最新-第十四章内压容器设计-课件

第十四章内压容器设计

第十四章内压容器设计1最新-第十四章内压容器设计-课件2最新-第十四章内压容器设计-课件314.1概述14.1.1容器的结构通用零部件——筒体，封头，法兰，人孔，手孔，支座及管口。设计时尽可能直接选用这些通用零部件。14.1概述414.1.2容器的分类：A按容器形状分类

方形，球形，圆筒形B按承压性质分类

内，外压容器14.1.2容器的分类：A按容器形状分类5内压容器习惯上又分为：常压:P<0.1MPa低压:0.1<P<1.6MPa中压:1.6<P<10MPa高压:10<P<100MPa超高压:P>100MPa内压容器习惯上又分为：6C按结构材料分类

金属，非金属D按使用场合分类

反应、换热、分离、贮运E按安全监察分类

一类容器、二类容器、三类容器C按结构材料分类7一类容器：（1）非易燃，无毒介质，低压容器（2）易燃，有毒介质，低压分离容器或换热器

二类容器：（1）中压（2）剧毒介质低压（3）易燃，有毒介质低压反映器或贮运容器（4）内径小于1米的低压废热锅炉一类容器：（1）非易燃，无毒介质，低8三类容器：（1）高压，超高压（2）剧毒介质,P*v>200LMPa的低压容器或剧毒介质中压容器（3）易燃有毒介质，P*v>500LMPa的中压反应容器，P*v>500LMPa中压贮运容器（4）中压废热锅炉或内径小于1米的低压废热容器三类容器：914.1.3容器机械设计的基本要求1.确定工艺尺寸；2.强度、刚度、稳定性、耐久性、气密性、其他。14.1.3容器机械设计的基本要求1.确定工艺尺寸；1014.2容器的受力分析14.2.1薄壁容器的应力分析A薄壁容器的概念（1）厚壁容器K>1.2（2）薄壁容器K≤1.214.2容器的受力分析14.2.1薄壁容器的应力分析11B回转薄壁壳体的应力分析化工上常用的圆筒形、圆锥形、球形等薄壁容器，都属于回转薄壁壳体。假设：壳体简化成薄膜，在内里的作用下，均匀膨胀，薄膜的横截面几乎不能承受弯矩，因此壳体在内压作用下产生的主要内力是拉力。沿着厚度方向是均匀分布的。B回转薄壁壳体的应力分析化工上常用的圆筒形、圆12R1dθ1abQ1dθ1/2dθ1/2Q1R2dθ2bcQ2dθ2/2dθ2/2Q2R1R2rσ2σ2σ1σ1δdθ1dθ2dθ

dl1dl2σ1σ1σ2σ2abcdk2K1R1dθ1abQ1dθ1/2dθ1/2Q1R2dθ2bcQ213在内压力ｐ的作用下，在微体abcd面积上受力为：F=Pdl1dl2在微体四个截面上的拉力分别为：bc与ad截面上的经向力Q1=σ1δdl2ab与cd截面上的环向力Q2=σ2δdl1根据力的平衡原理，所有作用在微体上的力沿微体法线方向投影的代数和应等于零。R1R2rσ2σ2σ1σ1δdθ1dθ2dθ

dl1dl2FXYZFσ1σ1dθ2dθ2σ2σ2dθ1dθ1在内压力ｐ的作用下，在微体abcd面积上受力为：F=Pdl114因为微体的曲率半径夹角dθ1和dθ2很小，因为微体的曲率半径夹角dθ1和dθ2很小，15Oz轴的分力为：dQ=P2πrdlcosα

由图可知：cosα=dr/dl故dQ=2πrPdr如果壳体只承受气压，则在内力的作用下，non`壳体的截面上必将产生内力，其值在oz轴方向的分力为：Q`=2πrKδσ1cosΦ根据分离体平衡条件Q=Q`dldrααrσ1σ1r0rnn、rkk、kdlΦzoOz轴的分力为：dQ=P2πrdlcosαdldrα16Q`=2πrKδσ1cosΦ根据分立体平衡条件Q=Q`得：如果壳体承受液体，则σ1σ1r0rnn、rkk、kdlΦzodldrααrQ`=2πrKδσ1cosΦ如果壳体承受液体，则σ1σ1r1714.2.2薄壁容器应力分析的实例A受气压的圆筒形壳体R1=∞,R2=R代入14.2.2薄壁容器应力分析的实例A受气压的圆筒形壳体18取圆筒体下半为分离体对于Rk=R,cosΦ=cos0°=1故径向应力

