压力容器的强度计算

压力容器的强度计算2024/3/28压力容器的强度计算§16-1

概述1.压力容器主要受压元件指的是：

筒体、封头、换热器管板与换热器、膨胀节、开孔补强板、设备法兰、M30以上的设备主螺栓、人孔盖、人孔法兰、人孔接管、直径大于250mm的接管等。要进行压力容器的强度进行计算，就必须知道要对哪些元件进行计算，那么主要的受压元件又包括哪些？强度计算的内容又有哪些？一、压力容器的主要受压元件压力容器的强度计算法兰简介（图16-1）压力容器的强度计算1.设计压力容器：

⑴根据化工生产工艺提出的条件，确定设计所需参数（p，t，D），选定材料和结构型式，通过强度计算确定容器筒体及封头壁厚。

⑵已经制定标准的受压元件，可直接选取。2.校核在用容器：§16-1

概述二、强度计算的内容：⑴判定在一个检验周期内，或在剩余寿命期内，容器是否还能在原设计条件下安全使用。对于已不能在原设计条件下使用的容器，应通过强度计算，为容器提出最高允许工作压力。

⑵如果容器针对某一使用条件需要判废，应为判废提供依据。压力容器的强度计算§16-2

容器设计Ⅰ.复习回顾四种典型回转壳体中的薄膜应力；Ⅱ.内压圆筒壁厚的确定；Ⅲ.内压圆筒的计算应力与最大允许应力；Ⅳ.内压凸形封头壁厚的确定；Ⅴ.内压锥形封头壁厚的确定；Ⅵ.平板形封头；Ⅶ.设计参数的确定。压力容器的强度计算一、内压圆筒壁厚的确定

内压圆筒器壁内的基本应力是薄膜应力,根据第三强度理论得出的薄膜应力强度条件是：对于筒体，该强度条件为:制造筒体的钢板在设计温度下的许用应力。按第三强度理论得到的薄膜应力的相当应力。1.理论计算壁厚δ:(16-1)(16-2)[σ]tσr3δ计算厚度，mm。压力容器的强度计算

容器筒体一般由钢板卷焊而成。由于在焊接加热过程中，对焊缝金属组织产生不利影响，同时在焊缝处往往形成夹渣、气孔、未焊透等缺陷，导致焊缝及其附近区域强度可能低于钢材本体的强度。注意：焊缝许用应力=钢板的许用应力×焊接接头系数φ。φ＜1于是公式(16-2)可写成：（式中，D是中径）一、内压圆筒壁厚的确定(16-3)公式(16-2)中钢板许用应力[σ]t用强度较低的焊缝许用应力代替。

焊缝系数≠安全系数，不能随意增减，应根据筒体的焊缝结构和对焊缝提出的探伤比例要求，按照规定选取。压力容器的强度计算筒体内径简化公式，适用于大多数情况。一、内压圆筒壁厚的确定筒体设计压力筒体的理论计算壁厚(16-5)(16-4)压力容器的强度计算考虑到介质对筒壁的腐蚀作用，在设计筒体所需厚度时，还应在计算厚度δ的基础上，增加腐蚀裕量C2。由此得到筒体的设计厚度(δd)为：

一、内压圆筒壁厚的确定：2.设计壁厚δd：式中

δ-圆筒计算厚度，mm；δd

-圆筒设计厚度，mm；(16-6)(16-7)说明：

（1）腐蚀裕量只对均匀腐蚀有意义;（2）氢腐蚀、应力腐蚀及晶间腐蚀等，增加腐蚀裕量不是有效办法，而应根据情况采用有效防腐措施。压力容器的强度计算一、内压圆筒壁厚的确定：

在设计条件下得到的筒体设计厚度，加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即为筒体的名义厚度（δn）。3.名义壁厚δn：式中：

δd

-圆筒设计厚度mm；

C1–钢板厚度负偏差，mm；(手册可查)；

当C1不大于0.25mm,且不超过δn的6%可取C1=0；

△-除去负偏差以后的圆整值，mm。(16-8)4.有效壁厚δe：

将圆筒厚度从δd往δn圆整时，由于圆整量△可帮助筒体承受介质内压，所以真正可以用来承受介质压力的有效壁厚δe为(16-9)压力容器的强度计算一、内压圆筒壁厚的确定：

对于设计压力较低的容器，根据强度公式计算出来的厚度很薄。5.最小壁厚δmin：

因此，必须限定一个最小厚度以满足刚度和稳定性要求。（不包括腐蚀裕量，有时可以不再另加钢板负偏差）

筒体的最小壁厚按下页方法确定:

