建筑環(huán)境工程設(shè)備教學(xué)課件壓力容器

1、第八章第八章壓力容器壓力容器 2021-6-212 2021-6-213 燃油（氣）蒸汽鍋爐 2021-6-214 第一節(jié)第一節(jié) 壓力容器的結(jié)構(gòu)與分類壓力容器的結(jié)構(gòu)與分類 一一 容器結(jié)構(gòu)容器結(jié)構(gòu) v壓力容器：壓力容器：是內(nèi)部或外部承受氣體或液體壓是內(nèi)部或外部承受氣體或液體壓 力、并對安全性有較高要求的密封容器。力、并對安全性有較高要求的密封容器。 v壓力容器主要為圓柱形，少數(shù)為球形或其他壓力容器主要為圓柱形，少數(shù)為球形或其他 形狀。形狀。 v圓柱形壓力容器通常由圓柱形壓力容器通常由筒體、封頭、接管、筒體、封頭、接管、 支座、法蘭支座、法蘭、液位計等零件和部件組成，壓、液位計等零件和部件組成，壓

2、 力容器工作壓力越高，筒體的壁就應(yīng)越厚。力容器工作壓力越高，筒體的壁就應(yīng)越厚。 2021-6-215 (a)典型臥式容器的總件結(jié)構(gòu)(b)結(jié)構(gòu)的基本部件分解 2021-6-216 v筒體 2021-6-217 封頭 封 頭 2021-6-218 2021-6-219 半球形封頭半球形封頭 半球形封頭半球形封頭 結(jié)構(gòu)特點：半球形封頭是由半個球殼構(gòu)成的。結(jié)構(gòu)特點：半球形封頭是由半個球殼構(gòu)成的。 2021-6-2110 橢圓形封頭橢圓形封頭 橢圓形封頭橢圓形封頭 結(jié)構(gòu)特點：橢圓形封頭是由半個橢球面和高為的結(jié)構(gòu)特點：橢圓形封頭是由半個橢球面和高為的h h短圓筒短圓筒 （直邊段）構(gòu)成的。（直邊段）構(gòu)成的。

3、 2021-6-2111 以 i R為半徑的球面； 以 r 為半徑的過渡圓弧(即折邊)； 高度為 0 h的直邊。 碟形封頭碟形封頭 碟形封頭碟形封頭 1 1、結(jié)構(gòu)特點：、結(jié)構(gòu)特點： 2021-6-2112 2021-6-2113 法蘭 2021-6-2114 密封元件 2021-6-2115 人孔 v 2021-6-2116 二壓力容器分類二壓力容器分類 1.按壓力等級分類：壓力容器可分為內(nèi)壓容器與外壓容器。按壓力等級分類：壓力容器可分為內(nèi)壓容器與外壓容器。 （1）外壓容器：容器的內(nèi)部壓力低于外部壓力。（溴化鋰空）外壓容器：容器的內(nèi)部壓力低于外部壓力。（溴化鋰空 調(diào)機組中的發(fā)生器）調(diào)機組中的發(fā)

4、生器） （2）內(nèi)壓容器：容器的內(nèi)部壓力高于外部壓力。（制冷空調(diào)）內(nèi)壓容器：容器的內(nèi)部壓力高于外部壓力。（制冷空調(diào) 裝置中）裝置中） 內(nèi)壓容器又可按設(shè)計壓力（內(nèi)壓容器又可按設(shè)計壓力（p）大小分為四個壓力等級，具體劃分如下）大小分為四個壓力等級，具體劃分如下 ： 低壓低壓(代號代號L)容器容器 0.1 MPap1.6 MPa; 中壓中壓(代號代號M)容器容器 1.6 MPap10.0 MPa; 高壓高壓(代號代號H)容器容器 10 MPap100 MPa; 超高壓超高壓(代號代號U)容器容器 p100MPa。 2按容器在生產(chǎn)中的作用分類按容器在生產(chǎn)中的作用分類: （1） 反應(yīng)壓力容器反應(yīng)壓力容器(

5、代號代號R):用于完成介質(zhì)的物理、化學(xué)反應(yīng)。用于完成介質(zhì)的物理、化學(xué)反應(yīng)。 （2）換熱壓力容器）換熱壓力容器(代號代號E):用于完成介質(zhì)的熱量交換。用于完成介質(zhì)的熱量交換。 （3）分離壓力容器（代號）分離壓力容器（代號S):用于完成介質(zhì)的流體壓力平衡緩沖和氣體凈用于完成介質(zhì)的流體壓力平衡緩沖和氣體凈 化分離?；蛛x。 （4）儲存壓力容器（代號）儲存壓力容器（代號C，其中球罐代號，其中球罐代號B）：用于儲存、盛裝氣體、）：用于儲存、盛裝氣體、 液體、液化氣體等介質(zhì)。液體、液化氣體等介質(zhì)。 2021-6-2117 v在一種壓力容器中，如同時具備兩個以上的工藝作用原理時，應(yīng)按工藝在一種壓力容器中，如

