化工机械基础第三第十章容器设计基础

（优选）化工机械基础第三版第十章容器设计基础当前第1页\共有147页\编于星期日\20点第十章容器设计基础第一节概论当前第2页\共有147页\编于星期日\20点一、容器的结构 壳体(筒体)、封头(端盖)、法兰、支座、接口管及人孔等组成。常低压化工设备通用零部件标准直接选用。当前第3页\共有147页\编于星期日\20点二、容器的分类压力容器分类按容器的形状按承压性质按管理其它按容器壁温按金属材料按应用情况当前第4页\共有147页\编于星期日\20点按容器的形状按容器形状分类名称特点方形\矩形容器平板焊成，制造简便，但承压能力差，只用作小型常压贮槽球形容器弓形板拼焊，承压好，安装内件不便，制造稍难,多用作贮罐圆筒形容器筒体和凸形或平板封头。制造容易，安装内件方便，承压较好，应用最广当前第5页\共有147页\编于星期日\20点按承压性质内压：内部介质压力大于外界压力外压：内部介质压力小于外界压力真空：内部压力小于一个绝压的外压容器表10-1内压容器的分类容器分类设计压力p（MPa）低压容器0.1≤p＜1.6中压容器1.6≤p＜10高压容器10≤p＜100超高压容器p≥100当前第6页\共有147页\编于星期日\20点按管理表10-2安全检查规程使用范围项目条件最高工作压力pwpw≥0.1MPa，不包括液体静压内径Di，容积VDi≥0.15m且V≥0.025m3介质气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体 根据压力等级、介质毒性危害程度以及生产中的作用，压力容器可分为三类。

第一类压力容器 第二类压力容器 第三类压力容器 不包括核能、船舶专用、直接受火焰加热容器当前第7页\共有147页\编于星期日\20点表10-3毒性危害程度分级指标分级Ⅰ极度危害Ⅱ高度危害Ⅲ中毒危害Ⅳ轻度危害急性中毒吸入＜200mg/m3200~mg/m32000mg/m3~＞20000mg/m3经皮＜100100~500~＞2500经口＜2525~500~＞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＜0.10.1-1.0-＞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,氨当前第8页\共有147页\编于星期日\20点名称说明三类容器（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≥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、罐式汽车和罐式集装箱等；

（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、第二类压力容器之内的低压容器为第一类压力容器。当前第9页\共有147页\编于星期日\20点课堂作业：判断题判断下列容器属一、二、三类容器的哪一类？1）φ2000mmx5000mm的液氨储罐；2）p为4MPa的剧毒介质容器；3）p为10MPa，V为800L的乙烯储罐。当前第10页\共有147页\编于星期日\20点按容器壁温

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。当前第11页\共有147页\编于星期日\20点按材料金属容器: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，腐蚀严重或产品纯度要求高用不锈钢、不锈复合钢板、铝板及钛材。在深冷操作中，可用铜或铜合金；常用非金属材料的有：硬聚氯乙烯、玻璃钢、不透性石墨、化工搪瓷、化工陶瓷及砖、板、橡胶衬里等。当前第12页\共有147页\编于星期日\20点按应用情况

反应压力容器（Ｒ）完成物理、化学反应，如反应器、反应釜、分解锅、聚合釜、变换炉等；

换热压力容器（Ｅ）热量交换，如热交换器、管壳式余热锅炉、冷却器、冷凝器、蒸发器等；

分离压力容器（Ｓ）流体压力平衡缓冲和气体净化分离，如分离器、过滤器、缓冲器、吸收塔、干燥塔等；

储存压力容器（Ｃ，球罐为Ｂ）储存、盛装气体、液体、液化气体等介质，如各种形式的贮罐、贮槽、高位槽、计量槽、槽车等。当前第13页\共有147页\编于星期日\20点三、容器的零部件标准 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， 许多化工设备(例如贮槽、换热器、搪玻璃与陶瓷反应器)也有了相应的标准。

两个基本参数：

公称直径DN：指标准化以后的标准直径，以DN表示，单位mm，例如内径1200mm的容器的公称直径标记为DN1200。

公称压力PN：容器及管道的操作压力经标准化以后的标准压力称为公称压力，以PN表示，单位MPa。当前第14页\共有147页\编于星期日\20点㈠公称直径1.压力容器的公称直径钢板卷焊公称直径是内径。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

