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1、06 二月 2023第第1010章章 容器设计容器设计基本知识基本知识10.1 10.1 概概 论论第1页/共120页06 二月 2023主要内容结构结构:筒体、封头、零部件筒体、封头、零部件分类分类:形状、压力、管理、毒形状、压力、管理、毒害、三大类、温度、材料、应害、三大类、温度、材料、应用用第2页/共120页06 二月 2023一、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、法兰、支座、接口管及人孔等组成。常低压支座、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。化工设备通用零部件标准直接选用。第3页/共120页06 二月 2023二、容器的
2、分类二、容器的分类压力容器分类压力容器分类按容器的形状按承压性质按管理其它按容器壁温按金属材料按应用情况第4页/共120页06 二月 2023按容器的形状按容器的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5页/共120页06 二月 2023按承压性质按承压性质 内内压：内部介质压力大于外界压力压：内部介质压力大于外界压力外外压：内部介质压力小于外界压力压：内部介质压力小于外界压力真空真空：内部压力小于一个绝压的外压：内
3、部压力小于一个绝压的外压容器容器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6页/共120页06 二月 2023按管理按管理安全检查规程使用范围项目条件（同时具备）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第7页/共120页06 二月 2023根据压力等级、介质毒性危害程度以根据压力等级、介质毒性危害程度以及生产中的作用，压力容器可分为三及生产中的作用，压力容器可分为三类。类。第第一一类压力容器、第类压力容器
4、、第二二类压力容器、类压力容器、第第三三类压力容器类压力容器不包括不包括核能、船舶专用、直接受火焰核能、船舶专用、直接受火焰加热容器加热容器第8页/共120页06 二月 2023毒性危害程度分级毒性危害程度分级指标分级极度危害高度危害中度危害轻度危害急性中毒吸入200mg/m3200mg/m32000mg/m320000mg/m3经皮1001005002500经口25255005000急性中毒易中毒，后果严重可中毒，愈后良好偶可中毒无中毒但有影响慢性中毒患病率高较高偶有发生有影响慢性中毒后果继续进展不能治愈可基本治愈可恢复无严重后果可恢复无不良后果致癌性人体致癌可疑致癌动物致癌无致癌性最高容许
5、浓度0.10.1-1.0-10常见化学介质光气、汞、氰化氢甲醛,苯胺、氟化氢二氧化硫,硫化氢,氨第9页/共120页06 二月 2023三类容器（1）高压容器；（2）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PV大于等于10MPam3中压储存容器；（4）中度危害介质，且PV大于等于0.5MPam3中压反应容器；（5）毒性程度为极度和高度危害介质，且PV乘积大于等于0.2MPam3的低压容器；第10页/共120页06 二月 2023三类容器（6）高压、中压管壳式余热锅炉；（7）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；（9）移动式压力容器，铁路罐车、罐式汽
6、车和罐式集装箱等；（10）容积大于等于50 m3的球形储罐；（11）容积大于5 m3的低温液体储存容器。第11页/共120页06 二月 2023二类容器（1）中压容器；（2）毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器；（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压储存容器；（4）低压管壳式余热锅炉；（5）低压搪玻璃压力容器。第12页/共120页06 二月 2023一类容器不在第三类、第二类压力容器之内的低压容器为第一类压力容器。第13页/共120页06 二月 2023判断题：判断题：判断下列容器属一、二、三类容器的哪一判断下列容器属一、二、三类容器的哪一类？类？1 1）20002000
