過程裝備機械基礎)內壓容器設計基礎-1

1、*單擊此處編輯母版標題樣式單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級定義：容器是工業(yè)生產中所用的各種設備（裝備）外部殼體的總稱。用途：工業(yè)生產離不開容器，容器的應用遍及各行各業(yè)，諸如航空、航海、機械制造、化工、輕工、能源、動力等行業(yè)都要用到容器。對于化工容器而言，由于介質往往有腐蝕性、毒性和易燃易爆性，密封是否可靠則是安全操作的必要條件。失效形式：內壓容器主要是彈性或塑性失效；外壓容器主要為整體失穩(wěn)。另外，泄漏也是容器的一種失效形式。特點：作為過程裝備的容器（如化工容器、輕工容器）有其自身的特點，它們不僅要適應生產工藝過程所要求的不同的壓力和溫度，還要承受介質的作用，要長期安全運轉，且要

2、確保密封。具體設計內容包括選材工藝計算結構設計強度計算零部件設計本章主要內容：闡述壓力容器的一般設計方法，重點在于掌握基本原理、設計思路及設計參數(shù)的選取。一、基本結構一般由筒體、封頭、接管、法蘭、支座等構成。接管、法蘭、支座等習慣上稱為容器的零部件。圖12.1 壓力容器的基本結構1-法蘭 2-支座 3-封頭拼接焊縫 4-封頭 5-環(huán)焊縫 6-補強圈 7-人孔 8-縱焊縫 9-筒體 10-壓力表 11-安全閥 12-液面計二、主要零部件筒體儲存或完成化學反應所需的壓力空間。常見外形：圓柱形和球形。通常是用鋼板卷成筒節(jié)后焊接而成，對于小直徑的壓力容器一般采用無縫鋼管制成。(2) 封頭形式較多，有半

3、球形、碟形、橢圓形、無折邊球形、錐形和平封等。(3) 法蘭容器的封頭與筒體及管口與外部管道連接的重要部件。通過螺栓連接，并通過擰緊螺栓使密封元件壓緊而保證密封。法蘭按其所連接的部件分為容器法蘭和管道法蘭。(4) 開孔與接管工藝要求和檢修的需要 (5) 支座支承并固定容器。 分立式容器支座和臥式容器支座兩類腿式支座支承式支座耳式支座裙式支座鞍座圈座支腿 內壓容器設計理論基礎 回轉殼體的幾何概念回轉殼體殼體中間面是由直線或平面曲線繞其回轉軸線旋轉一周而形成的殼體。中間面：平分回轉殼體厚度的（或說與殼體內外表面等距離的）曲面。容器的形式，有圓柱形、球形、橢圓形、圓錐形、方形、矩形等，最常用的是圓柱形

4、、圓錐形、球形、橢圓形及其以上不同幾何形狀的組合體。圓柱形、圓錐形、球形、橢圓形等殼體屬于回轉殼體。1. 基本幾何概念母線經線回轉軸M平行圓旋轉法截面法線繞軸旋轉一周形成的曲面K1K2回轉殼體的幾何術語： 母線：形成回轉殼體的原始直線或曲線。 經線：過回轉軸的平面與殼體中間平面的交線。 經線截面：經線與回轉軸構成的平面。 第一曲率半徑R1（經線曲率半徑）：殼體中間面上任意一點M處的經線的曲率半徑。 法線：過殼體中間面上任意一點M，作殼體中間面的垂線，稱為該點的法線，其延長線必與回轉軸相交。 第二曲率半徑R2 ：過殼體中間面上任一點M的法線，作垂直于經線的平面與殼體中間面相割形成一條曲線，該曲線

5、在M點處的曲率半徑 。注意：第一、第二曲率半徑均通過旋轉軸（或者說都在該點的法線上），且第二曲率半徑的中心落在旋轉軸上。橫截面：用垂直于主軸線的平面截得的面為橫截面。平行圓：橫截面與殼體中間面相交所得到的圓。平行圓半徑r ：平行圓的半徑。容器承受內壓時，殼體將產生膨脹變形，直徑和長度都有所增加。這意味著在內壓作用下，殼體圓周方向（緯向）和軸線方向（經向）均存在著拉應力；同時，由于曲率的改變，說明還存在著彎矩（彎曲應力）。2. 回轉殼體的無力矩理論計算殼壁應力的理論包括無力矩理論和有力矩理論。無力矩理論假定殼壁如同薄膜一樣，故又稱薄膜理論，認為殼壁只承受拉應力或壓應力，完全不能承受彎矩和彎曲應力

6、，殼壁內的應力即為薄膜應力 有力矩理論認為殼壁內除存在拉應力或壓應力外，還存在彎曲應力。 在工程實際中，無力矩理論有其近似性和局限性。由于彎曲應力一般很小，如略去不計，其誤差仍在工程計算的允許范圍內，而計算方法大大簡化，所以工程計算中常采用無力矩理論。 殼體的厚度、中面曲率和載荷連續(xù)，沒有突變，且構成殼 體的材料的物理性能相同。 殼體的邊界處不受橫向剪力、彎矩和扭矩作用。 殼體的邊界處的約束可沿經線的切線方向，不得限制邊界處的轉角與撓度。無力矩理論的的適用范圍。1. 微元平衡方程式對圖示的受內壓作用的任意形狀的回轉殼體，將其截開進行研究。用兩個相鄰的夾角為d的經線截面和兩個垂直于經線的旋轉法截

