第4章 壓力容器設(shè)計

第4章

壓力容器設(shè)計

過程設(shè)備設(shè)計

第4.1節(jié)

概述

第4章壓力容器設(shè)計

壓力容器設(shè)計就是根據(jù)給定的工藝設(shè)計條件，遵循現(xiàn)行的規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在確保安全的前提下，經(jīng)濟(jì)、正確地選擇材料，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計、強(qiáng)（剛）度、穩(wěn)定性計算和密封設(shè)計。

結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是確定合理、經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)形式，并滿足制造、檢驗、裝配、運輸和維修等要求。

強(qiáng)（剛）度、穩(wěn)定性計算的內(nèi)容主要是確定結(jié)構(gòu)尺寸，滿足強(qiáng)度或剛度及穩(wěn)定性的要求。

第4-1節(jié)概述過程設(shè)備設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

密封性設(shè)計主要是選擇合適的密封結(jié)構(gòu)和材料，保證密封性能良好。設(shè)計是壓力容器誕生的第一步，也是質(zhì)量保證的第一個環(huán)節(jié)。因此應(yīng)高度重視壓力容器的設(shè)計工作，綜合考慮材料、結(jié)構(gòu)、許用應(yīng)力、強(qiáng)（剛）度、制造、檢驗等各個環(huán)節(jié)。過程設(shè)備設(shè)計

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一、設(shè)計要求：壓力容器設(shè)計的基本要求是安全性和經(jīng)濟(jì)性的統(tǒng)一。安全是前提，經(jīng)濟(jì)是目標(biāo)。

安全性是指容器在滿足功能要求的基礎(chǔ)上，滿足強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、耐久性和密封性要求。經(jīng)濟(jì)性包括高的效率、成本低（材料、制造、安裝維修等）。設(shè)計壓力容器時，要充分保證安全，但是也不要太保守。保守過分等于不安全。過程設(shè)備設(shè)計

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二、設(shè)計文件：壓力容器的設(shè)計文件包括：設(shè)計圖樣、技術(shù)條件、設(shè)計計算書，必要時還應(yīng)包括設(shè)計或安裝、使用說明書。若按分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，還應(yīng)提供應(yīng)力分析報告。

過程設(shè)備設(shè)計

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⑴強(qiáng)度計算書：

應(yīng)至少包括：設(shè)計條件、所用規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、材料、腐蝕裕量、計算厚度、設(shè)計厚度、名義厚度、計算結(jié)果等。裝有安全泄放裝置的壓力容器，還應(yīng)計算壓力容器安全泄放量、安全閥排量或爆破片泄放面積。過程設(shè)備設(shè)計

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當(dāng)采用計算機(jī)軟件進(jìn)行計算時，軟件必須經(jīng)“全國鍋爐壓力容器標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會”評審鑒定，并在國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局特種設(shè)備局認(rèn)證備案，打印結(jié)果中應(yīng)有軟件程序編號、輸入數(shù)據(jù)和計算結(jié)果等內(nèi)容。如SW-6計算軟件。

⑵設(shè)計圖樣：

它包括總圖（裝配圖）和零部件圖。過程設(shè)備設(shè)計

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壓力容器總圖中，應(yīng)至少注明下列內(nèi)容：壓力容器名稱、類別、工作條件、設(shè)計條件、主要受壓元件材料牌號和材料要求、主要特征參數(shù)、設(shè)計規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、制造要求、焊接要求、熱處理要求、無損檢測要求、耐壓試驗或泄漏試驗要求、設(shè)計壽命、包裝、運輸以及其他特殊要求等。對第Ⅲ類壓力容器，設(shè)計時應(yīng)出具包括主要失效模式、失效可能性及風(fēng)險控制等內(nèi)容的風(fēng)險評估報告。壓力容器零部件圖是加工、制造零部件的依據(jù)，應(yīng)詳細(xì)描述。過程設(shè)備設(shè)計

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第4-1節(jié)概述鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院三、設(shè)計條件：工藝設(shè)計條件由設(shè)計委托方以正式書面形式提供。以設(shè)計條件圖的形式將設(shè)計要求提供給設(shè)備專業(yè)。壓力容器設(shè)計應(yīng)首先滿足工藝設(shè)計條件的要求。

設(shè)計條件圖主要包括：簡圖和設(shè)計要求等內(nèi)容。簡圖示意性地畫出了容器本體、主要內(nèi)件形狀、部分結(jié)構(gòu)尺寸、接管方位、支座形式及其它要求。設(shè)計條件應(yīng)至少包括：操作參數(shù)、使用所在地的自然條件、介質(zhì)組分和特性、預(yù)期使用壽命、幾何和管口參數(shù)、設(shè)計需要的其他條件等。過程設(shè)備設(shè)計

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第4-1節(jié)概述鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

設(shè)計條件圖分為一般容器條件圖、換熱器條件圖、塔器條件圖和攪拌容器條件圖四類。

過程設(shè)備設(shè)計

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第4.2節(jié)

設(shè)計準(zhǔn)則

第4章壓力容器設(shè)計

4.2.1壓力容器的失效

壓力容器在規(guī)定的使用環(huán)境和時間內(nèi)，因尺寸、形狀或材料性能發(fā)生改變而完全失去或不能達(dá)到原設(shè)計要求（包括功能和壽命）的現(xiàn)象，稱為壓力容器失效。

失效的形式雖多種多樣，但失效的最終表現(xiàn)形式都為泄露、過度變形和斷裂。一、壓力容器的失效形式：

強(qiáng)度失效、剛度失效、失穩(wěn)失效、泄漏失效。過程設(shè)備設(shè)計

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1、強(qiáng)度失效：因材料屈服或斷裂引起的失效。包括：韌性斷裂、脆性斷裂、疲勞斷裂、蠕變斷裂、腐蝕斷裂。①韌性斷裂—壓力容器在載荷作用下，產(chǎn)生的應(yīng)力達(dá)到或接近所用材料的強(qiáng)度極限而發(fā)生的斷裂。其特征是斷后有肉眼可見的宏觀變形，斷口處厚度顯著減薄；沒有碎片或偶爾有碎片；按實測厚度計算的爆破壓力與實際爆破壓力相當(dāng)接近。發(fā)生壓力容器韌性斷裂的主要原因是厚度過薄和內(nèi)壓過高。

過程設(shè)備設(shè)計

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壓力容器若能嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計，在設(shè)計壽命內(nèi)就可以避免韌性斷裂。②脆性斷裂—指變形量很小，且在殼壁中的應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料的強(qiáng)度極限時發(fā)生的斷裂。這種斷裂是在較低應(yīng)力下發(fā)生的，故又稱為低應(yīng)力脆斷。其特征是斷裂時容器沒有鼓脹，即無明顯的塑性變形；其斷口平齊，并與最大應(yīng)力方向垂直；斷裂的速度極快，常使容器斷裂成碎片。其后果要比韌性斷裂嚴(yán)重得多。

脆性斷裂的原因是材料的脆性和缺陷。

過程設(shè)備設(shè)計

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③疲勞斷裂—壓力容器在在交變載荷作用下，經(jīng)過一定的循環(huán)次數(shù)后發(fā)生的斷裂。

交變載荷有：壓力波動、開停車、溫度反復(fù)變化、震動等。疲勞斷裂階段包括裂紋萌生、擴(kuò)展和斷裂三個階段。因而疲勞斷裂破壞需要一定的時間。疲勞斷裂的主要原因是局部應(yīng)力過高和存在交變載荷造成的。往往在壓力容器工作時發(fā)生，破壞時總體應(yīng)力水平較低，沒有明顯的變形，是突發(fā)性破壞，危險性很大。過程設(shè)備設(shè)計

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④蠕變斷裂—壓力容器在高溫下長期受載，隨時間的增加材料不斷發(fā)生蠕變變形，造成厚度明顯減薄與鼓脹變形，最終導(dǎo)致壓力容器斷裂。按斷裂前的變形來劃分，蠕變斷裂具有韌性斷裂的特征；按斷裂時的應(yīng)力來劃分，蠕變斷裂又具有脆性斷裂的特征。

