1、 3.1 3.1 概述概述 3.2 3.2 内压薄壁容器设计内压薄壁容器设计 3.3 3.3 外压圆筒设计外压圆筒设计 3.4 3.4 封头的设计封头的设计 3.5 3.5 法兰联接法兰联接 3.6 3.6 容器支座容器支座 3.7 3.7 容器的开孔与附件容器的开孔与附件 3.8 3.8 容器设计举例容器设计举例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
2、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。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）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 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
3、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。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。满足强度要求 为保证压力容器
4、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。p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。p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。p检验安全措施 设置人孔、手孔或采取其它措施。p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。p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
5、施。p磨损 增加厚度、衬里或堆焊；易于更换磨损严重的零部件。p装配p充装和排放 装量系数、蒸汽压力、升压和降压速率。p安全附件。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。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一般分类方法压力容器的一般分类方法压力大小压力大小用途用途受压方式受压方式制造方法制造方法壳体结构形式壳体结构形式壳体材料壳体材料3.2.1 按容器形状分按容器形状分 1)方形方形或或矩形矩形容器容器由平板焊
6、成，承压能力差，用作小型常压储槽；由平板焊成，承压能力差，用作小型常压储槽；2)球形球形容器容器由弓形板拼焊成，承压能力好，用作储罐；由弓形板拼焊成，承压能力好，用作储罐；3)圆筒形圆筒形容器容器由圆柱形筒体和各种成型封头组成，承压能力较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。好，应用最广。球形容器异形容器 真空容器真空容器 p0.08MPa(abs，真空度0.02MPa)常压容器常压容器 0.08MPa(abs，真空度0.02MPa)p0.1MPa 低压容器低压容器（L）0.1MPap1.6MPa 中压容器中压容器（M）1.6MPap10MPa 高压容器高压容器（H）10MP
7、ap 1.2时，容器为厚壁容器。iiiiDDDDDK2120内径外径 定义 薄壁:厚壁:101中面曲率半径壳体厚度101中面曲率半径壳体厚度 容器上任意点将产生三个方向应力：（轴向应力或经向应力）：沿轴向的应力；（周向应力或环向应力）：沿圆周切线方向；r（径向应力）：沿壁厚方向。薄壁容器：只考虑经向应力和周向应力，径向应力r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、周向应力和径向应力r，属于三向应力状态。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
8、，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。（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回转壳体回转壳体的几何概念 以任何直线直线或平面曲线平面曲线作为母线母线，绕其同平面内的轴线（回转轴）旋转一周既形成回转曲面回转曲面。设平面曲线OB 饶同平面中的OO轴旋出一个回转面。OB叫回转面的母线母线又称经线经线。过回转面上任一点
9、P的经线的曲率半径 称为P点的第一曲率半径第一曲率半径。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纬线。P点的维线的曲率半径 称为P点的第二曲率半径第二曲率半径。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点的第三曲率半径第三曲率半径。用 r表示。能截出壳体的真实壁厚，r不能。1PK2PK1R2R3PK1R2R3.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
