第四章容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

第四章容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)2023/6/51第一頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一2023/6/52第二頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一概述容器的結(jié)構(gòu)容器分類按器壁厚度、壓力性質(zhì)、壓力大小、承受溫度、《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》分類。容器機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求容器的標(biāo)準(zhǔn)化2023/6/53第三頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一第一節(jié)：內(nèi)壓薄壁圓筒的設(shè)計(jì)一、內(nèi)壓圓筒的應(yīng)力分析二、內(nèi)壓圓筒的設(shè)計(jì)與計(jì)算三、壓力試驗(yàn)2023/6/54第四頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一一、內(nèi)壓圓筒的應(yīng)力分析在工藝給定的壓力p下，p垂直作用于器壁表面，容器將產(chǎn)生拉長，脹大的趨勢(shì)。如圓柱筒體、平蓋封頭容器，在軸向產(chǎn)生拉長；在環(huán)向產(chǎn)生脹大，并產(chǎn)生彎矩Mo。若不考慮Mo彎矩的影響，稱無力矩壁厚，反之稱為有力矩壁厚。2023/6/55第五頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一圓柱筒體、平面封頭：環(huán)向dc軸向

abmT

NT′nnmW2023/6/56第六頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一從殼體上截出一微元體abcd，進(jìn)行受力分析：環(huán)向應(yīng)力σ2

，軸向應(yīng)力σ1

。

σ2σ2σ2

σ1σ1

M0M0

σ22023/6/57第七頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一假設(shè)：在應(yīng)力是均勻的，壁厚很薄的條件下，可略去Mo彎矩的影響。對(duì)薄壁容器，結(jié)構(gòu)尺寸取其中徑D中。

D中=(Do+Di)/2=Di+δ

δ=(Do-Di)/22023/6/58第八頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一環(huán)向應(yīng)力：σ2=pD中/2δyσ2Tδ

lxpθ

dθW2023/6/59第九頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一軸向應(yīng)力：σ1=pD中/4δy

δNpσ1zT′x2023/6/510第十頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一二、內(nèi)壓圓筒的設(shè)計(jì)與計(jì)算圓筒壁厚的計(jì)算公式壁厚的其他影響因素設(shè)計(jì)厚度設(shè)計(jì)參數(shù)的確定2023/6/511第十一頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一圓筒壁厚的計(jì)算公式式中δ—計(jì)算厚度，mm；

pc—設(shè)計(jì)壓力，MPa；

Di—圓筒內(nèi)徑，mm；

[σ]t—設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa；

φ—焊縫系數(shù)，查P127表9-6。2023/6/512第十二頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一壁厚的其他影響因素1、鋼板的負(fù)偏差，c1；(如：8±0.8mm)

詳見P128，表9-10鋼板厚度負(fù)偏差。2、腐蝕裕量，c2；（在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)的腐蝕量。n年×λmm/a）

c2=n·λ(mm)3、加工中的減薄量，c3。2023/6/513第十三頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一設(shè)計(jì)厚度設(shè)計(jì)厚度(δd)=計(jì)算厚度(δ)+腐蝕裕量(c2)即：2023/6/514第十四頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一

將設(shè)計(jì)厚度（δd

）加上c1、c3后，向上圓整至鋼板標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格厚度，稱為名義厚度或?qū)嶋H厚度δn。

δn=δd+c1+c3+Δ=δ+c1+c2+c3+Δ

有效厚度δe

δe=δ+Δ=δn-c1-c2-c32023/6/515第十五頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一

壓力容器最小厚度：δmin(不包括c2、c3)

計(jì)算厚度δ，是內(nèi)壓圓筒僅從強(qiáng)度因素得出的。而最小厚度是綜合考慮剛度要求提出的。對(duì)碳素鋼、低合金鋼制容器，

δmin≥3mm；對(duì)高合金鋼制容器，δmin≥2mm。2023/6/516第十六頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一設(shè)計(jì)參數(shù)的確定

1、設(shè)計(jì)壓力pc；

2、設(shè)計(jì)溫度T；

3、許用應(yīng)力[σ]；

4、焊縫系數(shù)φ；

5、厚度附加量c。2023/6/517第十七頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一三、壓力試驗(yàn)進(jìn)行液壓試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)壓力的確定進(jìn)行氣壓試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)壓力的確定液壓試驗(yàn)方法與過程控制氣壓試驗(yàn)方法與過程控制氣密性試驗(yàn)對(duì)所確定的試驗(yàn)壓力進(jìn)行強(qiáng)度校核2023/6/518第十八頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一液壓試驗(yàn)時(shí)的試驗(yàn)壓力

