化工设备设计基础(20210306132458)

1、力的概念及性质一、力的概念：力是两物体之间的相互机械作用。力会产生两种效果：1、使物体改变运动方向2、使物体产生变形力是矢量，具有三要素：大小、方向、作用点，用F表示。单位：牛顿（N）和千牛顿（KN）。二、力的基本性质：1、 力的成对性：力有作用力与反作用力。2、 二力平衡条件如果刚体（不考虑变形的物体）受到两个力的作用而处于平衡状态，则其平衡条件是：二力 大小相等，方向相反，且作用在一条直线上。如果刚体受到三个力的作用而处于平衡状态，则其平衡条件是：三个力的作用线汇交于一点。3、 力的可传性：作用在刚体上某点的力，可以沿其作用线移动到该刚体上的任意一点，而 不改变它对刚体的作用。4、 力的合

2、成与分解：在不改变力对物体作用效应的前提下，可以将作用在物体同一点的力 变成一个合力。这就是力合成，反之就是力的分解。力的合成：力是矢量，所以力的合成必须按照平行四边形法则进行。F=FI+F2/ 2 2F= V F1 +F 2 -2F1F2COS力的分解：此为力的合成的相反过程。F 1=FCOS aF2=Fsin a约束与约束反力主要介绍的是约束与约束反力的概念和以及种种约束类型。主要考虑的是自由体和非自由体的物体带来的力的作用。一：约束和约束反力1、 自由体可以任何方向上自由移动的物体叫自由体。2、 非自由体只要有任何一个或以上方向上受到限制的物体就叫非自由体，限制物体运动的物体叫约束。3、

3、 约束反力约束作用于非自由体上的力叫约束反力。约束反力的方向总是与该约束阻止的运动方向相反。 _ 二：约束的种类1、 柔性约束用绳、胶带及钢丝绳等柔性材料组成的约束为柔性约束，力的方向在轴线上。2、 光滑面约束光滑面：就是不考虑摩擦力的作用的表面，力的方向是与光滑面接触的法线方向上。 将物体从系统内取出后再考虑力的组成。3、 圆柱铰链约束分固定式和移动式（以在 X和Y方向上能否移动为区分点），铰链约束是构件可以转动的。 在不能动的方向上就存在约束反力。4 、固定端约束 比如插入，焊接等。 既不能让构件移动也不能转动的方式。受力图 为了对研究对象的分离体进行所有受力情况的分析就是进行受力分析，

4、所画的受力图即为画 受力图。作用在非自由体的分离体上的力有两种： 1. 已知的主动力 2. 未知的约束反力平面汇交力系的合成与平衡条件 所谓平面汇交力系就是指作用在物体上的各力的作用线位于同一平面内， 且汇交于一点的力 系。一、平面汇交力系的几何法与平衡条件1.几何法：按力的三角形法则求合力RR=F1+F2+F3+.+Fn平面汇交力系平衡条件：R=EF i=02.解析法：建立一直角坐标系，将各平面汇交力系在坐标系的X、 Y 轴上投影，然后分别求出在 X 、 Y 轴上的各力的代数和。Rx=XFxi =Fxl+Fx2+. + F xnRy=XFyi =Fyl+Fy2+.Fyn注：坐标系中 X 、Y

5、 轴可为任意方向上的两垂直相交直线。解析法的平衡条件：Rx=0 Ry=0平面力偶系的合成与平衡条件。一：力矩力矩是力对某一点所取的矩。它等于力乘以这点至力的垂直距离，用M。（ F）表示。力矩产生转动，以逆时针转动为正，顺时针转动为负。M=F*D （力到转动点的垂直距离 ;可以从转动点到力做垂线计算长度，也可以将力分解成垂 直于轴线的力和轴线方向上的力来进行计算） 二：力偶和力偶矩两个不重合的方向相反的力可以产生转动，那就是力偶，以T 表示：T=F*D （两个力的距离，以逆时针转动为正，反之为负）。性质：1：力偶无合力。2：在作用面内可以任意移动，但不改变刚体移动效果。 3：力偶据不变时，力和力

6、臂可任意改变，不改变力偶对刚体的作用。4：力偶的合力偶等于力偶系中各力偶的代数和。平衡条件 同一平面的合力偶为 0 就平衡了。平面汇交力系的合成与平衡条件：1、几何法，即按力的三角形法则，将各力依次合成，求合力2、解析法：即建立直角坐标系，将各平面汇交力系在坐标系的 分别求出在X、Y轴上的各力的代数和。X、Y轴上投影，然后平面一般力系的合成与平衡条件1、 力的平移定理：作用在物体上某点的力，可以平移到该物体上的任意一点，但必须同时 附加一个力偶，这个附加力偶的力偶矩等于原力对这任意一点的矩。2、 平面一般力系的平衡条件：所有的力在X方向上的合力为0，所有的力在Y方向上的合力为0,所有的力偶矩的