6、同時具備兩個以上的工藝作用原理時，應(yīng)按工藝 過程中的主要作用來劃分品種。過程中的主要作用來劃分品種。 按安裝方式分類按安裝方式分類 ： v（1） 固定式壓力容器：固定式壓力容器：有固定安裝和使用地點，工藝條件和操作人員有固定安裝和使用地點，工藝條件和操作人員 也較固定的壓力容器。也較固定的壓力容器。 v（2）移動式壓力容器：）移動式壓力容器：使用時不僅承受內(nèi)壓或外壓載荷，搬運過程中使用時不僅承受內(nèi)壓或外壓載荷，搬運過程中 還會受到由于內(nèi)部介質(zhì)晃動引起的沖擊力，以及運輸過程帶來的外部撞還會受到由于內(nèi)部介質(zhì)晃動引起的沖擊力，以及運輸過程帶來的外部撞 擊和振動載荷，因而在結(jié)構(gòu)、使用和安全方面均有其特

7、殊的要求。擊和振動載荷，因而在結(jié)構(gòu)、使用和安全方面均有其特殊的要求。 3 按容器的壁厚分類按容器的壁厚分類 （1）薄壁容器）薄壁容器所謂厚壁與薄壁并不是按容器厚度的大小來劃分，而是一種所謂厚壁與薄壁并不是按容器厚度的大小來劃分，而是一種 相對概念，通常根據(jù)容器外徑相對概念，通常根據(jù)容器外徑DO與內(nèi)徑與內(nèi)徑Di的比值的比值K來判斷，來判斷，K1.2為薄為薄 壁容器，壁容器，K1.2為厚壁容器。工程實際中的壓力容器大多為薄壁容器。為厚壁容器。工程實際中的壓力容器大多為薄壁容器。 （2）厚壁容器）厚壁容器 2021-6-2118 第二節(jié)第二節(jié) 薄壁容器的應(yīng)力薄壁容器的應(yīng)力 薄壁容器的應(yīng)力薄壁容器的應(yīng)

8、力 應(yīng)力沿壁厚均布假設(shè)應(yīng)力沿壁厚均布假設(shè) 應(yīng)力沿軸向均布假設(shè)應(yīng)力沿軸向均布假設(shè) 二向應(yīng)力狀態(tài)假設(shè)二向應(yīng)力狀態(tài)假設(shè) 2021-6-2119 旋（回）轉(zhuǎn)殼體旋（回）轉(zhuǎn)殼體 ：殼體中面是任意直線或平面：殼體中面是任意直線或平面 曲線作母線，繞其同平面內(nèi)的軸線旋轉(zhuǎn)一曲線作母線，繞其同平面內(nèi)的軸線旋轉(zhuǎn)一 周而成的旋轉(zhuǎn)曲面。周而成的旋轉(zhuǎn)曲面。 2021-6-2120 微體平衡方程 圖 2 - 2 回 轉(zhuǎn) 殼 中 面 的 幾 何 參 數(shù) 對回轉(zhuǎn)體薄壁殼體，可假設(shè)對回轉(zhuǎn)體薄壁殼體，可假設(shè) 容器的殼壁很薄，無法承受容器的殼壁很薄，無法承受 彎曲應(yīng)力，彎曲應(yīng)力，只能承受拉應(yīng)力只能承受拉應(yīng)力 和壓應(yīng)力和壓應(yīng)力，并假

9、設(shè)這種，并假設(shè)這種應(yīng)力應(yīng)力 沿殼壁方向是均勻分布的沿殼壁方向是均勻分布的。 基于這一假設(shè)的殼體應(yīng)力分基于這一假設(shè)的殼體應(yīng)力分 析理論稱為析理論稱為殼體無力矩理論殼體無力矩理論 或薄膜理論或薄膜理論，相應(yīng)的，相應(yīng)的殼壁應(yīng)殼壁應(yīng) 力稱為薄膜應(yīng)力力稱為薄膜應(yīng)力。R R1 1和和R R2 2表表 示沿殼體上任一點的的曲率示沿殼體上任一點的的曲率 半徑（經(jīng)線上的曲率半徑）半徑（經(jīng)線上的曲率半徑） 和第二曲率半徑（法截面與和第二曲率半徑（法截面與 殼體相割形成的曲線在點殼體相割形成的曲線在點a a 外的曲率半徑）外的曲率半徑） 2021-6-2121 如圖所示：一承受內(nèi)壓的回轉(zhuǎn)如圖所示：一承受內(nèi)壓的回轉(zhuǎn)

