第5章 压力容器_2013

1、第第5 5章章 压力容器压力容器.1.第第5 5章章 压力容器压力容器.2.第第5 5章章 压力容器压力容器.3.压力容器压力容器: : 化工生产所用的各种化工设备外部壳体的总称。化工生产所用的各种化工设备外部壳体的总称。化工设备化工设备: : 各种贮罐、换热器、蒸馏塔、各种贮罐、换热器、蒸馏塔、 沉降器、过滤器、沉降器、过滤器、反应器、合成炉等。反应器、合成炉等。5.1 5.1 概述概述5.1.1 5.1.1 压力容器总体结构压力容器总体结构第第5 5章章 压力容器压力容器.4.容器结构容器结构: :由筒体、封头、法兰、支座、接由筒体、封头、法兰、支座、接 管及人管及人 孔、视镜等组成，它们

2、孔、视镜等组成，它们 统称为化工设备通统称为化工设备通 用零部件。承压不大的化工设备通用零部件用零部件。承压不大的化工设备通用零部件 大都已有标准，设计时可直接选用。大都已有标准，设计时可直接选用。第第5 5章章 压力容器压力容器.5.方形或矩形容器方形或矩形容器 由样板焊成，制造简单，但承压能力差，只用作由样板焊成，制造简单，但承压能力差，只用作小型常压储槽。小型常压储槽。.球形容器球形容器 由数块弓形板拼焊而成。承压能力好，但安置内由数块弓形板拼焊而成。承压能力好，但安置内件不便和制造稍难，一般仅用作储罐。件不便和制造稍难，一般仅用作储罐。5.1.2 5.1.2 压力容器分类压力容器分类1

3、.1.按容器形状分类按容器形状分类.圆筒形容器圆筒形容器 由圆柱形筒体和各种成型封头（半球形、椭由圆柱形筒体和各种成型封头（半球形、椭圆、圆锥形）组成。由于制造容易，内件安装方便，圆、圆锥形）组成。由于制造容易，内件安装方便，而且承压能力较好，因此这类容器应用最广。而且承压能力较好，因此这类容器应用最广。第第5 5章章 压力容器压力容器.6.塔塔设设备备第第5 5章章 压力容器压力容器.7.球罐球罐第第5 5章章 压力容器压力容器.8.第第5 5章章 压力容器压力容器.9.内压容器内压容器与与外压容器外压容器两类两类2.2.按承压性质分类按承压性质分类内压容器：内压容器：容器内部介质压力外界压

4、力容器内部介质压力外界压力v常压容器：常压容器：设计压力设计压力0.1MPa0.1MPa；v低压容器（低压容器（L L）：）：设计压力为设计压力为0.10.11.6 MPa1.6 MPa；v中压容器（中压容器（M M）：）：设计压力为设计压力为1.61.610 MPa10 MPa；v高压容器（高压容器（H H）：）：设计压力为设计压力为1010100 MPa100 MPa；v超高压容器（超高压容器（U U）：）：设计压力设计压力100 MPa100 MPa。第第5 5章章 压力容器压力容器.10.外压容器：外压容器：（容器内部介质压力外界压力）（容器内部介质压力外界压力）如常减压蒸馏装置中的减

5、压分馏塔，潜水艇，反应釜内筒。如常减压蒸馏装置中的减压分馏塔，潜水艇，反应釜内筒。第第5 5章章 压力容器压力容器.11.金属容器：目前广泛应用低碳钢和低合金钢制金属容器：目前广泛应用低碳钢和低合金钢制 造，在腐蚀严重或产品纯度要求较高造，在腐蚀严重或产品纯度要求较高 的场合，使用不锈钢，不锈复合钢板的场合，使用不锈钢，不锈复合钢板 或铝合金等制造。必要时可采用特种或铝合金等制造。必要时可采用特种 钢材或钛等材质。钢材或钛等材质。非金属容器：常用的材料有硬聚氢乙烯，玻璃非金属容器：常用的材料有硬聚氢乙烯，玻璃 钢，不透性石墨，化工陶瓷等。钢，不透性石墨，化工陶瓷等。 也可在钢制容器内加非金属衬

6、里也可在钢制容器内加非金属衬里 或涂层。或涂层。3.3.按结构材料分类按结构材料分类从制造容器的材料来看，可分为：从制造容器的材料来看，可分为：第第5 5章章 压力容器压力容器.12.反应压力容器：容器内介质有物理或化学反反应压力容器：容器内介质有物理或化学反 应，使介质分离为多种产品或应，使介质分离为多种产品或 几种物质合成为某一种产品。几种物质合成为某一种产品。换热压力容器：容器内介质进行热量交换达到换热压力容器：容器内介质进行热量交换达到 介质的加热或冷却。介质的加热或冷却。 例如：原油分离成为汽油、煤油、柴油、石蜡油、例如：原油分离成为汽油、煤油、柴油、石蜡油、沥青、焦炭等。沥青、焦炭

7、等。又如：将水、煤气、氨气合成为合成氨。又如：将水、煤气、氨气合成为合成氨。4.4.按使用场合分类按使用场合分类第第5 5章章 压力容器压力容器.13.分离压力容器：将介质的液体压力平衡和气体净分离压力容器：将介质的液体压力平衡和气体净 化分离的容器；如分离器、过滤化分离的容器；如分离器、过滤 器、集油器、缓冲器、洗涤器、器、集油器、缓冲器、洗涤器、 吸收器、干燥塔等。吸收器、干燥塔等。储存压力容器：用于盛装生产或生活用的原料气储存压力容器：用于盛装生产或生活用的原料气 体、液体、液化气体等。如各种体、液体、液化气体等。如各种 型式的储罐、槽车等。型式的储罐、槽车等。第第5 5章章 压力容器压