過程設(shè)備設(shè)計

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⑤腐蝕斷裂—因腐蝕引起厚度減薄或凹坑而導(dǎo)致的壓力容器斷裂。因均勻腐蝕導(dǎo)致的厚度減薄，或局部腐蝕造成的凹坑，所引起的腐蝕一般有明顯的塑性變形，具有韌性斷裂特征；因晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕等引起的斷裂沒有明顯的塑性變形，具有脆性斷裂特征。

過程設(shè)備設(shè)計

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2、剛度失效

由于構(gòu)件過度的彈性變形足以影響到其正常工作而引起的失效。

3、失穩(wěn)失效

在壓應(yīng)力作用下，壓力容器突然失去其原有的規(guī)則幾何形狀引起的失效。

4、泄露失效

說明：在多種因素作用下，壓力容器有可能同時發(fā)生多種形式的失效，即交互失效，如腐蝕介質(zhì)和交變應(yīng)力同時作用時引發(fā)腐蝕疲勞，高溫和交變應(yīng)力同時作用時引發(fā)蠕變疲勞等。

過程設(shè)備設(shè)計

第4-2節(jié)設(shè)計準(zhǔn)則鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院二、失效判據(jù)與設(shè)計準(zhǔn)則

1、失效判據(jù)：判別壓力容器是否失效的標(biāo)準(zhǔn)。例如壓力容器在介質(zhì)壓力作用下，應(yīng)力或應(yīng)變過大，導(dǎo)致壓力容器強(qiáng)度不足或過度變形而失效，我們可以把應(yīng)力或應(yīng)變是否超標(biāo)作為壓力容器失效的判據(jù)。

2、設(shè)計準(zhǔn)則：因為壓力容器存在許多不確定的因素（如材料缺陷、制造水平、檢驗手段等），所以失效判據(jù)不能直接用于壓力容器的設(shè)計計算。比較常規(guī)的做法是引入安全系數(shù)，得到與失效判據(jù)相對應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則。

過程設(shè)備設(shè)計

第4-2節(jié)設(shè)計準(zhǔn)則鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

壓力容器的設(shè)計準(zhǔn)則大致可分為：強(qiáng)度失效、剛度失效、穩(wěn)定失效和泄露失效設(shè)計準(zhǔn)則，對于不同的設(shè)計準(zhǔn)則，安全系數(shù)的含義是不同的。壓力容器設(shè)計時，應(yīng)首先確定壓力容器最有可能發(fā)生的失效形式，選擇合適的失效判據(jù)和設(shè)計準(zhǔn)則，確定適宜的設(shè)計規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，再進(jìn)行設(shè)計和校核。

過程設(shè)備設(shè)計

第4-2節(jié)設(shè)計準(zhǔn)則鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

4.2.2強(qiáng)度失效設(shè)計準(zhǔn)則

在常溫、靜載作用下，屈服和斷裂是壓力容器強(qiáng)度失效的兩種主要形式。

1、彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則：它是將容器總體部位的初始屈服視為失效。

⑴單向拉伸應(yīng)力下的韌性材料：

①屈服失效判據(jù)：σ＝σs

②相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則：σ≤[σ]t

③在壓力容器設(shè)計中，常用最大拉應(yīng)力σ1

來代替上式中的σ，得到最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則：

σ1≤[σ]t

過程設(shè)備設(shè)計

第4-2節(jié)設(shè)計準(zhǔn)則鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

⑵任意應(yīng)力狀態(tài)下的韌性材料：

①Tresca屈服失效判據(jù)—

第三強(qiáng)度理論：屈服失效判據(jù)：σ1－σ3≤σs

相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則：σ1－σ3≤[σ]t

②Mises屈服失效判據(jù)—

第四強(qiáng)度理論：屈服失效判據(jù)：

相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則：過程設(shè)備設(shè)計

第4-2節(jié)設(shè)計準(zhǔn)則鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

2、塑性失效設(shè)計準(zhǔn)則：假設(shè)材料是理想彈塑性的，它是以整個危險面屈服作為失效的設(shè)計準(zhǔn)則。對內(nèi)壓厚壁圓筒，整個截面屈服時的壓力就是全屈服壓力pso

。塑性失效判據(jù)：p=pso（p為設(shè)計壓力）相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則：p≤pso/nso

3、爆破失效設(shè)計準(zhǔn)則：它是以容器的爆破作為失效準(zhǔn)則。相應(yīng)的設(shè)計準(zhǔn)則：p≤pb/nb

過程設(shè)備設(shè)計

第4-2節(jié)設(shè)計準(zhǔn)則鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

4、彈塑性失效設(shè)計準(zhǔn)則（安定性準(zhǔn)則）：

過程設(shè)備設(shè)計

第4-2節(jié)設(shè)計準(zhǔn)則鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院（a）（b）安定性分析圖

安定性：載荷引起的應(yīng)力和殘余應(yīng)力疊加后總是小于屈服強(qiáng)度，則容器在載荷的反復(fù)作用下，始終處于彈性行為，不會產(chǎn)生新的的塑性變形，使其處于“安定”狀態(tài)。

安定載荷：與安定和不安定的臨界狀態(tài)相對應(yīng)的載荷變化范圍。安定性準(zhǔn)則：它認(rèn)為只要載荷變化范圍達(dá)到安定載荷，容器就失效。過程設(shè)備設(shè)計

第4-2節(jié)設(shè)計準(zhǔn)則鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院5、疲勞失效設(shè)計準(zhǔn)則：

壓力容器疲勞一般屬于低周疲勞，即疲勞失效時的循環(huán)次數(shù)比較低，一般在105

次以下。根據(jù)試驗，可以作出應(yīng)力幅度Sa和應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N之間的關(guān)系曲線（稱為低周疲勞設(shè)計曲線），只要在一定的應(yīng)力幅度下，容器實際發(fā)生的循環(huán)次數(shù)小于該應(yīng)力循環(huán)次數(shù)N，壓力容器就不會發(fā)生疲勞失效破壞。這就是疲勞失效設(shè)計準(zhǔn)則。過程設(shè)備設(shè)計

第4-2節(jié)設(shè)計準(zhǔn)則鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

6、蠕變失效設(shè)計準(zhǔn)則：

它認(rèn)為將應(yīng)力限制在由蠕變極限Rnt

（σnt

）和持久強(qiáng)度RDt

(σDt)

確定的許用應(yīng)力以內(nèi)，壓力容器在使用壽命內(nèi)不會發(fā)生蠕變失效。這就是蠕變失效設(shè)計準(zhǔn)則。

過程設(shè)備設(shè)計

第4-2節(jié)設(shè)計準(zhǔn)則鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院Rnt—

設(shè)計溫度下經(jīng)10萬小時工作或試驗后產(chǎn)生1%變形時的應(yīng)力平均值。RDt—

設(shè)計溫度下經(jīng)10萬小時工作或試驗后不發(fā)生斷裂的最大應(yīng)力平均值。

7、脆性斷裂失效設(shè)計準(zhǔn)則：

傳統(tǒng)的強(qiáng)度設(shè)計準(zhǔn)則假定材料是無缺陷的均勻連續(xù)體，因而難以解釋脆性斷裂現(xiàn)象。脆性斷裂屬于斷裂力學(xué)的研究領(lǐng)域。

斷裂力學(xué)認(rèn)為材料中存在缺陷，其目的是研究缺陷在載荷和環(huán)境作用下的破壞規(guī)律，建立缺陷幾何參數(shù)、材料韌性和結(jié)構(gòu)承載能力之間的定量關(guān)系。從斷裂力學(xué)的角度，來判定壓力容器不發(fā)生脆性斷裂的設(shè)計方法，就是脆性斷裂失效設(shè)計準(zhǔn)則。

過程設(shè)備設(shè)計

第4-2節(jié)設(shè)計準(zhǔn)則鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

4.2.3剛度失效設(shè)計準(zhǔn)則

在靜載作用下，要求構(gòu)件的彈性位移和（或）轉(zhuǎn)角不超過規(guī)定的數(shù)值。于是，剛度設(shè)計準(zhǔn)則為：w≤[w]

θ≤[θ]

