《化工设备机械基础》董大勤编著课件《内压》

第十章内压容器第一节概述第二节设计参数的确定第三节筒体的设计计算第四节封头的设计计算第五节在用压力容器的强度校核第一节概述设计标准（规范）简介压力容器的主要受压元件压力容器强度计算内容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。㈠国内标准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GB150《钢制压力容器》压力容器监察规程（容规）㈡国外主要规范国外的规范主要有：美国ASME规范日本国家标准（JIS）1．美国ASME规范美国国家标准,美国机械工程师协会（ASME）制定的《锅炉及压力容器规范》。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。1．美国ASME规范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、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。

2.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。压力容器的主要受压元件

筒体、封头、设备法兰、开孔补强板、人孔盖、人孔法兰、人孔接管、M30以上的设备主螺栓、直径大于250的接管、换热管和管板、膨胀节压力容器强度计算内容1、新容器的设计2、在用容器的校核第二节设计参数的确定300(350)400(450)500(550)6006507008009001000(1100)1200(1300)140015001600(1700)1800(1900)2000(2100)22002300240026002800300032003400360038004000420044004500460048005000520054005600580060001.容器直径公称直径钢板卷焊公称直径是内径。无缝钢管截取159219273325377426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。设计时，应将工艺计算初步确定的设备内径，调整为符合规定的公称直径。

2、设计压力和计算压力最大工作压力：正常操作情况下容器顶部可能出现的最高压力设计压力：设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件计算压力：在相应的设计温度下用于确定容器壳体厚度的压力设计压力和计算压力区别计算压力pc：采用公式计算时使用设计压力p：查标准件压力试验对容器的监察管理设计压力的确定1)单个容器不装安全泄放装置2)装有安全泄放装置

a)装有安全阀的容器

b)装有爆破片的容器（1.01~1.1）Pw最大工作力Pw(MPa)安全阀开启压力

Pk(MPa)<1·0Pw+(0.035~0.05)1.0~1.5Pw+(0.11~0.18)≥1.6Pw+(0·11~0.115)≥4.0Pw+(0.105~0.11)a）装有安全阀的容器：设计压力不得低于安全阀的开启压力（1.05~1.1）Pwb）装有爆破片的容器：不得低于爆破片的设计爆破压力上限,据爆破片的型式的不同,（1.15~1.75）Pw

3）固定式液化气体压力容器：设计压力不得低于下表的规定3)液化气体压力容器的设计压力液化气体临界温度设计压力/MPa无保冷设施有可靠保冷设施无试验实侧温度有试验实侧温度且能保证低于临界温度≥50℃50℃饱和蒸气压力

可能达到的最高工作温度下的饱和蒸气压力≤50℃设计时所规定的最大充装量时，温度为50℃的气体压力试验实侧最高工作温度下的饱和蒸气压力

4)混合液化石油气压力容器的设计压力混合液化石油气50℃饱和蒸气压力/MPa设计压力/MPa无保冷设施有可靠保冷设施≤异丁烷50℃饱和蒸气压力等于50℃异丁烷的饱和蒸气压力可能达到的最高工作温度下异丁烷的饱和蒸气压力>异丁烷50℃饱和蒸气压力≤丙烷50℃饱和蒸气压力等于50℃丙烷的饱和蒸气压力可能达到的最高工作温度下丙烷的饱和蒸气压力>丙烷50℃饱和蒸气压力等于50℃丙烯的饱和蒸气压力可能达到的最高工作温度下丙烯的饱和蒸气压力石油气井中伴随石油溢出的气体或石油加工过程中产生的低分子量烃类气体经压缩而成，主要成分为丙烷、丁烷、丙烯、丁烯。丙烷、丁烷、丙烯、丁烯沸点（℃）-47.4-0.5-47.4-6.3饱和蒸汽压1.57

0.792.161.77外压容器的设计压力真空容器有安全泄放装置Min(1.25Δp,0.1)无安全泄放装置0.1外压容器不小于正常操作情况下可能产生的最大内外压差3、设计温度定义：容器在正常操作情况，在相应的设计压力下，设定的受压元件金属的温度.确定原则：不得低于容器工作时器壁金属可能达到的最高温度;0℃以下时不得高于器壁金属可能达到的最低温度.容器内的介质是用蒸汽直接加热或用电器元件插入介质，或进入容器的介质已被加热，取介质可能达到的最高温度。容器内介质的被热载体（或冷载体）间接加热，取热载体的最高工作温度或冷载体的（低于0℃的）最低工作温度。储存容器，壳体金属温度受大气环境气温的影响，取历年来月平均最低气温的最低值。间歇操作的设备，介质温度和压力周期性变化，取最苛刻却属于同一时刻的设计温度和设计压力确定方法：4、许用应力