8、力容器.14. 国家质量技术监督局在国家质量技术监督局在压力容器安全技术监压力容器安全技术监察规程察规程中根据受压容器的压力高低、介质的危害中根据受压容器的压力高低、介质的危害程度，以及在生产过程中的重要作用，将压力容器程度，以及在生产过程中的重要作用，将压力容器分为三类，进行安全技术管理和监督检查。分为三类，进行安全技术管理和监督检查。5.5.按安全监察规程分类按安全监察规程分类第第5 5章章 压力容器压力容器.15.2 2）中压，介质为剧毒，容积很大的容器。）中压，介质为剧毒，容积很大的容器。3 3）低压，介质为极毒，容积很大的容器。）低压，介质为极毒，容积很大的容器。4 4）高压、中压）

9、高压、中压 管壳式余热锅炉。管壳式余热锅炉。5 5）使用材料强度级别较高的压力容器。）使用材料强度级别较高的压力容器。 b b540 MPa540 MPa6 6）移动式压力容器、各种罐车、集装箱等。）移动式压力容器、各种罐车、集装箱等。7 7）球形储罐。（）球形储罐。（V 50 mV 50 m3 3）8 8）低温液体储存容器。（）低温液体储存容器。（V 5 mV 5 m3 3）其中其中:PV:PV指压力与容积的乘积值。指压力与容积的乘积值。第三类压力容器，属于下列情况之一者：第三类压力容器，属于下列情况之一者：1 1）高压容器、超高压容器。）高压容器、超高压容器。第第5 5章章 压力容器压力容

10、器.16.第二类压力容器：第二类压力容器：1 1）中压容器。）中压容器。2 2）低压容器、反应器、介质毒性为极度或中度。）低压容器、反应器、介质毒性为极度或中度。3 3）低压管壳式余热锅炉。）低压管壳式余热锅炉。第一类压力容器：第一类压力容器：低压容器（除以上规定的低压容器）低压容器（除以上规定的低压容器）对一、二、三类容器的生产与制造，必须由劳动监察部门对一、二、三类容器的生产与制造，必须由劳动监察部门发给相应的资质证书才能生产与制造。发给相应的资质证书才能生产与制造。第第5 5章章 压力容器压力容器.17. 容器的工艺尺寸由工艺计算确定，容器的机械设容器的工艺尺寸由工艺计算确定，容器的机械

11、设计主要包括容器总体结构及零部件结构设计，为满足计主要包括容器总体结构及零部件结构设计，为满足容器的安全及使用要求，零部件应满足以下要求：容器的安全及使用要求，零部件应满足以下要求：强度强度有足够的抵抗外力破坏的能力。有足够的抵抗外力破坏的能力。刚度刚度有足够的抵抗外力变形的能力，以有足够的抵抗外力变形的能力，以 防止变形过大。防止变形过大。稳定性稳定性有保持自身形状的能力，以防压瘪有保持自身形状的能力，以防压瘪 或皱折。或皱折。5.1.3 5.1.3 容器机械设计的基本要求分类容器机械设计的基本要求分类耐久性耐久性在介质腐蚀下可长期使用，一般在介质腐蚀下可长期使用，一般 使用年限在使用年限在

12、1515年以上。年以上。第第5 5章章 压力容器压力容器.18.其他其他制造性能、操作性能、维修运输性制造性能、操作性能、维修运输性 能、经济性等。能、经济性等。气密性气密性具有良好的密封性能，防止介质泄露。具有良好的密封性能，防止介质泄露。 仅限于设计压力仅限于设计压力P 10 MPaP 10 MPa，设计温度高，设计温度高于于-20-20C C的中、低压容器的机械设计。的中、低压容器的机械设计。第第5 5章章 压力容器压力容器.19.GB150-2011GB150-2011钢制压力容器钢制压力容器容器标准容器标准GB151GB151管壳式换热器管壳式换热器 该标准规定了该标准规定了钢制压力

13、容器的设钢制压力容器的设计、制造、检验和计、制造、检验和验收要求。验收要求。 该标准规定该标准规定了非直接受火管了非直接受火管壳式换热器的设壳式换热器的设计、制造、检验计、制造、检验和验收的要求。和验收的要求。第第5 5章章 压力容器压力容器.20.5.2.5.2.内压薄壁容器的应力分析内压薄壁容器的应力分析回转薄壁壳体：回转薄壁壳体： 圆筒形、球形、椭球形、圆锥形薄壁壳体。圆筒形、球形、椭球形、圆锥形薄壁壳体。 由于内压作用使壳壁的环向受到拉伸，均匀向由于内压作用使壳壁的环向受到拉伸，均匀向外膨胀，在圆周的切线方向产生拉应力，使壳壁的外膨胀，在圆周的切线方向产生拉应力，使壳壁的纵向截面产生环

14、向拉伸应力，称为环向薄膜应力，纵向截面产生环向拉伸应力，称为环向薄膜应力，又称为周向应力，用又称为周向应力，用表示。表示。环向薄膜应力环向薄膜应力径向薄膜应力径向薄膜应力 由于内压作用使壳壁沿径向也受到拉伸，产生由于内压作用使壳壁沿径向也受到拉伸，产生径向拉应力，称为径向薄膜应力，用径向拉应力，称为径向薄膜应力，用表示。表示。在内压作用下，壳壁将产生两个方向的拉伸应力：在内压作用下，壳壁将产生两个方向的拉伸应力：第第5 5章章 压力容器压力容器.21.K1K2第第5 5章章 压力容器压力容器.22. 如下图，为一承受气压如下图，为一承受气压P P作用的圆筒形容器，壳作用的圆筒形容器，壳壁上任一

15、点壁上任一点K K将在两个方向上产生拉伸应力：将在两个方向上产生拉伸应力：5.2.15.2.1圆筒形壳体上的薄膜应力圆筒形壳体上的薄膜应力第第5 5章章 压力容器压力容器.23.经向薄膜应力经向薄膜应力 用一个垂直圆筒轴线的横截面，将筒体分为用一个垂直圆筒轴线的横截面，将筒体分为两部分，保留左边部分。由平衡条件，作用在筒两部分，保留左边部分。由平衡条件，作用在筒体上的轴向外力为：体上的轴向外力为： 作用在截面上的轴向内力为：作用在截面上的轴向内力为： ，沿轴，沿轴向两力相等，故可以得到：向两力相等，故可以得到：PD24D4PD其中：其中：PP内压，内压，MPaMPa D D筒体平均直径，即中径