7、合力偶为0。直杆拉伸与压缩一、 工程中构件的形式按形状大致可以分成三类：1、杆件，女口：螺栓，轴，梁等。换热器中的管板等。3、壳，如：油罐的筒体等。2、板，如：塔设备内的塔板,二、构件变形的基本形式1、弹性变形：当外力卸去后，构件又恢复到原来的形状。2、塑性变形：当外力卸去后，构件不能恢复到原来的形状。三、杆件在外力作用下，变形的基本形式1、拉伸与压缩：杆件在其轴线方向伸长或压缩。2、弯曲：杆件在力偶作用下，其轴线弯成曲线。3、剪切：两作用线相距很近，垂直于杆的轴线的力，使作用线间横截面发生相对错动。4、扭转：杆件受到一对大小相等、方向相反、绕杆轴线旋转的力偶作用时，杆的各横截面 绕杆轴线发生

8、相对转动。轴向拉伸或压缩时的内力与应力一、内力概念：工程力学中，把构件不受外力作用时的内力看作为零，而把外力作用后，外 力引起构件各点相对位置发生变化造成构件内部产生附加力的作用，这个附加力为内力。力可以是力，也可以是力偶。求内力最常用的方法是截面法。根据截面的内力方向是远离构件还是面向构件，内力可以分成拉力和压力。、直杆横截面上的应力1、应力的概念：单位面积上的内力就是应力。2、应力的求法：杆在此截面的内力除以此截面的面积即为应力。用表示单位为2MPa (KN/mm )，规定：拉应力为正，压应力为负。d =N/APa (N/m2)、轴向拉伸与压缩时的强度计算一、强度概念1、强度：构件抵抗外力

9、作用而产生变形与断裂的能力。2、强度破坏：构件在最大应力作用下，发生过大变形或断裂，使得构件不能正常工作的现 象。这里的最大应力叫极限应力，与材料和操作温度有关。强度与构件的应力密切相关，即与构件所受的内力及截面积有关。二、强度条件构件的强度条件是：（T max=N/A （T t式中：N 杆件横截面上的内力（N）A 杆件横截面面积（m2） T杆件材料（t表示设计温度下）的许用应力（MPa）三、强度计算解决工程中三类强度计算问题：1、 强度计算：已知构件所受的载荷，截面积和所用材料，计算构件能否正常工作。方法：T max=N/A 判断：T maxW T 上2、 设计构件的横截面积：已知构件所受的

10、载荷，所用材料，计算构件满足要求的横截面积。 方法：T max=N/A N/ T t3、 确定许用载荷：已知构件的截面积和所用材料，求满足构件正常工作时的截荷。方法：T max=N/A T t 判断：N T t *A轴向拉伸与压缩时材料的机械性能材料的机械性能：从开始加载直到最后破坏的全过程中，材料在强度和变形方面表现出来的力学性质。机械性能是材料固有的特性，必须通过实验测定，材料种类不同，其机械性能也 不相同。一、低碳钢拉伸与压缩时的机械性能1、 应力与应变图用一标准的低碳钢在万能实验机上进行拉伸实验，通过缓慢加载，试件逐渐被拉伸直到试件被拉断为止。记录一系列拉力P与之对应的绝对伸长值 AL

11、，然后以T =P/A为纵坐标，以应变 =AL/L为械坐标，画出应力与应变图（T- ）低碳钢：含碳量在 0.3%以下的钢为低碳钢。杆件从拉伸到断裂共经历四个阶段：弹性阶段、屈服段、强化阶段、缩颈段。2、 低碳钢的主要机械性能指标：强度指标、弹性指标、塑性指标。二、脆性材料的机械性能最大特点就是没有屈服段。判别是否脆性材料的方法之一。平面弯曲的概念一、梁的概念与类型1、 概念：当杆件受到垂直于杆件轴线的力或力偶作用时，杆的轴线由直线变为曲线，这样 的变形称为弯曲，以弯曲变形为主的杆件称为梁。2、 类型： 简支梁：一端固定铰链，一端活动铰链组成的梁。 外伸梁：一端或两端伸出支座以外的简支梁。 悬臂梁

12、：一端固定，另一端处于自由状态。二、平面弯曲的概念若梁上所有外力和外力偶均作用在纵向对称平面内， 则梁变形时， 它的轴线将在此纵向对称 平面内弯曲成一条曲线，这种弯曲为平面弯曲。直梁弯曲时的内力分析一、剪力与弯矩 直梁在横向力或弯矩作用下产生弯曲变形， 同时， 在梁的横截面上产生相应的内力， 这种内 力称为弯曲内力。弯曲内力包括剪力和弯矩 剪力Q:在梁的横截面上，与外力平行，且使横截面有被剪断的趋势。规定： Q 使该截面的相邻微段 (也就是所取的用来作内力分析的段) 有作顺时针转动的趋势 为正，反之为负。 弯矩M :作用在梁的纵向截面，并使截面产生转动而弯曲。规定: M 使邻近微段发生向上凹的

13、弯曲变形时为正，反之为负。二、剪力图与弯矩图1、概念:一般沿着梁的轴线做各截面的弯矩与剪力随之变化的规律图。2、做法步骤: 求出梁在各支座的反力。 以梁的轴线为横坐标， 分别以梁剪力或弯矩的大小为纵坐标， 利用求内力的截面法， 求出梁各截面的剪力与弯矩并画在纵坐标上，M、Q为正，画在坐标的上方，反之画在坐标的下方，将各截面的剪力或弯矩点连接成线。三、分布载荷、剪力和弯矩间的关系1、 作用在梁上的载荷分三种:集中载荷 P (N) 分布载荷 q (N/m) 集中力偶 T (N/m) 载荷不同，梁各横截面上的剪力和弯矩也不同，因而所得的剪力图和弯矩图也各不相同。2、载荷与剪力、弯矩之间的关系22dQ

