化工设备设计基础课件

3容器设计3.1概述3.2内压薄壁容器设计3.3外压圆筒设计3.4封头的设计3.5法兰联接3.6容器支座3.7容器的开孔与附件3.8容器设计举例3容器设计3.1概述1化工设备设计基础课件2化工设备设计基础课件31997年10月1日实施的新刑法有多项条款与压力容器有关，一旦发生压力容器事故，按照新刑法的有关条款，根据导致事故的原因追究个人刑事责任。如：第一百三十四条工厂、矿山、林场、建筑企业或者其他企业、事业单位的职工，由于不服管理、违反规章制度，或者强令工人违章冒险作业，因而发生重大伤亡事故或者造成其他严重后果的，处三年以下有期徒刑或者拘役；情节特别恶劣的，处三年以上七年以下有期徒刑。1997年10月1日实施的新刑法有多项条款与压力容器有关，一4化工设备设计的基本要求1.安全可靠：材料的强度高、韧性好；材料与介质相容；结构有足够的刚度和抗失稳能力；密封性能好2.满足过程要求：功能要求；寿命要求（高压容器：20年，塔、反应设备：15年）化工设备设计的基本要求1.安全可靠：5过程设备设计的基本要求3.综合经济性好：生产效率高、消耗低；结构合理、制造方便、结构紧凑；易于运输和安装4.易于操作、维护和控制：操作简单、可维护性好和可修理性好、便于控制5.优良的环境性能：防污染、防噪声等过程设备设计的基本要求3.综合经济性好：生产效率高、消耗低；6合理选用材料是保证压力容器安全运行的一个重要措施，如果材料选择不当，即使具有较大的强度裕度，也可能在运行中发生破坏事故。选择压力容器用钢材，不仅要从操作条件和使用环境方面来考虑，即要求材料对工作介质、压力、温度、载荷特性等操作条件和气温、湿度等使用环境具有必须的适应能力；还要从压力容器的制造方面来考虑、即要求所选用的材料容易加工成形，在工艺加工过程中不易产生缺陷。合理选用材料是保证压力容器安全运行的一个重要措施，如果材7选择合适的结构形式在锅炉、压力容器的破坏事故中，有相当一部分是由于结构不合理引起的。结构不合理往往使得压力容器在制造和使用过程中容易产生缺陷。因此首先要求结构便于制造，以利于保证制造质量和避免、减少制造缺陷；其次是要求结构便于无损检验，是制造和使用中产生的缺陷能及时、准确地检查出来；第三是结构设计中要考虑尽量降低局部附加应力和应力集中。选择合适的结构形式在锅炉、压力容器的破坏事故中，有相当一8满足强度要求为保证压力容器安全运行，其承压部件必须具有足够的强度，即具有适当的壁厚以抵抗外加载荷的作用。在结构设计中，除了结构特殊，使用条件复杂或特别重要的压力容器需要以应力分析进行外，一般是以薄膜应力来确定所需的壁厚。至于压力容器结构不连续部位的附加应力和应力集中，则从结构形式或尺寸上加以限制。满足强度要求为保证压力容器安全运行，其承压部件必须具有足9足够的强度和刚度常规设计、分析设计和基于断裂力学设计。运行和操作时的安全性密封性能、安全排放、设备表面温度、不稳定流体分解、安全连锁装置。检验安全措施设置人孔、手孔或采取其它措施。排空与通风避免水锤、难以控制的化学反应。可安全地清洗、检测和维修。腐蚀和其它化学影响足够的腐蚀裕量，或采用衬里、复合钢板等防腐措施。磨损增加厚度、衬里或堆焊；易于更换磨损严重的零部件。装配充装和排放装量系数、蒸汽压力、升压和降压速率。安全附件。足够的强度和刚度常规设计、分析设计和基于断裂力学设计。103.1容器概述3.1.1容器的结构

定义：容器是化工生产所用各种设备的总称。用途：储存物料用—储罐、高位槽进行物理过程—换热器、蒸馏塔进行化学反应—聚合釜、反应器结构：容器一般是由筒体、封头、法兰、支座等构成，如图3-1。3.1容器概述3.1.1容器的结构11压力容器的基本组成部分：