16、，筒体平均直径，即中径，mmmm 筒体壁厚，筒体壁厚，mmmm 筒体经向应力，筒体经向应力，MPaMPa。第第5 5章章 压力容器压力容器.24.环向薄膜应力环向薄膜应力 假想将圆筒沿轴线对称剖开，取下半部分进行假想将圆筒沿轴线对称剖开，取下半部分进行分析。可知，作用在下半部分壳体上的分析。可知，作用在下半部分壳体上的y y轴方向的合轴方向的合外力为：外力为：作用在下半部分壳体上作用在下半部分壳体上y y轴方向的合内力为：轴方向的合内力为：它们沿它们沿y y轴方向必然大小相等，方向相反，故有：轴方向必然大小相等，方向相反，故有：PDLL22PD（5-25-2）薄壁圆筒承受内压时，环向应力是轴向

17、应力的两倍。薄壁圆筒承受内压时，环向应力是轴向应力的两倍。因此在圆筒上如果要开椭圆孔时，应使椭圆孔的短轴因此在圆筒上如果要开椭圆孔时，应使椭圆孔的短轴平行于筒体的轴线，以减小纵向截面被削弱的程度。平行于筒体的轴线，以减小纵向截面被削弱的程度。第第5 5章章 压力容器压力容器.25. 球形壳体各点曲率均相同，故球壳上的两向应球形壳体各点曲率均相同，故球壳上的两向应力值也是相等的，由受力平衡条件可以求得截面上力值也是相等的，由受力平衡条件可以求得截面上薄膜应力为：薄膜应力为：4PD（5-3） 与圆筒形壳体相比，球形壳体上薄膜应力只有与圆筒形壳体相比，球形壳体上薄膜应力只有圆筒形壳体上最大薄膜应力的

18、一半圆筒形壳体上最大薄膜应力的一半 在同样直径和压力情况下，壳体的厚度可以减小很多，在同样直径和压力情况下，壳体的厚度可以减小很多，故可以节省一定的金属材料。故可以节省一定的金属材料。5.2.2 5.2.2 受气压作用的球形壳体受气压作用的球形壳体第第5 5章章 压力容器压力容器.26. 在化工容器中，椭球形壳体主要是用它的一半在化工容器中，椭球形壳体主要是用它的一半作容器的封头，其形状如图作容器的封头，其形状如图5-55-5，椭球壳体由长短轴，椭球壳体由长短轴a a、b b组成的椭圆曲线绕组成的椭圆曲线绕y y轴旋轴一周形成的半个椭球轴旋轴一周形成的半个椭球形壳体，椭球壳从顶点到赤道各点处的

19、半径值并不形壳体，椭球壳从顶点到赤道各点处的半径值并不相同，故各点处应力大小也不相同。相同，故各点处应力大小也不相同。（5-5）5.2.35.2.3受内压作用的椭球形壳体受内压作用的椭球形壳体第第5 5章章 压力容器压力容器.27.)(22224baxabP 由椭圆曲线方程及受力推导可得到椭球形壳体由椭圆曲线方程及受力推导可得到椭球形壳体上任一点的薄膜应力为：上任一点的薄膜应力为：)(2 )(2222442224baxaabaxabP（5-4）对于标准椭圆形封头，封头顶点的经向应力比边缘对于标准椭圆形封头，封头顶点的经向应力比边缘处的经向应力值大一倍。处的经向应力值大一倍。椭圆形封头顶点处的环

20、向应力和边缘上的环向应力椭圆形封头顶点处的环向应力和边缘上的环向应力值相等，符号相反。值相等，符号相反。第第5 5章章 压力容器压力容器.28. 锥形壳体，如锥形壳体，如图图5-65-6所示，由分析所示，由分析推导可得其两向薄推导可得其两向薄膜应力为：膜应力为：cosPrcos2Pr5.2.45.2.4受气压作用的锥形壳体受气压作用的锥形壳体其中：其中：rr壳体在壳体在A A点处的半径，点处的半径，mmmm 圆锥壳体的半锥角圆锥壳体的半锥角 PP作用在壳体内的气压力，作用在壳体内的气压力，MPaMPa 壳体的壁厚，壳体的壁厚，mmmm第第5 5章章 压力容器压力容器.29.在锥壳上任一点处的两

21、向应力为：在锥壳上任一点处的两向应力为：2 即锥形壳体上即锥形壳体上环向应力是径向应力的两倍环向应力是径向应力的两倍，与圆，与圆筒形壳体相同。筒形壳体相同。 由应力计算公式可知，由应力计算公式可知，角增大，应力也随着增角增大，应力也随着增加加, ,角应根据制造，使用需要合理选取。另外还可角应根据制造，使用需要合理选取。另外还可以看出，以看出，两向应力随着两向应力随着r r的增加而增加。在的增加而增加。在r=R,r=R,锥壳锥壳开口处，两向应力有最大值，在锥顶端开口处，两向应力有最大值，在锥顶端r=0r=0处，两向处，两向应力为零。应力为零。第第5 5章章 压力容器压力容器.30.边缘应力边缘应

22、力：当薄壁壳体的几何形状发生突变，或载当薄壁壳体的几何形状发生突变，或载荷分布发生突变、壳体厚度有突变，材料有突变等，荷分布发生突变、壳体厚度有突变，材料有突变等，都会在突变处产生附加的局部应力都会在突变处产生附加的局部应力。 这种局部应力有时数值较高，会导致容器破坏，因此在这种局部应力有时数值较高，会导致容器破坏，因此在设计中应予以重视。设计中应予以重视。5.2.55.2.5边缘应力的概念边缘应力的概念第第5 5章章 压力容器压力容器.31.边缘应力的两个特点边缘应力的两个特点边缘应力具有局限性边缘应力具有局限性 在某些情况下，边缘应力值可能会相当大，但其作用范在某些情况下，边缘应力值可能会