大型容器，如果筒体厚度过薄，将导致刚度不足而极易引起过大的弹性变形，不能满足运输、安装的要求。压力容器的强度计算a.当筒体内径Di≤3.8m时，

d

min＝2Di/1000，且不小于3mm。（腐蚀裕量另加。）b.当筒体内径3.8m＜Di≤16m时，

d

min取5mm。

c.当筒体内径16m＜Di＜35m时，

d

min取6mm。

一、内压圆筒壁厚的确定：⑴碳钢和低合金钢容器：a.当筒体的计算厚度δ是按δmin确定时，筒体的名义厚度δn可按下式计算：

δn＝δmin+C2b.当计算厚度与最小厚度相差较大时，钢板负偏差不必另加。c.若（δmin–δ）小于钢板负偏差，

则取δ＝δmin，且δ

n＝δ+C1+C2+△＝δmin+C1+C2+△⑵不锈钢容器:

δmin＝2mm压力容器的强度计算例：

设计条件如下：P=0.3MPa，Di=2m，[σ]t=113MPa，（焊接接头系数）φ=0.85，介质对容器的腐蚀率为0.2mm/年，设计寿命为10年,试确定容器筒体的计算厚度、设计厚度，名义厚度，有效厚度。计算厚度有效厚度解：最小壁厚设计厚度名义厚度压力容器的强度计算二、内压圆筒的计算应力与最大允许压力:近似§16-2容器设计1.圆筒的计算（工作）应力:2.圆筒的最大允许压力:(δe--有效壁厚)(16-12)(16-10)(16-11)压力容器的强度计算二、内压圆筒的计算应力与最大允许压力:3.厚度系数在确定工作应力和最大许可压力时的应用:厚度系数ββ＝δe/δ厚度系数反映了筒体厚度上的富裕程度。(16-13)(16-14)(16-15)压力容器的强度计算1.

封头的分类:三、内压凸形封头壁厚的确定:§16-2容器设计压力容器的强度计算2.内压凸形封头包括四种形式：§16-2容器设计(a)标准椭圆形，(b)半球形，(c)碟形,(d)无折边球形。（图16-2）压力容器的强度计算§16-2容器设计（图16-3）压力容器的强度计算§16-2容器设计（图16-4）压力容器的强度计算1.半球形封头：半球形封头是由半个球壳构成。直径较小、器壁较薄的半球形封头可整体热压成形。大直径的则先分瓣冲压，再焊接组合。§16-2容器设计四、典型封头设计：(16-16)(16-15)压力容器的强度计算§16-2容器设计（图16-5）压力容器的强度计算§16-2容器设计（图16-6）压力容器的强度计算2.标准椭圆形封头：由半个椭球和高度为h0的圆柱形筒节（直边）构成，封头的曲面深度h＝Di/4，直边高度h0与封头厚度有关，按手册查取。a.标准椭圆形封头壁厚的计算：

忽略中径与内径之差别，所得简化式为：§16-2容器设计(16-17)(16-18)压力容器的强度计算b.最小厚度：

承受内压的椭圆形封头，在其赤道处将产生环向压缩薄膜应力，为了防止封头在这一压缩应力作用下出现折皱（即失稳）。§16-2容器设计边缘处：（图16-7）

规定标准椭圆形封头的计算厚度不得小于封头内径的0.15％，即(16-19)压力容器的强度计算§16-2容器设计（图16-7）压力容器的强度计算§16-2容器设计（图16-8）压力容器的强度计算3.碟形封头：（简介）

碟形封头又叫带折边球形封头，由以Rc为半径的球面壳体，以半径为r的折边（过渡圆弧）和高为h0的圆柱形筒节（即直边）三部分组成。

球面半径越大，折边半径越小，封头的深度就越浅，环状壳体部分内的应力就越大。为了限制应力大小，规定碟形封头的球面半径一般不大于与其相连的筒体直径，而折边半径在任何情况下均不得小于球面半径的10％，且应大于三倍的封头壁厚。§16-2容器设计（PASS)压力容器的强度计算碟形封头内的应力薄膜应力在封头的折边内除了薄膜应力外，因变形时出现较大的曲率变化和弯曲应力。故折边内的应力计算按下式进行。M——碟形封头的形状系数M的取值见表8-4§16-2容器设计（PASS)压力容器的强度计算壁厚的计算简化§16-2容器设计(PASS)压力容器的强度计算碟形封头球面内半径Rci可以取等于封头直径Di或0.9Di，令Rci＝αDi碟形封头的厚度如果太薄，也会发生内压下的弹性失稳。所以规定：对于Rci＝0.9Di。r＝0.17Di的碟形封头，其计算厚度不得小于封头内直径的0.15％。如果折边半径小于0.17Di（但不允许小于0.1Di），其计算厚度不得小于0.3％Di。§16-2容器设计(PASS)式中α＝0.9或1，常用值为0.9压力容器的强度计算4.无折边球形封头:为了进一步降低凸形封头的高度，将碟形封头的过渡圆弧及直边部分都去掉，只留下球面部分，并把它直接焊在圆柱壳体上，就构成了无折边球形封头。封头的球面半径一般取等于圆柱筒体的内直径或0.9倍至0.7倍的内直径。无折边球形封头既可用作容器中两个相邻承压空间的中间封头，也可用作容器的端封头。封头与筒体连接的T形接头必须采用全焊透结构。无折边封头与筒体连接处存在较大的边界应力。封头和与封头连接处筒体的壁厚计算，都必须考虑边界应力。§16-2容器设计(PASS)压力容器的强度计算§16-2容器设计（图16-9）压力容器的强度计算§16-2容器设计（图16-10）压力容器的强度计算五、内压锥形封头壁厚的确定：