7、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14页/共120页06 二月 2023按容器壁温按容器壁温常温常温容器：壁温容器：壁温-20-20至至200200；高温高温容器：壁温达到蠕变温度容器：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450450，奥氏体不锈钢超过，奥氏体不锈钢超过550550，均属，均属高温容器；高温容器；中温中温容器：在常温和高温之间；容器：在常温和高温之间；低温容器：壁
8、温低于低温容器：壁温低于-20,-20,-20-20至至-40-40为浅冷容器，为浅冷容器，低于低于-40-40者为深冷容器。者为深冷容器。第15页/共120页06 二月 2023按材料按材料金属金属容器容器:钢制钢制,铸铁铸铁,有色金属容器有色金属容器非金属非金属材料：既可作为容器的衬里，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。第16页/共120页06 二月 2023按材料按材料应用最多是低应用最多是低碳钢碳钢和普通低和普通低合金合金钢，钢，腐蚀严重或产品纯度要求高用腐蚀严重或产品纯度要求高用不锈不锈钢、钢、不锈复合钢板、不锈复合钢板、铝铝板及板及钛钛材。材。在深冷
9、操作中，可用在深冷操作中，可用铜或铜铜或铜合金；合金；常用常用非金属材料非金属材料的有：硬聚氯乙烯、的有：硬聚氯乙烯、玻璃钢、不透性石墨、化工搪瓷、化玻璃钢、不透性石墨、化工搪瓷、化工陶瓷及砖、板、橡胶衬里等工陶瓷及砖、板、橡胶衬里等第17页/共120页06 二月 2023按按应用应用情况情况反应反应压力容器（）完成物理、化学反压力容器（）完成物理、化学反应，如反应器、反应釜、分解锅、聚应，如反应器、反应釜、分解锅、聚合釜、变换炉等；合釜、变换炉等；换热换热压力容器（）热量交换，如热交压力容器（）热量交换，如热交换器、管壳式余热锅炉、冷却器、冷换器、管壳式余热锅炉、冷却器、冷凝器、蒸发器等；凝
10、器、蒸发器等；第18页/共120页06 二月 2023按应用情况按应用情况分离分离压力容器（）流体压力平衡缓压力容器（）流体压力平衡缓冲和气体净化分离，如分离器、过滤冲和气体净化分离，如分离器、过滤器、缓冲器、吸收塔、干燥塔等；器、缓冲器、吸收塔、干燥塔等；储存储存压力容器：（，球罐为）储压力容器：（，球罐为）储存、盛装气体、液体、液化气体等介存、盛装气体、液体、液化气体等介质，如各种形式的贮罐、贮槽、高位质，如各种形式的贮罐、贮槽、高位槽、计量槽、槽车等。槽、计量槽、槽车等。第19页/共120页06 二月 2023三、容器的三、容器的零部件标准零部件标准容器的零部件容器的零部件(例如封头、法
11、兰、例如封头、法兰、支座、人孔、手孔、视镜、液面支座、人孔、手孔、视镜、液面计等计等)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、例如贮槽、换热器、搪玻璃与陶瓷反应器搪玻璃与陶瓷反应器)也有了相应也有了相应的标准。的标准。第20页/共120页06 二月 2023两个基本参数：两个基本参数：公称直径公称直径DNDN：指标准化以后的标准：指标准化以后的标准直径，以直径，以DNDN表示，单位表示，单位mmmm，例如内，例如内径径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：容
12、器及管道的操作压力经标准化以后的标准压力称为公力经标准化以后的标准压力称为公称压力，以称压力，以PNPN表示，单位表示，单位MPaMPa。第21页/共120页06 二月 2023公称直径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
13、3800 4000 4200 4400 45004600 4800 5000 5200 5400 5500 5600 5800 6000第22页/共120页06 二月 2023 容器直径较小，可直接用无容器直径较小，可直接用无缝钢管制作。公称直径指钢管缝钢管制作。公称直径指钢管外径。外径。159219273325377426无缝钢管制作筒体时容器的公称直径（mm）第23页/共120页06 二月 2023u设计时，应将工艺计算设计时，应将工艺计算初步初步确定确定的设备内径，的设备内径，调整调整为符合为符合所规定的公称直径。所规定的公称直径。u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