当前第15页\共有147页\编于星期日\20点 容器直径较小，可直接用无缝钢管制作。公称直径指钢管外径。159219273325377426表10-5无缝钢管制作筒体时容器的公称直径（mm）设计时，应将工艺计算初步确定的设备内径，调整为符合表10-4或表10-5所规定的公称直径。封头的公称直径与筒体一致。当前第16页\共有147页\编于星期日\20点2.管子的公称直径也称公称口径、公称通径。

有缝管：电焊钢管，化工厂用来输送水、煤气、空气、油以及取暖用蒸汽等流体管道。

无缝管：分热轧管和冷拔管两种。如输送流体用无缝钢管(GB8163-87)、石油裂化用无缝钢管(GB9948-88)、化肥设备用高压无缝钢管（GB647986)等。当前第17页\共有147页\编于星期日\20点有缝管的公称直径：公称直径近似普通钢管内径的名义尺寸。公制mm，英制in，见表10-6。 公称直径15mm或1/2英寸，外径21.3mm，壁厚2.75mm（普通）3.25mm（加厚）每一公称直径对应一外径，其内径数值随厚度不同而不同。有缝管按厚度可分为薄壁钢管、普通钢管和加厚钢管。管路附件也用公称直径表示，意义相同。当前第18页\共有147页\编于星期日\20点无缝钢管的公称尺寸： 分热轧管和冷拔管。 无缝钢管不用公称直径而是以外径乘厚度表示。为公称外径与公称厚度。 在管道工程中，管径超过57mm时，常采用热轧管。管径在57mm以内常选用冷拔管。 冷拔管的最大外径为200mm； 热轧管的最大外径为630mm。当前第19页\共有147页\编于星期日\20点3.容器零部件的公称直径法兰、支座等公称直径是相配的筒体、封头的公称直径。DN2000法兰，DN2000鞍座还有一些零部件的公称直径是与它相配的管子公称直径DN200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，DN80(Dg80)视镜是指窥视孔的直径为80mm。当前第20页\共有147页\编于星期日\20点㈡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。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10-7压力容器法兰与管法兰的公称压力压力容器法兰0.250.61.01.62.54.06.4管法兰0.250.61.01.62.54.05.0101525当前第21页\共有147页\编于星期日\20点设计时如果选用标准零部件，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(调整方法见第五节)，然后根据DN与PN选定该零部件的尺寸。如果零件不选用标准零部件，而是自行设计，设计压力就不必符合规定的公称压力。当前第22页\共有147页\编于星期日\20点四、压力容器的标准简介 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。当前第23页\共有147页\编于星期日\20点㈠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当前第24页\共有147页\编于星期日\20点㈡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）。当前第25页\共有147页\编于星期日\20点1．美国ASME规范美国机械工程师协会（ASME）制定的《锅炉及压力容器规范》。美国国家标准该规范规模庞大、内容完善，仅依靠其本身即可完成选材、设计、制造、检验、试验、安装及运行等全部工作环节。与压力容器密切相关有：第Ⅱ卷材料技术条件、第Ⅴ卷无损检验、第Ⅷ卷压力容器及第Ⅸ卷焊接及钎焊评定。每年增补一次，每三年出一新版，技术先进，修订及时，能迅速反映世界压力容器科技发展的最新成就，为世界上影响最大的一部规范。当前第26页\共有147页\编于星期日\20点2．英国压力容器规范（BS） BS5500《非直接火熔焊压力容器》是由英国标准协会（BSI）负责制定。由两部规范合并而成：一部相当于ASME第Ⅷ卷第一册的BS1500《一般用途的熔融焊压力容器标准》，另一部是近似于德国AD规范的BS1515《化工及石油工业中应用的熔融焊压力容器标准》。当前第27页\共有147页\编于星期日\20点3.日本国家标准（JIS）于80年代初制定了两部基础标准，一部是参照ASME第Ⅷ卷第1册制定的JISB8243《压力容器的构造》，另一部是参照ASME第Ⅷ卷第2册制定的JISB8250《特定压力容器的构造》。

此外，还有与压力容器相关的标准JISB8240《冷冻压力容器》、JISB8241《无缝钢制气瓶》及JISB8242《圆筒形液化石油气贮罐（卧式）构造》等。当前第28页\共有147页\编于星期日\20点4.德国压力容器规范（AD）AD压力容器规范是由七个部门编制的：职工联合会、锅炉压力容器管道联合会、化学工业联合会、冶金联合会、机械制造者协会、大锅炉企业主技术协会及技术监督会联合会（VDTUV）。当前第29页\共有147页\编于星期日\20点AD规范在技术上有许多独特的观点，它在世界上也是具有广泛影响的规范。AD规范与ASME规范相比，特点：

