理学化工设备内压容器二三四章

理学化工设备内压容器二三四章第1页/共194页1按压力等级分类

压力是压力容器最主要的工作参数，压力级别不同，设计方法亦有所区别，按压力等级的分类为：低压容器L0.1MPa≤P<1.6MPa中压容器M1.6MPa≤P<10MPa高压容器H10MPa≤P<100MPa超高压容器UP≥100MPa第2页/共194页2按安全综合分类根据《容规》，将压力容器分为三大类，即一类、二类、三类容器。见P573按用途分类贮存容器C反应容器R换热容器E分离容器SP56表2-3第3页/共194页二容器的结构容器是化工生产所用各种设备外部壳体的总称。容器设计是所有化工设备设计的基础。容器一般由筒体（又称壳体）、封头（又称端盖）、再加上法兰、支座、接口管、人孔、手孔等零部件组合而成。第4页/共194页第5页/共194页第二节容器零部件的标准化一标准化的意义广义而言，从产品的设计、制造、检验和维修等许多方面来看，标准化是组织现代化生产的重要手段之一。我国有关部门已经制定了一系列容器零部件的标准，如圆筒体、封头、法兰、支座、人孔、手孔、视镜和液面计等。标准的表示：GB标准号—颁布年代第6页/共194页二容器零部件标准化的基本参数1公称直径DN1)对筒体和成型封头来说，公称直径指它们的内径；

2)当筒径较小直接采用无缝钢管制作时，此时容器的公称直径为无缝钢管外径

3)对法兰，它的公称直径指与它相配的筒体或管子的公称直径第7页/共194页

3)对管子，公称直径既非内径也非外径，而是小于管外径的数值。只要管子的公称直径一定，它的外径也就确定了。管内径根据壁厚不同有多种尺寸，大都接近于管子的公称直径。

设计时应将工艺计算初步确定的设备内径调整至公称直径。P60第8页/共194页2公称压力规定的标准压力等级就是公称压力。以PN表示。设计时若选用标准零部件，须将操作温度下的最高工作压力（或设计压力）调至规定的某一公称压力等级，然后根据DN、PN选尺寸。第9页/共194页第三节压力容器的安全监察一压力容器安全监察的意义与监察范围时间爆炸事故死亡人数受伤人数直接损失1977～1987（压力容器爆炸事故）2254起（205起/年）1200人（109人/年）4900人（445人/年）4～5亿元（0.4亿元/年）1990～1991（锅炉与压力容器爆炸事故）260起（130起/年）172人（86人/年）369人（185人/年）1.39亿元（0.7亿元/年）第10页/共194页1强烈的事业心，高度的责任感2掌握相关知识，有一定实践经验及分析、解决问题的能力3掌握相关的法律、法规、规范及保证其实施的系统的、完善的、科学的管理监督体制和办法第11页/共194页目前我国纳入安全技术监察的压力容器指同时具备如下条件的：最高工作压力Pw≥0.1MPa（表压，不包括液体静压）

内直径Di≥150mm且V≥0.025m3

介质为气、液化气或Tw≥常压标准沸点的液体第12页/共194页二压力容器相关的法规和标准1技术性标准技术性标准、规定是作为衡量产品质量的尺度，比较具体。分为以下几个方面：1）材料标准，材料性能试验方法及材料验收标准；第13页/共194页2）容器零部件标准，如法兰、支座、人孔、手孔、封头、密封件、安全附件（如安全阀、爆破片）等标准；3）一些产品的形式、参数、专用产品的标准，工艺技术指标等第14页/共194页4）有关化工与石油化工单元设备标准，如GB151－1999《钢制管壳式换热器》、JB/T4710－2005《钢制塔式容器》、JB/T4731－2005《钢制卧式容器》、GB12337－1998《钢制球形储罐》等第15页/共194页2法规性的规定具有强制性，是压力容器设计、制造、使用中必须遵循的，由政府及其权力机关颁发，是监察机构和监察员进行安全监察的依据。主要有：

