容器設(shè)計基礎(chǔ)

1、第十章第十章 容器設(shè)計基礎(chǔ)容器設(shè)計基礎(chǔ)第一節(jié)第一節(jié) 概概 述述一、容器的結(jié)構(gòu)一、容器的結(jié)構(gòu) 殼體殼體( (筒體筒體) )、封頭、封頭( (端蓋端蓋) )、法蘭、支座、接口、法蘭、支座、接口管及人孔等組成。常低壓化工設(shè)備通用零部管及人孔等組成。常低壓化工設(shè)備通用零部件標(biāo)準(zhǔn)直接選用。件標(biāo)準(zhǔn)直接選用。 封頭人孔支座筒體管口液位計二、容器的分類二、容器的分類壓力容器分類壓力容器分類按容器的形狀按容器的形狀 按承壓性質(zhì)按承壓性質(zhì) 按管理按管理其它其它按容器壁溫按容器壁溫按金屬材料按金屬材料按應(yīng)用情況按應(yīng)用情況按容器形狀分類按容器形狀分類名稱名稱特特 點點方形方形矩形矩形容器容器平板焊成，制造簡便，但承壓

2、能力平板焊成，制造簡便，但承壓能力差，只用作小型常壓貯槽差，只用作小型常壓貯槽球形容器球形容器弓形板拼焊，承壓好，安裝內(nèi)件不弓形板拼焊，承壓好，安裝內(nèi)件不便，制造稍難便，制造稍難,多用作貯罐多用作貯罐圓筒形容圓筒形容器器 筒體和凸形或平板封頭。制造容易，筒體和凸形或平板封頭。制造容易，安裝內(nèi)件方便，承壓較好，應(yīng)用最安裝內(nèi)件方便，承壓較好，應(yīng)用最廣廣按承壓性質(zhì)按承壓性質(zhì) 內(nèi)壓：內(nèi)部介質(zhì)壓力大于外界壓力內(nèi)壓：內(nèi)部介質(zhì)壓力大于外界壓力外壓：內(nèi)部介質(zhì)壓力小于外界壓力外壓：內(nèi)部介質(zhì)壓力小于外界壓力真空：內(nèi)部壓力小于一個絕壓的外壓容器真空：內(nèi)部壓力小于一個絕壓的外壓容器容器分類容器分類設(shè)計壓力設(shè)計壓力 p

3、 （MPa）低壓容器低壓容器0.1p1.6中壓容器中壓容器1.6p10高壓容器高壓容器10p100超高壓容器超高壓容器p100內(nèi)壓容器的分類內(nèi)壓容器的分類毒性危害程度分級毒性危害程度分級指指 標(biāo)標(biāo)分分 級級極度危害極度危害高度危害高度危害 中毒危害中毒危害 輕度危害輕度危害 急性急性中毒中毒吸入吸入 200 mg/m3200 mg/m32000 mg/m320000 mg/m3經(jīng)皮經(jīng)皮100100 500 2500經(jīng)口經(jīng)口2525 500 5000急性中毒急性中毒易中毒后易中毒后果嚴(yán)重果嚴(yán)重可中毒，可中毒，愈后良好愈后良好偶可中毒偶可中毒無中毒但無中毒但有影響有影響慢性中毒慢性中毒患病率高患病

4、率高較高較高偶有發(fā)生偶有發(fā)生有影響有影響慢性中毒后果慢性中毒后果 繼續(xù)進(jìn)展繼續(xù)進(jìn)展不能治愈不能治愈可基本治可基本治愈愈可恢復(fù)無可恢復(fù)無嚴(yán)重后果嚴(yán)重后果可恢復(fù)無可恢復(fù)無不良后果不良后果致癌性致癌性 人體致癌人體致癌可疑致癌可疑致癌動物致癌動物致癌無致癌性無致癌性最高容許濃度最高容許濃度 0.10.1-1.0-10常見化學(xué)介質(zhì)常見化學(xué)介質(zhì) 光氣、汞、氰光氣、汞、氰化氫化氫甲醛甲醛,苯胺、苯胺、氟化氫、氟化氫、二氧化硫二氧化硫,硫硫化氫化氫,氨氨根據(jù)壓力等級、介質(zhì)毒性危害程度以及生根據(jù)壓力等級、介質(zhì)毒性危害程度以及生產(chǎn)中的作用，壓力容器可分為三類。產(chǎn)中的作用，壓力容器可分為三類。第一類壓力容器、第二

5、類壓力容器、第三第一類壓力容器、第二類壓力容器、第三類壓力容器類壓力容器不包括核能、船舶專用、直接受火焰加熱不包括核能、船舶專用、直接受火焰加熱容器容器名稱名稱說明說明三類容器三類容器（1） 高壓容器；高壓容器；（2） 毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)的中壓容器；毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)的中壓容器； （3） 中度危害介質(zhì)，且中度危害介質(zhì)，且pV大于等于大于等于10MPam3中壓儲存容器；中壓儲存容器；（4） 中度危害介質(zhì)，且（中度危害介質(zhì)，且（5） 毒性程度為極度和高度毒性程度為極度和高度pV大于等于大于等于0.5MPam3中壓反應(yīng)容器；中壓反應(yīng)容器； 危害介質(zhì)，且危害介質(zhì)，且pV乘積大于式汽

