第七章 壓力容器設(shè)計基礎(chǔ)

第七章壓力容器設(shè)計基礎(chǔ)化工設(shè)備機械基礎(chǔ)1第七章壓力容器設(shè)計基礎(chǔ)§7-1概述§7-2回轉(zhuǎn)殼體中的薄膜應(yīng)力§7-3

邊界區(qū)內(nèi)的二次應(yīng)力§7-4強度條件2一、壓力容器的概念§7-1

概述化工設(shè)備——工藝過程中靜止設(shè)備的總稱。容器——化工設(shè)備外殼的總稱。壓力容器——承受壓力載荷作用的容器。由于化工容器幾乎都承受壓力載荷，通常直接稱其為壓力容器。化工容器的特點：高溫、高壓，介質(zhì)易燃易爆、有毒、有腐蝕性。3二、壓力容器的分類2.按壁厚分類：薄壁容器（δ/Di≤0.1或k=Do/Di≤1.2）

厚壁容器（δ/Di＞0.1或k=Do/Di

＞1.2

）

1.按照在生產(chǎn)過程中的作用原理（用途）分類：反應(yīng)容器（R）：完成介質(zhì)的物理、化學(xué)反應(yīng)。換熱容器（E）：完成介質(zhì)的熱量交換。分離容器（S）：完成介質(zhì)的壓力平衡和氣體凈化等.儲存容器（Ｃ，球罐為Ｂ）：盛裝原料氣體、液體、液化氣體等。43.按容器承受的介質(zhì)壓力分

1）常壓容器：－0.02MPa＜

p

＜

0.1MPa2）受壓容器：又分為內(nèi)壓容器和外壓容器內(nèi)壓容器：低壓容器中壓容器高壓容器超高壓容器容器分類設(shè)計壓力p(MPa)低壓容器L中壓容器M高壓容器H超高壓容器U0.1≤p＜1.61.6≤p＜1010≤p＜100

p≥100內(nèi)壓容器是指容器內(nèi)部壓力大于外部壓力的容器。外壓容器是指容器外部壓力大于內(nèi)部壓力的情況。注：設(shè)計壓力p指表壓。55.壓力容器綜合分類：壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程，根據(jù)容器承受的壓力、介質(zhì)危害程度、P·V乘積等，可以分為：一、二、三類容器。4.按壁溫分：常溫容器：壁溫-20℃至200℃；高溫容器：壁溫達到蠕變溫度,碳素鋼或低合金鋼容器，溫度超過420℃，合金鋼超過450℃，奧氏體不銹鋼超過550℃，均屬高溫容器；中溫容器：在常溫和高溫之間；低溫容器：壁溫低于-20℃,-20℃至-40℃為淺冷容器，低于-40℃者為深冷容器。6名稱說明三類容器（1）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；

（3）中度危害介質(zhì)，且pV大于等于10MPa·m3中壓儲存容器

（4）中度危害介質(zhì)，且pV大于等于0.5MPa·m3中壓反應(yīng)容器

（5）毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)，且pV乘積大于等于

0.2MPa·m3的低壓容器；

（6）高壓、中壓管殼式余熱鍋爐；

（7）中壓搪玻璃壓力容器；

（8）使用強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、罐式汽車等；

（10）容積大于等于50m3的球形儲罐；

（11）容積大于5m3的低溫液體儲存容器。

二類容器（1）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；

（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)容器和低壓儲存容器；

（4）低壓管殼式余熱鍋爐；

（5）低壓搪玻璃壓力容器。

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。指標介質(zhì)毒性分級Ⅰ極度危害Ⅱ高度危害Ⅲ中度危害

Ⅳ輕度危害

急性中毒吸入

＜200mg/m3200mg/m3~2000mg/m3~＞20000

mg/m3經(jīng)皮＜100100~500500~2500＞2500經(jīng)口＜2525~500500~5000＞5000急性中毒易中毒，后果嚴重可中毒，愈后良好偶可中毒無中毒但有影響慢性中毒患病率高較高偶有發(fā)生有影響慢性中毒后果

繼續(xù)進展不能治愈可基本治愈可恢復(fù)無嚴重后果可恢復(fù)無不良后果致癌性

人體致癌可疑致癌動物致癌無致癌性最高容許濃度

＜0.10.1～1.01.0～10＞10常見化學(xué)介質(zhì)