《特种设备安全监察条例》；《压力容器安全技术监察规程》；《钢制压力容器》；《钢制化工容器制造技术条件》等。第16页/共194页对特殊结构和用途的压力容器有各自的法规。如：《气瓶安全监察规程》、《液化石油气槽车安全管理规定》等。对有关人员的资格考核及综合方面问题的法规，如：《锅炉、压力容器焊工考试规则》、《锅炉、压力容器事故报告办法》等第17页/共194页三我国压力容器常用法规标准简介1《压力容器安全技术监察规程》1999年颁布，2000年1月1日起实施。强制性法规，是压力容器制造和使用中最低且必须执行的标准，是安全监察和检查的依据。第18页/共194页2《钢制压力容器》

全称GB150-1998《钢制压力容器》，我国压力容器标准化技术委员会制订，1998年3月发布，1998年10月1日实施。标志着我国集设计、制造、检验和验收技术要求于一体，独立、完整、统一的中国压力容器标准体系正在形成。是我国压力容器标准体系中的核心标准。第19页/共194页

GB150《钢制压力容器》包括压力容器板壳元件计算、容器结构要素的确定，密封设计、超压泄放装置的设置以及容器的制造与验收的要求等是压力容器制造、设计、检验与验收的综合性国家标准。是确保压力容器结构强度、结构稳定和结构刚度，以达到安全使用所必须遵循的基本技术要求。第20页/共194页国外主要规范简介国外的规范主要有四个：美国ASME规范，英国压力容器规范（BS），日本国家标准（JIS），德国压力容器规范（AD）第21页/共194页1．美国ASME规范美国机械工程师协会（ASME）制定的《锅炉及压力容器规范》，以往并无法律上的约束力，而是由各州政府在其管辖范围内通过法律决定是否执行ASME规范。但由于ASME规范技术上的权威性，现已正式成为美国的国家标准，在其封面上印有美国国家标准（ANSI）的标志。第22页/共194页ASME规范规模庞大、内容完善，仅依靠ASME规范本身即可完成压力容器选材、设计、制造、检验、试验、安装及运行等全部工作环节。现在ASME规范共有十一卷，总计二十二册，另外还有二册规范案例。其中与压力容器密切相关的部分有：第Ⅱ卷材料技术条件第23页/共194页第Ⅴ卷无损检验第Ⅷ卷压力容器第Ⅸ卷焊接及钎焊评定ASME规范每年增补一次，每三年出一新版，技术先进，修订及时，能迅速反映世界压力容器科技发展的最新成就，使它成为世界上影响最大的一部规范。第24页/共194页2．英国压力容器规范（BS）英国压力容器规范BS5500《非直接火熔焊压力容器》是由英国标准协会（BSI）负责制定的。由两部规范合并而成：一部相当于ASME第Ⅷ卷第一册的BS1500《一般用途的熔融焊压力容器标准》一部近似于德国AD规范的BS1515《化工及石油工业中应用的熔融焊压力容器标准》第25页/共194页3.日本国家标准（JIS）七十年代末期，日本开始对欧美各国的压力容器标准体系进行了全面深入的调研，提出了全国统一的JIS压力容器标准体系的构想，并于80年代初制定了两部基础标准。第26页/共194页一部是参照ASME第Ⅷ卷第1册制定的JISB8243《压力容器的构造》，另一部是参照ASME第Ⅷ卷第2册制定的JISB8250《特定压力容器的构造》。此外，还有与压力容器相关的标准JISB8240《冷冻压力容器》、JISB8241《无缝钢制气瓶》及JISB8242《圆筒形液化石油气贮罐（卧式）构造》等。第27页/共194页4.德国压力容器规范（AD）

AD压力容器规范是由七个部门编制的：职工联合会、锅炉压力容器管道联合会、化学工业联合会、冶金联合会、机械制造者协会、大锅炉企业主技术协会及技术监督会联合会（VDTUV）。