压力容器壳体连接件密封元件支座开孔接管安全附件压力容器的基本组成部分：

压力容器壳体连接件密封元件12化工设备设计基础课件13压力容器的一般分类方法压力大小用途受压方式制造方法壳体结构形式壳体材料3.2容器的分类压力容器的一般分类方法3.2容器的分类143.2.1按容器形状分1)方形或矩形容器由平板焊成，承压能力差，用作小型常压储槽；2)球形容器由弓形板拼焊成，承压能力好，用作储罐；3)圆筒形容器由圆柱形筒体和各种成型封头组成，承压能力较好，应用最广。3.2.1按容器形状分15圆筒形容器圆筒形容器16球形容器球形容器17异形容器异形容器183.2.2按压力大小分类真空容器p<0.08MPa(abs，真空度0.02MPa)常压容器0.08MPa(abs，真空度0.02MPa)≤p<0.1MPa低压容器（L）0.1MPa≤p<1.6MPa中压容器（M）1.6MPa≤p<10MPa高压容器（H）10MPa≤p<100MPa超高压容器（U）100MPa≤p3.2.2按压力大小分类真空容器193.2.3按承压方式分

1)内压容器—容器的内部介质压力大于外界压力时为内压容器2)外压容器—容器的内部介质压力小于外界压力时为外压容器3.2.3按承压方式分203.2.4按用途分类3.2.4.1反应压力容器（R）

反应器反应釜分解锅分解塔聚合釜高压釜超高压釜合成塔变换炉蒸煮锅蒸压釜蒸球蒸汽发生炉等。3.2.4按用途分类3.2.4.1反应压力容器（R）21加氢裂化反应器加氢裂化反应器22氨合成塔氨合成塔233.2.4.2换热压力容器（E）

废热锅炉换热器冷却器蒸发器加热器硫化锅消毒锅染色锅烘缸磺化锅蒸炒锅余热锅蒸锅蒸脱机溶剂余热器电热蒸汽发生器煤气发生炉水夹套等3.2.4.2换热压力容器（E）废热锅炉换热器24换热器换热器25冷却器冷却器263.2.4.3分离容器（S）

分离器过滤器集油器缓冲器洗涤器吸收塔铜洗塔干燥塔汽提塔分气缸除氧器等3.2.4.3分离容器（S）分离器过滤器27油水分离器

油水分离器28氯尾气吸收塔氯尾气吸收塔293.2.4.4

贮存压力容器（C）

计量槽压缩空气包液氯贮罐液化气体贮罐（槽）压力缓冲器等3.2.4.4贮存压力容器（C）计量槽303.2.4.5按制造方法不同分类焊接容器整体锻造容器铸造容器搪玻璃容器……3.2.4.5按制造方法不同分类焊接容器31搪玻璃容器搪玻璃容器323.2.4.6

按材料不同分类

钢制容器有色金属（铌、钛、钽、镍、铜、铝）及其合金制容器非金属（复合材料、塑料、石墨等）容器等3.2.4.6按材料不同分类钢制容器33全钛容器全钛容器34衬塑料容器衬塑料容器35玻璃钢容器玻璃钢容器363.2.4.7按壁温高低不同分类低温容器（≤-20℃，无延性转变温度）常温容器（-20℃~200℃或350℃，上限为蓝脆或回火脆等）中温容器（200℃或350℃~475℃或550℃，上限为蠕变、σ相、球化或石墨化等）高温容器（475℃或550℃~750℃）3.2.4.7按壁温高低不同分类低温容器（≤-20℃，无373.2.4.8按壳体结构形式不同分类单层容器多层热套容器多层绕带容器多层绕丝容器多层绕板容器等3.2.4.8按壳体结构形式不同分类单层容器38多层包扎式多层包扎式39热套式热套式40绕板式绕板式41型槽绕带式筒体

