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1、第十章第十章 容器设计基础容器设计基础第一节第一节 概概 论论一一 容器的结构容器的结构 壳体壳体(筒体筒体)、封头、封头(端盖端盖)、法兰、支座、接口管、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及人孔等组成。常低压化工设备通用零部件标准直接选用。直接选用。二二 容器的分类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承压性质按承压性质按管理按管理其它其它按容器壁温按容器壁温按金属材料按金属材料按应用情况按应用情况按容器的形状按容器的形状按容器形状分类按容器形状分类名称名称特特点点方形方形矩矩形容器形容器平板焊成，制造简便，但承压能力平板焊成，制造简便，但承压
2、能力差，只用作小型常压贮槽差，只用作小型常压贮槽球形容球形容器器弓形板拼焊，承压好，安装内件不弓形板拼焊，承压好，安装内件不便，制造稍难便，制造稍难,多用作贮罐多用作贮罐圆筒形圆筒形容器容器筒体和凸形或平板封头。制造容易，筒体和凸形或平板封头。制造容易，安装内件方便，承压较好，应用最安装内件方便，承压较好，应用最广广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容器表表10-1内压容器的分类内压容器的分类容器分类容器分类设计压力设计
3、压力p（MPa）低压容器低压容器0.1p1.6中压容器中压容器1.6p10高压容器高压容器10p100超高压容器超高压容器p100按管理按管理表表10-2安全检查规程使用范围安全检查规程使用范围项目项目条件条件最高工作最高工作压力压力pwpw0.1MPa，不包括液体静压，不包括液体静压内径内径Di，容积容积VDi0.15m且且V0.025m3介质介质气体、液化气体或最高工作温气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体度高于等于标准沸点的液体根据压力等级、介质毒性危害程度以及生根据压力等级、介质毒性危害程度以及生产中的作用，压力容器可分为三类。产中的作用，压力容器可分为三类。第一类压力容
4、器、第二类压力容器、第三第一类压力容器、第二类压力容器、第三类压力容器类压力容器（不包括核能、船舶专用、直接受火焰加（不包括核能、船舶专用、直接受火焰加热的容器）热的容器）名称名称说明说明三类容器三类容器（1）高压容器；高压容器；（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）中度危害介质，且中度危害介质，且pV大于等于大于等于10MPam3中压储存容器；中压储存容器；（4）中度危害介质，且中度危害介质，且pV大于等于大于等于0.5MPam3中压反应容器；中压反应容器；（5）毒性程度为极度和高度危害介质，且毒性程度为极度和高度危害介质，且pV乘积大于
5、等于乘积大于等于0.2MPam3的低压容器；的低压容器；（6）高压、中压管壳式余热锅炉；高压、中压管壳式余热锅炉；（7）中压搪玻璃压力容器；中压搪玻璃压力容器；（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）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；（10）容积大于等于容积大于等于50m3的球形储罐；的球形储罐；（11）容积大于容积大于5m3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）中压容器；中压容器；（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
6、低压容器；（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）低压管壳式余热锅炉；低压管壳式余热锅炉；（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类、第二类压力容器之内的低压容器为第一类压力容器。不在第三类、第二类压力容器之内的低压容器为第一类压力容器。按容器壁温按容器壁温常温容器：常温容器：壁温壁温-20-20至至200200；高温容器：高温容器：壁温达到蠕变温度壁温达到蠕变温度,碳素钢或低碳素钢或低合金钢容器，温度超过合金钢容器，温度超过420420，合金钢超，合金钢超过过4504