且

pT≥pC+0.1MPa

其中2023/6/519第十九頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一式中pT—試驗(yàn)壓力，MPa；pC—設(shè)計(jì)壓力，MPa；[σ]—試驗(yàn)溫度下材料的許用應(yīng)力，

MPa；[σ]t—設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力，

MPa。2023/6/520第二十頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一氣壓試驗(yàn)時(shí)的試驗(yàn)壓力

其中2023/6/521第二十一頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一液壓試驗(yàn)方法與過程控制

將容器充滿液體，最高點(diǎn)設(shè)排氣口。緩慢將壓力升到規(guī)定試驗(yàn)壓力后，保壓半小時(shí)，降壓到規(guī)定試驗(yàn)壓力的80%，保持足夠長的時(shí)間，以便對(duì)所有焊縫和連接部位進(jìn)行檢查。2023/6/522第二十二頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一氣壓試驗(yàn)方法與過程控制

對(duì)不適合作液壓試驗(yàn)的容器，才采用氣壓試驗(yàn)。緩慢升壓到規(guī)定試驗(yàn)壓力的10%，且不超過0.05MPa，保持10分鐘，查驗(yàn)所有焊縫及連接部位，多次檢查。合格后，升到試驗(yàn)壓力的50%，而后每次升級(jí)為試驗(yàn)壓力的10%，直到試驗(yàn)壓力。保持10分鐘，然后降至試驗(yàn)壓力的87%，檢查焊縫情況。2023/6/523第二十三頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一氣密性試驗(yàn)

容器須經(jīng)液壓試驗(yàn)后，方可進(jìn)行氣密試驗(yàn)。方法是緩慢升壓至試驗(yàn)壓力，保持10分鐘，然后降至設(shè)計(jì)壓力。同時(shí)進(jìn)行檢查。氣體溫度應(yīng)不低于5℃。2023/6/524第二十四頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一試驗(yàn)壓力的強(qiáng)度校核（一）液壓試驗(yàn)時(shí)氣壓試驗(yàn)時(shí)2023/6/525第二十五頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一試驗(yàn)壓力的強(qiáng)度校核（二）液壓試驗(yàn)時(shí)氣壓試驗(yàn)時(shí)2023/6/526第二十六頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一第二節(jié)：內(nèi)壓容器封頭的設(shè)計(jì)一、邊緣應(yīng)力概念二、凸形封頭三、平板封頭四、封頭的結(jié)構(gòu)特性及選擇2023/6/527第二十七頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一一、邊緣應(yīng)力概念產(chǎn)生實(shí)質(zhì)存在聯(lián)接邊緣；聯(lián)接處二者變形大小不同。特點(diǎn)局部性；自限性。對(duì)邊緣應(yīng)力的處理2023/6/528第二十八頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一二、凸形封頭半球封頭橢圓形封頭碟形封頭球冠形封頭2023/6/529第二十九頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一半球封頭

母線繞o軸回轉(zhuǎn)而成球體，其任意時(shí)刻停留線均為經(jīng)線。σ1=σ2=σ

o

σ2

δ

σ1Dz

σDio2023/6/530第三十頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一半球、球殼計(jì)算厚度公式

外力=內(nèi)力2023/6/531第三十一頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，筒體與半球形封頭厚度相同，主要是考慮邊緣應(yīng)力和焊接工藝。等厚焊接可以降低邊緣聯(lián)接處的邊緣應(yīng)力。半球形封頭多用于直徑較大，或壓力較高的容器。2023/6/532第三十二頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一橢圓形封頭由區(qū)域平衡方程得：由微體平衡方程得：橢圓方程：2023/6/533第三十三頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一取分離體zR2δ

σm

R2σm

θ

θpD2023/6/534第三十四頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一由z軸方向的平衡條件，得

Nz-Pz=0即σmπDδ·sinθ-πD2p/4=0(a)

∵sinθ=D/2R2

∴D=2R2sinθ

代入(a)式得到2023/6/535第三十五頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一經(jīng)向應(yīng)力計(jì)算公式

式中

σm—經(jīng)向應(yīng)力，MPa；

δ—?dú)んw厚度，mm；

R2—所求應(yīng)力點(diǎn)的第二曲率半徑，mm；

p—?dú)んw所受的內(nèi)壓力，MPa。2023/6/536第三十六頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一取微元體R2

σmR1dθ2

dθ1

σθ

σθ

σm

2023/6/537第三十七頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一

回轉(zhuǎn)殼體應(yīng)力分析

σm

δdl2

δdθ2dθ1σθδdl1pdl1

σθδdl1dl2

σm

δdl22023/6/538第三十八頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一經(jīng)向應(yīng)力σm與環(huán)向應(yīng)力σθ

dθ1

σmdθ1

/2pR1nσθ

σmR2p

ndθ2

dθ2

/22023/6/539第三十九頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一根據(jù)法線n方向上力的平衡條件，得到