7、面截取一個微元體abcd圖無力矩理論的基本方程ad=bc=d1cd=ab=d2經向應力形成的合力： N = d2周向應力形成的合力： N = d1p形成的n方向的合力：F= pd1d2n：法線方向圖12.4 微元體的力平衡由對稱性可知：ad和bc兩截面上的周向應力相等；又因微元體很小，可認為ab和dc兩截面上的 （經向應力）是相等的。實際上， 另一面上為+d。(1)氣體作用于微元體上的合力(法線方向)F= p d1 d2(2)經向應力的合力在法線方向的分量dnnd1R1Fd/2（3）環(huán)向（周向）應力在法線方向的分量：由于d和d很小，sind/2=d/2 ,sind/2= d/2。由 d1= R

8、1d 和 d2=R2d 推出 d= d1/R1 ，d= d2 /R2 ，代回F和F計算式可得：dd2nnR2根據微元體平衡條件：F= F+F將F= p d1 d2及F和F計算式代入，整理后可得：拉普拉斯方程：該式又稱為微元體平衡方程式。是用薄膜理論求解應力的重要公式。拉氏方程推導思路：取微元體分析其受力列法線方向力的平衡化簡得出2. 區(qū)域平衡方程式由于拉氏方程中有兩個未知數(shù) 、，要求得兩應力的解，還需建立一個輔助方程。從回轉殼體容器上用旋轉法截面截取上部分離體，列其平衡方程：pyyDR2D=2R2 sin(1)氣體壓力p在y方向的合力為：N1=pD2/4(2)經向應力在y方向的合力為：N2=

9、DsinN2p由分離體平衡條件：介質壓力在y方向的合力應等于截面上的經向應力在y方向的合力。即：pD2/4= Dsin（外力=內力）將D=2R2sin代入上式得：pR2sin/2= sin整理后得區(qū)域平衡方程式：= pR2/2推導思路：取部分殼體分析其受力列軸線方向力的平衡得出yDp無力矩理論的應用1. 受氣體壓力p作用下的密閉圓柱形殼體因經線為直線，故有: R1=，R2=R（由于薄壁，可認為中間截面直徑等于內徑）pR2R根據拉氏方程可得：作一假想截斷面，分析部分殼體，列區(qū)域平衡方程：或：即：pR假想截斷面AApR即：圓柱形殼體的薄膜解為：（12-3）（12-4）2、筒壁上各點（除端蓋外）的應

10、力大 小不隨位置而改變，即應力均布。3、其周向（環(huán)向）應力是經向（軸向） 應力的2倍。所以筒體上開橢圓孔時， 其長軸應垂直于筒體軸線。結論：1、和與P和/ D有關。2. 受氣體壓力作用的球殼pR由球殼的對稱性:可得：所以由拉氏方程：1、當球體內部受均勻氣體壓力時，球殼上任意一點的經向應力和周向應力相等。2、球殼的環(huán)向應力僅為圓柱殼環(huán)向應力的一半，所以球殼的承載能力比圓柱殼大。R1=R2=R，結 論3.受氣壓作用的圓錐殼R1=，R2= r/cos MyrR22 r = ytg R2= r/cos由拉氏方程得：由區(qū)域平衡方程：結論：1、錐形殼體受氣體壓力時，在殼體上各點的應力隨點的位置不同而變化，

11、最大應力產生在錐體的大端處，錐頂處為0 ；而且，也存在 =2的關系。2、與同直徑的圓筒相比，錐筒的 、大。筒錐組合型設備，由于錐體大端處的應力大于圓筒，不宜在此處直接焊接，應設圓弧過渡。拉普拉斯方程：由區(qū)域平衡方程：圓筒 球殼 圓錐殼頂點處錐殼大端處有最大值4. 受氣壓的橢球殼體用四分之一橢圓旋轉而得到的回轉體。即用一個橢圓繞回轉軸旋轉一周所得到的橢球體的一半。通常用橢球形殼體作壓力容器封頭。bR2R1Maxy橢圓封頭球形封頭利用數(shù)學方法求得第一曲率半徑： bR2R1Maxy由橢圓方程再利用：可得出：bR2Maxy由區(qū)域平衡方程：可得：將拉氏方程：進行移項，并將上式代入進行整理，可得出和間關系

12、。于是可得出橢圓殼體的薄膜應力為： 橢球殼體的應力隨點的位置變化； 應力值大小還受橢圓殼本身幾何形狀的影響，a/b值不同時，應力大小也不同。結 論1）經向應力 殼體頂點處（x=0）： 赤道處（x=a）：可見， 恒為正值，即拉伸應力，且由頂點(最大）到赤道逐漸遞減到最小值。yx2）環(huán)向（周向）應力 殼體頂點處（x=0） ：可見，頂點處橢圓封頭的受力狀態(tài)較好！赤道處（x=a）討論（12-12）（12-13）當 時， 0 ；當 時， = 0 ；當 時， 0 。3）標準橢圓封頭a/b=2的封頭為標準封頭。其最大拉應力在頂點上：最大壓應力在赤道上：絕對值與頂點處相等需要注意的是，當 時，最大壓應力隨a/

13、b的增大而迅速增大。對大直徑封頭，會因壓縮應力過大而被壓出褶皺，引起彈性或塑性失穩(wěn)破壞，因此，一定要引起注意。圓筒 球殼 標準橢球殼頂點處赤道處圓錐殼頂點處錐殼大端處有最大值圓錐殼頂點處錐殼大端處有最大值（1）圓筒體上開橢圓孔時，其短軸應與圓筒軸線平行。（2）圓錐殼的錐頂處應力為零，故在此開孔較好。（3）在壓力p、直徑D、壁厚相同的條件下，圓筒中的最大薄膜應力是球殼中的2倍，故用球殼可節(jié)省材料。（4）圓錐殼中的最大薄膜應力是圓筒的1/cos倍，故錐殼比圓筒要厚。結論：5. 承受液體靜壓的圓柱形殼體（1）底部支承的圓柱殼M點壓力：圓柱殼由微體平衡方程：得：對敞口容器:經向應力：用過M點橫截面截開