型槽绕带式筒体42型槽钢带示意图

型槽钢带示意图43扁平钢带倾角错绕式筒体

扁平钢带倾角错绕式筒体443.2.5设计准则与失效准则设计时，应先确定容器最有可能发生的失效形式，选择合适的失效判据和设计准则，确定适用的设计规范标准，再按规范标准要求进行设计和校核。3.2.5设计准则与失效准则设计时，应先确定容器最有可能发45压力容器失效失效的最终表现形式：泄漏、过度变形和断裂。压力容器可能同时发生多种形式的失效，即交互失效，如腐蚀介质和交变应力同时作用时引发的腐蚀疲劳、高温和交变应力同时作用时引发的蠕变疲劳等。压力容器失效失效的最终表现形式：泄漏、过度变形和断裂。46失效失效473.2.5.1失效设计准则分类强度失效设计准则（弹性失效设计准则、塑性失效设计准则、爆破失效设计准则、弹塑性失效设计准则、疲劳失效设计准则蠕变失效设计准则、脆性断裂失效设计准则）刚度失效设计准则稳定失效设计准则泄漏失效设计准则3.2.5.1失效设计准则分类强度失效设计准则（弹性失效设48强度失效及其主要形式在常温、静载作用下，屈服和断裂是压力容器强度失效的两种主要形式。因材料屈服或断裂引起的压力容器失效，称为强度失效强度失效及其主要形式在常温、静载作用下，屈服和断裂是压因材料49韧性断裂韧性断裂：压力容器在载荷作用下，产生的应力达到或接近所用材料的强度极限而发生的断裂。特征：断后有肉眼可见的宏观变形，如整体鼓胀，周长延伸率可达10％～20％，断口处厚度显著减薄；没有碎片，或偶尔有碎片；按实测厚度计算的爆破压力与实际爆破压力相当接近。韧性断裂韧性断裂：压力容器在载荷作用下，产生的应力达到或接近50韧性断裂厚度过薄和内压过高是引起压力容器韧性断裂的主要原因。厚度过薄大致有两种情况：厚度未经设计计算和厚度因腐蚀而减薄。操作失误、液体受热膨胀、化学反应失控等会引起超压。压力容器若能严格按照规范进行设计、选材，配备相应的安全附件，且运输、安装、使用、检修遵循有关的规定，在设计寿命内可以避免韧性断裂。韧性断裂厚度过薄和内压过高是引起压力容器韧性断51脆性断裂（或低应力脆断）变形量很小、且在壳壁中的应力值远低于材料的强度极限时发生的断裂。这种断裂是在较低应力状态下发生，故又称为低应力脆断。脆性断裂（或低应力脆断）变形量很小、且在壳壁中的应力值远低于52脆性断裂的特征断裂时容器没有鼓胀，即无明显的塑性变形；其断口齐平，并与最大应力方向垂直；断裂的速度极快，常使容器断裂成碎片。由于脆性断裂时容器的实际应力值往往很低，爆破片、安全阀等安全附件不会动作，其后果要比韧性断裂严重得多。脆性断裂的特征断裂时容器没有鼓胀，即无明显的塑性变形；其断口53引起压力容器脆性断裂原因材料脆性和缺陷。引起压力容器脆性断裂原因材料脆性和缺陷。54疲劳断裂压力容器在服役中，在交变载荷作用下，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生断裂失效的过程，称为疲劳断裂。交变载荷：大小和（或）方向都随时间周期性（或无规则）变化的载荷，它包括压力波动、开车停车；加热或冷却时温度变化引起的热应力变化；振动或容器接管引起的附加载荷的交变而形成的交变载荷。疲劳断裂压力容器在服役中，在交变载荷作用下，经一定循环次数后55疲劳断裂原材料或制造过程中产生的裂纹，也会在交变载荷的反复作用下扩展而导致压力容器疲劳。

疲劳有裂纹萌生、扩展和最后断裂三个阶段，因而疲劳断口一般由裂纹源、裂纹扩展区和瞬时断裂区组成。裂纹源往往位于高应力区或有缺陷的部位。疲劳断裂原材料或制造过程中产生的裂纹，也会在交变载荷的反56疲劳断裂由于疲劳源于局部应力较高的部位，如接管根部，往往在压力容器工作时发生，因而破坏时容器总体应力水平较低，没有明显的变形，是突发性破坏，危险性很大。随着交变载荷反复作用次数的增加，疲劳裂纹不断扩展。只有当疲劳裂纹扩展到一定值时，才会发生疲劳破坏。因此，疲劳破坏需要有一定时间。疲劳断裂由于疲劳源于局部应力较高的部位，如接管57蠕变断裂压力容器在高温下长期受载，随时间的增加材料不断发生蠕变变形，造成厚度明显减薄与鼓胀变形，最终导致压力容器断裂的现象，称为蠕变断裂。按断裂前的变形来划分，蠕变断裂具有韧性断裂的特征；按断裂时的应力来划分，蠕变断裂又具有脆性断裂的特征。

蠕变断裂压力容器在高温下长期受载，随时间的增加材料不断发生蠕58腐蚀断裂因均匀腐蚀导致的厚度减薄，或局部腐蚀造成的凹坑，所引起的断裂一般有明显的塑性变形，具有韧性断裂特征；因晶间腐蚀、应力腐蚀等引起的断裂没有明显的塑性变形，具有脆性断裂特征。腐蚀断裂因均匀腐蚀导致的厚度减薄，或局部腐蚀造成的凹坑，所引59刚度失效由于构件过度的弹性变形引起的失效，称为刚度失效。例如，塔在风载荷作用下，若发生过大的弯曲变形，会破坏塔的正常工作或塔体受到过大的弯曲应力。

