化工容器与设备-5学时课件

化工容器及设备工业用钢容器设计基础管壳式换热器2023/7/291容器设计基础结构与容器分类内压容器设计理论基础边缘应力内压容器设计内压封头设计与选择2023/7/292容器结构与分类2023/7/293正在安装的核容器

2023/7/294蒸汽煅烧炉

2023/7/295高通量反应堆

2023/7/296核反应设备内部流程2023/7/297加氢反应器加氢反应是现代炼油工艺中最重要的转化过程之一。如石油的加氢精制是在一定的温度、压力和氢气存在的条件下，通过催化剂床层，除去非烃化合物中的S、N、O，使其转化为H2S、NH3、H2O，从而改善油品的性能。2023/7/2982023/7/299压力容器（如化工容器、轻工容器）又有其自身的特点，不仅要适应生产工艺过程所要求的不同的压力和温度，还要承受介质的作用，要长期安全运转，且要确保密封。失效形式：内压容器主要是弹性或塑性失效；外压容器主要为整体失稳。另外，泄漏也是容器的一种失效形式。

对于化工容器而言，由于介质往往有腐蚀性、毒性和易燃易爆性，密封是否可靠则是安全操作的必要条件。2023/7/2910外压容器失稳2023/7/2911一、容器的结构一般由筒体、封头、接管、法兰、支座等构成。习惯上称为容器的零部件。2023/7/29122023/7/2913筒体人孔封头接管支座环焊缝封头直边过渡线2023/7/2914二、压力容器的分类压力容器的形式很多，分类方法有很多种，如：几何形状壁厚设计压力设计温度安放型式结构材料安全重要程度2023/7/2915几种典型的分类方法安全管理生产工艺过中的作用原理介质的危害程度压力等级安全重要程度2023/7/2916按安全管理分类2023/7/2917按生产工艺过中的作用原理分类2023/7/2918按介质的危害程度分类g/m3g/m3g/m3g/m32023/7/2919承压方式内压容器外压容器当容器的内压力小于一个绝对大气压（约0.1MPa）时又称为真空容器按照设计压力P低压(L)容器0.1MPa≤p＜1.6MPa中压(M)容器1.6MPa≤p＜10.0MPa高压(H)容器10MPa≤p＜100MPa超高压(U)容器p≥100MPa按压力等级分类2023/7/2920按安全重要程度分类2023/7/2921《压力容器安全技术监察规程》压力容器分类的考虑因素A容器压力大小B压力与容积的乘积值C介质的危害程度D容器在生产中的作用按安全重要程度分类一类容器二类容器三类容器2023/7/2922按安全重要程度分类（续）2023/7/29232023/7/2924注意：

三类容器最危险

设计、制造、检验要求最高

2023/7/2925容器设计基础结构与容器分类内压容器设计理论基础边缘应力内压容器设计内压封头设计与选择2023/7/2926内压容器设计理论基础——内压薄壁壳体的应力分析一薄壁圆筒的应力2023/7/2927二向应力状态内压PB点轴向：经向应力或轴向应力σφ圆周的切线方向：周向应力或环向应力σθ壁厚方向：径向应力σr三向应力状态σθ、σφ＞＞σr2023/7/2928截面法

sjsjsqsqppa(a)(b)yxDi

t2023/7/2929周向平衡静力平衡轴向平衡=应力求解sjsjsqsqppa(a)(b)yxDi

t=爆破断口2023/7/29302023/7/29312023/7/2932筒体上开椭圆孔时，其长轴应垂直于筒体轴线。2023/7/2933D——球壳的平均直径，mmp——作用于球壳压力，MPaδ——球壳壁厚，mm球壳的周向应力是相同直径的圆筒周向应力的一半圆筒容器采用与其等厚度的半球形封头，封头的强度比圆筒大一倍二薄壁球壳的应力2023/7/2934三椭球形壳体的应力椭圆形封头长轴2a短轴2bbMax2023/7/29352023/7/2936椭球壳中的应力随长轴与短轴之比的变化规律2023/7/2937工程上常用标准椭圆形封头，其a/b=2。GB150-1998

的数值在顶点处和赤道处大小相等但符号相反，即顶点处为，赤道上为-，恒是拉伸应力，在顶点处达最大值为。2023/7/2938容器设计基础结构与容器分类内压容器设计理论基础边缘应力内压容器设计内压封头设计与选择2023/7/2939边缘应力