4.2.4穩(wěn)定失效設(shè)計準(zhǔn)則

在容器設(shè)計中，應(yīng)防止失穩(wěn)發(fā)生。設(shè)計準(zhǔn)則為：σ≤[σ]crp≤[p]cr

4.2.5泄露失效設(shè)計準(zhǔn)則

它要求密封裝置的介質(zhì)泄露率不得超過許用的泄露率。過程設(shè)備設(shè)計

第4-2節(jié)設(shè)計準(zhǔn)則鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

例題1：一內(nèi)徑Ri=160mm、R0=320mm的閉式厚壁圓筒，承受外壓p0=15MPa作用，材料E=2.0×105MPa，μ=0.3。試問在此情況下：

1、當(dāng)向筒內(nèi)施加多大內(nèi)壓pi時，其內(nèi)壁周向應(yīng)力達(dá)到25MPa？

2、在p0和pi同時作用時，圓筒內(nèi)壁的內(nèi)徑增加多少？

過程設(shè)備設(shè)計

例題鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

例題2：一自增強(qiáng)厚壁圓筒，承受內(nèi)壓pi=250MPa，圓筒內(nèi)直徑Di=300mm、外直徑D0=500mm，高強(qiáng)度鋼材料，ReL=750MPa，Rm=900MPa。試求：

1、按Mises屈服條件，計算當(dāng)Rc=200mm時的自增強(qiáng)壓力pc。

2、在內(nèi)壓力pi作用后Rc處的環(huán)向合成應(yīng)力。

過程設(shè)備設(shè)計

例題鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

例題3：一負(fù)壓操作塔，筒體直徑Di=2400mm，壁厚t=8mm，筒體長度L=6000mm，材料E=2.0×105MPa，μ=0.3，試問該塔能否安全操作？

過程設(shè)備設(shè)計

例題鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

例題4：右圖所示一儲槽，內(nèi)直徑Di=1000mm，內(nèi)部裝有高度H=2500mm的水，上方有p=0.1MPa的氣體作用，儲槽為平底，板厚8mm，碳鋼材料。試求：1、底板中心的應(yīng)力和撓度。

過程設(shè)備設(shè)計

例題鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院2、如果下平板改作球形封頭，厚度不變，總液位高度不變，那么封頭頂點處的應(yīng)力和撓度又是多少。

例題5：有一內(nèi)徑為2000mm的圓筒形容器，壁厚為12mm，盛裝p=0.4MPa的氣體介質(zhì)，在殼體上有一直徑為φ450×8的接管，試求開孔接管處的最大應(yīng)力是多少。

過程設(shè)備設(shè)計

例題鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

第4.3

常規(guī)設(shè)計

第4章壓力容器設(shè)計第4.3.1概述

第4.3節(jié)常規(guī)設(shè)計

一、設(shè)計思想

常規(guī)設(shè)計又稱“按規(guī)則設(shè)計（Designbyrules）”，以區(qū)別于分析設(shè)計。常規(guī)設(shè)計只考慮單一的最大載荷工況，按一次施加的靜載荷處理，不考慮交變載荷、不區(qū)分短期和長期載荷，不涉及容器的疲勞壽命問題。在求解壓力容器各受壓元件尺寸時，主要采用材料力學(xué)及板殼理論，按最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則來推導(dǎo)受壓元件的強(qiáng)度尺寸計算公式。

4.3.1概述過程設(shè)備設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

在強(qiáng)度校核時，大部分場合將受壓元件的應(yīng)力強(qiáng)度限制在材料許用應(yīng)力以內(nèi)。

對于可能導(dǎo)致失穩(wěn)的元件，則根據(jù)所計算出的臨界壓力并引入必要的穩(wěn)定性安全系數(shù)，作為其許用外壓力。

對于結(jié)構(gòu)不連續(xù)處的邊緣應(yīng)力，常規(guī)設(shè)計采用分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)規(guī)定和思想，確定元件結(jié)構(gòu)的某些相關(guān)尺寸范圍，或借助于大量實踐所積累的經(jīng)驗引入各種系數(shù)來限制。過程設(shè)備設(shè)計

4.3.1概述鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院例如：

①橢圓封頭和碟形封頭計算公式中引入形狀系數(shù)；

②碟形封頭過渡區(qū)的內(nèi)半徑應(yīng)不小于球冠區(qū)內(nèi)半徑的6%；

③不等厚度殼體的焊接，當(dāng)兩厚度之差超過某一值時，就應(yīng)按一定斜度削薄殼體厚度。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.1概述鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

二、彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則壓力容器材料的韌性較好，在彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則中，按理應(yīng)采用第三或第四強(qiáng)度理論。但對于壓力容器常用的內(nèi)壓薄壁回轉(zhuǎn)殼體，在遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，σθ、σφ、σr為三個主應(yīng)力，且σr與σθ、σφ相比，可以忽略不計，因此采用第一強(qiáng)度理論和第三強(qiáng)度理論所得的結(jié)果相一致。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.1概述鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

考慮到第一強(qiáng)度理論形式簡單，在一定條件下不至于引起大的誤差，且使用最早，有成熟的使用經(jīng)驗，所以很多國家的壓力容器標(biāo)準(zhǔn)仍采用第一強(qiáng)度理論作為設(shè)計準(zhǔn)則。

1、承受內(nèi)壓的薄壁圓筒

顯然：σ1=σθ

，由第一強(qiáng)度理論，得：

過程設(shè)備設(shè)計因為

4.3.1概述鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

將D=2Ri+δ代入上式，得：

2、承受內(nèi)壓的厚壁圓筒

按彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則、僅受內(nèi)壓作用時，厚壁圓筒的強(qiáng)度計算式見下表。

過程設(shè)備設(shè)計（中徑公式）

4.3.1概述鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

過程設(shè)備設(shè)計表4-1按彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則的內(nèi)壓厚壁圓筒強(qiáng)度計算式

4.3.1概述鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

過程設(shè)備設(shè)計圖4-1各種強(qiáng)度理論的比較圓筒的彈性承載能力

4.3.1概述鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

由上圖可見：

①按形狀改變比能屈服失效判據(jù)計算出的內(nèi)壁初始屈服壓力和實測值最為接近；

②在厚度較薄時即壓力較低時，各種設(shè)計準(zhǔn)則差別不大。

③在同一承載能力下，最大切應(yīng)力準(zhǔn)則計算出的厚度最厚，中徑公式算出的厚度最薄。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.1概述鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院第4.3.2圓筒設(shè)計

第4.3節(jié)常規(guī)設(shè)計

4.3.2.1結(jié)構(gòu)

圓柱形容器是最常見的一種壓力容器結(jié)構(gòu)形式，具有結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、便于在內(nèi)部裝設(shè)附件等優(yōu)點，被廣泛用作各種設(shè)備的筒體。圓筒可分為單層式和多層組合式兩大類。一、單層式容器：

其結(jié)構(gòu)簡單，但也存在缺陷，主要表現(xiàn)在：

①除整體鍛造式厚壁圓筒外，還不能完全避免較薄弱的深環(huán)焊縫和縱焊縫，焊接缺陷的檢測和消除較困難；且結(jié)構(gòu)本身缺乏阻止裂紋快速擴(kuò)展的能力；

4.3.2圓筒設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

②大型鍛件及厚鋼板的性能不及薄鋼板，不同方向力學(xué)性能差異較大，韌脆轉(zhuǎn)變溫度較高，發(fā)生低應(yīng)力脆性破壞的可能性也較大；

③加工設(shè)備要求高。二、多層包扎式：它是目前世界上使用最廣泛、制造和使用經(jīng)驗最為豐富的組合式圓筒結(jié)構(gòu)。

過程設(shè)備設(shè)計內(nèi)筒層板焊縫

4.3.2圓筒設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

筒節(jié)由厚度為12～35mm的內(nèi)筒和厚度為4～12mm的多層層板兩部分組成，層數(shù)則隨所需的厚度而定，筒節(jié)通過深環(huán)焊縫組焊成完整的圓筒。制造時，通過專用裝置將層板逐層、同心地包扎在內(nèi)筒上，并借縱焊縫的焊接收縮力使層板和內(nèi)筒、層板與層板之間互相貼緊，產(chǎn)生一定的預(yù)緊力。

