第八章內(nèi)壓容器

第二篇壓力容器第六章壓力容器與化工設(shè)備常用材料第七章壓力容器的薄膜應力、彎曲應力、二次應力第八章內(nèi)壓容器第九章外壓容器與壓桿的穩(wěn)定計算第十章法蘭連接第十一章人孔、手孔、視鏡和液面計第十二章開孔補強與設(shè)備凸緣第十三章容器支座第十四章容器的焊接結(jié)果第十五章壓力容器的監(jiān)察管理與定期檢驗序言1設(shè)計參數(shù)的確定2內(nèi)壓容器筒體與封頭厚度的計算3在用壓力容器的強度校核4容器筒體與封頭的尺寸和質(zhì)量5容器殼體在材料使用上的規(guī)定第八章內(nèi)壓容器序言p（設(shè)計壓力）t（設(shè)計溫度——正常工作的情況下設(shè)定的元件金屬的溫度）D容器的直徑[σ]t（設(shè)計溫度下的許用應力）j

（焊接接頭系數(shù)）等1設(shè)計參數(shù)的確定2內(nèi)壓容器筒體與封頭厚度的計算3在用壓力容器的強度校核4容器筒體與封頭的尺寸和質(zhì)量5容器殼體在材料使用上的規(guī)定第八章內(nèi)壓容器容器筒體和封頭的直徑都已經(jīng)標準化（GB9019-88），不能隨意取值。筒體與封頭的公稱直徑要配套。對于鋼板卷焊的筒體，以內(nèi)徑作為它的公稱直徑（表8-1）。當用無縫鋼管作筒體時，以外徑作為它的公稱直徑（表8-2）。設(shè)計時，應將工藝計算初步確定的容器內(nèi)徑調(diào)整為符合規(guī)定的公稱直徑。一、容器直徑第一節(jié)設(shè)計參數(shù)的確定第一節(jié)設(shè)計參數(shù)的確定二、工作壓力和設(shè)計壓力使用安全閥時，設(shè)計壓力不小于安全閥的開啟壓力pk，或取最大工作壓力的1.05～1.10倍；

設(shè)計壓力p：在相應的設(shè)計溫度下用以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。設(shè)計壓力稍高于最大工作壓力。

最大工作壓力（pw）是指容器頂部在工作過程中可能產(chǎn)生的最高壓力（表壓）。安全閥容器第一節(jié)設(shè)計參數(shù)的確定使用爆破膜作安全裝置時，設(shè)計壓力不得低于爆破片的設(shè)計爆破壓力上限，根據(jù)爆破膜片的型式確定，一般取最大工作壓力的1.15～1.75倍作為設(shè)計壓力。防爆片容器盛裝液化氣容器，選最高溫度下該氣體的飽和蒸汽壓作為設(shè)計壓力（表8-4，8-5）。當容器內(nèi)盛有液體物料時，若液體物料的靜壓力<最大工作壓力的5％，則在設(shè)計壓力中可不計入液體靜壓力，否則，須在設(shè)計壓力中計入液體靜壓力。第一節(jié)設(shè)計參數(shù)的確定三、設(shè)計溫度t設(shè)計溫度t：指容器在正常工作情況下，設(shè)定的元件的金屬溫度。設(shè)計溫度在容器設(shè)計中的作用：

①選擇材料；②確定許用應力。設(shè)計溫度不得低于容器工作時器壁金屬可能達到的最高溫度。如果容器器壁金屬溫度在0℃以下，則設(shè)計的設(shè)計溫度不能高于器壁金屬可能達到的最低溫度。最低溫度如何取？第一節(jié)設(shè)計參數(shù)的確定計算壓力pc：在相應設(shè)計溫度下，用以確定元件厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。當元件所承受的液體靜壓力小于5%設(shè)計壓力時，可忽略不計。