23、相当大，但其作用范围是很小的。研究表明，随着离边缘距离的增大，边缘应力会围是很小的。研究表明，随着离边缘距离的增大，边缘应力会迅速衰减。壳壁愈薄，衰减就愈快，这是边缘应力的一个特点。迅速衰减。壳壁愈薄，衰减就愈快，这是边缘应力的一个特点。边缘应力的自限性边缘应力的自限性 边缘应力是由边缘部位变形不连续，以及由此而产生的弹边缘应力是由边缘部位变形不连续，以及由此而产生的弹性变形相互约束作用所引起的。一旦材料在边缘应力作用下发性变形相互约束作用所引起的。一旦材料在边缘应力作用下发生了塑性变形。这种弹性相互约束就会缓解，边缘应力也就自生了塑性变形。这种弹性相互约束就会缓解，边缘应力也就自然受到限制。

24、然受到限制。第第5 5章章 压力容器压力容器.32.根据边缘应力的两个特点，使边缘应力降低的措施有根据边缘应力的两个特点，使边缘应力降低的措施有：a a）改变连接处的结构，以降低突变程度。如圆弧过渡。）改变连接处的结构，以降低突变程度。如圆弧过渡。b b）采用局部加强的结构，使壳体上应力可以尽可能的均匀分布。）采用局部加强的结构，使壳体上应力可以尽可能的均匀分布。d d）降低边缘区的残余应力。）降低边缘区的残余应力。c c）保证边缘区的焊缝质量。）保证边缘区的焊缝质量。e e）在边缘区尽可能避免附加其他局部应力或开孔。）在边缘区尽可能避免附加其他局部应力或开孔。第第5 5章章 压力容器压力容器

25、.33.第第5 5章章 压力容器压力容器.34. 对于内压薄壁容器的设计计算重点是壳体、封对于内压薄壁容器的设计计算重点是壳体、封头的强度计算，通过合理选取材料进行壳体和封头头的强度计算，通过合理选取材料进行壳体和封头的壁厚计算以确定壳体、封头的结构尺寸及壁厚。的壁厚计算以确定壳体、封头的结构尺寸及壁厚。 设计压力：一般是指设定的容器顶部的最高压设计压力：一般是指设定的容器顶部的最高压力，但不能等同于容器的工作压力。它是用于容器力，但不能等同于容器的工作压力。它是用于容器壁厚计算的压力值，其值不得低于最大工作压力。壁厚计算的压力值，其值不得低于最大工作压力。 工作压力：由工艺过程计算得到的，设

26、备工作工作压力：由工艺过程计算得到的，设备工作过程中的最高工作压力。过程中的最高工作压力。5.35.3内压薄壁容器设计计算内压薄壁容器设计计算5.3.15.3.1设计参数的确定设计参数的确定1.1.设计压力设计压力P P第第5 5章章 压力容器压力容器.35.对于装有安全阀的内压容器：对于装有安全阀的内压容器： .对于两侧受压的压力容器元件：对于两侧受压的压力容器元件：P P 分别取两分别取两 侧设计压力侧设计压力 值进行设计值进行设计.对于真空容器有安全阀控制：对于真空容器有安全阀控制： 或或 中的较小值。中的较小值。.对于无安全阀控制的真空设备：对于无安全阀控制的真空设备：工作PP) 1

27、. 105. 1 (压差PP25. 1MPaP1 . 0MPaP1 . 0设计压力值的选取：设计压力值的选取：第第5 5章章 压力容器压力容器.36. 设计温度设计温度: :容器正常工作情况下，在相应的设容器正常工作情况下，在相应的设定压力下壳壁可能达到的最高或最低的（指定压力下壳壁可能达到的最高或最低的（指-20-20以下）平均壁温。以下）平均壁温。 当设计温度无法通过传热计算或测试测定时，当设计温度无法通过传热计算或测试测定时，对于容器壁与介质直接接触，且容器有保温设施时，对于容器壁与介质直接接触，且容器有保温设施时，可按介质的最高（或最低）工作温度加减一定余量可按介质的最高（或最低）工作

28、温度加减一定余量而确定，如表而确定，如表5-25-2。2.2.设计温度设计温度t t 介质温度介质温度-20t15时，取介质最低工作温度减时，取介质最低工作温度减5-10 为设计温度。为设计温度。 介质温度介质温度t15,取介质最高工作温度或介质工作温度加取介质最高工作温度或介质工作温度加15-30 为设计温度。为设计温度。第第5 5章章 压力容器压力容器.37. 许用应力许用应力是材料在设计温度下，已考虑了一定是材料在设计温度下，已考虑了一定安全系数的应力值，一般由查表得到，如表安全系数的应力值，一般由查表得到，如表5-35-3。 许用应力许用应力是决定容器强度条件是否满足的重要是决定容器强

29、度条件是否满足的重要参数。参数。查表查表5-35-316MnR16MnR材料材料,6-16,6-16板厚板厚,200,200时时,t t=170Mpa=170Mpa。16MnR16MnR材料材料,6-36,6-36板厚板厚,200 ,200 时时,t t=159Mpa=159Mpa。3.3.许用应力许用应力第第5 5章章 压力容器压力容器.38.4.4.焊接接头系数焊接接头系数表示钢板卷焊时，筒体与封头焊接接头处由于有表示钢板卷焊时，筒体与封头焊接接头处由于有夹渣夹渣、气孔气孔、未焊透未焊透或或焊缝两侧过热区焊缝两侧过热区的影响等，造成材料强度的削弱的影响等，造成材料强度的削弱( ( 1)1)

30、；对于双面对接焊，全焊透的焊缝，其焊缝系数在对于双面对接焊，全焊透的焊缝，其焊缝系数在100%100%无损检测情况下，取无损检测情况下，取=1=1，做局部无损检测，做局部无损检测情况下，取情况下，取=0.85=0.85。第第5 5章章 压力容器压力容器.39.5.5.厚度附加量厚度附加量C C考虑到钢板厚度在考虑到钢板厚度在轧制时的负偏差轧制时的负偏差、生产过程中各种生产过程中各种介介质的腐蚀而减薄质的腐蚀而减薄等影响。等影响。 厚度附加量厚度附加量C C由两部分组成，即由两部分组成，即21CCC第第5 5章章 压力容器压力容器.40.钢板厚度负偏差钢板厚度负偏差C C1 1 制造容器，封头等