10、薄壁殼體，厚度為薄壁殼體，厚度為，截面法分，截面法分 析殼體上任一點的應(yīng)力狀態(tài)，析殼體上任一點的應(yīng)力狀態(tài)， 任一殼體中以兩相鄰的經(jīng)線截任一殼體中以兩相鄰的經(jīng)線截 面，和兩個相鄰的旋轉(zhuǎn)法截面面，和兩個相鄰的旋轉(zhuǎn)法截面 ad和和bc，截出一微體，截出一微體abcd，由，由 于殼體內(nèi)壓的作用，在微體的于殼體內(nèi)壓的作用，在微體的 四個截面上都將承受拉應(yīng)力。四個截面上都將承受拉應(yīng)力。 垂直于垂直于ad和和bc邊的應(yīng)力稱為徑向邊的應(yīng)力稱為徑向 應(yīng)力應(yīng)力 ，垂直于 ，垂直于ab和和cd邊的應(yīng)邊的應(yīng) 力稱為周向應(yīng)力力稱為周向應(yīng)力于于 。微體沿 。微體沿 線的弧長為線的弧長為dl1=R1d , ,沿法截線的 沿

11、法截線的 弧長為弧長為dl2=R2d 。若薄殼所受的壓 。若薄殼所受的壓 力為力為P P。微體微體abcd面積上所受的外面積上所受的外 力為力為Pdldl2，微體在四個截面上產(chǎn)，微體在四個截面上產(chǎn) 生的拉力分別為徑向力生的拉力分別為徑向力dl2， 為周向力為為周向力為dl1 2021-6-2122 2112 1 2 2sin2sin0 22 sin 222 sin 222 dd dldlpdldl dldd dldd 12 p RR 拉普拉斯方程式。反映了拉普拉斯方程式。反映了回轉(zhuǎn)薄壁殼體上回轉(zhuǎn)薄壁殼體上任一點處的任一點處的薄膜應(yīng)力與殼體所薄膜應(yīng)力與殼體所 受的外載荷壓力及幾何形狀受的外載荷壓

12、力及幾何形狀之間的相互關(guān)系。方程中有之間的相互關(guān)系。方程中有兩個應(yīng)力均為未兩個應(yīng)力均為未 知量知量，要求出這兩個薄膜應(yīng)力，還要根據(jù)，要求出這兩個薄膜應(yīng)力，還要根據(jù)殼體的約束條件殼體的約束條件找出一個補充找出一個補充 方程，及方程，及區(qū)域平衡方程式。區(qū)域平衡方程式。 2021-6-2123 采用一個采用一個旋轉(zhuǎn)法截面旋轉(zhuǎn)法截面將殼體切將殼體切 開，則切開的開，則切開的環(huán)端面與殼體的環(huán)端面與殼體的 真實厚度真實厚度相等，此時斷面上僅相等，此時斷面上僅 存在徑向應(yīng)力，取截面的下半存在徑向應(yīng)力，取截面的下半 部分殼體部分殼體non,根據(jù)分離體的在根據(jù)分離體的在 oz軸方向的靜力平衡方程式。軸方向的靜力

13、平衡方程式。 僅考慮殼體受均布?xì)怏w壓力僅考慮殼體受均布?xì)怏w壓力P作作 用時分離體的區(qū)域平衡。此時用時分離體的區(qū)域平衡。此時 分離體所受的氣體壓力分離體所受的氣體壓力P在在oz軸軸 方向的分力為方向的分力為 2 2 sin N Fr p rR 2021-6-2124 徑向應(yīng)力在在在oz軸的分力為軸的分力為 12 p RR , , 2 2sin 2 N NN Fr FF pR 2021-6-2125 二典型的薄壁殼體的應(yīng)力二典型的薄壁殼體的應(yīng)力 1 圓筒形殼體的應(yīng)力圓筒形殼體的應(yīng)力 1 R 1 R 1 R 2 RR 2021-6-2126 2 pR =2 pR 討論： 周向應(yīng)力是經(jīng)（軸）向應(yīng)周向應(yīng)

