容器設(shè)計基礎(chǔ)

1、第十章 容器設(shè)計基礎(chǔ)第一節(jié) 概 論按容器形狀分類名稱特 點方形矩形容器平板焊成，制造簡便，但承壓能力差，只用作小型常壓貯槽球形容器弓形板拼焊，承壓好，安裝內(nèi)件不便，制造稍難,多用作貯罐圓筒形容器 筒體和凸形或平板封頭。制造容易，安裝內(nèi)件方便，承壓較好，應(yīng)用最廣內(nèi)壓：內(nèi)部介質(zhì)壓力大于外界壓力內(nèi)壓：內(nèi)部介質(zhì)壓力大于外界壓力外壓：內(nèi)部介質(zhì)壓力小于外界壓力外壓：內(nèi)部介質(zhì)壓力小于外界壓力真空：內(nèi)部壓力小于一個絕壓的外壓容器真空：內(nèi)部壓力小于一個絕壓的外壓容器容器分類設(shè)計壓力 p （MPa）低壓容器0.1p1.6中壓容器1.6p10高壓容器10p100超高壓容器p100項 目條 件最高工作壓力pwpw0.

2、1MPa，不包括液體靜壓內(nèi)徑Di，容積VDi0.15m 且 V0.025m3介質(zhì)氣體、液化氣體或最高工作溫度高于等于標準沸點的液體根據(jù)壓力等級、介質(zhì)毒性危害程度以及生產(chǎn)中的作用，壓力容器可分為三類。第一類壓力容器第一類壓力容器第二類壓力容器第二類壓力容器第三類壓力容器第三類壓力容器不包括核能、船舶專用、直接受火焰加熱容器指指 標標分分 級級極度危害極度危害高度危害高度危害 中毒危害中毒危害 輕度危害輕度危害 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經(jīng)皮經(jīng)皮1001001

3、00 100 500 500 2500經(jīng)口經(jīng)口252525 25 500 500 5000急性中毒急性中毒易中毒后果易中毒后果嚴重嚴重可中毒，愈可中毒，愈后良好后良好偶可中毒偶可中毒無中毒但有無中毒但有影響影響慢性中毒慢性中毒患病率高患病率高較高較高偶有發(fā)生偶有發(fā)生有影響有影響慢性中毒后果慢性中毒后果 繼續(xù)進展不繼續(xù)進展不能治愈能治愈可基本治愈可基本治愈可恢復(fù)無嚴可恢復(fù)無嚴重后果重后果可恢復(fù)無不可恢復(fù)無不良后果良后果致癌性致癌性 人體致癌人體致癌可疑致癌可疑致癌動物致癌動物致癌無致癌性無致癌性最高容許濃度最高容許濃度 0.10.10.10.1-1.0-1.0-1010常見化學介質(zhì)常見化學介質(zhì)

4、光氣、汞、光氣、汞、氰化氫氰化氫甲醛甲醛, ,苯胺、苯胺、氟化氫、氟化氫、二氧化硫二氧化硫, ,硫硫化氫化氫, ,氨氨名稱名稱說明說明三類容器三類容器（1 1） 高壓容器；高壓容器；（2 2） 毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)的中壓容器；毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)的中壓容器； （3 3） 中度危害介質(zhì)，且中度危害介質(zhì)，且pVpV大于等于大于等于10MPa10MPamm3 3中壓儲存容器；中壓儲存容器；（4 4） 中度危害介質(zhì)，且中度危害介質(zhì)，且pVpV大于等于大于等于0.5MPa0.5MPamm3 3中壓反應(yīng)容器；中壓反應(yīng)容器； （5 5） 毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)，且毒性程度為極度和高度危

5、害介質(zhì)，且pVpV乘積乘積0.2MPa0.2MPamm3 3的低壓容器；的低壓容器； （6 6） 高壓、中壓管殼式余熱鍋爐；高壓、中壓管殼式余熱鍋爐；（7 7） 中壓搪玻璃壓力容器；中壓搪玻璃壓力容器；（8 8） 使用強度級別較高的材料制造的壓力容器；使用強度級別較高的材料制造的壓力容器；（9 9） 移動式壓力容器，鐵路罐車、罐式汽車和罐式集裝箱等；移動式壓力容器，鐵路罐車、罐式汽車和罐式集裝箱等； （1010） 容積大于等于容積大于等于50 m50 m3 3的球形儲罐；的球形儲罐；（11 11） 容積大于容積大于5 m5 m3 3的低溫液體儲存容器。的低溫液體儲存容器。 二類容器二類容器（1

6、 1） 中壓容器；中壓容器； （2 2） 毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)的低壓容器；毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)的低壓容器； （3 3） 易燃介質(zhì)或毒性程度為中度危害介質(zhì)的低壓反應(yīng)容器和低易燃介質(zhì)或毒性程度為中度危害介質(zhì)的低壓反應(yīng)容器和低壓儲存容器；壓儲存容器； （4 4） 低壓管殼式余熱鍋爐；低壓管殼式余熱鍋爐；（5 5） 低壓搪玻璃壓力容器。低壓搪玻璃壓力容器。 一類容器一類容器不在第三、第二類壓力容器之內(nèi)的低壓容器為第一類壓力容器。不在第三、第二類壓力容器之內(nèi)的低壓容器為第一類壓力容器。常溫容器常溫容器：壁溫-20至200；高溫容器高溫容器：壁溫達到蠕變溫度,碳素鋼或低合金鋼容器，溫度超過

