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1、8 、压力容器设计、压力容器设计8.1 压力容器概述压力容器概述8.4 典型薄壁壳的应力分析典型薄壁壳的应力分析8.5 内压圆筒型薄壁壳的设计内压圆筒型薄壁壳的设计8.6 外压圆筒型薄壁壳的设计外压圆筒型薄壁壳的设计8.7 压力容器的使用与管理压力容器的使用与管理8.2 压力容器典型零部件压力容器典型零部件8.3 压力容器结构与分类压力容器结构与分类8.1 压力容器概述压力容器概述压力容器特点之一压力容器特点之一应用广泛应用广泛 压力容器不仅被广泛用于化学、石油化工、医药、冶金、机械、采矿、电力、航天航空、交通运输等工业生产部门，在农业、民用和军工部门也颇常见，其中尤以石油化学工业应用最为普遍
2、，石油化工企业中的塔、釜、槽、罐无一不是贮器或作为设备的外壳，而且绝大多数是在一定的压力温度下运行。 如一个年产30万吨的乙烯装置，约有793台设备，其中压力容器281台，占了35.4%。蒸汽锅炉也属于压力容器，但它是用直接火焰加热的特种受压容器，至于民用或工厂用的液化石油气瓶，更是到处可见。压力容器特点之二压力容器特点之二工况条件复杂工况条件复杂 压力容器的操作条件十分复杂，甚至近于苛刻。压力从1210-5Pa的真空到高压、超高压，如石油加氢为10.521.0 MPa；高压聚乙烯为100200 MPa；合成氨为10100 MPa；人造水晶高达140 MPa；温度从-196低温到超过1000的
3、高温；而处理介质则包罗爆、燃、毒、辐(照)、腐(蚀)、磨(损)等数千个品种。操作条件的复杂性使压力容器从设计、制造、安裝到使用、维护都不同于一般机械设备，而成为一类特殊设备。压力容器压力容器 特点之三特点之三数量巨大数量巨大 2004年的统计资料表明，国内在用固定式压力容器多达145.66万台 ，移动式压力容器中14645辆，在用气瓶12215.65万只；锅炉总台数也高达57.27万台 。此外全国持有压力容器制造许可证的企业合计4380个，设计单位1380个。如此庞大且潜在隐患容器的存在，以及地域广泛的制造设计部门，自然成为国内外政府部门特别重视其安全管理和监察检查的原因。压力容器特点之四压力
4、容器特点之四安全性要求高安全性要求高 压力容器因其承受各种静、动载荷或交变载荷，还有附加的机械或温度载荷；其次，大多数容器容纳压缩气体或饱和液体，若容器破裂，导致介质突然卸压膨胀，瞬间释放出来的破坏能量极大，加上压力容器极大多数系焊接制造，容易产生各种焊接缺陷，一旦检验、操作失误容易发生爆炸破裂，器内易爆、易燃、有毒的介质将向外泄漏，势必造成极具灾难性的后果。因此，对压力容器要求很高的安全可靠性。压力容器的结构压力容器的结构封头人孔支座筒体管口液位计零部件的二个基本参数零部件的二个基本参数对于用钢板卷制的容器筒体而言，其公称直径的数值等于筒体内径。当容器筒体直径较小时，可直接采用无缝钢管制作时
5、，这时容器的公称直径等于钢管的外径。管子的公称直径（通径）既不是管子的内径也不是管子的外径，而是一个略小于外径的数值。 公称直径（公称直径（DN）零部件的二个基本参数零部件的二个基本参数 国家标准GB1048将管路元件的公称压力分为以下十个等级：0.25MPa、0.6MPa、1.0Ma、1.6MPa、2.5MPa、4.0MPa、6.30MPa、10.0MPa、16.0MPa、25.0MPa 。公称压力（公称压力（PN）8.2 典型零部件典型零部件8.2.1 筒体和封头筒体和封头筒体和封头是构成压力容器的两个最基本元件，工筒体和封头是构成压力容器的两个最基本元件，工程上绝大多数压力容器的筒体均为