14、力是經(jīng)（軸）向應(yīng) 力的力的2 2倍，所以周向承受應(yīng)力倍，所以周向承受應(yīng)力 更大，周向上就要少削弱面積更大，周向上就要少削弱面積 ，故開設(shè)橢圓孔時，橢圓孔之，故開設(shè)橢圓孔時，橢圓孔之 短軸平行于筒體軸線，如右圖短軸平行于筒體軸線，如右圖 所示。所示。 2021-6-2127 2受氣體內(nèi)壓的球形殼體受氣體內(nèi)壓的球形殼體 2021-6-2128 v討論：討論： 對相同的內(nèi)壓，球殼的周向應(yīng)力要比同對相同的內(nèi)壓，球殼的周向應(yīng)力要比同 直徑、同厚度的圓筒殼的周向應(yīng)力小一半，這是球直徑、同厚度的圓筒殼的周向應(yīng)力小一半，這是球 殼顯著的優(yōu)點。殼顯著的優(yōu)點。 球殼體的厚度僅需圓筒形殼體厚度的一半。制造球殼體的厚

15、度僅需圓筒形殼體厚度的一半。制造 相同體積的容器，球體的表面積最小，所耗材料也相同體積的容器，球體的表面積最小，所耗材料也 最少。球形容器的這種受力和幾何優(yōu)勢，通常被用最少。球形容器的這種受力和幾何優(yōu)勢，通常被用 于儲存容器特別是大型儲存容器的設(shè)計制造中。于儲存容器特別是大型儲存容器的設(shè)計制造中。 = 2 pR 2021-6-2129 三三 邊緣應(yīng)力邊緣應(yīng)力 v在采用無力矩理論進行內(nèi)壓容器受力分析時，忽略了剪力與彎矩的在采用無力矩理論進行內(nèi)壓容器受力分析時，忽略了剪力與彎矩的 影響，這樣的簡化是可以滿足工程設(shè)計精度的要求。影響，這樣的簡化是可以滿足工程設(shè)計精度的要求。 v 以筒體與封頭聯(lián)接為例

16、，若平板蓋具有足夠的剛度，受內(nèi)壓作用以筒體與封頭聯(lián)接為例，若平板蓋具有足夠的剛度，受內(nèi)壓作用 時變形很小。而殼壁較薄，變形量較大，兩者連接在一起，在聯(lián)接處時變形很小。而殼壁較薄，變形量較大，兩者連接在一起，在聯(lián)接處 ( (即邊緣部分即邊緣部分) )筒體的變形受到平板蓋的約束，因此產(chǎn)生了附加的局部應(yīng)筒體的變形受到平板蓋的約束，因此產(chǎn)生了附加的局部應(yīng) 力力( (即邊緣應(yīng)力即邊緣應(yīng)力) )。 v理論與實驗均已證明，發(fā)生在連接邊緣處的邊緣應(yīng)力具有理論與實驗均已證明，發(fā)生在連接邊緣處的邊緣應(yīng)力具有局部性局部性和和 自限性自限性兩個基本特性：兩個基本特性： v1 1局部性局部性 不同性質(zhì)的聯(lián)接不同性質(zhì)的聯(lián)

17、接, ,邊緣產(chǎn)生不同的邊緣應(yīng)力，但它們邊緣產(chǎn)生不同的邊緣應(yīng)力，但它們 大多數(shù)都有明顯的衰減波特性，隨著離開邊緣的距離增大，邊緣應(yīng)力迅大多數(shù)都有明顯的衰減波特性，隨著離開邊緣的距離增大，邊緣應(yīng)力迅 速衰減。速衰減。 2 2自限性自限性 由于邊緣應(yīng)力是兩聯(lián)接件彈性變形不一致，相互制約由于邊緣應(yīng)力是兩聯(lián)接件彈性變形不一致，相互制約 而產(chǎn)生的，一旦材料產(chǎn)生了塑性變形，彈性變形的約束就會緩解，邊緣而產(chǎn)生的，一旦材料產(chǎn)生了塑性變形，彈性變形的約束就會緩解，邊緣 應(yīng)力自動受到限制，這就是邊緣應(yīng)力的自限性應(yīng)力自動受到限制，這就是邊緣應(yīng)力的自限性。 v因此，若用因此，若用塑性好塑性好的材料制造筒體，可減少容器發(fā)