14、/dx=q dM/dx=Q d M/dx =q四、载荷种类与剪力图、弯矩图之间的关系纯弯曲时梁横截面上的正应力一、纯弯曲时的变形现象与假设 纯弯曲:就是梁的横截面上只有弯矩而无剪力的作用在工程实践中，当梁的L/ h 之比很大时，弯矩是梁破坏的主要原因而此时剪力可忽略不计。对于梁的纯弯曲可作如下假设: 梁变形前是平面， 变形后仍保持平面， 且仍垂直变形后的梁的轴线， 只绕某一轴线旋转了 一个角度。 纵向纤维之间互不积压，即不考虑剪力的影响。 纵向纤维的变形与它到中性层的距离有关，与横截面的宽度上的位置无关。 中性层:有一层纵向纤维既不伸长，也不缩短，这一层纵向纤维为中性层。中性层与梁横截面的交线

15、为中性轴。、弯曲变形与应力之间的关系1、梁纯弯曲横截面上任意一点 A 正应力计算公式（T =M/lz式中：y任意点A距中性轴的距离。lz横截面对中性轴的惯性矩lz=/2yA2、纯弯曲时正应力在横截面上的分布 拉应力与压应力是同时存在的，而且是以中性轴为对称。截面惯性矩和抗弯截面模量 在梁纯弯曲时正应力的计算公式中有一重要的物理量 截面惯性矩。 截面惯性矩仅与横截面 的几何形状和尺寸有关。反映的是横截面的几何性质。 介绍了几种常见的截面惯性矩和抗弯截面模量的计算公式。1、矩形截面32Iz=bh3/12Wz=bh2/62、圆形截面43lz=nD/64Wz=nD/323、圆环截面I z= n /64

16、（Dld4）Wz= nD/32（1- ；）a =d/D梁的弯曲强度计算对于等截面的直梁，弯矩最大的截面就是危险截面，在危险截面上，离中性轴最远的上、下 边缘的各点的应力就是等截面梁的最大弯曲正应力，这些点称为危险点。为保证梁安全可靠工作，必须使最大工作应力ax不超过材料的许用应力刃即omax=M max/Wz W T式中：Tmax 最大正应力， PaMmax 最大弯矩， N/mWz 截面抗弯模量， m3 T 材料的许用应力，查材料表 MPa提高梁的弯曲强度的主要途径一、选择合理截面，提高抗弯模量 尽量选用矩形横截面且立置（ b 02 C3二、应力状态的分类：单向应力状态 只有一个主应力不为零。

17、如：直杆的拉伸与压缩二向应力状态 有两个截面上的应力状态不为零。如：受扭转的圆轴三向应力状态 三个截面上的主应力都不为零。如：受高压作用下的容器三、二向应力状态分析在构件上取一微元体, 此单元体上有二向应力作用, 且有正应力与剪应力, 这是二向应力状 态最一般的情况。利用这个单元体,用静力平衡条件可求出主应力及主应力所在的平面。 结论：任意一斜截面通过旋转一定角度,肯定可获得主平面或获得主应力。强度理论为使构件在复杂应力状态下正常工作, 通过研究材料的各种破坏现象, 建立相应的各种强度 条件,把这些强度条件合在一起称为强度理论。一、材料破坏的主要形式1、脆性破坏 材料在未发生明显的塑性变形前,

18、就发生了断裂,这种破坏形式为脆性断裂。2、塑性破坏 材料在产生过大变形后,发生断裂,这种破坏为塑性断裂。二、强度理论1、第一强度理论（最大主应力理论） 认为：在复杂应力状态下,只要三个主应力中的最大拉应力（01）达到轴向拉伸时材料的极限应力2材料就发生破坏。其强度条件：01 2式中： 0=b0/n 许用应力 MPan 安全系数2、第三强度理论（最大剪应力理论）认为： 在复杂应力状态下, 只要最大剪应力达到轴向拉伸时材料的极限剪应力, 材料就发生 塑性破坏。其强度条件：Tax= T 01- OW o式中： 0 许用应力 MPa3、第四强度理论（最大变形能理论）认为： 在复杂应力状态下, 当材料内

19、任意一点的形状改变比能达到了轴向拉伸时材料的极限形状改变比能，材料就发生塑性破坏。其强度条件：V 1/2（1-血血）2+（ （2- 03）2+（ 3- d）2 W （T第二篇化工设备常用材料化工设备大多数是由金属材料制成，一小部分由非金属材料制成。金属材料黑色金属：碳钢、合金钢有色金属：铝、铜及其合金非金属材料化工陶瓷、化工搪瓷金属材料的基本性能：一、机械性能指标：弹性、塑性、强度、硬度、韧性1、强度：材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。强度随温度的升高而下降。强度常用指标：屈服极限3S和强度极限Ob此外还有蠕变极限、持久极限、疲劳极限。2、塑性 概念：材料在外力作用下产生塑性变形而不产