AD规范在技术上有许多独特的观点，它在世界上也是具有广泛影响的规范。第28页/共194页AD规范与ASME规范相比，具有如下的特点：①AD规范只对材料的屈服极限取安全系数，且取数较小。因此，产品厚度薄、重量轻；②AD规范允许采用较高强度级别的钢材；③在制造要求方面，AD规范没有ASME详尽，他们认为这样可使制造厂具有较大的灵活性，易于发挥各厂的技术特长和创新。第29页/共194页第四节容器机械设计的基本要求对容器零部件的机械设计，应满足如下要求：1强度：容器抵抗外力破坏的能力2刚度：构件抵抗外力使其发生变形的能力3稳定性：容器或构件在外力作用下维持原有形状的能力（外压设备）第30页/共194页4耐久性：使用的年限，一般10~15年，大多取决于腐蚀情况。5密封性：保证安全，创造良好的劳动环境及维持正常的操作条件。6节省材料便于制造7方便操作便于运输8技术经济指标合理：包括单位生产能力、消耗系数、设备价格、管理费用、产品总成本等。第31页/共194页小结1容器分类：按压力、按安全综合、按用途2容器结构：结构简图3容器零部件标准化的基本参数：公称直径、公称压力4相关的法规及标准：了解5容器机械设计的基本要求:强度、刚度、稳定性、耐久性第32页/共194页第三章内压薄壁容器的应力分析第一节回转壳体的应力分析—薄膜应力理论薄壁容器及其应力特点压力容器按壁厚通常分为薄壁容器和厚壁容器薄壁容器—厚径比δ

/Di≤0.1或径比K=Do/Di≤1.2厚壁容器—厚径比δ

/Di>0.1或径比K=Do/Di>1.2

化学与石油化工中应用最多的是薄壁容器。第33页/共194页应力特点分析：

1）在①处所受应力为薄膜应力。可用简单的无力矩理论来计算第34页/共194页2）在连接处②③除了受薄膜应力外，还有附加的弯曲应力，称为边缘应力，要用复杂的有力矩理论及变形谐调条件来计算。3）环向应力：圆筒形容器受内压后在筒体纵向截面上产生的应力4）经向应力：圆筒形容器受内压后在筒体横向截面上产生的应力环向应力：圆筒形容器受内压后在筒体纵向截面上产生的应力经向应力：圆筒形容器受内压后在筒体横向截面上产生的应力第35页/共194页二基本概念与基本假设1基本概念1）回转壳体：指壳体中间面是直线或平面曲线绕其同平面内的固定轴线旋转360°而成的壳体。第36页/共194页第37页/共194页2）轴对称：指壳体的几何形状、约束条件和所受外力都是对称于回转轴的3）中间面：与壳体内外表面等距离的中曲面，内外表面间的法向距离即为壳体壁厚，对于薄壁壳体，可以用中间面来表示它的几何特性。第38页/共194页4）母线：形成壳体中间面的平面曲线，如AB5）经线：通过回转轴作一纵截面与壳体曲面相交所得的交线，与母线形状相同。第39页/共194页6）法线：通过经线上任一点M垂直于中间面的直线，称为中间面在该点的法线（n），法线的延长线必与回转轴相交.7）纬线：作圆锥面与壳体中间面正交，得到的交线叫做纬线；过N点作垂直于回转轴的平面与中间面相割形成的圆称为平行圆，平行圆即纬线，如CND正交圆锥面截得的是壁厚第40页/共194页8）第一曲率半径：中间面上任一点M处经线的曲率半径为该点的第一曲率半径