7、420，合金鋼超過450，奧氏體不銹鋼超過550，均屬高溫容器；中溫容器中溫容器：在常溫和高溫之間；低溫容器低溫容器：壁溫低于-20, -20至-40為淺冷容器，低于-40者為深冷容器。應(yīng)用最多是低碳鋼和普通低合金鋼，腐蝕嚴重或產(chǎn)品純度要求高用不銹鋼、不銹復(fù)合鋼板、鋁板及鈦材。在深冷操作中，可用銅或銅合金；常用非金屬材料的有：硬聚氯乙烯、玻璃鋼、不透性石墨、化工搪瓷、化工陶瓷及磚、板、橡膠襯里等。300 (350) 400 (450) 500 (550) 600 (650) 700 (750)8009001000(1100)1200(1300)1400(1500)1600(1700)1800(

8、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 6000159219273325377426表表10-5 10-5 無縫鋼管制作筒體時容器的公稱直徑（無縫鋼管制作筒體時容器的公稱直徑（mmmm）壓力容器法蘭0.250.61.01.62.5 4.0 6.4管法蘭0.250.61.01.62.5 4.0 5.0101525一、薄壁容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)一、薄壁容器設(shè)計的理論基礎(chǔ)薄壁容器

9、根據(jù)容器外徑DO與內(nèi)徑Di的比值K來判斷，iiiiDDDDDK2120當K1.2為薄壁容器 K1.2則為厚壁容器第二節(jié)第二節(jié) 內(nèi)壓薄壁容器設(shè)計內(nèi)壓薄壁容器設(shè)計圓筒形薄壁容器承受內(nèi)壓時的應(yīng)力圓筒形薄壁容器承受內(nèi)壓時的應(yīng)力只有拉應(yīng)力無彎曲“環(huán)向纖維”和“縱向纖維”受到拉力。1（或軸）圓筒母線方向(即軸向)拉應(yīng)力，2（或環(huán)）圓周方向的拉應(yīng)力。圓筒的應(yīng)力計算圓筒的應(yīng)力計算 1. 1. 軸向應(yīng)力軸向應(yīng)力D-筒體平均直徑，亦稱中徑，mm211044pDDp D 2. 2. 環(huán)向應(yīng)力環(huán)向應(yīng)力20222pDlpDl分析：（1）薄壁圓筒受內(nèi)壓環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力兩倍。問題a：筒體上開橢圓孔，如何開?2/24/pD

10、pD應(yīng)使其短軸與筒體的軸線平行，以盡量減少開孔對縱截面的削弱程度，使環(huán)向應(yīng)力不致增加很多。分析：問題b：鋼板卷制圓筒形容器，縱焊縫與環(huán)焊縫哪個易裂？2/24/pDpD筒體縱向焊縫受力大于環(huán)向焊縫，故縱焊縫易裂，施焊時應(yīng)予以注意。（2）分析式(10-1)和(10-2)也可知，2/24/pDpDDp/2/內(nèi)壓筒壁的應(yīng)力和/D成反比，/D 值的大小體現(xiàn)著圓筒承壓能力的高低。因此，分析一個設(shè)備能耐多大壓力，不能只看厚度的絕對值。二、無力矩理論基本方程式二、無力矩理論基本方程式 基本概念與基本假設(shè)基本概念與基本假設(shè) 1 1 基本概念基本概念 （1 1） 旋轉(zhuǎn)殼體旋轉(zhuǎn)殼體 ：殼體中面（等分殼體厚度）是任意

11、直線或平面曲線作母線，繞其同平面內(nèi)的軸線旋轉(zhuǎn)一周而成的旋轉(zhuǎn)曲面。（2 2） 軸對稱軸對稱殼體的幾何形狀、約束條件和所受外力都是對稱于某一軸。化工用的壓力容器通常是軸對稱問題。 （3 3）旋轉(zhuǎn)殼體的幾何概念）旋轉(zhuǎn)殼體的幾何概念 母線與經(jīng)線法線、平行圓第一曲率半徑：經(jīng)線曲率半徑第二曲率半徑：垂直于經(jīng)線的平面與中面相割形成的曲線BE的曲率半徑2 2基本假設(shè)基本假設(shè) 假定殼體材料有連續(xù)性、均勻性和各向同性，即殼體是完全彈性的。 (1)(1)小位移假設(shè)小位移假設(shè) 各點位移都遠小于厚度?？捎米冃吻俺叽绱孀冃魏蟪叽纭Ｗ冃畏治鲋懈唠A微量可忽略。 (2)(2)直線法假設(shè)直線法假設(shè) 變形前垂直于中面直線段，變形

12、后仍是直線并垂直于變形后的中面。變形前后法向線段長度不變。沿厚度各點法向位移相同，厚度不變。 (3)(3)不擠壓假設(shè)不擠壓假設(shè) 各層纖維變形前后互不擠壓。 無力矩理論基本方程式無力矩理論基本方程式 無力矩理論是在旋轉(zhuǎn)薄殼的受力分析中忽略了彎矩的作用。此時應(yīng)力狀態(tài)和承受內(nèi)壓的薄膜相似。又稱薄膜理論薄膜理論2cos212pRprk（10-3）平衡方程（10-4）區(qū)域平衡方程 無力矩理論基本方程式：無力矩理論基本方程式：pRR2211三、基本方程式的應(yīng)用三、基本方程式的應(yīng)用1 1圓筒形殼體圓筒形殼體 第一曲率半徑R1=，第二曲率半徑R2=D/2 代入方程（10-3）和（10-4）得： 與式（10-1

