第5章壓力容器-2013

化工機械基礎主講人：郭福平第5章壓力容器壓力容器:

化工生產(chǎn)所用的各種化工設備外部殼體的總稱?；ぴO備:

各種貯罐、換熱器、蒸餾塔、沉降器、過濾器、反應器、合成爐等。5.1概述5.1.1壓力容器總體結(jié)構(gòu)容器結(jié)構(gòu):由筒體、封頭、法蘭、支座、接管及人孔、視鏡等組成，它們統(tǒng)稱為化工設備通用零部件。承壓不大的化工設備通用零部件大都已有標準，設計時可直接選用。<1>.方形或矩形容器由樣板焊成，制造簡單，但承壓能力差，只用作小型常壓儲槽。<2>.球形容器由數(shù)塊弓形板拼焊而成。承壓能力好，但安置內(nèi)件不便和制造稍難，一般僅用作儲罐。5.1.2壓力容器分類1.按容器形狀分類<3>.圓筒形容器由圓柱形筒體和各種成型封頭（半球形、橢圓、圓錐形）組成。由于制造容易，內(nèi)件安裝方便，而且承壓能力較好，因此這類容器應用最廣。塔設備球罐內(nèi)壓容器與外壓容器兩類2.按承壓性質(zhì)分類內(nèi)壓容器：容器內(nèi)部介質(zhì)壓力＞外界壓力常壓容器：設計壓力＜0.1MPa；低壓容器（L）：設計壓力為0.1?1.6MPa；中壓容器（M）：設計壓力為1.6?10MPa；高壓容器（H）：設計壓力為10?100MPa；超高壓容器（U）：設計壓力＞100MPa。外壓容器：（容器內(nèi)部介質(zhì)壓力＜外界壓力）如常減壓蒸餾裝置中的減壓分餾塔，潛水艇，反應釜內(nèi)筒。<1>金屬容器：目前廣泛應用低碳鋼和低合金鋼制造，在腐蝕嚴重或產(chǎn)品純度要求較高的場合，使用不銹鋼，不銹復合鋼板或鋁合金等制造。必要時可采用特種鋼材或鈦等材質(zhì)。<2>非金屬容器：常用的材料有硬聚氫乙烯，玻璃鋼，不透性石墨，化工陶瓷等。也可在鋼制容器內(nèi)加非金屬襯里或涂層。3.按結(jié)構(gòu)材料分類從制造容器的材料來看，可分為：<1>反應壓力容器：容器內(nèi)介質(zhì)有物理或化學反應，使介質(zhì)分離為多種產(chǎn)品或幾種物質(zhì)合成為某一種產(chǎn)品。<2>換熱壓力容器：容器內(nèi)介質(zhì)進行熱量交換達到介質(zhì)的加熱或冷卻。例如：原油分離成為汽油、煤油、柴油、石蠟油、瀝青、焦炭等。又如：將水、煤氣、氨氣合成為合成氨。4.按使用場合分類RE<3>分離壓力容器：將介質(zhì)的液體壓力平衡和氣體凈化分離的容器；如分離器、過濾器、集油器、緩沖器、洗滌器、吸收器、干燥塔等。<4>儲存壓力容器：用于盛裝生產(chǎn)或生活用的原料氣體、液體、液化氣體等。如各種型式的儲罐、槽車等。國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局在《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中根據(jù)受壓容器的壓力高低、介質(zhì)的危害程度，以及在生產(chǎn)過程中的重要作用，將壓力容器分為三類，進行安全技術(shù)管理和監(jiān)督檢查。5.按安全監(jiān)察規(guī)程分類2）中壓，介質(zhì)為劇毒，容積很大的容器。3）低壓，介質(zhì)為極毒，容積很大的容器。4）高壓、中壓管殼式余熱鍋爐。5）使用材料強度級別較高的壓力容器。σb≥540MPa6）移動式壓力容器、各種罐車、集裝箱等。7）球形儲罐。（V≥50m3）8）低溫液體儲存容器。（V>5m3）其中:PV——指壓力與容積的乘積值。<1>第三類壓力容器，屬于下列情況之一者：1）高壓容器、超高壓容器。<2>第二類壓力容器：1）中壓容器。2）低壓容器、反應器、介質(zhì)毒性為極度或中度。3）低壓管殼式余熱鍋爐。<3>第一類壓力容器：低壓容器（除以上規(guī)定的低壓容器）對一、二、三類容器的生產(chǎn)與制造，必須由勞動監(jiān)察部門發(fā)給相應的資質(zhì)證書才能生產(chǎn)與制造。容器的工藝尺寸由工藝計算確定，容器的機械設計主要包括容器總體結(jié)構(gòu)及零部件結(jié)構(gòu)設計，為滿足容器的安全及使用要求，零部件應滿足以下要求：<1>強度———有足夠的抵抗外力破壞的能力。<2>剛度———有足夠的抵抗外力變形的能力，以防止變形過大。<3>穩(wěn)定性——有保持自身形狀的能力，以防壓癟或皺折。5.1.3容器機械設計的基本要求分類<4>耐久性——在介質(zhì)腐蝕下可長期使用，一般使用年限在15年以上。<6>其他———制造性能、操作性能、維修運輸性能、經(jīng)濟性等。<5>氣密性——具有良好的密封性能，防止介質(zhì)泄露。僅限于設計壓力P<10MPa，設計溫度高于-20°C的中、低壓容器的機械設計。GB150-2011《鋼制壓力容器》容器標準GB151《管殼式換熱器》該標準規(guī)定了鋼制壓力容器的設計、制造、檢驗和驗收要求。該標準規(guī)定了非直接受火管殼式換熱器的設計、制造、檢驗和驗收的要求。5.2.內(nèi)壓薄壁容器的應力分析回轉(zhuǎn)薄壁殼體：圓筒形、球形、橢球形、圓錐形薄壁殼體。由于內(nèi)壓作用使殼壁的環(huán)向受到拉伸，均勻向外膨脹，在圓周的切線方向產(chǎn)生拉應力，使殼壁的縱向截面產(chǎn)生環(huán)向拉伸應力，稱為環(huán)向薄膜應力，又稱為周向應力，用σθ表示。<1>環(huán)向薄膜應力<2>徑向薄膜應力由于內(nèi)壓作用使殼壁沿徑向也受到拉伸，產(chǎn)生徑向拉應力，稱為徑向薄膜應力，用σψ表示。在內(nèi)壓作用下，殼壁將產(chǎn)生兩個方向的拉伸應力：K1K2σθσθσφσφ