14、，考慮上部殼體的力平衡，由于液體載荷對殼體的軸向作用力為零，故經向應力同承受氣壓的圓柱殼（9-4）對敞口容器:（2）上部支承的圓柱殼周向應力同底部支承的圓柱殼：對敞口容器:經向應力：用過M點橫截面截開，考慮下部殼體的力平衡，液體載荷對殼體的軸向作用力為液體總重，故軸向力F1由力平衡：得：對敞口容器:小結：1、拉氏方程和區(qū)域平衡方程推導的基本思路都是研究對象的受力平衡。應弄清楚氣體壓力 p (MPa)和氣體合力 F (N)、經向應力 (MPa) 和筒體斷面上合力 N (N) 之間的關系。2、不論是何種形狀的殼體，都要分清R1、R2并能根據殼體的形狀、尺寸求出R1、R2 。3、只要搞清上述兩點，就

15、能求出殼體上任一點處的應力。 殼體的厚度、中面曲率和載荷連續(xù)，沒有突變，且構成殼 體的材料的物理性能相同。 殼體的邊界處不受橫向剪力、彎矩和扭矩作用。 殼體的邊界處的約束可沿經線的切線方向，不得限制邊界處的轉角與撓度。無力矩理論的的適用范圍。邊緣應力的概念 1、邊緣：通常指兩部分殼體的聯(lián)接處或殼體變形不連續(xù)處。如：筒體和封頭的焊接處，曲率突變處，厚度突變處、支承點、加強筋以及接管處。另外：材質的改變、載荷突變、溫度突變等處也屬于邊緣。邊緣應力曲率突變厚度突變材料改變搭接處法蘭聯(lián)接處夾套處2、邊緣力和邊緣力矩：3、邊緣應力： 由于邊緣力和邊緣力矩引起的邊緣處的應力稱為邊緣應力。根據薄膜理論，在受

16、內壓作用時，由圓筒、球殼、橢圓殼、圓錐殼等幾種簡單殼體組成的容器，若允許各自在聯(lián)接處獨立自由變形，則各自的位移和轉角一般不等。實際上，作為一個整體，在邊緣處殼體必定是連續(xù)的，兩部分最終會達到變形協(xié)調（即位移和轉角必須相等），從而相互間產生了一種約束，由此產生了附加力和力矩，稱為邊緣力和邊緣力矩。球體的自由變形筒體的自由變形相連時，彼此受約束后的實際變形曲線邊緣變形脫節(jié)例如：圓筒、球殼及厚平板組成的壓力容器。又如，圓錐殼和圓筒殼組合容器。邊緣應力的特性1. 局限性（衰減波特性）邊緣應力僅局限在不連續(xù)處和連接點附近，只要離開連接邊界，邊緣應力就迅速衰減。對鋼制圓筒，邊緣應力的作用范圍只限于距邊緣為

17、 范圍內。再遠，則衰減到很小值，可不必考慮。 2.自限性邊緣應力是由于薄膜變形不連續(xù)，邊緣兩側的彈性變形受到相互約束而產生的。 當邊緣應力達到材料的屈服極限時，材料發(fā)生塑性變形，相對彈性變形階段而言，塑性變形階段的變形要容易得多，使以前的彈性約束得到緩解，變形協(xié)調性改觀，薄膜變形的不一致性得以緩解，從而使邊緣應力自動限制在一定范圍內。 由自限性和局部（限）性可推知，由于屈服區(qū)被廣大的彈性區(qū)所包圍和控制，不致使塑性區(qū)發(fā)生整體性的塑性流動，造成殼體破裂，故一般情況下邊緣應力不會影響容器的安全使用。邊緣應力的處理1. 結構上調整采用圓滑過渡不等厚度的削薄避開焊縫區(qū)局部加強（加墊板）減少不必要的附加應

18、力支座處的應力集中開孔接管處的應力集中焊接殘余應力 2. 不同材料的不同處理大多數(shù)用塑性較好的材料制成的中低壓容器，承受靜載荷時僅在結構上作某些處理，一般并不對邊緣應力作特殊考慮。對塑性較差的高強度鋼制造的重要壓力容器，低溫下鐵素體鋼制的重要壓力容器，受疲勞載荷作用的壓力容器，在邊緣高應力區(qū)有可能導致脆性破壞或疲勞破壞，必須計算其邊緣應力，并采取相應的控制措施。 壓力容器設計計算的內容：1.設計新容器由已知條件求厚度包括：確定設計參數(shù)（p，t，D ）；選擇使用的材料；確定容器的結構型式；計算筒體與封頭壁厚；選取標準件；繪制設備圖紙。內壓容器設計壓力容器的基本要求是安全性和經濟性，安全是核心問題