13、）、（10-2）同。pRR22112421pDpD 受氣體內(nèi)壓殼體的受力分析受氣體內(nèi)壓殼體的受力分析 2cos212pRprk2 2球形殼體球形殼體 球殼R1R2=D/2，得： 直徑與內(nèi)壓相同，球殼內(nèi)應(yīng)力僅是圓筒形殼體環(huán)向應(yīng)力的一半，即球形殼體的厚度僅需圓筒容器厚度的一半。 當容器容積相同時，球表面積最小，故大型貯罐制成球形較為經(jīng)濟。pRR2211421pD2cos212pRprk3 3圓錐形殼體圓錐形殼體圓錐形殼半錐角為a，A點處半徑為r，厚度為d，則在A點處：代入（10-3）、（10-4）可得A點處的應(yīng)力：cos21rRR（10-6） 錐形殼體環(huán)向應(yīng)力是經(jīng)向應(yīng)力兩倍，隨半錐角a的增大而增大

14、； a角要選擇合適，不宜太大。 在錐形殼體大端r=R時，應(yīng)力最大，在錐頂處，應(yīng)力為零。因此，一般在錐頂開孔。 cos21kprcos2kpr4橢圓形殼體 橢圓殼經(jīng)線為一橢圓，a、b分別為橢圓的長短軸半徑。由此方程可得第一曲率半徑為：12222byaxbabaxadxyddxdyR42/32224222/321)()(1 bbaxaxR2/ 122242)(sin（10-7） )(2 )(2)(2222442224222241baxaabaxabpbaxabp化工常用標準橢圓形封頭，a/b=2，故 頂點處： 邊緣處： 頂點應(yīng)力最大，經(jīng)向應(yīng)力與環(huán)向應(yīng)力是相等的拉應(yīng)力。 頂點的經(jīng)向應(yīng)力比邊緣處的經(jīng)向

15、應(yīng)力大一倍； 頂點處的環(huán)向應(yīng)力和邊緣處相等但符號相反。 應(yīng)力值連續(xù)變化。pa21papa212 受液體靜壓的圓筒形殼體的受力分析受液體靜壓的圓筒形殼體的受力分析 筒壁上任一點的壓力值（不考慮氣體壓力）為：根據(jù)式（10-3）（10-4）可得：ghp22ghD2421pDpD 底部支承的圓筒（a），液體重量由支承傳遞給基礎(chǔ)，筒壁不受液體軸向力作用，則1=0。 上部支承圓筒（b），液體重量使得圓筒壁受軸向力作用，在圓筒壁上產(chǎn)生經(jīng)向應(yīng)力：422121gHDgHRgHRR例題10-1：有一外徑為219mm的氧氣瓶，最小厚度為6.5mm，材料為40Mn2A，工作壓力為15MPa，試求氧氣瓶壁應(yīng)力。解析：平

16、均直徑 mm經(jīng)向應(yīng)力 MPa環(huán)向應(yīng)力 MPa5.2125.62190DD6.1225.645.2121541pD2.2455.625.2121522pD四、筒體強度計算四、筒體強度計算實際設(shè)計中須考慮三個因素：（1）焊接接頭系數(shù)（2）容器內(nèi)徑（3）壁厚筒體內(nèi)較大的環(huán)向應(yīng)力不應(yīng)高于在設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力，即t-設(shè)計溫度t下材料許用應(yīng)力，MPatpD2 焊接接頭系數(shù)鋼板卷焊。夾渣、氣孔、未焊透等缺陷，導(dǎo)致焊縫及其附近區(qū)域強度可能低于鋼材本體的強度。 鋼板 t乘以焊接接頭系數(shù)， 1tpD2 容器內(nèi)徑工藝設(shè)計確定內(nèi)徑Di，制造測量也是內(nèi)徑，而受力分析中的D卻是中面直徑。解出，得到內(nèi)壓圓筒的厚度計算

17、式tiDp2)(ppDti2 壁厚考慮介質(zhì)腐蝕，計算厚度的基礎(chǔ)上，增加腐蝕裕度C2。筒體的設(shè)計厚度為 式中 -圓筒計算厚度， mm； d-圓筒設(shè)計厚度， mm； Di-圓筒內(nèi)徑， mm； p-容器設(shè)計壓力， MPa； -焊接接頭系數(shù)。 22CppDtid ppDti2另一種情況：另一種情況：筒體設(shè)計厚度加上厚度負偏差C1后向上圓整，即為筒體名義厚度。對于已有的圓筒，測量厚度為 n，則其最大許可承壓的計算公式為：式中 ：n-圓筒名義厚度 圓整成鋼材標準值； eietnintDCDCp221Cdne-圓筒有效厚度C-厚度附加量。 設(shè)計溫度下圓筒的計算應(yīng)力 teeictDp2Cne21CCC五、球殼

18、強度計算設(shè)計溫度下球殼的計算厚度：設(shè)計溫度下球殼的計算應(yīng)力 teeictDp4 ppDti4六、設(shè)計參數(shù) 厚度設(shè)計參數(shù)按GBl50-1998中規(guī)定取值。 設(shè)計壓力、 設(shè)計溫度、 許用應(yīng)力、 焊接接頭系數(shù) 厚度附加量等參數(shù)的選取。22CppDtid1Cdn設(shè)計壓力（計算壓力）設(shè)計壓力（計算壓力）設(shè)計壓力設(shè)計壓力: :相應(yīng)設(shè)計溫度下確定殼壁厚度的壓力，亦即標注在銘牌上的容器設(shè)計壓力。其值稍高于最大工作壓力。最大工作壓力：最大工作壓力：是指容器頂部在工作過程中可能產(chǎn)生的最高壓力（表壓）。v使用安全閥時設(shè)計壓力不小于安全閥開啟壓力或取最大工作壓力1.051.10倍；v使用爆破膜作為安全裝置時，根據(jù)其型