6、車和罐式集裝箱等；乘積大于式汽車和罐式集裝箱等； 等于等于0.2MPam3的低壓容器；的低壓容器； （6） 高壓、中壓管殼式余熱鍋爐；高壓、中壓管殼式余熱鍋爐；（7） 中壓搪玻璃壓力容器；中壓搪玻璃壓力容器；（8） 使用強(qiáng)度級別較高的材料制造的壓力容器；使用強(qiáng)度級別較高的材料制造的壓力容器；（9） 移動式壓力容器，鐵路罐車、罐；移動式壓力容器，鐵路罐車、罐；（10） 容積大于等于容積大于等于50 m3的球形儲罐；的球形儲罐；（11） 容積大于容積大于5 m3的低溫液體儲存容器。的低溫液體儲存容器。 二類容器二類容器（1） 中壓容器；中壓容器； （2） 毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)的低壓容器；毒

7、性程度為極度和高度危害介質(zhì)的低壓容器； （3） 易燃介質(zhì)或毒性程度為中度危害介質(zhì)的低壓反應(yīng)容器和易燃介質(zhì)或毒性程度為中度危害介質(zhì)的低壓反應(yīng)容器和低壓儲存容器；低壓儲存容器； （4） 低壓管殼式余熱鍋爐；低壓管殼式余熱鍋爐；（5） 低壓搪玻璃壓力容器。低壓搪玻璃壓力容器。 一類容器一類容器不在第三類、第二類壓力容器之內(nèi)的低壓容器為第一類壓力容器。不在第三類、第二類壓力容器之內(nèi)的低壓容器為第一類壓力容器。按容器壁溫按容器壁溫常溫容器：壁溫常溫容器：壁溫-20-20至至200200；高溫容器：壁溫達(dá)到蠕變溫度高溫容器：壁溫達(dá)到蠕變溫度, ,碳素鋼或低合金碳素鋼或低合金鋼容器，溫度超過鋼容器，溫度超過

8、420420，合金鋼超過，合金鋼超過450450，奧氏體不銹鋼超過奧氏體不銹鋼超過550550，均屬高溫容器；，均屬高溫容器；中溫容器：在常溫和高溫之間；中溫容器：在常溫和高溫之間；低溫容器：壁溫低于低溫容器：壁溫低于-20, -20-20, -20至至-40-40為淺為淺冷容器，低于冷容器，低于-40-40者為深冷容器。者為深冷容器。三、壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)簡介三、壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)簡介壓力容器標(biāo)準(zhǔn)是全面總結(jié)壓力容器生壓力容器標(biāo)準(zhǔn)是全面總結(jié)壓力容器生產(chǎn)、設(shè)計、安全等方面的經(jīng)驗，不斷納產(chǎn)、設(shè)計、安全等方面的經(jīng)驗，不斷納入新科技成果而產(chǎn)生的。它是壓力容器入新科技成果而產(chǎn)生的。它是壓力容器設(shè)計、制造、驗收等

9、必須遵循的準(zhǔn)則。設(shè)計、制造、驗收等必須遵循的準(zhǔn)則。壓力容器標(biāo)準(zhǔn)涉及設(shè)計方法、選材及制壓力容器標(biāo)準(zhǔn)涉及設(shè)計方法、選材及制造、檢驗方法等。造、檢驗方法等。 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)v19891989我國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會制訂了我國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會制訂了GB150-89GB150-89鋼制壓力容器鋼制壓力容器v19981998年修訂成年修訂成GB150-1998GB150-1998，使標(biāo)準(zhǔn)更加完善。，使標(biāo)準(zhǔn)更加完善。vGB150GB150鋼制壓力容器鋼制壓力容器內(nèi)容包括：內(nèi)容包括：壓力容器板殼元件計算壓力容器板殼元件計算容器結(jié)構(gòu)要素的確定容器結(jié)構(gòu)要素的確定密封設(shè)計密封設(shè)計超壓泄放裝置的設(shè)置超壓

10、泄放裝置的設(shè)置容器的制造與驗收的要求等容器的制造與驗收的要求等 國外主要規(guī)范國外主要規(guī)范國外的規(guī)范主要有四個：國外的規(guī)范主要有四個：美國美國ASMEASME規(guī)范，規(guī)范，英國壓力容器規(guī)范（英國壓力容器規(guī)范（BSBS），），日本國家標(biāo)準(zhǔn)（日本國家標(biāo)準(zhǔn)（JISJIS），），德國壓力容器規(guī)范（德國壓力容器規(guī)范（ADAD）。）。薄壁容器薄壁容器 根據(jù)容器外徑根據(jù)容器外徑DO與內(nèi)徑與內(nèi)徑Di的比值的比值K K來判斷，來判斷，iiiiDDDDDK2120當(dāng)當(dāng)K1.2K1.2為薄壁容器為薄壁容器 K K1.21.2則為厚壁容器則為厚壁容器第二節(jié)第二節(jié) 內(nèi)壓容器設(shè)計的基本理論內(nèi)壓容器設(shè)計的基本理論容器設(shè)計的基本