σ1σ1r0rnn、rkk、kdlΦzo取圆筒体下半为分离体σ1σ1r0rnn、rkk、kdlΦ19B受气压的球形壳体R1=R2=Rσ1=σ2=σ则：B受气压的球形壳体20C受气压的锥形壳体对于锥形壳体R1=∞,R2=r/cosα2R2rC受气压的锥形壳体2R2r21D受气压的椭球形壳体椭圆形曲线方程为：baxR1R2D受气压的椭球形壳体baxR1R222112211222314.2.3边缘应力的概念M0M0Q0Q014.2.3边缘应力的概念M0M0Q0Q02414.3内压薄壁壳体的厚度设计cδδ+cD1DD0（一）强度设计A:内压圆筒的厚度计算径向应力：环向应力：2=2114.3内压薄壁壳体的厚度设计cδδ+cD1DD0（一）25因强度理论规定:2[]tp——设计压力（MPa）D——中径——圆筒的计算厚度（mm）[]t——许用应力（MPa）因强度理论规定:2[]t26考虑若干因素：焊缝系数:

由于有夹渣、气孔、未焊透以及焊缝两侧过热区的影响，造成强度的减弱，因此要将钢材的需用应力适当的减少。

[]设=[]（

1）适用于设计压力p0.4[]中的范围考虑若干因素：焊缝系数:27厚度的附加量c:

由于考虑到钢板在轧制过程的负偏差、生产过程各种介质的腐蚀等因素的影响；

d=+c式中：δd–设计厚度Φ–圆筒纵焊缝系数厚度的附加量c:28B内压球壳的厚度计算球形壳体受气压时，径向压力=环向压力球形容器比圆筒形容器具有表面积小，厚度薄，材料节省的优点。考虑焊缝系数及厚度附加量适用于设计压力p0.6[]中的范围B内压球壳的厚度计算29（二）设计参数确定A设计压力P无安全泄放装置P=（1.0~1.1）PW

使用安全泄放装置P=（1.05~1.1）PW

工程单位：kgf/cm2国际单位：MPa圆整前圆整后圆整前圆整后小于60.1小于0.60.016-160.50.6-1.60.05大于161大于1.60.1（二）设计参数确定A设计压力P工程单位：kgf/cm2国际30B设计温度设计温度是指容器正常工作，在相应设计压力作用下，器壁金属可能达到的最高温度或最低温度。见表14-2C许用应力[]t见表14-3B设计温度31D焊缝系数表14-5焊缝系数接头型式全部无损探伤局部无损探伤双面焊1.000.85带垫板的单面焊0.900.80D焊缝系数接头型式全部无损探伤局部无损探伤双面焊1.000.32E厚度a.附加量c

c=c1+c2(mm)C1----负偏差表14-5C2----腐蚀裕量表14-6钢板标准GB6654-96GB3631-96GB3274-88GB3280-92GB4237-92GB4238-92钢板厚度全部厚度＞5.5~7.5＞7.5~25＞25~30＞30~34＞34~40＞40~50＞50~60＞60~80负偏差C10.250.60.80.91.01.11.21.31.4E厚度a.附加量cc=c1+c2(mm)钢板标33腐蚀程度不腐蚀轻微腐蚀腐蚀重腐蚀腐蚀速率（mm/a）＜0.050．05~0.130.13~0.25＞0.25腐蚀余量（mm）0≥1≥2≥3腐蚀程度不腐蚀轻微腐蚀腐蚀重腐蚀腐蚀速率（mm/a）＜0.034b.最小厚度碳素钢和低合金钢容器Di3800mm时Di3800mm时不锈钢b.最小厚度353计算厚度按有关公式计算得到4设计厚度5名义厚度6有效厚度7实际厚度δc1c2δdδnδe<δ实3计算厚度δc1c2δdδnδe<δ实3614.3.3压力试验水压和气压两种实验方法液压PT=1.25P[σ]/[σ]t气压PT=1.15P[σ]/[σ]t14.3.3压力试验水压和气压两种实验方法液压PT=1.2537例14-1液氨贮罐的桶体设计已知条件：设计压力p=2.5MPa，操作温度-5~44℃，贮罐内径Di=1200mm。设计要求：确定桶体厚度、钢材牌号。解：纯液氨腐蚀性很小，压力较高，可以考虑采用20R、16MnR、15MnVR等钢种。例14-1液氨贮罐的桶体设计已知条件：设计压力p=2.5MP38第一方案采用16MnR在-5~44℃，取[σ]=170MPa,Φ=0.85,C2=1mm,C1=0.8mm,C=C1+C2=1.8mmδd=δ+c=10.47+1.8=12.27mm根据钢板厚度规格,取δn=14mm,第一方案39水压试验强度校核：PT=1.25P=3.13MPa.水压试验时的应力16MnR在常温水压试验时的许用应力[σT]=0.9σs=0.9×345=310.5MPa因为σT＜[σT],故桶体厚度满足水压试验强度试验。水压试验强度校核：PT=1.25P=3.13MPa.40第二方案20R钢板的[σ]=133MPa，Φ=0.85。