如下圖，為一承受氣壓P作用的圓筒形容器，殼壁上任一點K將在兩個方向上產(chǎn)生拉伸應力：5.2.1圓筒形殼體上的薄膜應力<1>經(jīng)向薄膜應力σψ用一個垂直圓筒軸線的橫截面，將筒體分為兩部分，保留左邊部分。由平衡條件，作用在筒體上的軸向外力為：作用在截面上的軸向內(nèi)力為：，沿軸向兩力相等，故可以得到：其中：P——內(nèi)壓，MPaD——筒體平均直徑，即中徑，mmδ——筒體壁厚，mmσψ——筒體經(jīng)向應力，MPa。<2>環(huán)向薄膜應力σθ假想將圓筒沿軸線對稱剖開，取下半部分進行分析。可知，作用在下半部分殼體上的y軸方向的合外力為：作用在下半部分殼體上y軸方向的合內(nèi)力為：它們沿y軸方向必然大小相等，方向相反，故有：（5-2）薄壁圓筒承受內(nèi)壓時，環(huán)向應力是軸向應力的兩倍。因此在圓筒上如果要開橢圓孔時，應使橢圓孔的短軸平行于筒體的軸線，以減小縱向截面被削弱的程度。

球形殼體各點曲率均相同，故球殼上的兩向應力值也是相等的，由受力平衡條件可以求得截面上薄膜應力為：（5-3）

與圓筒形殼體相比，球形殼體上薄膜應力只有圓筒形殼體上最大薄膜應力的一半

在同樣直徑和壓力情況下，殼體的厚度可以減小很多，故可以節(jié)省一定的金屬材料。5.2.2受氣壓作用的球形殼體

在化工容器中，橢球形殼體主要是用它的一半作容器的封頭，其形狀如圖5-5，橢球殼體由長短軸a、b組成的橢圓曲線繞y軸旋軸一周形成的半個橢球形殼體，橢球殼從頂點到赤道各點處的半徑值并不相同，故各點處應力大小也不相同。（5-5）5.2.3受內(nèi)壓作用的橢球形殼體由橢圓曲線方程及受力推導可得到橢球形殼體上任一點的薄膜應力為：（5-4）對于標準橢圓形封頭，封頭頂點的經(jīng)向應力比邊緣處的經(jīng)向應力值大一倍。橢圓形封頭頂點處的環(huán)向應力和邊緣上的環(huán)向應力值相等，符號相反。

錐形殼體，如圖5-6所示，由分析推導可得其兩向薄膜應力為：5.2.4受氣壓作用的錐形殼體其中：r——殼體在A點處的半徑，mmα——圓錐殼體的半錐角P——作用在殼體內(nèi)的氣壓力，MPaδ——殼體的壁厚，mm在錐殼上任一點處的兩向應力為：