11、要求容器設(shè)計的基本要求1、強(qiáng)度、強(qiáng)度 保證安全生產(chǎn)；保證安全生產(chǎn)；2、剛度、剛度 防止在使用、運輸、安裝過程中產(chǎn)生防止在使用、運輸、安裝過程中產(chǎn)生不允許的變形；不允許的變形；3、穩(wěn)定性、穩(wěn)定性 防止壓癟或出現(xiàn)折皺（主要指外壓防止壓癟或出現(xiàn)折皺（主要指外壓容器）；容器）；4、耐久性、耐久性 保證一定使用年限：一般保證一定使用年限：一般1020年；年；高壓設(shè)備：高壓設(shè)備：2030年。取決于選材、防腐、施年。取決于選材、防腐、施工是否正確；工是否正確；5、氣密性、氣密性 防止有毒介質(zhì)泄漏。防止有毒介質(zhì)泄漏。6、其它、其它 節(jié)材、工藝性好、運輸安裝操作維修節(jié)材、工藝性好、運輸安裝操作維修方便。方便。一

12、一 旋轉(zhuǎn)殼體的幾何概念旋轉(zhuǎn)殼體的幾何概念 母線與經(jīng)線母線與經(jīng)線法線、平行圓法線、平行圓第一曲率半徑：經(jīng)第一曲率半徑：經(jīng)線曲率半徑線曲率半徑第二曲率半徑：垂第二曲率半徑：垂直于經(jīng)線的平面直于經(jīng)線的平面與中面相割形成與中面相割形成的曲線的曲線BEBE的曲率的曲率半徑半徑回轉(zhuǎn)曲面回轉(zhuǎn)曲面任何直線或平面曲線（母線）繞其同平面內(nèi)的一條已知直線（軸線）旋轉(zhuǎn)一周形成的曲面。回轉(zhuǎn)殼體回轉(zhuǎn)殼體以回轉(zhuǎn)曲面為中間面的殼體。壁厚壁厚內(nèi)外表面之間的法向距離。經(jīng)線經(jīng)線縱截面（軸截面）與回轉(zhuǎn)曲面的交 線。與母線形狀相同。緯線緯線（正交）錐截面與回轉(zhuǎn)曲面的交線。平行圓平行圓橫截面與回轉(zhuǎn)曲面的交線。二二 無力矩理論基本方程式無

13、力矩理論基本方程式 無力矩理論是在旋轉(zhuǎn)薄殼的受力分析中忽無力矩理論是在旋轉(zhuǎn)薄殼的受力分析中忽略了彎矩的作用。略了彎矩的作用。此時應(yīng)力狀態(tài)和承受內(nèi)壓的薄膜相似。又此時應(yīng)力狀態(tài)和承受內(nèi)壓的薄膜相似。又稱薄膜理論稱薄膜理論22pR 微體平衡方程式微體平衡方程式區(qū)域平衡方程式區(qū)域平衡方程式 二、二、 無力矩理論基本方程式無力矩理論基本方程式pRR21圓筒形薄壁容器承受圓筒形薄壁容器承受內(nèi)壓時的應(yīng)力內(nèi)壓時的應(yīng)力只有拉應(yīng)力無彎曲應(yīng)力只有拉應(yīng)力無彎曲應(yīng)力 1 1（或（或 ）圓筒母線方向）圓筒母線方向( (即軸向即軸向) )拉應(yīng)力，拉應(yīng)力， 2 2（或（或 ）圓周方向的拉）圓周方向的拉應(yīng)力。應(yīng)力。三、無力矩理

14、論的應(yīng)用三、無力矩理論的應(yīng)用（一）圓筒的應(yīng)力計算（一）圓筒的應(yīng)力計算 1. 1. 軸向應(yīng)力軸向應(yīng)力D D- -筒體平均直徑，亦稱中筒體平均直徑，亦稱中徑，徑，mmmm；4,21pDRRR2. 2. 周向應(yīng)力周向應(yīng)力2pDPtR分析：分析：（1 1）薄壁圓筒受內(nèi)壓環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力兩倍。）薄壁圓筒受內(nèi)壓環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力兩倍。問題問題a a：筒體上開橢圓孔，如何開：筒體上開橢圓孔，如何開? ?2/4/pDpD應(yīng)使其短軸與筒體的軸線應(yīng)使其短軸與筒體的軸線平行，以盡量減少開孔對平行，以盡量減少開孔對縱截面的削弱程度，使環(huán)縱截面的削弱程度，使環(huán)向應(yīng)力不致增加很多。向應(yīng)力不致增加很多。內(nèi)壓筒壁的應(yīng)力和內(nèi)

