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1、第一页，编辑于星期六：十八点 二十三分。第十章 容器设计基础第一节 概 论第二页，编辑于星期六：十八点 二十三分。一、容器的结构一、容器的结构壳体壳体(筒体筒体)、封头、封头(端盖端盖)、法兰、支座、接口管及人孔等组成。、法兰、支座、接口管及人孔等组成。常低压化工设备通用零部件标准直接选用。常低压化工设备通用零部件标准直接选用。第三页，编辑于星期六：十八点 二十三分。二、容器的分类压力容器分类压力容器分类按容器的形状按容器的形状按容器的形状按容器的形状 按承压性质按承压性质按承压性质按承压性质 按管理按管理按管理按管理其它其它其它其它按容器壁温按容器壁温按容器壁温按容器壁温按金属材料按金属材料
2、按金属材料按金属材料按应用情况按应用情况按应用情况按应用情况第四页，编辑于星期六：十八点 二十三分。按容器的形状按容器的形状按容器形状分类名称特 点方形矩形容器平板焊成，制造简便，但承压能力差，只用作小型常压贮槽球形容器弓形板拼焊，承压好，安装内件不便，制造稍难,多用作贮罐圆筒形容器 筒体和凸形或平板封头。制造容易，安装内件方便，承压较好，应用最广第五页，编辑于星期六：十八点 二十三分。按承压性质按承压性质 内压：内部介质压力大于外界压力内压：内部介质压力大于外界压力外压：内部介质压力小于外界压力外压：内部介质压力小于外界压力真空：内部压力小于一个绝压的外压容器真空：内部压力小于一个绝压的外压
3、容器表表表表10-1 10-1 10-1 10-1 内压容器的分类内压容器的分类内压容器的分类内压容器的分类容器分类设计压力 p（MPa）低压容器0.1p1.6中压容器1.6p10高压容器10p100超高压容器p100第六页，编辑于星期六：十八点 二十三分。按按按按 管管管管 理理理理表表表表10-2 10-2 10-2 10-2 安全检查规程使用范围安全检查规程使用范围安全检查规程使用范围安全检查规程使用范围项 目条 件最高工作压力pwpw0.1MPa，不包括液体静压内径Di，容积VDi0.15m 且 V0.025m3介质气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体根据压力等级、介质毒
4、性危害程度以及生产中的作用，压力容器可分为三类。第一类压力容器第一类压力容器第二类压力容器第二类压力容器第三类压力容器第三类压力容器不包括核能、船舶专用、直接受火焰加热容器第七页，编辑于星期六：十八点 二十三分。表表表表10-3 10-3 10-3 10-3 毒性危害程度分级毒性危害程度分级毒性危害程度分级毒性危害程度分级指指 标标分分 级级极度危害极度危害高度危害高度危害 中毒危害中毒危害 轻度危害轻度危害 急性中急性中毒毒吸入吸入 200 200 mg/mmg/m3 3200 200 mg/mmg/m3 32000 2000 mg/mmg/m3 320000 mg/m3经皮经皮100100
5、100 100 500 500 2500经口经口252525 25 500 500 5000急性中毒急性中毒易中毒后果易中毒后果严重严重可中毒，愈可中毒，愈后良好后良好偶可中毒偶可中毒无中毒但有无中毒但有影响影响慢性中毒慢性中毒患病率高患病率高较高较高偶有发生偶有发生有影响有影响慢性中毒后果慢性中毒后果 继续进展不继续进展不能治愈能治愈可基本治愈可基本治愈可恢复无严可恢复无严重后果重后果可恢复无不可恢复无不良后果良后果致癌性致癌性 人体致癌人体致癌可疑致癌可疑致癌动物致癌动物致癌无致癌性无致癌性最高容许浓度最高容许浓度 0.10.10.10.1-1.0-1.0-1010常见化学介质常见化学介质
6、 光气、汞、光气、汞、氰化氢氰化氢甲醛甲醛,苯胺、苯胺、氟化氢、氟化氢、二氧化硫二氧化硫,硫硫化氢化氢,氨氨第八页，编辑于星期六：十八点 二十三分。名称名称说明说明三类容器三类容器（1 1）高压容器；高压容器；（2 2）毒性程度为极度和高度危害介质的中压容器；毒性程度为极度和高度危害介质的中压容器；（3 3）中度危害介质，且中度危害介质，且pVpV大于等于大于等于10MPam10MPam3 3中压储存容器；中压储存容器；（4 4）中度危害介质，且中度危害介质，且pVpV大于等于大于等于0.5MPam0.5MPam3 3中压反应容器；中压反应容器；（5 5）毒性程度为极度和高度危害介质，且毒性程