31、构件的钢板，其根据钢材尺制造容器，封头等构件的钢板，其根据钢材尺寸标准，必然存在正、负偏差，因此，在厚度计算寸标准，必然存在正、负偏差，因此，在厚度计算时，为了容器设计的厚度值要求，应将可能存在的时，为了容器设计的厚度值要求，应将可能存在的负偏差值负偏差值C C1 1预先增加在计算中。钢板厚度的负偏差预先增加在计算中。钢板厚度的负偏差在制造标准规定中可以查表得到，如表在制造标准规定中可以查表得到，如表5-5.5-5. 当当C C1 1值不大于值不大于0.25mm0.25mm时，且不超过名义厚度的时，且不超过名义厚度的6%6%时，取时，取 。01C第第5 5章章 压力容器压力容器.41.腐蚀余量

32、腐蚀余量C C2 2 设备在工作过程中，由于工作介质的腐蚀，设备在工作过程中，由于工作介质的腐蚀，钢板会按工作年限钢板会按工作年限逐年减薄逐年减薄，因此，设计时应将，因此，设计时应将腐蚀引起的总减薄量预先增加在设计厚度中。腐腐蚀引起的总减薄量预先增加在设计厚度中。腐蚀裕量可以根据介质对钢材的腐蚀速度和容器使蚀裕量可以根据介质对钢材的腐蚀速度和容器使用年限来计算得出，也可以根据使用经验选取。用年限来计算得出，也可以根据使用经验选取。 化工设备主要容器一般使用年限为化工设备主要容器一般使用年限为15201520年，年，普通设备使用年限在普通设备使用年限在1010年左右。表年左右。表5-65-6根据

33、经验根据经验列取了腐蚀裕量的选取参考值。列取了腐蚀裕量的选取参考值。第第5 5章章 压力容器压力容器.42. 当容器在低压或常压时，按强度计算得到的当容器在低压或常压时，按强度计算得到的厚度值往往也很小，但由于设备在制造，安装，厚度值往往也很小，但由于设备在制造，安装，运输等过程中，要求设备必须具有足够的刚度，运输等过程中，要求设备必须具有足够的刚度，因此，当大型容器壳壁厚度太薄时，为了保证刚因此，当大型容器壳壁厚度太薄时，为了保证刚度要求，而对容器壳体的最小厚度度要求，而对容器壳体的最小厚度minmin的要求：的要求：容器：碳素钢、低合金钢：容器：碳素钢、低合金钢：高合金钢：高合金钢：mm3

34、minmm2min 6. 6.最小厚度最小厚度minmin第第5 5章章 压力容器压力容器.43. 当设备直径较大，厚度较薄时，在制造、运输、当设备直径较大，厚度较薄时，在制造、运输、安装中，应考虑适当地采取相关临时加固措施，以防安装中，应考虑适当地采取相关临时加固措施，以防容器变形。容器变形。塔式容器：碳素钢，低合金钢制塔式容器：塔式容器：碳素钢，低合金钢制塔式容器：不锈钢制塔式容器：不锈钢制塔式容器： 管壳式换热器：管壳式换热器：iD10002minmm4minmm3min且且按按GB151管壳式换热器管壳式换热器相关规范确定。相关规范确定。第第5 5章章 压力容器压力容器.44. 按有关

35、强度公式计算得到的厚度值，按有关强度公式计算得到的厚度值，不包括厚度附加值不包括厚度附加值C C。2Cd.设计厚度设计厚度 d d ，计算厚度与腐蚀裕量之和。计算厚度与腐蚀裕量之和。壳体的有关厚度关系：壳体的有关厚度关系： . .计算厚度计算厚度.名义厚度名义厚度 n n 根据设计厚度，加上钢板厚度负偏差根据设计厚度，加上钢板厚度负偏差C C1 1并向上并向上圆整至钢板标准规格的厚度，即为名义厚度。图纸圆整至钢板标准规格的厚度，即为名义厚度。图纸上标注的厚度就是名义厚度。钢板常用标准厚度值上标注的厚度就是名义厚度。钢板常用标准厚度值见表见表5-85-8。 在任何情况下都应使：在任何情况下都应使

36、：2minCn第第5 5章章 压力容器压力容器.45. 将名义厚度减去厚度附加量将名义厚度减去厚度附加量C C得到的厚度值得到的厚度值称为有效厚度，即称为有效厚度，即Cne壳体有关厚度值之间关系为：壳体有关厚度值之间关系为：.有效厚度有效厚度ee名义厚度名义厚度厚度负偏差厚度负偏差腐蚀余量腐蚀余量厚度附加量厚度附加量计算厚度计算厚度厚度圆整值厚度圆整值设计厚度设计厚度有效厚度有效厚度满足强度条件所需厚度满足强度条件所需厚度第第5 5章章 压力容器压力容器.46. 由已知，内压薄壁圆筒上环向应力与纵向由已知，内压薄壁圆筒上环向应力与纵向应力的关系为：应力的关系为： ，故应按环向应力，故应按环向应

37、力进行强度计算，即进行强度计算，即2 tPD25.3.2 5.3.2 内压薄壁壳体的厚度设计内压薄壁壳体的厚度设计1.1.内压薄壁圆筒的厚度设计内压薄壁圆筒的厚度设计第第5 5章章 压力容器压力容器.47.其中：其中：PP设计压力，设计压力，MPaMPa； DD圆筒中径，圆筒中径， mmmm； D Do o圆筒外径，圆筒外径，mmmm； D Di i圆筒内径，圆筒内径，mmmm； 圆筒的计算厚度，圆筒的计算厚度，mmmm； t t设计温度下圆筒材料的许用应设计温度下圆筒材料的许用应 力，力，MPaMPa，可查有关手册。，可查有关手册。iioDDDD2 在制造过程中，焊缝影响可能使容器强度在制造