7、50，奥氏体不锈钢超过，奥氏体不锈钢超过550550，均，均属高温容器；属高温容器；中温容器：中温容器：在常温和高温之间；在常温和高温之间；低温容器：低温容器：壁温低于壁温低于-20,-20-20,-20至至-40-40为浅冷容器，低于为浅冷容器，低于-40-40者为深冷容器。者为深冷容器。按材料按材料金属容器金属容器: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：既可作为容器的衬里，非金属材料：既可作为容器的衬里，又可作为独立的构件。又可作为独立的构件。三三 容器的零部件标准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、人例如封头、法兰、支座、人孔、手孔、视镜、液
8、面计等孔、手孔、视镜、液面计等)进行标准化、进行标准化、系列化系列化许多化工设备许多化工设备(例如贮槽、换热器、搪玻璃例如贮槽、换热器、搪玻璃与陶瓷反应器与陶瓷反应器)也有了相应的标准。也有了相应的标准。两个基本参数：两个基本参数：公称直径公称直径DNDN：指标准化以后的标准直径，指标准化以后的标准直径，以以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PNPN：容器及管道的操作压力经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，以准化以后的标准压力称为公称压力，
9、以PNPN表示，单位表示，单位MPaMPa。公称直径公称直径1.1.压力容器的公称直径压力容器的公称直径 由钢板卷焊制成的筒体，公称直径是指由钢板卷焊制成的筒体，公称直径是指它的内径；当筒体的直径较小，直接采它的内径；当筒体的直径较小，直接采用无缝钢管制作时，容器的公称直径应用无缝钢管制作时，容器的公称直径应是指无缝钢管的外径；封头的公称直径是指无缝钢管的外径；封头的公称直径与筒体一致。与筒体一致。v容器容器直径较小，直径较小，可直接用无缝钢管制作。可直接用无缝钢管制作。公称直径指钢管外径公称直径指钢管外径。v设计时，应将工艺计算初步确定的设备内设计时，应将工艺计算初步确定的设备内径，调整为符
10、合表径，调整为符合表10-410-4或表或表10-510-5所规定的所规定的公称直径。公称直径。v封头的公称直径与筒体一致。封头的公称直径与筒体一致。2.2.管子的公称直径管子的公称直径 也称公称口径、公称通径。也称公称口径、公称通径。有缝管：有缝管：电焊钢管，化工厂用来输送水、煤电焊钢管，化工厂用来输送水、煤气、空气、油以及取暖用蒸汽等一般压力气、空气、油以及取暖用蒸汽等一般压力的流体管道。的流体管道。无缝管：无缝管：分热轧管和冷拔管两种。如输送流分热轧管和冷拔管两种。如输送流体用无缝钢管体用无缝钢管(GB 8163-87)(GB 8163-87)、石油裂化用、石油裂化用无缝钢管无缝钢管(G
11、B 9948-88)(GB 9948-88)、化肥设备用高压、化肥设备用高压无缝钢管（无缝钢管（GB 647986)GB 647986)等。等。有缝管的公称直径：有缝管的公称直径：v公称直径近似普通钢管内径的名义尺寸。公称直径近似普通钢管内径的名义尺寸。公制公制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，壁厚壁厚（普通）普通）（加厚）加厚）有缝管的公称直径：有缝管的公称直径：v每一公称直径对应一外径，其内径数值每一公称直径对应一外径，其内径数值随厚度不同而不同。随厚度不同而不同。v有缝管按厚度可分为薄壁钢管、普通钢
12、有缝管按厚度可分为薄壁钢管、普通钢管和加厚钢管。管和加厚钢管。v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，而是以无缝钢管不用公称直径，而是以外径乘厚度外径乘厚度表示表示为公称外径与公称厚度。为公称外径与公称厚度。在管道工程中，管径超过在管道工程中，管径超过57mm57mm时，常采用热轧时，常采用热轧管。管径在管。管径在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为200mm200mm；热轧管的最大外径为热轧管的最大外径为630mm
13、630mm。3.3.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、封头法兰、支座等公称直径是相配的筒体、封头的公称直径。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还有一些零部件的公称直径是与它相配的管子公称直径子公称直径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另有一些容器零部件公称直径是指结构中某一重要尺寸，一重要尺寸，DNDN80(80(DgDg80)80)视镜是指窥视孔的视镜是指窥视孔的直径为直径为80mm80mm。公称压力公称压力工作压力不同，相同公称直