即錐形殼體上環(huán)向應力是徑向應力的兩倍，與圓筒形殼體相同。由應力計算公式可知，α角增大，應力也隨著增加,α角應根據(jù)制造，使用需要合理選取。另外還可以看出，兩向應力隨著r的增加而增加。在r=R,錐殼開口處，兩向應力有最大值，在錐頂端r=0處，兩向應力為零。邊緣應力：當薄壁殼體的幾何形狀發(fā)生突變，或載荷分布發(fā)生突變、殼體厚度有突變，材料有突變等，都會在突變處產(chǎn)生附加的局部應力。

這種局部應力有時數(shù)值較高，會導致容器破壞，因此在設計中應予以重視。5.2.5邊緣應力的概念邊緣應力的兩個特點<1>邊緣應力具有局限性

在某些情況下，邊緣應力值可能會相當大，但其作用范圍是很小的。研究表明，隨著離邊緣距離的增大，邊緣應力會迅速衰減。殼壁愈薄，衰減就愈快，這是邊緣應力的一個特點。<2>邊緣應力的自限性

邊緣應力是由邊緣部位變形不連續(xù)，以及由此而產(chǎn)生的彈性變形相互約束作用所引起的。一旦材料在邊緣應力作用下發(fā)生了塑性變形。這種彈性相互約束就會緩解，邊緣應力也就自然受到限制。根據(jù)邊緣應力的兩個特點，使邊緣應力降低的措施有：a）改變連接處的結(jié)構(gòu)，以降低突變程度。如圓弧過渡。b）采用局部加強的結(jié)構(gòu)，使殼體上應力可以盡可能的均勻分布。d）降低邊緣區(qū)的殘余應力。c）保證邊緣區(qū)的焊縫質(zhì)量。e）在邊緣區(qū)盡可能避免附加其他局部應力或開孔。對于內(nèi)壓薄壁容器的設計計算重點是殼體、封頭的強度計算，通過合理選取材料進行殼體和封頭的壁厚計算以確定殼體、封頭的結(jié)構(gòu)尺寸及壁厚。設計壓力：一般是指設定的容器頂部的最高壓力，但不能等同于容器的工作壓力。它是用于容器壁厚計算的壓力值，其值不得低于最大工作壓力。工作壓力：由工藝過程計算得到的，設備工作過程中的最高工作壓力。5.3內(nèi)壓薄壁容器設計計算5.3.1設計參數(shù)的確定1.設計壓力P<1>.對于裝有安全閥的內(nèi)壓容器：

<2>.對于兩側(cè)受壓的壓力容器元件：P分別取兩側(cè)設計壓力值進行設計<3>.對于真空容器有安全閥控制：或

中的較小值。<4>.對于無安全閥控制的真空設備：設計壓力值的選?。?/p>

設計溫度:容器正常工作情況下，在相應的設定壓力下殼壁可能達到的最高或最低的（指-20°以下）平均壁溫。當設計溫度無法通過傳熱計算或測試測定時，對于容器壁與介質(zhì)直接接觸，且容器有保溫設施時，可按介質(zhì)的最高（或最低）工作溫度加減一定余量而確定，如表5-2。2.設計溫度t介質(zhì)溫度-20℃≤t≤15℃時，取介質(zhì)最低工作溫度減5-10℃為設計溫度。介質(zhì)溫度t≥15℃,取介質(zhì)最高工作溫度或介質(zhì)工作溫度加15-30℃為設計溫度。

許用應力是材料在設計溫度下，已考慮了一定安全系數(shù)的應力值，一般由查表得到，如表5-3。

許用應力是決定容器強度條件是否滿足的重要參數(shù)。查表5-316MnR材料,6-16板厚,200℃時,[σ]t=170Mpa。16MnR材料,6-36板厚,200℃時,[σ]t=159Mpa。3.許用應力4.焊接接頭系數(shù)φ表示鋼板卷焊時，筒體與封頭焊接接頭處由于有夾渣、氣孔、未焊透或焊縫兩側(cè)過熱區(qū)的影響等，造成材料強度的削弱(≤1)；對于雙面對接焊，全焊透的焊縫，其焊縫系數(shù)在100%無損檢測情況下，取φ=1，做局部無損檢測情況下，取φ=0.85。5.厚度附加量C考慮到鋼板厚度在軋制時的負偏差、生產(chǎn)過程中各種介質(zhì)的腐蝕而減薄等影響。厚度附加量C由兩部分組成，即<1>.鋼板厚度負偏差C1