刚度失效由于构件过度的弹性变形引起的失效，称为刚度失效。60失稳失效在压应力作用下，压力容器突然失去其原有的规则几何形状引起的失效称为失稳失效。容器弹性失稳的一个重要特征是弹性挠度与载荷不成比例，且临界压力与材料的强度无关，主要取决于容器的尺寸和材料的弹性性质。。失稳失效在压应力作用下，压力容器突然失去其原有的规则几何形状61泄漏失效由于泄漏而引起的失效，称为泄漏失效。泄漏不仅有可能引起中毒、燃烧和爆炸等事故，而且会造成环境污染。设计时应重视各可拆式接头和不同压力腔之间连接接头（如换热管和管板的连接）的密封性能。泄漏失效由于泄漏而引起的失效，称为泄漏失效。62弹性失效设计准则将容器总体部位的初始屈服视为失效。最大拉应力失效设计准则:Tresca屈服失效判据(或最大切应力失效判据或第三强度理论）Mises屈服失效判据（形状改变比能屈服失效判据或第四强度理论）弹性失效设计准则将容器总体部位的初始屈服视为失效。63塑性失效设计准则设材料是理想弹塑性的，以整个危险面屈服作为失效状态的设计准则，称为塑性失效准则。对于内压厚壁圆筒，整个截面屈服时的压力就是全屈服压力pso塑性失效准则:P为设计压力塑性失效设计准则设材料是理想弹塑性的，以整个危险面屈服作为失64爆破失效设计准则压力容器韧性材料一般具有应变硬化现象，爆破压力大于全屈服压力。爆破失效设计准则以容器爆破作为失效状态。设计准则：爆破失效设计准则压力容器韧性材料一般具有应变硬化现象，爆破65弹塑性失效设计准则（安定性准则）初始屈服载荷：与压力容器内最大应力点进入塑性相对应的载荷。安定状态：当容器承受稍大于初始屈服载荷的载荷时，容器内将产生少量的局部塑性变形。因局部塑性区周围的广大区域仍处于弹性状态，会制约塑性变形，当载荷卸除后就形成残余应力场。若容器所受的载荷较小，即载荷引起的应力和残余应力叠加后总是小于屈服点，则容器在载荷的反复作用下，始终保持弹性行为，不会产生新的塑性变形，使其处于“安定”状态弹塑性失效设计准则（安定性准则）初始屈服载荷：与压力容器内最66弹塑性失效设计准则（安定性准则）安定载荷：随着载荷的继续增大，卸载时的残余应力可能超过屈服点而导致反向屈服，或者加载时的应力与残余应力之和也可能超过屈服点，从而导致塑性变形的累积，于是容器就会丧失安定，出现渐增塑性变形。与安定和不安定的临界状态相对应的载荷变化范围称为安定载荷。弹塑性失效：只要载荷变化范围达到安定载荷，容器就失效。工程上一般取安定载荷的安全系数为1.0，即压力容器承受的最大载荷变化范围不大于安定载荷。弹塑性失效设计准则（安定性准则）安定载荷：随着载荷的继续增大67疲劳失效设计准则低周疲劳：疲劳失效时的循环次数n≤105，压力容器疲劳一般属于低周疲劳。低周疲劳时，每次循环中材料都将产生一定的塑性应变，根据试验研究和理论分析结果，可以得到虚拟应力幅与许用循环次数之间的关系曲线，即低周疲劳设计曲线。由容器应力集中部位的最大虚拟应力幅，按低周疲劳设计曲线可以确定许用循环次数，只要该循环次数不小于容器所需的循环次数，容器就不会发生疲劳失效，这就是疲劳失效设计准则。n≤[n]疲劳失效设计准则低周疲劳：疲劳失效时的循环次数n≤10568蠕变失效设计准则将应力限制在由蠕变极限和持久强度确定的许用应力以内，便可防止容器在使用寿命内不发生蠕变失效，这就是蠕变失效设计准则。蠕变失效设计准则将应力限制在由蠕变极限和持久强度确定的许69脆性断裂失效设计准则脆性断裂属于断裂力学的研究领域。脆性断裂失效设计准则脆性断裂属于断裂力学的研究领域。70刚度失效设计准则在载荷作用下，要求构件的弹性位移和转角不超过规定的数值：w≤[w]θ≤[θ]刚度失效设计准则在载荷作用下，要求构件的弹性位移和转角不超过71稳定失效设计准则为防止失稳，外压圆筒的外压应小于周向临界压力，由弯矩或弯矩和压力共同引起的轴向压缩，压应力应小于轴向临界应力。稳定失效设计准则为防止失稳，外压圆筒的外压应小于周向临界压力72泄漏失效设计准则密封装置的介质泄漏率不得超过许用泄漏率。泄漏失效设计准则密封装置的介质泄漏率不得超过许用泄漏率。73中径公式中径公式74按弹性失效准则的内压厚壁圆筒强度计算式

