第12章 内压容器设计基础

1、容器是工业生产中所用的各种设备（装备）容器是工业生产中所用的各种设备（装备）外部壳体外部壳体的总称。的总称。工业生产离不开容器，容器的应用遍及各工业生产离不开容器，容器的应用遍及各行各业，诸如航空、航海、机械制造、化工、轻行各业，诸如航空、航海、机械制造、化工、轻工、能源、动力等行业都要用到容器。工、能源、动力等行业都要用到容器。对于化工容器而言，由于介质往往有腐蚀性、对于化工容器而言，由于介质往往有腐蚀性、毒性和易燃易爆性，毒性和易燃易爆性，是否可靠则是安全操是否可靠则是安全操作的必要条件。作的必要条件。失效形式：失效形式：内压容器主要是内压容器主要是外压容器主要为外压容器主要为。另外，。另

2、外，也是容也是容器的一种失效形式。器的一种失效形式。作为过程装备的容器（如化工容器、轻工作为过程装备的容器（如化工容器、轻工容器）有其自身的特点，它们不仅要适应生产工容器）有其自身的特点，它们不仅要适应生产工艺过程所要求的不同的压力和温度，还要承受介艺过程所要求的不同的压力和温度，还要承受介质的作用，要长期安全运转，且要确保密封。质的作用，要长期安全运转，且要确保密封。选材选材工艺计算工艺计算结构设计结构设计强度计算强度计算零部件设计零部件设计本章主要内容：本章主要内容：阐述压力容器的一般设计方阐述压力容器的一般设计方法，重点在于掌握基本原理、设计思路及设法，重点在于掌握基本原理、设计思路及设

3、计参数的选取。计参数的选取。一、基本结构一、基本结构一般由筒体、封头、接管、法兰、支座等构一般由筒体、封头、接管、法兰、支座等构成成。接管、法兰、支座等接管、法兰、支座等习惯上称为容器的零习惯上称为容器的零部件。部件。图12.1 压力容器的基本结构1-法兰 2-支座 3-封头拼接焊缝 4-封头 5-环焊缝 6-补强圈 7-人孔 8-纵焊缝 9-筒体 10-压力表 11-安全阀 12-液面计二、主要零部件二、主要零部件(1)(1)筒体筒体储存或完成化学反应所需的压力空间。储存或完成化学反应所需的压力空间。常见外形：圆柱形和球形。通常是用钢板卷成筒节后焊接而成，对常见外形：圆柱形和球形。通常是用钢

4、板卷成筒节后焊接而成，对于小直径的压力容器一般采用无缝钢管制成。于小直径的压力容器一般采用无缝钢管制成。(2) (2) 封头封头形式较多，有半球形、碟形、椭圆形、无折边球形、形式较多，有半球形、碟形、椭圆形、无折边球形、锥形和平封等。锥形和平封等。(3) (3) 法兰法兰容器的封头与筒体及管口与外部管道连接的重要部件。容器的封头与筒体及管口与外部管道连接的重要部件。通过螺栓连接，并通过拧紧螺栓使密封元件压紧而保证密封。法通过螺栓连接，并通过拧紧螺栓使密封元件压紧而保证密封。法兰按其所连接的部件分为容器法兰和管道法兰。兰按其所连接的部件分为容器法兰和管道法兰。(4) (4) 开孔与接管开孔与接管

5、工艺要求和检修的需要工艺要求和检修的需要 (5) (5) 支座支座支承并固定容器。支承并固定容器。 分分立式容器支座立式容器支座和和卧式容器支座卧式容器支座两类两类腿式支座腿式支座支承式支座支承式支座耳式支座耳式支座裙式支座裙式支座鞍座鞍座圈座圈座支腿支腿 12.2.1 回转壳体的几何概念回转壳体的几何概念壳体壳体是由直线或平面曲线绕其回转轴线旋是由直线或平面曲线绕其回转轴线旋转一周而形成的壳体。转一周而形成的壳体。平分回转壳体厚度的（或说与壳体内外表面等距离平分回转壳体厚度的（或说与壳体内外表面等距离的）曲面。的）曲面。容器的形式，有圆柱形、球形、椭圆形、圆锥形、方形、容器的形式，有圆柱形、

6、球形、椭圆形、圆锥形、方形、矩形等，最常用的是圆柱形、圆锥形、球形、椭圆形及其以矩形等，最常用的是圆柱形、圆锥形、球形、椭圆形及其以上不同几何形状的组合体。圆柱形、圆锥形、球形、椭圆形上不同几何形状的组合体。圆柱形、圆锥形、球形、椭圆形等壳体属于回转壳体。等壳体属于回转壳体。1. 基本几何概念基本几何概念平行圆平行圆旋转法截面旋转法截面法线绕轴旋转一法线绕轴旋转一周形成的曲面周形成的曲面形成回转壳体的原始直线或曲线。形成回转壳体的原始直线或曲线。过回转轴的平面与壳体中间平面的交线。过回转轴的平面与壳体中间平面的交线。 经线与回转轴构成的平面。经线与回转轴构成的平面。 （经线曲率半径）：壳体中间

