过程设备机械设计基础 压力容器修

过程设备机械设计基础压力容器修第1页，共79页，2023年，2月20日，星期四18.2压力容器的结构与分类一、压力容器的结构第2页，共79页，2023年，2月20日，星期四2典型反应器结构第3页，共79页，2023年，2月20日，星期四3二、压力容器分类1、按承压性质分³<£<£<£MPaMPaPMPaPMPaP10010010106.16.11.0超高压/U高压/H中压/M低压/L内压容器第4页，共79页，2023年，2月20日，星期四42、按形状分圆筒，球形，矩形；3、按材料分金属材料，非金属材料4、按壁厚分薄壁容器（Ro/Ri=<1.2）厚壁容器（Ro/Ri>1.2）5、按安装方式分固定式容器移动式容器第5页，共79页，2023年，2月20日，星期四56、按作用原理分反应器（R），换热器（E），分离器（S），储存容器（C，B）分离器（S）：用于介质的流体压力平衡和气体净化分离的压力容器，如过滤器，集油器，缓冲器，吸收塔，干燥塔，除氧器。反应器（R）：完成介质物理化学反应的压力容器。如反应器，反应釜，分解锅，硫化罐，分解塔，聚合釜，高压釜，合成塔第6页，共79页，2023年，2月20日，星期四6换热器（E）：用于完成介质的热量交换的压力容器，如余热锅炉，热交换器，消毒罐，染色器，烘缸，预热锅，蒸汽发生器，煤气发生炉的水夹套，冷凝器等储存容器（C，B）：主要用于储存和盛装气体，液体和液化气体等介质的压力容器，如：各种形式的储罐等同一容器，多种功能时，按主要作用来划分。第7页，共79页，2023年，2月20日，星期四77、按监察规程分a.最高工作压力Pw≥0.1MPab.内直径Di≥0.15m，且V≥0.025m3c.盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体。监察规程的管辖范围压力容器安全技术监察规程第8页，共79页，2023年，2月20日，星期四8

GB5044《职业性接触毒物危害程度分级》/HG20660《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类》(1)极度危害<0.1mg/m3,氢氟酸、光气、甲醛等(2)高度危害0.1~1.0mg/m3,氟、氟化氢等(3)中度危害1.0~10mg/m3,二氧化硫、一氧化碳等(4)轻度危害>10mg/m3,氢氧化钠、丙酮等一类容器1.非易燃或低毒的低压反应容器和储存容器;2.有毒和有危害的低压容器第9页，共79页，2023年，2月20日，星期四91、一般中压容器；二类容器2、介质为易燃或毒性程度为中度危

害的低压反应容器和储存容器；3、毒性程度为极度和高度危害介质

的低压容器；4、低压管壳式余热锅炉；5、低压搪玻璃压力容器。第10页，共79页，2023年，2月20日，星期四10三类容器1、高压容器；2、低压容器(毒性为极度或高度危害介质，

且PV大于0.2MPa·m3)；3、中压反应容器(易燃或毒性程度为中度危

害介质且PV>0.5MPa·m3)；4、中压储存容器(易燃或毒性程度为中度危

害介质，且PV>10MPa·m3)；5、高压、中压管壳式余热锅炉；第11页，共79页，2023年，2月20日，星期四11三类容器(续）6、中压搪玻璃压力容器；7、球形（V>=50m3)

；8、移动式压力容器。9、中压容器（仅限毒性程度为极度或

高度危害介质。10、使用强度级别较高的材料制造的压

力容器。11、低温储存容器(V>5m3)。第12页，共79页，2023年，2月20日，星期四12Question:多压力腔容器如何归类管理？HeatExchanger,JacketReactor第13页，共79页，2023年，2月20日，星期四138.3典型薄壁容器应力分析1、按容器的外径Do和内径Di的比值K

不同，可将容器分为：厚壁容器：K>1.2薄壁容器：K1.22、应力分析理论无力矩理论或薄膜理论力矩理论第14页，共79页，2023年，2月20日，星期四141、受内压圆筒壳体静力平衡方程：环向应力为:环向应力周向应力一、典型壳体应力分析第15页，共79页，2023年，2月20日，星期四15静力平衡方程：经向应力为经向应力/轴向应力薄壁圆筒形压力容器环向应力

为经向应力的二倍第16页，共79页，2023年，2月20日，星期四162、承受内压的球形壳体球形壳体的厚度仅需圆筒形壳体的一半；球形容器的表面积最小；所以耗材是最少的。第17页，共79页，2023年，2月20日，星期四173、承受内压的椭球形壳体*在顶点：在赤道：第18页，共79页，2023年，2月20日，星期四18椭圆形封头的应力分布第19页，共79页，2023年，2月20日，星期四19标准椭圆形封头取顶点处的周向应力与赤道处的周向应力相等，得:a=2b第20页，共79页，2023年，2月20日，星期四204、承受内压的锥形壳体*