15、壓筒壁的應(yīng)力和 / /D D成反比，成反比， / /D D 值的大小值的大小體現(xiàn)著圓筒承壓能力的高低。體現(xiàn)著圓筒承壓能力的高低。因此，分析一個設(shè)備能耐多大壓力，不能只看因此，分析一個設(shè)備能耐多大壓力，不能只看厚度的絕對值。厚度的絕對值。（二）球形殼體（二）球形殼體 球殼球殼R R1 1R R2 2=D D/2/2，得：得： 直徑與內(nèi)壓相同，球殼內(nèi)應(yīng)力僅是圓筒形殼直徑與內(nèi)壓相同，球殼內(nèi)應(yīng)力僅是圓筒形殼體環(huán)向應(yīng)力的一半，即球形殼體的厚度僅需圓體環(huán)向應(yīng)力的一半，即球形殼體的厚度僅需圓筒容器厚度的一半；筒容器厚度的一半； 當(dāng)容器容積相同時，球表面積最小，故大型當(dāng)容器容積相同時，球表面積最小，故大型貯罐

16、制成球形較為經(jīng)濟(jì)；貯罐制成球形較為經(jīng)濟(jì)； 制造復(fù)雜。制造復(fù)雜。 4pDtRp( (三三) )圓錐形殼體圓錐形殼體 圓錐形殼半錐角為圓錐形殼半錐角為a a，A A點處半徑為點處半徑為r r，厚，厚度為度為d d，則在，則在A A點處：點處：代入可得代入可得A A點處的應(yīng)力：點處的應(yīng)力：acos 21rRR 錐形殼體環(huán)向應(yīng)力是經(jīng)向應(yīng)力兩倍，隨半錐錐形殼體環(huán)向應(yīng)力是經(jīng)向應(yīng)力兩倍，隨半錐角角a a的增大而增大；的增大而增大； a a角要選擇合適，不宜太大。角要選擇合適，不宜太大。 在錐形殼體大端在錐形殼體大端r=R時，應(yīng)力最大，在錐頂時，應(yīng)力最大，在錐頂處，應(yīng)力為零。因此，一般在錐頂開孔。處，應(yīng)力為零

17、。因此，一般在錐頂開孔。 acos2pr cosapr（四）橢圓形殼體（四）橢圓形殼體 橢圓殼經(jīng)線為一橢圓，橢圓殼經(jīng)線為一橢圓，a a、b b分別為橢圓的長短軸半徑。分別為橢圓的長短軸半徑。由此方程可得第一曲率半徑為：由此方程可得第一曲率半徑為：12222byaxbabaxadxyddxdyR42/32224222/321)()(1 bbaxaxR2/122242)(sin)(2)(2222442224baxaabaxabp化工常用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，化工常用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，a/b=2，故，故 頂點處頂點處： 邊緣處：邊緣處： 頂點應(yīng)力最大，經(jīng)向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)頂點應(yīng)力最大，經(jīng)向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力是相等的

18、拉應(yīng)力。力是相等的拉應(yīng)力。 頂點的經(jīng)向應(yīng)力比邊緣處的經(jīng)向頂點的經(jīng)向應(yīng)力比邊緣處的經(jīng)向應(yīng)力大一倍；應(yīng)力大一倍；頂點處的環(huán)向應(yīng)力和邊緣處相等但頂點處的環(huán)向應(yīng)力和邊緣處相等但符號相反。符號相反。 應(yīng)力值連續(xù)變化。應(yīng)力值連續(xù)變化。papapa2四四 受液體靜壓的圓筒形殼體的受力分析受液體靜壓的圓筒形殼體的受力分析筒壁上任一點的壓力值（不考慮氣體壓力）筒壁上任一點的壓力值（不考慮氣體壓力）為：為： 可得：可得：gxpp02)(0Dgxp 2gDx若是開口的容器若是開口的容器v 底部支承的圓筒（底部支承的圓筒（a a），液體重量由支承），液體重量由支承傳遞給基礎(chǔ)，筒壁不受液體軸向力作用，則傳遞給基礎(chǔ)，筒壁

19、不受液體軸向力作用，則若是開口的容器若是開口的容器 =0=0。v 上部支承圓筒（上部支承圓筒（b b），液體重量使得圓筒壁），液體重量使得圓筒壁受軸向力作用，在圓筒壁上產(chǎn)生經(jīng)向應(yīng)力：受軸向力作用，在圓筒壁上產(chǎn)生經(jīng)向應(yīng)力：42gHDgHR42020DpRp若是開口的容器若是開口的容器4)(0DgHp 例題：有一外徑為例題：有一外徑為219mm219mm的氧氣瓶，最小厚度的氧氣瓶，最小厚度為為6.5mm6.5mm，材料為，材料為40Mn2A40Mn2A，工作壓力為，工作壓力為15MPa15MPa，試求氧氣瓶壁應(yīng)力。，試求氧氣瓶壁應(yīng)力。解析：解析：平均直徑平均直徑經(jīng)向應(yīng)力經(jīng)向應(yīng)力環(huán)向應(yīng)力環(huán)向應(yīng)力5