7、度为极度和高度危害介质，且pVpV乘积乘积0.2MPam0.2MPam3 3的低压容器；的低压容器；（6 6）高压、中压管壳式余热锅炉；高压、中压管壳式余热锅炉；（7 7）中压搪玻璃压力容器；中压搪玻璃压力容器；（8 8）使用强度级别较高的材料制造的压力容器；使用强度级别较高的材料制造的压力容器；（9 9）移动式压力容器，铁路罐车、罐式汽车和罐式集装箱等；移动式压力容器，铁路罐车、罐式汽车和罐式集装箱等；（1010）容积大于等于容积大于等于50 m50 m3 3的球形储罐；的球形储罐；（11 11）容积大于容积大于5 m5 m3 3的低温液体储存容器。的低温液体储存容器。二类容器二类容器（1
8、1）中压容器；中压容器；（2 2）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；（3 3）易燃介质或毒性程度为中度危害介质的低压反应容器和低易燃介质或毒性程度为中度危害介质的低压反应容器和低压储存容器；压储存容器；（4 4）低压管壳式余热锅炉；低压管壳式余热锅炉；（5 5）低压搪玻璃压力容器。低压搪玻璃压力容器。一类容器一类容器不在第三、第二类压力容器之内的低压容器为第一类压力容器。不在第三、第二类压力容器之内的低压容器为第一类压力容器。第九页，编辑于星期六：十八点 二十三分。课堂作业：判断题课堂作业：判断题课堂作业：判断题课堂作业：判断题判断下列容器属一、二
9、、三类容器的哪一类？判断下列容器属一、二、三类容器的哪一类？1 1）2000mmx5000mm2000mmx5000mm的液氨储罐；的液氨储罐；2 2）p p为为4MPa4MPa的剧毒介质容器；的剧毒介质容器；3 3）p p为为10MPa10MPa，V V为为800L800L的乙烯储罐。的乙烯储罐。第十页，编辑于星期六：十八点 二十三分。按容器壁温按容器壁温常温容器常温容器：壁温-20至200；高温容器高温容器：壁温达到蠕变温度,碳素钢或低合金钢容器，温度超过420，合金钢超过450，奥氏体不锈钢超过550，均属高温容器；中温容器中温容器：在常温和高温之间；低温容器低温容器：壁温低于-20,-
10、20至-40为浅冷容器，低于-40者为深冷容器。第十一页，编辑于星期六：十八点 二十三分。按材料按材料金属容器金属容器金属容器金属容器:钢制钢制,铸铁铸铁,有色金属容器有色金属容器非金属材料：非金属材料：非金属材料：非金属材料：既可作为容器的衬里，又可作为独立的构件。既可作为容器的衬里，又可作为独立的构件。应用最多是低碳钢和普通低合金钢，腐蚀严重或产品纯度要求高用不锈钢、不锈复合钢板、铝板及钛材。在深冷操作中，可用铜或铜合金；常用非金属材料的有：硬聚氯乙烯、玻璃钢、不透性石墨、化工搪瓷、化工陶瓷及砖、板、橡胶衬里等。第十二页，编辑于星期六：十八点 二十三分。按应用情况按应用情况反应压力容器（）
11、反应压力容器（）反应压力容器（）反应压力容器（）完成物理、化学反应，如反应器、反应釜、完成物理、化学反应，如反应器、反应釜、分解锅、聚合釜、变换炉等；分解锅、聚合釜、变换炉等；换热压力容器（）换热压力容器（）换热压力容器（）换热压力容器（）热量交换，如热交换器、管壳式余热锅热量交换，如热交换器、管壳式余热锅炉、冷却器、冷凝器、蒸发器等；炉、冷却器、冷凝器、蒸发器等；分离压力容器（）分离压力容器（）分离压力容器（）分离压力容器（）流体压力平衡缓冲和气体净化分离，如分流体压力平衡缓冲和气体净化分离，如分离器、过滤器、缓冲器、吸收塔、干燥塔等；离器、过滤器、缓冲器、吸收塔、干燥塔等；储存压力容器（，
12、球罐为）储存压力容器（，球罐为）储存压力容器（，球罐为）储存压力容器（，球罐为）储存、盛装气体、液体、液化储存、盛装气体、液体、液化气体等介质，如各种形式的贮罐、贮槽、高位槽、计量槽、槽气体等介质，如各种形式的贮罐、贮槽、高位槽、计量槽、槽车等。车等。第十三页，编辑于星期六：十八点 二十三分。三、容器的零部件标准容器的零部件容器的零部件(例如封头、法兰、支座、人孔、手孔、视镜、例如封头、法兰、支座、人孔、手孔、视镜、液面计等液面计等)标准化、系列化，标准化、系列化，许多化工设备许多化工设备(例如贮槽、换热器、搪玻璃与陶瓷反应器例如贮槽、换热器、搪玻璃与陶瓷反应器)也有了相应的标准。也有了相应的
13、标准。两个基本参数：两个基本参数：两个基本参数：两个基本参数：公称直径公称直径公称直径公称直径DNDNDNDN：指标准化以后的标准直径，以指标准化以后的标准直径，以DNDN表示，单位表示，单位mmmm，例如内径，例如内径1200mm1200mm的容器的公称直径标记为的容器的公称直径标记为DN1200DN1200。公称压力公称压力公称压力公称压力PNPNPNPN：容器及管道的操作压力经标准化以后的标容器及管道的操作压力经标准化以后的标准压力称为公称压力，以准压力称为公称压力，以PNPN表示，单位表示，单位MPaMPa。第十四页，编辑于星期六：十八点 二十三分。公称直径公称直径公称直径公称直径1.