20、生破坏的能力。（不出现裂纹或断裂） 指标：a、延伸率（3）:试件拉断后，总的伸长长度与原始长度比值的百分率。b、断面收缩率（2）:断面缩小的面积与原始截面积比值的百分率。3与”越大，表明金属材料的塑性越好，可弯卷、锻压、冷冲、焊接等加工。3、硬度材料抵抗硬物压入的能力。材料越硬，材料就越耐磨。指标分为：布氏硬度（HB ） 洛氏硬度（HR） 维氏硬度（IIV ） 区别是实验中采用的压头和压力不同而测的值不同。4、韧性材料对裂纹及缺口敏感程度的反映。是衡量材料抗裂纹扩展的能力。指标： 冲击韧性：抵抗冲击力作用而不致破坏的能力。 断裂韧性：抵抗材料存有微裂纹时而不致破坏的能力。 无塑性转变温度： 材

21、料在某一温度区间随温度的降低，其韧性值突然降低， 此温度为无塑性转变温度。用于确定材料的最低使用温度。韧性对压力容器用材料十分重要，是压力容器用钢必检项目。塑性好的材料，一般韧性好， 但塑性不等于韧性。二、化学性能1、化学成分钢的化学成分主要是铁和碳。由于冶炼方法的限制，钢中不可避免的存有硫、磷、锰、硅等 杂质，这些元素对钢的性能有很大的影响。碳：随含碳量的增加，材料强度与硬度增加，塑性与韧性降低，且焊接性能变差，容易出 现裂纹。 硫：是钢中的一种有害元素，它使钢在热加工时容易折裂，这种现象称为 磷：使钢材变硬、变脆，特别是使钢在低温时显著变脆，这种现象称为 锰：能消除硫的有害影响，提高钢的强

22、度和硬度，是一种有益元素。 硅：可提高钢的强度和硬度，提高钢的耐蚀性能，是主要的耐蚀合金元素之一。2、化学性能指材料的化学稳定性。主要指耐蚀性能和抗氧化性能。三、物理性能材料的物理性能指金属的密度、熔点、导热、导电、热膨胀性、弹塑性模量等。四、工艺性能指材料的铸造性、煅造性、可焊性、切削加工性和冷弯曲性能等碳钢及其热处理一、概念碳钢：由95%的铁和4%以下的碳组合的化合物。又叫碳素钢或铁碳合金。二、分类及牌号1、 分类 按含碳量分：低碳钢：C 0.25%中碳钢：0.25% C 0.6% 按冶炼方法分：镇静钢（Z）沸腾钢（F）半镇定钢（b） 按质量分：普通碳素钢：P 0.045% , S0.05

23、%优质碳素钢：P 0.035% , S0.04%2、 牌号对普通碳素钢分成三类：甲、乙、特类碳素钢，用A、B、C表示。 甲类：供应时只保证机械性能，化学性能仅供参考。 乙类：供应时只保证化学性能，机械性能仅供参考。 特类：供应时即保证机械性能，又保证化学性能。牌号：用Q 屈服极限值 一质量等级符号（A、B、C）脱氧方法（ 当为镇静钢时“ Z符号可省略。如：Q235-A,F表示：屈服极限为 235MPa的甲类沸腾钢。Q235-B 表示：屈服极限为 235MPa的乙类镇静钢。优质碳素钢牌号：用含碳量的万分之几表示。如：20表示含碳量为万分之|20,即0.2%的优质碳素钢。08F表示含碳量为0.08

24、%的沸腾钢。在优质碳素钢中，在含碳量后常加入符号“R g”，其中：R 为容器钢 G锅炉钢热脆 冷脆”。F、Z）表示。如：20R含碳量为0.2%的容器钢般用于非高、低温、低负荷、无3、性能与用途机械性能：较好，其强度和硬度跟含C量成正比，塑性跟含 C量成反比。温度增加，塑性增加，强度和硬度减小。普通钢的使用温度为0350 C。工艺性能：良好，可焊性能随含C量增加而减小。腐蚀的场合。三、热处理概念：利用加热、保温、冷却等过程，使钢材在固态下发生内部晶体组织的结构变化，从而 达到改变钢材性能的工艺。钢材热处理工艺：退火、正火、淬火、调质、回火等。1、退火与正火退火一一将钢材加热至800C + （30

25、50 C）,热透后随炉温缓冷。作用：a、用来消除焊接、铸造等留下的粗大组织和所残留的内应力。b、降低硬度，提高塑性。正火一一将钢材加热至800C + （ 3050C）,热透后将工件从炉中取出，置于空气中冷却。作用：a、冷却速度较退火快，钢的晶粒较细，更好地降低硬度，提高塑性。b、周期短，经济，但消除内应力不够彻底，用于对焊接结构和要求不高的零件。2、淬火与回火 淬火 将钢加热至淬火温度 910C + （3050 C）,并保温一定时间，然后在淬火剂中冷 却。淬火剂一般为：空气，油，水，盐水等（冷却能力依次递增） 作用：极大的提高钢材的强度和硬度，但塑性和韧性降低。 回火一一将零件淬火后再进行一次