10、“无力矩理论”，忽略弯曲应力。微体abcd受力 ab、cd截面上的周向力 ad、bc截面上的轴向力21dldlPF1dlf2dlf 上下左右的力平衡了，谁来抗衡向外的力？侧视看(上下拉力,对应R1)轴向力11222RdlddSindd很小与11222RdldldSinf对边分力 俯视看(左右拉力，对应R2)2212Rdldl 对边分力2211122122222222RdldlRdldldldlPdSinfdSinfF2211122122222222RdldlRdldldldlPdSinfdSinfF径向力这方程的意义在于把材料应力材料应力和压力压力及几何尺寸几何尺寸挂钩。21RRP问题：一个方
11、程两个未知数 CosP22SinrPCosrP224.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PRR21cos2 rP5.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1RRR 2RP2PDPR242cos2PDPRrP1)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，得试解释椭形人孔的短轴总与筒体纵轴平行的原因？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
12、纵向焊缝上开孔。22)球形壳体的受力分析将 、，代入微体平衡方程，得：RRR2142PDPR试解释大型储罐总作成球形而不是圆筒形？(P88)3)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、r的函数。显然，锥顶处应力为零。(max)422CosPDCosrPCosrP(max)22CosPDCosrPPR4)椭圆形壳体受力分析babaxaR4322241bbaxaR2224222244222422baxaabbaxaPbbaxaP222241）极限点处的力 顶点处，x=0,边缘处，x=a,baPa22222baPa42PDPa应力分析1）x=0处，经向应力 与
13、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00200200200222222，处，在处，在bababaaxx2）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，此为国标国标。2PD 222PDPa2PD42PDPa据失效准则：焊接因素：计算壁厚：设计壁厚：腐蚀余量nPDt22Cd2C tiDP2PPDti2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）1Cdn1C21CCnemin 取大 12minCCden园整21,CC强度效验：由 得出
14、真实强度许用压力：由 求出e t P eietDP2 teeiDP2 对无缝钢管：tDP20PPDt202Cd1Cdn21CCne强度效验：许用应力：由 求出 t P teeDP20eetDP02 1、设计压力 P 1）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。2）内压容器与安全阀的压力关系示意图l 工作压力l实验压力 l 排放压力 l 设计压力 l 开启压力l 关闭压力 最高工作压力 3）考虑液体的静压力 （P90）ns2、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l 的选取取决于材料的 判废标准。l一般按弹性失效的设计准则取屈服极限l
15、n的合理选择也是设计的关键。4、焊缝系数（P91）5、壁厚附加量 的选取标准 （P92）的设计 （P92)21CCC1C2C五、压力试验及强度效验五、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、气压液压试验：气压试验：取大 tTPP251.10.PPT取大 tTPP151.10.PPT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。需效验强度PPTseeiTTDP902.seeiTTDP802.s 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
16、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。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 表表312）（P92）得：得：查：查：（P92 表表313）得：）得：MPat1708.0mmC6.01mmC0.12 mmPPDti9.42.28.017026002.22mmCd9.519.42mmn7 查：无
17、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。tmmn7 t t 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60C，腐蚀裕度为2mm，焊缝系数为1，试设计罐体壁厚。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：MPaPaP036.0363772.38.91016.13液MPa006.0%512.0036.0MPaPPP156.0036.012.0液工作 MPat113mmn62min取：mmDi4