按弹性失效准则的内压厚壁圆筒强度计算式753.2.6容器零部件标准化容器零部件标准的最基本参数是公称直径与公称压力1.公称直径——DN表示，单位mm用钢板卷制成的筒体，DN为内径用无缝钢管制作的筒体，DN为外径注意：设计时，应将工艺计算初步确定的设备内径，调整为符合表2-3或表2-4所规定的公称直径。2.公称压力——PN表示，单位MPa容器及管道的操作压力经标准化以后的压力3.2.6容器零部件标准化763.2.7承压设备标准名录GB150-1998钢制压力容器JB4710-2000（92）钢制塔式容器JB4731-2000钢制卧式容器JB4732-1995钢制压力容器-分析设计标准JB4735-1997钢制焊接常压容器JB4734-铝制容器GB12337-1999钢制球形储罐GB/T17261-1998钢制球形储罐型式与基本参数GB151-1999管壳式换热器JB/T4715-92固定管板式换热器型式与基本参数JB/T4714-92浮头式换热器和冷凝器型式与基本参数JB/T4717-92U型管式换热器型式与基本参数JB/T4722-92管壳式换热器用螺纹换热管基本参数与技术条件JB/T4716-92立式热虹吸式重沸器型式与基本参数GB/T15386-2000（94）空冷式换热器JB/T4740-1997空冷式换热器型式与基本参数GB16409-1996板式换热器JB/T4723-92不可拆卸式螺纹换热器型式与基本参数3.2.7承压设备标准名录GB150-1998钢制压77美国机械工程师学会标准

（AmericanSocietyofMechanicalEngineers）

ASMEBOILER&PRESSUREVESSELCODE-2004ⅠRULESFORTHECONSTRUCTIONOFPOWERBOILERSⅡMATERIALSPartAFerrousMaterialSpecifications钢铁材料技术规范PartBNonferrousMaterialSpecifications有色金属材料技术规范美国API标准(AmericanPetroleumInstitute)

API605-1988Large-DiameterCarbonSteelFlanged大直径碳钢法兰API620-1996DesignandConstructionofLarge,Welded,LowPressureStorageTanks大型焊接低压储罐的设计和建造API650-1993WeldedSteelTanksforOilStorage钢制焊接油罐API660-1993Shell-and-TubeHeatExchangersforGeneral美国机械工程师学会标准

（AmericanSociety783.2.8各国标准设计准则对比ASME锅炉压力容器规范材料设计系数的变动情况

材料设计系数就是以前的安全系数。安全系数的概念不是十分明确，容易引起误解，认为安全系数越高，压力容器的安全性越好。压力容器的安全是一个整体的概念，与材料、设计、制造和使用环境等多种因素有关，并不完全取决于应力水平。例如，若材料变脆，在较低应力水平下也有可能发生脆性破坏。1999年7月1日颁布的1998年版ASME锅炉压力容器规范补遗，提高了第I篇和第VIII篇第1分篇中的许用应力，即降低基于抗拉强度的材料设计系数nb（materialdesignfactor），由4.0变为3.5。历年来材料设计系数的变动情况如下：使用年度1914~19441944~19451945~19511951~19991999~材料设计系数nb5.04.05.04.03.53.2.8各国标准设计准则对比ASME锅炉压力容器规范材79各国标准设计准则对比各国标准设计准则对比80化工设备设计基础课件81

3.2.9压力容器设计最新研究动态美国压力容器研究委员会（PVRC）（1945年成立）和欧盟承压设备研究委员会（EPERC）合作，统一螺栓、法兰、垫片系数的分析和测试方法，提供新的垫片系数。改写锅炉压力容器规范第VIII篇第2分篇，将设计分为1、2、3三个级别，根据设计、检验和材料水平，采用不同的安全系数和设计等级。综合分析和比较锅炉压力容器规范第VIII篇第1分篇和欧盟承压设备规范（PED）。建立以有限元分析结果为基础的应力分类和限制方法。为防止压力容器发生脆性断裂，研究材料断裂韧性的基本要求。将在用压力容器的检验纳入新的规范。

82第二节内压薄壁容器设计一、薄壁容器设计的理论基础1.薄壁容器

工程上，以容器内、外径之比K来区分厚薄。当K≤1.2时，容器为薄壁容器；当K>1.2时，容器为厚壁容器。第二节内压薄壁容器设计一、薄壁容器设计的理论基础83定义薄壁:厚壁:定义84受力分析