19、，要在保證安全的前提下盡可能做到經濟合理。2. 在用容器的校核根據國家質量技術監(jiān)督部門的規(guī)定，對使用的壓力容器實施定期檢驗制度，即壓力容器在使用一定年限后，筒體、封頭、接管等的壁厚均會因腐蝕而減薄，每次檢驗時，均應根據實測壁厚進行強度校核，其目的：1）判斷在下一個檢驗周期內、或在剩余壽命期間內，容器是否還能在原設計條件下安全使用；2）當容器已被判定為不能在原設計條件下使用時，應通過強度計算，提出容器監(jiān)控使用的條件；3）當容器針對某一使用條件需要判廢時，應提出判廢依據。彈性失效設計準則強度失效的兩種主要形式（在常溫、靜載作用下）屈服斷裂常用的強度失效設計準則彈性失效設計準則塑性失效設計準則爆破失

20、效設計準則彈塑性失效設計準則疲勞失效設計準則蠕變失效設計準則脆性斷裂失效設計準則常規(guī)設計 采用 彈性失效 設計準則彈性失效設計準則將容器總體部位的初始屈服視為失效。（某處的最大應力達到屈服極限即失效）強度條件：工程上，常常將強度設計準則中直接與許用應力相比較的量稱為相當應力或應力強度 彈性失效準則的強度理論第一強度理論第二強度理論第三強度理論第四強度理論適合于脆性材料適合于塑性材料鋼制壓力容器采用塑性較好的材料，適宜采用第三、第四強度理論。實際上，在容器的常規(guī)設計中至今仍采用第一強度理論，一方面，由于歷史原因；另一方面，計算結果與第三強度理論相近，誤差可在安全系數(shù)內考慮。所以，按照第一強度理論

21、，容器的強度條件為：式中1是容器壁中三個主應力中最大的一個。最大拉應力準則對于內壓薄壁容器的回轉殼體，通常最大主應力為周向應力，第二主應力為經向應力，第三主應力為徑向應力。由于3= r 0，所以第三強度理論和第一強度理論基本一致。因此，在容器各部分殼體進行強度計算時，主要是確定1 ，并將其控制在許用應力范圍內，從而求得容器的壁厚。第三強度理論：我國壓力容器 常規(guī)設計 的基本依據是鋼制壓力容器國家標準（GB150-1998）。該標準采用 彈性失效 為判斷依據。對于邊緣應力，可通過應力增強系數(shù)來修正壁厚計算式或采取局部加強措施進行處理。內壓圓筒和內壓球殼的設計已知圓筒殼體的設計溫度下材料的許用應力

22、，MPa將平均直徑D= Di + 代入式中，得：由工藝設計所給出1. 內壓圓筒引入焊接接頭系數(shù)對材料的許用應力進行修正。于是，強度條件成為：由此，得到圓筒的計算厚度：mm單位：mm單位：MPa考慮介質的腐蝕和鋼板負偏差，引入厚度附加量：鋼板或鋼管厚度負偏差?？砂聪鄳摪寤蜾摴軜藴蔬x取。當c1不大于0.25mm時可忽略不計。腐蝕裕量，對于碳素鋼和低合金鋼c2不小于1mm。對于不銹鋼，當介質腐蝕性極微時，可取c2 =0。（12-25）我國鋼制壓力容器GB150規(guī)定，容器的設計厚度d為計算厚度加腐蝕余量向上圓整量將設計厚度加上鋼板負偏差c1，向上圓整到鋼板的標準厚度，即為容器的名義厚度 （圖紙上所標

23、注的厚度）：對正在使用的容器或已知Di 、 n時，要判斷其是否安全，就需要計算容器的應力，即進行所謂的強度校核。此時，公式中應采用有效厚度進行校核，即：名義厚度 、設計厚度 、計算厚度 三者關系為：取等號得圓筒的最大允許工作壓力 t 則安全！筒體的應力2. 內壓球殼可得球殼的強度條件為：采用與圓筒相同的推導方法，可得：由球殼的應力計算式：球殼的計算厚度為：球殼的最大允許工作壓力當做校核計算時，同樣有： t 設計參數(shù)1. 設計壓力P與計算壓力Pc(1) 工作壓力指容器工作過程中，容器頂部的操作壓力。由于工作壓力在操作中一般是隨工藝過程而變化的，因此將容器頂部可能出現(xiàn)的最高壓力值稱為最大工作壓力。

24、(2) 設計壓力（圖紙上、容器銘牌上標注的壓力）設計壓力是指設定的容器頂部的最高壓力，其值一般不小于容器的最大工作壓力。 裝有安全閥時，取倍最高工作壓力作為設計壓力，且不低于安全閥的開啟壓力； 當容器內裝有爆炸介質，或由于化學反應引起壓力波動大時，需設置防爆膜。設計壓力取爆破片標定爆破壓力的上限值。根據所選用爆破片型式的不同，設計壓力取值范圍多為倍的最大工作壓力。 對于裝有液化氣體的容器，設計壓力與容器的充填系數(shù)、液化氣的臨界溫度有關。通常選取最高溫度下相應的飽和蒸氣壓作為設計壓力。(3) 計算壓力指在相應設計溫度下用以確定容器計算厚度的壓力，包括液柱靜壓力。容器裝有液體，各部位或受壓元件所承

25、受的液柱靜壓力達到設計壓力的5%時，液柱靜壓力應計入該部位或元件的計算壓力。2. 設計溫度（圖紙上、銘牌上標注的溫度）指容器在正常操作過程中，在相應的設計壓力下，殼體或元件金屬（金屬壁）可能達到的最高或最低（指0以下）溫度。設計溫度是選擇材料及確定許用應力的一個基本參數(shù)。設計溫度也應根據不同情況進行選取，如下： 容器內裝有不被加熱或冷卻的介質時，取介質溫度作為殼壁溫度； 用蒸汽、熱水或其它液體從外部間接加熱或冷卻內部介質的容器，器壁溫度取加熱介質（熱載體）的最高溫度或冷卻介質（冷載體）的最低溫度。 當容器內的介質是用蒸汽直接加熱或用其它電熱元件插入介質加熱，或進入容器前介質已被加熱，取介質的最