14、1.1.1.压力容器的公称直径压力容器的公称直径压力容器的公称直径压力容器的公称直径 钢板卷焊公称直径是内径。钢板卷焊公称直径是内径。300(350)400(450)500(550)600(650)700(750)8009001000(1100)1200(1300)1400(1500)1600(1700)1800(1900)2000(2100)2200(2300)2400 2500 2600 28003000 3200 3400 3500 3600 3800 4000 4200 4400 45004600 4800 5000 5200 5400 5500 5600 5800 6000第十五页，
15、编辑于星期六：十八点 二十三分。容器直径较小，可直接用无缝钢管制作。公称直径指容器直径较小，可直接用无缝钢管制作。公称直径指钢管外径。钢管外径。159219273325377426表表10-5 10-5 无缝钢管制作筒体时容器的公称直径（无缝钢管制作筒体时容器的公称直径（mmmm）vv设计时，应将工艺计算初步确定的设备内径，调整为符合设计时，应将工艺计算初步确定的设备内径，调整为符合表表10-410-4或表或表10-510-5所规定的公称直径。所规定的公称直径。vv封头的公称直径与筒体一致。封头的公称直径与筒体一致。第十六页，编辑于星期六：十八点 二十三分。2.2.2.2.管子的公称直径管子的
16、公称直径管子的公称直径管子的公称直径 也称也称公称口径、公称通径公称口径、公称通径公称口径、公称通径公称口径、公称通径。有缝管：有缝管：有缝管：有缝管：电焊钢管，化工厂用来输送水、煤气、空气、油电焊钢管，化工厂用来输送水、煤气、空气、油以及取暖用蒸汽等流体管道。以及取暖用蒸汽等流体管道。无缝管：无缝管：无缝管：无缝管：分热轧管和冷拔管两种。如输送流体用无缝钢分热轧管和冷拔管两种。如输送流体用无缝钢管管(GB 8163-87)(GB 8163-87)、石油裂化用无缝钢管、石油裂化用无缝钢管(GB 9948-88)(GB 9948-88)、化肥设备用高压无缝钢管（化肥设备用高压无缝钢管（GB 64
17、7986)GB 647986)等。等。第十七页，编辑于星期六：十八点 二十三分。有缝管的公称直径：有缝管的公称直径：有缝管的公称直径：有缝管的公称直径：vv公称直径近似普通钢管内径的名义尺寸。公制公称直径近似普通钢管内径的名义尺寸。公制mmmm，英制，英制inin，见见表表10-610-6。公称直径公称直径15mm15mm或或1/21/2英寸，外径英寸，外径21.3mm21.3mm，壁厚，壁厚2.75mm2.75mm（普（普通）通）3.25mm3.25mm（加厚）（加厚）vv每一公称直径对应一外径，其内径数值随厚度不同而不同。每一公称直径对应一外径，其内径数值随厚度不同而不同。vv有缝管按厚度
18、可分为薄壁钢管、普通钢管和加厚钢管。有缝管按厚度可分为薄壁钢管、普通钢管和加厚钢管。vv管路附件也用公称直径表示，意义相同。管路附件也用公称直径表示，意义相同。第十八页，编辑于星期六：十八点 二十三分。无缝钢管的公称尺寸：无缝钢管的公称尺寸：分热轧管和冷拔管。分热轧管和冷拔管。无缝钢管不用公称直径而是以外径乘厚度表示。为公称外径与公无缝钢管不用公称直径而是以外径乘厚度表示。为公称外径与公称厚度。称厚度。在管道工程中，管径超过在管道工程中，管径超过57mm57mm时，常采用热轧管。管径时，常采用热轧管。管径在在57mm57mm以内常选用冷拔管。以内常选用冷拔管。冷拔管的最大外径为冷拔管的最大外径
19、为200mm200mm；热轧管的最大外径为热轧管的最大外径为630mm630mm。第十九页，编辑于星期六：十八点 二十三分。3.3.3.3.容器零部件的公称直径容器零部件的公称直径容器零部件的公称直径容器零部件的公称直径 法兰、支座等公称直径是相配的筒体、封头的公称直径。法兰、支座等公称直径是相配的筒体、封头的公称直径。DNDN20002000法兰，法兰，DNDN20002000鞍座鞍座还有一些零部件的公称直径是与它相配的管子公称直径还有一些零部件的公称直径是与它相配的管子公称直径DNDN200200管法兰管法兰另有一些容器零部件公称直径是指结构中某一重要尺寸，另有一些容器零部件公称直径是指结