光氣、汞、氰化氫甲醛,苯胺、氟化氫、二氧化硫,硫化氫,氨7.按材料分：金屬容器：鋼制,鑄鐵,有色金屬容器非金屬材料：既可作為容器的襯里，又可作為獨立的構(gòu)件。應(yīng)用最多是低碳鋼和普通低合金鋼，腐蝕嚴重用不銹鋼、不銹復(fù)合鋼板、鋁板及鈦材。在深冷操作中，可用銅或銅合金。6.按容器形狀分類：矩形容器、球形容器、圓筒形容器等。9化工容器一般由筒體、封頭、支座（基本件）、接管、法蘭（對外連接件）、人孔、手孔、液面計（附件）以及一些內(nèi)構(gòu)件等零部件組成。三、容器的結(jié)構(gòu)組成101.筒體筒體單層式組合式無縫鋼管式單層卷焊式整體鍛造式鍛焊式多層式纏繞式繞板式繞帶式層板包扎式熱套式11優(yōu)點：加工簡單，生產(chǎn)效率高，中低壓容器普遍應(yīng)用。缺點：高壓厚壁容器卷制時設(shè)備受限制。單層卷焊式12直徑300～800mm，長度12m優(yōu)點：性能優(yōu)良；缺點：設(shè)備笨重，加工費用高。較少采用。整體鍛造式13

（1）對加工設(shè)備的要求不高。（2）壓縮預(yù)應(yīng)力可防止裂紋的擴展。（3）內(nèi)筒可采用不銹鋼防腐。（4）層板厚度薄韌性好，不易發(fā)生脆性斷裂。優(yōu)點

（1）包扎工序繁瑣，費工費時，效率低。（2）層板材料利用率低。3）層間松動問題。缺點層板包扎式14層板包扎式15

（1）套合層數(shù)少，效率高，成本低。（2）縱焊縫質(zhì)量容易保證。（1）只能套合短筒，筒節(jié)間深環(huán)焊縫多。（2）要求準確的過盈量，對筒節(jié)的制造要求高。優(yōu)點缺點熱套式16優(yōu)點：（1）機械化程度高，操作簡便，材料利用率高（2）縱焊縫少。缺點：（1）繞板薄，不宜制造壁厚很大的容器。（2）層間松動問題。優(yōu)點缺點繞板式17（1）筒壁應(yīng)力分布均勻且能承受一部分由內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向力。（2）機械化程度高，材料利用率高。（1）鋼帶成本高，公差要求嚴格。（2）繞帶時鋼帶要求嚴格嚙合，否則無法貼緊。優(yōu)點缺點槽形繞帶式18

（1）機械化程度高，材料利用率高。（2）整體繞制，無環(huán)焊縫。（3）帶層呈網(wǎng)狀，不會整體裂開。（4）扁平鋼帶成本低，繞制方便。特點扁平鋼帶傾角錯繞式19組合式筒體結(jié)構(gòu)202.封頭封頭凸形封頭橢圓形封頭碟形封頭半球形封頭球面形封頭錐形封頭折邊錐形封頭無折邊錐形封頭平板形封頭21半球形封頭橢圓形封頭碟形封頭折邊錐形封頭球冠形封頭平板封頭223.支座支座立式容器支座耳式支座支承式支座腿式支座裙式支座臥式容器支座鞍座圈座支腿球形容器支座23球形容器支座244.開孔與接管開孔與接管人孔、手孔、試鏡孔等物料進出口接管儀表接管口255.密封裝置266.安全附件安全附件監(jiān)測——壓力表、溫度計、液面計等報警或泄放——緊急切斷閥、安全閥、爆破膜等271.

標準化的意義容器的零部件(例如封頭、法蘭、支座、人孔、手孔、視鏡、液面計等)標準化、系列化，有利于成批生產(chǎn)，提高質(zhì)量；可增加零部件的互換性，有利于設(shè)計、制造、安裝和維修。2.