1）、确定方法常温容器中温容器高温容器2）、安全系数3）、安全系数主要的影响因素估算的载荷状态及其数值上的偏差;计算方法的精确程度;材料性能的稳定性、可靠性及其可能存在偏差的大小;制造工艺及其允许的偏差;检验手段及其严格的程度;使用操作的经验。4）、几点说明1）注意钢板厚度；2）中间温度的许用应力，用内插法确定；3）Q235钢板的要乘质量系数0.9；4）厚度较大（超出附表给定厚度）需查GB150-1998，并注意一些附加条件。5、焊接接头系数1）、定义2）、影响因素焊接接头型式焊接工艺对焊缝检验的严格程度

接头坡口焊缝焊接方法焊条焊前热处理等3）、Ø的确定焊缝型式对焊缝进行无损检验的长度第三节筒体的设计计算

——圆筒的计算厚度,mm

安全承受压强P所需的最小理论计算厚度Pc——圆筒的计算压力,MPaDi——圆筒的内径,mm——钢板在设计温度t下的许用应力，MPa

——焊接接头系数1、理论计算厚度腐蚀裕量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。2、设计厚度腐蚀速度＜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，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。3.名义厚度

钢板厚度负偏差(或钢管负偏差)

Cl3.8~4.04.5~5.56~78~2526~3032~34

0.3

0.5

0.6

0.8

0.9

1.0钢板厚度/mm

2

2.2

2.52.8~3.03.2~3.5负偏差/mm0.18

0.19

0.2

0.22

0.2536~4042~5052~60

1.1

1.2

1.34、有效壁厚5、最小壁厚设计压力较低的容器计算出来的厚度很薄，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dmin：

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2mm6、压力试验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。介质为常温水。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，可用气压试验代替液压试验。如装入贵重催化剂要求内部烘干，或容器内衬耐热混凝土不易烘干，或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.对压力试验的规定情况如下表所示：试验类型试验压力强度条件说明备注液压试验

立式容器卧置进行水压试验时，试验压力应取立置试验压力加液柱静压力。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

pT-试验压力，MPa；p-设计压力，MPa；

[s]一试验温度下的材料许用应力，MPa；

[s]T

一设计温度下的材料许用应力，MPa

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7、厚度系数、最大允许工作压力、

计算应力（工作应力）例题1：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。根据式式中p＝2.2MPa；Di=600mm；[s]＝170MPaj=0.8得：C2=1.0mm得：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ss=345MPa（附录表6）水压试验时满足强度要求。例题2有一圆筒形汽包，内径1200mm，操作压力为4MPa,此时蒸汽温度为250℃，有安全阀，材料为20R,筒体采用带垫板的对接焊，全部探伤，设计该汽包的厚度。第四节封头的设计凸形锥形平板球型椭圆型碟型（带折边球型）无折边球型（球冠型）带折边锥型无折边锥型

薄膜应力理论平板弯曲理论形状特点应力情况危险点最大薄膜应力最大应力及计算σmax强度条件计算厚度最小厚度优点缺点形状特点应力情况危险点最大薄膜应力最大应力σmax及计算强度条件计算厚度最小厚度优点缺点形状特点：直径小、厚度薄：整体冲压大直径：分瓣冲压，再焊接一、半球形封头二、椭圆形封头结构：半椭球和高度为h的短圆筒(通称直边)直边：保证封头制造质量和避免边缘应力作用。应力情况危险点最大薄膜应力最大应力σmax及计算强度条件计算厚度最小厚度优点缺点标准椭圆封头壁厚与筒体同为满足稳定性：对标准椭圆形封头计算厚度不小于封头内直径的0.15％。三、碟形封头又称带折边球形封头:

球面半径Ri、过渡圆弧半径r

高度为h的直边

Rci=(0.9-1.0)Dir=（0.15-0.17-0.2）Rci形状特点应力情况危险点最大薄膜应力最大应力σmax及计算强度条件计算厚度最小厚度优点缺点相同受力，碟形封头壁厚比椭圆形封头壁厚要大些，而且碟形封头存在应力不连续，计算壁厚满足：不小于封头内直径的0.15—0.3％。四、球冠形封头无折边球形封头:降低凸形封头高度，将碟形封头的直边及过圆弧部分去掉，只留下球面部分。最大应力处形状特点应力情况危险点最大薄膜应力最大应力σmax及计算强度条件计算厚度最小厚度优点缺点五、锥形封头a

30°30°

<a

45°450<a≤600广泛用于化工设备(如蒸发器、喷雾干燥器、结晶器及沉降器等)的底盖便于收集与卸除设备中的固体物料。