C1=0.8mm,C=C1+C2=1.8mmδd=δ+c=13.42+1.8=15.22mm按钢板厚度规格，园整为δn=16mm。第二方案41水压试验时的应力20R钢制容器常温水压试验时的许用应力[σT]=0.9σs=0.9×245=220.5MPa因为σT＜[σT],故桶体厚度满足水压试验强度试验。水压试验时的应力42两种方案的比较：两种方案的比较：433内压封头的厚度设计

凸形：半球形、椭圆形、碟形圆锥形平板形3内压封头的厚度设计

凸形：半球形、椭圆形、碟形4414-6某厂需要设计一台液氨贮罐，其内径为1800mm，总容积12m3，最大工作压力1.6MPa，工作温度-10℃～40℃，试选择筒体材料和型式，并计算筒体厚度。解：根据容器承装的物品性质及特点，选用圆筒形容器，选用20R，Di＝1800mm，设计压力选取最大工作压力1.1倍，P=1.1×1.6=1.76MPa，[σ]=133MPa,焊缝采用V型坡口双面焊接，局部无损探伤，Φ＝0.85，14-6某厂需要设计一台液氨贮罐，其内径为1800mm，45δ=PDi/[2[σ]tΦ-P]=1.76×1800//[2×133

×0.85-1.76]=14.1mm查表14-6可知：负偏差取0.25mm，腐蚀余量取1mm，则设计厚度为δd=14.1+0.25+1=15.35mm取δn=16mm，δe=16-0.25-1=14.75mmδ=PDi/[2[σ]tΦ-P]46水压试验强度校核：PT=1.25×1.76=2.2MPaσT=PT×[Di+δe]/2δeΦ=2.2×[1800+15.75]/[2×14.75×0.85]=159.3MPa20R钢制容器常温水压试验时的许用应力[σT]=0.9σs=0.9×245=220.5MPa因为σT＜[σT],故桶体厚度满足水压试验强度试验水压试验强度校核：PT=1.25×1.76=2.2MPa4714-7某厂脱水塔的塔体内径700mm，实际厚度为12mm，材料为20R，其200℃时的σs=245MPa，塔的工作压力P=2MPa，工作温度180℃，塔体采用单面对接焊（带垫板），局部无损检测，腐蚀余量1mm，试校核塔体工作与试压时的强度。解：Di＝700mm，实际厚度12mm，C2=1mm，P=2MPa，σs=245MPa，Φ＝0.80δe=12-1=11mm14-7某厂脱水塔的塔体内径700mm，实际厚度为12mm，48塔体工作强度为：塔体工作强度为：49采用液体试压试压时强度：设计压力取1.1倍工作压力，则P=1.1×2=2.2MPa采用液体试压5014-8设计一台不锈钢（0Cr18Ni10Ti）制承压容器，最大工作压力1.6MPa，装有安全阀，工作温度150℃，容器内径1.2m，筒体纵向焊缝为双面对接焊，做局部透视，试确定容器厚度。解：Di＝1200mm，Pw=1.6MPa，Φ＝0.85，[σ]t=103MPa，腐蚀余量为0mm；查表得：σs=205MPa，设计压力取1.1倍工作压力，则

