流体的压力平衡和气体净化分离等过程，如分离器、过滤器、洗涤器、干燥塔、汽提塔、乙烯精馏塔等。3第六页，共六十八页。Slide2/3（二）按设计压力高低分类1.低压容器：0.1MPa≤P<1.6MPa压力容器2.中压容器：1.6MPa≤P<10.0MPa3.高压容器：10.0MPa≤P<100MPa4.超高压容器：P≥100MPa第一节压力容器的类型及规范介绍第七页，共六十八页。Slide2/4（三）按安全技术监察规程的要求分类压力容器第一类压力容器第二类压力容器第三类压力容器第一节压力容器的类型及规范介绍第八页，共六十八页。Slide2/5二、压力容器规范介绍（一）GB150-1998《钢制压力容器》（二）GB151-1999《管壳式换热器》（三）JB/T4710-2005《钢制塔式容器》（四）《压力容器安全技术监察规程》第一节压力容器的类型及规范介绍第九页，共六十八页。TheEnd第一节压力容器的类型及规范介绍第十页，共六十八页。第二节压力容器的设计计算第十一页，共六十八页。Slide2/6一、典型回转薄壳应力分析压力容器及化工设备的外壳，通常是由板、壳制造而成的焊接结构件。而常见的外壳多数是由具有轴对称的回转壳体组合而成，如圆柱壳、球壳、椭球壳、圆锥壳，等。因此，在研究压力容器及化工设备之前，首先要认识这些壳体的几何特性和受力关系。第二节压力容器的设计计算第十二页，共六十八页。Slide2/7第二节压力容器的设计计算（一）回转薄壳的形成及几何特性任何平面曲线绕同平面内的某一已知直线旋转而成的曲面称为回转曲面，其中已知直线称为回转曲面的轴，绕轴旋转的平面曲线称为回转曲面上的母线。壳体是一种以内外曲面为界，且曲面之间的距离远小于其他方向尺寸的几何构件，两曲面之间的距离即是壳体的厚度。与壳体内外表面等距离的曲面称为中间面，中间面是平分壳体厚度且能反映壳体几何特性的一个特殊曲面，如果中间面是回转曲面的壳体即称为回转壳体。第十三页，共六十八页。Slide2/8在对回转薄壁壳体进行应力分析时，假设：壳体材料连续、均匀、各向同性；受力后发生的变形是弹性小变形；壳体中各层纤维在变形中互不挤压。第二节压力容器的设计计算（二）承受气压回转薄壳的受力分析第十四页，共六十八页。Slide2/91.圆筒形壳体（圆筒体）σ1：经向应力（或轴向应力）σ2：环向应力第二节压力容器的设计计算第十五页，共六十八页。Slide2/10=根据力学平衡，内压产生的轴向合力与壳壁横截面上的轴向总拉力相等，即经向应力第二节压力容器的设计计算第十六页，共六十八页。Slide2/11=根据力学平衡，由于内压作用，垂直于截面的合力与纵截面上产生的总拉力相等，即环向应力第二节压力容器的设计计算第十七页，共六十八页。Slide2/12可以看出，。说明在圆筒形壳体中，环向应力是经向应力的2倍，因此，在圆筒体上开设椭圆形人孔或手孔时，应当将短轴设计在纵向，长轴在环向，以减小开孔对壳体强度的影响。另外，在制造圆筒形压力容器时，纵向焊缝的质量应比环向焊缝高，以确保容器使用时的安全可靠性。第二节压力容器的设计计算第十八页，共六十八页。Slide2/132.球形壳体（圆筒体）根据力学平衡，垂直于截面的总压力与壳体圆环截面上的拉相等，即第二节压力容器的设计计算第十九页，共六十八页。区域平衡方程Slide2/143.无力矩理论及其应用在工程应用中，当壳体的径比K=D0/Di≤1.2时为了简化计算，常忽略弯曲应力而只考虑拉应力的影响，这种分析问题的方法称为“无力矩理论”，由此求得的旋转壳体中的应力称为“薄膜应力”。微体平衡方程第二节压力容器的设计计算第二十页，共六十八页。Slide2/15第二节压力容器的设计计算第二十一页，共六十八页。Slide2/164.边缘问题在壳体上不满足无力矩理论应用条件的部位称为连接边缘，在边缘处壳体相互之间产生的约束力称为边缘应力。第二节压力容器的设计计算第二十二页，共六十八页。Slide2/17常见的连接边缘有：1壳体与封头的连接处。2直径和材料相同但壁厚不同两壳体的连接处。3壳体上有法兰、接管等部位。4壳体上有集中载荷、或边界法向有约束的部位。5不同材料制造的同直径和同壁厚圆筒的连接处等。1壳体与封头的连接处。2直径和材料相同但壁厚不同两壳体的连接处。3壳体上有法兰、接管等部位。第二节压力容器的设计计算第二十三页，共六十八页。Slide2/18边缘应力的特点：1局部性2自限性图2-5圆筒与平封头连接边缘应力示意图第二节压力容器的设计计算第二十四页，共六十八页。Slide2/19二、容器的强度计算压力容器的强度计算包括设计计算和校核计算。由已知的工艺条件，如压力、温度、介质等，设计一台新容器所进行的计算为设计计算；对现有的容器改变使用条件，或进行安全性能的检验所进行的计算为校核计算。第二节压力容器的设计计算第二十五页，共六十八页。Slide2/20（一）圆筒和球壳的强度计算1.设计计算圆筒形容器（2-1）球形容器