20、构中某一重要尺寸，DNDN80(80(DgDg80)80)视镜是指窥视孔的直径为视镜是指窥视孔的直径为80mm80mm。第二十页，编辑于星期六：十八点 二十三分。公称压力公称压力公称压力公称压力工作压力不同，相同公称直径的压力容器其筒体及其零部工作压力不同，相同公称直径的压力容器其筒体及其零部件的尺寸也不同。件的尺寸也不同。将承受的压力范围分为若干个标准压力等级，即公称压力。将承受的压力范围分为若干个标准压力等级，即公称压力。表表表表10-7 10-7 10-7 10-7 压力容器法兰与管法兰的公称压力压力容器法兰与管法兰的公称压力压力容器法兰与管法兰的公称压力压力容器法兰与管法兰的公称压力压
21、力容器法兰0.25 0.61.01.62.5 4.0 6.4管法兰0.25 0.61.01.62.5 4.0 5.0101525第二十一页，编辑于星期六：十八点 二十三分。vv设计时如果选用标准零部件，必须将操作温度下的最设计时如果选用标准零部件，必须将操作温度下的最高操作压力高操作压力(或设计压力或设计压力)调整为所规定的某一公称压力调整为所规定的某一公称压力等级等级(调整方法见第五节调整方法见第五节)，然后根据，然后根据DNDN与与PNPN选定该零选定该零部件的尺寸。部件的尺寸。vv如果零件不选用标准零部件，而是自行设计，设计压力如果零件不选用标准零部件，而是自行设计，设计压力就不必符合规
22、定的公称压力。就不必符合规定的公称压力。第二十二页，编辑于星期六：十八点 二十三分。四、压力容器的标准简介四、压力容器的标准简介四、压力容器的标准简介四、压力容器的标准简介压力容器标准是全面总结压力容器生产、设计、安全压力容器标准是全面总结压力容器生产、设计、安全等方面的经验，不断纳入新科技成果而产生的。它是压力等方面的经验，不断纳入新科技成果而产生的。它是压力容器设计、制造、验收等必须遵循的准则。压力容器标准容器设计、制造、验收等必须遵循的准则。压力容器标准涉及设计方法、选材及制造、检验方法等。涉及设计方法、选材及制造、检验方法等。第二十三页，编辑于星期六：十八点 二十三分。国内标准国内标准
23、国内标准国内标准vv19891989我国压力容器标准化技术委员会制订了我国压力容器标准化技术委员会制订了GB150-89GB150-89钢钢制压力容器制压力容器vv19981998年修订成年修订成GB150-1998GB150-1998，使标准更加完善。，使标准更加完善。vvGB150GB150钢制压力容器内容包括：钢制压力容器内容包括：压力容器板壳元件计算压力容器板壳元件计算容器结构要素的确定容器结构要素的确定密封设计密封设计超压泄放装置的设置超压泄放装置的设置容器的制造与验收的要求等容器的制造与验收的要求等第二十四页，编辑于星期六：十八点 二十三分。国外主要规范国外主要规范国外主要规范国外
24、主要规范vv国外的规范主要有四个：国外的规范主要有四个：vv美国美国ASMEASME规范，规范，vv英国压力容器规范（英国压力容器规范（BSBS），），vv日本国家标准（日本国家标准（JISJIS），），vv德国压力容器规范（德国压力容器规范（ADAD）。）。第二十五页，编辑于星期六：十八点 二十三分。1 1 1 1美国美国美国美国ASMEASMEASMEASME规范规范规范规范vv美国机械工程师协会（美国机械工程师协会（ASMEASME）制定的锅炉及压力容器规范。）制定的锅炉及压力容器规范。美国国家标准美国国家标准vv该规范规模庞大、内容完善，仅依靠其本身即可完成选材、设计、该规范规模庞大、
25、内容完善，仅依靠其本身即可完成选材、设计、制造、检验、试验、安装及运行等全部工作环节。制造、检验、试验、安装及运行等全部工作环节。vv与压力容器密切相关有：与压力容器密切相关有：第第卷卷 材料技术条件、第材料技术条件、第卷卷 无损检验、第无损检验、第卷卷 压力容器及第压力容器及第卷卷 焊接及钎焊评定。焊接及钎焊评定。vv每年增补一次，每三年出一新版，技术先进，修订及时，能迅速每年增补一次，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，为世界上影响最大的一反映世界压力容器科技发展的最新成就，为世界上影响最大的一部规范。部规范。第二十六页，编辑于星期六：十八点 二十