18、生破壞的危險性。的材料制造筒體，可減少容器發(fā)生破壞的危險性。 正是由于邊緣應(yīng)力的局部性與自限性，設(shè)計中一般正是由于邊緣應(yīng)力的局部性與自限性，設(shè)計中一般不按局部應(yīng)力不按局部應(yīng)力來確定來確定 厚度，而是在厚度，而是在結(jié)構(gòu)上結(jié)構(gòu)上作局部處理。但對于作局部處理。但對于脆性脆性材料，必須考慮材料，必須考慮邊緣應(yīng)力邊緣應(yīng)力 的影響。的影響。 2021-6-2130 第三節(jié)內(nèi)壓薄壁容器第三節(jié)內(nèi)壓薄壁容器 容器設(shè)計一般按工藝條件和要求，選擇使用材料，確定工藝參數(shù)，確定設(shè)計容器設(shè)計一般按工藝條件和要求，選擇使用材料，確定工藝參數(shù)，確定設(shè)計 參數(shù)并計算容體筒體和封頭等原件的強度尺寸。壓力容器的設(shè)計準(zhǔn)則主要以參數(shù)并

19、計算容體筒體和封頭等原件的強度尺寸。壓力容器的設(shè)計準(zhǔn)則主要以 彈性失效為設(shè)計準(zhǔn)則，主要是控制殼體主體的基本應(yīng)力不超過材料的許用應(yīng)彈性失效為設(shè)計準(zhǔn)則，主要是控制殼體主體的基本應(yīng)力不超過材料的許用應(yīng) 力值。對結(jié)構(gòu)引起的邊緣應(yīng)力，主要以結(jié)構(gòu)的局部處理為主，必要時，在設(shè)力值。對結(jié)構(gòu)引起的邊緣應(yīng)力，主要以結(jié)構(gòu)的局部處理為主，必要時，在設(shè) 計計算式上乘以應(yīng)力增強系數(shù)。計計算式上乘以應(yīng)力增強系數(shù)。 一一 圓筒的計算圓筒的計算 壁厚的計算：壁厚的計算：圓筒安全承壓所需的最小理論計算壁厚圓筒安全承壓所需的最小理論計算壁厚 42 2 2 2 t t i i t pDpD pD pD pD p 2021-6-213

20、1 213 2 i nt pD CCC p 厚度附加量厚度附加量C C 滿足強度要求的計算厚度之外，額外增加的厚度，包括：滿足強度要求的計算厚度之外，額外增加的厚度，包括： 即即 C C C C1 1十十 C C2 2十十 C C3 3 C1 鋼板厚度負(fù)偏差 鋼板厚度負(fù)偏差 C2 腐蝕裕量 腐蝕裕量 C3 工藝減薄量工藝減薄量 2 i t pD p 2021-6-2132 當(dāng)設(shè)計壓力較低時，容器計算厚度很薄。大型容器剛度不當(dāng)設(shè)計壓力較低時，容器計算厚度很薄。大型容器剛度不 足，不滿足運輸、安裝的要求。足，不滿足運輸、安裝的要求。 限定最小厚度以滿足剛度和穩(wěn)定性要求。限定最小厚度以滿足剛度和穩(wěn)定

21、性要求。 殼體加工成形后不包括腐蝕裕量在內(nèi)的最小厚度：殼體加工成形后不包括腐蝕裕量在內(nèi)的最小厚度： a. a. 碳素鋼和低合金鋼制容器不小于碳素鋼和低合金鋼制容器不小于3mm3mm b b對高合金鋼制容器，不小于對高合金鋼制容器，不小于2mm2mm min 最小厚度最小厚度 c.c.碳素鋼、低合金鋼制塔式容器碳素鋼、低合金鋼制塔式容器min max i D 1000 2 , 4mm ； d.d.不銹鋼制塔式容器不銹鋼制塔式容器 min maxi D 1000 2 , 3mm. 2021-6-2133 最高最高工作壓力工作壓力 P Pw w 指在正常工作情況下，容器頂部可能達指在正常工作情況下，

22、容器頂部可能達 到的最高壓力。到的最高壓力。 設(shè)計壓力設(shè)計壓力 P 指在相應(yīng)設(shè)計溫度下用以確定容器殼壁，計指在相應(yīng)設(shè)計溫度下用以確定容器殼壁，計 算壁厚及其元件尺寸的壓力，和設(shè)計溫度一算壁厚及其元件尺寸的壓力，和設(shè)計溫度一 起作為設(shè)計載荷條件。起作為設(shè)計載荷條件。 公稱壓力公稱壓力 P Pc c 一種經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后的壓力數(shù)值，即把眾多的壓一種經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后的壓力數(shù)值，即把眾多的壓 力數(shù)值按等級歸納成一定數(shù)目的系列，該系力數(shù)值按等級歸納成一定數(shù)目的系列，該系 列中的各壓力值稱為公稱壓力。列中的各壓力值稱為公稱壓力。 設(shè)計參數(shù)的確定設(shè)計參數(shù)的確定 1.1.壓力壓力 12.5610162540 64100 160 200 250 320 常用的公