計算壓力=設(shè)計壓力+液柱靜壓力(≥5%P時計入)四、計算壓力pc計算時用計算壓力，應用時用設(shè)計壓力。在檢查管理上，以設(shè)計壓力分類。通常取計算壓力pc=設(shè)計壓力p計算壓力≥設(shè)計壓力≥工作壓力=容器頂部表壓第一節(jié)設(shè)計參數(shù)的確定五、許用應力[σ]t許用應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，即所需要考慮的強度指標主要有抗拉強度、屈服強度，對于需要考慮蠕變的材料，強度指標還應有蠕變強度。常用鋼板與鋼管的許用應力可從資料中直接查?。ū?-6，8-7，8-8，8-9）。第一節(jié)設(shè)計參數(shù)的確定六、焊接接頭系數(shù)j容器上焊縫：縱焊縫——A類焊縫環(huán)焊縫——B類焊縫環(huán)焊縫縱焊縫縱向焊縫承受的應力比環(huán)向焊縫大一倍，焊接接頭系數(shù)主要針對縱向焊縫。第一節(jié)設(shè)計參數(shù)的確定焊接接頭系數(shù)的大小決定于焊接接頭的型式和無損檢測的長度比率無損檢驗方法主要是：X射線檢查和超聲波檢查焊縫結(jié)構(gòu)焊縫系數(shù)全部無損探傷局部無損探傷雙面焊或相當于雙面焊的全焊透對接焊縫1.00.85單面焊的對接焊縫，在焊接過程中沿焊縫根部全長有緊貼基本金屬的墊板0.90.8焊接接頭系數(shù)j焊接接頭系數(shù)j一般取1或0.851設(shè)計參數(shù)的確定2內(nèi)壓容器筒體與封頭厚度的計算3在用壓力容器的強度校核4容器筒體與封頭的尺寸和質(zhì)量5容器殼體在材料使用上的規(guī)定第八章內(nèi)壓容器第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算一、內(nèi)壓容器的五種厚度1.計算厚度計算厚度（δ）：由公式采用計算壓力得到的厚度，必要時還應計入其它載荷對厚度的影響。內(nèi)壓圓筒器壁內(nèi)的基本應力是薄膜應力，根據(jù)第三強度理論得出的薄膜應力強度條件是：[σ]t

制造筒體的鋼板在設(shè)計溫度t下的許用應力σr3

按第三強度理論得到的薄膜應力的相當應力j

焊接接頭系數(shù)第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算對于筒體，強度條件為筒體計算壁厚多數(shù)情況下筒體計算壁厚簡化式，適用于大多數(shù)情況。D：中徑Di：內(nèi)徑d：壁厚第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算2.設(shè)計厚度（δd）設(shè)計厚度（δd）：計算厚度與腐蝕裕量C2之和。

C2：腐蝕裕量，容器元件由于腐蝕或機械磨損而導致厚度變薄，在設(shè)計壁厚時要考慮容器使用壽命期內(nèi)的安全性。(mm)λ：腐蝕速率（mm/a），由材料手冊或?qū)嶒灤_定。一般情況，λ=0.05～0.13mm/a，輕微腐蝕時，單面腐蝕C2=1～2mm，雙面腐蝕C2=2～4mm，對于不銹鋼，一般C2=0。n：容器的設(shè)計壽命，通常為10～15年。第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算名義壁厚

δn：設(shè)計厚度加上鋼材厚度負偏差C1后向上圓整至鋼材標準規(guī)格的厚度，即為名義厚度。3.名義厚度（δn）C1：鋼板厚度負偏差（鋼板在軋制時產(chǎn)生了偏差）Δ：除去負偏差后的圓整值標注在圖樣上的厚度即為名義厚度δn第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算4.有效厚度（δe）有效厚度（δe）：名義厚度減去鋼材負偏差和腐蝕裕量有效厚度（δe）是真正可以用來承受介質(zhì)壓力的厚度第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算5.最小厚度（δmin）對于設(shè)計壓力較低的容器，根據(jù)強度公式計算出來的厚度很薄。大型容器，如果筒體厚度過薄，將導致剛度不足而極易引起過大的彈性變形，不能滿足運輸、安裝等要求。因此，必須限定一個最小厚度（不包括腐蝕裕量）以滿足剛度和穩(wěn)定性要求。最小厚度δmin的規(guī)定（不包括腐蝕裕量）：碳素鋼、低合金鋼容器：δmin不小于3mm；高合金制容器：δmin不小于2mm；第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算1）若取當筒體的計算厚度小于最小厚度時，應取最小厚度作為計算厚度。此時名義厚度：2）若取第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算例1設(shè)計條件如下：p=0.3MPa，Di=2m，[σ]t=113MPa，j=0.85，C2=2mm。試確定容器筒體的計算厚度、設(shè)計厚度，名義厚度、有效厚度、圓整值。解：第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算二、內(nèi)壓凸形封頭厚度計算封頭種類凸形封頭平板形封頭錐形封頭半球形封頭橢圓形封頭碟形封頭球冠形封頭帶折邊的錐形封頭不帶折邊的錐形封頭第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算1.半球形封頭半球形封頭是由半個球殼構(gòu)成。直徑較小、器壁較薄的半球形封頭可整體熱壓成形。大直徑的則先分瓣沖壓，再焊接組合。焊縫鋼板第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算半球形封頭厚度計算公式半球形封頭厚度簡化計算公式優(yōu)點：薄膜應力為相同直徑圓筒體的一半，最理想的結(jié)構(gòu)形式。缺點：深度大，直徑小時，整體沖壓困難，大直徑采用分瓣沖壓其拼焊工作量也較大。應用：高壓容器第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算2.標準橢圓形封頭由半個橢球面和短圓筒（直邊）組成橢球部分直邊長軸半徑a和短軸半徑b之比a/b=2曲面深度h=Di/4hh0δDN第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算