P=1.1Pw=1.1×1.6=1.76MPa14-8设计一台不锈钢（0Cr18Ni10Ti）制承压容器，51最新-第十四章内压容器设计-课件52采用液体试压试压时强度：答：器壁厚度为14mm。采用液体试压5314-9一材质为20R的反应釜，内径为1600mm，正常操作压力为1.3MPa，安全阀的开启压力为1.4MPa，反应温度200℃，介质有轻微腐蚀，取C2=1mm，焊缝为双面对接焊，局部无损探伤，经检修实测最小厚度为12mm，试判断该釜能否继续使用。14-9解：Di＝1600mm，实际厚度12mm,C2=1mm，设计压力取安全阀的开启压力Pw=1.4MPa，σs=245MPa，Φ＝0.85,δe=12-1=11mm14-9一材质为20R的反应釜，内径为1600mm，正常操54最新-第十四章内压容器设计-课件5514-10某化肥厂加压变换饱和热水塔内径为800mm，厚度为12mm，材料20R，塔的工作压力1.2MPa，工作温度60℃，塔体采用带垫板单面对接焊，局部无损检测，因受硫化氢严重腐蚀，使用九年后突然爆炸，问此时塔体仅存厚度为多少？介质对材料的腐蚀速率为多少？解：Di＝800mm，工作压力P=1.2MPa，Φ＝0.80,[σ]t=133MPa14-10某化肥厂加压变换饱和热水塔内径为800mm，厚度56最新-第十四章内压容器设计-课件57第十四章内压容器设计

第十四章内压容器设计58最新-第十四章内压容器设计-课件59最新-第十四章内压容器设计-课件6014.1概述14.1.1容器的结构通用零部件——筒体，封头，法兰，人孔，手孔，支座及管口。设计时尽可能直接选用这些通用零部件。14.1概述6114.1.2容器的分类：A按容器形状分类

方形，球形，圆筒形B按承压性质分类

内，外压容器14.1.2容器的分类：A按容器形状分类62内压容器习惯上又分为：常压:P<0.1MPa低压:0.1<P<1.6MPa中压:1.6<P<10MPa高压:10<P<100MPa超高压:P>100MPa内压容器习惯上又分为：63C按结构材料分类

金属，非金属D按使用场合分类

反应、换热、分离、贮运E按安全监察分类

一类容器、二类容器、三类容器C按结构材料分类64一类容器：（1）非易燃，无毒介质，低压容器（2）易燃，有毒介质，低压分离容器或换热器

二类容器：（1）中压（2）剧毒介质低压（3）易燃，有毒介质低压反映器或贮运容器（4）内径小于1米的低压废热锅炉一类容器：（1）非易燃，无毒介质，低65三类容器：（1）高压，超高压（2）剧毒介质,P*v>200LMPa的低压容器或剧毒介质中压容器（3）易燃有毒介质，P*v>500LMPa的中压反应容器，P*v>500LMPa中压贮运容器（4）中压废热锅炉或内径小于1米的低压废热容器三类容器：6614.1.3容器机械设计的基本要求1.确定工艺尺寸；2.强度、刚度、稳定性、耐久性、气密性、其他。14.1.3容器机械设计的基本要求1.确定工艺尺寸；6714.2容器的受力分析14.2.1薄壁容器的应力分析A薄壁容器的概念（1）厚壁容器K>1.2（2）薄壁容器K≤1.214.2容器的受力分析14.2.1薄壁容器的应力分析68B回转薄壁壳体的应力分析化工上常用的圆筒形、圆锥形、球形等薄壁容器，都属于回转薄壁壳体。假设：壳体简化成薄膜，在内里的作用下，均匀膨胀，薄膜的横截面几乎不能承受弯矩，因此壳体在内压作用下产生的主要内力是拉力。沿着厚度方向是均匀分布的。B回转薄壁壳体的应力分析化工上常用的圆筒形、圆69R1dθ1abQ1dθ1/2dθ1/2Q1R2dθ2bcQ2dθ2/2dθ2/2Q2R1R2rσ2σ2σ1σ1δdθ1dθ2dθ