19、式，一般取最大工作壓力的1.151.4倍作為設(shè)計壓力。 容器內(nèi)盛有液體，若其靜壓力不超過最大工作壓力的5，則設(shè)計壓力可不計入靜壓力，否則，須在設(shè)計壓力中計入液體靜壓力。 此外，某些容器有時還必須考慮重力、風力、地震力等載荷及溫度的影響，這些載荷不直接折算為設(shè)計壓力，必須分別計算。 設(shè)計溫度設(shè)計溫度選擇材料和許用應(yīng)力的確定直接有關(guān)。 設(shè)計溫度指容器正常工作中，在相應(yīng)的設(shè)計條件下，金屬器壁可能達到的最高或最低溫度。器壁溫度通過換熱計算，或者已適用的同類容器上測定，或按內(nèi)部介質(zhì)溫度確定。v不被加熱或冷卻，筒內(nèi)介質(zhì)最高或最低溫度。v用蒸汽、熱水或其它載熱體加熱或冷卻，載體最高溫度或最低溫度。v不同部位

20、出現(xiàn)不同溫度分別計算許用應(yīng)力許用應(yīng)力v許用應(yīng)力是以材料的各項強度數(shù)據(jù)為依據(jù)，合理選擇安全系數(shù)n得出的。v抗拉強度、屈服強度，蠕變強度、疲勞強度。取其中最低值。v當設(shè)計溫度低于0時，取20時的許用應(yīng)力。n0焊接接頭系數(shù)焊接接頭系數(shù)v焊接削弱而降低設(shè)計許用應(yīng)力的系數(shù)。v根據(jù)接頭型式及無損檢測長度比例確定。焊接接頭形式無損檢測的長度比例100%局部雙面焊對接接頭或相當于雙面焊的對接接頭1.00.85單面焊對接接頭或相當于單面焊的對接接頭0.90.8符合壓力容器安全技術(shù)檢察規(guī)程才允許作局部無損探傷。抽驗長度不應(yīng)小于每條焊縫長度的20。厚度附加量厚度附加量滿足強度要求的計算厚度之外，額外增加的厚度量，包

21、括由鋼板負偏差(或鋼管負偏差) Cl、腐蝕裕量 C2，即 C Cl十 C2厚度22.22.52.83.03.23.53.84 4.55.5 負偏差0.130.140.150.160.18 0.2 0.2 厚度6782526303234 36404250 5260 負偏差0.60.8 0.91 1.11.21.3 腐蝕裕量C2應(yīng)根據(jù)各種鋼材在不同介質(zhì)中的腐蝕速度和容器設(shè)計壽命確定。 塔類、反應(yīng)器類容器設(shè)計壽命一般按20年考慮，換熱器殼體、管箱及一般容器按10年考慮。 腐蝕速度0.05mma(包括大氣腐蝕)時： 碳素鋼和低合金鋼單面腐蝕C21mm，雙面腐蝕取C22mm， 當腐蝕速度0.05mma時

22、，單面腐蝕取C22mm，雙面腐蝕取C24mm。 不銹鋼取C20。l氫脆、堿脆、應(yīng)力腐蝕及晶間腐蝕等，增加腐蝕裕量不是有效辦法，而應(yīng)根據(jù)情況采用有效防腐措施。 l工藝減薄量，可由制造單位依據(jù)各自的加工工藝和加工能力自行選取，設(shè)計者在圖紙上注明的厚度不包括加工減薄量。七、最小壁厚七、最小壁厚l設(shè)計壓力較低的容器計算厚度很薄。l大型容器剛度不足，不滿足運輸、安裝。l限定最小厚度以滿足剛度和穩(wěn)定性要求。l殼體加工成形后不包括腐蝕裕量最小厚度min：a. 碳素鋼和低合金鋼制容器不小于3mm b. 對高合金鋼制容器，不小于2mm 22CppDtid八、壓力試驗八、壓力試驗為什麼要進行壓力試驗?zāi)?？為什麼要進

23、行壓力試驗?zāi)?？制造加工過程不完善，導(dǎo)致不安全，發(fā)生過大變形或滲漏。最常用的壓力試驗方法是液壓試驗。通常用常溫水，也可用不會發(fā)生危險的其它液體。試驗時液體的溫度應(yīng)低于其閃點或沸點。不適合作液壓試驗的容器：不適合作液壓試驗的容器：如裝入貴重催化劑要求內(nèi)部烘干；容器內(nèi)襯耐熱混凝土不易烘干；由于結(jié)構(gòu)原因不易充滿液體的容器以及容積很大的容器等，可用氣壓試驗代替液壓試驗。對壓力試驗的規(guī)定情況如下表所示：對壓力試驗的規(guī)定情況如下表所示：類型試驗壓力強度條件說明 備注液壓試驗 (10-17) （10-19)立式容器臥置進行水壓試驗，試驗壓力取立置試驗壓力+液柱靜壓力壓力試驗時，由于容器承受的壓力pT 高于設(shè)計

24、壓力p，故必要時需進行強度效核。氣壓試驗 (10-18） (10-20)pT -試驗壓力， MPa； p -設(shè)計壓力， MPa； 一試驗溫度下的材料許用應(yīng)力， MPa； T 一設(shè)計溫度下的材料許用應(yīng)力， MPa 液壓試驗時水溫不能過低(碳素鋼、16MnR不低于5，其它低合金鋼不低于15)，外殼應(yīng)保持干燥。 設(shè)備充滿水后，待壁溫大致相等時，緩慢升壓到規(guī)定試驗壓力，穩(wěn)壓30min，然后將壓力降低到設(shè)計壓力，保持30min以檢查有無損壞，有無宏觀變形，有無泄漏及微量滲透。 水壓試驗后及時排水，用壓縮空氣及其它惰性氣體，將容器內(nèi)表面吹干。例題4-2：某化工廠欲設(shè)計一臺石油氣分離工程中的乙烯精餾塔。工藝