每個筒節(jié)上均開有安全孔，這種小孔可使層間空隙中的氣體在工作時因溫度升高而排出；當(dāng)內(nèi)筒泄露時，泄露介質(zhì)可通過小孔排出，起到報警作用。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

多層包扎式的優(yōu)點：

①圓筒制造工藝簡單，不需要大型復(fù)雜的加工設(shè)備；②層板間隙具有阻止缺陷和裂紋向厚度方向擴(kuò)展的能力，比單層圓筒的安全可靠性高；同時包扎預(yù)應(yīng)力可有效改善圓筒的應(yīng)力分布；③對介質(zhì)的適應(yīng)性強(qiáng)，可根據(jù)介質(zhì)的特性選擇合適的內(nèi)筒材料。

多層包扎式的缺點：

制造工序多、周期長、效率低、鋼板材料利用率低、筒節(jié)間的深環(huán)焊縫對容器的質(zhì)量和安全影響比較大。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

三、熱套式：

它是采用厚鋼板（30mm以上）卷焊成直徑不同但可過盈配合的筒節(jié)，然后將外層筒節(jié)加熱到計算的溫度進(jìn)行套合，冷卻收縮后便得到緊密貼合的厚壁筒節(jié)。

過程設(shè)備設(shè)計筒節(jié)焊縫

4.3.2圓筒設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

熱套式圓筒需要有較準(zhǔn)確的過盈量，對卷筒的精度要求很高。另外，由于套合時貼緊程度不會很均勻，因此套合或組裝成整體容器后，需進(jìn)行熱處理以消除套合預(yù)應(yīng)力和深環(huán)焊縫的焊接殘余應(yīng)力。四、繞板式：

繞板式筒體由內(nèi)筒、繞板層和外筒三部分組成。

過程設(shè)備設(shè)計內(nèi)筒繞板層外筒

4.3.2圓筒設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

它是在多層包扎式圓筒的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，兩者的內(nèi)筒相同，所不同的是多層繞板式圓筒是在內(nèi)筒外面連續(xù)纏繞若干層3～5mm厚的薄鋼板而構(gòu)成筒節(jié)，繞板層只有內(nèi)外兩道縱焊縫。為了繞板開始端和終止端能與圓筒形成光滑連接，一般需要有楔形過渡段。外筒作為保護(hù)層，由兩塊半圓或三塊瓦片制成。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

五、整體多層包扎式：它是一種錯開環(huán)縫和逐層包扎的圓筒結(jié)構(gòu)。它首先將內(nèi)筒拼接到所需的長度，兩端焊上法蘭或封頭，然后在整個長度上逐層包扎層板，待全長度上包扎好并焊完磨平后再包扎第二層，直至所需厚度。

過程設(shè)備設(shè)計端部法蘭底封頭內(nèi)筒包扎層板焊縫

4.3.2圓筒設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

這種結(jié)構(gòu)無深環(huán)縫，接頭質(zhì)量好，圓筒與封頭或法蘭間的環(huán)焊縫改為一定角度的斜面焊縫，承載面積增大，具有高的可靠性。六、繞帶式：這是一種以鋼帶纏繞在內(nèi)筒外面獲得所需厚度圓筒的方法，主要有型槽繞帶式和扁平鋼帶傾角錯繞式兩種結(jié)構(gòu)形式。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

1、型槽繞帶式：是用特制的型槽鋼帶螺旋纏繞在特制的內(nèi)筒上，內(nèi)筒外表面上預(yù)先加工有與鋼帶相嚙合的螺旋狀凹槽。

過程設(shè)備設(shè)計型槽鋼帶內(nèi)筒

4.3.2圓筒設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

纏繞時，鋼帶先經(jīng)電加熱，再進(jìn)行螺旋纏繞，繞制后依次用空氣和水進(jìn)行冷卻，使其收縮產(chǎn)生預(yù)緊力，可保證每層鋼帶貼緊；各層鋼帶之間靠凹槽和凸肩相互嚙合，纏繞層能承受一部分由內(nèi)壓引起的軸向力。這種結(jié)構(gòu)的圓筒具有較高的安全性，機(jī)械化程度高，材料損耗少，且由于存在預(yù)緊力，在內(nèi)壓作用下，筒壁應(yīng)力分布較均勻。但鋼帶的技術(shù)要求高，為保證質(zhì)量，纏繞時需要專門的機(jī)床。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

2、扁平鋼帶傾角錯繞式：

它是中國首創(chuàng)的一種新型繞帶式圓筒。內(nèi)筒厚度約占總厚度的1/6～1/4，采用簡單的“預(yù)應(yīng)力冷繞”和“壓棍預(yù)彎貼緊”技術(shù)，以相對于容器環(huán)向15°～30°傾角在薄內(nèi)筒外交錯纏繞扁平鋼帶。鋼帶寬約80～160mm、厚約4～16mm，其始末兩端分別與底封頭和端部法蘭相焊接。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

4.3.2.2內(nèi)壓圓筒的強(qiáng)度設(shè)計一、單層圓筒：

承受內(nèi)壓圓筒計算厚度的公式可直接采用中徑公式，但式中的參數(shù)要進(jìn)行修正。經(jīng)化簡后的厚度計算式為：

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—內(nèi)壓圓筒（適用范圍：

K≤1.5

Pc≤0.4[σ]tφ）其中：δ—計算厚度，mm；

pc—計算壓力，MPa；

φ—焊接接頭系數(shù)。鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

強(qiáng)度校核式：

過程設(shè)備設(shè)計其中：δe—有效厚度，δe=δn-C，mm；

δn—名義厚度，mm；

C—厚度附加量，mm；

σt—設(shè)計溫度下圓筒的計算應(yīng)力，MPa。圓筒的最大允許工作壓力：

4.3.2圓筒設(shè)計—內(nèi)壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

對于Pc＞0.4[σ]tφ的單層厚壁圓筒，常采用塑性失效設(shè)計準(zhǔn)則或爆破失效設(shè)計準(zhǔn)則來設(shè)計。對內(nèi)壓厚壁圓筒，與Mises屈服失效判據(jù)相對應(yīng)的全屈服壓力為：再根據(jù)塑性失效設(shè)計準(zhǔn)則，有：圓筒的計算厚度為：

過程設(shè)備設(shè)計（nso=2.0～2.2）

4.3.2圓筒設(shè)計—內(nèi)壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

當(dāng)采用爆破失效設(shè)計準(zhǔn)則時，若按Faupel公式計算爆破壓力：并結(jié)合爆破失效設(shè)計準(zhǔn)則，可得到相應(yīng)的厚度計算式：

過程設(shè)備設(shè)計（nb=2.5～3.0）

4.3.2圓筒設(shè)計—內(nèi)壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

二、多層厚壁圓筒：

多層厚壁圓筒在制造過程中，都施加了一定大小的預(yù)應(yīng)力。在內(nèi)壓作用下，這些預(yù)應(yīng)力將使圓筒內(nèi)壁應(yīng)力降低，外壁應(yīng)力增加，厚度方向應(yīng)力分布趨向于均勻，從而提高圓筒的彈性承載能力。但由于結(jié)構(gòu)和制造原因，很難定量控制或計算出預(yù)應(yīng)力的大小。為此設(shè)計計算時，往往偏于安全而不考慮預(yù)應(yīng)力的影響，僅作強(qiáng)度儲備之用。只有在壓力很高時，才考慮預(yù)應(yīng)力的作用。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—內(nèi)壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

熱套式、多層包扎式、繞板式、扁平鋼帶傾角錯繞式圓筒的厚度計算方法與單層厚壁圓筒相同，即在計算壓力不超過0.4[σ]tφ時，仍按（4-13）式計算。不同之處是許用應(yīng)力用組合許用應(yīng)力代替。多層圓筒的許用應(yīng)力為：

過程設(shè)備設(shè)計其中：下標(biāo)i、0分別代表內(nèi)筒和層板。注：常規(guī)設(shè)計中一般不進(jìn)行圓筒的熱應(yīng)力計算。