受力分析85应力分析容器上任意点将产生三个方向应力：σφ（轴向应力或经向应力）：沿轴向的应力；σθ（周向应力或环向应力）：沿圆周切线方向；σr（径向应力）：沿壁厚方向。应力分析容器上任意点将产生三个方向应力：86应力分析

薄壁容器：只考虑经向应力σφ和周向应力σθ，径向应力σr比较小，可忽略不计，属于二向应力状态；厚壁容器：考虑经向应力σφ、周向应力σθ和径向应力σr，属于三向应力状态。应力分析薄壁容器：87为什么要区分筒壁的厚薄？2.分析薄壁壳体中的应力有两种理论1)无力矩理论假定壳体很薄，其断面不能承受弯矩，壳体中只有拉或压应力，不存在弯曲应力。2)有力矩理论

壳壁虽薄，但仍有一定厚度和刚度，故除拉应力外，还存在由弯矩引起的弯曲应力。注意：实际中，无力矩是相对的，有力矩是绝对的。但一般弯应力很小，可略，故可用无力矩理论简化计算。为什么要区分筒壁的厚薄？2.分析薄壁壳体中的应力有两种理论883无力矩理论应用条件（1）壳体的厚度、中面曲率和载荷连续，没有突变，且构成壳体的材料的物理性能相同；（2）壳体的边界处不受横向剪力、弯矩和扭矩的作用；（3）壳体的边界处的约束沿经线的切线方向，不得限制边界处的转角和挠度。3无力矩理论应用条件（1）壳体的厚度、中面曲率和载荷连续，893回转壳体的几何概念以任何直线或平面曲线作为母线，绕其同平面内的轴线（回转轴）旋转一周既形成回转曲面。

3回转壳体的几何概念90化工设备设计基础课件91设平面曲线OB饶同平面中的OO’轴旋出一个回转面。OB叫回转面的母线又称经线。过回转面上任一点P的经线的曲率半径称为P点的第一曲率半径。用表示。它与点P的切线垂直，且过OO’轴。过P点做圆锥面与壳体中间面正交。所得圆叫回转曲面的纬线。P点的维线的曲率半径称为P点的第二曲率半径。用表示。过P点做垂直与OO’轴的平面与壳体中间面相交。得到一个平行圆。它的曲率半径称为P点的第三曲率半径。用r表示。能截出壳体的真实壁厚，r不能。设平面曲线OB饶同平面中的OO’轴旋出一个回转面。OB叫回923.圆筒形薄壁容器承受内压时的应力1）筒体在P作用下，纵向伸长，横向增大。2）AC伸长了，AB不但伸长了，曲率半径增加，(P86)说明筒体同时存在拉应力和弯曲应力。3）对于薄壁容器，根据“无力矩理论”，忽略弯曲应力。3.圆筒形薄壁容器承受内压时的应力93微体平衡方程微体平衡方程94化工设备设计基础课件95微体abcd受力ab、cd截面上的周向力

ad、bc截面上的轴向力上下左右的力平衡了，谁来抗衡向外的力？微体abcd受力上下左右的96侧视看(上下拉力,对应R1)

侧视看97俯视看(左右拉力，对应R2)俯视看98这方程的意义在于把材料应力和压力及几何尺寸挂钩。问题：一个方程两个未知数问题：一个方程两个未知数99区域平衡方程

区域平衡方程1004.无力矩理论基本方程式1）微体平衡方程或拉普拉斯方程

2）区域平衡方程4.无力矩理论基本方程式1015.基本方程式的应用1）圆筒形壳体的受力分析2）球形壳体的受力分析3）锥形壳体的受力分析4）椭圆形壳体的受力分析5.基本方程式的应用1025.基本方程式的应用1)圆筒形壳体的受力分析将圆筒的第一曲率半径、第二曲率半径代入微体平衡方程和区域平衡方程，得5.基本方程式的应用1)圆筒形壳体的受力分析103思考题试解释椭形人孔的短轴总与筒体纵轴平行的原因？思考题试解释椭形人孔的短轴总与筒体纵轴104