7、面上任（经线曲率半径）：壳体中间面上任意一点意一点M处的经线的曲率半径。处的经线的曲率半径。 过壳体中间面上任意一点过壳体中间面上任意一点M，作，作壳体中间面的壳体中间面的垂线，称为该点的法线，其延长线必与回转轴相交。垂线，称为该点的法线，其延长线必与回转轴相交。 过壳体中间面上任一点过壳体中间面上任一点M的法线，的法线，作垂直于经线的平面与壳体中间面相割形成一条曲线，作垂直于经线的平面与壳体中间面相割形成一条曲线，该曲线在该曲线在M点处的曲率半径点处的曲率半径 。第一、第二曲率半第一、第二曲率半径均通过旋转轴（或者说径均通过旋转轴（或者说都在该点的法线上），且都在该点的法线上），且第二曲率半

8、径的中心落在第二曲率半径的中心落在旋转轴上。旋转轴上。AAxzyra.b.RROK1K2平行圆经线rK2K1xOORRB1212z用垂直于主轴线的平面截得的面为横截面。用垂直于主轴线的平面截得的面为横截面。横截面与壳体中间面相交所得到的圆。横截面与壳体中间面相交所得到的圆。平行圆的半径。平行圆的半径。容器承受内压时，壳体将产生膨胀变形，直容器承受内压时，壳体将产生膨胀变形，直径和长度都有所增加。这意味着在内压作用下，径和长度都有所增加。这意味着在内压作用下，壳体圆周方向（纬向）和轴线方向（经向）均存壳体圆周方向（纬向）和轴线方向（经向）均存在着拉应力；同时，由于曲率的改变，说明还存在着拉应力；

9、同时，由于曲率的改变，说明还存在着弯矩（弯曲应力）。在着弯矩（弯曲应力）。2. 回转壳体的无力矩理论回转壳体的无力矩理论计算壳壁应力的理论包括无力矩理论和有力矩理论。计算壳壁应力的理论包括无力矩理论和有力矩理论。无力矩理论假定壳壁如同薄膜一样，故又称薄膜理论，认为壳无力矩理论假定壳壁如同薄膜一样，故又称薄膜理论，认为壳壁只承受拉应力或压应力，完全不能承受弯矩和弯曲应力，壳壁只承受拉应力或压应力，完全不能承受弯矩和弯曲应力，壳壁内的应力即为薄膜应力壁内的应力即为薄膜应力 有力矩理论认为壳壁内除存在拉应力或压应力外，还存在弯有力矩理论认为壳壁内除存在拉应力或压应力外，还存在弯曲应力。曲应力。 在工

10、程实际中，无力矩理论有其近似性和局限性。由于弯曲在工程实际中，无力矩理论有其近似性和局限性。由于弯曲应力一般很小，如略去不计，其误差仍在工程计算的允许范应力一般很小，如略去不计，其误差仍在工程计算的允许范围内，而计算方法大大简化，所以工程计算中常采用无力矩围内，而计算方法大大简化，所以工程计算中常采用无力矩理论。理论。无力矩理论的的适用范围。无力矩理论的的适用范围。1. 微元平衡方程式微元平衡方程式对图示的受内压作用的任意形状的回转壳体，将对图示的受内压作用的任意形状的回转壳体，将其截开进行研究。其截开进行研究。用两个相邻的夹角为用两个相邻的夹角为d的经线截面和两个的经线截面和两个垂直于经线的

11、旋转法截垂直于经线的旋转法截面截取一个微元体面截取一个微元体abcd图12.3ad=bc=d 1cd=ab=d 2经向应力经向应力 形成的合力：形成的合力： F F = = d d 2 2周向应力周向应力 形成的合力：形成的合力： F F = = d d 1 1p形成的形成的n方向的方向的合力：合力：F= pdF= pd 1 1d d 2 2n：法线方向：法线方向图图12.4 微元体的力平衡微元体的力平衡由对称性可知：由对称性可知：ad和和bc两截面上的两截面上的周向应力相等；又因周向应力相等；又因微元体很微元体很小，可认为小，可认为ab和和dc两截面上的两截面上的 （经向应力）（经向应力）是

12、相等的。实际是相等的。实际上，上， 另一面上为另一面上为 +d 。(1)气体作用于微元体上的合力气体作用于微元体上的合力(法线方向法线方向)F= p d 1 d 2(2)经向应力经向应力 的合力在法线方向的分量的合力在法线方向的分量2sin22 ddlF d nnd 1R1F d /2 （3）环向（周向）环向（周向）应力应力 在法线方向在法线方向的分量：的分量：2sin21 ddlF 由于由于d 和和d 很小，很小，sind /2=d /2 ,sind /2= d /2。由由 d 1= R1d 和和 d 2=R2d 推出推出 d = d 1/R1 ，d = d 2 /R2 ，代回代回F 和和F

13、 计算式可得：计算式可得：dd 2nnR2121/ RdldlF221/ RdldlF 根据微元体平衡条件：根据微元体平衡条件：F= F +F 将将F= p d 1 d 2及及F 和和F 计算式代入，整计算式代入，整理后可得：理后可得：拉普拉斯方程：拉普拉斯方程：pRR21该式又称为微元体平衡方程式。是用薄膜理论求该式又称为微元体平衡方程式。是用薄膜理论求解应力的解应力的重要公式重要公式。（12-1）拉氏方程拉氏方程推导思路推导思路：取：取微元体微元体分析其受力分析其受力列列法线法线方向方向力的平衡力的平衡化简得出（化简得出（12-1）。）。2. 区域平衡方程式区域平衡方程式由于拉氏方程中有两