9）第二曲率半径：通过经线上一点M的法线作垂直于经线的平面与中间面相割形成的曲线为MEF

，该曲线在M点处的曲率半径为该点的第二曲率半径。第41页/共194页R2第42页/共194页2基本假设1）小位移假设：壳体受力以后，各点的位移都远小于壁厚，可认为变形前后尺寸不变2）直法线假设：壳体在变形前垂直于中间面的直线段变形后仍保持直线，并垂直于变形后的中间面，可认为变形前后法向线段长度不变，变形前后壳体壁厚不变。第43页/共194页3）不挤压假设：壳体各层纤维变形前后均互不挤压，可以平面问题处理，只适用于薄壳。对于薄壁壳体，采用以上假设所得结果是足够精确的。第44页/共194页三经向应力计算公式——区域平衡方程式用与壳体正交的圆锥截该壳体，取其下部分脱离体，建立静力平衡第45页/共194页D－中间面平行圆直径，mmδ－壁厚，mmR2－第二曲率半径，mmσm－经向应力，MPa第46页/共194页四环向薄膜应力——微体平衡方程小单元体由下列三对截面截取：1）壳体内外表面2）两个相邻的通过壳体轴线的经线平面3）两个相邻的与壳体正交的圆锥面第47页/共194页第48页/共194页单元体很小，可以认为沿ab、cd二截面上σθ均匀分布，ad、bc二截面上σm均匀分布。设ab=cd=dl1，bc=ad=dl2利用法线方向的平衡求解第49页/共194页σm在法线方向的合力为第50页/共194页

σθ在法线方向的合力为

内力p在单元体上所产生的外力在法线方向的合力为第51页/共194页根据平衡条件得，近似认为，得，第52页/共194页各项均除以δ·dl1·dl2得，由于，第53页/共194页得

第一曲率半径的计算，若经线方程y=y(x)，则R1为第54页/共194页经向应力与环向应力的计算公式：第55页/共194页五轴对称回转壳体薄膜理论的应用范围1轴对称几何形状、材料、载荷的对称性和连续性2只受薄膜应力壳体曲面上没有应力集中，不存在边缘力和边缘力矩，处在无力矩状态3薄壁第56页/共194页作业：p86三第57页/共194页第二节薄膜理论的应用一受气体内压的圆筒形壳体第58页/共194页第59页/共194页分析：1）σθ＝2σm，在开设椭圆孔时，必须使短轴平行于筒体的轴线，以尽量减小纵截面的削弱第60页/共194页

筒体受内压时，筒壁内产生的应力与圆筒的δ/D成反比，该值的大小体现着圆筒承压能力的高低。可看出，2）由及第61页/共194页二受气体内压的球形壳体第62页/共194页球壳上任一点A的R1=R2=D/2，则有由得第63页/共194页分析：

1）球壳的特点是中心对称，其上应力的分布各处均相等，且经向应力＝环向应力；

2）与相同直径的圆筒相比，承受相同内压，球壳的环向应力是圆筒的一半，因此开孔应尽量在球壳上。第64页/共194页三受气体内压的椭球壳（椭圆形封头）1确定椭球壳上某一点的R1、R2

椭球壳的经线方程为第65页/共194页第66页/共194页3分析：由公式可知，椭球壳上应力值随所在点的位置不同而不同，其应力分布以图示意经向应力分布第67页/共194页环向应力分布

在x=0处在x＝a处第68页/共194页

经向应力在顶点处最大，在x＝a处最小；环向应力受a/b的影响有拉应力和压应力出现，a/b越大，封头成型越浅，x=a处压应力越大第69页/共194页经向应力分布标准椭圆形封头a/b＝2，其应力分布见图x=0时，x=a时，环向应力分布第70页/共194页锥形壳一般用以作为收缩器或扩大器，以逐渐改变气体或液体的速度，或是便于固体或粘性物料的卸出。四受气体内压的锥形壳体第71页/共194页若锥壳壁厚为δ，半锥角为α，可得R1＝∞，R2＝r/cosα,代入应力计算公式得：第72页/共194页分析：1）随半锥角α的增大，应力值增加，因此在承压容器中α不宜太大2）应力值随r的增大而增大，锥形壳中最大应力值在大端第73页/共194页N五受气体内压的碟形封头1组成球壳、圆筒、过渡圆弧2计算代入薄膜应力的公式分别计算。对过渡圆弧部分，第二曲率半径为变数，随φ角而变第74页/共194页各种回转壳体的薄膜应力计算公式汇总见p80表3-1第75页/共194页小结6薄壁容器的应力特点：在远离连接点的地方只受拉应力作用，即薄膜应力；在连接点的地方会产生附加的弯曲应力，即边缘应力1基本概念：轴对称、中间面、纬线、第一曲率半径、第二曲率半径第76页/共194页2基本假设：小位移、直法线、不挤压3薄膜应力的计算：4薄膜理论的应用范围：轴对称、薄膜应力、薄壁第77页/共194页5受气体内压的圆筒形壳体的薄膜应力：6受气体内压的球形壳体7受气体内压的锥形壳体的薄膜应力第78页/共194页8受气体内压的椭球壳薄膜应力随点的位置不同而呈一定的应力分布对标准椭圆形封头，a/b＝2，x=a时，x=0时，第79页/共194页圆筒壁上所受液体压力随液体深度增加而增大，p0为液体表面上气压，则筒壁上任一点的压力为p=p0+γx六承受液体静压作用的圆筒壳1沿底部边缘支承的圆筒第80页/共194页由薄膜应力公式可得第81页/共194页对底部支承来说，液体重量由支承直接传给基础，圆筒壳不受轴向力，故筒壁中因液压引起的经向应力为零，只有气压引起的经向应力，即若容器上方开口或无气体压力时，第82页/共194页2沿顶部边缘支承的圆筒最大环向应力在x=H处，即