26、三分。2 2 2 2英国压力容器规范（英国压力容器规范（英国压力容器规范（英国压力容器规范（BSBSBSBS）BS 5500BS 5500非直接火熔焊压力容器是由英国标准协会非直接火熔焊压力容器是由英国标准协会（BSIBSI）负责制定。由两部规范合并而成：）负责制定。由两部规范合并而成：vv一部相当于一部相当于ASMEASME第第卷第一册的卷第一册的BS 1500BS 1500一般用途的熔融一般用途的熔融焊压力容器标准，焊压力容器标准，vv另一部是近似于德国另一部是近似于德国ADAD规范的规范的BS 1515BS 1515化工及石油工业中应化工及石油工业中应用的熔融焊压力容器标准。用的熔融焊压
27、力容器标准。第二十七页，编辑于星期六：十八点 二十三分。3.3.3.3.日本国家标准（日本国家标准（日本国家标准（日本国家标准（JISJISJISJIS）于于8080年代初制定了两部基础标准，年代初制定了两部基础标准，vv一部是参照一部是参照ASMEASME第第卷第卷第1 1册制定的册制定的JIS B 8243JIS B 8243压力容压力容器的构造，器的构造，vv另一部是参照另一部是参照ASMEASME第第卷第卷第2 2册制定的册制定的JIS B8250JIS B8250特定压力容特定压力容器的构造。器的构造。此外，还有与压力容器相关的标准此外，还有与压力容器相关的标准JIS B 8240J
28、IS B 8240冷冻压力冷冻压力容器、容器、JIS B8241JIS B8241无缝钢制气瓶及无缝钢制气瓶及JIS B8242JIS B8242圆筒圆筒形液化石油气贮罐（卧式）构造等。形液化石油气贮罐（卧式）构造等。第二十八页，编辑于星期六：十八点 二十三分。4.4.4.4.德国压力容器规范（德国压力容器规范（德国压力容器规范（德国压力容器规范（ADADADAD）ADAD压力容器规范是由七个部门编制的：压力容器规范是由七个部门编制的：vv职工联合会、职工联合会、vv锅炉压力容器管道联合会、锅炉压力容器管道联合会、vv化学工业联合会、化学工业联合会、vv冶金联合会、冶金联合会、vv机械制造者协
29、会、机械制造者协会、vv大锅炉企业主技术协会及技术监督会联合会（大锅炉企业主技术协会及技术监督会联合会（VDTUVVDTUV）。）。第二十九页，编辑于星期六：十八点 二十三分。vvADAD规范在技术上有许多独特的观点，它在世界上也是具有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。广泛影响的规范。vvADAD规范与规范与ASMEASME规范相比，特点：规范相比，特点：AD AD规范只对材料屈服极限取安全系数，且取数较小。因规范只对材料屈服极限取安全系数，且取数较小。因此产品厚度薄、重量轻；此产品厚度薄、重量轻；AD AD规范允许用较高强度级别的钢材；规范允许用较高强度级别的钢
30、材；在制造要求方面，在制造要求方面，ADAD规范没有规范没有ASMEASME详尽，这样可使制造详尽，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。厂具有较大的灵活性，易于发挥各厂的技术特长和创新。第三十页，编辑于星期六：十八点 二十三分。思考题：思考题：思考题：思考题：1.1.压力容器按照压力、温度、监察管理各是怎样分类的？压力容器按照压力、温度、监察管理各是怎样分类的？2.2.钢板卷制的筒体和成型封头的公称直径指的是哪个直径？无钢板卷制的筒体和成型封头的公称直径指的是哪个直径？无缝钢管制作筒体时，公称直径指的是哪个直径？缝钢管制作筒体时，公称直径指的是哪个直径？3.3.判断容
31、器属几类？判断容器属几类？第三十一页，编辑于星期六：十八点 二十三分。一、薄壁容器设计的理论基础一、薄壁容器设计的理论基础薄壁容器 根据容器外径DO与内径Di的比值K来判断，当K1.2为薄壁容器 K1.2则为厚壁容器第二节第二节 内压薄壁容器设计内压薄壁容器设计第三十二页，编辑于星期六：十八点 二十三分。圆筒形薄壁容器承受内压时的应力圆筒形薄壁容器承受内压时的应力只有拉应力无弯曲“环向纤维”和“纵向纤维”受到拉力。1（或轴）圆筒母线方向(即轴向)拉应力，2（或环）圆周方向的拉应力。第三十三页，编辑于星期六：十八点 二十三分。圆筒的应力计算圆筒的应力计算 1.1.轴向应力轴向应力D-筒体平均直径