Pn–Nmn–Nθn=0即

pdl1dl2-2σm

δdl2sindθ1

/2

-2σθδdl1sindθ2

/2

=0(b)2023/6/540第四十頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一因?yàn)閵A角dθ1與dθ2很小，可取

sindθ1

/2≈dθ1

/2=dl1/2R1sindθ2

/2≈dθ2

/2=dl2/2R2將以上兩式代入(b)式，并化簡，整理得2023/6/541第四十一頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一環(huán)向應(yīng)力計(jì)算公式式中σθ—環(huán)向應(yīng)力，MPa；

R1—所求應(yīng)力點(diǎn)的第一曲率半徑，mm。2023/6/542第四十二頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一橢圓封頭應(yīng)力分析又橢圓方程：由第一曲率半徑：2023/6/543第四十三頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一第二曲率半徑：R2=-x/sinθ

y

R1Ax

θ

ba

θ

R22023/6/544第四十四頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一

由｛得2023/6/545第四十五頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一將代入與得2023/6/546第四十六頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一

頂點(diǎn)

邊緣X=0X=a軸向環(huán)向2023/6/547第四十七頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一軸向應(yīng)力分布圖yyhh0xbxa2023/6/548第四十八頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一環(huán)向應(yīng)力分布圖當(dāng)時(shí)，此時(shí)

yx2023/6/549第四十九頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一當(dāng)當(dāng)

yyxx2023/6/550第五十頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一當(dāng)時(shí)，為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭

yyxx

軸向應(yīng)力環(huán)向應(yīng)力2023/6/551第五十一頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一橢圓封頭計(jì)算厚度公式當(dāng)a/b=2時(shí)，K=1，為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭。標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭計(jì)算厚度公式：2023/6/552第五十二頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一碟形封頭

又稱帶有折邊的球形封頭。設(shè)有折邊是為了緩解邊緣應(yīng)力。折邊δrhh0Ri

直邊，取值

Di25、40、50mm。2023/6/553第五十三頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一碟形封頭厚度計(jì)算公式

考慮到球面部分與過渡區(qū)聯(lián)接處的局部高應(yīng)力，規(guī)定Ri≤Di，r/Di≥0.1，且r≥3δn。厚度計(jì)算公式碟形封頭形狀系數(shù)2023/6/554第五十四頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭厚度計(jì)算公式

當(dāng)Ri=0.9Di，r=0.17Di，稱為標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭，此時(shí)M=1.325。

標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭計(jì)算厚度公式2023/6/555第五十五頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一球冠形封頭

球面部分直接焊在筒體上，也稱無折邊球形封頭?？山档头忸^高度，但存在較大的局部邊緣應(yīng)力。2023/6/556第五十六頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一Ri=(0.7~1.0)Di，圓筒加強(qiáng)段L的厚度δ與封頭厚度δ等厚。

DiRi

δL2023/6/557第五十七頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一三、平板封頭圓形平蓋非圓形平蓋2023/6/558第五十八頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一圓形平蓋

平蓋封頭主要用于常壓和低壓的設(shè)備上，或直徑較小的設(shè)備。一種是不可拆的固定平蓋，其最大應(yīng)力是軸向彎曲應(yīng)力，產(chǎn)生在圓板邊緣。另一種是可拆平蓋，其最大應(yīng)力產(chǎn)生在平板中心。2023/6/559第五十九頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一

上述兩類問題簡化為板邊緣結(jié)構(gòu)特征系數(shù)K來考慮。因?yàn)閳A形平蓋計(jì)算厚度2023/6/560第六十頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一式中

Dc—計(jì)算直徑，見表10-4K—結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，見表10-4Pc—設(shè)計(jì)壓力，MPa[σ]t—設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力，MPa

Φ—焊縫系數(shù)

δ—平蓋計(jì)算厚度2023/6/561第六十一頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一非圓形平蓋(a)表10-4中⑶～⑹，⑽～⑿式中：z—非圓平蓋形狀系數(shù)