1、边缘：通常指两部分壳体的联接处或壳体变形不连续处。如：筒体和封头的焊接处，曲率突变处，厚度突变处、支承点、加强筋以及接管处。另外：材质的改变、载荷突变、温度突变等处也属于边缘。一边缘应力概念2023/7/2940曲率突变厚度突变材料改变搭接处法兰联接处夹套处2023/7/29412、边缘力和边缘力矩：3、边缘应力：由于边缘力和边缘力矩引起的边缘处的应力称为边缘应力。在受内压作用时，由圆筒、球壳、椭圆壳、圆锥壳等几种简单壳体组成的容器，若允许各自在联接处独立自由变形，则各自的位移和转角一般不等。实际上，作为一个整体，在边缘处壳体必定是连续的，两部分最终会达到变形协调（即位移和转角必须相等），从而相互间产生了一种约束，由此产生了附加力和力矩，称为边缘力和边缘力矩。2023/7/2942球体的自由变形筒体的自由变形相连时，彼此受约束后的实际变形曲线边缘变形脱节2023/7/2943二边缘应力的特性1.局限性（局部性）边缘应力仅局限在不连续处和连接点附近，只要离开连接边界，边缘应力就迅速衰减。对钢制圆筒，边缘应力的作用范围只限于距边缘为范围内。再远，则衰减到很小值，可不必考虑。2023/7/29442.自限性边缘应力是由于变形不连续，边缘两侧的弹性变形受到相互约束而产生的。当边缘应力达到材料的屈服极限（让步极限）时，材料发生塑性变形，相对弹性变形阶段而言，塑性变形阶段的变形要容易得多，使以前的弹性约束得到缓解，变形的不一致性得以缓解，从而使边缘应力自动限制在一定范围内。由自限性和局部（限）性可推知，由于屈服区被广大的弹性区所包围和控制，不致使塑性区发生整体性的塑性流动，造成壳体破裂。

一般情况下边缘应力不会影响容器的安全使用2023/7/2945三、边缘应力的处理结构上调整采用圆滑过渡不等厚度的削薄避开焊缝区局部加强（加垫板）减少不必要的附加应力2023/7/29462023/7/2947容器设计基础结构与容器分类内压容器设计理论基础边缘应力内压容器设计内压封头设计与选择2023/7/2948一、圆筒和球壳设计公式1.内压圆筒设计公式已知圆筒壳体的设计温度下材料的许用应力，MPa将平均直径D=Di

+代入式中，得：由工艺设计所给出2023/7/2949引入焊接接头系数φ圆筒的计算厚度：[mm]单位：mm单位：MPa引入厚度附加量：钢板或钢管厚度负偏差。可按相应钢板或钢管标准选取。腐蚀裕量，对于碳素钢和低合金钢c2不小于1mm。对于不锈钢，当介质腐蚀性极微时，可取c2=0。2023/7/29502023/7/2951我国《钢制压力容器》—GB150规定，容器的设计厚度δd为计算厚度加腐蚀余量向上圆整量厚度附加量设计厚度加上钢板负偏差c1，向上圆整到钢板的标准厚度，即为容器的名义厚度δn

（图纸上所标注的厚度）：名义厚度n、设计厚度d、计算厚度三者关系为：nd

d

2023/7/2952在用容器校核对正在使用的容器或已知Di

、

n时，要判断其是否安全，就需要计算容器的应力，即进行所谓的强度校核。此时，公式中应采用有效厚度e=

n-c

进行校核，即：≤

[]t安全！2023/7/29532.球壳的设计公式可得球壳的强度条件为：与圆筒相同的推导方法由球壳的应力计算式：球壳的计算厚度为：当做校核计算时，同样有：≤

[]t2023/7/2954二、设计参数的选择(一)设计压力P与计算压力Pc指容器工作过程中，容器顶部的操作压力。由于工作压力在操作中一般是随工艺过程而变化的，因此将容器顶部可能出现的最高压力值称为最大工作压力。图纸上、容器铭牌上标注的压力设计压力是指设定的容器顶部的最高压力，其值一般不小于容器的最大工作压力。1.工作压力2.设计压力2023/7/2955设计压力对选取装有安全阀时，取1.05~1.1倍最高工作压力作为设计压力，且不低于安全阀的开启压力；