14、个未知由于拉氏方程中有两个未知数数 、 ，要求得两应，要求得两应力的解，还需建立一个辅助力的解，还需建立一个辅助方程。方程。从回转壳体容器上用旋转法从回转壳体容器上用旋转法截面截取上部分离体，列其截面截取上部分离体，列其平衡方程：平衡方程：pyyDR2D=2R2 sin(1)气体压力气体压力p在在y方向的合力为：方向的合力为：F1=pD2/4(2)经向应力经向应力 在在y方向的合力方向的合力为：为：F2= Dsin N2Np由分离体平衡条件由分离体平衡条件：介质压力在：介质压力在y方向的方向的合力应等于截面上的经向应力在合力应等于截面上的经向应力在y方向的方向的合力。即：合力。即：pD2/4=

15、 Dsin （外力（外力=内力）内力）将将D=2R2sin 代入上式得：代入上式得：pR2sin /2= sin 整理后得区域平衡方程式：整理后得区域平衡方程式： = pR2/2 （12-2）推导思路：推导思路：取部分壳体取部分壳体分析其受力分析其受力列轴线列轴线方向力的平衡方向力的平衡得出（得出（12-2）。）。y Dp1. 受受p作用下的密闭圆柱形壳体作用下的密闭圆柱形壳体因经线为直线，故有因经线为直线，故有: R1= ，R2=R（由于薄壁，由于薄壁，可认为中间截面直径等于内径）可认为中间截面直径等于内径）pR2R根据拉氏方根据拉氏方程（程（9-1） 22pDpR pRR 21可得：可得：

16、作一假想截断面，分析部分壳体，作一假想截断面，分析部分壳体，列区域平衡方程：列区域平衡方程： RpR22 DpD 244pD或：即：pR假想截断面假想截断面AApR 22pDpR 422pDpR 即：圆柱形壳体即：圆柱形壳体的薄膜解为：的薄膜解为：（12-3）（12-4）2、筒壁上各点（除端盖外）的应力大、筒壁上各点（除端盖外）的应力大 小不随位置而改变，即小不随位置而改变，即应力均布应力均布。3、其周向（环向）应力、其周向（环向）应力 是经向（轴向）是经向（轴向） 应力应力 的的2倍倍。所以。所以筒体上开椭圆孔时，筒体上开椭圆孔时， 其长轴应垂直于筒体轴线。其长轴应垂直于筒体轴线。结论：结论

17、：1、 和和 与与P和和/ D有关。有关。2. 受受作用的球壳作用的球壳pR由球壳的由球壳的对称性对称性:12pRR 42pDpR （12-5）可得：可得：所以由拉氏方程：所以由拉氏方程：R1=R2=R，结结 论论MyrR22 r = ytg R2= r/cos 由拉氏方程由拉氏方程 coscos2pytgprpR pRR 21得：得：(12-6) cos2cos222pytgprpR (12-7)由区域平由区域平衡方程：衡方程： 4. 受受的椭球壳体的椭球壳体用用四分之一椭圆四分之一椭圆旋转而得到的回旋转而得到的回转体。即用一个椭圆绕回转轴旋转体。即用一个椭圆绕回转轴旋转一周所得到的椭球体的

18、一半。转一周所得到的椭球体的一半。b R2R1Maxy利用数学方法求得第一曲率半径：利用数学方法求得第一曲率半径： 12222 byaxyyR 2321)1(babaxaR42322241)( b R2R1Maxy再利用再利用：tany sin2xR 2tansin1tanjjj=+可得出可得出：bbaxaR2122242)(bR2Maxy由区域平由区域平衡方程衡方程：22pR可得可得：22Rp 将拉氏方程将拉氏方程： pRR 21进行移项，并将上式代入进行整理，可得出进行移项，并将上式代入进行整理，可得出 和和 间关间关系。系。22212112()()(2)RpRRRRRR于是可得出椭圆壳体

19、的薄膜应力为于是可得出椭圆壳体的薄膜应力为：)(2)(222244212224baxaabaxabp （12-8）（12-9） 1 1）经向应力）经向应力 壳体顶点处壳体顶点处（x=0）：）：)(222bapabpaba 赤道处赤道处（x=a）：)(2)(222244212224baxaabaxabp 2pa （12-10）（12-11）可见，可见， 恒为正值，即拉伸应力，且由顶点恒为正值，即拉伸应力，且由顶点(最大）最大）到赤道逐渐递减到最小值。到赤道逐渐递减到最小值。2pa)(2bapayx 壳体顶点处（壳体顶点处（x=0） ：)(2)(222244212224baxaabaxabp )(

