1、2023-2-31第四章：容器设计基础容器是各种设备外部壳体的总称2023-2-322023-2-33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2023-2-34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2023-2-35一、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。2023-2-
2、36圆柱筒体、平面封头：环向 d c 轴向 a b m T N T n n m W 2023-2-37从壳体上截出一微元体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 2023-2-38 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+=(Do-Di)/22023-2-39 环向应力：2=pD中/2 y 2 T l x p d W2023-2-310 轴向应力：1=pD中/4 y N p 1 z T x2023-2-311二、内压圆筒的设计与计算 圆筒壁厚的计算公式 壁厚的其他
3、影响因素 设计厚度 设计参数的确定2023-2-312 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9-6。pDpctic2023-2-313 壁厚的其他影响因素1、钢板的负偏差，c1；(如：80.8mm)详见P128，表9-10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。2023-2-314 设计厚度设计厚度(d)=计算厚度()+腐蚀裕量(c2)即：cpDpccticd2222023-2-315 将设计厚度（d
4、）加上c1、c3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-c1-c2-c32023-2-316 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。2023-2-317 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。2023-2-318三、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
5、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2023-2-319液压试验时的试验压力 且 pTpC+0.1MPa 其中25.1tcTpp8.1t2023-2-320式中pT 试验压力，MPa；pC 设计压力，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。2023-2-321气压试验时的试验压力 其中8.1t15.1tcTpp2023-2-322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。2023-2-
6、323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%，检查焊缝情况。2023-2-324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。2023-2-325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)(2.0seei
7、TTDP2023-2-326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)(2.0seeiTTDP2023-2-327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2023-2-328一、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2023-2-329二、凸形封头 半球封头 椭圆形封头 碟形封头 球冠形封头2023-2-330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 Dz Di o2023-2-331半球、
8、球壳计算厚度公式 外力=内力pDpDDDpDDpcticiztzczzc44422023-2-332 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。2023-2-333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：pRRm2122Rpm12222byax2023-2-334取分离体 z R2 m R2 m p D2023-2-335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 22R
9、pm2023-2-336经向应力计算公式 式中 m 经向应力，MPa；壳体厚度，mm；R2 所求应力点的第二曲率半径，mm；p 壳体所受的内压力，MPa。22Rpm2023-2-337取微元体 R2 m R1 d2 d1 m 2023-2-338 回转壳体应力分析 m dl2 d2 d1 dl1 p dl1 dl1 dl2 m dl22023-2-339经向应力m与环向应力 d1 m d1/2 p R1 n m R2 p n d2 d2/22023-2-340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
10、d2/2=0 (b)2023-2-341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，并化简，整理得pRRm212023-2-342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。pRRm212023-2-343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)(1baxaaRb2023-2-344第二曲率半径：R2=-x/sin y R1 A x b a R22/122242)(1baxaRb2023-2-34
11、5 由 得22RpmpRRm21)2(22)(1212221RRRRRRRmmmpp2023-2-346将代入 与得2/3222441)(1baxaaRb2/122242)(1baxaRb2/1222421)(22baxaRbppm22Rpm)2(12RRm)(2)2(22244122baxaaRRmm2023-2-347 顶点 边缘 X=0 X=a轴向环向m122pa)(2bapa)2(222bapa)(2bapa2023-2-348轴向应力分布图 y y h h0 x b x a )(2bapam2pam2023-2-349环向应力分布图当 时，此时 y x 0)2(22ba2ba2023
12、-2-350当 当 y y x x2ba21ba2023-2-351当 时，为标准椭圆封头 y y x x 轴向应力 环向应力2ba2023-2-352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：pDpcticK5.02pDpctic5.022023-2-353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。2023-2-354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。厚度计算公式碟形封头形状系数)3(415.
13、02rMMRpRpictic2023-2-355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pDpctic5.022.12023-2-356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。2023-2-357 Ri=(0.71.0)Di，圆筒加强段L的厚度与封头厚度等厚。Di Ri L2023-2-358三、平板封头 圆形平盖 非圆形平盖2023-2-359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
14、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。2023-2-360 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22maxtcctccpDDpKK2023-2-361式中 Dc 计算直径，见表10-4 K 结构特征系数，见表10-4 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2023-2-362非圆形平盖(a)表10-4中，式中：z 非圆平盖形状系数 z=3.4-2.4a/b，且z2.5 a 非圆平盖的短轴长度 b 非圆平盖的长轴长度2tcpKza2023-2-363(b)表10-4中2tcpKa2023-2
15、-364四、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。2023-2-365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2023-2-366一、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。2023-2-367二、外压圆筒
16、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2023-2-368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。2023-2-369设计准则名义厚度cmpentcrccrcrcDEpppppe)(032.2332023-2-370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。2023-2-371设计准则名义厚度cLmpenetcrccrcrcDDEpppppe00259.2332023-2-372刚性圆筒 指圆筒破坏原因是由于在
17、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。2023-2-373 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。ecticpDpc22023-2-374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。2023-2-375即临界长度 当实际圆筒的计算长度LLcr时，就属于长圆筒，反之则属于短圆筒，据此
18、判断应选择的计算公式。ecrecrttDDLDDLEDEee00002317.159.22.2)(02023-2-376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；ecrDDL0017.12023-2-3772、按相应长短圆筒公式求出pcr值。长圆筒短圆筒etcrtcrDDEpDEpLee002359.22.2)(02023-2-3783、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。2023-2-3
19、79相关参数的含义计算长度 L=L1+2h/3+2h0 L h/3 h L1 h02023-2-380三、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2023-2-381几何参数计算图图11-52023-2-382壁厚计算图图11-711-102023-2-383Doe20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11-5，查A值，若L/D0 50，则取 L/D0=50；若L/D0 0.5，则取 L/D0=0.5。2023-2-3843、由A值及相应的工作温度，查算图11-7算图11
20、-10，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eDBp02023-2-385 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eteteDEDEDAABp00032322023-2-3864、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。2023-2-387Doe20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 2023-2-3
21、882、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)(9.0,2min2.00tst2023-2-389四、外压圆筒图算设计方法说明 习题11-1，159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2023-2-390五、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2023-2-391六、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
22、压试验 试验压力取1.15倍的设计外压。2023-2-392第四节：外压球壳与凸形封头设计本节自学，见教材第156页。2023-2-393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2023-2-3942023-2-3952023-2-3962023-2-397一、法兰连接 可拆连接 压力容器法兰和管法兰 法兰形式 密封面 平焊法兰与对焊法兰2023-2-398二、容器支座 卧式容器支座 鞍座、圈座、支腿。立式容器支座 耳式支座、支承式支座、腿式支座、裙式支座。2023-2-399三、容器的开孔与补强 开孔 适用的开孔范围、不另行补强的最大 开孔直径。补强 补强的设计原则、补强结构。2023-2-3100四、容器附件 接管 视镜 人孔、手孔 液面计 设备吊孔