26、高溫度為設計溫度。 用可燃性氣體或電加熱的器壁，有襯砌層或一側裸露在大氣中，其器壁溫度取被加熱介質溫度加上20；直接受影響的器壁溫度取介質溫度加上50；若載熱體溫度大于600，器壁溫度取介質溫度加上100。且器壁設計溫度均應不低于250。 注意：對 間歇操作 的設備，若容器內介質的溫度和壓力隨反應和操作程序進行周期性變化時，應按最苛刻、但屬于同一時刻的溫度和壓力作為設計溫度和設計壓力。而不能把分屬不同時刻的溫度和壓力作為設計溫度和設計壓力。3. 許用應力與安全系數(shù)許用應力是材料的極限應力與相應的安全系數(shù)之比。GB150中為方便設計，將常用鋼板在不同溫度下的許用應力直接給出，可直接查用。其它如鋼

27、管、鍛件、螺栓等常用材料在不同溫度下的許用應力也直接給出，可查閱有關設計手冊。4. 焊接接頭系數(shù)理論上，焊縫金屬的強度等于或高于金屬本體的強度。但由于焊縫熱影響區(qū)有熱應力存在，形成的粗大晶粒使強度和塑性降低，焊縫中出現(xiàn)的氣孔、夾渣和未焊透等缺陷，都會影響焊縫的強度。因而，要依據焊縫結構、施焊質量以及探傷檢驗的嚴格程度等，引入焊接接頭系數(shù)對材料強度進行修正。 凡符合下列條件之一的容器，其對接焊縫需100%無損探傷（GB150-1998)鋼材厚度大于30 mm的碳鋼、16MnR;鋼材厚度大于25 mm的15MnVR、15MnV、20MnMo和奧氏體不銹鋼;標準抗拉強度下限值b大于540MPa的鋼材

28、；鋼材厚度大于16 mm的12CrMo、15CrMoR、 15CrMo; 其他任意厚度的Cr-Mo低合金鋼; 進行氣壓試驗的容器；盛裝毒性為極度或高度危害介質的容器； 常用無損探傷的方法：X射線和超聲波。無損探傷分兩種：100%無損探傷和局部探傷（要求探傷長度20%焊縫長度且不小于250mm）。雙面焊的對接接頭和相當于雙面焊的全焊透對接接頭（壓力容器常采用此種焊接接頭）全部無損探傷 ；局部無損探傷 ；帶墊板的單面對接焊縫全部無損探傷 ；局部無損探傷 ；厚度附加量c由兩部分組成：5. 厚度附加量c1 - 鋼板或鋼管厚度負偏差?？砂聪鄳摪寤蜾摴軜藴蔬x取。 當c1不大于時可忽略不計。c2 -腐蝕裕

29、量，可根據介質的腐蝕性及容器的設計壽命來確定K 為均勻腐蝕速率(mm/a)，可由腐蝕手冊查得；a 為容器設計壽命年(a)，一般中低壓容器的設計壽命為1015年。 對于碳素鋼和低合金鋼c2不小于1mm。對于不銹鋼，當介質腐蝕性極微時，可取c2 =0。6. 容器最小厚度容器的最小壁厚除應滿足強度要求外，還應滿足制造、安裝和運輸?shù)确矫娴囊螅ㄖ饕竸傂砸螅?，所以，設計時必須規(guī)定殼體的最小厚度。一般按以下方法確定： 1. 碳鋼和低合金鋼制容器 ： 殼體加工成形后不包括腐蝕裕量的最小厚度 min 3mm。2. 對于不銹鋼容器： 殼體加工成形后不包括腐蝕裕量的最小厚度min 2mm。 內壓封頭（又稱端蓋

30、），按形狀可分為三類：凸形封頭錐形封頭平板封頭半球形橢圓形碟形（帶折邊球形）無折邊球形(球冠形）回轉殼體內壓封頭設計根據平板彎曲理論進行強度計算計算以薄膜理論為基礎根據邊緣應力的概念，封頭和筒體連接處通常存在邊緣應力；有些封頭（如碟形）的母線不連續(xù)，也會引起邊緣應力。因此，內壓封頭設計的基本思路是：以薄膜理論為基礎建立設計公式，對于邊緣應力的影響，則在公式中引入應力增強系數(shù)。一、半球形封頭半球形封頭是由半個球殼構成的，它的計算厚度公式與球殼相同：比較圓筒形筒體計算厚度公式，球形封頭的厚度較相同直徑和壓力下的圓筒厚度可減薄一半。實際應用中，為了焊接方便并降低邊界處的邊緣應力，通常將半球形封頭和圓

31、筒體的厚度取為相同。加工成型：半球形封頭深度大，整體沖壓成型較困難。通常：小直徑且壁薄的可采用整體熱沖壓成型；大直徑（）的采用分瓣沖壓再組焊成型（可先在水壓機上將數(shù)塊鋼板沖壓成型后再在現(xiàn)場拼焊成型）。半球形封頭圖應用場合：大型或小型高壓容器的封頭由半橢球和高度為h0的短圓筒（封頭直邊）兩部分組成。直邊的作用是使封頭與筒體連接的環(huán)焊逢避開封頭自身邊緣應力的影響。避免邊緣應力與熱應力疊加。二、橢圓形封頭受內壓橢圓形封頭中的應力，包括由內壓引起的薄膜應力和封頭與圓筒連接處的邊緣應力。橢圓形封頭中的最大應力和圓筒周向薄膜應力的比值稱為應力增強系數(shù)或形狀系數(shù)，用K表示。研究表明，在一定條件下，應力增強系