26、较低温度的加热与冷却过程。作用：降低或消除工件淬火后的内应力，使组织趋于稳定。回火一般与淬火联合运用，按加热温度不同，回火分三种：a、低温回火（强度大、塑性差）b、中温回火（强度较大、韧性较好）c、高温回火（强度大、塑性好）四、化学热处理通过加热、保温、冷却等过程，将某些化学元素渗入到零件表面，以改善其表面的化学成分 和组织结构，从而使零件表面具有某些化学性能的方法。分为：渗碳、渗铝、渗铬、渗氮等。五、钢、铸铁、生铁的区别钢：指含碳量 4.3%的铁碳合金合金钢、合金元素对钢的影响 合金钢：在碳素钢中有意加入一些特定的合金元素以改善钢材的性能。耐蚀性：不耐蚀，只在浓彳陵中由于钝化而耐蚀性好,常加

27、入的合金元素有：Cr、Mn、Ni、Si、Mo、V、Ti、B等。作用： 提高碳素钢的强度 细化晶粒 改善钢的热处理性能 提高钢材的耐蚀性能 提高钢材的高温强度和抗高温氧化性二、合金钢的分类、牌号、性能和用途1、分类 按化学成份分类低合金钢：合金元素总含量不大于5%中合金钢：合金元素总含量不大于510%高合金钢：合金元素总含量不大于10% 按用途分类普通低合金钢：在普通碳素钢中加入少量合金元素。 合金结构钢：在优质碳素钢中加入适量合金元素。 特殊性能钢：不锈钢及不锈耐酸钢、耐热钢、低温用钢。2、 牌号 普通低合金钢及合金结构钢牌号如：16M nCuMn 含碳量以万分之几表示：0.16%说明：a、合

28、金元素含量以百分数表示但当合金元素含量小于 1.5% |时可不标出，但必须标出化学元素符号。b、 有时两种钢除一种主要元素外，其余的均相同，且这些元素含量均在1.5%以下，则含 量高的加注 1”以示区另，如： 12Cr1MoV 与12CrMoVc、 化学元素符号必须标出。 特殊性能钢（耐热、低温、不锈钢）牌号如：00Cr18Ni9Ti含 Ti 1.5%含 Ni 9% 含 Cr 18% 含 C 0.03%说明：a、含碳量用千分之一表示。b、若含碳量0.03% 时，则用0o|”表示。c、 若含碳量2002，压力4.9MPa 防治措施:1、强度 操作温度彳400 q,因由工作条件和经济技术指标适当的

29、选择材料。塑性韧性应考虑变,2、3、4、降低钢中的含碳量 加入|Cr、Mo、Ti、W、V等形成稳定碳化物。、金属腐蚀的评价方法1、根据重量变化2、根据腐蚀深度二、金属设备的防腐措施1、衬复保护层：金属保护层、非金属保护层2、电化学保护1）阴极保护：附加一直流电源，将电源阴极接入金属壳体。2）阳极保护：此法技术复杂，应用不多。3）添加缓蚀剂化工设备选材的原则、选材的一般要求1、满足设备的工作条件2、良好的制造工艺性3、结合我国的资源及国内供应情况以求经济、钢材满足机械性能的几点具体要求5、冷弯性能6、腐蚀性能化工容器设计概述一、压力容器的结构与分类1、结构筒身、封头、人孔、支座、接管、液面计等。

30、2、概念压力容器：指内部含有压力液体的容器。3、分类按容器放置方式分卧式容器 女口：储罐立式容器 女口：塔按容器受力分内压容器：内压大于外压外压容器：内压小于外压根据工艺过程或用途分换热设备、反应设备、分离设备、储存设备。根据容器的设计压力将内压容器分a、由钢板卷制的b、用无缝钢管作筒体和成形的封头，公称直径指其内径。为容器的筒体时，公称直径指无缝钢管的外径。（即 低压容器：0.1 W氐1.6MPa 中压容器：1.6 wp 10MPa 高压容器：10wp 100MPa 超高压容器：p 100MPa根据压力等级、介质性质和危害程度及设备类型分类一类容器二类容器三类容器 二、压力容器的设计、制造规

31、范1、 全国压力容器标准化技术委员会钢制压力容器GB1502、 国家劳动总局压力容器安全监察规程简称容规3、 石油部、化工部及一机部制定的钢制石油化工压力容器设计规定等 三、容器机械设计的基本要求1、 工艺设计：如容器总体尺寸、传热方式、面积、接管大小、数量、方位等。2、 机械设计强度、稳定性刚度密封性节省材料等 四、压力容器零部件的标准化1、 提高产品的质量，降低成本，增大产品的互换性等。2、 零部件标准化的基本参数公称直径（DN） -单位mm对容器:对接管: 既不是管子的内径也不是管子的外径，是管子的名义直径。公称压力（PN）单位MPa将压力容器或零部件承受的压力分成若干个规定的压力等级，

32、这种规定的压力等级为公称压 力。内压薄壁容器的应力理论回转薄壳的薄膜理论一、回转壳的几何特性1、 薄壁容器：圆筒体的外径与内径的比值K=Do/DiW 1.22、回转壳的几何概念 回转壳体：有一条平面曲线（母线）围绕同一平面内的轴线旋转一周形成的壳。如形成的 壳体壁薄为回转薄壳。 经线、纬线、中面（与内、外壁等距离的面） 第一曲率半径 R1 :中面上经线（母线）上任一点的曲率即为经线上该点的第一曲率半径。 （也就是经线上一点与另一点到各自切线的法线相交的点的距离） 第二曲率半径 R2:中面上经线上任意一点切线的垂线与回转壳体旋转轴线的交点之间的 距离为该点的第二曲率半径。 平行圆半径R:横截面与