容器零部件標準化的基本參數(shù)

公稱直徑DN

公稱壓力PN四、容器的標準化設(shè)計28①壓力容器(筒體、封頭)的公稱直徑

對鋼板卷焊的筒體，公稱直徑是指其內(nèi)徑。（表7-1）300(350)400(450)500(550)600(650)700(750)8009001000(1100)1200(1300)1400(1500)1600(1700)1800(1900)2000(2100)2200(2300)24002500260028003000320034003500360038004000420044004500460048005000520054005500560058006000

⑴公稱直徑指標準化以后的標準直徑，以DN表示。容器直徑較小，可直接用無縫鋼管制作。此時公稱直徑指鋼管外徑。

無縫鋼管制作筒體時容器的公稱直徑（mm）159219273325377426表（7-2）設(shè)計時，應(yīng)將工藝計算初步確定的設(shè)備內(nèi)徑，調(diào)整為符合表7-1或表7-2所規(guī)定的公稱直徑。封頭的公稱直徑與筒體一致。30②容器零部件的公稱直徑

有些零部件如法蘭、支座等的公稱直徑指的是與其相配的筒體、封頭的公稱直徑。如DN2000法蘭，DN

2000鞍座；還有一些零部件的公稱直徑是與它相配的管子的公稱直徑，如DN200管法蘭是指連接DN200mm管子的管法蘭；另有一些容器零部件公稱直徑是指結(jié)構(gòu)中某一重要尺寸，DN

80(Dg80)視鏡是指窺視孔的直徑為80mm。31⑵公稱壓力工作壓力不同，相同公稱直徑的壓力容器其筒體及其零部件的尺寸也不同，標準零部件尺寸需按壓力確定。將承受的壓力范圍分為若干個標準壓力等級，即公稱壓力。表7-3壓力容器法蘭與管法蘭的公稱壓力PN壓力容器法蘭（MPa）－0.25－0.61.01.62.54.06.4管法蘭（MPa）0.10.250.400.61.01.62.54.06.432

壓力容器標準是全面總結(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、驗收等必須遵循的準則。壓力容器標準涉及設(shè)計方法、選材及制造、檢驗方法等。五、壓力容器的標準簡介33⑴國內(nèi)標準1989我國壓力容器標準化技術(shù)委員會制訂了GB150-89《鋼制壓力容器》1998年修訂成GB150-1998，使標準更加完善。GB150《鋼制壓力容器》內(nèi)容包括：壓力容器板殼元件計算容器結(jié)構(gòu)要素的確定密封設(shè)計超壓泄放裝置的設(shè)置容器的制造與驗收的要求等34主要標準GB150—1998《鋼制壓力容器》GB151—1999《管殼式換熱器》JB4732—1995《鋼制壓力容器—分析設(shè)計標準》JB/T4735《鋼制焊接常壓容器》GB12337—1998《鋼制球形儲罐》JB4710—2000《鋼制塔式容器》

35⑵國外主要規(guī)范國外的規(guī)范主要有四個：美國ASME規(guī)范；英國壓力容器規(guī)范（BS）；日本國家標準（JIS）；德國壓力容器規(guī)范（AD）。3637思考題1.壓力容器按照壓力、溫度、監(jiān)察管理各是怎樣分類的？2.鋼板卷制的筒體和成型封頭的公稱直徑指的是哪個直徑？無縫鋼管制作筒體時，公稱直徑指的是哪個直徑？法蘭、支座等的公稱直徑，指的是什么直徑？3.什么是公稱壓力？壓力容器法蘭的公稱壓力有哪些等級？38（一）面一、回轉(zhuǎn)殼體幾何概念§7-2

回轉(zhuǎn)殼體中的薄膜應(yīng)力1.回轉(zhuǎn)曲面：由一條平面曲（直）線繞其同平面內(nèi)的回轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)一周所形成的曲面。如：圓柱面、橢球面、圓錐面、球面等。2.中間面：平分殼體厚度的曲面稱為殼體的中間面，中間面與殼體內(nèi)外表面等距離，它代表了殼體的幾何特性。3.回轉(zhuǎn)殼體：由回轉(zhuǎn)曲面作中間面形成的殼體稱為回轉(zhuǎn)殼體。如筒體、封頭等。39回轉(zhuǎn)曲面與回轉(zhuǎn)殼體40（二）回轉(zhuǎn)曲面上的線母線：形成回轉(zhuǎn)曲面的平面曲線（AB）經(jīng)線：過回轉(zhuǎn)軸的平面與回轉(zhuǎn)曲面的交線（AB'）法線：過回轉(zhuǎn)曲面上任一點M且垂直于回轉(zhuǎn)曲面的直線稱為回轉(zhuǎn)曲面在該點的法線n。（法線的延長線必與回轉(zhuǎn)軸相交）緯線：以法線為母線繞回轉(zhuǎn)軸回轉(zhuǎn)一周所形成的圓錐法截面與回轉(zhuǎn)曲面的交線稱緯線；垂直于回轉(zhuǎn)軸的平面與回轉(zhuǎn)曲面的交線稱平行圓。顯然，平行圓即緯線。F