32、數(shù)與橢圓形封頭長軸與短軸之比a/b有關。當a/b在范圍內時，工程上采用簡化式來計算K值，即hi 為封頭內表面深度(不含直邊)。 由K的定義可知，橢圓形封頭中的最大應力是圓筒周向薄膜應力的K倍，而圓筒周向薄膜應力又是球殼上薄膜應力的2倍，所以，橢圓形封頭中的最大應力就是球殼上薄膜應力的2K倍。故橢圓形封頭的厚度計算式可以用半球形封頭的厚度乘以2K得到，即 時，K=1，即所謂標準橢圓封頭，其計算厚度為：三、碟形封頭由三部分組成：Ri為半徑（內半徑）的球面r為半徑的過渡圓?。ㄕ圻叄└邽閔0的直邊hh0RirDi主要缺點：球形部分、過渡區(qū)的圓弧部分及直邊部分的連接處曲率半徑有突變，有較大的邊緣應力產生

33、。若球面半徑越大，折邊半徑越小，封頭的深度越淺，有利于制造。但是，考慮到球面部分與過渡區(qū)聯(lián)接處的局部高應力，一般規(guī)定：RiDi， r不小于圓筒直徑的10%且 r3n（封頭名義厚度）。碟形封頭的主要優(yōu)點：便于加工，若有球面模具，可用人工鍛打成型，且可以在安裝現(xiàn)場制造。厚度計算仍以球殼為基礎：和橢球分母形式一致考慮到過渡圓或折邊處曲率變化較大，因而折邊內除了薄膜應力外，還存在邊緣彎曲應力，計算厚度采用與橢圓類似的方法，引入形狀系數(shù)M（應力增強系數(shù)）進行修正：其中當 Rii，i 時，稱為標準碟形封頭。其有效厚度應不小于封頭內直徑Di的0.15%，其它碟形封頭的有效厚度應不小于封頭內直徑Di的0.3%

34、。碟形封頭與橢圓封頭比較，在相同直徑和高度的情況下，橢圓形封頭的應力分布較碟形封頭要均勻，因此，只有在加工橢圓封頭有困難或直徑較大、壓力較低的情況下才選用碟形封頭。四、錐形封頭錐形封頭具有便于收集和卸除含固體物料的優(yōu)點，也常用于兩段直徑不等的筒體的連接過渡體（變徑段）。錐形封頭包括無折邊（30時采用）有折邊（ 30時采用）1. 無折邊錐形封頭(最大應力為錐殼大端的周向應力)可推得其計算壁厚為：需要加強時，壁厚按下式計算：系數(shù)Q值可查圖2. 有折邊錐形封頭(1) 錐殼大端厚度 錐殼大端厚度按下式計算，取其中較大值。錐殼大端過渡段厚度K為系數(shù)，由表查得。與過渡段相接處的錐殼厚度按下式計算 (2)

35、錐殼小端厚度 錐殼小端分兩種情況，當半頂角45時，小端若采用無折邊，小端厚度按無折邊錐殼小端厚度的計算方法計算；小端若采用有折邊，小端過渡段厚度的計算見GB150鋼制壓力容器。五、平板封頭結構型式 圓平板、橢圓形平板、長圓形平板、矩形和正方形平板。圓平板受力情況 受均布載荷的圓平板內產生徑向和切向彎曲應力。應力沿壁厚是不均布的。用薄板理論求解。 而半球、橢圓、碟形、錐形封頭均為薄壁回轉殼體，稱為凸形、錐形封頭。受內壓時殼壁中為兩向拉應力狀態(tài)，沿壁厚均布。圓平板中的最大應力 周邊簡支時周邊固支時結論：max與（R/) 2成正比，而凸形、錐形封頭中的max與（R/) 成正比。因此，在（R/) 和P

36、c相同的情況下，圓平板中的應力要比凸形、錐形封頭中的應力大得多，承載所需的厚度也大得多。所以，一般情況下承壓容器不用平板作為封頭。常用于人孔、手孔蓋和高壓容器的封頭。圓平板厚度公式 由強度條件max，得 周邊固支時周邊簡支時引入結構特征系數(shù)K，統(tǒng)一為工程實際中，支撐介于兩者之間：（12-45）非圓形平蓋厚度的計算依連接形式的不同而不同。12.5 容器的壓力試驗12.5.1 壓力試驗的目的與對象1. 目的 容器的壓力試驗是在超過設計壓力的壓力下，對容器進行試運行的過程。壓力試驗的目的是檢查容器的宏觀強度、焊縫的致密性及密封結構的可靠性，及時發(fā)現(xiàn)容器鋼材、制造及檢修過程中存在的缺陷，是對材料、設計

37、、制造及檢修等各環(huán)節(jié)的綜合性檢查。通過壓力試驗將容器的不安全因素在正式使用前充分暴露出來，防患于未然。所以壓力試驗是保證設備安全運行的重要措施，必須嚴格執(zhí)行。2. 對象(1) 新制造的容器。(2) 改變使用條件，且超過原設計參數(shù)并經強度校 核合格的容器。(3) 停止使用兩年后重新啟用的容器。(4) 使用單位從外單位拆來新安裝的或本單位內部 移裝的容器。(5) 用焊接方法修理改造、更換主要受壓元件的容 器。(6) 需要更換襯里(重新更換襯里前)的容器。(7) 使用單位對安全性能有懷疑的容器。12.5.2 試驗方法壓力試驗有液壓試驗和氣壓試驗兩種。一般情況都采用液壓試驗，因為液體的壓縮性很小，所以