18、10002000210002min mmPPDti38.1156.0111322000156.02mmCn6242min 查：无变化 则 t合适mmn6内压圆筒采用不同材料时的比较设计内压圆筒采用不同材料时的比较设计l例例2-3 l试设计一内压圆筒容器，设计条件为：l设计压力为0.8MPa，内径为1000mm，设计温度为100C，介质微腐。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mm。）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。18.48.085.0
19、113210008.018.6218.4dmmC8.01mmn8）选16MnR设：为170MPa，则：tmmmmd78.4278.28.085.0170210008.0 为宜选讨论：从经济上考虑，合适。无变化，故查取：查：AntndQmmmmmmCmmCmmC2352min116652338.56.078.46.0 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、边缘应力的局限性局限性取决于材料的塑性塑性。3、边缘应力的自限性自限性取决于材料的屈服点屈服点。自限性自限性 x局限性Rx5.2 压杆的稳定与失稳 PPcr，当压
20、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 （）3）与长短有关 （L）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？、长圆筒 定义 临界压力 临界应力200112DEDPetecrcr.30192DEPetcr.）定义）临界压力05.2059.2DLDEPecr两相临加强圈的间距相对长度相对厚度LDLDe00）定义）刚性筒只能是强度校核 t
21、eeiDP2eietDP2 临界时：P=Pc r 长=短052030592192DLDEDEcreet.eocrDDL0171.crL 同理，临界时：短=刚 eieteDDLDE25920520.etetcrDEL03.1 PP crL%5.0minmaxnDDDe 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 mPPPcrnt P设计外压；Mpa P许用外压；Mpa Pcr临界压力；Mpa m稳定安全系数，其选取主要考虑两个因素。（P96）GB规定：规定：m=3 2、解决问题的思路比较 取小设PPPPce25.11.0lP不小于正常工作过程中可能出现得最大内外压差
22、。3、设计步骤（P97）短临界长1）真空容器 a、装有安全控制装置：b、没有安全控制装置：P=0.1MPa取小 PP25.11.02）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）。4、关于设计外压P及液试 tPcrP PtPminPPPt25.1 外压 （绝对值）临界 试压 许用 设计 P 过程中可能出现的 1）外压容器和真空容器Ppt25.1l2）带夹套的容器 (P103)五、加强圈加强圈mPDEDLe5.2006.2 05.206.2ccPDLDeEmPPmP 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
23、筒体的壁厚，则可确定加强圈的间距。（P104，325）例题33 (P103)足要求钢板设三个加强圈可满用 mmmmmPDEDLe941.32093634020931.032014720141069.16.26.25.255.200l例题例题 5 若33题中库存仅有9mm厚的20g钢板，怎么办？l解：设置加强圈 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mmn141521218287.51828103501221418281421800000eneDDLmmCmm
24、D 查：A=0.0001 查B:P100,T317 或设置加强圈须重设曲线的直线段落在neMPaPPMPaDBPMPaEABBAA2.0083.0152167.1267.121011081.13232045 或设置加强圈须重设曲线的直线段落在neMPaPPMPaDBPMPaEABBAA2.0083.0152167.1267.12101108.13232045 设：添两个加强圈 则：1529.118283450345031035000eDDLmmL 。设两个加强圈适合要求取且较接近或查：查：,14,28.015215.4242325.4200035.00mmPpMPaDBPEABMPaBAne解
25、法二：mmn14设：则：足要求钢板设两个加强圈可满用mmmmmPDEDLe1431.249771035049772.031828121828108.16.26.25.255.200 一、半球形封头 1、内压 2、外压 求 步骤mmPPDti4neiieinenRoAARRc125.2.1求球之半径得得设 止。直到重设若与比较值后落右方，读得二）若落左方一）若和求据材料选PPPPPPRBPBAMPaREPAPTneieit,4083.03219.18.17.16.153B 1、内压 MPaKDPhDKmmPKPDeietiiti2226122 2、外压 同球形公式和步骤，只是变iiDR9.0 1