圓柱面、圓錐面、球面、橢球面的經(jīng)線、法線各是什么？41第一曲率半徑：回轉(zhuǎn)曲面上任一點M處經(jīng)線的曲率半徑為該點的“第一曲率半徑R1”，

R1=MK1。2.第二曲率半徑：通過經(jīng)線上一點M的法線作垂直于經(jīng)線的平面與回轉(zhuǎn)曲面相割形成的曲線EMF（法截線），法截線在M點處的曲率半徑稱為該點的第二曲率半徑R2。第二曲率半徑的曲率中心落在回轉(zhuǎn)軸上，其長度等于法線段MK2，即R2=MK2。（三）曲率半徑F

F

圓柱面、圓錐面、球面的第一、第二曲率半徑各是多少？42⑴圓柱面：R1=∞，R2=R⑵球面：R1=R2=R⑶圓錐面：R1

=∞，

R2=r/cosα(α為半錐角）⑷橢球面：A常見回轉(zhuǎn)曲面的曲率半徑R1，R243二、回轉(zhuǎn)殼體的無力矩理論

及兩個基本方程式

（一）板殼理論（PlateTheory）的基本概念殼體在介質(zhì)內(nèi)壓作用下，其直徑、長度都將增加，由此殼體上將產(chǎn)生彎曲應(yīng)力及中間面的拉（壓）應(yīng)力，求出這些內(nèi)力或內(nèi)力矩的理論稱為有力矩理論，比較復(fù)雜；當殼體很薄時，殼體內(nèi)的彎曲應(yīng)力與中間面的拉（壓）應(yīng)力相比很小甚至可以忽略不計，可認為殼體的外載荷只是由中間面的拉（壓）應(yīng)力來平衡，這種處理方法，稱為薄膜理論或無力矩理論。44（二）回轉(zhuǎn)殼體應(yīng)力分析及基本方程式1.微體平衡方程式為兩向應(yīng)力狀態(tài)σθ－環(huán)向應(yīng)力，σm－經(jīng)向應(yīng)力①取微元體—由三對曲面截取而得：截面1：殼體的內(nèi)外表面；截面2：兩個相鄰的，通過殼體軸線的經(jīng)線平面；截面3：兩個相鄰的，與殼體正交的圓錐法截面。45受力分析：n—法向，σθ－環(huán)向應(yīng)力，σm－經(jīng)向應(yīng)力

n已知介質(zhì)內(nèi)壓為p，壁厚δ，求σθ、σm46②受力分析和平衡方程上式稱為微體平衡方程式，也稱為拉普拉斯方程式。式中：σm－經(jīng)向應(yīng)力，σθ—環(huán)向應(yīng)力，

p—介質(zhì)內(nèi)壓力MPa，δ－殼體的壁厚mm

整理可得：微體平衡方程式472.區(qū)域平衡方程式用截面法：在直徑為D的平行圓處用垂直于經(jīng)線的法向圓錐面把回轉(zhuǎn)曲面分為上下兩部分，取下部為分離體：

48區(qū)域平衡方程式區(qū)域平衡方程式由z軸方向的平衡條件：整理后得：區(qū)域平衡方程式微體平衡方程式491.受內(nèi)壓作用的圓柱形殼體介質(zhì)內(nèi)壓p，平均直徑D；將R1=∞，R2=D/2代入兩方程式得：結(jié)論：σθ＝２σm