38、液壓試驗比較安全。只有對不宜作液壓試驗的容器才進行氣壓試驗，如內襯耐火材料不易烘干的容器、生產時裝有催化劑不允許有微量殘液的反應器殼體等。對介質毒性程度為極度、高度危害的容器或設計要求不允許有微量泄漏的容器，在進行液壓試驗后還要作氣密性試驗。12.5.3 試驗壓力及應力校核1.試驗壓力液壓試驗時試驗壓力為 氣壓試驗時試驗壓力為 設計壓力常溫下材料的許用應力設計溫度下材料的許用應力液壓試驗一般用水作為試驗介質，并通常在常溫下進行。不同材質有最低試驗溫度的控制指標，可參考GB150-1998。如：碳素鋼、16MnR等5 ，其它低合金鋼 15等。液壓試驗的步驟如下：將容器充滿液體（在容器最高點設排氣

39、口），待容器壁溫與液體溫度相同時緩慢升壓至規(guī)定試驗壓力，保壓30分鐘以上，然后將壓力降到規(guī)定試驗壓力的80%，并保持足夠時間，以便對所有焊縫和連接部位進行檢查，如發(fā)現(xiàn)泄漏，應修補后重新試驗。液壓試驗 不銹鋼容器進行水壓試驗時，應限制水中氯離子含量不超過25mg/L。 采用石油蒸餾產品進行液壓試驗時，試驗溫度應低于石油產品的閃點或沸點。 液壓試驗完畢后，應將液體排盡，并用壓縮空氣將內部吹干。液壓試驗一般對不適合做液壓試驗的容器才做氣壓試驗。如容器內不允許有殘留液體；由于結構原因無法充滿液體的容器。所用氣體應是干燥并潔凈的空氣、氮氣或其它惰性氣體，試驗氣體溫度一般不低于15。試驗程序為：緩慢升壓到

40、規(guī)定試驗壓力的10%，且不超過，保壓5min，然后按每級為規(guī)定試驗壓力的10%逐級升壓到試驗壓力，保持10min，然后降壓到試驗壓力的87%，保持足夠時間并同時進行檢查，如有泄漏，應修補后再按上述步驟重新試驗。氣壓試驗為使液壓和氣壓試驗時容器材料處于彈性狀態(tài)，在壓力試驗前必須按下式校核試驗時圓筒的薄膜應力 ：（液壓）（氣壓）對于直立容器臥置進行壓力試驗時，試驗應力應加上立置時的液柱靜壓。2. 應力校核 設計計算的內容： 1. 設計新容器由已知條件求厚度 2. 在用容器的校核常壓容器設計 設計計算依據的標準： JB/T4735-1997鋼制焊接常壓容器（沒有設計資格的要求） 包括的四類容器及適用

41、的范圍：各類容器的具體適用范圍 圓筒形容器：受內壓和（或）液柱靜壓力作用的圓筒形容器。容器類別設計壓力p設計溫度t容積限度圓筒形容器-0.02 MPap0. 1MPa-20t350500L立式圓筒形儲罐-500Pap2000Pa-20t25020m310000m3圓筒形料倉100不限矩形容器連通大氣常溫將計算壓力pc ，平均直徑D Di 代入式中，得：引入焊接接頭系數(shù)對材料的許用應力進行修正。于是，得到圓筒的計算厚度：內壓圓筒已知圓筒殼體的 由第一強度理論：（一）內壓圓筒設計設計厚度d為計算厚度（或最小厚度）加腐蝕裕量，即：向上圓整量厚度附加量將設計厚度加上鋼板負偏差c1后，向上圓整到鋼板的標

42、準厚度，即為容器的名義厚度n （圖紙上所標注的厚度）：名義厚度n 、設計厚度d 、計算厚度三者關系為：對正在使用的容器或已知Di 、 n時，要判斷其是否安全，就需要計算容器的應力，即進行所謂的強度校核。此時，公式中應采用有效厚度e = n -c 進行校核，即：（二）設計參數(shù)選擇2. 工作壓力指容器工作過程中，容器頂部的操作壓力。由于工作壓力在操作中一般是隨工藝過程而變化的，因此將容器頂部可能出現(xiàn)的最高壓力值稱為最大工作壓力。1. 設計壓力p（圖紙上、容器銘牌上標注的壓力） 設計壓力是指設定的容器頂部的最高壓力，其值一般 不小于容器的最大工作壓力。3. 計算壓力pc 用來確定筒體計算厚度的壓力，

43、其值為設計壓力與液體靜壓力之和。4. 設計溫度（圖紙上、銘牌上標注的溫度）指在正常操作過程中，殼體或元件金屬（金屬壁）可能達到的最高或最低（指0以下）溫度。設計溫度是選擇材料及確定許用應力的一個基本參數(shù)。5. 許用應力t鋼板、鋼管的許用應力按表選取。6. 容器最小壁厚容器的壁厚除應滿足強度要求外，還應滿足制造、安裝和運輸?shù)确矫娴囊螅ㄖ饕竸傂砸螅?，所以，設計時必須滿足圓筒的最小厚度要求。一般按以下方法確定：碳鋼和低合金鋼為3mm。高合金鋼為2mm。 7. 焊接接頭系數(shù)焊接接頭形式無損檢測比例 值焊接接頭形式無損檢測比例值焊接接頭形式無損檢測比例值雙面焊對接接頭和相當于雙面焊的全焊透對接接頭