14、24页/共120页06 二月 2023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。有缝有缝管：电焊钢管，化工厂用来输送管：电焊钢管，化工厂用来输送水、煤气、空气、油以及取暖用蒸水、煤气、空气、油以及取暖用蒸汽等流体管道。汽等流体管道。无缝无缝管：分热轧管和冷拔管两种。如管：分热轧管和冷拔管两种。如输送流体用无缝钢管输送流体用无缝钢管(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 GB 647986)647986)等。等。
15、第25页/共120页06 二月 2023有缝有缝管的公称直径：管的公称直径：|公称直径公称直径近似普通钢管内径的近似普通钢管内径的名义尺寸。公制名义尺寸。公制mmmm，英制，英制inin。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（普通）（普通）3.25mm3.25mm（加厚）（加厚）第26页/共120页06 二月 2023有缝管的公称直径：有缝管的公称直径：|每一公称直径每一公称直径对应对应一外径，其内径一外径，其内径数值随厚度不同而不同。数值随厚度不同而不同。|有缝管按厚度可分为有缝管按厚度可分为薄壁薄壁
16、钢管、钢管、普普通通钢管和钢管和加厚加厚钢管。钢管。|管路管路附件附件也用公称直径表示，意义也用公称直径表示，意义同同第27页/共120页06 二月 2023无缝无缝钢管的公称尺寸：钢管的公称尺寸：分分热轧热轧管和管和冷拔冷拔管。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。为公称外径与公称厚度。表示。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，常采用时，常采用热轧热轧管。管径在管。管径在57mm57mm以内常选用以内常选用冷拔冷拔管。管。冷拔管的冷拔管的最大外径最大外径为为200mm200mm；热轧管的热轧管的最大
17、外径最大外径为为630mm630mm。第28页/共120页06 二月 20233.3.容器零部件的公称直径容器零部件的公称直径 法兰、支座等公称直径是法兰、支座等公称直径是相配的相配的筒体、筒体、封头的公称直径。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还有一些零部件的公称直径是与它相配的配的管子公称直径管子公称直径DNDN200200管法兰管法兰另有一些容器零部件公称直径是另有一些容器零部件公称直径是指结指结构中某一重要尺寸构中某一重要尺寸，DNDN80(80(DgDg80)80)视镜视镜是指窥视孔的直径为是指窥视孔的
18、直径为80mm80mm。第29页/共120页06 二月 2023 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。筒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将承受的压力范围分为若干个标准压力等级标准压力等级，即公称压力。即公称压力。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MPa压力容器法兰0.250.6 1.0 1.6 2.5 4.0 6.4管法兰0.250.6 1.0 1.6 2.5 4.0 6.4 10 15 25第30页/共120页06 二月 2023设计时如果选用设计时如果选用标准标
19、准零部件，必零部件，必须将操作温度下的最高操作压力须将操作温度下的最高操作压力(或设计压力或设计压力)调整为所规定的某一调整为所规定的某一公称压力等级，然后根据公称压力等级，然后根据DNDN与与PNPN选定该零部件的尺寸。选定该零部件的尺寸。如果零件不选用标准零部件，而如果零件不选用标准零部件，而是是自行设计自行设计，设计压力就不必符合，设计压力就不必符合规定的公称压力。规定的公称压力。第31页/共120页06 二月 2023四、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压力容器标准是全面总结全面总结压力容器生产、设压力容器生产、设计、安全等方面的经验，不断纳入新科技成果而计、安全