20、.2125 .62190DD6 .1225 . 645 .212154pD2 .2455 . 625 .212152pDMPa mmMPa 無力矩理論忽無力矩理論忽略了剪力與彎矩的略了剪力與彎矩的影響，可以滿足工影響，可以滿足工程設(shè)計精度的要求。程設(shè)計精度的要求。 但對圖中所示的但對圖中所示的一些情況，就須考一些情況，就須考慮彎矩的影響。慮彎矩的影響。第三節(jié)第三節(jié) 邊緣應(yīng)力的概念邊緣應(yīng)力的概念一、邊緣應(yīng)力一、邊緣應(yīng)力一、邊緣應(yīng)力一、邊緣應(yīng)力 由邊緣力和邊緣力矩引起的應(yīng)力，稱為由邊緣力和邊緣力矩引起的應(yīng)力，稱為邊緣應(yīng)力。邊緣應(yīng)力。 相鄰兩段性能不同，或所受溫度或壓力相鄰兩段性能不同，或所受溫度或

21、壓力不同，導(dǎo)致兩部分變形量不同，但又相不同，導(dǎo)致兩部分變形量不同，但又相互約束，從而產(chǎn)生較大的剪力與彎矩?；ゼs束，從而產(chǎn)生較大的剪力與彎矩。筒體與封頭聯(lián)接為例，筒體與封頭聯(lián)接為例， 邊緣應(yīng)力數(shù)值很大，有時導(dǎo)致容器失效，邊緣應(yīng)力數(shù)值很大，有時導(dǎo)致容器失效，應(yīng)重視。應(yīng)重視。二、邊緣應(yīng)力的特性二、邊緣應(yīng)力的特性 1局限性 大多數(shù)都有明顯的衰減波特性，隨離開邊緣的距離增大，邊緣應(yīng)力迅速衰減。 2自限性 彈性變形相互制約，一旦材料產(chǎn)生塑性變形，彈性變形約束就會緩解，邊緣應(yīng)力自動受到限制，即邊緣應(yīng)力的自限性。塑性好的材料可減少容器發(fā)生破壞。塑性好的材料可減少容器發(fā)生破壞。 局部性與自限性，設(shè)計中一般不按局

22、部應(yīng)力來局部性與自限性，設(shè)計中一般不按局部應(yīng)力來確定厚度，而是在結(jié)構(gòu)上作局部處理。確定厚度，而是在結(jié)構(gòu)上作局部處理。但對于脆性材料，必須考慮邊緣應(yīng)力的影響。但對于脆性材料，必須考慮邊緣應(yīng)力的影響。 三、邊緣應(yīng)力的處理三、邊緣應(yīng)力的處理不合理不合理不合理不合理合理合理合理合理第四節(jié)第四節(jié) 內(nèi)壓容器設(shè)計內(nèi)壓容器設(shè)計一、圓筒和球體設(shè)計公式一、圓筒和球體設(shè)計公式 ticDP2)（ cticPDP2圓筒強(qiáng)度條件：圓筒設(shè)計公式：壁厚附加量壁厚附加量21CCC2Cd ticDP4 cticPDP42設(shè)計厚度設(shè)計厚度名義厚度名義厚度n n球殼強(qiáng)度條件球殼強(qiáng)度條件計算厚度計算厚度1Cdn二、設(shè)計參數(shù)確定的選擇二

23、、設(shè)計參數(shù)確定的選擇1、 設(shè)計壓力設(shè)計壓力(P)與計算壓力與計算壓力pc使用安全閥時設(shè)計壓力不小于安全閥開啟壓使用安全閥時設(shè)計壓力不小于安全閥開啟壓力或取最大工作壓力力或取最大工作壓力1.051.10倍；倍；使用爆破膜根據(jù)其型式，一般取最大工作壓使用爆破膜根據(jù)其型式，一般取最大工作壓力的力的1.151.4倍作為設(shè)計壓力。倍作為設(shè)計壓力。計算壓力指在相應(yīng)設(shè)計溫度下，用以確定元計算壓力指在相應(yīng)設(shè)計溫度下，用以確定元件厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。件厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。 指容器正常工作時，在相應(yīng)的設(shè)計壓力指容器正常工作時，在相應(yīng)的設(shè)計壓力下，器壁金屬可能達(dá)到的最高和最低溫下，器壁金屬可

24、能達(dá)到的最高和最低溫度（低于或等于度（低于或等于-20) 2 設(shè)計溫度設(shè)計溫度不被加熱或冷卻，筒內(nèi)介質(zhì)最高或最低溫不被加熱或冷卻，筒內(nèi)介質(zhì)最高或最低溫度。度。用蒸汽、熱水或其它載熱體加熱或冷卻，用蒸汽、熱水或其它載熱體加熱或冷卻，載體最高溫度或最低溫度。載體最高溫度或最低溫度。不同部位出現(xiàn)不同溫度分別計算不同部位出現(xiàn)不同溫度分別計算3 、許用應(yīng)力、許用應(yīng)力影響許用應(yīng)力的因素：1 使用溫度2 鋼板厚度許用應(yīng)力由材料的力學(xué)性能除以相許用應(yīng)力由材料的力學(xué)性能除以相應(yīng)的安全系數(shù)而得。應(yīng)的安全系數(shù)而得。 n0安全系數(shù)n的確定 計算方法的準(zhǔn)確性、可靠性和受力分析的可靠程度； 材料的質(zhì)量和制造技術(shù)水平及其檢