4.3.2圓筒設(shè)計—內(nèi)壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

4.3.2.3設(shè)計技術(shù)參數(shù)的確定

壓力容器設(shè)計參數(shù)主要有設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、厚度及其附加量、焊接接頭系數(shù)和許用應(yīng)力等。一、設(shè)計壓力p:

1、最高工作壓力：壓力容器頂部在正常工作過程中可能產(chǎn)生的最高表壓。

2、設(shè)計壓力：是設(shè)定的容器頂部的最高壓力與相應(yīng)的設(shè)計溫度一起作為設(shè)計載荷條件，其值不得低于最高工作壓力。設(shè)計壓力應(yīng)視內(nèi)壓或外壓容器分別取值。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—內(nèi)壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

當(dāng)內(nèi)壓容器上裝有安全泄放裝置時，其設(shè)計壓力應(yīng)根據(jù)不同形式的安全泄放裝置來定。

裝有安全閥的容器，考慮到安全閥開啟動作的滯后，容器不能及時泄壓，設(shè)計壓力不應(yīng)低于安全閥的開啟壓力，通?？扇∽罡吖ぷ鲏毫Φ?.05～1.1倍。

裝有爆破片的容器，設(shè)計壓力不得低于爆破片的爆破壓力。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—內(nèi)壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

盛裝液化氣體、液化石油氣體的容器，因容器內(nèi)介質(zhì)壓力與介質(zhì)組分、環(huán)境溫度和保溫措施等因素有關(guān)，確定設(shè)計壓力時比較困難，詳細(xì)見TSGR0004－2009。二、計算壓力pc

：

它是指在相應(yīng)的設(shè)計溫度下，用以確定元件最危險截面厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。通常情況下，計算壓力=設(shè)計壓力+液柱靜壓力。但當(dāng)液柱靜壓力小于5%設(shè)計壓力時，可忽略不計。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—內(nèi)壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

三、設(shè)計溫度t：

它是指容器在正常工作情況下，設(shè)定元件的金屬溫度（沿元件金屬截面的溫度平均值）。當(dāng)元件金屬溫度不低于0℃

時，設(shè)計溫度不得低于元件金屬可能達(dá)到的最高溫度。當(dāng)元件的金屬溫度低于0℃時，其值不得高于元件金屬可能達(dá)到的最低溫度。

GB150規(guī)定，設(shè)計溫度等于或低于-20℃

的容器屬于低溫容器，其設(shè)計應(yīng)按低溫容器處理。元件的金屬溫度可按傳熱計算或?qū)崪y得到。也可按內(nèi)部介質(zhì)的最高（或最低）溫度確定。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—內(nèi)壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

注：設(shè)計壓力和設(shè)計溫度存在著對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)壓力容器具有不同工況時，應(yīng)按最苛刻的組合設(shè)定設(shè)計條件，而不能按不同工況下的各自的最危險的條件來確定設(shè)計條件。四、厚度及厚度附加量：

1、計算厚度δ：

2、設(shè)計厚度δd:δd=δ＋C2

3、腐蝕裕量C2

：

4、名義厚度δn

：

5、有效厚度δe:δe=δn-C6、厚度附加量C：C=C1+C27、鋼材厚度負(fù)偏差C1

：

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—內(nèi)壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

鋼板或鋼管厚度負(fù)偏差應(yīng)按相應(yīng)鋼材標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定來選取。當(dāng)鋼材的厚度負(fù)偏差≯0.25mm，且不超過名義厚度的6%時，可取C1=0。

GB713《鍋爐和壓力容器用鋼板》和GB3531《低溫壓力容器用低合金鋼板》中列舉的壓力容器專用鋼板，負(fù)偏差為0.3mm。其它鋼板的厚度負(fù)偏差參見下表。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—內(nèi)壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

8、加工減薄量C3

：

9、毛坯厚度：10、實際厚度：不得小于設(shè)計厚度。

過程設(shè)備設(shè)計表4-2其他常用鋼板的厚度負(fù)偏差C1值

4.3.2圓筒設(shè)計—內(nèi)壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

11、按剛度確定的容器最小厚度δmin(不包括C2)：對碳鋼、低合金鋼容器：δmin≮3mm；對高合金鋼容器：δmin≮2mm。

過程設(shè)備設(shè)計圖4-5厚度關(guān)系示意圖

4.3.2圓筒設(shè)計—內(nèi)壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

五、焊接接頭系數(shù)φ：

焊接接頭系數(shù)表示焊縫金屬與母材強(qiáng)度的比值。影響焊接接頭系數(shù)的因素很多，但主要與焊接接頭形式和焊縫無損檢測的要求及長度比例有關(guān)。

過程設(shè)備設(shè)計表4-3鋼制壓力容器的焊接接頭系數(shù)φ值

4.3.2圓筒設(shè)計—內(nèi)壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

六、許用應(yīng)力[σ]t

：

過程設(shè)備設(shè)計表4-4鋼制壓力容器用材料許用應(yīng)力的取值方法

為了設(shè)計的方便和取值的統(tǒng)一，國家相應(yīng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中給出了具體材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力值，見附表。

4.3.2圓筒設(shè)計—內(nèi)壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

例題：

某內(nèi)壓立式筒體，內(nèi)徑1000mm，裝液高度3000mm，介質(zhì)密度ρ=1000kg/m3，材料選用Q345R，最高工作壓力0.4MPa，工作溫度70℃，C2=2mm，焊接接頭為雙面對接焊、局部無損探傷，設(shè)計該筒體的厚度。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—內(nèi)壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

4.3.2.4外壓圓筒設(shè)計一、解析法設(shè)計（反復(fù)試算過程設(shè)計）:

1、判斷圓筒類型：假定圓筒厚度δn

，計算有效厚度δe=δn－C，求出臨界長度Lcr

，并與圓筒的計算長度L比較，判斷是長圓筒還是短圓筒。

2、計算臨界壓力：根據(jù)圓筒類型，計算pcr

。

3、計算許可外壓[p]，并與設(shè)計外壓p比較：

選取適當(dāng)?shù)姆€(wěn)定系數(shù)m（對圓筒m=3），計算[p]=pcr/m，當(dāng)p≤[p]且接近時，則假定的δn符合要求，否則要重新假定δn

，重復(fù)以上計算步驟，直至滿足要求。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—外壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

說明：解析法比較煩瑣且只能用于彈性失穩(wěn)，因此在設(shè)計上存在不足，各國設(shè)計規(guī)范推薦采用圖算法。

過程設(shè)備設(shè)計二、圖算法的原理:

假設(shè)圓筒僅受徑向均勻外壓，而不受軸向外壓，與圓環(huán)一樣處于單向應(yīng)力狀態(tài)。根據(jù)第二章學(xué)過的長、短圓筒的臨界壓力計算公式，有：

4.3.2圓筒設(shè)計—外壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

為避開材料的彈性模量E，采用應(yīng)變表征失穩(wěn)時的特征。不論長、短圓筒，失穩(wěn)時的周向應(yīng)變?yōu)椋?/p>

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—外壓圓筒對長圓筒和對短圓筒分別有：

從上兩式知道，失穩(wěn)時的周向應(yīng)變與圓筒幾何參數(shù)有以下函數(shù)關(guān)系：鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

過程設(shè)備設(shè)計

若令A(yù)=εcr

，并以A為橫坐標(biāo)，L/DO作為縱坐標(biāo)，DO/δe作為參量繪成曲線，如圖示。

系數(shù)AL/D0D0/δe

圖中每一線均由兩部分組成：豎直線族表示長圓筒；斜平行線族表示短圓筒。

4.3.2圓筒設(shè)計—外壓圓筒

因上圖與材料的彈性摸量E無關(guān)，所以對任何材料都適用。鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

又因[p]=pcr/m，所以：令，m=3，有：如果以A、B分別為橫、縱坐標(biāo)作圖，得到B與A的關(guān)系曲線（也叫厚度計算圖）。實際上B與A的關(guān)系就是臨界應(yīng)力與臨界應(yīng)變的關(guān)系。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—外壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