（2-2）第二节压力容器的设计计算第二十六页，共六十八页。Slide2/212.校核计算圆筒形容器（2-3）球形容器

（2-4）第二节压力容器的设计计算第二十七页，共六十八页。Slide2/22（二）封头的强度计算封头是压力容器的重要组成部分，常用的有半球封头、椭圆形封头、蝶形封头、锥形封头和平封头。其中，平封头根据需要有多种形式，其结构都比较简单，但其与其他类型的封头相比在同等条件下，满足强度要求的厚度却很大，故在中低压容器中应用不多；锥形封头主要用于不同直径圆筒的过渡连接、介质中含有固体颗粒或粘度较大时容器下部的出料口等。工程上应用较多的是半球形封头、椭圆形封头和蝶形封头，以椭圆形封头常用。第二节压力容器的设计计算第二十八页，共六十八页。Slide2/231.椭圆形封头椭圆形封头是由半个椭球壳和一段高度为h的直边部分组成。直边高度h的大小按封头直径和厚度不同有25mm，40mm，50mm，三种，直边部分的作用是使椭圆壳和圆筒的连接边缘与封头和圆筒焊接连接的接头错开，避免边缘应力（互相连接的两部分由于变形不协调、互相约束而在连接处产生的附加应力）与热应力（由于焊接在焊接接头处产生的附加应力）叠加的现象，改善封头和圆筒连接处的受力状况。第二节压力容器的设计计算第二十九页，共六十八页。Slide2/24当椭圆封头的

时，称为标准椭圆封头。K：椭圆形封头的形状系数，可查GB150，对标准椭圆形封头K=1.00。第二节压力容器的设计计算第三十页，共六十八页。Slide2/252.碟形封头蝶形封头是由半径为的部分球面、高度为的直边部分及连接以上两部分的半径为的过渡区所组成。GB150中推荐取（也可以认为是标准蝶形封头），这时球面部分的壁厚与圆筒接近，封头的深度也不大，便于制造。在蝶形封头中直边部分的作用和取法与椭圆形封头相同。第二节压力容器的设计计算第三十一页，共六十八页。Slide2/26GB150中推荐取

时，称为标准蝶形封头。M:椭圆形封头的形状系数，可查GB150，对标准碟形封头M

=1.33。第二节压力容器的设计计算第三十二页，共六十八页。Slide2/273.半球形封头半球形封头为半个球壳，与其他形式的封头相比应力分布均匀，但由于深度较大，当直径较小时制造困难，因此中小直径的容器很少采用半球形封头。对于大直径的半球形封头，先在制造现场分瓣冲压，然后再运送到安装现场进行拼焊。第二节压力容器的设计计算第三十三页，共六十八页。Slide2/28半球形封头的强度计算与球形容器完全相同。适用范围同样是pc≤0.6[σ]tφ，相当于K≤1.33。第二节压力容器的设计计算第三十四页，共六十八页。Slide2/29（三）容器的最小厚度GB150中对圆筒形容器加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度作了如下限制。1碳素钢、低合金钢制容器，