26、、组成1050PhrRi直边高度过度半径球面半径 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rRi MPaMRPrRMmmPMPReietiti5.023415.02 MPaMRPrRMmmPMPReietiti5.023415.02 2、外压 同球形公式和步骤，只是变iiDR A、内压 据微体平衡方程得：据区域平衡方程得：CosPRPr222PrCos22maxmaxDRrCosPD 据强度准则 得 tiCosDP2 CosPPDti12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
27、式。措施：1）将连接处附近的封头及筒体壁厚增大。这叫无折边无折边锥头局部加强锥头局部加强。2）增加一个过度弧。（叫折边加强）响应公式（一）无折边锥体（适用于 ）1锥大端（1）（2）线上（3）线下 Q值由图329查出030030 303值查图及以tP 283值查图及以tP CosPPDti12 PQPDtir2 2锥小端 (P109)（1）（2）线上（3）线下 Q值由图331查出 303值查图及以tP CosPPDti12 PQPDtisr2若整个锥体取同一厚度，取各计算值之最大者。若整个锥体取同一厚度，取各计算值之最大者。（二）带折边锥体（1）过度段厚（2）锥体厚（3）锥小端 因直径很小，可不
28、加过度弧。但与之相连的因直径很小，可不加过度弧。但与之相连的接管壁厚应在长度为接管壁厚应在长度为L的范围内增厚（取锥体厚）的范围内增厚（取锥体厚）)30(0)163111(5.02表查pKPKPDti 1731115.0表查PfPfPDtiisDL5.0 B、外压 无论是否带折边 1）半顶角60锥体 按平板封头计算按平板封头计算 五、平板封头五、平板封头 183113表查KKPDtcp 例题3-4（P112）已知：塔体内径为600mm；设计压力为2.2MPa；工作温度为-3-20。试选择塔体封头的形式及尺寸。解：选16MnR及标准椭圆封头及标准椭圆封头 设：（实际是设壁厚=616mm）附表2
29、（P91 表表312）（P92）得：得：查：查：（P92 表表313）得：）得：MPat1708.0 mmPPDti9.42.28.017026002.22mmC0.12mmCd9.519.42mmC6.01mmn7 查：无变化，则 合适。关于椭封的 关于 tmmn7值Po5.例35（P114）解：设：封头取同一壁厚，故只用锥体壁厚计算 f=0.645;P=1.31.2=1.6MPa(防爆膜设计压力)锥大端采用折边结构是内压设备，半锥角030 1731115.0表查PfPfPDti MPa78300mm166.15.017812006.1645.0 mmDlmmDddNmmmmCmmCisis
30、nnd445.0222,219,20017178.016016030012接管加强段长故取合适。无变化，查取查 mmDlmmDddNmmmmCmmCisisnnd445.0222,219,20017178.016016030012接管加强段长故取接管合适。无变化，查取查法兰：一种可拆的连接结构。一种可拆的连接结构。具有较好的强度和紧密性。具有较好的强度和紧密性。组成：一对法兰、若干螺件、一个垫片。密封条件：密封形式：平面型 凹凸型 犁槽型垫片材料：（P117表319）力使垫片适当变形的压紧比压力压紧力 法兰标准 1、设备法兰拧上、螺纹法兰压上、松式法兰焊上对焊乙型甲型平焊、整体法兰321 选设
31、备法兰查P119表320 依据：例如:P118121 标记 P121 例题36（P122）213120表查压力材料温度据工程压力同容器直径工程直径P 2.管法兰铸铁铸钢螺纹活套对焊平焊鞍座支腿圈座一、卧式底板纵向肋板横向肋板垫板鞍座组成l定型座分类：首按工程直径定型座分类：首按工程直径DN分为多种，每分为多种，每种又分种又分A型（轻）型（轻）、B型（重）型（重），再据底版开孔，再据底版开孔分分型（圆孔）型（圆孔）、型（长圆孔）型（长圆孔）。一般卧式支座只按两个。其按装距（P123）标记示例P124LADLDADL2.0225.01较小、较大、二、立式 1、耳式 选用步骤：（1）按两支求负荷Q
32、标记示例:P125 长臂型短臂型BA 2831262731262表型查表型查，使查据允允PBPAQQQQ 2831262731262表型查表型查，使查据允允PBPAQQQQ 2、支承式 (P125)分为A、B两型。查P126表329选取。3、裙座支座一、容器的开孔与补强1、开孔补强的结构 P128 T3-512、补强规定 P128要补强开孔后应力集中，易焊裂。因为高强度钢淬硬性大为什么?540MPab 超规时，用补强管。多孔时，整体补。3、允许开孔的范围 P1284、允许不另行补强的最大孔径 P128二、容器的接口管与凸缘二、容器的接口管与凸缘 P129l1、接口管l按表3-32选取管长。l2、凸缘l本身有加强作用，不用另行补强。三、人、手孔等三、人、手孔等 1、手孔有DN150和DN250两种。2、人孔 看P129 及P133示例工程压力工程直径垫片材料人孔材料表密封面形式代号标准号人孔6.1450130.13024312295215236.1450.9521523PGAPPRFHGGARFHG 投影补强原则dDDe12补
