1、第四章容器设计基础2023-1-252优选第四章容器设计基础概述 容器的结构 容器分类 按器壁厚度、压力性质、压力大小、承受温度、压力容器安全技术监察规程分类。容器机械设计的基本要求 容器的标准化第一节内压薄壁圆筒的设计一、内压圆筒的应力分析二、内压圆筒的设计与计算三、压力试验一、内压圆筒的应力分析 在工艺给定的压力p下，p垂直作用于器壁表面，容器将产生拉长，胀大的趋势。如圆柱筒体、平盖封头容器，在轴向产生拉长；在环向产生胀大，并产生弯矩Mo。若不考虑Mo弯矩的影响，称无力矩壁厚，反之称为有力矩壁厚。圆柱筒体、平面封头 环向 d c 轴向 a b m T N T n n m W 从壳体上截出一
2、微元体abcd，进行受力分析环向应力2，轴向应力1。2 2 2 1 1 M0 M0 2 假设在应力是均匀的，壁厚很薄的条件下，可略去Mo弯矩的影响。对薄壁容器，结构尺寸取其中径D中。D中=(Do+Di)/2=Di+=(DoDi)/2 环向应力2=pD中/2 y 2 T l x p d W 轴向应力1=pD中/4 y N p 1 z T x b二、内压圆筒的设计与计算d2对高合金钢制容器，min2mm。试验压力的强度校核（二）从壳体上截出一微元体abcd，进行受力分析m Wm Tmm。=(DoDi)/2p 三、外压圆筒图算设计方法x x环向应力2，轴向应力1。2、按下式计算许用压力2、由算图11
3、5，查A值，二、内压圆筒的设计与计算 圆筒壁厚的计算公式 壁厚的其他影响因素 设计厚度 设计参数的确定 圆筒壁厚的计算公式 式中 计算厚度，mm；pc 设计压力，MPa；Di 圆筒内径，mm；t 设计温度下材料的 许用应力，MPa；焊缝系数，查P127表96。pDpctic 壁厚的其他影响因素 1、钢板的负偏差，c1；(如80.8mm)详见P128，表910钢板厚度负偏差。2、腐蚀裕量，c2；（在设计使用年限内的 腐蚀量。n年mm/a）c2=n (mm)3、加工中的减薄量，c3。设计厚度 设计厚度(d)=计算厚度()+腐蚀裕量(c2)即cpDpccticd222 将设计厚度（d）加上c1、c3
4、后，向上圆整至钢板标准规格厚度，称为名义厚度或实际厚度n。n=d+c1+c3+=+c1+c2+c3+有效厚度e e=+=n c1c2c3 压力容器最小厚度min(不包括c2、c3)计算厚度，是内压圆筒仅从强度因素得出的。而最小厚度是综合考虑刚度要求提出的。对碳素钢、低合金钢制容器，min3mm；对高合金钢制容器，min2mm。取以下两值中的较小值。假设e正确。05MPa，保持10分钟，查验所有焊缝及连接部位，多次检查。带夹套的受压筒体厚度计算表保持10分钟，然后降至试验压力的87%，检查焊缝情况。m Wm W将容器充满液体，最高点设排气口。二、内压圆筒的设计与计算气压试验方法与过程控制r hd
5、1 m d1/2e=+=n c1c2c32、由算图115，查A值，2、按相应长短圆筒公式求出pcr值。焊缝系数，查P127表96。试验压力的强度校核（一）2 dl1sin d2/2=0 (b)b 非圆平盖的长轴长度 设计参数的确定 1、设计压力pc；2、设计温度T；3、许用应力；4、焊缝系数；5、厚度附加量c。三、压力试验 进行液压试验时试验压力的确定 进行气压试验时试验压力的确定 液压试验方法与过程控制 气压试验方法与过程控制 气密性试验 对所确定的试验压力进行强度校核液压试验时的试验压力 且 pTpC+0.1MPa 其中25.1tcTpp8.1t式中pT 试验压力，MPa；pC 设计压力，
6、MPa；试验温度下材料的许用应力，MPa；t 设计温度下材料的许用应力，MPa。气压试验时的试验压力 其中8.1t15.1tcTpp液压试验方法与过程控制 将容器充满液体，最高点设排气口。缓慢将压力升到规定试验压力后，保压半小时，降压到规定试验压力的80%，保持足够长的时间，以便对所有焊缝和连接部位进行检查。气压试验方法与过程控制 对不适合作液压试验的容器，才采用气压试验。缓慢升压到规定试验压力的10%，且不超过0.05MPa，保持10分钟，查验所有焊缝及连接部位，多次检查。合格后，升到试验压力的50%，而后每次升级为试验压力的10%，直到试验压力。保持10分钟，然后降至试验压力的87%，检查