20、2bapa 赤道处（赤道处（x=a） 2pa )2(2)2(2222bapaba（12-12）（12-13）当当 时，时， 0 ；当当 时，时， = 0 ；当当 时，时， 2.5m）的采用分瓣冲压再组焊成型）的采用分瓣冲压再组焊成型（可先在水压机上将数块钢板冲压成型后再在现场（可先在水压机上将数块钢板冲压成型后再在现场拼焊成型）。拼焊成型）。半球形封头图半球形封头图二、椭圆形封头二、椭圆形封头212() 123762iiDKhih123820.5citcKp Dp 时，时，K=1，即所谓标准椭圆封头，即所谓标准椭圆封头，其计算厚度为：其计算厚度为：22iihDbacticpDp5 . 0 2

21、(12-39)由三部分组成：由三部分组成：Ri为半径（内半径）的球面为半径（内半径）的球面r为半径的过渡圆弧（折边）为半径的过渡圆弧（折边）高为高为h0的直边的直边hh0RirDi主要主要球形部分、过渡区的圆弧部分及直边部分球形部分、过渡区的圆弧部分及直边部分的连接处曲率半径有突变，有较大的边缘应力产生。的连接处曲率半径有突变，有较大的边缘应力产生。若球面半径越大，折边半径越小，封头的深度越浅，若球面半径越大，折边半径越小，封头的深度越浅，有利于制造。但是，考虑到球面部分与过渡区联接有利于制造。但是，考虑到球面部分与过渡区联接处的局部高应力，一般规定：处的局部高应力，一般规定：（封头名义厚度）

22、。（封头名义厚度）。碟形封头的主要碟形封头的主要便于加工，若有球面模具，可便于加工，若有球面模具，可用人工锻打成型，且可以在安装现场制造。用人工锻打成型，且可以在安装现场制造。厚度计算仍以厚度计算仍以球壳为基础：球壳为基础：cticcticpRppDp5 . 0 2 4 考虑到过渡圆或折边处曲率变化较大，因而折边内除了考虑到过渡圆或折边处曲率变化较大，因而折边内除了薄膜应力外，还存在边缘弯曲应力，计算厚度采用与椭薄膜应力外，还存在边缘弯曲应力，计算厚度采用与椭圆类似的方法，引入形状系数圆类似的方法，引入形状系数M（应力增强系数）进行（应力增强系数）进行修正：修正： (12-40)2 0.5ci

23、tcMp Rp 其中其中)3(41rRMi 当当 时，称为时，称为。其有。其有效厚度应不小于封头内直径效厚度应不小于封头内直径Di的的0.15%，其它碟形，其它碟形封头的有效厚度应不小于封头封头的有效厚度应不小于封头碟形封头与椭圆封头比较，在相同直径和高度的情碟形封头与椭圆封头比较，在相同直径和高度的情况下，椭圆形封头的应力分布较碟形封头要均匀，况下，椭圆形封头的应力分布较碟形封头要均匀，因此，只有在加工椭圆封头有困难或直径较大、压因此，只有在加工椭圆封头有困难或直径较大、压力较低的情况下才选用碟形封头。力较低的情况下才选用碟形封头。用部分球面直接和筒用部分球面直接和筒体焊接，因此，又称体焊接

24、，因此，又称为为无折边无折边球形封头，球形封头，它的优点是可以降低它的优点是可以降低封头的高度。封头的高度。球冠形封头多数用作端盖或用作容器中的两独立球冠形封头多数用作端盖或用作容器中的两独立受压室的中间封头。受压室的中间封头。锥形封头具有便于收集和卸除含固体物料的优点，也常锥形封头具有便于收集和卸除含固体物料的优点，也常用于两段直径不等的筒体的连接过渡体（变径段）。用于两段直径不等的筒体的连接过渡体（变径段）。无折边（无折边（ 30时采用）时采用）有折边（有折边（ 30时采用）时采用）max() 2 cos2 costccip Dp D 可推得其计算壁厚为：可推得其计算壁厚为：1 (12-4

25、1)2 cosccctcp Dp 考虑到与筒体连接边缘处的边缘应力影响，可依据考虑到与筒体连接边缘处的边缘应力影响，可依据判断是否需要加强，不需加强时，壁厚判断是否需要加强，不需加强时，壁厚按上式按上式（12-41）计算；需要加强时，壁厚按下式计计算；需要加强时，壁厚按下式计算：算：12422 cirtcQp Dp 系数系数Q值可查图值可查图12.22锥壳厚度仍按式锥壳厚度仍按式(12-41)计算。计算。(1) 锥壳大端厚度锥壳大端厚度 锥壳大端厚度按式锥壳大端厚度按式(12-43)、式、式(12-44)计算，取其中较大值。计算，取其中较大值。锥壳大端过渡段厚度锥壳大端过渡段厚度citc20.