dl1dl2σ1σ1σ2σ2abcdk2K1R1dθ1abQ1dθ1/2dθ1/2Q1R2dθ2bcQ270在内压力ｐ的作用下，在微体abcd面积上受力为：F=Pdl1dl2在微体四个截面上的拉力分别为：bc与ad截面上的经向力Q1=σ1δdl2ab与cd截面上的环向力Q2=σ2δdl1根据力的平衡原理，所有作用在微体上的力沿微体法线方向投影的代数和应等于零。R1R2rσ2σ2σ1σ1δdθ1dθ2dθ

dl1dl2FXYZFσ1σ1dθ2dθ2σ2σ2dθ1dθ1在内压力ｐ的作用下，在微体abcd面积上受力为：F=Pdl171因为微体的曲率半径夹角dθ1和dθ2很小，因为微体的曲率半径夹角dθ1和dθ2很小，72Oz轴的分力为：dQ=P2πrdlcosα

由图可知：cosα=dr/dl故dQ=2πrPdr如果壳体只承受气压，则在内力的作用下，non`壳体的截面上必将产生内力，其值在oz轴方向的分力为：Q`=2πrKδσ1cosΦ根据分离体平衡条件Q=Q`dldrααrσ1σ1r0rnn、rkk、kdlΦzoOz轴的分力为：dQ=P2πrdlcosαdldrα73Q`=2πrKδσ1cosΦ根据分立体平衡条件Q=Q`得：如果壳体承受液体，则σ1σ1r0rnn、rkk、kdlΦzodldrααrQ`=2πrKδσ1cosΦ如果壳体承受液体，则σ1σ1r7414.2.2薄壁容器应力分析的实例A受气压的圆筒形壳体R1=∞,R2=R代入14.2.2薄壁容器应力分析的实例A受气压的圆筒形壳体75取圆筒体下半为分离体对于Rk=R,cosΦ=cos0°=1故径向应力

σ1σ1r0rnn、rkk、kdlΦzo取圆筒体下半为分离体σ1σ1r0rnn、rkk、kdlΦ76B受气压的球形壳体R1=R2=Rσ1=σ2=σ则：B受气压的球形壳体77C受气压的锥形壳体对于锥形壳体R1=∞,R2=r/cosα2R2rC受气压的锥形壳体2R2r78D受气压的椭球形壳体椭圆形曲线方程为：baxR1R2D受气压的椭球形壳体baxR1R279112211228014.2.3边缘应力的概念M0M0Q0Q014.2.3边缘应力的概念M0M0Q0Q08114.3内压薄壁壳体的厚度设计cδδ+cD1DD0（一）强度设计A:内压圆筒的厚度计算径向应力：环向应力：2=2114.3内压薄壁壳体的厚度设计cδδ+cD1DD0（一）82因强度理论规定:2[]tp——设计压力（MPa）D——中径——圆筒的计算厚度（mm）[]t——许用应力（MPa）因强度理论规定:2[]t83考虑若干因素：焊缝系数:

由于有夹渣、气孔、未焊透以及焊缝两侧过热区的影响，造成强度的减弱，因此要将钢材的需用应力适当的减少。

[]设=[]（

1）适用于设计压力p0.4[]中的范围考虑若干因素：焊缝系数:84厚度的附加量c:

由于考虑到钢板在轧制过程的负偏差、生产过程各种介质的腐蚀等因素的影响；

d=+c式中：δd–设计厚度Φ–圆筒纵焊缝系数厚度的附加量c:85B内压球壳的厚度计算球形壳体受气压时，径向压力=环向压力球形容器比圆筒形容器具有表面积小，厚度薄，材料节省的优点。考虑焊缝系数及厚度附加量适用于设计压力p0.6[]中的范围B内压球壳的厚度计算86（二）设计参数确定A设计压力P无安全泄放装置P=（1.0~1.1）PW