32、，亦称中径，mm2.2.环向应力环向应力第三十四页，编辑于星期六：十八点 二十三分。分析：（1）薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍。问题a：筒体上开椭圆孔，如何开?应使其短轴与筒体的轴线平行，以尽量减少开孔对纵截面的削弱程度，使环向应力不致增加很多。第三十五页，编辑于星期六：十八点 二十三分。分析：问题b：钢板卷制圆筒形容器，纵焊缝与环焊缝哪个易裂？筒体纵向焊缝受力大于环向焊缝，故纵焊缝易裂，施焊时应予以注意。第三十六页，编辑于星期六：十八点 二十三分。（2）分析式(10-1)和(10-2)也可知，内压筒壁的应力和/D成反比，/D 值的大小体现着圆筒承压能力的高低。因此，分析一个设备能耐多大
33、压力，不能只看厚度的绝对值。第三十七页，编辑于星期六：十八点 二十三分。二、无力矩理论基本方程式二、无力矩理论基本方程式 基本概念与基本假设基本概念与基本假设 1 1 基本概念基本概念（1 1）旋转壳体旋转壳体 ：壳体中面（等分壳体厚度）是任意直线或平面曲线作母线，绕其同平面内的轴线旋转一周而成的旋转曲面。第三十八页，编辑于星期六：十八点 二十三分。（2 2）轴对称轴对称壳体的几何形状、约束条件和所受外力都是对称于某一轴。化工用的压力容器通常是轴对称问题。（3 3）旋转壳体的几何概念）旋转壳体的几何概念 母线与经线法线、平行圆第一曲率半径：经线曲率半径第二曲率半径：垂直于经线的平面与中面相割形
34、成的曲线BE的曲率半径第三十九页，编辑于星期六：十八点 二十三分。2 2基本假设基本假设 假定壳体材料有连续性、均匀性和各向同性，即壳体是完全弹性的。(1)(1)小位移假设小位移假设 各点位移都远小于厚度。可用变形前尺寸代替变形后尺寸。变形分析中高阶微量可忽略。(2)(2)直线法假设直线法假设 变形前垂直于中面直线段，变形后仍是直线并垂直于变形后的中面。变形前后法向线段长度不变。沿厚度各点法向位移相同，厚度不变。(3)(3)不挤压假设不挤压假设 各层纤维变形前后互不挤压。第四十页，编辑于星期六：十八点 二十三分。无力矩理论基本方程式无力矩理论基本方程式 无力矩理论是在旋转薄壳的受力分析中忽略了
35、弯矩的作用。此时应力状态和承受内压的薄膜相似。又称薄膜理论薄膜理论（10-3）平衡方程（10-4）区域平衡方程 无力矩理论基本方程式：无力矩理论基本方程式：第四十一页，编辑于星期六：十八点 二十三分。三、基本方程式的应用三、基本方程式的应用1 1圆筒形壳体圆筒形壳体 第一曲率半径R1=，第二曲率半径R2=D/2 代入方程（10-3）和（10-4）得：与式（10-1）、（10-2）同。受气体内压壳体的受力分析受气体内压壳体的受力分析 第四十二页，编辑于星期六：十八点 二十三分。2 2球形壳体球形壳体 球壳R1R2=D/2，得：直径与内压相同，球壳内应力仅是圆筒形壳体环向应力的一半，即球形壳体的厚
36、度仅需圆筒容器厚度的一半。当容器容积相同时，球表面积最小，故大型贮罐制成球形较为经济。第四十三页，编辑于星期六：十八点 二十三分。3 3圆锥形壳体圆锥形壳体圆锥形壳半锥角为a，A点处半径为r，厚度为d，则在A点处：代入（10-3）、（10-4）可得A点处的应力：第四十四页，编辑于星期六：十八点 二十三分。（10-6）锥形壳体环向应力是经向应力两倍，随半锥角a的增大而增大；a角要选择合适，不宜太大。在锥形壳体大端r=R时，应力最大，在锥顶处，应力为零。因此，一般在锥顶开孔。第四十五页，编辑于星期六：十八点 二十三分。4椭圆形壳体 椭圆壳经线为一椭圆，a、b分别为椭圆的长短轴半径。由此方程可得第一
37、曲率半径为：第四十六页，编辑于星期六：十八点 二十三分。（10-7）第四十七页，编辑于星期六：十八点 二十三分。化工常用标准椭圆形封头，a/b=2，故 顶点处：边缘处：顶点应力最大，经向应力与环向应力是相等的拉应力。顶点的经向应力比边缘处的经向应力大一倍；顶点处的环向应力和边缘处相等但符号相反。应力值连续变化。第四十八页，编辑于星期六：十八点 二十三分。受液体静压的圆筒形壳体的受力分析受液体静压的圆筒形壳体的受力分析 筒壁上任一点的压力值（不考虑气体压力）为：根据式（10-3）（10-4）可得：第四十九页，编辑于星期六：十八点 二十三分。底部支承的圆筒（a），液体重量由支承传递给基础，筒壁不受