26、5Kp Dp (12-43)K为系数，由表为系数，由表12-7查得。查得。与过渡段相接处的锥壳厚度按下式计算与过渡段相接处的锥壳厚度按下式计算 citc0.5fp Dp (12-44)(2) 锥壳小端厚度锥壳小端厚度 锥壳小端分两种情况，当锥壳小端分两种情况，当半顶角半顶角45时，小端若时，小端若采用无折边，小端厚度按采用无折边，小端厚度按无折边锥壳小端厚度的计无折边锥壳小端厚度的计算方法计算；小端若采用算方法计算；小端若采用有折边，小端过渡段厚度有折边，小端过渡段厚度的计算见的计算见GB150钢制压力钢制压力容器。容器。 圆平板、椭圆形平板、长圆形平板、矩形和正方圆平板、椭圆形平板、长圆形平

27、板、矩形和正方形平板。形平板。 受均布载荷的圆平板内产生受均布载荷的圆平板内产生应力沿壁厚是应力沿壁厚是的。用薄板理论求解。的。用薄板理论求解。 而半球、椭圆、碟形、锥形封头均为薄壁回转壳而半球、椭圆、碟形、锥形封头均为薄壁回转壳体，称为凸形、锥形封头。受内压时壳壁中为体，称为凸形、锥形封头。受内压时壳壁中为。 2max34cRp 周边简支时周边简支时2max3(3)8cRp 周边固支时周边固支时结论：结论：max与（与（R/) 2成正比，而凸形、锥形封头中的成正比，而凸形、锥形封头中的max与与（R/) 成正比。因此，在（成正比。因此，在（R/) 和和Pc相同的情况下，相同的情况下， 由强度

28、条件由强度条件max，得，得 周边固支时周边固支时周边简支时周边简支时 0.188cpD引入引入统一为统一为 cctKpD 0.31cpD非圆形平盖厚度的计算依连接形式的不同而不同。非圆形平盖厚度的计算依连接形式的不同而不同。对于表对于表12-9中序号为中序号为3、4的平盖，厚度按的平盖，厚度按式式(12-46)计算计算cptKZpa (12-46)式中，式中，Z为非圆形平盖的形状系数，为非圆形平盖的形状系数，3.42.4aZba为非圆形平盖的短轴长度为非圆形平盖的短轴长度(mm)； b为非圆形平盖的长轴长度为非圆形平盖的长轴长度(mm)。且且Z2.5；对于表对于表12-9中序号为中序号为6、

29、7的平盖，厚度的平盖，厚度按式按式(12-47)计算计算cptKpa (12-47)12.5 容器的压力试验容器的压力试验12.5.1 压力试验的目的与对象压力试验的目的与对象1. 目的目的 容器的压力试验是在超过设计压力的压力下，对容容器的压力试验是在超过设计压力的压力下，对容器进行试运行的过程。压力试验的目的是检查容器器进行试运行的过程。压力试验的目的是检查容器的宏观强度、焊缝的致密性及密封结构的可靠性，的宏观强度、焊缝的致密性及密封结构的可靠性，及时发现容器钢材、制造及检修过程中存在的缺陷，及时发现容器钢材、制造及检修过程中存在的缺陷，是对材料、设计、制造及检修等各环节的综合性检是对材料

30、、设计、制造及检修等各环节的综合性检查。通过压力试验将容器的不安全因素在正式使用查。通过压力试验将容器的不安全因素在正式使用前充分暴露出来，防患于未然。所以压力试验是保前充分暴露出来，防患于未然。所以压力试验是保证设备安全运行的重要措施，必须严格执行。证设备安全运行的重要措施，必须严格执行。2. 对象对象(1) 新制造的容器。新制造的容器。(2) 改变使用条件，且超过原设计参数并经强度校改变使用条件，且超过原设计参数并经强度校 核合格的容器。核合格的容器。(3) 停止使用两年后重新启用的容器。停止使用两年后重新启用的容器。(4) 使用单位从外单位拆来新安装的或本单位内部使用单位从外单位拆来新安

31、装的或本单位内部 移装的容器。移装的容器。(5) 用焊接方法修理改造、更换主要受压元件的容用焊接方法修理改造、更换主要受压元件的容 器。器。(6) 需要更换衬里需要更换衬里(重新更换衬里前重新更换衬里前)的容器。的容器。(7) 使用单位对安全性能有怀疑的容器。使用单位对安全性能有怀疑的容器。12.5.2 试验方法试验方法压力试验有液压试验和气压试验两种。压力试验有液压试验和气压试验两种。一般情况都采用液压试验，因为液体的压缩性很一般情况都采用液压试验，因为液体的压缩性很小，所以液压试验比较安全。只有对不宜作液压小，所以液压试验比较安全。只有对不宜作液压试验的容器才进行气压试验，如内衬耐火材料不

32、试验的容器才进行气压试验，如内衬耐火材料不易烘干的容器、生产时装有催化剂不允许有微量易烘干的容器、生产时装有催化剂不允许有微量残液的反应器壳体等。残液的反应器壳体等。对介质毒性程度为极度、高度危害的容器或设对介质毒性程度为极度、高度危害的容器或设计要求不允许有微量泄漏的容器，在进行液压计要求不允许有微量泄漏的容器，在进行液压试验后还要作气密性试验。试验后还要作气密性试验。12.5.3 试验压力及应力校核试验压力及应力校核1.试验压力试验压力液压试验时试液压试验时试验压力为验压力为 气压试验时试验气压试验时试验压力为压力为 Tt1.25pp (12-48)Tt1.15pp (12-49)设计压力