25、驗手段和水平； 容器的工作條件，如壓力、溫度波動以及容器在生產(chǎn)中的重要性和危險性等。4 、 焊縫系數(shù)焊縫系數(shù) 鋼板卷焊。夾渣、氣孔、未焊透等缺陷，導(dǎo)致鋼板卷焊。夾渣、氣孔、未焊透等缺陷，導(dǎo)致焊縫及其附近區(qū)域強(qiáng)度可能低于鋼材本體的強(qiáng)焊縫及其附近區(qū)域強(qiáng)度可能低于鋼材本體的強(qiáng)度。度。 焊縫系數(shù)決定于二個因素：焊縫系數(shù)決定于二個因素： 1）焊縫的結(jié)構(gòu)形式）焊縫的結(jié)構(gòu)形式 2） 無損探傷水平無損探傷水平5 、壁厚附加量、壁厚附加量 C 壁厚附加量壁厚附加量 CC1C2 C1：鋼板負(fù)偏差：鋼板負(fù)偏差 C2：腐蝕裕量：腐蝕裕量腐蝕裕量腐蝕裕量C2應(yīng)根據(jù)各種鋼材在不同介質(zhì)應(yīng)根據(jù)各種鋼材在不同介質(zhì)中的腐蝕速度和

26、容器設(shè)計壽命確定。中的腐蝕速度和容器設(shè)計壽命確定。塔類、反應(yīng)器類容器設(shè)計壽命一般按塔類、反應(yīng)器類容器設(shè)計壽命一般按20年考慮，換熱器殼體、管箱及一般容器年考慮，換熱器殼體、管箱及一般容器按按10年考慮。年考慮。厚度厚度22.22.52.83.03.23.53.84 4.55.5 負(fù)偏差負(fù)偏差 0.13 0.14 0.150.160.18 0.2 0.2 厚度厚度6782526303234 36404250 5260 負(fù)偏差負(fù)偏差0.60.8 0.91 1.11.21.3 鋼板負(fù)偏差鋼板負(fù)偏差腐蝕速度腐蝕速度0.05mm0.05mma(a(包括大氣腐蝕包括大氣腐蝕) )時：時：碳素鋼和低合金鋼單

27、面腐蝕碳素鋼和低合金鋼單面腐蝕C C2 21mm1mm，雙面，雙面腐蝕取腐蝕取C C2 22mm2mm， 當(dāng)腐蝕速度當(dāng)腐蝕速度0.05mm0.05mma a時，單面腐蝕取時，單面腐蝕取C C2 22mm2mm，雙面腐蝕取，雙面腐蝕取C C2 24mm4mm。不銹鋼取不銹鋼取C C2 20 0。三、容器的最小壁厚三、容器的最小壁厚大型容器剛度不足，不滿足運輸、安裝。大型容器剛度不足，不滿足運輸、安裝。限定最小厚度以滿足剛度和穩(wěn)定性要求。限定最小厚度以滿足剛度和穩(wěn)定性要求。 保證設(shè)備在運輸和安裝過程中的安全。保證設(shè)備在運輸和安裝過程中的安全。殼體加工成形后不包括腐蝕裕量最小厚度殼體加工成形后不包括

28、腐蝕裕量最小厚度d dminmin：碳鋼和低合金鋼碳鋼和低合金鋼minmin3mm3mm 不銹鋼不銹鋼minmin2mm2mm四、四、 壓力試驗壓力試驗 為什么要進(jìn)行壓力試驗?zāi)兀?制造加工過程不完善，導(dǎo)致不安全，發(fā)生過大變形或滲漏。 最常用的壓力試驗方法是液壓試驗。 常溫水。也可用不會發(fā)生危險的其它液體 試驗時液體的溫度應(yīng)低于其閃點或沸點。四、四、 壓力試驗壓力試驗 tTPP25. 1eeiTTDp2)(1 、水壓試驗、水壓試驗試驗壓力：試驗壓力：強(qiáng)度條件強(qiáng)度條件： 2 、氣壓試驗、氣壓試驗 tTPP15. 1eeiTTDp2)(試驗壓力：試驗壓力：強(qiáng)度條件強(qiáng)度條件：例題：某化工廠欲設(shè)計一臺石