筒壁上任一点的环向薄膜应力与底部支承的相同，即

第83页/共194页经向应力沿轴向的平衡方程为第84页/共194页

一列管换热器，如图，Di=500mm，S=8mm,壳程压力pc=2MPa，管程压力pb=2.2MPa，计算筒壁及封头内的薄膜应力。七例题第85页/共194页解：1）筒壁内的薄膜应力pc＝2MPa，不考虑管束影响第86页/共194页2）半球形封头3）标准椭圆形封头a/b=2第87页/共194页顶点处第88页/共194页在x＝D/2处，第89页/共194页2p81（77）3-2（1）筒身应力（2）封头上最大应力第90页/共194页第91页/共194页第92页/共194页第三节内压圆筒边缘应力的概念一边缘应力的概念在用薄膜应力分析内压圆筒时，忽略了两种变形与应力1圆筒受内压直径增大时，圆筒金属的环向纤维不但被拉长了，而且曲率半径由R变为R+ΔR，有弯曲应力产生。这一应力值很小，可忽略不计。第93页/共194页2连接边缘区的变形与应力第94页/共194页第95页/共194页

1）在连接边缘区，由于相互连接的构件在变形时相互制约，或由于局部外力集中作用导致壳体曲率变化，从而产生弯曲应力，用无力矩理论无法求解，需用有力矩理论。

2）在简化计算中，常在薄膜应力基础上乘以一个系数

3）边缘弯曲应力的大小，与连接边缘的形状、尺寸、材质等因素有关，有时可达到很大值，因此决不能忽略。第96页/共194页1局部性：只在某一特定区域内有很大值，超过此范围即迅速衰减。二边缘应力的特点

一般，第97页/共194页2自限性应力保持在σs，靠增大局部塑性区范围来承担边缘应力，使边缘应力自动限制。三对边缘应力的处理1在边缘区作局部处理2采用塑性材料3设计中与薄膜应力不同，在边缘结构上作妥善处理第98页/共194页第四章内压薄壁圆筒与封头的强度设计强度设计的任务就是根据给定的公称直径以及计算压力和温度，设计出合适的壁厚，以保证设备安全可靠的运行。内压薄壁圆筒和封头的强度计算公式，主要以无力矩理论推导，包括：第99页/共194页1）根据薄膜理论进行应力分析，确定主应力2）根据弹性失效的设计准则，应用强度理论确定应力的强度判据3）对于封头，应考虑边缘应力，引进应力增强系数4）根据应力强度判据，考虑腐蚀等实际因素导出具体的计算公式。第100页/共194页第一节强度设计的基本知识一关于弹性失效的设计准则容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点，容器即告破坏（失效），即容器的每一部分必须处于弹性变形范围内，即σ当<σs第101页/共194页－由主应力借助于强度理论来确定－极限应力，由简单拉伸试验确定n－安全系数