①AD规范只对材料屈服极限取安全系数，且取数较小。因此产品厚度薄、重量轻；

②AD规范允许用较高强度级别的钢材；

③在制造要求方面，AD规范没有ASME详尽，这样可使制造厂具有较大的灵活性，易于发挥各厂的技术特长和创新。当前第30页\共有147页\编于星期日\20点思考题：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？3.判断容器属几类？当前第31页\共有147页\编于星期日\20点一、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则为厚壁容器第二节内压薄壁容器设计当前第32页\共有147页\编于星期日\20点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。 σ1（或σ轴）圆筒母线方向(即轴向)拉应力， σ2（或σ环）圆周方向的拉应力。当前第33页\共有147页\编于星期日\20点㈢圆筒的应力计算1.轴向应力D-筒体平均直径，亦称中径，mm2.环向应力当前第34页\共有147页\编于星期日\20点分析：（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。当前第35页\共有147页\编于星期日\20点分析：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。当前第36页\共有147页\编于星期日\20点（2）分析式(10-1)和(10-2)也可知，内压筒壁的应力和δ/D成反比，δ/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。当前第37页\共有147页\编于星期日\20点二、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。当前第38页\共有147页\编于星期日\20点（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。（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的曲率半径当前第39页\共有147页\编于星期日\20点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。

(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。当前第40页\共有147页\编于星期日\20点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（10-3）——平衡方程（10-4）——区域平衡方程无力矩理论基本方程式：当前第41页\共有147页\编于星期日\20点三、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。㈠受气体内压壳体的受力分析当前第42页\共有147页\编于星期日\20点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。当前第43页\共有147页\编于星期日\20点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（10-3）、（10-4）可得A点处的应力：当前第44页\共有147页\编于星期日\20点（10-6）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。当前第45页\共有147页\编于星期日\20点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：当前第46页\共有147页\编于星期日\20点（10-7）当前第47页\共有147页\编于星期日\20点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。当前第48页\共有147页\编于星期日\20点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（10-3）（10-4）可得：当前第49页\共有147页\编于星期日\20点底部支承的圆筒（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σ1=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：当前第50页\共有147页\编于星期日\20点例题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当前第51页\共有147页\编于星期日\20点四、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[σ]t-设计温度t℃下材料许用应力，MPa当前第52页\共有147页\编于星期日\20点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[σ]t乘以焊接接头系数φ，φ

≤1当前第53页\共有147页\编于星期日\20点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δ，得到内压圆筒的厚度计算式当前第54页\共有147页\编于星期日\20点㈢壁厚考虑介质腐蚀，计算厚度δ的基础上，增加腐蚀裕度C2。筒体的设计厚度为式中δ-圆筒计算厚度，mm； δd-圆筒设计厚度，mm； Di-圆筒内径，mm； p-容器设计压力，MPa； φ-焊接接头系数。当前第55页\共有147页\编于星期日\20点另一种情况：筒体设计厚度加上厚度负偏差C1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δ

n，则其最大许可承压的计算公式为：式中：δn-圆筒名义厚度圆整成钢材标准值；当前第56页\共有147页\编于星期日\20点δe-圆筒有效厚度C-厚度附加量。设计温度下圆筒的计算应力当前第57页\共有147页\编于星期日\20点五、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当前第58页\共有147页\编于星期日\20点六、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。当前第59页\共有147页\编于星期日\20点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）。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；使用爆破膜作为安全装置时，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。当前第60页\共有147页\编于星期日\20点容器内盛有液体，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。当前第61页\共有147页\编于星期日\20点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。器壁温度通过换热计算，或者已适用的同类容器上测定，或按内部介质温度确定。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当前第62页\共有147页\编于星期日\20点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。当前第63页\共有147页\编于星期日\20点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％。当前第64页\共有147页\编于星期日\20点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当前第65页\共有147页\编于星期日\20点腐蚀裕量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。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。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。当前第66页\共有147页\编于星期日\20点七、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。壳体加工成形后不包括腐蚀裕量最小厚度δmin：