制造容器，封頭等構(gòu)件的鋼板，其根據(jù)鋼材尺寸標準，必然存在正、負偏差，因此，在厚度計算時，為了容器設計的厚度值要求，應將可能存在的負偏差值C1預先增加在計算中。鋼板厚度的負偏差在制造標準規(guī)定中可以查表得到，如表5-5.當C1值不大于0.25mm時，且不超過名義厚度的6%時，取。<2>.腐蝕余量C2

設備在工作過程中，由于工作介質(zhì)的腐蝕，鋼板會按工作年限逐年減薄，因此，設計時應將腐蝕引起的總減薄量預先增加在設計厚度中。腐蝕裕量可以根據(jù)介質(zhì)對鋼材的腐蝕速度和容器使用年限來計算得出，也可以根據(jù)使用經(jīng)驗選取?；ぴO備主要容器一般使用年限為15∽20年，普通設備使用年限在10年左右。表5-6根據(jù)經(jīng)驗列取了腐蝕裕量的選取參考值。

當容器在低壓或常壓時，按強度計算得到的厚度值往往也很小，但由于設備在制造，安裝，運輸?shù)冗^程中，要求設備必須具有足夠的剛度，因此，當大型容器殼壁厚度太薄時，為了保證剛度要求，而對容器殼體的最小厚度δmin的要求：容器：碳素鋼、低合金鋼：高合金鋼：6.最小厚度δmin當設備直徑較大，厚度較薄時，在制造、運輸、安裝中，應考慮適當?shù)夭扇∠嚓P(guān)臨時加固措施，以防容器變形。塔式容器：碳素鋼，低合金鋼制塔式容器：不銹鋼制塔式容器：管殼式換熱器：且按GB151《管殼式換熱器》相關(guān)規(guī)范確定。按有關(guān)強度公式計算得到的厚度值，不包括厚度附加值C。<2>.設計厚度δd，計算厚度與腐蝕裕量之和。殼體的有關(guān)厚度關(guān)系：<1>.計算厚度δ<3>.名義厚度δn根據(jù)設計厚度，加上鋼板厚度負偏差C1并向上圓整至鋼板標準規(guī)格的厚度，即為名義厚度。圖紙上標注的厚度就是名義厚度。鋼板常用標準厚度值見表5-8。在任何情況下都應使：將名義厚度減去厚度附加量C得到的厚度值稱為有效厚度，即殼體有關(guān)厚度值之間關(guān)系為：<4>.有效厚度δe名義厚度厚度負偏差腐蝕余量厚度附加量計算厚度厚度圓整值設計厚度有效厚度滿足強度條件所需厚度由已知，內(nèi)壓薄壁圓筒上環(huán)向應力與縱向應力的關(guān)系為：，故應按環(huán)向應力進行強度計算，即5.3.2內(nèi)壓薄壁殼體的厚度設計1.內(nèi)壓薄壁圓筒的厚度設計其中：P——設計壓力，MPa；D——圓筒中徑，mm；Do——圓筒外徑，mm；Di——圓筒內(nèi)徑，mm；δ——圓筒的計算厚度，mm；[σ]t——設計溫度下圓筒材料的許用應力，MPa，可查有關(guān)手冊。在制造過程中，焊縫影響可能使容器強度改變，故取[σ]t乘以焊縫系數(shù)φ，即：設計時，圓筒常用內(nèi)徑為設計參數(shù)，故用Di代替D，于是代入公式，得：此計算式是在彈性變形狀態(tài)下推導得到的計算式，故其適用范圍為：設計壓力的情況。考慮到操作過程中介質(zhì)對筒體的腐蝕影響，得到設計厚度為：在選取筒體名義厚度時，應根據(jù)：進行筒體厚度的確定。2.內(nèi)壓薄壁球殼的厚度設計內(nèi)壓球形殼體承受氣壓時，其經(jīng)向應力和環(huán)向應力相等，即：

同理，將，并考慮焊縫系數(shù)及腐蝕余量，則球殼的厚度設計公式為：mm同樣，球殼名義厚度應根據(jù)進行確定。本計算公式使用范圍：比較可知，在相同壓力、相同直徑情況下，球殼的厚度可小很多，故更加節(jié)省材料。圓筒球殼封頭是容器的重要組成部分，按形狀可分為三類：凸形封頭、錐形封頭和平板封頭。凸形封頭：半球封頭、橢圓封頭、碟形封頭、球冠封頭。錐形封頭：無折邊錐形封頭、有折邊錐形封頭。封頭設計其設計參數(shù)的確定與殼體設計取法相同。5.3.3內(nèi)壓容器封頭的厚度設計優(yōu)點：受力均勻，但因深度較大，整體沖壓成型較困難，中上直徑容器很少采用，直徑較大的設備（Di>2.5m）可以分塊沖壓，拼焊而成，一般常用于高壓容器上，或有特殊要求的場合。