38、过程中，焊缝影响可能使容器强度改变，故取改变，故取t t乘以焊缝系数乘以焊缝系数，即：，即： tPD2 tPD2第第5 5章章 压力容器压力容器.48. 设计时，圆筒常用内径为设计参数，故用设计时，圆筒常用内径为设计参数，故用DiDi代替代替D D，于是，于是 代入公式，得：代入公式，得：iDD PPDti2 此计算式是在弹性变形状态下推导得此计算式是在弹性变形状态下推导得到的计算式，故其适用范围为：到的计算式，故其适用范围为：设计压力设计压力 的情况。的情况。 tP4 . 0第第5 5章章 压力容器压力容器.49. 考虑到操作过程中介质对筒体的腐蚀考虑到操作过程中介质对筒体的腐蚀影响，得到设

39、计厚度为：影响，得到设计厚度为：1Cdn 22CPPDtid 在选取筒体名义厚度时，应根据：在选取筒体名义厚度时，应根据：进行筒体厚度的确定。进行筒体厚度的确定。第第5 5章章 压力容器压力容器.50.2.2.内压薄壁球壳的厚度设计内压薄壁球壳的厚度设计 内压球形壳体承受气压时，其经向应力和环向应内压球形壳体承受气压时，其经向应力和环向应力相等，即：力相等，即：4PD 24CPPDtid 同理，将同理，将 ，并考虑焊缝系数及腐，并考虑焊缝系数及腐蚀余量，则球壳的厚度设计公式为：蚀余量，则球壳的厚度设计公式为：mm iDD第第5 5章章 压力容器压力容器.51. 同样，球壳名义厚度应根据同样，球

40、壳名义厚度应根据 进行确定。进行确定。1Cdn tP6 . 0 本计算公式使用范围本计算公式使用范围： 比较可知，在相同压力、相同直径情况下，球比较可知，在相同压力、相同直径情况下，球壳的厚度可小很多，故更加节省材料。壳的厚度可小很多，故更加节省材料。 22CPPDtid 24CPPDtid圆筒圆筒球壳球壳第第5 5章章 压力容器压力容器.52. 封头是容器的重要组成部分，按形状可分为封头是容器的重要组成部分，按形状可分为三类：三类：凸形封头、锥形封头和平板封头。凸形封头、锥形封头和平板封头。凸形封头：半球封头、椭圆封头、碟形封头、球凸形封头：半球封头、椭圆封头、碟形封头、球 冠封头。冠封头。

41、锥形封头：无折边锥形封头、有折边锥形封头。锥形封头：无折边锥形封头、有折边锥形封头。 封头设计其设计参数的确定与壳体设计取法相同。封头设计其设计参数的确定与壳体设计取法相同。5.3.3 5.3.3 内压容器封头的厚度设计内压容器封头的厚度设计第第5 5章章 压力容器压力容器.53.第第5 5章章 压力容器压力容器.54.优点优点：受力均匀，但因深：受力均匀，但因深度较大，整体冲压成型较度较大，整体冲压成型较困难，中上直径容器很少困难，中上直径容器很少采用，直径较大的设备采用，直径较大的设备（Di2.5mDi2.5m）可以分块冲）可以分块冲压，拼焊而成，一般常用压，拼焊而成，一般常用于高压容器上

42、，或有特殊于高压容器上，或有特殊要求的场合。要求的场合。 .封头结构封头结构1.1.半球形封头半球形封头第第5 5章章 压力容器压力容器.55. 计算得到的厚度较薄，但考虑到焊接需要，一般计算得到的厚度较薄，但考虑到焊接需要，一般取与相连接的筒体等厚取与相连接的筒体等厚。.厚度设计厚度设计 与球形容器相同，设计厚度的计算公式为：与球形容器相同，设计厚度的计算公式为： 24CPPDtid第第5 5章章 压力容器压力容器.56.封头结构封头结构 由半个椭圆壳体和一段高由半个椭圆壳体和一段高度为度为h h的短圆筒节组成。椭圆的短圆筒节组成。椭圆形封头深度比半球形封头小得形封头深度比半球形封头小得多，

43、冲压成形容易，是目前应多，冲压成形容易，是目前应用最广泛封头之一，它有专门用最广泛封头之一，它有专门尺寸规格的压模进行冲压，其尺寸规格的压模进行冲压，其受力也较均匀。受力也较均匀。2.2.椭圆封头椭圆封头第第5 5章章 压力容器压力容器.57. 由推导可知，椭圆形封头的最大应力值与椭由推导可知，椭圆形封头的最大应力值与椭圆的长短轴之比圆的长短轴之比a/ba/b有关。其计算公式为：有关。其计算公式为： 25 . 02CPKPDtd.厚度设计厚度设计 当椭圆封头当椭圆封头 时，一般可用整块钢时，一般可用整块钢板冲压成型，此时可取板冲压成型，此时可取 ，当，当 时，时，钢板要先拼焊，后冲压，焊缝系数

44、按有关规定选取。钢板要先拼焊，后冲压，焊缝系数按有关规定选取。式中：式中：KK椭圆形封头形状系数，标准椭圆形封头形状系数，标准椭圆封头椭圆封头a/b=2,K=1a/b=2,K=1。mmDi1200mmDi12001第第5 5章章 压力容器压力容器.58. 由于碟形封头一般多被椭圆形封头取代，故不由于碟形封头一般多被椭圆形封头取代，故不作详细介绍。作详细介绍。3.3.碟形封头碟形封头 又称有折边的球形封头又称有折边的球形封头第第5 5章章 压力容器压力容器.59. 以半径以半径R Ri i构成的部分球冠形封头与筒体直接焊接，而成构成的部分球冠形封头与筒体直接焊接，而成为无折边球形封头，或拱形封头