直邊的作用：避免封頭和筒體的連接焊縫處出現(xiàn)經(jīng)向曲率半徑突變，以改善焊縫的受力狀況。封頭公稱直徑DN≤2000>2000封頭直邊高度h02540封頭的直邊高度h0/mm標準橢圓形封頭的壁厚計算式：標準橢圓形封頭的壁厚簡化計算式：標準橢圓形封頭的計算厚度不得小于封頭內(nèi)徑的0.15％，即第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算3.蝶形封頭結(jié)構(gòu)：又稱帶折邊球形封頭，由半徑為Rc的球面體、半徑為r的過渡圓?。凑圻叄┖透叨葹閔0的短圓筒（即直邊）等三部分組成Rch0hrDi折邊直邊球體部分第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算優(yōu)點：過渡圓弧降低了封頭深度，方便成型，且壓制碟形封頭的鋼模加工簡單，應用廣泛。缺點：不連續(xù)曲面，存在較大邊緣彎曲應力。邊緣彎曲應力與薄膜應力疊加，使該部位的應力遠遠高于其它部位，故受力狀況不佳。Rch0hrDi球面部分的薄膜應力：Rc：球面部分的中面半徑δ：壁厚第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算折邊：折邊內(nèi)除了薄膜應力外，還有較大彎曲應力，總應力大于球面內(nèi)的應力：M：碟形封頭的形狀系數(shù)Rci：球面內(nèi)半徑r：折邊半徑r/Rci0.150.170.2M1.41.361.31形狀系數(shù)MRch0hrDi第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算蝶形封頭壁厚：蝶形封頭厚度計算公式蝶形封頭厚度簡化計算公式令Rci=αDi，則：α=0.9或1，常取0.9。第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算GB150-1998規(guī)定：碟形封頭的厚度如果太薄，也會發(fā)生內(nèi)壓下的彈性失穩(wěn)。M≤1.34時，δe≥0.15%DiM>1.34時，δe≥0.30%Di第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算4.球冠形封頭結(jié)構(gòu)：將球面部分直接焊在圓柱殼體上，構(gòu)成了無折邊球形封頭。封頭的球面半徑一般取等于圓柱筒體的內(nèi)直徑或0.9倍至0.7倍的內(nèi)直徑。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，常用作容器中兩獨立受壓室中間封頭，端蓋。