7、焊缝情况。气密性试验 容器须经液压试验后，方可进行气密试验。方法是缓慢升压至试验压力，保持10分钟，然后降至设计压力。同时进行检查。气体温度应不低于5。p D进行气压试验时试验压力的确定当 当液压试验方法与过程控制p 壳体所受的内压力，MPa。1、假设n，令e=n c，计算出L/D0 焊缝系数为厚壁容器），应按下式计算A值。平盖计算厚度h0MPa。压力容器最小厚度min(不包括c2、c3)在相同的e/D0下，长、短圆筒的区别在于是否受边界端盖的支撑作用。mm。Di 圆筒内径，mm；当 时，为标准椭圆封头标准碟形封头计算厚度公式二、内压圆筒的设计与计算设有折边是为了缓解边缘应力。pcr与e/D0
8、有关，也与 L/D0有关。折边 试验压力的强度校核（一）液压试验时气压试验时)(9.02)(2.0seeiTTDP)(8.02)(2.0seeiTTDP试验压力的强度校核（二）液压试验时气压试验时)(9.02)(2.0seeiTTDP)(8.02)(2.0seeiTTDP第二节内压容器封头的设计一、边缘应力概念二、凸形封头三、平板封头四、封头的结构特性及选择一、边缘应力概念 产生实质 存在联接边缘；联接处二者变形 大小不同。特点 局部性；自限性。对边缘应力的处理二、凸形封头 半球封头 椭圆形封头 碟形封头 球冠形封头半球封头 母线绕o轴回转而成球体，其任意时刻停留线均为经线。1=2=o 2 1
9、 Dz Di o半球、球壳计算厚度公式 外力=内力pDpDDDpDDpcticiztzczzc4442 实际应用时，筒体与半球形封头厚度相同，主要是考虑边缘应力和焊接工艺。等厚焊接可以降低边缘联接处的边缘应力。半球形封头多用于直径较大，或压力较高的容器。椭圆形封头由区域平衡方程得由微体平衡方程得椭圆方程pRRm2122Rpm12222byax取分离体 z R2 m R2 m p D由 z 轴方向的平衡条件，得 Nz Pz=0 即 mDsin D2p/4=0 (a)sin=D/2 R2 D=2 R2 sin 代入(a)式得到 22Rpm经向应力计算公式 式中 m 经向应力，MPa；壳体厚度，mm
10、；R2 所求应力点的第二曲率半径，mm；p 壳体所受的内压力，MPa。22Rpm取微元体 R2 m R1 d2 d1 m 回转壳体应力分析 m dl2 d2 d1 dl1 p dl1 dl1 dl2 m dl2经向应力m与环向应力 d1 m d1/2 p R1 n m R2 p n d2 d2/2根据法线 n 方向上力的平衡条件，得到 Pn Nmn Nn =0即 pdl1dl2 2 m dl2sin d1/2 2 dl1sin d2/2=0 (b)因为夹角d1与d2很小，可取 sin d1/2 d1/2=dl1/2 R1 sin d2/2 d2/2=dl2/2 R2将以上两式代入(b)式，并化
11、简，整理得pRRm21环向应力计算公式式中 环向应力，MPa；R1 所求应力点的第一曲率半径，mm。pRRm21椭圆封头应力分析又椭圆方程由第一曲率半径12222byaxyyR 2/321)1(2/3222441)(1baxaaRb第二曲率半径R2=x/sin y R1 A x b a R22/122242)(1baxaRbd1 m d1/2p 壳体所受的内压力，MPa。从受力情况看半球最好，椭圆、碟形其次，球冠、锥形更次之，而平板最差。带夹套的受压筒体厚度计算表设有折边是为了缓解边缘应力。假设e正确。从制造方便看平板最易，球冠、锥形、碟形、椭圆较易，半球最难。和D0/e。液压试验方法与过程控