<1>.封頭結(jié)構(gòu)1.半球形封頭計算得到的厚度較薄，但考慮到焊接需要，一般取與相連接的筒體等厚。<2>.厚度設計

與球形容器相同，設計厚度的計算公式為：<1>.封頭結(jié)構(gòu)由半個橢圓殼體和一段高度為h的短圓筒節(jié)組成。橢圓形封頭深度比半球形封頭小得多，沖壓成形容易，是目前應用最廣泛封頭之一，它有專門尺寸規(guī)格的壓模進行沖壓，其受力也較均勻。2.橢圓封頭

由推導可知，橢圓形封頭的最大應力值與橢圓的長短軸之比a/b有關(guān)。其計算公式為：<2>.厚度設計當橢圓封頭時，一般可用整塊鋼板沖壓成型，此時可取，當時，鋼板要先拼焊，后沖壓，焊縫系數(shù)按有關(guān)規(guī)定選取。式中：K——橢圓形封頭形狀系數(shù)，標準橢圓封頭a/b=2,K=1。由于碟形封頭一般多被橢圓形封頭取代，故不作詳細介紹。3.碟形封頭又稱有折邊的球形封頭以半徑Ri構(gòu)成的部分球冠形封頭與筒體直接焊接，而成為無折邊球形封頭，或拱形封頭放置在兩相鄰獨立承壓的中間封頭。一般多用于壓力不高，直徑不太大的容器上。<1>.封頭結(jié)構(gòu)4.球冠形封頭又稱無折邊的球形封頭封頭的設計厚度為：<2>.厚度設計其中：Q——應力修正系數(shù)，由圖5-14查取。

與無折邊球形封頭連接的圓筒厚度應不小于封頭厚度，否則應在封頭與圓筒間設置加強段，加強段厚度應與封頭等厚，加強段長度不小于

圓錐形封頭廣泛應用于固體缷料的立式容器底部，或用于兩段不同直徑的塔體連接段，稱為變徑段。<1>.封頭結(jié)構(gòu)5.圓錐形封頭根據(jù)錐形封頭是否有無過渡圓弧和直邊部分，分為不帶折邊和帶折邊錐形封頭兩種。帶折邊錐形封頭與筒體連接處附加應力峰值可以大大降低，但加工相對困難。無折邊錐形封頭的設計計算公式為：<2>.厚度設計其中：α——錐形封頭半錐頂角。帶折邊錐形封頭的設計公式參照有關(guān)資料進行。<1>.封頭結(jié)構(gòu)

圓平板可作為筒體的封頭或人孔、手孔的平蓋，在制造上很方便，可用螺栓或直接焊，連接在筒體上。但在連接處會產(chǎn)生附加應力。6.平板封頭平板的形狀有圓平板，橢圓平板、短形平板等。其中：Dc——計算直徑，見表5-9.K——平蓋系數(shù)，見表5-9查取。設計厚度計算公式為：<2>.厚度設計

以上各封頭在計算得到設計厚度值之后，應再加上鋼板負偏差值，然后才可選取封頭的實際需要的鋼板厚度δn值。5.3.4壓力試驗壓力容器在制造安裝完成后，或在檢修完成后,都必須進行壓力試驗。檢驗容器超過工作壓力條件下密封結(jié)構(gòu)的嚴密性，焊縫的致密性，以及容器的宏觀強度，是對材料設計、制造或檢修的綜合性檢查，是對壓力容器的不安全因素在投產(chǎn)前作全面的安全檢查，防患于未然。容器經(jīng)過壓力試驗合格后才能交付使用。壓力試驗的目的：壓力試驗包括耐壓試驗和氣密性試驗。耐壓試驗又分為液壓試驗和氣壓試驗。1.壓力試驗的分類<1>.液壓試驗液壓實驗的步驟

液壓實驗時，壓力應緩慢上升，達到規(guī)定試驗壓力后，保壓時間一般不少于30分鐘，然后降至規(guī)定試驗壓力的80%，并保持足夠長的時間，以檢查所有焊縫和連接部位有無泄漏，如有泄漏，修補后重新試驗。是壓力容器最常用的壓力試驗方法絕大部分為水壓實驗<2>.氣壓試驗氣壓實驗的步驟