z=3.4-2.4a/b，且z≤2.5a—非圓平蓋的短軸長度

b—非圓平蓋的長軸長度2023/6/562第六十二頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一(b)表10-4中⒀⒁2023/6/563第六十三頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一四、封頭的結(jié)構(gòu)特性及選擇封頭的結(jié)構(gòu)形式是由工藝過程、承載能力、制造方便等方面的要求而決定。從受力情況看：半球最好，橢圓、碟形其次，球冠、錐形更次之，而平板最差。從制造方便看：平板最易，球冠、錐形、碟形、橢圓較易，半球最難。2023/6/564第六十四頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一第三節(jié)：外壓圓筒的設(shè)計(jì)一、外壓容器的穩(wěn)定性二、外壓圓筒的簡化公式計(jì)算法三、外壓圓筒圖算設(shè)計(jì)方法四、外壓圓筒圖算設(shè)計(jì)方法說明五、外壓圓筒厚度表六、外壓容器的試壓2023/6/565第六十五頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一一、外壓容器的穩(wěn)定性圓筒失穩(wěn)的形式周向失穩(wěn)；軸向失穩(wěn)；局部失穩(wěn)。臨界壓力設(shè)計(jì)外壓影響臨界壓力的因素筒體尺寸；材料性能；筒體形狀。2023/6/566第六十六頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一二、外壓圓筒的簡化公式計(jì)算法鋼制長圓筒鋼制短圓筒剛性圓筒臨界長度計(jì)算法步驟2023/6/567第六十七頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一鋼制長圓筒

指圓筒的中央吸癟時(shí)，臨界壓力pcr不受兩端蓋的影響。

L/D0值較大，pcr與δe/D0有關(guān)，而與L/D0無關(guān)。2023/6/568第六十八頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一設(shè)計(jì)準(zhǔn)則名義厚度2023/6/569第六十九頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一鋼制短圓筒

指圓筒的中央吸癟時(shí)，臨界壓力pcr受其兩端蓋的支撐作用。

pcr與δe/D0有關(guān)，也與L/D0有關(guān)。2023/6/570第七十頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一設(shè)計(jì)準(zhǔn)則名義厚度2023/6/571第七十一頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一剛性圓筒

指圓筒破壞原因是由于在外壓力作用下，相應(yīng)所產(chǎn)生的壓應(yīng)力，其值超過材料的屈服極限所致。而不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)。

L/D0值較小，δe/D0較大，pcr值趨于無窮大。2023/6/572第七十二頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一

當(dāng)δe/D0≥0.04時(shí)，即認(rèn)為是剛性圓筒。此時(shí)，δe可按內(nèi)壓圓筒公式進(jìn)行計(jì)算。2023/6/573第七十三頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一臨界長度

在相同的δe/D0下，長、短圓筒的區(qū)別在于是否受邊界端蓋的支撐作用。當(dāng)短圓筒的長度逐漸增加到不受其兩端蓋的影響時(shí)，即進(jìn)入長圓筒，在此臨界處，可用短圓筒計(jì)算，也可用長圓筒計(jì)算。此時(shí)的長度稱為臨界長度Lcr，且兩種計(jì)算結(jié)果相同。2023/6/574第七十四頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一即臨界長度當(dāng)實(shí)際圓筒的計(jì)算長度L＞Lcr時(shí)，就屬于長圓筒，反之則屬于短圓筒，據(jù)此判斷應(yīng)選擇的計(jì)算公式。2023/6/575第七十五頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一計(jì)算法步驟由工藝計(jì)算已知：Di，L及p工作＜pc，

D0=Di+2δe1、假設(shè)有效壁厚δe

，根據(jù)外徑D0計(jì)算臨界長度Lcr值，比較L與Lcr

，判別長、短圓筒；2023/6/576第七十六頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一2、按相應(yīng)長短圓筒公式求出pcr值。長圓筒短圓筒2023/6/577第七十七頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一3、比較p工作＜pc≤[p]=pcr/m

，說明假設(shè)δe正確。否則重新假設(shè)δe

，重新計(jì)算。

p工作＜pc，但數(shù)值應(yīng)較為接近。若相差過大，也要重新計(jì)算。2023/6/578第七十八頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一相關(guān)參數(shù)的含義計(jì)算長度L=L1+2h/3+2h0Lh/3hL1h02023/6/579第七十九頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一三、外壓圓筒圖算設(shè)計(jì)方法幾何參數(shù)計(jì)算圖壁厚計(jì)算圖Do／e≥20的圓筒和管子Do／e＜20的圓筒和管子Do／e＜4.0的圓筒和管子2023/6/580第八十頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一幾何參數(shù)計(jì)算圖圖11-52023/6/581第八十一頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一壁厚計(jì)算圖圖11-7～11-102023/6/582第八十二頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一Do／e≥20的圓筒和管子1、假設(shè)δn，令δe=δn-c，計(jì)算出L/D0

和D0/δe

。2、由算圖11-5，查A值，若L/D0

＞50，則取L/D0=50；若L/D0

＜0.5，則取L/D0=0.5。2023/6/583第八十三頁，共九十七頁，編輯于2023年，星期一3、由A