過程設(shè)備設(shè)計系數(shù)A系數(shù)B/MPa

4.3.2圓筒設(shè)計—外壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

厚度計算圖的特點：

不同材料有不同的厚度計算圖。同一材料厚度計算圖上，不同溫度有不同的曲線。厚度計算圖中的每條線都有直線部分和曲線部分。曲線部分屬于塑性狀態(tài)失穩(wěn)，直線部分屬于彈性狀態(tài)失穩(wěn)，有：

以上就是圖算法的原理。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—外壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

三、外壓圓筒的工程設(shè)計方法:

1、薄、厚圓筒的區(qū)分（以D0/δe值來區(qū)分）：①D0/δe≥20時為薄圓筒：僅考慮失穩(wěn)問題；②D0/δe＜20時為厚圓筒：失穩(wěn)和強(qiáng)度失效。

2、外壓圓筒的圖算法步驟：

⑴D0/δe≥20的薄圓筒：①假設(shè)名義厚度δn

，計算δe

、L/D0和D0/δe

；②以L/D0

、D0/δe值由圖查A，若L/D0≥50

（≤0.05），則用L/D0=50（=0.05）查A；③根據(jù)圓筒材料選用相應(yīng)的厚度計算圖，由A和設(shè)計溫度查B，然后按下式計算[p]：

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—外壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

過程設(shè)備設(shè)計

若所得A值落在設(shè)計溫度下材料線的左方,則用下式計算許用外壓[p]：④比較pc與[p],若pc≤[p]且較接近,則假設(shè)的δn

合理，否則應(yīng)再假設(shè)δn

，并重復(fù)上述步驟直到滿足要求為止。圖4-10圖算法求解過程系數(shù)A系數(shù)B

4.3.2圓筒設(shè)計—外壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

⑵D0/δe＜20的厚圓筒：（略）

過程設(shè)備設(shè)計四、圓筒軸向許用壓應(yīng)力的確定:

設(shè)圓筒最大許用壓應(yīng)力[σ]cr=B，求系數(shù)B步驟如下：

1、假設(shè)δn，令δe=δn-C，按下式計算系數(shù)A：

2、選用相應(yīng)材料的厚度計算圖查取B，此B值即為[σ]cr。若A值落在設(shè)計溫度下材料線的左方，則表明圓筒為彈性失穩(wěn)，可直接由式B=2/3EA計算。

4.3.2圓筒設(shè)計—外壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

五、有關(guān)設(shè)計參數(shù)（p、m、L）的確定:

1、設(shè)計外壓p：承受外壓的容器設(shè)計壓力定義與內(nèi)壓容器相同，但取值方法不同。確定外壓容器設(shè)計壓力時：

⑴應(yīng)考慮在正常工作情況下可能出現(xiàn)的最大內(nèi)外壓力差；⑵真空容器的設(shè)計壓力按承受外壓考慮：

①當(dāng)裝有安全裝置時：設(shè)計壓力取1.25倍最大內(nèi)外壓力差或0.1MPa兩者中的小值；

②當(dāng)無安全裝置時：取0.1MPa；

⑶對于帶夾套的容器應(yīng)考慮可能出現(xiàn)最大壓力差的危險工況。

過程設(shè)備設(shè)計

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2、穩(wěn)定性安全系數(shù)m：由于長、短圓筒的臨界壓力公式，是按理想的無初始不圓度求得的。而實際上，圓筒存在著各種各樣的缺陷，具體表現(xiàn)在：

①制造過程存在缺陷：幾何形狀和尺寸偏差等；

②材料本身有缺陷：材料性能不均勻等；

③載荷不完全對稱。因此在計算許用外壓力時，必須考慮一定的穩(wěn)定性安全系數(shù)m。按GB150規(guī)定:

對圓筒，m=3；對球殼，m=14.52。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—外壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

3、計算長度L：

外壓圓筒的計算長度是指圓筒外部或內(nèi)部兩相鄰剛性構(gòu)件之間的最大距離，通常封頭、法蘭、加強(qiáng)圈等可視為剛性構(gòu)件。圖4-11為外壓計算長度取值示意圖。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—外壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—外壓圓筒圖4-11外壓圓筒的計算長度鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

例題：

某一承受外壓筒體，內(nèi)徑1000mm，筒體長度3000mm。兩端為標(biāo)準(zhǔn)的橢圓形封頭。材料均選用Q345R，外壓為0.2MPa，工作溫度70℃，C2=2mm，焊接接頭為雙面對接焊、局部無損探傷，試設(shè)計該筒體的厚度。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—內(nèi)壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

例題：

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—內(nèi)壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

六、加強(qiáng)圈的計算:

我們知道，短圓筒Pcr>長圓筒Pcr。其主要原因是筒體兩端封頭的剛性大、對筒體有支持作用。如果我們在長圓筒中間的某個（些）部位加上一個或多個剛性比較大、能起到和封頭一樣作用的構(gòu)件（加強(qiáng)圈），同樣能提高圓筒承受外壓的能力。加入加強(qiáng)圈，將長圓筒轉(zhuǎn)化為短圓筒，可以有效地減小圓筒厚度、提高圓筒穩(wěn)定性。為了保證加強(qiáng)圈有足夠的穩(wěn)定性，加強(qiáng)圈設(shè)計的主要內(nèi)容包括：確定加強(qiáng)圈的個數(shù)（間距）、截面尺寸和結(jié)構(gòu)設(shè)計。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—外壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

1、加強(qiáng)圈的間距（或個數(shù)）:

在外壓圓筒上設(shè)置加強(qiáng)圈，必須使其成為短圓筒才有實際作用。當(dāng)圓筒的δe/D0已知，且計算外壓pc值給定時，可由短圓筒許用外壓力計算公式導(dǎo)出加強(qiáng)圈的最大間距：從上式可以看出，如果減小Lmax

，則圓筒厚度可減薄，反之，圓筒厚度須增加。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—外壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

加強(qiáng)圈的數(shù)量n

：如果筒體的幾何長度為L，則需要加強(qiáng)圈的個數(shù)至少為：（L/Lmax－1）并向上圓整為整數(shù)n（說明：加強(qiáng)圈一般等距離布置）。問題1：加入加強(qiáng)圈后，圓筒的實際許可外壓如何計算？問題2：長圓筒加入加強(qiáng)圈后，是否就能提高其外壓承受能力？短圓筒呢？問題3：當(dāng)加強(qiáng)圈的間距比較短或數(shù)量比較多，是否就能滿足使用要求呢？

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—外壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

2、加強(qiáng)圈截面尺寸的確定：

加入加強(qiáng)圈后，其截面尺寸足夠大時，才能滿足使用要求，否則就無實際意義了。因此要計算加強(qiáng)圈的截面大小，衡量參數(shù)即：

加強(qiáng)圈和筒體實際具有的組合慣性矩Is

保持穩(wěn)定時加強(qiáng)圈和筒體組合段的最小慣性矩I

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—外壓圓筒≥鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院——截面慣性矩，

⑴I的計算：

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—外壓圓筒圖4-12每個加強(qiáng)圈所承受的載荷

如右圖中，將加強(qiáng)圈當(dāng)作受壓圓環(huán)，視每個加強(qiáng)圈承受兩側(cè)Ls/2

范圍內(nèi)的載荷。鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

說明：這里求解A的過程剛好和前面介紹由A求B的過程相反。但B值由下式計算：

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—外壓圓筒

然后按相應(yīng)材料的厚度計算圖，由B值查取A值。若查圖無交點，則按A=1.5B/E計算。鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

⑵Is的計算：選擇加強(qiáng)圈截面和尺寸（一般選擇型鋼），根據(jù)前面計算的加強(qiáng)圈的數(shù)量n或間距Ls，來計算加強(qiáng)圈與圓筒實際所具有的組合慣性矩Is

。在加強(qiáng)圈設(shè)計中，認(rèn)為加強(qiáng)圈及其附近的一段筒體組成的組合圓環(huán)，起承受外壓作用，如圖中的2b范圍。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—外壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