45、放置在两相邻独立承压的中为无折边球形封头，或拱形封头放置在两相邻独立承压的中间封头。间封头。 一般多用于压力不高，直径不太大的容器上。一般多用于压力不高，直径不太大的容器上。.封头结构封头结构4.4.球冠形封头球冠形封头 又称无折边的球形封头又称无折边的球形封头第第5 5章章 压力容器压力容器.60.封头的封头的设计厚度为：设计厚度为：.厚度设计厚度设计 22QCPPDtid其中：其中：QQ应力修正系数，由图应力修正系数，由图5-145-14查取。查取。 与无折边球形封头连接的圆筒厚度应不小于封与无折边球形封头连接的圆筒厚度应不小于封头厚度，否则应在封头与圆筒间设置加强段，加强头厚度，否则应在

46、封头与圆筒间设置加强段，加强段厚度应与封头等厚，加强段长度不小于段厚度应与封头等厚，加强段长度不小于 riDL5 . 02第第5 5章章 压力容器压力容器.61. 圆锥形封头圆锥形封头广泛应用于固体广泛应用于固体缷缷料的立式容器料的立式容器底部底部，或用于两段不同直径的塔体连接段，称为，或用于两段不同直径的塔体连接段，称为变径段。变径段。.封头结构封头结构5.5.圆锥形封头圆锥形封头 根据锥形封头是否有无过渡圆弧和直边部分，根据锥形封头是否有无过渡圆弧和直边部分，分为不带折边和带折边锥形封头两种。分为不带折边和带折边锥形封头两种。 带折边锥形封头与筒体连接处附加应力峰值可带折边锥形封头与筒体连

47、接处附加应力峰值可以大大降低，但加工相对困难。以大大降低，但加工相对困难。第第5 5章章 压力容器压力容器.62. 无折边锥形封头的设计计算公式为：无折边锥形封头的设计计算公式为： 2cos12CPPDtid.厚度设计厚度设计其中：其中：锥形封头半锥顶角。带折边锥形封锥形封头半锥顶角。带折边锥形封 头的设计公式参照有关资料进行。头的设计公式参照有关资料进行。第第5 5章章 压力容器压力容器.63.封头结构封头结构 圆平板可作为筒体的封头或人孔、手孔的平圆平板可作为筒体的封头或人孔、手孔的平盖，在制造上很方便，可用螺栓或直接焊，连接盖，在制造上很方便，可用螺栓或直接焊，连接在筒体上。但在连接处会

48、产生附加应力。在筒体上。但在连接处会产生附加应力。6.6.平板封头平板封头平板的形状有圆平板，椭圆平板、短形平板等。平板的形状有圆平板，椭圆平板、短形平板等。第第5 5章章 压力容器压力容器.64.其中：其中： DcDc计算直径，见表计算直径，见表5-9.5-9. K K 平盖系数，见表平盖系数，见表5-95-9查取。查取。 设计厚度计算公式为：设计厚度计算公式为： 2CKPDtcd.厚度设计厚度设计第第5 5章章 压力容器压力容器.65. 以上各封头在计算得到设计厚度值以上各封头在计算得到设计厚度值之后，应再加上钢板负偏差值，然后才之后，应再加上钢板负偏差值，然后才可选取封头的实际需要的钢板

49、厚度可选取封头的实际需要的钢板厚度n n值。值。第第5 5章章 压力容器压力容器.66.5.3.4 5.3.4 压力试验压力试验 压力容器在制造安装完成后，或在检修完压力容器在制造安装完成后，或在检修完成后成后, ,都必须进行压力试验。都必须进行压力试验。 检验容器超过工作压力条件下密封结构的严密检验容器超过工作压力条件下密封结构的严密性，焊缝的致密性，以及容器的宏观强度，是对材性，焊缝的致密性，以及容器的宏观强度，是对材料设计、制造或检修的综合性检查，是对压力容器料设计、制造或检修的综合性检查，是对压力容器的不安全因素在投产前作全面的安全检查，防患于的不安全因素在投产前作全面的安全检查，防患

50、于未然。容器经过压力试验合格后才能交付使用。未然。容器经过压力试验合格后才能交付使用。压力试验的目的：压力试验的目的：第第5 5章章 压力容器压力容器.67. 压力试验包括压力试验包括耐压试验耐压试验和和气密性试验气密性试验。 耐压试验又分为液压试验耐压试验又分为液压试验和气压试验。和气压试验。1.1.压力试验的分类压力试验的分类第第5 5章章 压力容器压力容器.68.液压试验液压试验液压实验的步骤液压实验的步骤 液压实验时，压力应缓慢上升，达到规定液压实验时，压力应缓慢上升，达到规定试验压力后，保压时间一般不少于试验压力后，保压时间一般不少于3030分钟，然分钟，然后降至规定试验压力的后降至

51、规定试验压力的80%80%，并保持足够长的时，并保持足够长的时间，以检查所有焊缝和连接部位有无泄漏，如间，以检查所有焊缝和连接部位有无泄漏，如有泄漏，修补后重新试验。有泄漏，修补后重新试验。 是压力容器最常用的压力试验方法是压力容器最常用的压力试验方法 绝大部分为水压实验绝大部分为水压实验第第5 5章章 压力容器压力容器.69.气压试验气压试验气压实验的步骤气压实验的步骤 气压实验时，升压至规定试验压力的气压实验时，升压至规定试验压力的10%10%且不超且不超过过0.05MPa0.05MPa，保持，保持5 5分钟进行初检，合格后继续升压分钟进行初检，合格后继续升压到规定试验压力的到规定试验压力

52、的50%50%，其后按每级为规定试验压力，其后按每级为规定试验压力的的10%10%为级差，逐级升到试验压力保持为级差，逐级升到试验压力保持1010分钟，然后分钟，然后再降至规定试验压力的再降至规定试验压力的87%87%，并保持足够长的时间后，并保持足够长的时间后再一次进行检查。再一次进行检查。第第5 5章章 压力容器压力容器.70.气密性检验气密性检验 当压力容器内介质为极度或高度危当压力容器内介质为极度或高度危害的毒性介质时，在液压试验合格后，害的毒性介质时，在液压试验合格后，必须再次进行气密性试验，经检查无泄必须再次进行气密性试验，经检查无泄露，方可用于正常生产。露，方可用于正常生产。第第