δmin不小于3mm；2直径和材料相同但壁厚不同两壳体的连接处。第二节压力容器的设计计算第三十五页，共六十八页。取大值δSlide2/30（四）容器厚度的确定δδδδ按钢板厚度规格向上圆整δ第二节压力容器的设计计算第三十六页，共六十八页。Slide2/30（五）各类厚度的相互关系第二节压力容器的设计计算第三十七页，共六十八页。Slide2/31三、设计参数的确定1.设计压力

设计压力是指设定的容器顶部的最高工作压力，用p表示，设计压力应标在容器的铭牌上；与相应的设计温度一起作为设计载荷，其值不低于工作压力。

工作压力是指正常操作情况下容器顶部可能出现的最高压力，用

pw表示。在相应的设计温度下，用以确定容器元件厚度的压力称为计算压力，用

pc表示。第二节压力容器的设计计算第三十八页，共六十八页。Slide2/32容器的设计压力可按以下方法确定：2当容器上装有爆破片装置时，p=(1.15～1.3)pw。1当容器上装有安全阀时，设计压力应大于等于安全阀的开启压力，即p=(1.05～1.1)pw。3当容器系统中装有安全控制装置，而单个容器上无安全控制且各个容器之间的压力降难以确定时，其设计压力可按表2-1确定。第二节压力容器的设计计算第三十九页，共六十八页。Slide2/334盛装液化气体或混合液化石油气的容器，设计压力可按表2-2确定。表2-2盛装液化气体的压力容器设计压力选用注：P50为混合液化石油气50℃时的饱和蒸汽压力；表中的1.94MPa、1.62MPa、0.58MPa分别为丙烯、丙烷、已丁烷50℃时的饱和蒸汽压力，乘以～1.1即为设计压力。第二节压力容器的设计计算第四十页，共六十八页。Slide2/342.设计温度设计温度是指容器正常工作情况下，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面温度的平均值），用t表示。对于0℃以上的金属温度，设计温度不得低于元件金属在工作状态下可能达到的最高温度；对于0℃以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。第二节压力容器的设计计算第四十一页，共六十八页。Slide2/35容器的设计温度可参考以下原则确定。1容器内介质被热载体或冷载体直接加热时，设计温度按下表确定。2容器内壁与介质直接接触且有外保温时，设计温度按下表确定。3容器内介质用蒸汽直接加热或被内置加热元件（如加热盘管、电热元件等）间接加热时，其设计温度取被加热介质的最高工作温度。4对液化气用压力容器当设计压力确定后，其设计温度就是与其对应的饱和蒸汽的温度。5对储存用压力容器（包括液化气储罐），当壳体温度仅由大气环境条件确定时，其设计温度可取该地区历年来月平均气温的最低值，或据实计算。第二节压力容器的设计计算第四十二页，共六十八页。Slide2/363.许用应力许用压力是容器壳体、封头等受压元件所采用材料的许用强度，它是由材料的各极限应力（σs