38、液体轴向力作用，则1=0。上部支承圆筒（b），液体重量使得圆筒壁受轴向力作用，在圆筒壁上产生经向应力：第五十页，编辑于星期六：十八点 二十三分。例题10-1：有一外径为219mm的氧气瓶，最小厚度为6.5mm，材料为40Mn2A，工作压力为15MPa，试求氧气瓶壁应力。解析：平均直径 mm经向应力 MPa环向应力 MPa第五十一页，编辑于星期六：十八点 二十三分。四、筒体强度计算四、筒体强度计算实际设计中须考虑三个因素：（1）焊接接头系数（2）容器内径（3）壁厚筒体内较大的环向应力不应高于在设计温度下材料的许用应力，即t-设计温度t下材料许用应力，MPa第五十二页，编辑于星期六：十八点 二十三
39、分。焊接接头系数钢板卷焊。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。钢板 t乘以焊接接头系数，1第五十三页，编辑于星期六：十八点 二十三分。容器内径工艺设计确定内径Di，制造测量也是内径，而受力分析中的D却是中面直径。解出，得到内压圆筒的厚度计算式第五十四页，编辑于星期六：十八点 二十三分。壁厚考虑介质腐蚀，计算厚度的基础上，增加腐蚀裕度C2。筒体的设计厚度为 式中-圆筒计算厚度，mm；d-圆筒设计厚度，mm；Di-圆筒内径，mm；p-容器设计压力，MPa；-焊接接头系数。第五十五页，编辑于星期六：十八点 二十三分。另一种情况：另一种情况：筒体设计厚度加上厚度负
40、偏差C1后向上圆整，即为筒体名义厚度。对于已有的圆筒，测量厚度为 n，则其最大许可承压的计算公式为：式中：n-圆筒名义厚度 圆整成钢材标准值；第五十六页，编辑于星期六：十八点 二十三分。e-圆筒有效厚度C-厚度附加量。设计温度下圆筒的计算应力第五十七页，编辑于星期六：十八点 二十三分。五、球壳强度计算设计温度下球壳的计算厚度：设计温度下球壳的计算应力第五十八页，编辑于星期六：十八点 二十三分。六、设计参数 厚度设计参数按GBl50-1998中规定取值。设计压力、设计温度、许用应力、焊接接头系数 厚度附加量等参数的选取。第五十九页，编辑于星期六：十八点 二十三分。设计压力（计算压力）设计压力（计
41、算压力）设计压力设计压力:相应设计温度下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。最大工作压力：最大工作压力：是指容器顶部在工作过程中可能产生的最高压力（表压）。使用安全阀时设计压力不小于安全阀开启压力或取最大工作压力1.051.10倍；使用爆破膜作为安全装置时，根据其型式，一般取最大工作压力的1.151.4倍作为设计压力。第六十页，编辑于星期六：十八点 二十三分。容器内盛有液体，若其静压力不超过最大工作压力的5，则设计压力可不计入静压力，否则，须在设计压力中计入液体静压力。此外，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，这些载荷不直接折算为
42、设计压力，必须分别计算。第六十一页，编辑于星期六：十八点 二十三分。设计温度设计温度选择材料和许用应力的确定直接有关。设计温度指容器正常工作中，在相应的设计条件下，金属器壁可能达到的最高或最低温度。器壁温度通过换热计算，或者已适用的同类容器上测定，或按内部介质温度确定。不被加热或冷却，筒内介质最高或最低温度。用蒸汽、热水或其它载热体加热或冷却，载体最高温度或最低温度。不同部位出现不同温度分别计算第六十二页，编辑于星期六：十八点 二十三分。许用应力许用应力v许用应力是以材料的各项强度数据为依据，合理选择安全系数n得出的。v抗拉强度、屈服强度，蠕变强度、疲劳强度。取其中最低值。v当设计温度低于0时
43、，取20时的许用应力。第六十三页，编辑于星期六：十八点 二十三分。焊接接头系数焊接接头系数v焊接削弱而降低设计许用应力的系数。v根据接头型式及无损检测长度比例确定。焊接接头形式无损检测的长度比例100%局部双面焊对接接头或相当于双面焊的对接接头1.00.85单面焊对接接头或相当于单面焊的对接接头0.90.8符合压力容器安全技术检察规程才允许作局部无损探伤。抽验长度不应小于每条焊缝长度的20。第六十四页，编辑于星期六：十八点 二十三分。厚度附加量厚度附加量满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚度量，包括由钢板负偏差(或钢管负偏差)Cl、腐蚀裕量 C2，即 C Cl十 C2厚度22.22.52.