6、圆筒形。程上绝大多数压力容器的筒体均为圆筒形。筒体通常由钢板卷焊而成或直接采用无缝钢管。筒体通常由钢板卷焊而成或直接采用无缝钢管。钢板卷焊而成的压力容器公称直径指的是内径；钢板卷焊而成的压力容器公称直径指的是内径；直接采用无缝钢管制作的容器公称直径指的是外径。直接采用无缝钢管制作的容器公称直径指的是外径。PDiPDiDiQ0M0M0Q0Q0M0M0Q0椭圆形封头DNh1h2t椭球形封头DNt碟形封头RrDNh1h2t锥形封头DNhdHt60平板封头DNt8.2.2 法兰联接法兰螺栓垫片垫圈螺母法兰联接的特点：法兰联接的特点：1、密封可靠：能保证紧密不漏；、密封可靠：能保证紧密不漏；2、强度高：
7、附加法兰不削弱整体强度；、强度高：附加法兰不削弱整体强度；3、适用面广：设备和管道均可适用；、适用面广：设备和管道均可适用；4、可拆联接：可多次重复装拆；、可拆联接：可多次重复装拆；5、经济合理：可批量生产。、经济合理：可批量生产。F1F1F1F1pFpFp(a) 初始状态(c) 工作状态(b) 预紧状态法兰联接的工作原理：(a)(b)(c)平焊法兰对焊法兰按联接型式分：法兰联接的分类：法兰联接的分类：活套法兰螺纹法兰(a)(b)(c)(d)光滑面光滑面凹凸面凹凸面榫槽面榫槽面环密封面环密封面按密封面型式分：压力容器法兰标准压力容器法兰标准 JB470192甲型平焊法兰甲型平焊法兰DD1D3D
8、N30323K=s6013s77PII型密封面PI型密封面d(a)345dHt10 1016770.61.590DD1D3DNPI型密封面PII型密封面PIII型密封面153450.4(b)乙型平焊法兰乙型平焊法兰对焊法兰对焊法兰管法兰标准管法兰标准HG20592HG法兰按下列规定标记：法兰（法兰盖） b c d e f g h a 标准号：按HG标准统一号HG20592b 法兰类型代号：按表812c 法兰公称通径DN(mm)与适用钢管外径系列d 法兰公称压力PN，MPae 密封面型式代号，突面法兰如车制密纹线，则标记为RF(A)f 应由用户提供的钢管壁厚g 材料牌号h 其它（如表面粗糙度）H
9、G 20592 法兰PL12000.6 RF Q235-A8.2.3设备的支座设备的支座1)、悬挂式支座悬挂式支座通常由两块筋板和一块底板焊接而成b2Hb3830301b1d通气孔与筒体外形贴合A型AN型32132b2Hb38301b1s1d通气孔与筒体外形贴合B型BN型10023132支座号型号A、AN、B、BN JB/T 472592，耳座 如A型、不带垫板，3号耳式支座，支座材料为Q235A.F标记为：JB/T4725-92，耳座AN3，Q235A.F JB/T4724标准规定了耳式支座的标记：2)、支腿式支座（1）公称直径DN4001600；（2）圆筒长度L与公称直径DN之比L/DN5
10、；（3）容器的总高H5000mm。 垫板盖板支柱底板盖板底板支柱垫板底板支柱垫板盖板底板支柱垫板盖板A型AN型B型BN型型号A、B支座号JB/TB472492，支座 支腿式支座的标记为：如容器公称直径DN800，角钢支柱支腿，不带垫板，材料为Q235-A.F，支承高度H=800mm。标记为：JB/T 471392，支腿AN38003)、支承式支座（1）公称直径DN8004000；（2）圆筒长度L与公称直径DN之比L/DN5；（3）容器的总高H10m。 与封头外形吻合支柱底板垫板AA底板垫板与封头外形吻合支承板型号A、B支座号JB/TB472492，支座 支承式支座的标记为：无保温时透气孔无保温