对于装有液化气体的容器，设计压力与容器的充填系数、液化气的临界温度有关。通常选取最高温度下相应的饱和蒸气压作为设计压力。2023/7/29563.计算压力指在相应设计温度下用以确定容器计算厚度的压力，包括液柱静压力。容器装有液体，各部位或受压元件所承受的液柱静压力达到设计压力的5%时，液柱静压力应计入该部位或元件的计算压力。2023/7/2957三、容器最小壁厚容器的最小壁厚除应满足强度要求外，还应满足制造、安装和运输等方面的要求（主要指刚性要求），所以，设计时必须规定壳体的最小厚度。一般按以下方法确定：

1.碳钢和低合金钢制容器：壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度min≥

3mm2.对于不锈钢容器：壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度min

≥

2mm2023/7/2958四、压力试验容器在制造完成后或检修后投入生产前都要进行压力试验。包括：强度试验和密封性试验。强度试验：在超过设计压力下进行液压（或气压）试验（一般对不宜做液压试验的容器才做气压试验）。强度试验的目的：检查容器在超工作压力下的宏观强度，包括检查材料的缺陷、容器各部分的变形、焊接接管的强度和容器法兰连接的泄漏检查等。一旦发现问题，要及时解决。密封性试验：对密封性要求高的重要容器在强度试验合格后再进行泄漏检查，主要是气密性试验、煤油渗漏试验和氨检漏试验等。2023/7/2959容器设计基础结构与容器分类内压容器设计理论基础边缘应力内压容器设计内压封头设计与选择2023/7/2960内压封头的设计与选择内压封头（又称端盖），按形状可分为三类：凸形封头锥形封头平板封头半球形椭圆形碟形（带折边球形）无折边球形(球冠形）回转壳体2023/7/2961a.半球形封头b.椭圆形封头c.碟形封头d.球冠形封头常见容器封头的形式2023/7/2962椭圆封头半球形封头2023/7/2963平盖球冠形封头2023/7/2964一、半球形封头半个球壳构成的，计算厚度公式与球壳相同：与筒体比较：球形封头的厚度较相同直径和压力下的圆筒厚度可减薄一半。2023/7/2965实际应用中，为了焊接方便并降低边界处的边缘应力，通常将半球形封头和圆筒体的厚度取为相同。加工成型：小直径且壁薄的可采用整体热冲压成型；大直径（D>2.5m）的采用分瓣冲压再组焊成型（可先在水压机上将数块钢板冲压成型后再在现场拼焊成型）。新技术：对特大型封头，封头厂将整体压制成型的封头采用等离子切割成两半或多片，运到用户后再拼焊。比分瓣制成型再拼焊成封头的优点是拼焊缝错边量小，整体形状好。