GB150規(guī)定，在加強(qiáng)圈中心線兩側(cè)有效寬度：

組合截面的慣性矩Is具體計算步驟如下：

①求組合截面中加強(qiáng)圈的截面面積As和筒體有效段的截面面積A2=2bδe

。②求加強(qiáng)圈和筒體有效段截面對各自形心軸的慣性矩I1和I2

。③確定組合截面形心軸的位置。④計算組合截面慣性矩Is

。⑶比較Is和I。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—外壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

⑷加強(qiáng)圈的結(jié)構(gòu)設(shè)計：

加強(qiáng)圈常用扁鋼、角鋼、工字鋼或其它型鋼制成，可以設(shè)置在容器的外部或內(nèi)部，其材料多用碳素鋼。當(dāng)圓筒材料為不銹鋼等貴重金屬時，在圓筒外部或內(nèi)部設(shè)置碳素鋼加強(qiáng)圈，可以節(jié)省貴重金屬。加強(qiáng)圈與圓筒連接可采用連續(xù)的或間斷的焊接，其焊接結(jié)構(gòu)如圖所示。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—外壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—外壓圓筒圖4-13加強(qiáng)圈與圓筒的連接焊縫間隙并排錯排

當(dāng)加強(qiáng)圈設(shè)置在容器外面時，加強(qiáng)圈每側(cè)間斷焊接的總長，應(yīng)不小于圓筒外周長的1/2；當(dāng)加強(qiáng)圈設(shè)置在容器的內(nèi)部時，焊接總長應(yīng)不小于圓筒內(nèi)圓周長的1/3。鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

為保證圓筒和加強(qiáng)圈的加強(qiáng)作用，加強(qiáng)圈應(yīng)整圈圍繞在圓筒的圓周上，不許任意削弱或割斷。設(shè)置在容器內(nèi)部的加強(qiáng)圈，若由于工藝需要開設(shè)排液孔、排氣孔，使加強(qiáng)圈有所削弱或割斷，則削弱或割斷的弧長不得大于下圖所給定的值。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—外壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—外壓圓筒圖4-14圓筒上加強(qiáng)圈允許的間斷弧長值鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—外壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

例題：一減壓塔，內(nèi)徑Di=2400mm，壁厚附加量C=2mm，筒體兩端為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，筒體本身長度24000mm，塔內(nèi)真空度為30mmHg，設(shè)計溫度150℃，塔壁材料為Q245，試問當(dāng)塔的有效壁厚為8mm時：（1）塔體穩(wěn)定性是否滿足要求。（2）若不滿足則應(yīng)加多少個加強(qiáng)圈？若采用等邊角鋼作為加強(qiáng)圈，試設(shè)計該加強(qiáng)圈的截面。（3）若不加加強(qiáng)圈，則壁厚增加到多厚時才能滿足穩(wěn)定性要求。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.2圓筒設(shè)計—外壓圓筒鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

例題：有一真空操作的管道，管子規(guī)格為φ530×8mm，總長100m，分為5段，各段間用法蘭連接。管內(nèi)走腐蝕性氣體介質(zhì)，壁厚附加量C=4mm，管子不圓度不大于0.4%。（1）校核其穩(wěn)定性；（2）若穩(wěn)定性不夠則需要加強(qiáng)，求加強(qiáng)圈間距和個數(shù)(已知：管子材料為20鋼，工作溫度為100℃，材料的E=2.0×105MPa，μ=0.3，ReL=245MPa,Rm=390MPa，m=3)。第4.3.3節(jié)封頭設(shè)計

第4.3節(jié)常規(guī)設(shè)計

壓力容器封頭的種類很多，可分為：

凸形封頭：半球形、橢圓形、碟形和球冠形；

錐形封頭（變徑段）：

平板封頭（平蓋）或緊縮口：

4.3.3封頭設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計圖4-15常見容器凸形封頭的形式鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

對受均勻內(nèi)壓封頭的強(qiáng)度計算，由于封頭和圓筒相連接，所以不僅要考慮封頭本身因內(nèi)壓引起的應(yīng)力，還要考慮與圓筒連接處的不連續(xù)應(yīng)力。

連接處總應(yīng)力的大小與封頭的幾何形狀和尺寸、封頭與圓筒厚度的比值大小有關(guān)。但導(dǎo)出封頭厚度設(shè)計公式時，主要利用內(nèi)壓薄膜應(yīng)力作為依據(jù)，而將因不連續(xù)效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力增強(qiáng)效應(yīng)以應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)（或形狀系數(shù)）的形式引入厚度計算式中。

封頭設(shè)計時，一般應(yīng)優(yōu)先選用封頭標(biāo)準(zhǔn)中推薦的型式與參數(shù)，然后根據(jù)受壓情況進(jìn)行強(qiáng)度或穩(wěn)定性計算，確定合適的厚度。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

一、半球形封頭：

受力狀態(tài)比較好，但缺點是深度大。直徑小時，整體沖壓困難，直徑大時，采用分瓣沖壓、拼焊制作方法，加工工作量大。半球形封頭常用在高壓容器上。

4.3.3封頭設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院1、受內(nèi)壓的半球形封頭：

其厚度計算公式的推導(dǎo)過程與圓筒厚度計算公式相類似。經(jīng)推導(dǎo)，有：

2、受外壓的半球形封頭：

在工程上廣泛采用圖算法進(jìn)行厚度設(shè)計。根據(jù)薄殼的彈性小撓度理論，在均勻外壓作用下，鋼制半球形封頭彈性失穩(wěn)的臨界應(yīng)力為：

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

引入穩(wěn)定性安全系數(shù)m=14.52，得到許可外壓力為：

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計將其代入（4-41）式，得到：鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

由A查B（如果A值落在曲線的左側(cè)，有B=2/3EA）。則許可外壓力為：用圖算法設(shè)計半球殼時，同樣應(yīng)先假定名義厚度δn

，最后比較[p]和pc

。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

4.3.3封頭設(shè)計過程設(shè)備設(shè)計

二、橢圓形封頭：由半個橢球殼和短圓筒組成。當(dāng)a/b適當(dāng)時，應(yīng)力分布相對比較好，易于沖壓成型。所以標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭是目前中、低壓容器中應(yīng)用較多的封頭之一。鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計

受內(nèi)壓封頭的應(yīng)力，包括由內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力和封頭與筒體連接處的不連續(xù)應(yīng)力。研究表明，橢圓封頭中的最大應(yīng)力與圓筒周向薄膜應(yīng)力的比值（應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)或形狀系數(shù)K）與a/b有關(guān)。圖4-16橢圓封頭的應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

1、受內(nèi)壓的橢圓形封頭：

由于在封頭與圓筒連接處存在不連續(xù)應(yīng)力，因此需引入應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)K，來考慮最大應(yīng)力對封頭的影響。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)橢封頭：鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

橢圓形封頭的最大允許工作壓力按下式確定：

2、受外壓的橢圓形封頭：

其思路就是將橢圓形封頭轉(zhuǎn)化為當(dāng)量的半球形封頭，然后按照半球形封頭的厚度計算公式和圖算法進(jìn)行計算。當(dāng)量球殼的半徑：R0=K1D0

，其中D0為橢封頭的外直徑，K1查表4-5。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計

為避免橢圓形封頭在內(nèi)壓作用下失穩(wěn)，工程上一般都采用限制橢圓形封頭最小厚度的方法。為此，GB150中規(guī)定：

K≤1時：δe≥0.15%DiK＞1時：δe≥0.30%Di鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院D0/2h02.62.42.22.01.81.61.41.21.0K11.181.080.990.900.810.730.650.570.50表4-5系數(shù)K1

三、碟形封頭（帶折邊的球面封頭）：由球殼、環(huán)殼和柱殼組成。環(huán)殼的存在，使應(yīng)力分布惡化，但降低了封頭的深度，使成型加工容易，鋼模簡單。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計

碟形封頭的強(qiáng)度與環(huán)殼（過渡區(qū)）半徑r有關(guān)，r過小，則封頭應(yīng)力過大。因此，將封頭的形狀限于：r≥0.01Di