53、5 5章章 压力容器压力容器.71.液压试验液压试验 MPaPt25. 1TP2.2.内压容器试验压力内压容器试验压力第第5 5章章 压力容器压力容器.72.式中：式中：P PT T容器的试验压力，容器的试验压力，MPaMPa； P P 容器的设计压力，容器的设计压力，MPaMPa； 容器材料在试验温度下的许用应力，容器材料在试验温度下的许用应力，MPaMPa t t容器材料在设计温度下的许用应力，容器材料在设计温度下的许用应力，MPaMPa.气密性检验气密性检验PPT第第5 5章章 压力容器压力容器.73.液压试验的应力校核条件：液压试验的应力校核条件： 由于压力试验是在高于设计压力的情况下

54、进行的，由于压力试验是在高于设计压力的情况下进行的，所以在进行试验前应对容器的试验强度进行校核。所以在进行试验前应对容器的试验强度进行校核。seeiTTDP9 . 023.3.压力试验的应力校核压力试验的应力校核液压试验应力校核液压试验应力校核式中：式中：tt圆筒在液压试验下的应力，圆筒在液压试验下的应力，MPaMPa。第第5 5章章 压力容器压力容器.74.练习练习5-15-15-25-25-45-4第第5 5章章 压力容器压力容器.75. 例例5-15-1液氨储罐的筒体设计液氨储罐的筒体设计已知条件：设计压力已知条件：设计压力P=2.5MPa,P=2.5MPa,操作温度操作温度-5-44-

55、5-44，储罐内径，储罐内径D Di i=1200mm=1200mm，设计要求：，设计要求：解解: : （1 1）确定筒体厚度，钢材牌号）确定筒体厚度，钢材牌号； a)a)根据液氨对钢材的腐蚀情况不是很大，设计根据液氨对钢材的腐蚀情况不是很大，设计压力为中压，操作温度属于常温的工作条件，压力为中压，操作温度属于常温的工作条件，选用选用容器材料为容器材料为16MnR16MnR。 b) b)根据根据16MnR16MnR钢材在板厚钢材在板厚6-16mm6-16mm之间，温度在之间，温度在 -5-44-5-44范围内，查得范围内，查得t t=170MPa,=170MPa,焊缝采用双面焊缝采用双面对接焊

56、，局部无损检测，取对接焊，局部无损检测，取=0.85=0.85，钢板负偏查，钢板负偏查得得C C1 1=0.8mm,=0.8mm,腐蚀裕量选取腐蚀裕量选取C C2 2=1mm=1mm。第第5 5章章 压力容器压力容器.76. c) c)计算筒体厚度计算筒体厚度 mmCPPDtid5 .1115 . 285. 0170212005 . 222mmCdn3 .121查钢材厚度表查钢材厚度表 取取n n=14mm=14mm第第5 5章章 压力容器压力容器.77. d) d)水压试验强度校核水压试验强度校核 查查16MnR16MnR材料的材料的=170MPa,=170MPa,采用水压试验，采用水压试验

57、，故试验压力为：故试验压力为： MPaPPtT13. 31701705 . 225. 125. 1第第5 5章章 压力容器压力容器.78.MPaMPaDPseeiTT5 .3103459 . 09 . 09 .18285. 08 . 11428 . 114120013. 32)(水压试验时的应力水压试验时的应力故筒体厚度满足水压试验强度要求。故筒体厚度满足水压试验强度要求。第第5 5章章 压力容器压力容器.79.（2 2）确定封头型式和壁厚）确定封头型式和壁厚 根据各种封头比较，选用椭圆形封头为储罐根据各种封头比较，选用椭圆形封头为储罐的封头，并且根据储罐外形尺寸，储罐选用卧式的封头，并且根据

58、储罐外形尺寸，储罐选用卧式放置。放置。 封头材料选用封头材料选用16MnR16MnR，各参数与筒体相同。，各参数与筒体相同。椭圆形封头壁厚：椭圆形封头壁厚： mmCPPDtid43.11143.1015 . 25 . 085. 0170212005 . 25 . 022mmmmCndn1423.128 . 043.111取第第5 5章章 压力容器压力容器.80.课堂练习：课堂练习： 某液氨贮罐，设计压力某液氨贮罐，设计压力P=2.5MPa，操作温，操作温度度-350，贮罐内径，贮罐内径Di=2200mm，筒体材料为，筒体材料为16MnR， =163MPa，焊缝系数，钢板负偏差为，焊缝系数，钢板

59、负偏差为C1=0.8mm，腐蚀裕量，腐蚀裕量C2=1mm，材料的，材料的=345MPa，试确定筒体的壁厚，并进行水压试验，试确定筒体的壁厚，并进行水压试验的强度校核。的强度校核。 t PPDti2第第5 5章章 压力容器压力容器.81.mmPPDti205 . 285. 0163222005 . 2 2mmCd211202mmn22(1)确定筒体的壁厚确定筒体的壁厚C1=0.8，故取筒体壁厚第第5 5章章 压力容器压力容器.82. (2)水压试验强度校核水压试验强度校核PT=1.25P=1.252.5=3.125MPasmmCne2 .20 0.9=310.5MPa eeiTtDP2)(=20

60、2MPa0.9s 故所选壁厚合理故所选壁厚合理第第5 5章章 压力容器压力容器.83. 在化工生产中，除了大量使用内压容器，还在化工生产中，除了大量使用内压容器，还常使用一些外压容器。例如真空工作储罐、减压常使用一些外压容器。例如真空工作储罐、减压塔、冷凝器等，这些容器外面的压力大于容器内塔、冷凝器等，这些容器外面的压力大于容器内部的压力，是处于外压操作的容器。部的压力，是处于外压操作的容器。 当容器在外压作用下，筒壁上也将产生经向当容器在外压作用下，筒壁上也将产生经向和环向的压缩应力，由推导可知，其值为和环向的压缩应力，由推导可知，其值为4PD2PD 5.4.1 5.4.1临界压力计算临界压