29、油氣分離工程中的乙烯例題：某化工廠欲設(shè)計一臺石油氣分離工程中的乙烯精餾塔。工藝要求為塔體內(nèi)徑精餾塔。工藝要求為塔體內(nèi)徑D Di i=600mm=600mm；設(shè)計壓力；設(shè)計壓力p p2.2MPa2.2MPa；工作溫度；工作溫度t t-3-3-20-20。試選擇塔體材料。試選擇塔體材料并確定塔體厚度。并確定塔體厚度。解析：由于石油氣對鋼材腐蝕不大，溫度在解析：由于石油氣對鋼材腐蝕不大，溫度在-20-20以以上，承受一定的壓力，故選用上，承受一定的壓力，故選用16MnR16MnR。式中式中p2.2MPa；Di=600mm； 170MPa =0.8； C2=1.0 mm 得：得： 22CppDtid考

30、慮鋼板厚度負(fù)偏差考慮鋼板厚度負(fù)偏差C C1 10.6mm0.6mm圓整取圓整取 n n=7mm=7mmmmd89. 50 . 12 . 28 . 017026002 . 2思考題思考題1. 1.承受氣體壓力的圓筒和圓錐形殼體的承受氣體壓力的圓筒和圓錐形殼體的應(yīng)力有什么特點？標(biāo)準(zhǔn)橢圓殼的應(yīng)力應(yīng)力有什么特點？標(biāo)準(zhǔn)橢圓殼的應(yīng)力又是怎樣的？又是怎樣的？2.2.無力矩理論的適用條件是什么？無力矩理論的適用條件是什么？3.3.邊緣應(yīng)力的特點是什么？邊緣應(yīng)力的特點是什么？4.4.在什么情況下需要考慮邊緣應(yīng)力？在什么情況下需要考慮邊緣應(yīng)力？第五節(jié)第五節(jié) 封頭的設(shè)計與選擇封頭的設(shè)計與選擇封頭又稱端蓋，其分類封頭

31、又稱端蓋，其分類一、半球形封頭一、半球形封頭受內(nèi)壓球形封頭計算壁厚與球受內(nèi)壓球形封頭計算壁厚與球殼相同。殼相同。球形封頭壁厚可較圓筒殼減薄球形封頭壁厚可較圓筒殼減薄一半。但為焊接方便以及降一半。但為焊接方便以及降低邊緣壓力，半球形封頭常低邊緣壓力，半球形封頭常和筒體取相同的厚度。和筒體取相同的厚度。 中心頂圓板12iD0D100n3且半個球殼，深度大，整體沖壓困難-模具尺寸大，壓力機(jī)噸位高。 4pD強(qiáng)度計算強(qiáng)度計算強(qiáng)度條件強(qiáng)度條件 球殼球殼tcticpDp 4二、橢圓形封頭二、橢圓形封頭半橢球和高度為半橢球和高度為h h的短圓筒的短圓筒( (通稱通稱直邊直邊) )兩部分構(gòu)兩部分構(gòu)成，成，直邊保

32、證封頭制造直邊保證封頭制造質(zhì)量和避免邊緣質(zhì)量和避免邊緣應(yīng)力作用。應(yīng)力作用。計算厚度計算厚度K K- -橢圓形封頭形狀系數(shù)，橢圓形封頭形狀系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭( (長短軸之比值為長短軸之比值為2)2)，K=1K=1。壁。壁厚計算公式：厚計算公式： cticpDKp5 . 0222261iihDK cticpDp5 . 02標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的直邊高度標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的直邊高度封頭封頭材料材料碳素鋼、普低鋼、碳素鋼、普低鋼、復(fù)合鋼板復(fù)合鋼板不銹鋼、耐酸鋼不銹鋼、耐酸鋼 封頭封頭壁厚壁厚48 101820 39101820 直邊直邊高度高度254050254050三、碟形封頭 半徑為R 的大

33、圓弧、半徑為r的小圓弧及短直線滑接而成。由于三部分連接處經(jīng)線曲率由于三部分連接處經(jīng)線曲率突變，在過渡區(qū)邊界上存在突變，在過渡區(qū)邊界上存在的邊界應(yīng)力比薄膜應(yīng)力大許的邊界應(yīng)力比薄膜應(yīng)力大許多，所以受力狀況不佳。多，所以受力狀況不佳。 隨著重型鍛壓設(shè)備的應(yīng)用，多數(shù)工廠已不用碟形封頭，而被橢圓形封頭取代。一般僅在現(xiàn)場制造大型常、低壓圓筒形貯罐時才采用。但近年隨著旋壓成型工藝旋壓成型工藝的出現(xiàn)壓鼓壓鼓機(jī)、翻邊機(jī)機(jī)、翻邊機(jī)應(yīng)用又見多起來）cticpRMp5 . 0- 2=)3(41rRMi+=碟形封頭的形狀系數(shù)形狀系數(shù)又稱帶折邊球形封頭，球面半徑又稱帶折邊球形封頭，球面半徑Ri、過渡圓、過渡圓弧半徑弧半徑