33、设计压力常温下材料常温下材料的许用应力的许用应力设计温度下材设计温度下材料的许用应力料的许用应力液压试验一般用水作为试验介质，并通常在常温下液压试验一般用水作为试验介质，并通常在常温下进行。不同材质有最低试验温度的控制指标，可参进行。不同材质有最低试验温度的控制指标，可参考考GB150-1998。如：碳素钢、。如：碳素钢、16MnR等等5 ，其，其它低合金钢它低合金钢 15等。等。液压试验的步骤如下：将容器充满液体（在容器最液压试验的步骤如下：将容器充满液体（在容器最高点设排气口），待容器壁温与液体温度相同时缓高点设排气口），待容器壁温与液体温度相同时缓慢升压至规定试验压力，保压慢升压至规定试

34、验压力，保压30分钟以上，然后将分钟以上，然后将压力降到规定试验压力的压力降到规定试验压力的80%，并保持足够时间，并保持足够时间，以便对所有焊缝和连接部位进行检查，如发现泄漏以便对所有焊缝和连接部位进行检查，如发现泄漏，应修补后重新试验。，应修补后重新试验。不锈钢容器进行水压试验时，应限制水中氯不锈钢容器进行水压试验时，应限制水中氯离子含量不超过离子含量不超过25mg/L。采用石油蒸馏产品进行液压试验时，试验温度采用石油蒸馏产品进行液压试验时，试验温度应低于石油产品的闪点或沸点。应低于石油产品的闪点或沸点。液压试验完毕后，应将液体排尽，并用压缩液压试验完毕后，应将液体排尽，并用压缩空气将内部

35、吹干。空气将内部吹干。一般对不适合做液压试验的容器才做气压试验。如一般对不适合做液压试验的容器才做气压试验。如容器内不允许有残留液体；由于结构原因无法充满容器内不允许有残留液体；由于结构原因无法充满液体的容器。液体的容器。所用气体应是干燥并洁净的空气、氮气或其它惰所用气体应是干燥并洁净的空气、氮气或其它惰性气体，试验气体温度一般不低于性气体，试验气体温度一般不低于15。试验程序为：试验程序为：缓慢升压到规定试验压力的缓慢升压到规定试验压力的10%，且不超过，且不超过0.05MPa，保压保压5min，然后按每级为规定试验压力的，然后按每级为规定试验压力的10%逐级逐级升压到试验压力，保持升压到试

36、验压力，保持10min，然后降压到试验压力，然后降压到试验压力的的87%，保持足够时间并同时进行检查，如有泄漏，保持足够时间并同时进行检查，如有泄漏，应修补后再按上述步骤重新试验。应修补后再按上述步骤重新试验。为使液压和气压试验时容器材料处于弹性状态，为使液压和气压试验时容器材料处于弹性状态，在压力在压力试验前试验前必须按下式校核试验时圆筒的薄膜应力必须按下式校核试验时圆筒的薄膜应力 ： eeiTTDp2)( 0.9s0.8s（液压）（液压）（气压）（气压）对于直立容器卧置进行压力试验时，试验应对于直立容器卧置进行压力试验时，试验应力应加上立置时的液柱静压。力应加上立置时的液柱静压。T(12-

37、50)2. 应力校核应力校核(12-51) 设计计算的内容：设计计算的内容： 1. 设计新容器设计新容器由已知条件求厚度由已知条件求厚度 2. 在用容器的校核在用容器的校核 设计计算依据的标准：设计计算依据的标准： JB/T4735-1997钢制焊接常压容器钢制焊接常压容器（没有设（没有设计资格的要求）计资格的要求） 包括的四类容器及适用的范围：包括的四类容器及适用的范围：表表12-10 各类容器的具体适用范围各类容器的具体适用范围 圆筒形容器：圆筒形容器：受内压和（或）液柱静压力作用的受内压和（或）液柱静压力作用的圆筒形容器。圆筒形容器。容器类别设计压力p设计温度t容积限度圆筒形容器-0.0

38、2 MPap0. 1MPa-20t350500L立式圆筒形储罐-500Pap2000Pa-20t25020m310000m3圆筒形料仓100不限矩形容器连通大气常温 12tpD将计算压力将计算压力pc ，平均直径，平均直径D Di 代入式中，得：代入式中，得：ticDp2 引入焊接接头系数对材料引入焊接接头系数对材料的许用应力进行修正。于的许用应力进行修正。于是，得到圆筒的计算厚度：是，得到圆筒的计算厚度：12.6.1 内压圆筒内压圆筒已知圆筒壳体的已知圆筒壳体的 4pD 2pD 由第一强度理论：由第一强度理论：2 citp D （一）内压圆筒设计（一）内压圆筒设计(12-52)设计厚度设计厚

39、度d为计算厚度（或最为计算厚度（或最小厚度）加腐蚀裕量，即：小厚度）加腐蚀裕量，即：2cd 21ccn 向上圆整量向上圆整量厚度附加量厚度附加量将设计厚度加上钢板负偏差将设计厚度加上钢板负偏差c1后，向上圆整到钢后，向上圆整到钢板的标准厚度，即为容器的板的标准厚度，即为容器的名义厚度名义厚度n （图纸上（图纸上所标注的厚度）：所标注的厚度）：名义厚度名义厚度 n 、设计厚度、设计厚度 d 、计算厚度、计算厚度 三者关系为：三者关系为：ndd对正在使用的容器或已知对正在使用的容器或已知Di 、 n时，要判断其是时，要判断其是否安全，就需要计算容器的应力，即进行所谓的否安全，就需要计算容器的应力，