2023/7/2966半球形封头图应用场合：大型或小型高压容器的封头2023/7/29672023/7/2968二、椭圆形封头由半椭球和高度为h0的短圆筒（封头直边）两部分组成。直边的作用是使封头与筒体连接的环焊逢避开封头自身边缘应力的影响。避免边缘应力与热应力叠加。2023/7/29692023/7/2970标准椭圆形封头当a/b=2顶点处赤道处2023/7/2971标准椭圆封头，其计算厚度为：最新封头标准：JB/T4746-2002钢制压力容器用封头DN≤2000mm,直边高度25mm;DN>2000mm,直边高度40mm.2023/7/29722023/7/2973三、碟形封头由三部分组成：Ri为半径（内半径）的球面r为半径的过渡圆弧（折边）高为h0的直边封头r≥0.01Di，r≥3δ，且Ri≤Di。标准碟形封头，Ri=0.9Di，r=0.17Di。2023/7/2974优点过渡环壳降低了封头深度，方便成型，且压制碟形封头的钢模加工简单，应用广泛。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。缺点2023/7/2975四、球冠形封头用部分球面直接和筒体焊接，因此，又称为无折边球形封头，它的优点是可以降低封头的高度。球冠形封头多数用作端盖或用作容器中的两独立受压室的中间封头。2023/7/2976碟形封头当r=0时，球面与筒体直接连接无转角过渡，存在相当大的不连续应力，其应力分布不甚合理。缺点：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。2023/7/2977五、锥形封头锥形封头具有便于收集和卸除含固体物料的优点，也常用于两段直径不等的筒体的连接过渡体（变径段）。锥形封头无折边（半锥角≤30°时采用）有折边（半锥角＞30°时采用）2023/7/2978（a）无折边锥壳；（b）大端折边锥壳；（c）折边锥壳应用排放固体颗粒和悬浮或粘稠液体不同直径圆筒体的中间过渡段中、低压容器2023/7/2979六、平板封头受均布载荷的圆平板内产生径向和切向弯曲应力。应力沿壁厚是不均布的。圆平板中的应力要比凸形、锥形封头中的应力大得多，承载所需的厚度也大得多。2023/7/2980优点：结构简单，制造方便缺点：受力状况差相同受压条件下，平盖的厚度比其他形式的封头要厚得多。应用：高压小直径或低压场合2023/7/2981各种封头技术经济性能比较：球形椭圆形碟形锥形平板受力情况消耗材料制造难易椭圆形封头综合性能好，中低压容器常采用。球形封头用于某些高压容器。锥形封头常用于卸除含固体的物料或变径段。平板封头用于人、手孔盖，小直径高压容器封头。好差少多难易2023/7/2982化工容器及设备容器设计基础容器零部件管壳式换热器2023/7/2983管壳式换热器管壳式换热器的型式管壳式换热器的结构2023/7/2984管壳式换热器的型式刚性结构：固定管板式有温差补偿装置：传热面管壁带膨胀节的固定管板式U型管式浮头式填料函式已形成了标准化、系列化产品。管壳式（列管式）换热器冷、热介质管程或壳程2023/7/29851.固定管板式换热器管板筒体换热管管箱折流板拉杆、定距管膨胀节结构简单、紧凑，造价低，便于更换管子，管内便于清洗；但管外不能进行机械清洗，管壳间有温差应力。壳体上设置膨胀节可大大减小温差应力。2023/7/2986固定管板式换热器2023/7/2987双管程固定管板换热器2023/7/29882023/7/29892.U型管式换热器折流板换热管管板筒体管箱结构简单，造价低，管束能自由伸缩，管壳间没有温差应力；不能更换管子，管内不便于清洗，管束中心空隙大、排的管子少。适用于管、壳间温差大，管内介质高温、高压、清洁的场合。（合成氨工段的废热锅炉）2023/7/2990U型管束单壳双管程换热器2023/7/2991U形管式换热器2023/7/29923.浮头式换热器换热器中只有一块管板与壳体刚性固定，另一块管板可以在壳体内自由移动，管束能自由伸缩，管壳间没有温差应力，管束可以从壳体内抽出，管内、管外清洗方便；结构复杂，造价较高，管束与壳体间有较大的环隙，排的管子少。2023/7/29932023/7/29944.填料函式换热器换热器的浮头与壳体间采用填料函进行密封和热补偿，管束能自由伸缩，管壳间没有温差应力，管束可以从壳体内抽出，管内、管外清洗方便，结构较浮头式简单，造价也较低；但壳程的温度、压力不能太高。2023/7/29952023/7/2996管壳式换热器管壳式换热器的型式管壳式换热器的结构2023/7/2997管壳式换热器的结构一、管子包括换热管的规格（管径、管长）、材料两方面。碳钢管：φ19×2、φ25×2.5、φ38×2.5、φ57×3.5.不锈钢管：φ19×2、φ25×2、φ38×2.5、φ57×2.5.较大直径的管子用于不清洁或粘度较大的流体，以便于清洗和减小流体阻力。较小直径的管子用于清洁流体或压力较高的场合。１管径2023/7/29982.材料传热面积一定时，管子越长（根数越少），则壳体、封头的直径越小、壁厚越薄；但管子过长，清洗、运输、安装都不方便。钢管出厂长度一般不大于6米。常用的换热管标准长度：1.5、2.0、3.0、4.5、6.0米。实际：要优先满足管径、壳体直径的尺寸，再考虑管长。腐蚀性不大的介质用10、20号无缝钢管。酸性腐蚀介质选0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti等。氢腐蚀介质选15CrMo。3.管