由此可见，锥形壳体的周向应力是经向应力的两倍。在锥顶处应力为零。应力随半锥角的增大而增大。第21页，共79页，2023年，2月20日，星期四21二、边缘应力及其处理1.边缘应力的产生原因几何非线性载荷非线性约束非线性材料非线性第22页，共79页，2023年，2月20日，星期四220Q0Q00ppM0M0M0M0图8-17圆筒形容器的边缘效应

第23页，共79页，2023年，2月20日，星期四232.边缘应力的特点局部性自限性3.工程上的处理方法危害性较小，不做特殊处理仅作局部结构调整，p161图8-18第24页，共79页，2023年，2月20日，星期四24三、内压薄壁圆筒设计第25页，共79页，2023年，2月20日，星期四25几个前提不大于35MPa的内压容器的筒体和封头设计准则为弹性失效一般不考虑边缘应力，必要时以应力增强系数的形式引入设计计算。依据：GB150-1999《钢制压力容器》三、内压薄壁圆筒设计第26页，共79页，2023年，2月20日，星期四26一、强度设计公式强度条件：设计公式：三、内压薄壁圆筒设计第27页，共79页，2023年，2月20日，星期四27强度校核条件：或第28页，共79页，2023年，2月20日，星期四28二、设计参数确定1、设计压力(P)通常：P＝(1.0~1.1)PW安全阀：P=(1.05~1.1)PW.且不低于安全阀

开启压力。爆破片：(1.15~1.75)PW.爆破压力＋制造偏差介质为液化气：TMAX时液化气饱和蒸汽压介质为液体：当液柱静压大于0.05P时，应

计入液体静压力。第29页，共79页，2023年，2月20日，星期四29指容器正常工作时，在相应的设计压力下，器壁金属可能达到的最高和最低温度（低于0℃)2设计温度3焊缝系数φ焊缝系数决定于二个因素：1）焊缝的结构形式2）无损探伤水平第30页，共79页，2023年，2月20日，星期四30焊接接头形式无损检测要求焊缝系数双面对接焊100%1.0局部0.85单面对接焊100%0.9局部0.8焊缝系数第31页，共79页，2023年，2月20日，星期四314、许用应力[σ]影响许用应力的因素：1使用温度2钢板厚度许用应力由材料的强度极限除以相应

的安全系数而得。强度极限根据材料的失效类型确定安全系数则受工况、材料、制造质量

和计算方法的影响；Question:WHY?第32页，共79页，2023年，2月20日，星期四325.厚度(t)a.壁厚附加量C＝C1＋C2C1：钢板负偏差,表8-9

C2：腐蚀裕量b.最小壁厚保证设备在运输和安装过程中的安全碳素钢和低合金钢：不小于3mm。高合金钢：不小于2mm。第33页，共79页，2023年，2月20日，星期四33三、压力与气密性试验1、水压试验a.试验压力：b.强度条件：第34页，共79页，2023年，2月20日，星期四341、水压试验（续）c.对试压介质的要求方便获得；价格低廉；无危险；存储方便；沸点高于试验温度；洁净，无污染，易于清除；无腐蚀性。第35页，共79页，2023年，2月20日，星期四35d.对试验温度的要求试验温度应该高于材料的无延性转变温度（NDT）。对于碳钢，16MnR，15MnVR等，试验温度应该大于5℃，其他低合金钢，试验温度应该大于15℃。板厚的影响导致试验温度的提高。第36页，共79页，2023年，2月20日，星期四362、气压试验a.试验压力：b.强度条件：第37页，共79页，2023年，2月20日，星期四37c.常用介质干燥洁净的空气；氮气惰性气体。d.试验温度对于碳钢和低合金钢，应大于15℃。第38页，共79页，2023年，2月20日，星期四383．压力试验时的应力校核液压试验时：气压试验时：薄膜应力：第39页，共79页，2023年，2月20日，星期四394、气密性试验b.试验压力：a.用处：

介质毒性程度为极度或高度危害；设计上不容许有微量泄漏；第40页，共79页，2023年，2月20日，星期四40c.其他介质：干净空气或氮气、惰性气体温度：碳钢、低合金钢等，不低于15℃保压：30min，升压缓慢，稳定。第41页，共79页，2023年，2月20日，星期四418.4外压薄壁圆筒的设计外压容器的定义：外压大于内压的容器;失效的主要形式为失稳。其后果是造成容

器几何形状偏离原形状。一、外压容器失稳的概念常见外压容器：减压蒸馏塔；真空冷凝器；结晶器；带蒸汽加热夹套；第42页，共79页，2023年，2月20日，星期四42长园筒第43页，共79页，2023年，2月20日，星期四43第44页，共79页，2023年，2月20日，星期四44容器失稳与压杆失稳类似，取决于：1)圆筒外径与有效壁厚之比Do/te；2)圆筒长度与外径的比值L/Do3)材料的力学性能（E，)其他：形状偏差，圆度压杆失稳的主要因素：1）外载大小2）压杆柔度(细长比)3）材料的力学性能。第45页，共79页，2023年，2月20日，星期四45临界压力的计算1.长圆筒：临界压力钢制圆筒：临界应力：