14、径的压力容器其筒工作压力不同，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。体及其零部件的尺寸也不同。将承受的压力范围分为若干个标准压力等级，将承受的压力范围分为若干个标准压力等级，即公称压力。即公称压力。表表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v设计时如果选用标准零部件，必须将操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作温度下的最高操作压力(或设计压力或设计压力)调调整为所规定的某一公称压力等级，整为所规定的某一公称压力等级，然后然后根据根据DNDN与与PNPN选定该零部件的尺寸。选定该零部件的尺寸。v如果零部件不选用标准零部
15、件，而是自如果零部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定的公行设计，设计压力就不必符合规定的公称压力。称压力。四、压力容器的标准简介四、压力容器的标准简介它是压力容器设计、制造、验收等它是压力容器设计、制造、验收等必须遵循的准则。压力容器标准涉及必须遵循的准则。压力容器标准涉及设计方法、选材及制造、检验方法等。设计方法、选材及制造、检验方法等。国内标准国内标准v19891989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钢制压力容器钢制压力容器v19981998年修订成年修订成GB150-1998GB150-1998，使
16、标准更加完善。使标准更加完善。vGB150GB150钢制压力容器钢制压力容器内容包括：内容包括：压力容器板壳元件的计算压力容器板壳元件的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 国外主要规范国外主要规范国外的规范主要有四个：国外的规范主要有四个：美国机械工程师协会规范（美国机械工程师协会规范（ASMEASME）英国压力容器规范（英国压力容器规范（BSBS），），日本国家标准（日本国家标准（JISJIS），），德国压力容器规范（德国压力容器规范（ADAD）。）。五五 容器机械设计的基本要求容器机械
17、设计的基本要求 在进行压力容器机械设计时在进行压力容器机械设计时,它的总体尺寸、它的总体尺寸、零部件尺寸由工艺条件决定或由经验所得，因零部件尺寸由工艺条件决定或由经验所得，因此我们这里主要是指结构设计。要求有以下几此我们这里主要是指结构设计。要求有以下几个方面。个方面。1 1、强度、强度 2 2、刚度、刚度 3 3、稳定性、稳定性 4 4、耐久性、耐久性 5 5、密封性、密封性 6 6、节省材料和便于制造、节省材料和便于制造 7 7、方便操作和便于运输、方便操作和便于运输 8 8、技术经济指标合理、技术经济指标合理 第二节第二节 内压薄壁容器设计内压薄壁容器设计薄壁容器薄壁容器 根据容器外径根
18、据容器外径D DOO与内径与内径D Di i的比值的比值K K来判断，来判断，当当 K K为薄壁容器为薄壁容器 K K则为厚壁容器则为厚壁容器一、薄壁容器设计的理论基础一、薄壁容器设计的理论基础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应力只有拉应力无弯曲应力“环向纤维环向纤维”和和“纵向纵向纤维纤维”受到拉力。受到拉力。s s1 1（或（或s s轴轴）圆筒母线方）圆筒母线方向向(即轴向即轴向)拉应力，拉应力，s s2 2（或（或s s环环）圆周方向的）圆周方向的拉应力。拉应力。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 D-筒体平均直径，亦称中
19、筒体平均直径，亦称中径，径，mmmm；2.2.环向应力环向应力分析：分析：（1 1）薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应）薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍。力两倍。问题问题a a：筒体上开椭圆孔，如何开？：筒体上开椭圆孔，如何开？应使其短轴与筒体的轴应使其短轴与筒体的轴线平行，以尽量减少开线平行，以尽量减少开孔对纵截面的削弱程度，孔对纵截面的削弱程度，使环向应力不致增加很使环向应力不致增加很多。多。分析：分析：问题问题b b：钢板卷制圆筒形：钢板卷制圆筒形容器，纵焊缝与环焊缝容器，纵焊缝与环焊缝哪个易裂？哪个易裂？筒体纵向焊缝受力大于环筒体纵向焊缝受力大于环向焊缝，故纵焊缝易裂，向焊缝，故纵焊缝
20、易裂，施焊时应予以注意。施焊时应予以注意。（2 2）分析式）分析式(10-1)(10-1)和和(10-2)(10-2)可知，可知，内压筒壁的应力和内压筒壁的应力和d d/D D成反比，成反比，d d/D D 值的值的大小体现着圆筒承压能力的高低。大小体现着圆筒承压能力的高低。因此，因此，分析一个设备能耐多大压力，不分析一个设备能耐多大压力，不能只看厚度的绝对值。能只看厚度的绝对值。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）：壳体中面（等分壳体厚度）是任意直线或平面曲线作