氣壓實驗時，升壓至規(guī)定試驗壓力的10%且不超過0.05MPa，保持5分鐘進行初檢，合格后繼續(xù)升壓到規(guī)定試驗壓力的50%，其后按每級為規(guī)定試驗壓力的10%為級差，逐級升到試驗壓力保持10分鐘，然后再降至規(guī)定試驗壓力的87%，并保持足夠長的時間后再一次進行檢查。<3>.氣密性檢驗當壓力容器內(nèi)介質(zhì)為極度或高度危害的毒性介質(zhì)時，在液壓試驗合格后，必須再次進行氣密性試驗，經(jīng)檢查無泄露，方可用于正常生產(chǎn)。<1>.液壓試驗2.內(nèi)壓容器試驗壓力式中：PT——容器的試驗壓力，MPa；P——容器的設計壓力，MPa；[σ]——容器材料在試驗溫度下的許用應力，MPa[σ]t——容器材料在設計溫度下的許用應力，MPa<2>.氣密性檢驗液壓試驗的應力校核條件：由于壓力試驗是在高于設計壓力的情況下進行的，所以在進行試驗前應對容器的試驗強度進行校核。3.壓力試驗的應力校核—液壓試驗應力校核式中：t——圓筒在液壓試驗下的應力，MPa。本節(jié)結(jié)束練習5-15-25-4[例5-1]液氨儲罐的筒體設計已知條件：設計壓力P=2.5MPa,操作溫度-5-44℃，儲罐內(nèi)徑Di=1200mm，設計要求：解:

（1）確定筒體厚度，鋼材牌號；a)根據(jù)液氨對鋼材的腐蝕情況不是很大，設計壓力為中壓，操作溫度屬于常溫的工作條件，選用容器材料為16MnR。b)根據(jù)16MnR鋼材在板厚6-16mm之間，溫度在-5-44℃范圍內(nèi)，查得[σ]t=170MPa,焊縫采用雙面對接焊，局部無損檢測，取φ=0.85，鋼板負偏查得C1=0.8mm,腐蝕裕量選取C2=1mm。c)計算筒體厚度查鋼材厚度表取δn=14mmd)水壓試驗強度校核查16MnR材料的[σ]=170MPa,采用水壓試驗，故試驗壓力為：水壓試驗時的應力故筒體厚度滿足水壓試驗強度要求。（2）確定封頭型式和壁厚根據(jù)各種封頭比較，選用橢圓形封頭為儲罐的封頭，并且根據(jù)儲罐外形尺寸，儲罐選用臥式放置。封頭材料選用16MnR，各參數(shù)與筒體相同。橢圓形封頭壁厚：課堂練習：某液氨貯罐，設計壓力P=2.5MPa，操作溫度-3～50℃，貯罐內(nèi)徑Di=2200mm，筒體材料為16MnR，=163MPa，焊縫系數(shù)，鋼板負偏差為C1=0.8mm，腐蝕裕量C2=1mm，材料的=345MPa，試確定筒體的壁厚，并進行水壓試驗的強度校核。(1)確定筒體的壁厚C1=0.8，故取筒體壁厚

(2)水壓試驗強度校核PT=1.25P=1.25×2.5=3.125MPa

0.9=310.5MPa

=202MPa＜0.9

故所選壁厚合理在化工生產(chǎn)中，除了大量使用內(nèi)壓容器，還常使用一些外壓容器。例如真空工作儲罐、減壓塔、冷凝器等，這些容器外面的壓力大于容器內(nèi)部的壓力，是處于外壓操作的容器。

當容器在外壓作用下，筒壁上也將產(chǎn)生經(jīng)向和環(huán)向的壓縮應力，由推導可知，其值為5.4.1臨界壓力計算5.4外壓容器1.失穩(wěn)實驗表明，當外壓逐漸增大到某臨界值時，筒壁就會突然發(fā)生壓癟或瞬間的失去自身原來形狀的情況，這種現(xiàn)象稱為失穩(wěn)。在均勻外壓作用下，薄壁圓筒的變形是有規(guī)律的，其失穩(wěn)后出現(xiàn)多種變形波的形狀，這種變形波數(shù)用n表示，可以用有關(guān)公式推導得到。影響筒體臨界壓力的因素主要有筒體尺寸（筒體長度、壁厚、直徑）、材料性能以及筒體的形狀精度等。

當圓筒長度超過某一極限長度Lcr值后，兩端封頭或剛性構(gòu)件對筒體中部的支撐作用將消失，此時圓筒的變形波為n=2，這類圓筒為長圓筒，當筒體長度小于Lcr值時，圓筒的變形收到封頭的支撐作用，其變形波n>2，這類圓筒為短圓筒。2.臨界壓力的計算<1>.長圓筒