25、要求為塔體內(nèi)徑Di=600mm；設(shè)計壓力p2.2MPa；工作溫度t-3-20。試選擇塔體材料并確定塔體厚度。解析：解析：由于石油氣對鋼材腐蝕不大，溫度在-20以上，承受一定的壓力，故選用16MnR。 根據(jù)式(10-12)式中p2.2MPa；Di=600mm；170MPa （附錄表6） =0.8(表10-9)； C2=1.0 mm 得：22CppDtidmmd89.50.12.28.017026002.2考慮鋼板厚度負偏差C10.6mm圓正取dn=7mm水壓試驗時的應(yīng)力16MnR的屈服限s=345MPa（附錄表6）水壓試驗時滿足強度要求。sT9.0九、邊緣應(yīng)力九、邊緣應(yīng)力無力矩理論忽略了剪力與彎

26、矩的影響，可以滿足工程設(shè)計精度的要求。但對圖中所示的一些情況，就須考慮彎矩的影響。(a)、(b)、(c)是殼體與封頭聯(lián)接處經(jīng)線突然折斷；(d)是兩段厚度不等的筒體相連接 (e)、(f)、(g)有法蘭、加強圈、管板等剛度大的構(gòu)件。 相鄰兩段性能不同，或所受溫度或壓力不同，導(dǎo)致兩部分變形量不同，但又相互約束，從而產(chǎn)生較大的剪力與彎矩。筒體與封頭聯(lián)接為例， 邊緣應(yīng)力數(shù)值很大，有時導(dǎo)致容器失效，應(yīng)重視。邊緣應(yīng)力具有局限性和自限性兩個基本特性：邊緣應(yīng)力具有局限性和自限性兩個基本特性： 1局限性 大多數(shù)都有明顯的衰減波特性，隨離開邊緣的距離增大，邊緣應(yīng)力迅速衰減。 2自限性 彈性變形相互制約，一旦材料產(chǎn)生

27、塑性變形，彈性變形約束就會緩解，邊緣應(yīng)力自動受到限制，即邊緣應(yīng)力的自限性。v塑性好的材料可減少容器發(fā)生破壞。 v局部性與自限性，設(shè)計中一般不按局部應(yīng)力來確定厚度，而是在結(jié)構(gòu)上作局部處理。v但對于脆性材料，必須考慮邊緣應(yīng)力的影響。思考題思考題1.承受氣體壓力的圓筒和圓錐形殼體的應(yīng)力有什么特點？標準橢圓殼的應(yīng)力又是怎樣的？2.無力矩理論的適用條件是什么？3.邊緣應(yīng)力的特點是什么？4.在什么情況下需要考慮邊緣應(yīng)力？作作 業(yè)業(yè)習題：P224 4，8一、外壓容器失穩(wěn)外壓容器：容器外部壓力大于內(nèi)部壓力。石油、化工生產(chǎn)中外壓操作，例如：石油分餾中的減壓蒸餾塔、多效蒸發(fā)中的真空冷凝器、帶有蒸汽加熱夾套的反應(yīng)釜

28、 真空干燥、真空結(jié)晶設(shè)備等。第三節(jié) 外壓圓筒設(shè)計失穩(wěn)的概念失穩(wěn)的概念容器外壓與受內(nèi)壓一樣產(chǎn)生徑向和環(huán)向應(yīng)力，是壓應(yīng)力。也會發(fā)生強度破壞。容器強度足夠卻突然失去了原有的形狀，筒壁被壓癟或發(fā)生褶縐，筒壁的圓環(huán)截面一瞬間變成了曲波形。這種在外壓作用下，筒體突然失去原有形狀的現(xiàn)象稱彈性彈性失穩(wěn)失穩(wěn)。容器發(fā)生彈性失穩(wěn)將使容器不能維持正常操作，造成容器失效。失穩(wěn)現(xiàn)象的實質(zhì)：失穩(wěn)現(xiàn)象的實質(zhì)：外壓失穩(wěn)前，只有單純的壓縮應(yīng)力，在失穩(wěn)時，產(chǎn)生了以彎曲應(yīng)力為主的附加應(yīng)力。外壓容器的失穩(wěn)，實際上是容器筒壁內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)由單純的壓應(yīng)力平衡躍變?yōu)橹饕軓澢鷳?yīng)力的新平衡。二、容器失穩(wěn)形式二、容器失穩(wěn)形式側(cè)向失穩(wěn)側(cè)向失穩(wěn)由于均

29、勻側(cè)向外壓引起失穩(wěn)叫側(cè)向失穩(wěn)側(cè)向失穩(wěn)。殼體橫斷面由原來的圓形被壓癟而呈現(xiàn)波形，其波形數(shù)可以等于兩個、三個、四個。軸向失穩(wěn)軸向失穩(wěn) 薄壁圓筒承受軸向外壓，當載荷達到某一數(shù)值時，也會喪失穩(wěn)定性。失穩(wěn)，仍具有圓環(huán)截面，但破壞了母線的直線性，母線產(chǎn)生了波形，即圓筒發(fā)生了褶縐。 局部失穩(wěn)局部失穩(wěn)在支座或其他支承處以及在安裝運輸中由于過大的局部外壓也可能引起局部失穩(wěn)。三、臨界壓力計算三、臨界壓力計算臨界壓力：臨界壓力：導(dǎo)致筒體失穩(wěn)的外壓，Pcr臨界應(yīng)力：臨界應(yīng)力：筒體在臨界壓力作用下，筒壁內(nèi)的環(huán)向壓縮應(yīng)力，以cr表示。外壓低于Pcr，變形在壓力卸除后能恢復(fù)其原先形狀，即發(fā)生彈性變形。達到或高于Pcr時，產(chǎn)