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

当前第67页\共有147页\编于星期日\20点八、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。通常用常温水，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。不适合作液压试验的容器：如装入贵重催化剂要求内部烘干；容器内衬耐热混凝土不易烘干；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。当前第68页\共有147页\编于星期日\20点对压力试验的规定情况如下表所示：类型试验压力强度条件说明备注液压试验

(10-17)

（10-19)立式容器卧置进行水压试验，试验压力取立置试验压力+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

(10-18）

(10-20)pT-试验压力，MPa；p-设计压力，MPa；

[σ]一试验温度下的材料许用应力，MPa；

[σ]T一设计温度下的材料许用应力，MPa当前第69页\共有147页\编于星期日\20点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。当前第70页\共有147页\编于星期日\20点例题4-2：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；[σ]＝170MPa（附录表6）φ=0.8(表10-9)；C2=1.0mm得：当前第71页\共有147页\编于星期日\20点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σs=345MPa（附录表6）水压试验时满足强度要求。当前第72页\共有147页\编于星期日\20点九、边缘应力无力矩理论忽略了剪力与弯矩的影响，可以满足工程设计精度的要求。但对图中所示的一些情况，就须考虑弯矩的影响。当前第73页\共有147页\编于星期日\20点(a)、(b)、(c)是壳体与封头联接处经线突然折断；(d)是两段厚度不等的筒体相连接(e)、(f)、(g)有法兰、加强圈、管板等刚度大的构件。当前第74页\共有147页\编于星期日\20点相邻两段性能不同，或所受温度或压力不同，导致两部分变形量不同，但又相互约束，从而产生较大的剪力与弯矩。筒体与封头联接为例，边缘应力数值很大，有时导致容器失效，应重视。边缘应力具有局限性和自限性两个基本特性：

1．局限性——大多数都有明显的衰减波特性，随离开边缘的距离增大，边缘应力迅速衰减。2．自限性——弹性变形相互制约，一旦材料产生塑性变形，弹性变形约束就会缓解，边缘应力自动受到限制，即边缘应力的自限性。塑性好的材料可减少容器发生破坏。局部性与自限性，设计中一般不按局部应力来确定厚度，而是在结构上作局部处理。但对于脆性材料，必须考虑边缘应力的影响。当前第75页\共有147页\编于星期日\20点思考题1.承受气体压力的圆筒和圆锥形壳体的应力有什么特点？标准椭圆壳的应力又是怎样的？2.无力矩理论的适用条件是什么？3.边缘应力的特点是什么？4.在什么情况下需要考虑边缘应力？作业习题：P2244，8当前第76页\共有147页\编于星期日\20点一、外压容器失稳外压容器：容器外部压力大于内部压力。石油、化工生产中外压操作，例如：石油分馏中的减压蒸馏塔、多效蒸发中的真空冷凝器、带有蒸汽加热夹套的反应釜真空干燥、真空结晶设备等。第三节外压圆筒设计当前第77页\共有147页\编于星期日\20点失稳的概念 容器外压与受内压一样产生径向和环向应力，是压应力。也会发生强度破坏。 容器强度足够却突然失去了原有的形状，筒壁被压瘪或发生褶绉，筒壁的圆环截面一瞬间变成了曲波形。这种在外压作用下，筒体突然失去原有形状的现象称弹性失稳。 容器发生弹性失稳将使容器不能维持正常操作，造成容器失效。当前第78页\共有147页\编于星期日\20点失稳现象的实质： 外压失稳前，只有单纯的压缩应力，在失稳时，产生了以弯曲应力为主的附加应力。 外压容器的失稳，实际上是容器筒壁内的应力状态由单纯的压应力平衡跃变为主要受弯曲应力的新平衡。二、容器失稳形式当前第79页\共有147页\编于星期日\20点㈠侧向失稳 由于均匀侧向外压引起失稳叫侧向失稳。 壳体横断面由原来的圆形被压瘪而呈现波形，其波形数可以等于两个、三个、四个……。当前第80页\共有147页\编于星期日\20点㈡轴向失稳 薄壁圆筒承受轴向外压，当载荷达到某一数值时，也会丧失稳定性。 失稳，仍具有圆环截面，但破坏了母线的直线性，母线产生了波形，即圆筒发生了褶绉。㈢局部失稳 在支座或其他支承处以及在安装运输中由于过大的局部外压也可能引起局部失稳。当前第81页\共有147页\编于星期日\20点三、临界压力计算