20、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、验收等产生的。它是压力容器设计、制造、验收等必须必须遵循的准则遵循的准则。压力容器标准涉及设计方法、选材。压力容器标准涉及设计方法、选材及制造、检验方法等。及制造、检验方法等。第32页/共120页06 二月 2023 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
21、容包括：内容包括：压力容器压力容器板壳元件板壳元件计算计算容器容器结构要素结构要素的确定的确定密封密封设计设计超压超压泄放泄放装置的设置装置的设置容器的容器的制造与验收制造与验收的要求等的要求等第33页/共120页06 二月 2023 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：美美国国ASMEASME规范，规范，英英国压力容器规范（国压力容器规范（BSBS），），日日本国家标准（本国家标准（JISJIS），），德德国压力容器规范（国压力容器规范（ADAD）。）。第34页/共120页06 二月 202310.2内压薄壁容器的设计内压薄壁容器的设计第35页/共120页06
22、 二月 2023一、薄壁容器设计的理论基础一、薄壁容器设计的理论基础（一）薄壁容器（一）薄壁容器根据容器根据容器外外径径DO与与内内径径Di的比值的比值K来判断，来判断，当当K K1.21.2为为薄壁容器壁容器 K K1.21.2则为则为厚厚壁容器壁容器第36页/共120页06 二月 2023（二）圆筒形薄壁容器承受内压时的二）圆筒形薄壁容器承受内压时的应力应力只有只有拉应力拉应力无无弯曲弯曲“环向纤维环向纤维”和和“纵向纤维纵向纤维”受到拉力。受到拉力。s sm圆筒母线方向圆筒母线方向(即即经向经向)拉拉应力，应力，s s圆周圆周方向的方向的拉拉应力。应力。第37页/共120页06 二月 2
23、023（三）圆筒的应力计算（三）圆筒的应力计算1.经向经向应力应力D-筒体筒体平均平均直径，亦称直径，亦称中中径，径，mm；第38页/共120页06 二月 20232.环向应力环向应力第39页/共120页06 二月 2023分析：分析：（1）薄壁圆筒受内压）薄壁圆筒受内压环环向应力是向应力是轴轴向向应力应力两两倍。倍。问题问题a：筒体上开椭圆孔，：筒体上开椭圆孔，如何开？如何开？应使其应使其短轴短轴与筒体的与筒体的轴轴线平行，以尽量减少开线平行，以尽量减少开孔对孔对纵纵截面的削弱程度，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。第40页/共120页06 二月 2023分析：
24、分析：问题问题b：钢板卷制圆：钢板卷制圆筒形容器，筒形容器，纵纵焊缝焊缝与与环环焊缝焊缝哪个易裂哪个易裂？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41页/共120页06 二月 2023（2）分析上式可知，）分析上式可知，内压筒壁的内压筒壁的应力和应力和/D D成反比成反比，/D D 值的大小体现着圆筒承压能值的大小体现着圆筒承压能力的高低。力的高低。因此，分析一个设备能耐多大压因此，分析一个设备能耐多大压力，不能只看厚度的绝对值。力，不能只看厚度的绝对值。第42页/共120页06 二月 2023二、无力矩理论基本方程式二、无力矩理论基本方程式（一）基本概念与基本假设（一
25、）基本概念与基本假设1基本概念基本概念（1）旋转壳体旋转壳体：壳体：壳体中间面中间面（等分壳体厚度）是（等分壳体厚度）是任意直线或平面曲线作母线，任意直线或平面曲线作母线，绕其同平面内的轴绕其同平面内的轴线线旋转一周而成的旋转曲面。旋转一周而成的旋转曲面。第43页/共120页06 二月 2023（2）轴对称轴对称壳体的几何壳体的几何形状形状、约束、约束条件条件和所受和所受外力外力都是对都是对称于某一轴。称于某一轴。化工用的压力容器化工用的压力容器通常是通常是轴对称问题。轴对称问题。第44页/共120页06 二月 2023（3）旋转壳体的几何概念）旋转壳体的几何概念母母线与线与经经线线法法线、平