40、即进行所谓的强度校核。此时，公式中应采用有效厚度强度校核。此时，公式中应采用有效厚度 e = n -c 进行校核，即：进行校核，即： 2ttciep D (12-53)（二）设计参数选择（二）设计参数选择2. 工作压力工作压力指容器工作过程中，容器顶部的操作压力。由于工作指容器工作过程中，容器顶部的操作压力。由于工作压力在操作中一般是随工艺过程而变化的，因此将容压力在操作中一般是随工艺过程而变化的，因此将容器顶部可能出现的最高压力值称为最大工作压力。器顶部可能出现的最高压力值称为最大工作压力。1. 设计压力设计压力p（图纸上、容器铭牌上标注的压力）（图纸上、容器铭牌上标注的压力） 设计压力是指

41、设定的容器顶部的最高压力，其值一般设计压力是指设定的容器顶部的最高压力，其值一般 不小于容器的最大工作压力。不小于容器的最大工作压力。3. 计算压力计算压力pc 用来确定筒体计算厚度的压力，用来确定筒体计算厚度的压力，其值为设计压力其值为设计压力与液体静压力之和。与液体静压力之和。4. 设计温度（图纸上、铭牌上标注的温度）设计温度（图纸上、铭牌上标注的温度）指在正常操作过程中，壳体或元件金属指在正常操作过程中，壳体或元件金属（金属壁）（金属壁）可能可能达到的达到的最高或最低最高或最低（指（指0以下）温度。以下）温度。设计温度是设计温度是选择材料及确定许用应力选择材料及确定许用应力的一个基本参数

42、。的一个基本参数。5. 许用应力许用应力 t钢板、钢管的许用应力按表钢板、钢管的许用应力按表9-11、表、表9-12选取。选取。6. 容器最小壁厚容器最小壁厚容器的壁厚除应满足强度要求外，还应满足制造、容器的壁厚除应满足强度要求外，还应满足制造、安装和运输等方面的要求（主要指安装和运输等方面的要求（主要指刚性要求刚性要求），所），所以，设计时必须满足圆筒的最小厚度要求。一般按以，设计时必须满足圆筒的最小厚度要求。一般按以下方法确定：以下方法确定：碳钢和低合金钢为碳钢和低合金钢为3mm。高合金钢为。高合金钢为2mm。 7. 焊接接头系数焊接接头系数焊接接头形式无损检测比例 值焊接接头形式无损检测

43、比例值焊接接头形式无损检测比例值双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头100%1.00单面焊对接接头(沿焊缝根部有紧贴基本金属的垫板)100%0.90单面焊对接接头(无垫板)局部0.85局部0.80局部0.7000.7000.6500.60焊接接头系数的取值与接头的形式及对其进行无焊接接头系数的取值与接头的形式及对其进行无损检测的长度比例有关，按表损检测的长度比例有关，按表12-11确定。确定。 表表12-11 常压容器焊接接头系数常压容器焊接接头系数8. 压力试验压力试验常压容器在制造完成后或检修后投入生产前都要进常压容器在制造完成后或检修后投入生产前都要进行压力试验或试漏。包括：行压

44、力试验或试漏。包括：盛水试验、液压试验、盛水试验、液压试验、气密性试验和煤油试漏、肥皂水试漏。气密性试验和煤油试漏、肥皂水试漏。盛水试验、液压试验盛水试验、液压试验的目的：检查容器在超工作压的目的：检查容器在超工作压力下的宏观强度，包括检查材料的缺陷、容器各部力下的宏观强度，包括检查材料的缺陷、容器各部分的变形、焊接接管的强度和容器法兰连接的泄漏分的变形、焊接接管的强度和容器法兰连接的泄漏检查等。检查等。气密性试验和试漏气密性试验和试漏的目的：检查容器在满足强度要的目的：检查容器在满足强度要求的前提下焊缝、密封面等处是否有泄漏。求的前提下焊缝、密封面等处是否有泄漏。（2）试验压力：）试验压力：

45、tTpp25. 1 且且pT 0.1 MPa（1）盛水试验：）盛水试验：试验的持续时间不少于试验的持续时间不少于1小时，试验小时，试验 完毕后立即将水排净并使之干燥。完毕后立即将水排净并使之干燥。液压试验：液压试验：气密性试验：气密性试验：tTpp (12-54)(12-55)（3）压力试验时的应力校核：）压力试验时的应力校核： eiTTDp2 0.9s0.8t（液压）（液压）（气密性）（气密性）圆筒有效厚度圆筒有效厚度（mm）试验温度下材料试验温度下材料的屈服极限的屈服极限（MPa）(12-56)(12-57)12.6.2 内压封头内压封头1. 椭圆形封头椭圆形封头计算计算厚度厚度 2ict