临界压力：导致筒体失稳的外压，Pcr

临界应力：筒体在临界压力作用下，筒壁内的环向压缩应力，以σcr表示。 外压低于Pcr，变形在压力卸除后能恢复其原先形状，即发生弹性变形。 达到或高于Pcr时，产生的曲波形将是不可能恢复的。当前第82页\共有147页\编于星期日\20点临界压力与哪些因素有关？ 失稳是固有性质，不是由于圆筒不圆或是材料不均或其它原因所导致。 每一具体的外压圆筒结构，都客观上对应着一个固有的临界压力值。 临界压力的大小与筒体几何尺寸、材质及结构因素有关。当前第83页\共有147页\编于星期日\20点根据失稳情况将外压圆筒分为三类：

长圆筒：刚性封头对筒体中部变形不起有效支撑，最容易失稳压瘪，出现波纹数n=2的扁圆形。

短圆筒：两端封头对筒体变形有约束作用，失稳破坏波数n>2，出现三波、四波等的曲形波。

刚性圆筒：若筒体较短，筒壁较厚，即L/D0较小，δe/D0较大，容器的刚性好，不会因失稳而破坏。当前第84页\共有147页\编于星期日\20点㈠长圆筒式中Pcr-临界压力，MPa； δe-筒体的有效厚度，mm； D0-筒体的外直径，mm Et-操作温度下圆筒材料的弹性模量，MPa μ-材料的泊桑比。长圆筒的临界压力计算公式：当前第85页\共有147页\编于星期日\20点分析：长圆筒的临界压力仅与圆筒的相对厚度δe/D0有关，而与圆筒的相对长度L/D0无关。对于钢制圆筒，μ=0.3，则当前第86页\共有147页\编于星期日\20点㈡短圆筒短圆筒的临界压力计算公式为：短圆筒临界压力与相对厚度δe/D0有关，也随相对长度L/D0变化。L/D0越大，封头的约束作用越小，临界压力越低。当前第87页\共有147页\编于星期日\20点L为筒体计算长度，指两相邻加强圈的间距；对与封头相连接的那段筒体而言，应计入凸形封头中的1/3的凸面高度。当前第88页\共有147页\编于星期日\20点临界压力计算公式使用范围：临界压力计算公式在认为圆筒截面是规则圆形及材料均匀的情况下得到的。实际筒体都存在一定的圆度，不可能是绝对圆的，实际筒体临界压力将低于计算值。但即使壳体形状很精确和材料很均匀，当外压力达到一定数值时，也会失稳，只不过是壳体的圆度与材料的不均匀性能使其临界压力的数值降低，使失稳提前发生。当前第89页\共有147页\编于星期日\20点㈢刚性筒刚性筒是强度破坏，计算时只要满足强度要求即可，其强度校核公式与内压圆筒相同。当前第90页\共有147页\编于星期日\20点㈣临界长度实际外压圆筒是长圆筒还是短圆筒，可根据临界长度Lcr来判定。当圆筒处于临界长度Lcr时，长圆筒公式计算临界压力Pcr值和短圆筒公式计算临界压力Pcr值应相等当前第91页\共有147页\编于星期日\20点得：