26、行圆线、平行圆第一曲率半径第一曲率半径：经经线线曲率半径曲率半径第二曲率半径第二曲率半径：垂直：垂直于经线的于经线的平面与中平面与中间面相割间面相割形成的曲形成的曲线线BE的曲率半径的曲率半径第45页/共120页06 二月 20232基本假设基本假设假定壳体材料有假定壳体材料有连连续性、续性、均均匀性和匀性和各向各向同同性，即壳体是性，即壳体是完全弹性完全弹性的。的。(1)小位移小位移假设假设各点各点位移都远小于厚度位移都远小于厚度。可用变形前。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。第46页/共120页06 二月 2023(2)直
27、法线直法线假设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，段长度不变。沿厚度各点法向位移相同，厚度不变厚度不变。(3)不挤压不挤压假设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。与平面同与平面同第47页/共120页06 二月 2023（二）（二）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无力矩理论是在旋转薄壳的受力分析中分析中忽略了弯矩忽略了弯矩的作用。的作用。此时此时应力状态应力状态和承受内压的薄膜和承受内压的薄
28、膜相似。又称相似。又称薄膜薄膜理论理论第48页/共120页06 二月 2023环环向向微体微体平衡方程平衡方程经经向向区域区域平衡方程平衡方程 无力矩理论基本方程式：无力矩理论基本方程式：第49页/共120页06 二月 2023三、基本方程式的应用三、基本方程式的应用1圆筒圆筒形壳体形壳体第一曲率半径第一曲率半径R1=，第二曲率半径第二曲率半径R2=D/2第50页/共120页06 二月 20232球形壳体球形壳体球壳球壳R1R2=D/2，得：，得：直径与圆筒相同时，球壳内应力仅是圆筒形壳直径与圆筒相同时，球壳内应力仅是圆筒形壳体环向应力的一半，即球形壳体的体环向应力的一半，即球形壳体的厚度仅需
29、厚度仅需圆筒容圆筒容器厚度的器厚度的一半一半。当容器容积相同时，球表面积最小，故大型贮当容器容积相同时，球表面积最小，故大型贮罐制成球形较为罐制成球形较为经济经济。制造制造第51页/共120页06 二月 20233圆锥形壳体圆锥形壳体圆锥形壳：圆锥形壳：半锥半锥角角为为a，A点处点处半径半径为为r，厚厚度为度为d，则在则在A点处：点处：第52页/共120页06 二月 2023 锥形壳体锥形壳体环向环向应力是经向应力两倍，应力是经向应力两倍，随半锥角随半锥角a a的的增大而增大增大而增大；a a角角要选择合适，不宜太大。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，时，应力
30、最大应力最大，在锥顶处，在锥顶处，应应力为零力为零。因此，一般在。因此，一般在锥顶开孔锥顶开孔。第53页/共120页06 二月 20234椭圆形壳体椭圆形壳体椭圆壳椭圆壳经线为一椭圆经线为一椭圆，a a、b b分别为椭圆的长短轴半径。分别为椭圆的长短轴半径。由此方程可得第一、二曲率半径分别为：由此方程可得第一、二曲率半径分别为：第54页/共120页06 二月 2023第55页/共120页06 二月 2023例题：有一外径为例题：有一外径为219mm219mm的的氧气瓶氧气瓶，最小厚度为，最小厚度为6.5mm6.5mm，材料为，材料为40Mn2A40Mn2A，工作压力为，工作压力为15MPa15
31、MPa，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 mmmm经向应力经向应力 MPaMPa环向应力环向应力 MPaMPa第56页/共120页06 二月 2023四、筒体强度计算四、筒体强度计算实际设计中须考虑实际设计中须考虑三个因素三个因素：（1）焊接焊接接头系数接头系数（2）容器）容器内径内径（3）壁壁厚厚筒体内较大的筒体内较大的环向应力环向应力不应高于在设计温度不应高于在设计温度下材料的下材料的许用应力许用应力，即，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。第57页/共120页06 二月 2023(一一)焊接接头系数焊接接头系数
32、钢板卷焊。夹渣、气孔、未焊透等钢板卷焊。夹渣、气孔、未焊透等缺缺陷陷，导致焊缝及其附近区域强度可能低于，导致焊缝及其附近区域强度可能低于钢材本体的强度。钢材本体的强度。钢板钢板 s s t t乘乘以焊接接头系数以焊接接头系数j j，j j11第58页/共120页06 二月 2023(二二)容器内径容器内径工艺设计确定内径工艺设计确定内径Di，制造测量也是，制造测量也是内内径径，而受力分析中的，而受力分析中的D却是却是中面直径中面直径。解出解出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第59页/共120页06 二月 2023(三三)壁厚壁厚考虑介质腐蚀，计算厚度考虑介质腐蚀，计算厚度