21、母线，绕其同平面内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。的轴线旋转一周而成的旋转曲面。（2 2）轴对称轴对称壳体的几何形状、约束条件和所受外力壳体的几何形状、约束条件和所受外力都是对称于某一轴。都是对称于某一轴。化工用的压力容器通常是轴对称问题。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 母线与经线母线与经线 法线、平行圆法线、平行圆 第一曲率半径：第一曲率半径：经经线曲率半径线曲率半径 第二曲率半径：第二曲率半径：垂垂直于经线的平面直于经线的平面与中面相割形成与中面相割形成的曲线的曲线BEBE的曲率的曲率半径半径2 2
22、基本假设基本假设 假定壳体材料有连续性、均匀性和各向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。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。变形分析中高阶尺寸代替变形后尺寸。变形分析中高阶微量可忽略。微量可忽略。2 2 基本假设基本假设(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向线段长度不变。沿厚度各点法向位移相同
23、，厚度不变。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。各层纤维变形前后互不挤压。无力矩理论基本方程式无力矩理论基本方程式 无力矩理论无力矩理论是在旋转薄壳的受力分析中是在旋转薄壳的受力分析中忽略了弯矩忽略了弯矩的作用。的作用。此时应力状态和承受内压的薄膜相似。此时应力状态和承受内压的薄膜相似。又称又称薄膜理论薄膜理论（10-310-3）平衡方程平衡方程（10-410-4）区域平衡方程区域平衡方程 无力矩理论基本方程式：无力矩理论基本方程式：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 第一曲率半径第一曲率半径R R1 1=，第二曲率半径第二
24、曲率半径R R2 2=D D/2/2 代入方程（代入方程（10-310-3）和）和（10-410-4）得：）得：2 2球形壳体球形壳体 球壳球壳R R1 1R R2 2=D D/2/2，得：，得：直径与内压相同情形下，直径与内压相同情形下，球壳内应力仅是圆球壳内应力仅是圆筒形壳体环向应力的一半，筒形壳体环向应力的一半，即球形壳体的厚度即球形壳体的厚度仅需圆筒容器厚度的一半。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，故大型当容器容积相同时，球表面积最小，故大型贮罐制成贮罐制成球形较为经济球形较为经济。3 3圆锥形壳体圆锥形壳体圆锥形壳半锥角为圆锥形壳半锥角为a a，A A点处半径为
25、点处半径为r r，厚度，厚度为为d d，则在，则在A A点处：点处：代入（代入（10-310-3）、（）、（10-410-4）可得）可得A A点处的应力：点处的应力：锥形壳体环向应力是经向应力两倍，随半锥锥形壳体环向应力是经向应力两倍，随半锥角角a a的增大而增大；的增大而增大；a a角要选择合适，不宜太大。角要选择合适，不宜太大。在锥形壳体大端在锥形壳体大端r r=R R时，应力最大，在锥顶时，应力最大，在锥顶处，应力为零。因此，一般在锥顶开孔。处，应力为零。因此，一般在锥顶开孔。4 4椭圆形壳体椭圆形壳体 椭圆壳经线为一椭圆，椭圆壳经线为一椭圆，a a、b b分别为椭圆的长短轴半径。分别为
26、椭圆的长短轴半径。由此方程可得第一曲率半径为：由此方程可得第一曲率半径为：（4-7）化工常用标准椭圆形封头，化工常用标准椭圆形封头，a/b=2，故，故 顶点处顶点处：边缘处：边缘处：顶点应力最大，经向应力与环顶点应力最大，经向应力与环向应力是相等的拉应力。向应力是相等的拉应力。顶点的经向应力比边缘处的经顶点的经向应力比边缘处的经向应力大一倍；向应力大一倍；顶点处的环向应力和边缘处相顶点处的环向应力和边缘处相等但符号相反。等但符号相反。应力值连续变化。应力值连续变化。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：筒壁上任一点的压力值（
27、不考虑气体压力）为：根据式（根据式（10-310-3）（10-410-4）可得：）可得：v 底部支承的圆筒（底部支承的圆筒（a a），），液体重量由支液体重量由支承传递给基础，筒壁承传递给基础，筒壁不受液体轴向力不受液体轴向力作用，作用，则则s s1 1=0=0。v 上部支承圆筒（上部支承圆筒（b b），），液体重量使得圆液体重量使得圆筒壁筒壁受轴向力受轴向力作用，在圆筒壁上产生经向作用，在圆筒壁上产生经向应力：应力：例题例题10-110-1：有一外径为：有一外径为219mm219mm的氧气瓶，最的氧气瓶，最小厚度为，材料为小厚度为，材料为40Mn2A40Mn2A，工作压力为，工作压力为15M