当筒长度L≥Lcr，Pcr按长圆筒当筒长度L≤Lcr时，Pcr按短圆筒公式按规则圆形推的，实际圆筒总存在一定的不圆度，公式的使用范围必须要求限制筒体的圆度e。当前第92页\共有147页\编于星期日\20点四、外压圆筒的设计㈠算法概述外压圆筒计算常遇到两类问题： 一是已知圆筒的尺寸，求它的许用外压[p]； 另一是已给定工作外压，确定所需厚度δe。当前第93页\共有147页\编于星期日\20点1．许用外压[p]圆度，长圆筒或管子一般压力达到临界压力值的l／2～1／3时就可能会被压瘪。大于计算压力的工况，不允许在外压力等于或接近于临界压力，必须有一定的安全裕度，使许用压力比临界压力小，即[p]-许用外压；m-稳定安全系数，m>1当前第94页\共有147页\编于星期日\20点稳定安全系数m的选取主要考虑两个因素：一个是计算公式的可靠性；另一个是制造上所能保证的圆度。根据GB150-1998《钢制压力容器》的规定m=3，圆度与D0/δe、L/D0有关。当前第95页\共有147页\编于星期日\20点当前第96页\共有147页\编于星期日\20点2．设计外压容器由于Pcr或[p]都与筒体的几何尺寸（δe、D0、L）有关，通常采用试算法：设计外压容器，应使许用外压[p]小于临界压力Pcr，即稳定条件为：当前第97页\共有147页\编于星期日\20点试算法：由工艺条件定内径和筒体长度先假定一个δe根据筒体计算长度判断属于长圆筒还是短圆筒，再代入相应临界压力计算式。求出相应的[p],然后比较[p]是否大于或接近设计压力p，以判断假设是否合理。当前第98页\共有147页\编于星期日\20点设计外压：不小于正常工作过程中可能出现的最大内外压力差。真空容器：有安全控制装置（真空泄放阀），取1.25倍最大内外压差或0.1MPa中较小值；无安全控制装置，取0.1MPa。带夹套容器：真空设计压力再加上夹套设计压力。当前第99页\共有147页\编于星期日\20点（二）图算长、短圆筒临界压力计算式均可归纳为K为特征系数，外压圆筒在临界压力下的周向应力为当前第100页\共有147页\编于星期日\20点周向应变以A代替当前第101页\共有147页\编于星期日\20点当前第102页\共有147页\编于星期日\20点（三）外压圆筒厚度设计方法利用算图确定外压圆筒厚度。步骤如下：1．D0/de≥20的外压圆筒及外压管a.假设δn,计算δe＝δn-C,定出L/D0、D0/δe值b.在图10-15外压或轴压受压圆筒和管子几何参数计算图中得到系数A；c.根据所用材料，从A-B关系图（图10-16至图10-20）中选用，读出B值，并按式（10-25）或（10-26）计算许用外压力[p]：当前第103页\共有147页\编于星期日\20点d.比较许用外压[p]与设计外压p 若p≤[p]，假设的厚度δn可用，若小得过多，可将δn适当减小，重复上述计算 若p＞[p]，需增大初设的δn，重复上述计算，直至使[p]＞p且接近p为止。当前第104页\共有147页\编于星期日\20点2.D0/δe＜20的外压圆筒及外压管子a．用与D0/δe≥20相同的方法得到系数B，但对D0/δe＜4圆筒及管子计算系数A值：系数A＞0.1时，取A=0.1；b．计算[p]l和[p]2。取[p]l和[p]2中的较小值为许用外压[p]σ0取以下两式中的较小值当前第105页\共有147页\编于星期日\20点c．比较许用外压[p]与设计外压p若p≤[p]，假设的厚度δn可用，若小得过多，可将δn适当减小，重复上述计算若p＞[p]，需增大初设的δn，重复上述计算，直至使[p]＞p且接近p为止。当前第106页\共有147页\编于星期日\20点五、外压容器的试压外压容器和真空容器按内压容器进行液压试验，试验压力取1.25倍的设计外压，即:式中 p-设计外压力，MPa；

pT-试验压力，MPa。当前第107页\共有147页\编于星期日\20点夹套容器内筒如设计压力为正值时，按内压容器试压；如设计压力为负值时按外压容器进行液压试验。夹套容器液压试验合格后再焊接夹套。夹套内压试验压力为：夹套内压试验必须事先校核该容器在夹套试压时的稳定性是否足够。不满足稳定性，则液压试验时容器内保持一定压力，以便在整个试压过程中，夹套与筒体的压力差不超过设计值。当前第108页\共有147页\编于星期日\20点例10-3：分馏塔内径2000mm，塔身(不包括椭圆形封头)长度为6000mm，封头深度500mm。370℃及真空条件下操作。现库存有9、12、14mm厚20g钢板。能否用这三种钢板制造。塔的计算长度：钢板负偏差均为0.8mm钢板的腐蚀裕量取1mm。有效厚度为7.2、10.2和12.2mm。简化计算，有效厚度7、10和12mm当前第109页\共有147页\编于星期日\20点当δe=7mm时查图10-15得A=0.000085。20g钢板的σs=250MPa（查附录6），查图10-17，A值点落在材料温度线得左方，故：20g钢板370℃时的E=1.69×105MPa[p]＜0.1MPa，所以9mm钢板不能用。当前第110页\共有147页\编于星期日\20点当δe=10mm时查图4-15得A=0.000013。查图10-17，A值所在点仍在材料温度线得左方，故[p]＜0.1MPa，所以12mm钢板也不能用。当前第111页\共有147页\编于星期日\20点当δe=12mm时查图10-15得A=0.000018。查图10-17，A值所在点仍在材料温度线得左方，故：[p]＞0.1MPa，所以，须采用14mm厚的20g钢板制造。当前第112页\共有147页\编于星期日\20点六、加强圈内径2000mm、全长7000mm的分馏塔，要保证在0.1MPa外压下安全操作，须用14mm厚钢板。较簿钢板满足不了外压要求。装上一定数量的加强圈，利用圈对筒壁的支撑作用，可以提高圆筒的临界压力，从而提高其工作外压。