大，若再开大孔，应力更加集中（掰苹果）。所以，（1）开椭圆形人孔时，应使其短轴与筒体纵向一致。（2）为保证纵向焊缝质量，尽量不要在纵向焊缝上开孔。

化工设备设计基础课件1052)球形壳体的受力分析将、，代入微体平衡方程，得：2)球形壳体的受力分析106思考题试解释大型储罐总作成球形而不是圆筒形？(P88)思考题试解释大型储罐总作成球形而不是圆1073)锥形壳体的受力分析将R1、R2代入微体平衡方程及区域平衡方程中，得：两应力都是α、r的函数。显然，锥顶处应力为零。3)锥形壳体的受力分析1084)椭圆形壳体受力分析4)椭圆形壳体受力分析109推导过程1）极限点处的力顶点处，x=0,边缘处，x=a,推导过程1）极限点处的力110应力分析1）x=0处，经向应力与横向应力相等；2）经向应力恒为正值，最大值在顶点处(x=0)，最小值在边缘处(x=a)，且顶点处的经向应力为边缘处的二倍；3）横向应力应力分析1112）当a/b=2时，椭球上的最大应力x=0时，x=a时，最大应力与园筒相同，此为国标。2）当a/b=2时，椭球上的最大应力112二、筒体强度计算据失效准则：焊接因素：计算壁厚：设计壁厚：腐蚀余量二、筒体强度计算据失效准则：113名义壁厚：钢板负偏差示向上圆整至钢板标准规格厚度有效壁厚：最小壁厚：（P92）

化工设备设计基础课件114化工设备设计基础课件115

取大

116强度效验：由得出真实强度许用压力：由求出强度效验：由得出真实强度117对无缝钢管：对无缝钢管：118强度效验：许用应力：由求出强度效验：119三、设计参数确定1、设计压力P1）定义：以相应设计温度下的最大工作压力为依据，加上一定的裕量而确定。

三、设计参数确定1、设计压力P1202）内压容器与安全阀的压力关系示意图工作压力实验压力排放压力设计压力开启压力关闭压力最高工作压力2）内压容器与安全阀的压力关系示意图1213）考虑液体的静压力（P90）2、设计温度（P91）根据设计温度，可确定此温度下材料的许用压力。3、许用应力的选取取决于材料的判废标准。一般按弹性失效的设计准则取屈服极限n的合理选择也是设计的关键。4、焊缝系数（P91）3）考虑液体的静压力（P90）2、设计温度1225、壁厚附加量的选取标准（P92）的设计（P92)五、压力试验及强度效验目的：1、超压下的密封性2、超压下的焊缝3、试验强度方法：1、液压2、气压5、壁厚附加量五、压力试验及强度效验目的：1、超压123液压试验：气压试验：液压试验：124效验：液压试验时需满足的强度要求：气压试验时需满足的强度要求：这里不除以安全系数n，是因为不是疲劳操作。效验：125小结在厚度设计时，应首先确定材料在设计温度下的许用应力。但许用应力与厚度有关。由于事先不能确定厚度，故必须首先假定一厚度值，查得许用应力再计算厚度。比较计算的名义厚度与初始假设厚度，检查许用应力是否在该许用应力范围内，如“跳档”，则重设，直到算设一致。小结在厚度设计时，应首先确定材料在设计温度下的许126例题2-1（P94）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：塔体内径为600mm；设计压力为2.2MPa；工作温度为-3~-20℃。试选择塔体材料并确定壁厚。解：选16MnR设：（实际是设壁厚=6--16mm）[附表2]（P91表3—12）（P92）得：

查：（P92表3—13）得：例题2-1（P94）某化工厂欲设计一台石油气分离工程中的乙127查：无变化，则合适。若不适，则须重设，直到设算一致。一般解题到此为止，也可继续按书P94进行强度核算。查：无变化，则128例2-2计及液柱静压力的内压圆筒设计某立罐盛装比重为1.16g/dm3的液体，罐体材料为Q235-A，罐内液面高度为3200mm，内径为2000mm，设计压力为0.12MPa，设计温度为60ºC，腐蚀裕度为2mm，焊缝系数为1，试设计罐体壁厚。例2-2计及液柱静压力的内压圆筒设计某立罐盛装比重为1.1129解：罐体底部液柱压力为：由于罐底液压大于设计压力的5%，故设计压力

设:

则：取：解：罐体底部液柱压力为：130查：无变化则内压圆筒采用不同材料时的比较设计例2-3

试设计一内压圆筒容器，设计条件为：设计压力为0.8MPa，内径为1000mm，设计温度为100ºC，介质微腐。查：无变化内压圆筒采用不同材料时的比较设计131解：由于介质微腐，可选碳素钢或低合金钢。焊缝选用双面对接焊，局部探伤，则焊缝系数为0.85。腐蚀裕度为２mm。１）选Q235-A

设许用应力为113MPa，计算壁厚：mm。设计壁厚：mm。查：取：查许用应力无变化，故取名义壁厚为8mm合适。解：由于介质微腐，可选碳素钢或低合金钢。焊缝选用双面对接焊，132２）选16MnR设：为170MPa，则：