11、时透气孔裙座圈人孔压板角牵板支承板排液孔裙座的结构4）裙式支座）裙式支座5）鞍式支座鞍式支座常用于卧式设备。鞍座由一块底板、一块竖板和若干块肋板焊接而成。 F型S型120卧式设备一般采用双支座，一个型，一个型。其中型的螺栓孔为园孔，型的螺栓孔为长园孔。 鞍式支座的位置布置应符合ARi/2和A L/2。 AL8.3.3 设备的开孔设备的开孔1)、设备开孔的装置设备的管口与凸缘人孔手孔及检查孔lDN8.2.4 设备安全附件1)、安全阀作用：当压力超过正常工作压力，能自动打开，介迅速排放，使设备内的压力保持在最高许用压力范围内，保证其处于安全状态。2)、爆破片使用场合容器内的介质易于结晶或聚合，或带
12、有较多的粘性物质，容易堵塞安全阀，或使安全阀的阀芯和阀座粘在一起；容器的内压由化学反应或其他原因会迅速上升，安全阀难以及时排出所产生的大量气体，且无法及时降压。但不适用于压力剧增，反应速度达到爆轰时的压力容器；容器内的介质为剧毒或极为昂贵的气体，使用安全阀难以达到防漏要求。 3)、压力表、液面计和测温仪表 压力表选用要求所选压力表必须与压力容器内的介质相适应；低压容器使用的压力精度不低于2.5级；中、高压容器使用的压力表精度不应低于1.5级；压力表盘刻度极限值为最高工作压力的1.53.0倍，最好选用2倍，表盘直径不应小于100mm。 压力表安装要求装设位置应便于操作人员观察和清洗，且应避免受到
13、辐射热、冻结或震动的不利影响；压力表与压力容器之间，应装设三通旋塞或针形阀，三通旋塞或针形阀上应有开启标记和锁紧装置，压力表和压力容器之间不得连接其他用途的任何配件或接管；用于水蒸汽介质的压力表，在压力表与压力容器之间应装有存水弯管；用于具有腐蚀性或高粘度介质的压力表，在压力表与压力容器之间应装设能隔离介质的缓冲装置。液位计选用要求应根据压力容器的介质、最高工作压力和温度选用；在安装使用前，低、中压容器用的液面计，应进行1.5倍液面计公称压力的水压试验，高压容器用的液面计，应进行1.25倍液面计公称压力的水压试验；盛装0以下介质的压力容器，应选用防霜液面计；寒冷地区室外使用的液面计，应选用夹套
14、型或保温型结构的液面计；易燃、毒性程度为极度、高度危害介质的液化气体压力容器，应采用板式或自动液面指示计，并应有防止泄漏的保护装置；要求液面指示平稳时不应采用浮子式液面计。 8.3 压力容器分类压力容器分类MPaMPaMPaMPaMPa10010010106 . 16 . 11 . 01 . 0超高压高压中压低压常压内压容器1)、 按承压性质分按承压性质分设计压力通常为低压外压容器:2)、 按监察规程分按监察规程分1、 最高工作压力最高工作压力Pw0.1MPa2、 内直径内直径Di0.15m，且且V0.025m33、 盛装介质为气体、液化气体或最高工作高盛装介质为气体、液化气体或最高工作高于等
15、于标准沸点的液体。于等于标准沸点的液体。监察规程的管辖范围监察规程的管辖范围GB5044职业性接触毒物危害程度分级(1)极度危害10mg/m3,氢氧化钠、丙酮等一类容器一类容器1.非易燃或低毒的低压反应容器和储存容器非易燃或低毒的低压反应容器和储存容器;2 .有毒和有危害的低压容器有毒和有危害的低压容器1、一般中压容器；、一般中压容器；二类容器二类容器2、 介质为易燃或毒性程度为中度危害的低压反应介质为易燃或毒性程度为中度危害的低压反应容器和储存容器；容器和储存容器；3、 毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器；毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器；4 、低压管壳式余热锅炉；、低压管壳式余热
16、锅炉；5、搪玻璃压力容器。、搪玻璃压力容器。三类容器三类容器1、 高压容器；高压容器；2 、低压容器低压容器(毒性为极度或高度危害介质的中压和毒性为极度或高度危害介质的中压和PV大于大于0.2MPam3)；3、 中压反应容器中压反应容器(易燃或易燃或毒性程度为中度危害介质且毒性程度为中度危害介质且PV0.5MPam3)；4、 中压储存容器中压储存容器(易燃或易燃或毒性程度为中度危害介质且毒性程度为中度危害介质且PV10MPam3)；5、 高压、中压管壳式余热锅炉；高压、中压管壳式余热锅炉；6、 中压搪玻璃压力容器；中压搪玻璃压力容器；7 、球形（、球形（V50m3)和低温储存容器和低温储存容器