（1）锥形封头广泛应用于许多化工设备(如蒸发器、喷雾干燥器、结晶器及沉降器等)的底盖。

它的优点是：便于收集与卸除这些设备中的固体物料。此外，有一些塔设备上、下部分的直径不等，也常用锥形壳体将直径不等的两段塔体连接起来，这时的圆锥形壳体称为变径段。

（2）根据锥形封头与圆筒连接处有无过渡圆弧和直边，有不带折边的锥形封头和带折边的锥形封头。

（3）由于锥形封头与简体连接处存在较大的边缘应力，该应力随封头的半锥顶角的增大而增大。当α≤30°时一般采用无折边封头当α＞30°时应采用折边锥形封头。§16-2容器设计1.简介：压力容器的强度计算2.不带折边锥形封头壁厚的确定：不考虑封头与筒体连接处的边界处的二次应力：考虑封头与筒体连接处的边界处的二次应力：式中Q为应力增值系数，可由手册查出。§16-2容器设计(PASS)(16-20)(16-21)压力容器的强度计算1.平板封头简介：（1）平板封头是化工设备常用的一种封头。（2）平板封头的几何形状有圆形、椭圆形、长圆形、矩形和方形等，最常用的是圆形平板封头。

在相同的(R／d)和受载条件下，薄板的所需厚度要比薄壳大得多，即平板封头要比凸形封头厚得多。（3）平板封头结构简单，制造方便，在压力不高，直径较小的容器中，采用平板封头比较经济简便。

承压设备的封头一般不采用平板形，只是压力容器的人孔、手孔以及在操作时需要用盲板封闭的地方，才用平板盖。（4）高压容器中，平板封头用得较为普遍。这是因为高压容器的封头很厚，直径又相对较小，凸形封头的制造较为困难。§16-2容器设计六、平板形封头：压力容器的强度计算2.平板形封头设计：

式中DC是计算直径，一般是指容器的内径。在有些结构中DC是指密封垫片的平均直径。

式中：δn—封头的计算厚度，K---平板封头的系数，手册可查。§16-2容器设计(16-21)（1）计算厚度（2）设计厚度(16-22)(16-23)压力容器的强度计算§16-3容器参数的确定1.设计压力：

设计压力是在相应的设计温度下用以确定壳壁厚度的压力，亦即标注在铭牌上的容器设计压力。其值稍高于最大工作压力。2.最大工作压力（pw）：

是指容器顶部在工作过程中可能产生的最高压力（表压）。3.工作条件：

（1）使用安全阀时，设计压力不小于安全阀的开启压力，或取最大工作压力的1.05～1.10倍；

（2）使用爆破膜作安全装置时，根据爆破膜片的型式确定，一般取最大工作压力的1.15～1.4倍作为设计压力。

（3）当容器内盛有液体物料时，若液体物料的静压力不超过最大工作压力的5％，则在设计压力中可不计入液体静压力，否则，须在设计压力中计入液体静压力。

（4）某些容器有时还必须考虑重力、风力、地震力等载荷及温度的影响，这些载荷不能直接折算为设计压力而代入以上计算公式，必须分别计算。

一、设计压力：

压力容器的强度计算1.定义:

设计温度指容器正常工作过程中，在相应的设计条件下，金属器壁可能达到的最高或最低(指-20℃下)温度。§16-3

容器参数的确定2.补充说明:

金属器壁的温度通过换热计算。为了方便，对于不被加热或冷却的器壁，规定取介质的最高或最低温度作为设计温度。(1)对于用蒸汽、热水或其它载热体加热或冷却的壁，取加热介质（或冷却介质）的最高温度或最低温度作为设计温度。(2)在工作过程中，当容器不同部位可能出现不同温度时，按预期的不同温度作为各相应部分的设计温度。一、设计温度：

设计温度的取值在设计公式中没有直接反映，但它对容器材料的选择和许用应力的确定直接有关。压力容器的强度计算1.对于钢板卷焊的筒体，以内径作为它的公称直径。压力容器的公称直径按手册选取。2.设计时，应将工艺计算初步确定的容器内径调整为符合规定的公称直径。3.当用无缝钢管作筒体时，以外径作为它的公称直径。§16-3

容器参数的确定三、容器直径选取：容器筒体和封头的直径都有规定，不能随意取值。压力容器的强度计算