長圓筒易失穩(wěn)時臨界壓力Pcr值按下式計算：式中：Pcr——臨界壓力，MPa；E——材料在設計溫度下的彈性模量，MPa；δe——圓筒的有效厚度，mm；Do——圓筒的外直徑，mm。

<2>.短圓筒

短圓筒的臨界壓力值按下式計算：式中：L——圓筒的計算長度，mm，由圖5-19確定；其他符號含義同式（5-20）對于真空設備，裝有真空泄放閥安全裝置時，P=1.25P壓差，或P=0.1MPa兩者中的較小值；當無安全控制裝置時，設計壓力P=0.1MPa，在以上基礎上考慮相應的液體靜壓力，得到設計壓力P。5.4.2外壓容器設計1.設計參數(shù)的確定對于外壓容器，設計壓力P是確定厚度的重要依據(jù)，設計壓力應取正常工作時，容器內(nèi)外可能出現(xiàn)的最大壓差。對于由兩室或兩個以上的壓力室組成的容器，如夾套容器，其設計壓力應考慮各室之間的最大壓差。外壓力容器的其他設計參數(shù)，如設計溫度，焊接接頭數(shù)，許用應力等與內(nèi)壓容器相同。外壓薄壁圓筒的壁厚計算有解析法和圖算法，圖算法是借助計算圖來確定壁厚，這種方法比較簡單，我國壓力容器設計規(guī)定采用圖算法進行外壓壁厚設計。2.外壓圓筒圖算法設計方法與步驟：1）假設外壓圓筒或管子的名義厚度，則；2）計算外徑，計算和；3）在圓筒幾何參數(shù)計算圖縱坐標上找到L/Do值，過此點向右作水平線與Do/δe線相交得到交點，過此點作鉛垂線與橫坐標相交得到系數(shù)A。<1>.的外壓圓筒和管子4）按筒體所用材料選相應厚度計算圖，在圖的橫坐標上找到系數(shù)A，若A值位于設計溫度線下方的右邊，且A值與溫度線有交點，則向上作鉛垂線，與溫度相交，得到交點作水平線向右側(cè)得到相應系數(shù)B值。并按下式計算許用外壓力[P]：MPa(5-22)MPa(5-23)若所得A值位于設計溫度下材料線與橫坐標交點的左方，則許用外壓力[P]為：5）比較P與[P]，[P]應大于并接近P，所選名義厚度合理，否則應重新假設圓筒的名義厚度值，再重復以上步驟，直到[P]大于并接近P為止。

<2>對于Do/δe<20的外壓圓筒和管子其設計方法與上相同，但應做一定的強度校核，詳細內(nèi)容請參閱國家標準。外壓容器封頭的結(jié)構(gòu)形式與內(nèi)壓容器相同，在外壓作用下，封頭與筒體一樣，也存在失穩(wěn)問題。故也是采用圖算法進行封頭壁厚的設計。<1>.半球形封頭受外壓的半球形封頭壁厚的設計步驟如下：1）假設半球形封頭名義厚度為，則2）由，確定；3.外壓封頭圖算法3）按（5-24）式計算A值：（5-24）4）根據(jù)封頭材料，選取壁厚計算圖，在橫坐標上找到系數(shù)A值點，若A值在設計溫度下材料線與橫坐標交點在右方，過此點作鉛垂線與溫度線相交，得到交點后作水平線與右側(cè)縱坐標相交得到B值。于是許用外壓[P]為（5-25）若A值在溫度線與橫坐標交點的左方，則用下式計算許用外壓力[P]（5-26）5）比較計算外壓P與許用外壓[P]，[P]大于P，且接近P，則所設名義厚度合理，否則應重新假設封頭名義厚度值，重復以上步驟，直到[P]大于P，且接近P值為止。<2>.橢圓形封頭 受外壓作用的橢圓封頭厚度計算，設計步驟與半球形封頭相同，只是半徑Ro取橢圓形封頭的當量外半徑。即其中：K1——橢圓形長短軸比值不同而設的修正系數(shù)。對于標準橢圓形封頭K1=0.9<1>.改變?nèi)萜鞯膸缀纬叽缭谕鈮簣A筒材料和直徑都已確定的條件下，增加筒體壁厚或者縮短筒體計算長度，都能提高筒體的臨界壓力，因而提高筒體的穩(wěn)定性，從節(jié)約成本的角度看，減小計算長度更加有利。4.提高外壓容器穩(wěn)定性的途徑<2>.增設加強圈將長圓筒變成短圓筒的有效措施是在筒體上焊加強圈，可以焊在外側(cè)，也可以焊在內(nèi)側(cè)，使加強圈提高筒體的剛度，達到提高筒體穩(wěn)定性的目的，加強圈可以采用工字鋼、角鋼、扁鋼等.例5-2已知某外壓圓筒形塔體，，筒體總長（不包封頭），兩邊為標準橢圓封頭，高，直邊高，設計溫度，材料為20R鋼，真空操作，無安全控制裝置，取腐蝕余量，試計算筒體與標準橢圓封頭厚度。解：采用圖算法，根據(jù)題目條件及設計壓力選取規(guī)定，塔的設計壓力1）假設筒體名義厚度，表5-5查得，故C=C1+C2=2mm(1)筒體厚度計算筒體有效厚度：筒體外徑：筒體計算長度：故2）由圖5-20，根據(jù)，