－许用应力加上一定的安全系数，可得强度安全条件第102页/共194页二强度理论及其相应的强度条件1概念强度理论是对材料破坏原因的种种假说2材料的两类破坏形式断裂破坏和流动破坏，破坏的形式取决于材料的性质和材料所处的应力状态。3基本的强度理论第103页/共194页一点的应力状态可以用三个主应力来表示按数值大小排列为第104页/共194页压力容器零部件中各点的受力大多是二向或三向应力状态。对于承受均匀内压的薄壁圆筒容器，其主应力为第105页/共194页1）最大拉应力理论

17世纪即提出，最早的强度理论，又称第一强度理论，认为外力过大时，材料会沿最大拉应力所在截面发生断裂破坏。该理论假设最大拉应力σ1是引起材料破坏的原因，其相应的强度条件为第106页/共194页2）最大主应变理论又称第二强度理论，认为材料破坏是由于最大拉伸应变达到了某一极限引起的。

该理论未被试验证实3）最大剪应力理论

习惯称第三强度理论，认为外力过大时，材料会沿最大剪应力所在截面滑移而发生流动破坏第107页/共194页该理论假设最大剪应力是引起材料流动破坏的因素，其相应的强度条件为

－适于塑性材料缺点是没有考虑中间应力对材料流动的影响第108页/共194页4）形状改变比能理论又称第四强度理论，假设形状改变比能uf是引起材料流动破坏的因素，其相应的强度条件为－适于塑性材料第109页/共194页一般地，对于脆性材料应采用第一强度理论，对于塑性材料多采用第三强度理论或第四强度理论在三向拉伸应力状态下，应采用第一强度理论在三向压缩应力状态下，应采用第三或第四强度理论第110页/共194页第二节内压薄壁圆筒壳与球壳的强度条件一强度计算公式1圆筒壳的强度计算公式D=Di＋S；ppc得由取第三强度理论，第111页/共194页(mm)考虑腐蚀裕量C2(mm)考虑焊接制造因素Φ，得第112页/共194页若采用第四强度理论，可得mmmm我国规定采用第三强度理论。第113页/共194页强度校核：Se—有效厚度，＝Sn－CSd＋钢板负偏差名义厚度Sn(标注值)第114页/共194页小结1受气体内压及液体静压的筒形壳体的薄膜应力底部支承时：第115页/共194页顶部支承时：3边缘应力：连接边缘区，由于相互连接的构件在变形时相互制约，或由于局部外力集中作用导致壳体曲率变化，从而产生弯曲应力特点：局部性和自限性第116页/共194页4弹性失效准则：容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点，容器即告破坏（失效）,强度安全条件：5强度理论：对材料破坏原因的种种假说第一、第三、第四强度理论第117页/共194页1）第一强度理论假设最大拉应力σ1是引起材料破坏的原因，其相应的强度条件为第118页/共194页2）第三强度理论假设最大剪应力是引起材料流动破坏的因素，其相应的强度条件为

－适于塑性材料第119页/共194页3）第四强度理论：假设形状改变比能uf是引起材料流动破坏的因素，其相应的强度条件为－适于塑性材料第120页/共194页6内压薄壁圆筒壳的强度计算公式第121页/共194页

用无缝钢管作圆筒体时，其公称直径为钢管外径，即D=D0-S，代入强度公式得第122页/共194页公式的适用范围为第123页/共194页2球形容器主应力由第三强度理论公式得，第124页/共194页公式的适用范围为强度校核公式汇总见p92表4-1第125页/共194页二设计参数的确定1压力（除注明外，均指表压力）2）设计压力p：设定的容器顶部的最高压力，它与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。1）工作压力pw：正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。第126页/共194页3）计算压力pc：相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压。当液柱静压<5％p时，可忽略。A无安全泄放装置：（1.0～1.1）pw