、σb、σst、σnt、σDt）除以相应的安全系数来确定的。安全系数是为了保证容器受压元件的强度有足够的安全储备量而设定的一个强度“保险”系数，它是可靠性和先进性相统一的系数，是考虑了材料的力学性能、载荷条件、设计计算方法、加工制造及使用等方面的不确定因素后确定的。第二节压力容器的设计计算第四十三页，共六十八页。Slide2/374.焊接接头系数焊接制造的容器，在焊缝中可能存在着夹渣、气孔、裂纹及未焊透等缺陷，使焊缝及热影响区的强度受到削弱，为了补偿焊接时可能出现的焊接缺陷对容器强度的影响，引入了焊接接头系数，它是接头处材料的强度与母材强度之比，用φ表示。焊接接头系数的取值与接头的形式及对其进行无损检测的长度比例有关，由GB150的规定可按下列方法确定。第二节压力容器的设计计算第四十四页，共六十八页。Slide2/385.厚度附加量容器的壁厚不仅要满足强度和刚度的要求，还要考虑钢材的厚度负偏差和介质对容器的腐蚀，所以在确定容器厚度时引入钢板或钢管的厚度负偏差C1和腐蚀裕量C2，二者之和称为厚度附加量，用C表示。腐蚀裕量可根据介质的腐蚀性及容器的设计寿命来确定，对介质为压缩空气、水蒸气及水的碳素钢、低合金钢容器，腐蚀裕量不小于1mm；当资料不全难以具体确定时，可参考表2-7选取。第二节压力容器的设计计算第四十五页，共六十八页。Slide2/396.压力容器的公称直径、公称压力规定公称直径的目的是使容器的直径成为一系列规定的数值，以便于零部件的标准化，以符号“DN”表示，单位为mm。用钢板卷制而成的简体，其公称直径即等于内径，现行标准中规定的压力容器公称直径系列，封头的公称直径与简体一致，如表3-14所示。对于管子来说，公称直径既不是指管子的内径也不是指管子的外径，而是比外径还要小的数值。只要管子的公称直径一定，管子的外径也就确定了，管子的内径因壁厚不同而有不同的数值。把压力容器所承受的压力范围分成若干个标准压力等级，称为公称压力，以PN表示，并将其作为选用标准零部件的另一个基本参数。目前我国制定的压力等级分为常压、0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.4(单位均为MPa)。选用容器零部件时，必须将操作温度下的最高操作压力（或设计压力）调整为所规定的某一公称压力等级，然后冉根据DN与PN选定该零部件的尺寸。第二节压力容器的设计计算第四十六页，共六十八页。Slide2/40把压力容器所承受的压力范围分成若干个标准压力等级，称为公称压力，以PN表示，并将其作为选用标准零部件的另一个基本参数。目前我国制定的压力等级分为常压、0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.4(单位均为MPa)。选用容器零部件时，必须将操作温度下的最高操作压力（或设计压力）调整为所规定的某一公称压力等级，然后冉根据DN与PN选定该零部件的尺寸。第二节压力容器的设计计算第四十七页，共六十八页。Slide2/41第二节压力容器的设计计算第四十八页，共六十八页。Slide2/42半球形封头用材最少，但深度太深；碟形封头比较浅，制造比较容易，但比半球形封头多用材8mm，且封头与简体厚度相差悬殊，结构不合理。因此从强度、结构和制造等方面考虑，以采用椭圆形封头最为理想。第二节压力容器的设计计算第四十九页，共六十八页。Slide2/43三、容器的压力试验容器的压力试验是在超过设计压力的压力下，对容器进行试运行的过程。压力试验的目的是检查容器的宏观强度、焊缝的致密性及密封结构的可靠性，及时发现容器钢材、制造及检修过程中存在的缺陷，是对材料、设计、制造及检修等各环节的综合性检查。通过压力试验将容器的不安全因素在正式使用前充分暴露出来，防患于未然。所以压力试验是保证设备安全运行的重要措施，必须严格执行。第二节压力容器的设计计算第五十页，共六十八页。Slide2/44对下列容器应进行压力试验。（1）新制造的的容器。（2）改变使用条件，且超过原设计参数并经强度校核合格的容器。（3）停止使用两年后重新启用的容器。（4）使用单位从外单位拆来新安装的或本单位内部移装的容器。（5）用焊接方法修理制造、更换主要受压元件的容器。（6）需要更换衬里（重新更换衬里前）的容器。（7）使用单位对安全性能有怀疑的容器。第二节压力容器的设计计算第五十一页，共六十八页。Slide2/45（一）压力试验的方法及要求压力试验有液压试验和气压试验两种。一般情况都采用液压试验，因为液体的压缩性很小，所以液压试验比较安全。只有对不宜作为液压试验才进行气压试验，如内衬耐火材料不宜烘干的容器、生产时装有催化剂不允许有微量残液的反应器壳体等。压力试验前容器各连接部位的紧固螺栓必须装配齐全、紧固妥当，必须用两个经校正的量程相等的压力表，并装在容器便于观察的部位。压力表的量程应在试验压力的2倍左右，不低于1.5倍或高于4倍的试验压力。第二节压力容器的设计计算第五十二页，共六十八页。TheEnd第二节压力容器的设计计算第五十三页，共六十八页。第三节压力容器的主要零部件第五十四页，共六十八页。Slide2/46一、法兰连接第三节压力容器的主要零部件第五十五页，共六十八页。Slide2/47（一）法兰连接的密封第三节压力