33、旋转壳体的交线为平行圆，此平行圆的半径为平行圆的半径。二、回转壳体的薄膜理论1、 无力矩理论：因为旋转壳体的壁薄，所以可以不考虑弯矩的影响，这种求应力的理论为 无力矩理论。2、 薄膜应力：用无力矩理论求得的应力为薄膜应力。3、 回转超额分配的薄膜应力求解基本假设 直法线假设：变形前垂直于中面的直线段，变形后仍保持直线并垂直于变形后的中面。忽略剪应力的影响）第二曲率半径与旋转轴之间的夹角为0角。 互不挤压假设：各平行中面的纤维之间互不挤压。（沿壁厚方向的正应力忽略） 设变形前后壁厚不变。薄膜应力的计算公式薄膜应力只有两向即经向应力6、周向应力 deW/R计ceR2=Pn/ i 拉普拉斯方程S=F

34、z/2 n 处 RSin2 / =oPnrdr/ eRzSin2 /区域平衡方程得出： 斫PD/4irn=PD/2i三、无力矩理论的应用边缘应力及其特点无力矩理论的应用范围：1、 回转曲面在几何上是轴对称的，壳体厚度无突变，曲率半径是连续的，材料各向同性， 材料的物理性能（E, Q应当相同。2、 载荷载壳体上的分布是轴对称和连续的，没有突变的情况，因此载荷没有任何集中载荷 的作用。3、 壳体边界的固定形式应该是自由支承。4、 要求边界上无横剪力和弯矩。一、边缘应力的产生及概念1、 边缘应力产生壳体的边缘处（不能应用无力矩理论的地方）不可避免的存有支座或几何尺寸的不连续,了保证边缘处相连接的两物

35、体的变形协调，出现的新的应力就叫边缘应力”。2、 边缘应力的概念由于结构不连续等变形不协调而产生的附加应力为边缘应力。二、边缘应力的特性边缘应力具有其特性：1、 自限性当结构不连续的两相连物体之间的变形协调后，边缘应力就不会再增加了。2、 局限性边缘应力只作用在结构不连续处的局部区域，超出此局部区域，边缘应力便快速衰减为零。三、边缘应力在设计中的考虑1、 改变连接的边缘结构：将几何突变的结构改成光滑过渡。2、 边缘区局部加强3、 保证焊缝区的焊接质量，降低边缘区的残余应力。4、 避免在边缘区附加应力或开孔接管。内压圆筒的强度计算受内压作用的容器，其内部产生的应力为拉应力，因此，由其介质引起的载

36、荷计算应为强度 计算。一、强度计算的任务强度：容器抵抗外力作用而不致发生过大变形或断裂的能力。任务就是根据给定的公称直径以及设计压力，设计温度，依据一定的强度失效准则，设计出合适的壁厚，以保证设备安全运行。二、强度失效准则概念：是容器判废的依据。根据GB150,内压薄壁容器的设计，采用的强度失效准则为第一强度理论即最大主应力理论。强度条件： Oeq= 01W V三、内压薄壁圆筒的设计壁厚设计公式为：S =CDi/ (2 0&Pc)式中：P设计压力 MPaPc计算内压力 MPaPc=P+y液H当液柱引起的液压力小于 5%设计压力时，PcPS算厚度 mmDi 圆筒体的内径 mm焊缝系数0设计温度下

37、材料的施用应力MPa最终厚度 S还需考虑一些制造、腐蚀等因素的影响： 设计厚度： S= S +C名义厚度：S= S+Ci再向上圆整(偏大)至标准厚度有效厚度： S=s-Ci-C2式中：Ci 板厚负偏差 mmC2-腐蚀余量mm公式适用范围：P 0.4tV内压球壳的强度计算一、内压球壳的壁厚设计公式为：S =cDi/ (4 0Pc)设计厚度：S= S +C名义厚度：S= S+C1再向上圆整(偏大)至标准厚度 有效厚度：S= S1-C1-C2公式适用范围：P 容器操作时的最高温度（+20 C）设计温度 容器操作时的最低温度 二、焊缝系数 0对焊接缺陷加以补偿，0的大小取决于焊缝型式以及无损探伤的检验

38、要求。1、如同一容器中有几种焊缝系数，则分别计算，取壁厚最大值作为容器的计算壁厚。2、 若用无缝钢管作为压力容器的筒体时，0可以取1.0三、厚度1、厚度附加量CC=C1+C2C1为板厚负偏差，由钢板的名义厚度确定（反算法） 当钢板厚度负偏差 0.25mm且 3800mm , Sin按运输和现场安装条件定。b、 对不锈钢，Sin=2mm右 5nin S则取 S= Snin + C2其它厚度 四、许用应力和安全系数 许用应力的计算公式： 2=极限应力/安全系数 曲与设计温度及板厚有关。五、内压薄壁容器强度设计步骤1、 由工作压力P及工作温度t得出设计压力、设计温度及计算压力Pc2、 由操作条件(P