44、83.03.23.53.84 4.55.5 负偏差0.130.140.150.160.18 0.2 0.2 厚度6782526303234 36404250 5260 负偏差0.60.8 0.91 1.11.21.3 第六十五页，编辑于星期六：十八点 二十三分。腐蚀裕量C2应根据各种钢材在不同介质中的腐蚀速度和容器设计寿命确定。塔类、反应器类容器设计寿命一般按20年考虑，换热器壳体、管箱及一般容器按10年考虑。腐蚀速度0.05mma(包括大气腐蚀)时：碳素钢和低合金钢单面腐蚀C21mm，双面腐蚀取C22mm，当腐蚀速度0.05mma时，单面腐蚀取C22mm，双面腐蚀取C24mm。不锈钢取C20
45、。l氢脆、碱脆、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。l工艺减薄量，可由制造单位依据各自的加工工艺和加工能力自行选取，设计者在图纸上注明的厚度不包括加工减薄量。第六十六页，编辑于星期六：十八点 二十三分。七、最小壁厚七、最小壁厚l设计压力较低的容器计算厚度很薄。l大型容器刚度不足，不满足运输、安装。l限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求。l壳体加工成形后不包括腐蚀裕量最小厚度min：a.碳素钢和低合金钢制容器不小于3mm b.对高合金钢制容器，不小于2mm 第六十七页，编辑于星期六：十八点 二十三分。八、压力试验八、压力试验为什麽要进行压力试验呢？为什麽要
46、进行压力试验呢？制造加工过程不完善，导致不安全，发生过大变形或渗漏。最常用的压力试验方法是液压试验。通常用常温水，也可用不会发生危险的其它液体。试验时液体的温度应低于其闪点或沸点。不适合作液压试验的容器：不适合作液压试验的容器：如装入贵重催化剂要求内部烘干；容器内衬耐热混凝土不易烘干；由于结构原因不易充满液体的容器以及容积很大的容器等，可用气压试验代替液压试验。第六十八页，编辑于星期六：十八点 二十三分。对压力试验的规定情况如下表所示：对压力试验的规定情况如下表所示：类型试验压力强度条件说明 备注液压试验 (10-17)（10-19)立式容器卧置进行水压试验，试验压力取立置试验压力+液柱静压力
47、压力试验时，由于容器承受的压力pT 高于设计压力p，故必要时需进行强度效核。气压试验 (10-18）(10-20)pT-试验压力，MPa；p-设计压力，MPa；一试验温度下的材料许用应力，MPa；T 一设计温度下的材料许用应力，MPa 第六十九页，编辑于星期六：十八点 二十三分。液压试验时水温不能过低(碳素钢、16MnR不低于5，其它低合金钢不低于15)，外壳应保持干燥。设备充满水后，待壁温大致相等时，缓慢升压到规定试验压力，稳压30min，然后将压力降低到设计压力，保持30min以检查有无损坏，有无宏观变形，有无泄漏及微量渗透。水压试验后及时排水，用压缩空气及其它惰性气体，将容器内表面吹干。
48、第七十页，编辑于星期六：十八点 二十三分。例题4-2：某化工厂欲设计一台石油气分离工程中的乙烯精馏塔。工艺要求为塔体内径Di=600mm；设计压力p2.2MPa；工作温度t-3-20。试选择塔体材料并确定塔体厚度。解析：解析：由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在-20以上，承受一定的压力，故选用16MnR。根据式(10-12)式中p2.2MPa；Di=600mm；170MPa（附录表6）=0.8(表10-9)；C2=1.0 mm 得：第七十一页，编辑于星期六：十八点 二十三分。考虑钢板厚度负偏差C10.6mm圆正取dn=7mm水压试验时的应力16MnR的屈服限s=345MPa（附录表6）水压试验时
49、满足强度要求。第七十二页，编辑于星期六：十八点 二十三分。九、边缘应力九、边缘应力无力矩理论忽略了剪力与弯矩的影响，可以满足工程设计精度的要求。但对图中所示的一些情况，就须考虑弯矩的影响。第七十三页，编辑于星期六：十八点 二十三分。(a)、(b)、(c)是壳体与封头联接处经线突然折断；(d)是两段厚度不等的筒体相连接(e)、(f)、(g)有法兰、加强圈、管板等刚度大的构件。第七十四页，编辑于星期六：十八点 二十三分。相邻两段性能不同，或所受温度或压力不同，导致两部分变形量不同，但又相互约束，从而产生较大的剪力与弯矩。筒体与封头联接为例，边缘应力数值很大，有时导致容器失效，应重视。边缘应力具有局
50、限性和自限性两个基本特性：边缘应力具有局限性和自限性两个基本特性：1局限性 大多数都有明显的衰减波特性，随离开边缘的距离增大，边缘应力迅速衰减。2自限性 弹性变形相互制约，一旦材料产生塑性变形，弹性变形约束就会缓解，边缘应力自动受到限制，即边缘应力的自限性。塑性好的材料可减少容器发生破坏。局部性与自限性，设计中一般不按局部应力来确定厚度，而是在结构上作局部处理。但对于脆性材料，必须考虑边缘应力的影响。第七十五页，编辑于星期六：十八点 二十三分。思考题思考题1.承受气体压力的圆筒和圆锥形壳体的应力有什么特点？标准椭圆壳的应力又是怎样的？2.无力矩理论的适用条件是什么？3.边缘应力的特点是什么？4