使用安全泄放装置P=（1.05~1.1）PW

工程单位：kgf/cm2国际单位：MPa圆整前圆整后圆整前圆整后小于60.1小于0.60.016-160.50.6-1.60.05大于161大于1.60.1（二）设计参数确定A设计压力P工程单位：kgf/cm2国际87B设计温度设计温度是指容器正常工作，在相应设计压力作用下，器壁金属可能达到的最高温度或最低温度。见表14-2C许用应力[]t见表14-3B设计温度88D焊缝系数表14-5焊缝系数接头型式全部无损探伤局部无损探伤双面焊1.000.85带垫板的单面焊0.900.80D焊缝系数接头型式全部无损探伤局部无损探伤双面焊1.000.89E厚度a.附加量c

c=c1+c2(mm)C1----负偏差表14-5C2----腐蚀裕量表14-6钢板标准GB6654-96GB3631-96GB3274-88GB3280-92GB4237-92GB4238-92钢板厚度全部厚度＞5.5~7.5＞7.5~25＞25~30＞30~34＞34~40＞40~50＞50~60＞60~80负偏差C10.250.60.80.91.01.11.21.31.4E厚度a.附加量cc=c1+c2(mm)钢板标90腐蚀程度不腐蚀轻微腐蚀腐蚀重腐蚀腐蚀速率（mm/a）＜0.050．05~0.130.13~0.25＞0.25腐蚀余量（mm）0≥1≥2≥3腐蚀程度不腐蚀轻微腐蚀腐蚀重腐蚀腐蚀速率（mm/a）＜0.091b.最小厚度碳素钢和低合金钢容器Di3800mm时Di3800mm时不锈钢b.最小厚度923计算厚度按有关公式计算得到4设计厚度5名义厚度6有效厚度7实际厚度δc1c2δdδnδe<δ实3计算厚度δc1c2δdδnδe<δ实9314.3.3压力试验水压和气压两种实验方法液压PT=1.25P[σ]/[σ]t气压PT=1.15P[σ]/[σ]t14.3.3压力试验水压和气压两种实验方法液压PT=1.2594例14-1液氨贮罐的桶体设计已知条件：设计压力p=2.5MPa，操作温度-5~44℃，贮罐内径Di=1200mm。设计要求：确定桶体厚度、钢材牌号。解：纯液氨腐蚀性很小，压力较高，可以考虑采用20R、16MnR、15MnVR等钢种。例14-1液氨贮罐的桶体设计已知条件：设计压力p=2.5MP95第一方案采用16MnR在-5~44℃，取[σ]=170MPa,Φ=0.85,C2=1mm,C1=0.8mm,C=C1+C2=1.8mmδd=δ+c=10.47+1.8=12.27mm根据钢板厚度规格,取δn=14mm,第一方案96水压试验强度校核：PT=1.25P=3.13MPa.水压试验时的应力16MnR在常温水压试验时的许用应力[σT]=0.9σs=0.9×345=310.5MPa因为σT＜[σT],故桶体厚度满足水压试验强度试验。水压试验强度校核：PT=1.25P=3.13MPa.97第二方案20R钢板的[σ]=133MPa，Φ=0.85。

C1=0.8mm,C=C1+C2=1.8mmδd=δ+c=13.42+1.8=15.22mm按钢板厚度规格，园整为δn=16mm。第二方案98水压试验时的应力20R钢制容器常温水压试验时的许用应力[σT]=0.9σs=0.9×245=220.5MPa因为σT＜[σT],故桶体厚度满足水压试验强度试验。水压试验时的应力99两种方案的比较：两种方案的比较：1003内压封头的厚度设计

凸形：半球形、椭圆形、碟形圆锥形平板形3内压封头的厚度设计

凸形：半球形、椭圆形、碟形10114-6某厂需要设计一台液氨贮罐，其内径为1800mm，总容积12m3，最大工作压力1.6MPa，工作温度-10℃～40℃，试选择筒体材料和型式，并计算筒体厚度。解：根据容器承装的物品性质及特点，选用圆筒形容器，选用20R，Di＝1800mm，设计压力选取最大工作压力1.1倍，P=1.1×1.6=1.76MPa，[σ]=133MPa,焊缝采用V型坡口双面焊接，局部无损探伤，Φ＝0.85，14-6某厂需要设计一台液氨贮罐，其内径为1800mm，102δ=PDi/[2[σ]tΦ-P]=1.76×1800//[2×133

×0.85-1.76]=14.1mm查表14-6可知：负偏差取0.25mm，腐蚀余量取1mm，则设计厚度为δd=14.1+0.25+1=15.35mm取δn=16mm，δe=16-0.25-1=14.75mmδ=P