39、、t,介质是否腐蚀)确定容器的材料，然后选择曲0, C3、计算厚度SS =PcD (2 2Pc)名义厚度：sn= S +C再向上圆整至标准厚度六、内压薄壁容器强度校核步骤有效厚度：S-C1-C2容器的强度校核：判断2=Pc(Di+S)/(2 e0 ) 0.15%D二、半球形封头（受力最好，制造难度大）计算厚度公式：S =PDi/ （4（rtJ-Pc）三、碟形封头（应力分布比标准椭圆形封头差一些）计算厚度公式：S =MPRi/（2 V.5PC）形状系数 M=1/4（3+R/r）标准碟形封头 Ri=0.9Dir=0.17Di则S =1.2CDi/（2 V（.5Pc） 标准碟形封头一般带有直边，以减

40、小边缘应力的影响。S 0.15%D外压容器一、外压容器的失稳外压容器的稳定性（用到的直径都是中径）1、概念 受力特征与受内压作用的圆筒的薄膜应力相同，但为压应力。即：囚=-PR/2 So尸-PR/ S 破坏形式当受到外压时，在未发生强度破坏之前， 就已经发生周向压瘪或纵向弯曲了，这种现象称为失稳。 失稳在容器所受的压力（外压）达到某一临界值（Pcr ）后，开始出现弯曲等形状的变化就叫失稳。这个临界值就称为临界应力Pcr2、外压容器失稳后的形状外压容器因为周向压应力大，所以，容器发生失稳首先在圆周方向上发生失稳，即圆筒体压瘪。二、临界压力Pcr的概念反映外压容器抗失稳的能力。1、影响因素 几何尺

41、寸：L/D。，S/Do，长度越大，越容易失稳，板材的有效厚度越小，越容易失稳。 物理参数 圆筒体的椭圆度和材料的不均匀性的影响。Pcr与材料的强度无关。2、长、短圆筒和刚性圆筒的划分 长圆筒当L/D。值较大时，Pcr与L无关，容器失稳后的波数n=2。 短圆筒当L/D。值较小时，Per与L/D。，质D。有关，容器失稳后的波数为n2的正整数。刚性圆筒当L很小时，容器受到外压作用，先发生的是强度破坏，这样的短圆筒为刚性圆筒。外压圆筒的公式设计法一、稳定性破坏条件要使外压力薄壁容器不发生失稳的条件是：P Pr/m 或P P式中：P容器承受的外压 MPaPer临界压力MPam -稳定系数，对于钢制圆筒m

42、=3.0P许用外压力，P=Per/m二、临界压力的数学表达式t 231、 长圆筒的临界压力：Per=2.2El/(1- f)( e/D)3 式中：Se有效厚度，mmD-圆筒中径，mmE材料设计温度下的弹性模量，MPa卩一一泊松比，对于钢制圆筒卩=0.3所以：Pcr=2.2Ef/( e/D)32、 短圆筒的临界压力：Pcr=2.59E Se/ (LD/e)式中：L 计算长度， mmL=L+2/3h如有加强圈，则为两加强圈之间的距离。h两端封头的深度3、 刚性圆筒：只需进行强度计算d =P(Di+ Se)/(2 e$ ) W 压=js/4ots-屈服线3长、短圆筒的临界压力通用公式：Pcr=KE(

43、泊/Do)3K= f (L/Do , Do/ Sfe)三、临界长度 LcrLcr=1.17D V(D/e)LL cr属长圆筒四、外压圆筒设计的计算法步骤：1、 由工艺计算确定 D、L,查於，假设Sn2、 计算临界长度Lcr,并判断属长短圆筒3、 代入相应的长圆筒或短圆筒的Pcr公式中，得计算压力 Pcr4、 判断：PcWPr/m (对于钢制圆筒 m=3.0)若满足，备合适；若不满足，重复以上步骤，直至满足为止。外压圆筒的图算设计法(图算法) 适用于任何形式下的稳定性设计 在图算法中用到的直径是外径一、图算法步骤：映阮gyp%,呀2在的11-3的氓坐纬典亍匕巧曲此点沿水平卜向梢动与15/%A松楚

44、t谒中何值是网插值 ）K hD 50 . run ld 50為闰； 前 Up k（MPiunr x苦A恆需更仪计溫履线的血机 闻P卜-A（ _）（昭t J* Ufli感比较畸对JL莠耳AP 烦*丸翌再观IiP 1/2圆周长，最大间距 1/3圆周长，最大间距 12 n二、加强圈的设计步骤A s截面积Jy惯性距Js工业估算值10 9J, 3J叶的” MPh 毎）枷儀闽BU1步羈勺：山佻廉加泌圏令：u疑扣强阈峑皆.A4i审人鉉fit枷径圏（Mti f J SJL | 以上步戦业至為fLl为丫刃止.外压封头设计、球形封头及半球形封头m申科用田耳皆這狞外圧球可射 決聲半車影舟头的建计仃觇科11-2-H7

45、欝Bft:若舟社：Z/t杠弋在右方样乩P鶴若也湛厘线的左/的州下式计勲齐pIH加丸必 节瓦以上涉躱 ft t pp ij止、椭圆形和碟形封头0 125R式中式中乙二、 4壮、例题：M： ill箱st-作奪叭巻册时4呼執 内隹 DHISOOM.也 u计昇長Hb4Q3*OflBi说计 JLA25OC. 8 /J附如港O2hl6MhR, E1-1S6+O !D3MPa.:殳圏器們札 _14m(n，C 12(MDD D, -41800 4M (814nun仃 117D。用二 26094 6 mipV 6t W3S0Lw 属于“訝.2 59黑3 MPH二冋上斗小服 m 3v|Pj V：晶丸4*.-|PP