33、d d的基础上，增加腐的基础上，增加腐蚀裕度蚀裕度C C2 2。筒体的设计厚度为。筒体的设计厚度为式中式中 d d-圆筒圆筒计算计算厚度，厚度，mmmm；d dd d-圆筒圆筒设计设计厚度，厚度，mmmm；D Di i-圆筒圆筒内内径，径，mmmm；p p-容器容器设计压力设计压力，MPaMPa；-焊接焊接接头系数。接头系数。第60页/共120页06 二月 2023另一种情况：另一种情况：筒体设计厚度加上厚度负偏差后向上筒体设计厚度加上厚度负偏差后向上圆整圆整，即，即为筒体为筒体名义厚度名义厚度。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，则其最大许可承压的计
34、算公式为：可承压的计算公式为：式中式中 ：d dn n-圆筒名义厚度圆筒名义厚度 圆整圆整成钢材标准值；成钢材标准值；第61页/共120页06 二月 2023de-圆筒圆筒有效厚度有效厚度C-厚度厚度附加量附加量。设计温度下设计温度下圆筒的计算应力圆筒的计算应力第62页/共120页06 二月 2023二、球壳强度计算二、球壳强度计算设计温度下球壳的设计温度下球壳的计算厚度计算厚度：设计温度下球壳的设计温度下球壳的计算应力计算应力第63页/共120页06 二月 2023五、设计参数的确定五、设计参数的确定厚度设计参数按厚度设计参数按GBl50-1998中规定中规定取值。取值。设计设计压力压力、设
35、计设计温度温度、许用许用应力应力、焊接焊接接头系数接头系数厚度厚度附加附加量等参数的选取。量等参数的选取。第64页/共120页06 二月 2023（一）设计压力（计算压力）（一）设计压力（计算压力）设计压力设计压力:相应设计温度下确定壳壁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厚度的压力，亦即标注在铭牌上的容器设计压力。其值容器设计压力。其值稍高于最大工稍高于最大工作压力作压力。最大工作压力最大工作压力：是指容器顶部？在：是指容器顶部？在工作过程中可能产生的工作过程中可能产生的最高压力最高压力（表压）。（表压）。第65页/共120页06 二月 2023使用使用安全阀安全阀时设计压力
36、不小于安时设计压力不小于安全阀开启压力或取最大工作压力全阀开启压力或取最大工作压力1.051.10倍；倍；v使用使用爆破膜爆破膜根据其型式，一般根据其型式，一般取最大工作压力的取最大工作压力的1.151.4倍倍作为设计压力。作为设计压力。第66页/共120页06 二月 2023容器内容器内盛有液体盛有液体，若其静压力不超过最，若其静压力不超过最大工作压力的大工作压力的5，则设计压力可则设计压力可不计不计入静压力，否则，须在设计压力中计入入静压力，否则，须在设计压力中计入液体静压力。液体静压力。此外，某些容器有时还必须考虑重力、此外，某些容器有时还必须考虑重力、风力、地震力等风力、地震力等载荷及
37、温度载荷及温度的影响，这的影响，这些载荷不直接折算为设计压力，必须些载荷不直接折算为设计压力，必须分分别计算别计算。第67页/共120页06 二月 2023（二）设计温度（二）设计温度选择选择材料和许用应力材料和许用应力的确定直的确定直接有关。接有关。设计温度指容器设计温度指容器正常工作中正常工作中，在相应的设计条件下，金属器在相应的设计条件下，金属器壁可能达到的壁可能达到的最高或最低温度最高或最低温度。第68页/共120页06 二月 2023器壁温度通过器壁温度通过换热计算换热计算。v不被加热或冷却，筒内不被加热或冷却，筒内介质介质最高或最低最高或最低温度。温度。v用蒸汽、热水或其它载热体加
38、热或冷却，用蒸汽、热水或其它载热体加热或冷却，载体载体最高温度或最低温度。最高温度或最低温度。v不同部位出现不同温度不同部位出现不同温度分别分别计算计算第69页/共120页06 二月 2023（三）许用应力（三）许用应力许用应力是以材料的各项强度数据为许用应力是以材料的各项强度数据为依据依据，合理选择，合理选择安全系数安全系数n得出的。得出的。抗拉强度、屈服强度，蠕变强度、疲抗拉强度、屈服强度，蠕变强度、疲劳强度。劳强度。取其中最低值取其中最低值。当设计温度当设计温度低于低于0时，取时，取20时的时的许用应力。许用应力。第70页/共120页06 二月 2023（四）焊接接头系数（四）焊接接头系