具体取值见p92表4－2。对内压容器，设计压力取值：第127页/共194页B有安全阀：（1.05～1.1）pwD装有液化气：取最高温度时的饱和气压此外，还需考虑风载、震载、温差载荷等C装有爆破片：先确定最低标定爆破压力psmin,由pb=psmin+下限（绝对值）选定爆破片制造范围的上限，

p＝

pb+上限第128页/共194页2设计温度指正常工作情况下，设定的元件金属温度，与设计压力一起作为设计载荷条件，是选材和确定许用应力不可缺少的条件。可实测或计算，无法预计时，可如下确定：1）容器内介质用蒸汽直接加热或被内置加热元件间接加热时，设计温度取最高工作温度。第129页/共194页2）容器器壁与介质直接接触且有外保温介质工作温度T设计温度ⅠⅡ<－20℃－20℃～15℃>15℃介质最低工作温度介质最低工作温度介质最高工作温度介质工作温度-(0～10℃)介质工作温度-(5～10℃)介质工作温度+(15～30℃)第130页/共194页3许用应力和安全系数许用应力以材料的极限应力σ0为基础，并选择合理的安全系数。即σ0的选择取决于材料的判废标准，一般地，常温，取中的较小值与第131页/共194页中温，取与中的较小值高温，取与以及中的较小值第132页/共194页安全系数的取值见P95表4－6焊缝系数Φ主要根据焊接接头型式和对焊缝的检验要求选取见P96表4-8。4焊接接头系数焊缝区是容器上强度比较薄弱的地方，焊缝区的强度主要取决于熔焊金属、焊缝结构和施焊质量。常用材料的许用应力见附录九P311～P321第133页/共194页5厚度附加量包括钢板或钢管厚度负偏差C1和介质腐蚀裕量C2，即C＝C1＋C22）腐蚀裕量C2C2＝KaB1）钢板和钢管厚度负偏差C1见P97表4-9和4-10腐蚀速率容器设计寿命，一般10～15年第134页/共194页腐蚀裕量的选取原则和方法见P98，一般取值：Ka(mm/a)C2(mm)单面腐蚀双面腐蚀0.05～0.1<0.051～20～12～40～2

介质为空气、水时，一般碳钢C2≥1mm，不锈钢C2＝0第135页/共194页6直径系列与钢板厚度压力容器直径有一系列规定的标准化尺寸，应尽量选用此尺寸系列。见P60表2-5

钢板厚度亦有标准系列，选用时应尽量在此尺寸系列内。见P99表4-13第136页/共194页三容器的厚度和最小厚度1厚度各厚度的关系钢材负偏差(C1)腐蚀裕量(C2)计算厚度(S)设计厚度(Sd)厚度圆整值名义厚度(Sn)加工减薄量(由制造厂考虑）C=C1+C2有效厚度(Se)………………毛坯厚度第137页/共194页2最小厚度最小厚度指壳体加工成型后不包括腐蚀裕量的最小厚度。GB150－1998《钢制压力容器》对容器最小壁厚的规定是:

高合金钢制容器：Smin≥2mm，对塔设备，不小于3mm。碳素钢和低合金钢制容器：Smin≥3mm,对塔设备，≥2‰Di且不小于4mm。第138页/共194页四压力试验及其强度校核设备运行前的检验，考察容器的密封性，以确保安全，一般采用液压试验。对压力试验的种类、要求和试验压力值应在图样上注明。气压试验：液压试验：1试验压力内压容器的试验压力：第139页/共194页2压力试验的应力校核试验压力下，应力应满足：液压试验：气压试验：第140页/共194页3压力试验的要求与试验方法按图样规定进行压力试验1）液压试验2）气压试验3）气密性试验4例题1）设计一台石油气分离用乙烯精馏塔。工艺参数为：塔内径Di＝600mm，计算压力pc＝2.2MPa,工作温度t＝-3～-20℃。试选材并确定塔体厚度。第141页/共194页解：1）选材：考虑介质特性、温度、压力，选16MnR3）计算厚度2）确定参数：