30、生的曲波形將是不可能恢復(fù)的。臨界壓力與哪些因素有關(guān)？臨界壓力與哪些因素有關(guān)？失穩(wěn)是固有性質(zhì)，不是由于圓筒不圓或是材料不均或其它原因所導(dǎo)致。每一具體的外壓圓筒結(jié)構(gòu)，都客觀上對應(yīng)著一個固有的臨界壓力值。臨界壓力的大小與筒體幾何尺寸、材質(zhì)及結(jié)構(gòu)因素有關(guān)。根據(jù)失穩(wěn)情況將外壓圓筒分為三類：根據(jù)失穩(wěn)情況將外壓圓筒分為三類：長圓筒：長圓筒：剛性封頭對筒體中部變形不起有效支撐，最容易失穩(wěn)壓癟，出現(xiàn)波紋數(shù)n=2的扁圓形。短圓筒：短圓筒：兩端封頭對筒體變形有約束作用，失穩(wěn)破壞波數(shù)n2，出現(xiàn)三波、四波等的曲形波。剛性圓筒：剛性圓筒：若筒體較短，筒壁較厚，即L/D0較小，e/D0較大，容器的剛性好，不會因失穩(wěn)而破壞。

31、 長圓筒長圓筒 式中 Pcr-臨界壓力， MPa； e-筒體的有效厚度， mm； D0-筒體的外直徑， mmEt-操作溫度下圓筒材料的彈性模量， MPa -材料的泊桑比。長圓筒的臨界壓力計算公式：302)(12DEpecrniDD20分析： 長圓筒的臨界壓力僅與圓筒的相對厚度e/D0有關(guān)，而與圓筒的相對長度L/D0無關(guān)。對于鋼制圓筒，=0.3，則30)(20.2DEpetcr302)(12DEpecr 短圓筒短圓筒短圓筒的臨界壓力計算公式為：l 短圓筒臨界壓力與相對厚度e/D0有關(guān)，也隨相對長度L/D0變化。lL/D0越大，封頭的約束作用越小，臨界壓力越低。)/()/(59.205.20DLD

32、EpecrL為筒體計算長度，指兩相鄰加強圈的間距；對與封頭相連接的那段筒體而言，應(yīng)計入凸形封頭中的1/3的凸面高度。)/()/(59.205.20DLDEpecr臨界壓力計算公式使用范圍：臨界壓力計算公式使用范圍：臨界壓力計算公式在認為圓筒截面是規(guī)則圓形及材料均勻的情況下得到的。實際筒體都存在一定的圓度，不可能是絕對圓的，實際筒體臨界壓力將低于計算值。但即使殼體形狀很精確和材料很均勻，當外壓力達到一定數(shù)值時，也會失穩(wěn)，只不過是殼體的圓度與材料的不均勻性能使其臨界壓力的數(shù)值降低，使失穩(wěn)提前發(fā)生。 剛性筒剛性筒 剛性筒是強度破壞，計算時只要滿足強度要求即可，其強度校核公式與內(nèi)壓圓筒相同。 22Cp

33、pDtid 臨界長度臨界長度實際外壓圓筒是長圓筒還是短圓筒，可根據(jù)臨界長度Lcr來判定。 當圓筒處于臨界長度Lcr時，長圓筒公式計算臨界壓力Pcr值和短圓筒公式計算臨界壓力Pcr值應(yīng)相等)/()/(59.2)(20.205.2030DLDEDEee得：v 當筒長度LLcr，Pcr按長圓筒 v 當筒長度LLcr時，Pcr按短圓筒公式按規(guī)則圓形推的，實際圓筒總存在一定的不圓度，公式的使用范圍必須要求限制筒體的圓度e。ecrDDL0017.1四、外壓圓筒的設(shè)計四、外壓圓筒的設(shè)計 算法概述 外壓圓筒計算常遇到兩類問題兩類問題：一是已知圓筒的尺寸，求它的許用外壓 p；另一是已給定工作外壓，確定所需厚度e

34、。 1 1許用外壓許用外壓 p p 圓度，長圓筒或管子一般壓力達到臨界壓力值的 l213時就可能會被壓癟。 大于計算壓力的工況，不允許在外壓力等于或接近于臨界壓力，必須有一定的安全裕度，使許用壓力比臨界壓力小，即p-許用外壓； m-穩(wěn)定安全系數(shù)，m1mppcr穩(wěn)定安全系數(shù)穩(wěn)定安全系數(shù)mm的選取的選取主要考慮兩個因素： 一個是計算公式的可靠性； 另一個是制造上所能保證的圓度。根據(jù)GB150-1998鋼制壓力容器的規(guī)定m=3，圓度與D0/e、L/D0有關(guān)。2 2設(shè)計外壓容器設(shè)計外壓容器由于Pcr或p都與筒體的幾何尺寸（e、D0、L）有關(guān)，通常采用試算法：設(shè)計外壓容器，應(yīng)使許用外壓p小于臨界壓力Pc