46、Kp D 有效厚度有效厚度e 不小于封不小于封头内径头内径Di 的的0.1%。2. 碟形封头碟形封头计算计算厚度厚度 2ictMp R 一般，一般，取取Ri=0.9Di，ri 0.1Di且不得小于且不得小于3倍的名义厚度。倍的名义厚度。(12-58)(12-59)3. 锥形封头锥形封头计算计算厚度厚度 12cosictp D 无折边锥形封头的最小厚度不小于与其连接的大端无折边锥形封头的最小厚度不小于与其连接的大端圆筒的最小厚度。圆筒的最小厚度。o60 4. 平盖平盖圆形平盖圆形平盖计算厚度计算厚度 cctpK pD Dc与结构特征系数与结构特征系数K查表查表12-14。（与表。（与表12-9中

47、的数中的数据不同）据不同）(12-60)(12-61)容器的设计包括新容器的设计和在用容器的校核。容器的设计包括新容器的设计和在用容器的校核。例例 设计圆筒形液氨贮罐。设计圆筒形液氨贮罐。Di=1800mm，pc=p=1.7MPa，操作温度为，操作温度为-340oC，试选材，确定，试选材，确定筒体壁厚，确定封头的型式和壁厚。筒体壁厚，确定封头的型式和壁厚。解：解：1. 筒体筒体 （1）选材：）选材：根据根据介质的性质（主要是腐蚀性）、介质的性质（主要是腐蚀性）、温度及压力温度及压力，适合的材料有，适合的材料有20R、16MnR、15MnVR。其中。其中16MnR性价比性价比（综合性能、价格、（

48、综合性能、价格、市场供货情况）较好，故选择市场供货情况）较好，故选择16MnR。 cticpDp 2Pc=1.7MPa， Di=1800mm=0.85（双面对接焊，局部无损探伤）（双面对接焊，局部无损探伤）t=170MPa（按设计温度为（按设计温度为50oC查表查表9-1）C2=2mm（根据介质腐蚀情况确定）（根据介质腐蚀情况确定）设计厚度设计厚度d= + C2 =12.65mmC1=0.8mm（钢板厚度在（钢板厚度在825mm范围内）范围内）取名义厚度取名义厚度n=14mm n=14mm时，时， t、 C1无变化，故以上计算不用修改。无变化，故以上计算不用修改。（4）平板封头）平板封头（假设

49、用表（假设用表12-9中的中的“5”）计算计算厚度厚度 mmKpDtcc8 .11385. 01507 . 13 . 01800 名义厚度名义厚度 n=120mm本本 章章 小小 结结一、压力容器的基本知识一、压力容器的基本知识1. 了解容器的结构，最基本的部件有筒体、封头、支了解容器的结构，最基本的部件有筒体、封头、支座、人孔、接管五部分。座、人孔、接管五部分。2. 掌握容器的分类，特别是按介质压力的分类和综合掌握容器的分类，特别是按介质压力的分类和综合分类。分类。二、中低压容器设计的理论基础二、中低压容器设计的理论基础1. 中低压容器一般均为中低压容器一般均为薄壁回转壳体薄壁回转壳体(K1

50、.2),薄壁回转薄壁回转壳体受内压时，壳壁中产生环向和轴向的壳体受内压时，壳壁中产生环向和轴向的拉应力拉应力（薄膜应力，薄膜应力的含义是应力沿壁厚均布），（薄膜应力，薄膜应力的含义是应力沿壁厚均布），应力的大小及分布情况用无力矩理论（薄膜理论）应力的大小及分布情况用无力矩理论（薄膜理论）求解。求解。3. 4. （1）求出壳体的第一、第二曲率半径）求出壳体的第一、第二曲率半径R1、R2。（2）由（）由（9-2）求）求，再由（，再由（9-1）求）求。5. 几种典型壳体受气压时壳壁中的应力值及分布情况，几种典型壳体受气压时壳壁中的应力值及分布情况，以及由此得出的对实际应用有指导意义的结论。以及由此得

51、出的对实际应用有指导意义的结论。)(4 pD 242 pDpD 顶点处顶点处)(2 pD赤道处赤道处 242 pDpD顶点处顶点处0 锥壳大端处锥壳大端处有最大值有最大值 2cos14cos12 pDpD（1）圆筒体上开椭圆孔时，其短轴应与圆筒轴线平行。）圆筒体上开椭圆孔时，其短轴应与圆筒轴线平行。（2）圆锥壳的锥顶处应力为）圆锥壳的锥顶处应力为零零，故在此开孔较好。，故在此开孔较好。（3）在压力）在压力p、直径、直径D、壁厚、壁厚相同的条件下，圆筒中的相同的条件下，圆筒中的最大薄膜应力是球壳中的最大薄膜应力是球壳中的2倍倍，故用球壳可节省材料。，故用球壳可节省材料。（4 4）圆锥壳中的最大薄膜应力是圆筒的）圆锥壳中的最大薄膜应力是圆筒的1/cos1/cos倍，故倍，故锥壳比圆筒要厚。锥壳比圆筒要厚。结论：结论：6. 球壳、圆筒、圆锥壳、标准椭球壳中的球壳、圆筒、圆锥壳、标准椭球壳中的最大最大薄膜薄膜应力可用如下通式表示：应力可用如下通式表示： 2maxkpD 球壳：球壳：k=0.5圆筒、标准椭球壳：圆筒、标准椭球壳：k=1圆锥壳：圆锥壳： k=1/cos决定壳体中薄膜应力大小的因素有两个，一个是压力决定壳体中薄膜应力大小的因素有两个，一个是压力p，一