查得3）根據(jù)筒體材料20R鋼，設計溫度，,及查圖5-21圖，系數(shù)A落在設計溫度與橫坐標交點的左方，沒有交點，故4）[P]和P較接近，且，假設壁厚符合設計要求，確定筒體壁厚。1）假設封頭名義厚度，封頭有效厚度(2)標準橢圓封頭厚度計算查得已知標準橢圓封頭，則封頭當量外半徑為2）計算系數(shù)A計算得到：3）查圖5-21可得，A點在材料溫度線右方，B=47，許用外壓[P]為4）[P]>P,且接近P，假設封頭壁厚符合設計要求，考慮到筒體與封頭壁厚焊接要求，取封頭壁厚8mm。某廠脫水塔的塔體內(nèi)徑為700mm，實際厚度為12mm，材料為20R，其200℃時的σs=25MPa，塔的工作壓力p=2MPa，工作溫度180℃。塔體采用單面對接焊（帶墊板），局部無損檢測，腐蝕裕量1mm，試校核塔體工作與試壓時的強度。5-61.校核塔體工作時的強度p=2MPae=n-C1-C2=12-0.8-1=10.2mmD=Di+e=700+10.2=710.2mm[σ]t

=123MPaΦ=0.82.校核塔體試壓時的強度PT=1.25P=1.25×2=2.5MPa

0.9=220.5MPa

=108.8MPa＜0.9

故筒體厚度滿足水壓試驗時的強度。e=n-C1-C2=12-0.8-1=10.2mm=220.5MPa

5.5.1臥式儲罐儲罐作用：儲存或盛裝氣體、液體、液化氣體等介質(zhì)。如氫氣儲罐、液化石油氣儲罐、石油儲罐、液氨儲罐等。介質(zhì)的特性：易燃、易爆、有毒，壓力受溫度影響。5.5儲存設備(1)地面臥式儲罐由筒體、封頭、法蘭、人孔、手孔、支座、接管等組成。5.5.1臥式儲罐1.基本結(jié)構(gòu)臥式儲罐的設計步驟：①根據(jù)壓力初步確定壁厚。②確定支座位置，計算支座反力，選擇支座標準及尺寸。③校核筒體在支座作用下，操作狀態(tài)時的周向、軸向強度和穩(wěn)定性。最后確定設備的壁厚。(2)地下臥式儲罐地下臥式儲罐的結(jié)構(gòu)基本與地面臥式儲罐相同，所不同的是在臥式儲罐上部專業(yè)將各種工藝接管、儀表管、安全泄放裝置等專門集中設置在一個或幾個人孔蓋板上，以便安裝、檢修和維護。優(yōu)點：減少占地面積，更加有利于儲罐的安全防火，避開了環(huán)境溫度對液化氣體壓力的不利影響。缺點：會增加地下物質(zhì)對罐體的腐蝕。地下臥式儲罐防腐蝕措施：犧牲陽極保護法，在儲罐上焊有專門金屬導線，在導線的一端焊接一塊電位較負的金屬，（如鋅、鎂、鋁等）使設備全部表面都成為陰極，從而實現(xiàn)防止腐蝕效果。形狀上分為：圓球形，橢球形殼層數(shù)分：單層球殼，多層球殼殼體構(gòu)造分為：桔瓣式，足球瓣式和混合式。支座結(jié)構(gòu)分：支柱式支座、筒形或錐形裙式支座。5.5.2球形儲罐1.球罐特點①球罐的表面積最小，相同容積材料最省。②與筒體相比，相同直徑、相同壓力鋼板可以減薄。③球罐占地面積小，有利于地表面積的利用。④基礎簡單、受風面小、外觀美觀，但加工較困難。2.球罐分類常溫球罐低溫球罐深冷球罐我國設