46、 01 MPJH-0.26 MPa皿必憾1M7卜丸虬 ft gn - is mm j5t -ItimnD, D +2J1800 tlx 18 1836mniL 10350 . D ,1836、，-5.6, = - - 1M.71836 St 16_命，！伞人 0 00025由MU3HHK废25IHC MMM暑得 B = 30 MPa.L 琨刑对丸ft需烙妊林*的齐亞上桶厦町对头外屋作用下的輯册和琨用封畏的册龙拉计鼻再外虞形 曲头卑ML犀用團算芦什算只是式中的R。舍丸本冊.系壮由嗚Ifl刃J扌头的長粗处之 比P2241W.D -間的片變压力容器开孔与接管容器壳体开孔时的应力集中、基本概念1、应力

47、集中现象由于开孔接管后，壳体的结构连续性破坏， 此处在操作压力作用下，会产生比不开孔接管时基本应力大数倍的应力，这种现象叫应力集中现象。2、应力集中系数（K）指开孔边缘的最大应力值与壳体上不开孔时的最大应力之比。K=b实际/ （T式中：（T 本应力对球壳：（T =PR/2 S 对筒体：（T =PR/ SC实际一一开孔或接管处的实际最大应力。开孔补强设计一、开孔补强设计的原则1、目的：使孔边的应力峰值降低到某一允许值，并提高器壁的强度。2、内容 选用合适的补强结构型式 选用合适的补强原则（方法）确定有效的补强范围及面积。3、补强设计原则 等面积补强法 极限补强法二、补强结构有三种结构：贴板补强（

48、最常见）：贴板上有一M10的透气孔，用以检查贴板与壳体焊缝的紧密性。 应用于中低压容器的开孔补强。应用条件：a、 钢板的标准抗拉强度下限值ob A式中：A开孔接管时挖去的金属截面积。Ai接管承受内压或外压设计所需厚度之外的多余金属厚度。A2壳体承受内压或外压设计所需厚度之外的多余金属厚度。A3补强区内焊缝截面积。右Ai+A2+A 3+A4A 则开孔不需加补强圈右 Ai+A 2+A 3+A4 A- （A什A2+A3）容器零部件标准的选用法兰一、法兰连接结构与密圭寸原理1、法兰连接结构：法兰、垫片和螺栓螺母组成对法兰连接的要求：密封可靠，保证生产能长周期运转。2、密封原理二、影响密封的主要因素1、

49、螺栓预紧力 2、温度影响 3、垫圈性能 4、法兰刚度5、密封面型式和表面性能6、操作条件等三、法兰类型及密封面型式1、法兰类型【门阪力睿寻为兰是暫 压力富爲去兰討法L|高贰吋坪法S H 才：*”幷申半奸琵宜丄守为 札甲宝爭需建兰 b,乙F半辉饪t四、法兰的标准及选取1、法兰的标准压力容器法兰标准：JB/T47004707-2000、HB、石油和化学工业局管法兰标准：GB91129125-88、SHJ40689 （石化建）2、法兰的选取选两个参数：公称直径DN、公称压力PN选取步骤：（先分清楚是压力容器法兰还是管法兰，再查参数） 由设计压力、设计温度、介质特性选取法兰类型及法兰材料。 保证管子或

50、设备公称直径与法兰的公称直径相等。 使所选法兰的公称压力在设计温度下所能承受的最高工作压力设计压力。3、垫片选择垫片是法兰密封的必要元件。使其能承受压力 设计压力，能承受的温度设计温度并考虑介质的腐蚀性。倒：为某一萃Ml压力莠IC勒JL时法3U 曲里*（為为MWu * 器最高山工杵压力L6MPa, xK;；t50C-容春内径 试嗔;法坐型丸及S片.解：窑歳摊作余件：l =为屮8.所棋选高预时塀法兰.（P4S5 ） di K 11-7 法兰耐什汁Mn itPS-2. 5MPa 此*f 时其尤许输董高工柞忌力为丸于hZIPa 所朮逸高菇时堺伕莹：PN2f 5 DNUOO l&Mn曲AJ1-T：邑域经垫片.园为 卜负貢一定妁迅性所 以叫聚軋乙耳锤电晏片支座支座的分类：卧式容器支座、立式容器支座 一、卧式容器支座分为：鞍座 圈座1、圈座 在容器的外周焊一圈型钢。有加强作用，但不能适应温度变化所引起的热变性的影响。2、鞍座的结构 分为轻型、重型两种。轻型（ A 型） 适用于重量较轻的设备的支撑。重型（ B 型） 适用于重量较重的设备的支撑。备去岂（又味层力莓器法岂F2、密封面型式：平面、凹凸面（最常用）、榫槽面、梯形面四种。共中申岸担兰菲分同一型号的鞍座又分：固定鞍座（F型）和滑动鞍座（S型）。对同一台设备或容器，一般选用两个鞍座，即固定、滑动鞍座各一个