，r≥3δ，且Ri≤Di。圖4-17碟形封頭的應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

對于標(biāo)準(zhǔn)碟形封頭：

Ri＝0.9Di，r＝0.17Di

同時，為避免內(nèi)壓作用下的失穩(wěn)出現(xiàn)，GB150規(guī)定：當(dāng)M≤1.34時:δe≥0.15%Di

當(dāng)M＞1.34時:δe≥0.30%Di

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

1、受內(nèi)壓（凹面受壓）的碟形封頭：

研究表明，在內(nèi)壓作用下，過渡環(huán)殼內(nèi)包括不連續(xù)應(yīng)力在內(nèi)的總應(yīng)力要比中心球面部分的總應(yīng)力大得多。因此需引入應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)M（形狀系數(shù)），來考慮最大應(yīng)力對封頭的影響。碟形封頭的厚度計算式為：

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

承受內(nèi)壓的碟形封頭的最大允許工作壓力為：

2、受外壓（凸面受壓）的碟形封頭：

在均勻外壓作用下，碟形封頭的過渡區(qū)是拉應(yīng)力，而球面部分是壓應(yīng)力，有可能會失穩(wěn)，因此要進(jìn)行穩(wěn)定性計算。其計算過程按照半球形封頭的計算過程來進(jìn)行，只是其中的R0用球面部分外直徑代替。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計四、球冠形封頭：

部分球面與圓筒直接連接。因結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，常用作容器中兩獨立受壓室的中間封頭，也可用作端蓋。由于球面與圓筒連接處沒有轉(zhuǎn)角過渡，所以在它們連接處存在相當(dāng)大的不連續(xù)應(yīng)力，其應(yīng)力分布不甚合理。承受內(nèi)、外壓的球冠形封頭厚度計算見GB150。鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

五、錐殼（變徑段）：

α≤30°：大小端可以不帶折邊。

30°＜α≤45°：大端帶折邊，小端可以不帶折邊。

45°＜α≤60°：大小端都要帶折邊。

α＞60°：按平板計算。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

錐殼的強(qiáng)度由錐殼部分內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng)力和錐殼兩端與圓筒連接處的邊緣應(yīng)力來決定。錐殼設(shè)計時，應(yīng)分別計算錐殼厚度、錐殼大端和小端加強(qiáng)段的厚度。若考慮只有一種厚度時，則取上述各部分厚度中的最大值。受外壓的錐殼，應(yīng)首先將其轉(zhuǎn)化為當(dāng)量圓筒，用外壓圓筒的圖算法進(jìn)行外壓校核，祥見第二章。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

1、受內(nèi)壓的無折邊錐殼：

（1）錐殼厚度：按無力矩理論，最大薄膜應(yīng)力為錐殼大端的周向應(yīng)力σθ

，即：

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計

由最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，并取，可得厚度計算式：鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計

當(dāng)錐殼由同一半頂角的幾個不同厚度的錐殼段組成時，式中Dc分別為各錐殼段大端的內(nèi)直徑。（2）錐殼大端：

在錐殼大端與圓筒連接處，曲率半徑發(fā)生突然變化，同時兩殼體的經(jīng)向應(yīng)力不能完全平衡，錐殼將附加給圓柱殼邊緣一個橫向推力。由于連接處的幾何不連續(xù)和橫向推力的存在，使兩殼體連接邊緣產(chǎn)生顯著的邊緣應(yīng)力，鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

當(dāng)這一總應(yīng)力超過某一數(shù)值時，二者的結(jié)構(gòu)必須加強(qiáng)。因為邊緣應(yīng)力具有自限性，可將應(yīng)力限制在3[σ]t內(nèi)。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計

按此條件求得的pc/([σ]tφ)及α之間關(guān)系見右圖。鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

①若坐標(biāo)點(pc/([σ]tφ),α)

位于圖中曲線上方，則無需加強(qiáng)，厚度仍按錐殼厚度計算。②若坐標(biāo)點(pc/([σ]tφ),α)

位于圖中曲線下方，則需要增加厚度予以增強(qiáng)。應(yīng)在錐殼和圓筒之間設(shè)置比較厚的加強(qiáng)段，二者應(yīng)具有相同的厚度，厚度按下式計算：

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計式中：Di——錐殼大端內(nèi)直徑，mm；

Q——應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)，查圖4-20；

δr——錐殼及其相鄰圓筒的加強(qiáng)段的計算厚度，mm。注：在任何情況下，加強(qiáng)段的厚度不得小于相連接的錐殼厚度。鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

③加強(qiáng)段的長度：錐殼加強(qiáng)段的長度：

圓筒加強(qiáng)段的長度：

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計（3）錐殼小端：其厚度計算方法與大端相類似。鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院圖4-20錐殼大端連接處的Q值

2、受內(nèi)壓的折邊錐殼：

（1）錐殼厚度（遠(yuǎn)離邊緣）：仍按下式計算：

（2）錐殼大端：其厚度取下面兩者中的大者。①錐殼大端過渡段的厚度：②與過渡段相連接處的錐殼厚度：

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

其中：系數(shù)K值按表4-6查取。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

系數(shù)f值按表4-7查取：

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

（3）錐殼小端：當(dāng)錐殼α≤45°時應(yīng)考慮兩種情況：①當(dāng)錐殼小端采用無折邊：其小端厚度按無折邊錐殼小端厚度的計算方法計算；②當(dāng)錐殼小端采用有折邊：按GB150計算。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計或按下式計算：鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

3、受外壓的錐殼：計算錐殼臨界外壓的理論公式相當(dāng)復(fù)雜，為簡化計算，工程上對外壓錐殼常根據(jù)半錐角α的大小近似按圓筒或平蓋進(jìn)行計算：①當(dāng)α≤60°時，按等效圓筒計算；②當(dāng)α＞60°時，按平蓋計算。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

六、平蓋（緊縮口）：平蓋的形狀包括：圓形、橢圓形、長圓形、矩形和正方形等。常用于直徑小和高壓容器上。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計鍛制平封頭緊縮口

采用什么樣的封頭要根據(jù)工藝條件的要求、制造的難易程度和材料的消耗等情況來決定。鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

平蓋厚度計算是以圓平板彎曲應(yīng)力分析為基礎(chǔ)。在理論分析時，平板的周邊支承被視為簡支或固支，但實際上平蓋與圓筒連接時，真實的支承既不是簡支也不是固支，而是介于固支與簡支之間。因此工程上計算時常采用圓平板理論為基礎(chǔ)的經(jīng)驗公式，通過系數(shù)K來表達(dá)平蓋周邊的支承情況。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

各種平蓋的結(jié)構(gòu)特征系數(shù)K見表4-8。1、圓形平蓋厚度：

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院其中：Dc—平蓋的計算直徑，見表4-8中簡圖。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計2、非圓形平蓋厚度（見教材）七、鍛制平封頭：鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院

主要用于直徑小、壓力高的容器。

為了減小邊緣應(yīng)力以及相互之間的影響，平封頭的直邊高度L一般要不小于50mm。r≥0.5δp且≥Dc/6，,δ不小于與其連接的筒節(jié)厚度。

過程設(shè)備設(shè)計

4.3.3封頭設(shè)計其中：η—開孔削弱系數(shù)。鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院——DC范圍內(nèi)沿直徑斷面開孔內(nèi)直徑總和的最大值。鍛制平封頭的計算厚度：第4.3.4節(jié)

密封裝置設(shè)計

第4.3節(jié)常規(guī)設(shè)計

壓力容器的封頭與筒體、筒體與筒體之間可采用可拆連接和不可拆連接兩種結(jié)構(gòu)形式。前者檢修比較方便，而后者密封可靠。

4.3.4密封裝置設(shè)計

壓力容器的可拆密封裝置形式很多，如螺紋連接、承插式連接和螺栓法蘭連接，其中螺栓連接裝拆比較方便，故在工程上應(yīng)用較多。它由一對法蘭、若干螺栓（母）和一個墊片組成，如圖所示。過程設(shè)備設(shè)計鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院圖4-22法蘭連接結(jié)構(gòu)

法蘭螺栓連接是依靠螺栓預(yù)緊力把兩部分設(shè)備或管道的法蘭環(huán)連在一起，同時壓緊墊片，使連接