39、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许用应力的系数。根据根据接头型式接头型式及及无损检测长度无损检测长度比例确定。比例确定。焊接接头形式无损检测的长度比例100%100%局部双面焊对接接头或相当于双面焊的对接接头1.01.00.850.85单面焊对接接头或相当于单面焊的对接接头0.90.90.80.8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71页/共120页06 二月 2023（五）厚度附加量（五）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，包括由钢板负偏差负偏
40、差(或钢管负或钢管负偏差偏差)Cl、腐蚀腐蚀裕量裕量 C2，即，即C Cl十十 C2厚度22.22.52.83.03.23.53.844.55.5负偏差 0.13 0.14 0.150.160.180.20.2厚度6782526303234364042505260负偏差0.60.80.911.11.21.3第72页/共120页06 二月 2023腐蚀裕量腐蚀裕量C2应根据各种钢材在不同应根据各种钢材在不同介质中的介质中的腐蚀速度腐蚀速度和容器设计和容器设计寿寿命命确定。确定。塔类、反应器类容器设计寿命一般塔类、反应器类容器设计寿命一般按按20年考虑，换热器壳体、管箱年考虑，换热器壳体、管箱及一
41、般容器按及一般容器按10年考虑。年考虑。第73页/共120页06 二月 2023腐蚀速度腐蚀速度0.05mma(包括大气腐蚀包括大气腐蚀)时：时：碳素钢碳素钢和低合金钢和低合金钢单面单面腐蚀腐蚀C21mm，双面双面腐蚀取腐蚀取C22mm，当腐蚀速度当腐蚀速度0.05mma时，时，单面单面腐蚀腐蚀取取C22mm，双面双面腐蚀取腐蚀取C24mm。不锈钢不锈钢取取C20。第74页/共120页06 二月 2023v氢脆、碱脆、应力腐蚀及晶间腐蚀氢脆、碱脆、应力腐蚀及晶间腐蚀等，增加腐蚀裕量不是有效办法，而等，增加腐蚀裕量不是有效办法，而应根据情况采用有效应根据情况采用有效防腐防腐措施。措施。v工艺工艺
42、减薄减薄量，可由量，可由制造单位制造单位依据各依据各自的加工工艺和加工能力自行选取，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设计者在图纸上注明的厚度不包括不包括加加工减薄量。工减薄量。第75页/共120页06 二月 2023四、最小壁厚四、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。大型容器大型容器刚度刚度不足，不满足运输、不足，不满足运输、安装。安装。限定最小厚度以满足限定最小厚度以满足刚度和稳定性刚度和稳定性要求。要求。第76页/共120页06 二月 2023壳体加工成形后不包括腐蚀裕量最小厚度壳体加工成形后不包括腐蚀裕量最小厚度dmin：a.碳
43、素钢和低合金钢制容器不小于碳素钢和低合金钢制容器不小于3mmb对高合金钢制容器，不小于对高合金钢制容器，不小于2mm第77页/共120页06 二月 2023五、压力试五、压力试验验为什么要进行压力试验呢？为什么要进行压力试验呢？制造制造加工加工过程不完善，导致不安全，发生过大变形或渗漏。过程不完善，导致不安全，发生过大变形或渗漏。最最常用常用的压力试验方法是的压力试验方法是液压液压试验。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试验时液体的温度应低于其闪点或沸点温度应低于其闪点或沸点。第78页/共120页06 二月 2023六、边缘应力六、边缘应
44、力无力矩理论无力矩理论忽略忽略了了剪力与弯矩剪力与弯矩的影响，的影响，可以满足工程设计精度的要求。可以满足工程设计精度的要求。但对图中所示的一些情况，就但对图中所示的一些情况，就须考虑须考虑弯矩弯矩的影响。的影响。第79页/共120页06 二月 2023(a)(a)、(b)(b)、(c)(c)是壳体与封是壳体与封头联接处头联接处经线突然折断经线突然折断；(d)(d)是两段是两段厚度不等厚度不等的筒的筒体相连接；体相连接；(e)(e)、(f)(f)、(g)(g)有有法兰、加法兰、加强圈、管板强圈、管板等刚度大的构等刚度大的构件。件。第80页/共120页06 二月 2023相邻两段相邻两段性能不同