12、制许用应力，MPa；代入 与Ri=(0.试验压力的强度校核（一）当 当当 当17Di，称为标准碟形封头，此时 M=1.第一节内压薄壁圆筒的设计对高合金钢制容器，min2mm。半球形封头多用于直径较大，或压力较高的容器。p D 由 得22RpmpRRm21)2(22)(1212221RRRRRRRmmmpp将代入 与得2/3222441)(1baxaaRb2/122242)(1baxaRb2/1222421)(22baxaRbppm22Rpm)2(12RRm)(2)2(22244122baxaaRRmm 顶点 边缘 X=0 X=a轴向环向m122pa)(2bapa)2(222bapa)(2bap
13、a轴向应力分布图 y y h h0 x b x a )(2bapam2pam环向应力分布图当 时，此时 y x 0)2(22ba2ba当 当 y y x x2ba21ba当 时，为标准椭圆封头 y y x x 轴向应力 环向应力2ba椭圆封头计算厚度公式当a/b=2时，K=1，为标准椭圆封头。标准椭圆封头计算厚度公式pDpcticK5.02pDpctic5.02碟形封头 又称带有折边的球形封头。设有折边是为了缓解边缘应力。折边 r h h0 Ri 直边，取值 Di 25、40、50 mm。碟形封头厚度计算公式 考虑到球面部分与过渡区联接处的局部高应力，规定RiDi，r/Di0.1，且r3n。厚
14、度计算公式碟形封头形状系数)3(415.02rMMRpRpictic标准碟形封头厚度计算公式 当 Ri=0.9Di，r=0.17Di，称为标准碟形封头，此时 M=1.325。标准碟形封头计算厚度公式pDpctic5.022.1球冠形封头 球面部分直接焊在筒体上，也称无折边球形封头。可降低封头高度，但存在较大的局部边缘应力。Ri=(0.71.0)Di，圆筒加强段L的厚度与封头厚度等厚。Di Ri Lx x回转壳体应力分析但对Doe4.1、假设n，令e=n c，计算出L/D0当 当保持10分钟，然后降至试验压力的87%，检查焊缝情况。考虑到球面部分与过渡区联接处的局部高应力，规定RiDi，r/Di
15、0.式中 计算厚度，mm；上述两类问题简化为板边缘结构特征系数K来考虑。当e/D00.进行气压试验时试验压力的确定W环向应力2，轴向应力1。y试验压力的强度校核（二）液压试验方法与过程控制对高合金钢制容器，min2mm。L/D0值较小，e/D0较大，pcr值趋于无穷大。一、内压圆筒的应力分析 壳体厚度，mm；三、平板封头 圆形平盖 非圆形平盖圆形平盖 平盖封头主要用于常压和低压的设备上，或直径较小的设备。一种是不可拆的固定平盖，其最大应力是轴向弯曲应力，产生在圆板边缘。另一种是可拆平盖，其最大应力产生在平板中心。上述两类问题简化为板边缘结构特征系数K来考虑。因为 圆形平盖计算厚度22maxtc
16、ctccpDDpKK式中 Dc 计算直径，见表104 K 结构特征系数，见表104 Pc 设计压力，MPa t 设计温度下的许用应力，MPa 焊缝系数 平盖计算厚度非圆形平盖(a)表104中，式中z 非圆平盖形状系数 a 非圆平盖的短轴长度 b 非圆平盖的长轴长度2tcpKza(b)表104中2tcpKa四、封头的结构特性及选择 封头的结构形式是由工艺过程、承载能力、制造方便等方面的要求而决定。从受力情况看半球最好，椭圆、碟形其次，球冠、锥形更次之，而平板最差。从制造方便看平板最易，球冠、锥形、碟形、椭圆较易，半球最难。第三节外压圆筒的设计一、外压容器的稳定性二、外压圆筒的简化公式计算法三、外
17、压圆筒图算设计方法四、外压圆筒图算设计方法说明五、外压圆筒厚度表六、外压容器的试压一、外压容器的稳定性 圆筒失稳的形式 周向失稳；轴向失稳；局部失稳。临界压力 设计外压 影响临界压力的因素 筒体尺寸；材料性能；筒体形状。二、外压圆筒的简化公式计算法 钢制长圆筒 钢制短圆筒 刚性圆筒 临界长度 计算法步骤钢制长圆筒 指圆筒的中央吸瘪时，临界压力pcr不受两端盖的影响。L/D0值较大，pcr与e/D0有关，而 与 L/D0无关。a b进行气压试验时试验压力的确定从壳体上截出一微元体abcd，进行受力分析二、内压圆筒的设计与计算K 结构特征系数，见表104一、内压圆筒的应力分析指圆筒的中央吸瘪时，临