28、Pa15MPa，试求氧气瓶壁应力，试求氧气瓶壁应力解析：解析：平均直径平均直径 mm mm经向应力经向应力 MPa MPa环向应力环向应力 MPa MPa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：实际设计中须考虑三个因素：（1）焊接接头系数）焊接接头系数（2）容器内径）容器内径（3）壁厚壁厚筒体内较大的环向应力不应筒体内较大的环向应力不应高于在设计温度下材料的许高于在设计温度下材料的许用应力，即用应力，即 s s t t-设计温度设计温度tt下材料许用应力，下材料许用应力，MPaMPa。焊接接头系数焊接接头系数钢板卷焊。夹渣、气孔、未焊透等缺钢板卷焊。夹渣、气孔、未焊透等缺陷，
29、导致焊缝及其附近区域强度可能低陷，导致焊缝及其附近区域强度可能低于钢材本体的强度。于钢材本体的强度。钢板钢板 s s t t乘以焊接接头系数乘以焊接接头系数j j，j j11 容器内径容器内径工艺设计确定内径工艺设计确定内径D Di i，制造测量也是，制造测量也是内径，而受力分析中的内径，而受力分析中的D D却是中面直径。却是中面直径。解出解出d d，得到内压圆筒的厚度计算式，得到内压圆筒的厚度计算式 壁厚壁厚考虑介质腐蚀，计算厚度考虑介质腐蚀，计算厚度d d的基础上，的基础上，增加增加腐蚀裕量腐蚀裕量C C2 2。筒体的。筒体的设计厚度设计厚度为为式中式中 d d-圆筒计算厚度，圆筒计算厚度
30、，mm mm；d dd d-圆筒设计厚度，圆筒设计厚度，mm mm；D Di i-圆筒内径，圆筒内径，mm mm；p p-容器设计压力，容器设计压力，MPa MPa；j j-焊接接头系数。焊接接头系数。另一种情况：另一种情况：筒体设计厚度加上厚度筒体设计厚度加上厚度负偏差负偏差C1C1后向上圆整，后向上圆整，即为筒体名义厚度。即为筒体名义厚度。对于已有的圆筒，测量厚度为对于已有的圆筒，测量厚度为d dn n，则其最大许，则其最大许可可承压承压的计算公式为：的计算公式为：式中式中 ：d dn n-圆筒名义厚度圆筒名义厚度 圆整成钢材标准值；圆整成钢材标准值；d de e-圆筒有效厚度圆筒有效厚度
31、C-C-厚度附加量厚度附加量 设计温度下圆筒的计算设计温度下圆筒的计算应力应力C1C2圆整值加工减薄量C=C1+C2五、球壳强度计算五、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厚度：设计温度下球壳的计算应力设计温度下球壳的计算应力六、设计参数六、设计参数厚度设计参数按厚度设计参数按GBl50-1998GBl50-1998中规定取值。中规定取值。设计压力、设计压力、设计温度、设计温度、许用应力、许用应力、焊接接头系数焊接接头系数 厚度附加量等参数的选取。厚度附加量等参数的选取。设计压力（计算压力）设计压力（计算压力）工作压力工作压力pwpw：指在正常工作情况下，容器顶指在正常工
32、作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。部可能达到的最高压力。设计压力设计压力p p：指设定的容器顶部的最高压力，指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，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。其值不低于工作压力。计算压力计算压力pcpc：指在相应设计温度下，用以确指在相应设计温度下，用以确定壳体各部位厚度的压力，其中包括液柱静定壳体各部位厚度的压力，其中包括液柱静压力。当壳体各部位或元件所承受的液柱静压力。当壳体各部位或元件所承受的液柱静压力小于压力小于5%5%设计压力时，可忽略不计。设计压力时，可忽略不计。最大工作压力：最大工作压力：是指容器顶
33、部在工作过程是指容器顶部在工作过程中可能产生的最高压力（表压）。中可能产生的最高压力（表压）。设计压力（计算压力）设计压力（计算压力）v使用安全阀时设计压力不小于安全阀开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倍；启压力或取最大工作压力倍；v使用爆破膜根据其型式，一般取最大工使用爆破膜根据其型式，一般取最大工作压力的倍作为设计压力。作压力的倍作为设计压力。容器内盛有液体，容器内盛有液体，若其静压力不超过最大若其静压力不超过最大工作压力的工作压力的5 5，则设计压力可不计入，则设计压力可不计入静压力，否则，须在设计压力中计入液静压力，否则，须在设计压力中计入液体静压力。体静压力。