44、100%1.00單面焊對接接頭(沿焊縫根部有緊貼基本金屬的墊板)100%0.90單面焊對接接頭(無墊板)局部0.85局部0.80局部0.7000.7000.6500.60焊接接頭系數(shù)的取值與接頭的形式及對其進行無損檢測的長度比例有關，按表確定。 常壓容器焊接接頭系數(shù)8. 壓力試驗常壓容器在制造完成后或檢修后投入生產前都要進行壓力試驗或試漏。包括：盛水試驗、液壓試驗、氣密性試驗和煤油試漏、肥皂水試漏。盛水試驗、液壓試驗的目的：檢查容器在超工作壓力下的宏觀強度，包括檢查材料的缺陷、容器各部分的變形、焊接接管的強度和容器法蘭連接的泄漏檢查等。氣密性試驗和試漏的目的：檢查容器在滿足強度要求的前提下焊縫

45、、密封面等處是否有泄漏。（2）試驗壓力：設計壓力常溫下材料的許用應力設計溫度下材料的許用應力且pT 0.1 MPa（1）盛水試驗：試驗的持續(xù)時間不少于1小時，試驗 完畢后立即將水排凈并使之干燥。液壓試驗：氣密性試驗：（3）壓力試驗時的應力校核：（液壓）（氣密性）圓筒有效厚度（mm）試驗溫度下材料的屈服極限（MPa）內壓封頭1. 橢圓形封頭計算厚度有效厚度e 不小于封頭內徑Di 的0.1%。2. 碟形封頭計算厚度一般，取Rii，rii且不得小于3倍的名義厚度。標準碟形封頭（ Rii，rii ）其有效厚度e 不小于封頭內徑Di 的 0.1%。3. 錐形封頭計算厚度無折邊錐形封頭的最小厚度不小于與其

46、連接的大端圓筒的最小厚度。4. 平蓋圓形平蓋計算厚度Dc與結構特征系數(shù)K查表本章設計例題容器的設計包括新容器的設計和在用容器的校核。設計新容器包括的內容：選取設計參數(shù)（包括已知的和設計者選取的）套公式求出計算厚度。向上圓整取名義厚度（鋼板厚度）。確定水壓試驗壓力及水壓試驗時的應力校核。在用容器校核包括的內容：主要是校核在現(xiàn)有條件下殼壁中的應力是否滿足許用應力的要求。例 設計圓筒形液氨貯罐。Di=1800mm，pc，操作溫度為-340oC，試選材，確定筒體壁厚，確定封頭的型式和壁厚。解：1. 筒體 （1）選材：根據介質的性質（主要是腐蝕性）、溫度及壓力，適合的材料有20R、16MnR、15MnV

47、R。其中16MnR性價比（綜合性能、價格、市場供貨情況）較好，故選擇16MnR。（2）筒體厚度 計算厚度：， Di=1800mm（雙面對接焊，局部無損探傷）t=170MPa（按設計溫度為50oC查表）C2=2mm（根據介質腐蝕情況確定）設計厚度d= + C2 =C1（鋼板厚度在825mm范圍內）取名義厚度n=14mm n=14mm時， t、 C1無變化，故以上計算不用修改。（3）水壓試驗時的壓力及應力校核 筒體的有效厚度e= n-(C1 + C2 )= s=345MPa pT=1.25p t t= pT(Di+ e)2 e t 0.9 s(310.5MPa) 滿足要求。（4）平板封頭計算厚度名

48、義厚度 n=120mm封頭（1）球形封頭 n=8 mm（2）橢圓形封頭 n=14 mm（3）碟形封頭 n=18 mm各種封頭技術經濟性能比較： 球形 橢圓形 碟形 錐形 平板受力情況 好 差消耗材料 少 多制造難易 難 易橢圓形封頭綜合性能好，中低壓容器大多采用之。球形封頭用于某些高壓容器。錐形封頭常用于卸除含固體的物料或變徑段。平板封頭用于人、手孔蓋，小直徑高壓容器封頭。本 章 小 結一、壓力容器的基本知識了解容器的結構，最基本的部件有筒體、封頭、支座、人孔、接管五部分。掌握容器的分類，特別是按介質壓力的分類和綜合分類。二、中低壓容器設計的理論基礎中低壓容器一般均為薄壁回轉殼體(K1.2),

49、薄壁回轉殼體受內壓時，殼壁中產生環(huán)向和軸向的拉應力（薄膜應力，薄膜應力的含義是應力沿壁厚均布），應力的大小及分布情況用無力矩理論（薄膜理論）求解。掌握回轉殼體的幾個幾何概念。經線、法線、平行圓半徑r、第一曲率半徑R1、第二曲率半徑R2。典型殼體的第一、第二曲率半徑的計算，球殼： R1= R2=R；圓筒： R1=， R2=R；圓錐： R1=， R2=r/cos。3. 拉氏方程（9-1）和區(qū)域平衡方程（9-2）的推導思路，取微元體分析其受力列法線方向力的平衡化簡得出（9-1）。取部分殼體分析其受力列軸線方向力的平衡得出（9-2）。注意（9-1）式的適用范圍。4. 用（9-1）、（9-2）求解典型殼體受氣壓時殼壁中應力的步驟：（1）求出殼體的第一、第二曲率半徑R1、R2。（2）由（9-2）求，再由（9-1）求。幾種典型殼體受氣壓時殼壁中的應力值及分布情況，以及由此得出的對實際應用有指導意義的結論