35、r，即穩(wěn)定條件為： pmpcr試算法試算法：由工藝條件定內(nèi)徑和筒體長度 先假定一個e pmpcr根據(jù)筒體計算長度判斷屬于長圓筒還是短圓筒，再代入相應(yīng)臨界壓力計算式。ecrDDL0017.1求出相應(yīng)的p,然后比較p是否大于或接近設(shè)計壓力p，以判斷假設(shè)是否合理。30)(20.2DEpetcr)/()/(59.205.20DLDEpecr設(shè)計外壓：設(shè)計外壓：不小于正常工作過程中可能出現(xiàn)的最大內(nèi)外壓力差。真空容器：有安全控制裝置（真空泄放閥），取1.25倍最大內(nèi)外壓差或0.1MPa中較小值；無安全控制裝置，取0.1MPa。帶夾套容器：真空設(shè)計壓力再加上夾套設(shè)計壓力。（二）（二） 圖算圖算 長、短圓筒臨

36、界壓力計算式均可歸納為)/()/(59.205.20DLDEpecr30)(DKEpecrK為特征系數(shù)，00,DDLKe302)(12DEpecr外壓圓筒在臨界壓力下的周向應(yīng)力為200)(212DKEDpeecrcr周向應(yīng)變以A代替00,DLDfe eDBp032,3232的關(guān)系是即而BAAEAB（三）（三） 外壓圓筒厚度設(shè)計方法外壓圓筒厚度設(shè)計方法 利用算圖確定外壓圓筒厚度。步驟如下： 1 1 D D0 0/d/de e2020的外壓圓筒及外壓管的外壓圓筒及外壓管a. 假設(shè)n,計算en-C,定出L/D0、D0/e值b. 在圖10-15 外壓或軸壓受壓圓筒和管子幾何參數(shù)計算圖中得到系數(shù)A；c.

37、 根據(jù)所用材料，從A-B關(guān)系圖（圖10-16至圖10-20）中選用，讀出B值，并按式（10-25）或（10-26）計算許用外壓力p：eDBp/0)/(320eDAEpd. 比較許用外壓p與設(shè)計外壓p若pp，假設(shè)的厚度n可用，若小得過多，可將n適當減小，重復(fù)上述計算若pp，需增大初設(shè)的n，重復(fù)上述計算，直至使pp且接近p為止。2. 2. D D0 0/ /e e2020的外壓圓筒及外壓管子的外壓圓筒及外壓管子a用與D0/e20相同的方法得到系數(shù)B，但對D0/e4圓筒及管子計算系數(shù)A值：系數(shù)A0.1時，取A=0.1； 20)/(1.1eDABDpe0625. 0/25. 201b計算pl和p2。取

38、pl和p2中的較小值為許用外壓p/11/20002eeDDpt20tts2.009.09.0或0取以下兩式中的較小值c比較許用外壓p與設(shè)計外壓pv若pp，假設(shè)的厚度n可用，若小得過多，可將n適當減小，重復(fù)上述計算v若pp，需增大初設(shè)的n，重復(fù)上述計算，直至使pp且接近p為止。五、外壓容器的試壓五、外壓容器的試壓外壓容器和真空容器按內(nèi)壓容器進行液壓試驗，試驗壓力取1.25倍的設(shè)計外壓，即 :式中p-設(shè)計外壓力，MPa； pT-試驗壓力，MPa。ppT25.1l夾套容器內(nèi)筒如設(shè)計壓力為正值時，按內(nèi)壓容器試壓；如設(shè)計壓力為負值時按外壓容器進行液壓試驗。l夾套容器液壓試驗合格后再焊接夾套。夾套內(nèi)壓試驗

39、壓力為：l夾套內(nèi)壓試驗必須事先校核該容器在夾套試壓時的穩(wěn)定性是否足夠。l不滿足穩(wěn)定性，則液壓試驗時容器內(nèi)保持一定壓力，以便在整個試壓過程中，夾套與筒體的壓力差不超過設(shè)計值。 tTpp25. 1例10-3：分餾塔內(nèi)徑2000mm，塔身(不包括橢圓形封頭)長度為6000mm，封頭深度500mm。370及真空條件下操作。現(xiàn)庫存有9、12、14mm厚20g鋼板。能否用這三種鋼板制造。 塔的計算長度：鋼板負偏差均為0.8mm鋼板的腐蝕裕量取1mm。有效厚度為7.2、10.2和12.2mm。簡化計算，有效厚度7、10和12mmmmL63405003126000當e=7mm時查圖10-15得A=0.0000

40、85。20g鋼板的s=250MPa（查附錄6），查圖10-17，A值點落在材料溫度線得左方，故：20g鋼板370時的E=1.69105MPap0.1MPa，所以9mm鋼板不能用。14.392200063400DL3.288720180eDEAB32MPaDBpe033. 03 .2881105 . 81069. 132/550當e=10mm時查圖4-15得A=0.000013。查圖10-17，A值所在點仍在材料溫度線得左方，故p0.1MPa，所以12mm鋼板也不能用。132.3122200063400DL4.2021020240eDMPaDBpe072. 04 .2021103 . 11069

41、. 132/450當e=12mm時查圖10-15得A=0.000018。查圖10-17，A值所在點仍在材料溫度線得左方，故：p0.1MPa，所以，須采用14mm厚的20g鋼板制造。126.3142200063400DL1691220280eDMPaDBpe12.01691108 .11069.132/450六、加強圈六、加強圈內(nèi)徑2000mm、全長7000mm的分餾塔，要保證在0.1MPa外壓下安全操作，須用14mm厚鋼板。較簿鋼板滿足不了外壓要求。裝上一定數(shù)量的加強圈，利用圈對筒壁的支撐作用，可以提高圓筒的臨界壓力，從而提高其工作外壓。扁鋼、角鋼、工字鋼等都以制作加強圈。加強圈最大間距：加強