17、(V5m3)；8、移动式压力容器。移动式压力容器。8.4 典型薄壁容器应力分析典型薄壁容器应力分析按容器的外径按容器的外径Do和内径和内径Di的比值的比值K不同，可将不同，可将容器分为：容器分为：1、 厚壁容器：厚壁容器：K1.22 、薄壁容器：薄壁容器：K 1.2DiptB1)、 受气压圆筒壳体受气压圆筒壳体0sin2dPRltltPR静力平衡方程：静力平衡方程：环向应力为环向应力为:环向应力环向应力pRPtR22tPR2静力平衡方程：静力平衡方程：经向应力为经向应力为经向应力经向应力薄壁圆筒形压力容器环向应力为经向应力的二倍薄壁圆筒形压力容器环向应力为经向应力的二倍DiptDipttRp2
18、)、承受内压的球形壳体、承受内压的球形壳体tpR2xMaR2R1K21b3)、承受内压的椭球形壳体、承受内压的椭球形壳体ptbaxabptbaxabaaxab2224222422244222()()()batpa22222batpatpa在顶点：在顶点：在赤道：在赤道：+112+-椭圆形封头的应力分布椭圆形封头的应力分布rR2tpOx4)、承受内压的锥形壳体tgtpxtprtgtpxtprcos2cos20Q0Q00ppM0M0M0M0图图 8-9 圆筒形容器的边缘效应圆筒形容器的边缘效应 合理不合理不合理合理不合理合理不合理合理8.5 内压圆筒形薄壁壳体设计内压圆筒形薄壁壳体设计8.5.1.
19、 强度设计公式强度设计公式 tittDP2)（ CPDPttin2强度条件：强度条件：设计公式：设计公式：设计参数确定设计参数确定1)、 设计压力设计压力(P)通常：通常：P(1.01.1)PW有安全阀：有安全阀：P= (1.051.1)PW 且不低于安且不低于安 全阀全阀开启压力。开启压力。有爆破片：爆破压力制造偏差有爆破片：爆破压力制造偏差介质为液化气：液化气的饱和蒸汽压。介质为液化气：液化气的饱和蒸汽压。介质为液体：当液柱静压大于介质为液体：当液柱静压大于0.05P时，时， 应计入液体静压力。应计入液体静压力。指容器正常工作时，在相应的设计压力下，器壁指容器正常工作时，在相应的设计压力下
20、，器壁金属可能达到的最高和最低温度（低于或等于金属可能达到的最高和最低温度（低于或等于-20)2) 设计温度设计温度3) 、许用应力、许用应力影响许用应力的因素：1 使用温度2 钢板厚度许用应力由材料的力学性能除以相应的许用应力由材料的力学性能除以相应的安全系数而得。安全系数而得。4 )焊接接头系数焊接接头系数焊缝系数决定于二个因素：焊缝系数决定于二个因素：1）焊缝的结构形式）焊缝的结构形式2） 无损探伤水平无损探伤水平5) .厚度厚度(t)a. 壁厚附加量壁厚附加量 CC1C2 C1：钢板负偏差钢板负偏差 C2：腐蚀裕量腐蚀裕量b. 最小壁厚最小壁厚保证设备在运输和安装过程中的安全。保证设备
21、在运输和安装过程中的安全。压力试验压力试验 MPaPPPtT1 . 025. 1且不小于seeiTTttDp9 . 02)(1 、水压试验水压试验试验压力：试验压力：强度条件：强度条件：2 、气压试验、气压试验 MPaPPPtT1 . 015. 1且不小于seeiTTttDp8 . 02)(试验压力：试验压力：强度条件：强度条件：3、 气密性试验气密性试验 tTPP05. 1试验压力：试验压力：8.6 外压薄壁圆筒的设计外压薄壁圆筒的设计外压容器的定义：内压大于外压的容器。外压容器的定义：内压大于外压的容器。失效的主要形式为失稳。其后果是造成容器几失效的主要形式为失稳。其后果是造成容器几何形状