34、此外，某些容器有时此外，某些容器有时还必须考虑重力、风还必须考虑重力、风力、地震力等载荷及温度的影响力、地震力等载荷及温度的影响，这些，这些载荷不直接折算为设计压力，必须分别载荷不直接折算为设计压力，必须分别计算。计算。设计温度设计温度与选择材料和许用应力的确定直接有关。与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设计条件下，金属器壁可能达到的最高或最低温度。高或最低温度。设计温度设计温度器壁温度通过换热计算。器壁温度通过换热计算。v不被加热或冷却，筒内介质最高或最不被加热或冷却，筒内介质最高或最低温度
35、。低温度。v用蒸汽、热水或其它载热体加热或冷用蒸汽、热水或其它载热体加热或冷却，载体最高温度或最低温度。却，载体最高温度或最低温度。v不同部位出现不同温度分别计算不同部位出现不同温度分别计算许用应力许用应力许用应力是以材料的各项强度数据为依据，许用应力是以材料的各项强度数据为依据，合理选择安全系数合理选择安全系数n n得出的。得出的。抗拉强度、屈服强度，蠕变强度、疲劳强抗拉强度、屈服强度，蠕变强度、疲劳强度。取其中最低值。度。取其中最低值。当设计温度低于当设计温度低于00时，取时，取2020时的许用时的许用应力。应力。焊接接头系数焊接接头系数焊接削弱而降低设计许用应力的系数。焊接削弱而降低设计
36、许用应力的系数。根据接头型式及无损检测长度比例确定。根据接头型式及无损检测长度比例确定。符合压力容器安全技术检察规程才允许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作局部无损探伤。抽验长度不应小于每条焊缝长度的缝长度的20。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，包括由钢板负偏差加的厚度量，包括由钢板负偏差(或钢或钢管负偏差管负偏差)C Cl l、腐蚀裕量、腐蚀裕量 C C2 2，即，即 C C C Cl l十十 C C2 2厚度厚度22.22.52.83.03.23.53.844.55.5负偏差负偏差
37、0.13 0.14 0.150.160.180.20.2厚度厚度6782526303234364042505260负偏差负偏差0.60.80.911.11.21.3腐蚀裕量腐蚀裕量C C2 2应根据各种钢材在不同介应根据各种钢材在不同介质中的质中的腐蚀速度和容器设计寿命腐蚀速度和容器设计寿命确确定。定。塔类、反应器类容器设计寿命一般按塔类、反应器类容器设计寿命一般按2020年考虑，换热器壳体、管箱及一年考虑，换热器壳体、管箱及一般容器按般容器按1010年考虑。年考虑。腐蚀速度腐蚀速度a(a(包括大气腐蚀包括大气腐蚀)时：时：碳素钢和低合金钢单面腐蚀碳素钢和低合金钢单面腐蚀C C2 21mm1m
38、m，双，双面腐蚀取面腐蚀取C C2 22mm2mm，当腐蚀速度当腐蚀速度a a时，单面腐蚀取时，单面腐蚀取C C2 22mm2mm，双面腐蚀取，双面腐蚀取C C2 24mm4mm。不锈钢取不锈钢取C C2 20 0。七、最小壁厚七、最小壁厚设计压力较低的容器计算厚度很薄。设计压力较低的容器计算厚度很薄。大型容器刚度不足，不满足运输、安装。大型容器刚度不足，不满足运输、安装。限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求。限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求。壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度度d dminmin：a.a.碳素钢和低合金钢制容器不小于碳素钢和低合金钢制容
39、器不小于3mm 3mm b b对高合金钢制容器，不小于对高合金钢制容器，不小于2mm 2mm 八、压力试验八、压力试验为什么要进行压力试验呢？为什么要进行压力试验呢？制造加工过程不完善，导致不安全，发生制造加工过程不完善，导致不安全，发生过大变形或渗漏。过大变形或渗漏。最常用的压力试验方法是液压试验。最常用的压力试验方法是液压试验。常温水。也可用不会发生危险的其它液体常温水。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。试验时液体的温度应低于其闪点或沸点。八、压力试验八、压力试验不适合作液压试验的情形：不适合作液压试验的情形：如装入贵重催化剂要求内部烘干，如装入贵重催化剂要求