45、性能不同（或所受温度或压力不同）（或所受温度或压力不同）两部分两部分变形变形量不同（相互约束）量不同（相互约束）产生产生剪力与弯矩剪力与弯矩以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，以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，应应重视重视。第81页/共120页06 二月 2023边缘应力具有局限性和自限性两个基本边缘应力具有局限性和自限性两个基本特性：特性：1局限局限性性大多数都有明显的衰大多数都有明显的衰减波特性，随离开边缘的距离增大，边减波特性，随离开边缘的距离增大，边缘应力迅速衰减。缘应力迅速衰减。2自限自限性性弹性变形相互制约，一弹性变形相互制约，一旦材料
46、产生塑性变形，弹性变形约束就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，即边会缓解，边缘应力自动受到限制，即边缘应力的自限性。缘应力的自限性。第82页/共120页06 二月 2023X塑性好的塑性好的材料可减少容器发生破坏。材料可减少容器发生破坏。X局部性与自限性，设计中一般局部性与自限性，设计中一般不按局部应力不按局部应力来确定厚度，而是在来确定厚度，而是在结构上作局部处理。结构上作局部处理。X但对于但对于脆性脆性材料，必须考虑边缘应力的影响。材料，必须考虑边缘应力的影响。第83页/共120页06 二月 202310.3 10.3 封头的设计封头的设计第84页/共120页
47、06 二月 2023封头又称端盖，其分类封头又称端盖，其分类第85页/共120页06 二月 2023一、椭圆形封头一、椭圆形封头半椭球和高度为半椭球和高度为h h的短圆筒的短圆筒(通通称直边称直边)两部分两部分构成，构成，直边保证封头制直边保证封头制造质量和避免造质量和避免边缘应力作用。边缘应力作用。第86页/共120页06 二月 2023受内压的椭圆形封头受内压的椭圆形封头计算厚度计算厚度K K-椭圆形封头形状系数椭圆形封头形状系数标准椭圆形封头标准椭圆形封头(长短轴之比值为长短轴之比值为2)2)，K=1K=1。壁。壁厚计算公式厚计算公式：第87页/共120页06 二月 2023当封头是由整
48、块钢板冲压时，当封头是由整块钢板冲压时，j j值取为值取为1 1。筒体。筒体设计壁厚计算公式设计壁厚计算公式：忽略分母上微小差异，大多数椭圆封头壁厚忽略分母上微小差异，大多数椭圆封头壁厚与筒体同，或比筒体稍厚。与筒体同，或比筒体稍厚。还应保证封头的有效壁厚还应保证封头的有效壁厚d de e满足：对标准椭满足：对标准椭圆形封头不小于封头内直径的圆形封头不小于封头内直径的0.150.15。第88页/共120页06 二月 2023椭圆形封头最大允许工作压力椭圆形封头最大允许工作压力 标准椭圆形封头的直边高度由下表确定。封头材料碳素钢、普低钢、复合钢板不锈钢、耐酸钢封头壁厚48101820391018
49、20直边高度254050254050第89页/共120页06 二月 2023受外压（凸面受压）椭圆形封头受外压（凸面受压）椭圆形封头外压椭圆形封头厚度设计步骤同外压圆筒。外压椭圆形封头厚度设计步骤同外压圆筒。a.a.假设假设d dn n,计算计算d de ed dn n-C C,算出算出R R0 0/d/de e。椭圆形。椭圆形封头当量球壳外半径封头当量球壳外半径R R0 0=K=K1 1 DD0 0。K K1 1 由长短轴比值决定，标准椭圆由长短轴比值决定，标准椭圆形封头形封头K K1 1=0.9=0.9b.b.计算系数计算系数第90页/共120页06 二月 2023c.c.根据材料，从根据
50、材料，从A-BA-B图（图图（图4-164-16至图至图4-204-20）中）中选用，若选用，若A A值落在设计温度线的右方，读出值落在设计温度线的右方，读出B B值计算许用外压力值计算许用外压力 p p 若若A A值在设计温度线的左方，则许值在设计温度线的左方，则许用外压：用外压：第91页/共120页06 二月 2023d.比较许用外压比较许用外压p与设计外压与设计外压pv若若pp，假设的厚度，假设的厚度dn可用，若小得可用，若小得过多，可将过多，可将dn适当减小，重复上述计算适当减小，重复上述计算v若若pp，需增大初设的，需增大初设的dn，重复上，重复上述计算，直至使述计算，直至使pp且接