34、r和高度為和高度為h的直邊。的直邊。相同受力，碟形封頭壁厚比橢圓形封頭壁厚相同受力，碟形封頭壁厚比橢圓形封頭壁厚要大些，而且碟形封頭存在應(yīng)力不連續(xù)，因要大些，而且碟形封頭存在應(yīng)力不連續(xù)，因此沒有橢圓形封頭應(yīng)用廣泛。此沒有橢圓形封頭應(yīng)用廣泛。四、錐形封頭四、錐形封頭v廣泛用于化工設(shè)備廣泛用于化工設(shè)備( (如蒸發(fā)器、噴霧干如蒸發(fā)器、噴霧干燥器、結(jié)晶器及沉降器等燥器、結(jié)晶器及沉降器等) )的底蓋的底蓋v便于收集與卸除設(shè)備中的固體物料。便于收集與卸除設(shè)備中的固體物料。v塔設(shè)備上、下部分的直徑不等，也常塔設(shè)備上、下部分的直徑不等，也常用錐形殼體連接，稱為變徑段。用錐形殼體連接，稱為變徑段。（一）無折邊錐

35、形封頭或錐形筒體（一）無折邊錐形封頭或錐形筒體適用于錐殼半錐角適用于錐殼半錐角a a 30300 01 1、錐殼大端、錐殼大端 a. a. 查圖，大端是否須加強(qiáng)查圖，大端是否須加強(qiáng) b. b. 不必局部加強(qiáng)，計算壁厚為不必局部加強(qiáng)，計算壁厚為 acos12cticpDpc. c. 需加強(qiáng)，以降低聯(lián)接處的局需加強(qiáng)，以降低聯(lián)接處的局部應(yīng)力。錐殼加強(qiáng)段和圓筒加部應(yīng)力。錐殼加強(qiáng)段和圓筒加強(qiáng)段厚度相同強(qiáng)段厚度相同 cticcpDpK2K Kc c為錐殼與圓筒聯(lián)接處的應(yīng)為錐殼與圓筒聯(lián)接處的應(yīng)力增值系數(shù)，查圖。力增值系數(shù)，查圖。acos5 . 021riDL riDL5 . 02（二）折邊錐形封頭（二）折邊

36、錐形封頭可降低應(yīng)力集中，適用于錐殼大端半錐角可降低應(yīng)力集中，適用于錐殼大端半錐角a a30300 0 ，小端半錐角，小端半錐角a a45450 0當(dāng)錐殼半錐角當(dāng)錐殼半錐角a a660 00 0時，按平蓋計算。時，按平蓋計算。a. a. 過渡段的計算壁厚過渡段的計算壁厚 cticpDKp5 . 02b. b. 與過渡段相連接處的與過渡段相連接處的錐殼計算壁厚錐殼計算壁厚 cticpDpf5 . 0五、平板封頭五、平板封頭v化工設(shè)備常用的一種封頭?；ぴO(shè)備常用的一種封頭。v圓形、橢圓形、長圓形、矩形和方形等，圓形、橢圓形、長圓形、矩形和方形等，v相同相同( (R R ) )和受載下，薄板應(yīng)力比薄殼

37、大和受載下，薄板應(yīng)力比薄殼大得多，即平板封頭比凸形封頭厚得多。得多，即平板封頭比凸形封頭厚得多。v平板封頭結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，在平板封頭結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，在壓力不高，壓力不高，直徑較小的容器直徑較小的容器中采用。承壓設(shè)備中采用。承壓設(shè)備人孔、手孔人孔、手孔以及在操作時需要用以及在操作時需要用盲板盲板封閉的地方，才用平封閉的地方，才用平板蓋。板蓋。 v高壓容器高壓容器平板封頭用得較為普遍。平板封頭用得較為普遍。 tcKpD平蓋系數(shù)平蓋系數(shù)K查表查表解析：工藝操作對封頭形狀無特殊要求。解析：工藝操作對封頭形狀無特殊要求。球冠形封頭、平板封頭邊緣應(yīng)力較大，平板球冠形封頭、平板封頭邊緣應(yīng)力較大，平板

38、封頭厚度較大，故不宜采用。封頭厚度較大，故不宜采用。理論上對凸形封頭計算后，再確定封頭型式。理論上對凸形封頭計算后，再確定封頭型式。例題：確定精餾塔封頭型式與尺寸。該塔例題：確定精餾塔封頭型式與尺寸。該塔D Di i=600mm=600mm；設(shè)計壓力；設(shè)計壓力p p2.2MPa2.2MPa；工作溫度；工作溫度t t-3-3-20-20， n n=7mm=7mm。半球形封頭受力最好，壁厚最薄、重量半球形封頭受力最好，壁厚最薄、重量輕，但深度大制造難，中、低壓小設(shè)備輕，但深度大制造難，中、低壓小設(shè)備不宜采用；不宜采用；碟形封頭深度可碟形封頭深度可調(diào)節(jié)，適合于加工，但調(diào)節(jié)，適合于加工，但曲率不連續(xù)，局部應(yīng)力，故受力不如橢曲率不連續(xù)，局部應(yīng)力，故受力不如橢圓形封頭；圓形封頭；標(biāo)