40、内部烘干，或容器内衬耐热混凝土不易烘干，或容器内衬耐热混凝土不易烘干，或由于结构原因不易充满液体的容器以或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，及容积很大的容器等，可用可用气压试验代替液压试验气压试验代替液压试验。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：试试验验类类型型试验压力试验压力强度条件强度条件说明说明备注备注液液压压试试验验(4-17)（4-19)立式容器卧置进立式容器卧置进行水压试验时，行水压试验时，试验压力应取立试验压力应取立置试验压力加液置试验压力加液柱静压力。柱静压力。压力试验时，压力试验时，由于容器承由于容器承受的压力受的压力pT高于设计
41、压高于设计压力力p，故必，故必要时需进行要时需进行强度效核。强度效核。气气压压试试验验(4-18）(4-20)pT-试验压力，试验压力，MPa；p-设计压力，设计压力，MPa；s s 一试验温度下的材料许用应力，一试验温度下的材料许用应力，MPa；s sT一设计温度下的材料许用应力，一设计温度下的材料许用应力，MPa v液压试验时水温不能过低液压试验时水温不能过低(碳素钢、碳素钢、16MnR16MnR不不低于低于55，其它低合金钢不低于，其它低合金钢不低于15)15)，外壳应，外壳应保持干燥。保持干燥。v设备充满水后，待壁温大致相等时，缓慢升压设备充满水后，待壁温大致相等时，缓慢升压到规定试验
42、压力，稳压到规定试验压力，稳压30min30min，然后将压力降然后将压力降低到设计压力，保持低到设计压力，保持30min30min以检查有无损坏，以检查有无损坏，有无宏观变形，有无泄漏及微量渗透。有无宏观变形，有无泄漏及微量渗透。v水压试验后及时排水，用压缩空气及其它惰性水压试验后及时排水，用压缩空气及其它惰性气体，将容器内表面吹干气体，将容器内表面吹干九、边缘应力九、边缘应力无力矩理论忽略了无力矩理论忽略了剪力与弯矩的影剪力与弯矩的影响，可以满足工响，可以满足工程设计精度的要程设计精度的要求。求。但对图中所示的一但对图中所示的一些情况，就须考些情况，就须考虑弯矩的影响虑弯矩的影响。(a)(
43、a)、(b)(b)、(c)(c)是壳体与是壳体与封头联接处经线突然封头联接处经线突然折断；折断；(d)(d)是两段厚度不等的是两段厚度不等的筒体相连接；筒体相连接；(e)(e)、(f)(f)、(g)(g)有法兰、有法兰、加强圈、管板等刚度加强圈、管板等刚度大的构件。大的构件。相邻两段材料性能不同，或所受温度或压相邻两段材料性能不同，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。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，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，边缘应力数值很大，有时导致容器失效，
44、应重视。应重视。边缘应力具有局限性和自限性两个基边缘应力具有局限性和自限性两个基本特性：本特性：1 1局限性局限性 大多数都有明显的衰减波大多数都有明显的衰减波特性，随离开边缘的距离增大，边缘应特性，随离开边缘的距离增大，边缘应力迅速衰减。力迅速衰减。2 2自限性自限性 弹性变形相互制约，一旦弹性变形相互制约，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，即边缘缓解，边缘应力自动受到限制，即边缘应力的自限性。应力的自限性。v塑性好的材料可减少容器发生破坏。塑性好的材料可减少容器发生破坏。v局部性与自限性，设计中一般不按局部局部性与自限性，设
45、计中一般不按局部应力来确定厚度，而是在结构上作局部应力来确定厚度，而是在结构上作局部处理。处理。v但对于脆性材料，必须考虑边缘应力的但对于脆性材料，必须考虑边缘应力的影响。影响。例题例题10-210-2：某化工厂欲设计一台石油气分离工程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中的乙烯精馏塔。工艺要求为塔体内径D Di i=600mm=600mm；设计压力；设计压力p p；工作温度；工作温度t t-3-3-20-20。试选择。试选择塔体材料并确定塔体厚度。塔体材料并确定塔体厚度。解析：由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在解析：由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在-20-20以上，承受一定的压力，故选用以上，承受一定的压力，故选用16MnR16MnR。根据式根据式(10-12)(10-12)式中式中pMPa；Di=600mm；s s170MPa j j=0.8(表表10-9)；C2=1.0mm 得：得：考虑钢板厚度负偏差考虑钢板厚度负偏差C C1 1圆整取圆整取d dn n=7mm=7mm水压试验时的应力水压试验时的应力16MnR16MnR的屈服限的屈服限s ss s=345MPa=345MPa（附录表（附录表6 6）水压试验时满足强度要求水压试验时满足强度要求