２）选16MnR133六、边缘应力（p93）1、定义：在压力容器的突变连接处，当承压变形时，由于相互制约，在连接处不可避免地引起附加内力（应力），此即边界应力。2、边缘应力的局限性取决于材料的塑性。3、边缘应力的自限性取决于材料的屈服点。

自限性

x六、边缘应力（p93）1、定义：在压力容器的突变连接处，134第三节外压圆筒设计压杆的稳定与失稳

第三节外压圆筒设计压杆的稳定与失稳135P<Pcr，杆能恢复直线状，即稳定。P>Pcr，当压力达到临界压力后，杆便会由于受到干扰，失稳而引起弯曲，并在杆内产生相当大的弯曲应力，以致最后使杆突然折断。Pcr与什么因素有关？1）与材质有关（E）2）与粗细有关（Ø）3）与长短有关（L）P<Pcr，杆能恢复直线状，即稳定。P>Pcr，当压力136一、外压容器失稳失稳的实质: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(P94)临界压力：Pcr的数值与筒体的几何尺寸、材质及结构有关，是每个容器固有的。这种关系是怎样的？一、外压容器失稳失稳的实质:是容器筒壁内的应力状态由单纯的压137二、临界压力计算公式１、长圆筒定义临界压力

临界应力二、临界压力计算公式１、长圆筒138２、短圆筒１）定义２）临界压力２、短圆筒１）定义139３、刚性筒１）定义２）刚性筒只能是强度校核３、刚性筒１）定义140４、长短圆筒判据－临界长度临界时：P=Pcr长=短４、长短圆筒判据－临界长度临界时：P=Pcr141短、刚圆筒的判据－临界长度同理，临界时：短=刚短、刚圆筒的判据－临界长度同理，临界时：142公式范围公式范围143三、外压圆筒的设计1、设计准则1）内压容器—弹性失效设计准则2）外压容器—临界失效设计准则三、外压圆筒的设计1、设计准则144P—设计外压；Mpa[P]—许用外压；MpaPcr—临界压力；Mpam—稳定安全系数，其选取主要考虑两个因素。（P96）GB规定：m=3P—设计外压；Mpa1452、解决问题的思路P——不小于正常工作过程中可能出现得最大内外压差。3、设计步骤（P97）2、解决问题的思路P——不小于正常工作过程中可能出现得最大内146化工设备设计基础课件147P的取值1）真空容器a、装有安全控制装置：

b、没有安全控制装置：P=0.1MPa2）带夹套的真空容器：

设计压力为真空容器的设计压力（负压）再加上夹套内的设计压力（正压）。P的取值1）真空容器2）带夹套的真空容器：1484、关于设计外压P及液试

外压（绝对值）临界试压许用设计P过程中可能出现的4、关于设计外压P及液试外压（绝对值）149四、外压容器的试压1）外压容器和真空容器2）带夹套的容器(P103)四、外压容器的试压1）外压容器和真空容器2）带夹套的容器150五、加强圈作用:能使长筒变短筒，从而增加了筒体的抗压能力。若已知加强圈间距，则可确定筒体壁厚。若已知筒体的壁厚，则可确定加强圈的间距。（P104，3—25）五、加强圈作用:能使长筒变短筒，从而增加了151例题3——3(P103)例题5若3——3题中库存仅有9mm厚的20g钢板，怎么办？解：设置加强圈例题3——3(P103)例题5若3——3题中库存仅有152例题6试确定一外压圆筒的壁厚。设计条件：16MnR,P=0.2MPa,Di=1800mm,t=250℃，C=2mm,L=10350mm(包括2/3h)，E=180000MPa解：设则例题6试确定一外压圆筒的壁厚。设计条件：16MnR,153查：A=0.0001查B:P100,T3——17查：A=0.0001154设：添两个加强圈则：设：添两个加强圈155解法二：设：则：解法二：设：则：156第四节、封头设计一、半球形封头1、内压2、外压求步骤第四节、封头设计一、半球形封头157化工设备设计基础课件158二、椭圆形封头1、内压二、椭圆形封头1、内压1592、外压同球形公式和步骤，只是变2、外压160三、碟形封头1、组成三、碟形封头1、组成161过度部与球面部连接处的经线曲率有突变，产生边沿应力。值越大，边沿应力越大。故碟盖比椭盖要厚些，开孔时也要避开危险区。1、内压过度部与球面部连接处的经线曲率有突变，产生边沿应力。1622、外压同球形公式和步骤，只是变2、外压163四、锥形封头A、内压据微体平衡方程得：据区域平衡方程得：四、锥形封头A、内压164据强度准则得上式没考虑边界应力，而这种力往往大的不可忽视，故应采取措施并建立相应补充公式。据强度准则上式没考虑