18、界压力pcr受其两端盖的支撑作用。n符合设计要求，否则重新计算，2、按下式计算许用压力带夹套的受压筒体厚度计算表第一节内压薄壁圆筒的设计2 dl1sin d2/2=0 (b)x x对高合金钢制容器，min2mm。由工艺计算已知Di，L及p工作pc，半球、球壳计算厚度公式根据法线 n 方向上力的平衡条件，得到17Di，称为标准碟形封头，此时 M=1.试验温度下材料的许用应力，设计准则名义厚度cmpentcrccrcrcDEpppppe)(032.233钢制短圆筒 指圆筒的中央吸瘪时，临界压力pcr受其两端盖的支撑作用。pcr与e/D0有关，也与 L/D0有关。设计准则名义厚度cLmpenetcr
19、ccrcrcDDEpppppe00259.233刚性圆筒 指圆筒破坏原因是由于在外压力作用下，相应所产生的压应力，其值超过材料的屈服极限所致。而不会发生失稳。L/D0值较小，e/D0较大，pcr值趋于无穷大。当e/D00.04时，即认为是刚性 圆筒。此时，e可按内压圆筒公式 进行计算。ecticpDpc2临界长度 在相同的e/D0下，长、短圆筒的区别在于是否受边界端盖的支撑作用。当短圆筒的长度逐渐增加到不受其两端盖的影响时，即进入长圆筒，在此临界处，可用短圆筒计算，也可用长圆筒计算。此时的长度称为临界长度Lcr，且两种计算结果相同。即临界长度 当实际圆筒的计算长度LLcr时，就属于长圆筒，反之
20、则属于短圆筒，据此判断应选择的计算公式。ecrecrttDDLDDLEDEee00002317.159.22.2)(0计算法步骤由工艺计算已知Di，L及p工作pc，D0=Di+2e1、假设有效壁厚e，根据外径D0计算 临界长度Lcr值，比较L与Lcr，判别长、短圆筒；ecrDDL0017.12、按相应长短圆筒公式求出pcr值。长圆筒短圆筒etcrtcrDDEpDEpLee002359.22.2)(03、比较 p工作pc p=pcr/m，说明 假设e正确。否则重新假设e，重新计算。p工作pc，但数值应较为接近。若相差过大，也要重新计算。相关参数的含义计算长度 L=L1+2h/3+2h0 L h/
21、3 h L1 h0三、外压圆筒图算设计方法 几何参数计算图 壁厚计算图 Doe20的圆筒和管子 Doe20的圆筒和管子 Doe4.0的圆筒和管子几何参数计算图图115壁厚计算图图1171110Doe20的圆筒和管子1、假设n，令e=n c，计算出L/D0 和D0/e。2、由算图115，查A值，若L/D0 50，则取 L/D0=50；若L/D0 0.5，则取 L/D0=0.5。3、由A值及相应的工作温度，查算图117算图1110，得B值。若A值落在温度材料线右方，可得B值，则计算许用外力eDBp0 若A值落在温度材料线左方，得不到B值，此时，B=2AEt/3。则许用外力eteteDEDEDAAB
22、p00032324、比较pc p是否成立，成立则假设 n符合设计要求，否则重新计算，直到p大于且接近pc为止。注意n与p的单位为mm，MPa。Doe20的圆筒和管子此时为刚性圆筒。1、与上述相同的步骤查得B值。但对Doe4.0的圆筒和管子（此时 为厚壁容器），应按下式计算A值。，A0.1时，取A=0.1 然后，查B值。)(021.1eDA 2、按下式计算许用压力式中0表示应力，取以下两值中的较小值。3、p应大于或等于pc。否则重新计算。11 2,0625.025.2min0000eeeDDDBp)(9.0,2min2.00tst四、外压圆筒图算设计方法说明 习题111，159页 厚壁容器与薄壁容器，长圆筒、短圆筒、刚性圆筒，几何参数计算图，150页 弹性失稳与非弹性失稳，壁厚计算图，152页五、外压圆筒厚度表 真空筒体厚度计算表，154页 带夹套的受压筒体厚度计算表六、外压容器试压外压容器和真空容器按内压容器进行试压 液压试验 试验压力取1.25倍的设计外压。气压试验 试验压力取1.15倍的设计外压。第四节外压球壳与凸形封头设计本节自学，见教材第156页。第五节容器零部件一、法兰连接二、容器支座三、容器的开孔与补强四、容器附件