当前第113页\共有147页\编于星期日\20点扁钢、角钢、工字钢等都以制作加强圈。当前第114页\共有147页\编于星期日\20点加强圈最大间距：外压圆筒加强圈间距已选定，可按上述图算法确定出筒体厚度；如果筒体的D0/δe已确定，可从下式解出加强圈最大间距：

加强圈的实际间距如小于或等于算出的间距，表明该圆筒能安全承受设计压力。当前第115页\共有147页\编于星期日\20点加强圈的安装：加强圈可设置在容器内部或外部。连续或间断焊接，当加强圈在外面时，每侧间断焊接的总长度不应小于圆筒外圆周长的1/2；在里面，焊缝总长度不应小于内圆周长度1/3。间断焊最大间距，外加强圈不能大于筒体名义厚度8倍；内加强圈不能大于筒体名义厚度12倍当前第116页\共有147页\编于星期日\20点为保证强度，加强圈不能任意削弱或割断。水平容器加强圈须开排液小孔。允许割开或削弱而不需补强的最大弧长间断值。当前第117页\共有147页\编于星期日\20点思考题：1.外压圆筒的失稳形式有哪些？2.影响外压圆筒临界压力的因素有哪些？3.外压圆筒上设置加强圈的目的是什么？作业习题：P2249，11，12当前第118页\共有147页\编于星期日\20点封头又称端盖，其分类：第四节封头的设计当前第119页\共有147页\编于星期日\20点一、椭圆形封头半椭球和高度为h的短圆筒(通称直边)两部分构成，直边保证封头制造质量和避免边缘应力作用。当前第120页\共有147页\编于星期日\20点㈠受内压的椭圆形封头计算厚度：K-椭圆形封头形状系数，标准椭圆形封头(长短轴之比值为2)，K=1。壁厚计算公式：当前第121页\共有147页\编于星期日\20点当封头是由整块钢板冲压时，φ值取为1。筒体设计壁厚计算公式：忽略分母上微小差异，大多数椭圆封头壁厚与筒体同，或比筒体稍厚。还应保证封头的有效壁厚δe满足：对标准椭圆形封头不小于封头内直径的0.15％。当前第122页\共有147页\编于星期日\20点椭圆形封头最大允许工作压力标准椭圆形封头的直边高度由表10-11确定。封头材料碳素钢、普低钢、复合钢板不锈钢、耐酸钢封头壁厚4～810～18≥203～910～18≥20直边高度254050254050当前第123页\共有147页\编于星期日\20点㈡受外压（凸面受压）椭圆形封头外压椭圆形封头厚度设计步骤同外压圆筒。假设δn,计算δe＝δn-C,算出R0/δe。椭圆形封头当量球壳外半径R0=K1D0。K1由长短轴比值决定，标准椭圆形封头K1=0.9b.计算系数当前第124页\共有147页\编于星期日\20点c.根据材料，从A-B图（图10-16至图10-20）中选用，若A值落在设计温度线的右方，读出B值计算许用外压力[p]若A值在设计温度线的左方，则许用外压：d.比较许用外压[p]与设计外压p若p≤[p]，假设的厚度δn可用，若小得过多，可将δn适当减小，重复上述计算若p＞[p]，需增大初设的δn，重复上述计算，直至使[p]＞p且接近p为止。当前第125页\共有147页\编于星期日\20点二、半球形封头 受内压球形封头计算壁厚与球壳相同。 球形封头壁厚可较圆筒壳减薄一半。但为焊接方便以及降低边缘压力，半球形封头常和筒体取相同的厚度。 受外压的球形封头的厚度设计，计算步骤同椭圆形封头。球壳外半径R0=K1D0，其中K1=0.5当前第126页\共有147页\编于星期日\20点三、碟形封头 又称带折边球形