（7-1）（7-2）三、無力矩理論在典型薄壁殼體上的應(yīng)用薄膜理論應(yīng)用之一50分析：

薄壁圓筒受內(nèi)壓時，環(huán)向應(yīng)力是經(jīng)向應(yīng)力的兩倍。

σθ＝２σm問題a：鋼板卷制圓筒形容器，縱焊縫與環(huán)焊縫哪個易裂？筒體縱向焊縫受力（σθ）大于環(huán)向焊縫受力，故縱焊縫易裂，施焊時應(yīng)予以注意。問題b：筒體上開橢圓孔，如何開？應(yīng)使其短軸與筒體的軸線平行，以盡量減少開孔對縱截面的削弱程度，使環(huán)向應(yīng)力不致增加很多。51因球殼幾何形狀對稱于球心，R1=R2=R，代入兩方程式可得：推論：相同內(nèi)壓下，球殼的環(huán)向應(yīng)力要比同直徑、同厚度的圓筒殼的環(huán)向應(yīng)力小一半，這是球殼顯著的優(yōu)點。（7-3）2.受內(nèi)壓作用的球形殼體薄膜理論應(yīng)用之二523.受氣壓作用的錐形殼體

圓錐形殼半錐角為α，A點處半徑為r，厚度為δ，則在A點處：代入兩方程式可得A點處的應(yīng)力：薄膜理論應(yīng)用之三53錐形殼體環(huán)向應(yīng)力是經(jīng)向應(yīng)力兩倍，隨半錐角α的增大而增大；α角要選擇合適，不宜太大。在錐形殼體大端r=R時，應(yīng)力最大，在錐頂處，應(yīng)力為零。因此，一般在錐頂開孔。錐形殼體的特點：錐體大端，D=2r，兩向應(yīng)力為最大：（7-9）（7-10）544.受內(nèi)壓作用的橢圓形殼體圓殼經(jīng)線為一橢圓，a、b分別為橢圓的長短軸半徑。曲率半徑分別為：

55代入兩方程式可得：薄膜理論應(yīng)用之四56橢圓形殼體上的應(yīng)力分布⑵在x=a（赤道）處，⑴在x=0（頂點）處，分析上述各式，可得以下結(jié)論：①在橢圓形封頭的頂點處，經(jīng)向應(yīng)力σm和環(huán)向應(yīng)力σθ相等。②經(jīng)向應(yīng)力σm恒為正值，且最大值在x=0處，最小值在x=a處③環(huán)向應(yīng)力σθ，在x=0處，σθ>0；在x=a處有三種情況：57橢圓形殼體的應(yīng)力分布圖④a/b值越大，即封頭越淺，應(yīng)力越大；a/b越小，封頭越深，但應(yīng)力越小。規(guī)定當a/b=2時，為標準橢圓形封頭。標準橢圓封頭的應(yīng)力分布58例題7-1：有一外徑為219mm的氧氣瓶，最小厚度為6.5mm，材料為40Mn2A，工作壓力為15MPa，試求氧氣瓶壁應(yīng)力。解：氣瓶平均直徑：經(jīng)向應(yīng)力環(huán)向應(yīng)力59微體平衡方程式區(qū)域平衡方程式1.受氣壓作用的圓柱形殼體σθ＝２σm

復(fù)習602.受氣壓作用的球殼3.受氣壓作用的錐形殼體

61

一、邊緣應(yīng)力產(chǎn)生的原因所謂連接邊界是指筒體與封頭、筒體與法蘭、支座等的連接處，在連接邊界除產(chǎn)生前面所講的薄膜應(yīng)力以外，還有另一種應(yīng)力。如圖示筒體與封頭連接處：筒體與封頭的自由變形ΔR、ΔR′不相等。將要產(chǎn)生邊緣應(yīng)力。其數(shù)值可達薄膜應(yīng)力的數(shù)倍，不可忽視。§7-3邊界區(qū)內(nèi)的二次應(yīng)力62邊緣處產(chǎn)生附加內(nèi)力：

M0-附加彎矩；

Q0-附加剪力。邊緣應(yīng)力的產(chǎn)生邊緣應(yīng)力63邊緣應(yīng)力產(chǎn)生的原因凡連接處存在不相等的自由變形，該處就會產(chǎn)生邊緣應(yīng)力。如：①連接處兩部分曲線不同；②