Di＝600mm；pc＝2.2MPa；[σ]t＝170MPa（P308）;Φ＝0.8；C2＝1mm第142页/共194页圆整后取Sn=7mm第143页/共194页4）校核水压试验强度第144页/共194页所以水压试验强度足够第145页/共194页2）有一库存氧气瓶，材质为40Mn2A，外径Do＝219mm，无缝钢管收口而成，实测其最小壁厚Sn＝6.5mm。已知材料σb＝784.8MPa,σs＝510.12MPa，δ5＝18％，设计温度为常温。欲充15MPa压力使用，强度是否够？如不够，最大允许工作压力是多少？解：1）确定参数第146页/共194页]MPat6.261=取s[16mmCSSne.55.=-=-=5[]MPansst8318.112.510===ss.6.]t[MPabb2613784===sn68s.6mmSn.=5ommD219=c15MPap=CmmCC121=+=Cmm12=1=f第147页/共194页2）强度校核因此，该氧气瓶不能承受15MPa的压力第148页/共194页3）确定最高允许工作压力该氧气瓶的最大安全使用压力为13.48MPa第149页/共194页1内压薄壁球壳的强度计算公式小结第150页/共194页2设计参数的选择：压力、温度、许用应力、焊缝系数、厚度附加量3容器厚度的关系：S、Sd、Sn、Se4最小厚度5压力试验及强度校核液压试验：第151页/共194页气压试验：6压力试验：液压、气压、气密性第152页/共194页第三节内压圆筒封头的设计容器封头又称端盖，按形状分为：第153页/共194页一半球形封头由半个球壳构成，计算公式与球壳相同，即：壁厚较相同直径、压力的圆筒壳减薄一半。多用于压力较高的贮罐上。第154页/共194页二椭圆形封头1）长短半轴分别为a和b的半椭球2）高度为h0的短圆筒（直边）构成：第155页/共194页直边的作用：1）保证封头的制造质量2）避免筒体与封头间的环向焊缝受边缘应力作用。设计中引入形状系数K，计算厚度的公式为：第156页/共194页K又称为应力增强系数工程上把的椭圆形封头称为标准椭圆形封头，K＝1。第157页/共194页其计算厚度的公式为：椭圆形封头的最大允许工作压力为标准椭圆形封头的直边高度取值见P105表4-15现行椭圆形封头标准为JB/T4737-95第158页/共194页三碟形封头由三部分构成：1)以Ri为半径的球面2)以r为半径的过渡圆弧（折边）3)高度为h0的直边

一般Ri=0.9Di;r≥10%Di且不小于3Sn第159页/共194页碟形封头由于经线曲率有突变，在内压作用下会产生很大的边缘应力。碟形封头的厚度比相同条件下的椭圆形封头壁厚要大。设计计算中引入形状系数M，得：其值列于P106表4-16第160页/共194页当碟形封头Ri=0.9Di，r=0.17Di时，称为标准碟形封头，此时M=1.325，计算厚度的公式可写为：其最大允许工作压力为：第161页/共194页四球冠形封头计算公式：Q的取值见P107图4-9，筒体加强段长度L的值如P106图4-7第162页/共194页五锥形封头常用作化工设备的底封头或变径段由应力分析，受均匀内压的锥形封头的最大应力在锥壳的大端，其值为：由强度条件：得，第163页/共194页将数值换算为设计值，可得，第164页/共194页按此式计算的锥形封头壁厚，没有考虑封头与筒体连接处的边缘应力，因此厚度往往不够。由于边缘应力的局部性和自限性，可局部改善，方法有两种：1）局部加强：将连接处附近的封头及筒体壁厚增大第165页/共194页局部加强的无折边锥形封头第166页/共194页2）改变连接结构：在封头与筒体间增加一个过渡圆弧。称为带折边的锥形封头。第167页/共194页采用的结构形式不同，计算方法也不同。1受内压无折边锥形封头（锥壳）1）锥壳大端连接处的壁厚对锥壳大端，当半顶角α≤30°时，采用无折边结构，计算如下：与半顶角查P109图4-15以第168页/共194页第169页/共194页当交点位于曲线上方时，不必局部加强当交点位于曲线下方时，需要局部加强，加强段厚度要相同，Q为系数，查图P110图4-16第170页/共194页第171页/共194页2）锥壳小端连接处的厚度对锥壳小端，α≤45°时，可以采用无折边结构，计算如下：以和查图P106图4-17第1