第46页，共79页，2023年，2月20日，星期四462.短圆筒：3.临界长度：临界应力：

第47页，共79页，2023年，2月20日，星期四47二、外压薄壁圆筒厚度设计外压设计的总体思路：保证工作压力P小于许用外压[P]而[P]=Pcr/mm决定于Pcr的准确程度、制造技术、焊缝结构形式等因素。我国规定m=3第48页，共79页，2023年，2月20日，星期四48解析法2)求Pcr，确定[P]3)如P<[P]且较为接近，则所假定的tn符合要求，否则重算，直到符合要求。1)假设设计名义厚度tn，则有te=tn-C第49页，共79页，2023年，2月20日，星期四49求解步骤：根据工况，确定材料；假定壁厚为tn，确定有效厚度te，根据已知条件确定临界长度Lcr；根据公式确定许用设计外压[P]；确定设计外压P，并比较P与[P]，如果P=<[P],P与[P]比较接近，则假设的壁厚可以作为容器的设计厚度。否则重复上述步骤。第50页，共79页，2023年，2月20日，星期四50三、加强圈的作用及设计方法1．加强圈的作用及结构要求局部设置加强圈可以缩短筒体的计算长度，增加外压圆筒的稳定性且节约材料加强圈材料通常为碳钢，采用型钢。加强圈可以和内件合二为一；加强圈可以设置在外部,也可以设置在内部第51页，共79页，2023年，2月20日，星期四512．加强圈的设计方法（略）加强圈与筒体有效段组合截面惯性矩J设计步骤：初步设置加强圈的个数，确定间距；选择加强圈的材料，结构或型钢规格；第52页，共79页，2023年，2月20日，星期四523.利用设计外压，外径和有效壁厚按8-27计算系数B值4.利用外压圆筒、管子和球壳的厚度计算图（图8-23~8-24）根据加强圈的材料和相应的设计温度选择相应的材料温度线，确定A值，5.根据A值确定Is。比较I与Is，并根据结果调整使得Is>=I.例题例3自学第53页，共79页，2023年，2月20日，星期四538.6压力容器的安全使用与管理一、压力容器的安全技术监察1、安全技术监察的依据——容规涉及内容:类别划分，材料选用，结构与强度设计，制造组装，无损检测探伤，压力试验，使用管理，定期检验及安全附件，等等2、压力容器的设计监察——资格3、压力容器的制造监察——许可第54页，共79页，2023年，2月20日，星期四54设计单位证书副本第55页，共79页，2023年，2月20日，星期四55第56页，共79页，2023年，2月20日，星期四56美国机械工程师协会颁发的ASME“U”钢印证书

第57页，共79页，2023年，2月20日，星期四57欧盟承压设备指令PED-CE资质

第58页，共79页，2023年，2月20日，星期四58二、压力容器的安全使用与管理1、管理体系与职责2、建立压力容器技术档案3、压力容器的使用登记4、制订容器的安全操作规程5、正确操作容器第59页，共79页，2023年，2月20日，星期四59三、压力容器的定期检验1、定期检验的目的2、定期检验的内容与期限外部检测，内外部检验，耐压试验；检验程序检验报告第60页，共79页，2023年，2月20日，星期四60光气又称碳酰氯，无色气体，有腐草臭味，剧毒，微溶于水，较易溶于苯、甲苯等。由一氧化碳和氯的混合物通过活性炭制得。环境中的光气主要来自染料、农药、制药等生产工艺。光气是剧烈窒息性毒气，高浓度吸人可致肺水肿。毒性比氯气约大10倍，但在体内无蓄积作用。在生产条件下以急性中毒为主，主要对呼吸系统造成损害。吸人光气后，发生典型的刺激症状，初为干咳，数小时后加重，轻者出现咳嗽、胸闷、气促、眼结膜刺激和头痛、恶心等；重者可发展为肺水肿、呼吸困难，甚至出现休克。第61页，共79页，2023年，2月20日，星期四61图解法（略）器壁上的应变：器壁上的应力：K为特征系数临界压力：图解法来源：GB150钢制压力容器第62页，共79页，2023年，2月20日，星期四62外压圆筒几何参数计算图第63页，共79页，2023年，2月20日，星期四63圆筒的许用外压力：令则而此即为B－A图的由来第64页，共79页，2023年，2月20日，星期四64外压圆筒计算图(B－A图)第65页，共79页，2023年，2月20日，星期四65设计方法和计算步骤1假设2确定比值：L/Do和D/te3查图8-13，确定A值4根据不同材料查图8-14,8-15,8-16确定B值，求得许用外压[P]A在温度线的右方5比较P与[P],以P小于且接近于[P]为原则A在温度线的左方，属弹性失稳.第66页，共79页，2023年，2月20日，星期四66三设计参数的规定1设计外压力P工作时最大内外压力差；真空容器取1.25倍内外压差或0.1MPa中的较小值；无安全控制装置时，取0.1MPa；2试验压力PT液压：PT=1.25P或气压PT=1.15P