22、偏离原形状。何形状偏离原形状。8.6.1 外压容器失稳的概念外压容器失稳的概念长园筒长园筒n=2n=3n=4短园筒短园筒容器失稳与压杆失稳类似，取决于：容器失稳与压杆失稳类似，取决于：1) 圆筒外径与有效壁厚之比圆筒外径与有效壁厚之比 Do/te；2) 圆筒长度与外径的比值圆筒长度与外径的比值 L/Do3) 材料的力学性能材料的力学性能 （E， )压杆失稳的主要因素：压杆失稳的主要因素：1、外载大小、外载大小2、压杆柔度、压杆柔度(细长比细长比)3、材料的力学性能。、材料的力学性能。8.6.2 外压薄壁圆筒厚度设计外压设计的总体思路：保证工作压力外压设计的总体思路：保证工作压力P小于许小于许用
23、外压用外压P而而P=Pcr/mm 决定于决定于Pcr的准确程度、制造技术、焊缝结构的准确程度、制造技术、焊缝结构形式等因素。我国规定形式等因素。我国规定 m=3一、解析法一、解析法tDDmLtEPDtEPeooecroecr2359. 22 . 2短圆筒长圆筒2) 求求Pcr，确定确定P3) 如如PP且较为接近，则所假定的且较为接近，则所假定的 tn符合符合要求，否则重算，直到符合要求。要求，否则重算，直到符合要求。1) 假设设计名义厚度假设设计名义厚度tn，则有则有te=tn-CtDDLeoocr17. 1二、二、 图解法图解法DoteKEPcr3DoteKEtDPeocrcr222DLtD
24、fDoteKEoeocrcr,22器壁上的应变：器壁上的应变：器壁上的应力：器壁上的应力：K为特征系数临界压力：临界压力：图解法来源图解法来源 外压圆筒几何参数计算图外压圆筒几何参数计算图 cr(A) L/Do Do/te DtDtDoteKEDoteKEmPPoecroecr322323123crB32AEEBcrcr323232 DtBPoe圆筒的许用外压力：圆筒的许用外压力：令令则则而而此即为此即为BA图的由来图的由来 外压圆筒计算图外压圆筒计算图 (BA图图)BA设计方法和计算步骤设计方法和计算步骤 tDAEPeo321 假设假设2 确定比值：确定比值：L/Do和和D/te3 查图查图
25、8-21，确定，确定A值值4 根据不同材料查图根据不同材料查图8-22,8-23,8-24确定确定B值，求得许值，求得许用外压用外压PA在温度线的右方在温度线的右方5 比较比较P与与P ,以以P小于且接近于小于且接近于P为原则为原则A在温度线的左方，属弹性失稳在温度线的左方，属弹性失稳 tDBPeoCtttnen8.6.3. 轴向受压圆筒的设计轴向受压圆筒的设计RtERtEmmieiecrcr06. 018. 01在弹性阶段：在弹性阶段：在弹塑性阶段用在弹塑性阶段用BA图确定图确定 cr8.7 压力容器的安全使用与管理压力容器的安全使用与管理8.7.1 压力容器的安全技术监察压力容器的安全技术
26、监察1) 、安全技术监察的依据、安全技术监察的依据2) 、压力容器的设计监察、压力容器的设计监察3) 、压力容器的设计监察、压力容器的设计监察8.7.2 压力容器的安全使用与管理压力容器的安全使用与管理1 、管理体系与职责、管理体系与职责2 、建立压力容器使用档案、建立压力容器使用档案3、压力容器的使用登记、压力容器的使用登记4 、制订容器的安全操作规程、制订容器的安全操作规程5 、正确操作容器、正确操作容器8.7.3 压力容器的定期检验压力容器的定期检验1 、定期检验的目的、定期检验的目的2 、定期检验的内容与期限、定期检验的内容与期限结束语结束语 对流程工业而言，保证压力容器的安全、经济运行，对企业的生产安全和经济效益具有非常重要的意义，通过本章的学习，你对保证压力容器的安全有何感想？保证压力容器的安全应做那几个方面？