42、圈最大間距：外壓圓筒加強圈間距已選定，可按上述圖算法確定出筒體厚度；如果筒體的D0/e已確定，可從下式解出加強圈最大間距：加強圈的實際間距如小于或等于算出的間距，表明該圓筒能安全承受設(shè)計壓力。)/()/(59.205 .20DLDEpecrmpDEDLe5.200)(59.2加強圈的安裝：加強圈的安裝：加強圈可設(shè)置在容器內(nèi)部或外部。連續(xù)或間斷焊接，當加強圈在外面時，每側(cè)間斷焊接的總長度不應(yīng)小于圓筒外圓周長的1/2；在里面，焊縫總長度不應(yīng)小于內(nèi)圓周長度1/3。間斷焊最大間距，外加強圈不能大于筒體名義厚度8倍；內(nèi)加強圈不能大于筒體名義厚度12倍為保證強度，加強圈不能任意削弱或割斷。水平容器加強圈須

43、開排液小孔。允許割開或削弱而不需補強的最大弧長間斷值。思考題思考題 ：1. 外壓圓筒的失穩(wěn)形式有哪些？2. 影響外壓圓筒臨界壓力的因素有哪些？3. 外壓圓筒上設(shè)置加強圈的目的是什么？作作 業(yè)業(yè)習題：P224 9，11，12封頭又稱端蓋，其分類：封頭又稱端蓋，其分類：第四節(jié)第四節(jié) 封頭的設(shè)計封頭的設(shè)計一、橢圓形封頭一、橢圓形封頭半橢球和高度為h的短圓筒(通稱直邊)兩部分構(gòu)成，直邊保證封頭制造質(zhì)量和避免邊緣應(yīng)力作用。受內(nèi)壓的橢圓形封頭受內(nèi)壓的橢圓形封頭計算厚度：K-橢圓形封頭形狀系數(shù)，標準橢圓形封頭(長短軸之比值為2)，K=1。壁厚計算公式：p.KpDti502212261hDKippDti5.0

44、2當封頭是由整塊鋼板沖壓時，值取為1。筒體設(shè)計壁厚計算公式：v忽略分母上微小差異，大多數(shù)橢圓封頭壁厚與筒體同，或比筒體稍厚。v還應(yīng)保證封頭的有效壁厚e滿足：對標準橢圓形封頭不小于封頭內(nèi)直徑的0.15。 CpKpDtid5 .02 22CppDtid橢圓形封頭最大允許工作壓力 標準橢圓形封頭的直邊高度由表10-11確定。封 頭材 料碳素鋼、普低鋼、復(fù)合鋼板不銹鋼、耐酸鋼 封 頭壁 厚48 101820 39101820 直 邊高 度254050254050 eietKDp5.02受外壓（凸面受壓）橢圓形封頭受外壓（凸面受壓）橢圓形封頭外壓橢圓形封頭厚度設(shè)計步驟同外壓圓筒。假設(shè)n,計算en-C,算

45、出R0/ e 。橢圓形封頭當量球殼外半徑R0=K1 D0。 K1 由長短軸比值決定，標準橢圓形封頭K1 =0.9b. 計算系數(shù)eRA/125.00eRBp/0c. 根據(jù)材料，從A-B圖（圖10-16至圖10-20）中選用，若A值落在設(shè)計溫度線的右方，讀出B值計算許用外壓力p若A值在設(shè)計溫度線的左方，則許用外壓： 20/0833.0eREpd. 比較許用外壓p與設(shè)計外壓pv若pp，假設(shè)的厚度n可用，若小得過多，可將n適當減小，重復(fù)上述計算v若pp，需增大初設(shè)的n，重復(fù)上述計算，直至使pp且接近p為止。二、半球形封頭二、半球形封頭受內(nèi)壓球形封頭計算壁厚與球殼相同。球形封頭壁厚可較圓筒殼減薄一半。但

46、為焊接方便以及降低邊緣壓力，半球形封頭常和筒體取相同的厚度。 受外壓的球形封頭的厚度設(shè)計，計算步驟同橢圓形封頭。球殼外半徑R0=K1 D0，其中 K1=0.5 三、碟形封頭三、碟形封頭又稱帶折邊球形封頭，球面半徑Ri、過渡圓弧半徑r和高度為h的直邊。相同受力，碟形封頭壁厚比橢圓形封頭壁厚要大些，而且碟形封頭存在應(yīng)力不連續(xù)，因此沒有橢圓形封頭應(yīng)用廣泛。四、球冠形封頭四、球冠形封頭降低凸形封頭高度，將碟形封頭的直邊及過圓弧部分去掉，只留下球面部分。也稱無折邊球形封頭。五、錐形封頭五、錐形封頭 廣泛用于化工設(shè)備(如蒸發(fā)器、噴霧干燥器、結(jié)晶器及沉降器等)的底蓋. 便于收集與卸除設(shè)備中的固體物料。 塔設(shè)備上、下部分的直徑不等，也常用錐形殼體連接，稱為變徑段。（一）無折邊錐形封頭或錐形筒體（一）無折邊錐形封頭或錐形筒體適用于錐殼半錐角a3001、錐殼大端 a. 查圖10-27，大端是否須加強 c. 需加強，以降低聯(lián)接處的局部應(yīng)力。錐殼加強段和圓筒加強段厚度相同 pQpDtir2Q為錐殼與圓筒聯(lián)接處的應(yīng)力增值系數(shù)，查圖10-28 cos5.021riDL