缺點：無轉(zhuǎn)角過渡，存在相當大的不連續(xù)應力，其應力分布不甚合理。第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算應用：端封頭或容器中兩個相鄰承壓空間的中間封頭，承壓小。折邊封頭與筒體連接處存在較大的邊界應力，厚度計算要考慮邊界應力：Q：系數(shù)，查GB150-1998Q>>1，Q越大，說明邊界應力影響越大。第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算例：為一Di=800mm圓筒設(shè)計封頭。已知：材料Q235A，設(shè)計壓力p=1.0MPa，t=200℃，試確定計算厚度：（1）半球形封頭；（2）標準橢圓封頭；（3）球面內(nèi)半徑Ri=720mm，折邊內(nèi)半徑r=108mm的碟形封頭；半球形封頭j=0.85，其余j=1。1）半球形封頭解：查表8-6（P167）Q235A在200℃時的[σ]t=2）標準橢圓形封頭105MPa第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算3）碟形封頭結(jié)論：凸形封頭曲面深度越淺，計算厚度越大（用料越多）。封頭半球形封頭標準橢圓形封頭蝶形封頭壁厚/mm2.253.824.81第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算三、錐形封頭軸對稱錐殼無折邊錐殼帶折邊錐殼：有過渡圓?。ㄕ圻叄┖椭边叢粠д圻呭F形封頭局部加強的不帶折邊錐形封頭帶折邊錐形封頭不帶折邊錐形封頭與筒體連接處存在較大邊界應力，降低邊界應力的方法：1）局部加強；2）加折邊和直邊第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算帶折邊錐形封頭第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算特點：結(jié)構(gòu)不連續(xù)，應力分布不理想應用許多化工設(shè)備的底蓋，便于卸料。不同直徑圓筒體的中間過渡段（變徑段）中低壓結(jié)構(gòu)限制無折邊錐形封頭：半錐角α≤30°帶折邊錐形封頭：半錐角α≤60°折邊半徑r：不小于Di的10%，且不小于該過渡段厚度的3倍。第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算1.不帶折邊錐形封頭錐形殼體的最大薄膜應力位于錐體大端：若不考慮封頭與圓筒連接處的邊界應力，則：當pc<5MPa時簡化式第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算實際上封頭與圓筒連接處存在較大的邊界應力，引入系數(shù)Q，則：不帶折邊錐形封頭厚度計算式不帶折邊錐形封頭錐殼簡化計算式1.不帶折邊錐形封頭第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算Q錐形封頭大端與圓筒連接處Q值圖第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算2.帶折邊錐形封頭帶折邊錐形封頭中折邊的應力總小于錐體大端處的應力，因此按錐體大端處的薄膜應力建立強度條件：第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算令帶折邊錐形封頭厚度計算式帶折邊錐形封頭厚度簡化計算式第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算當大端與小端直徑之比大于4時，小端不必計算，取與大端相同的厚度。3.錐形封頭小端第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算四、平板形封頭優(yōu)點：平板封頭結(jié)構(gòu)簡單，制造方便。缺點：受力時產(chǎn)生彎曲變形的不利狀態(tài)，在同樣直徑和載荷下所需的厚度最大，很少用于壓力容器。僅用于：1）常低壓設(shè)備和高壓小直徑設(shè)備；2）壓力容器的人孔、手孔及在操作時需封閉的接管盲板、換熱器端蓋等。第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算平板形封頭的厚度計算式：K：結(jié)構(gòu)系數(shù)（P183表8-15）δB：計算厚度Dc：計算直徑，一般是指容器的內(nèi)徑，在有些結(jié)構(gòu)中DC是指密封墊片的平均直徑。第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算五、計算厚度的通式K：形狀系數(shù)圓柱形筒體和標準橢圓形封頭，K=1球殼和半球形封頭，K=0.5蝶形封頭，K=Mα，M查表8-13，α=0.9或1無折邊錐形封頭，K=Q，Q查圖8-7折邊錐形封頭，K=f0，f0查表8-14（除平板封頭）第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算六、封頭的選擇為了節(jié)省鋼板，要求封頭單位容積的表面積越小越好。上述各類凸形封頭中，半球形封頭單位容積的表面積最小，標準橢圓形封頭和碟形封頭的單位容積的表面積比半球形大，無折邊錐形封頭最大。封頭的選擇主要根據(jù)設(shè)計對象的要求，在滿足工藝要求的前提下，同時考慮經(jīng)濟技術(shù)指標。1.幾何方面第二節(jié)內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度的計算要求封頭制造容易，封頭愈深，直徑和厚度愈大，制造愈困難。半球形封頭由于深度大，制造比較困難，標準橢圓形封頭和其它凸形封頭制造較易，而平板封頭制造最容易。為了節(jié)省材料，要求封頭在相同直徑、相同材料和相同壓力作用下厚度越小越好。

半球形封頭厚度最小；標準橢圓形封頭次之；碟形封頭再次之；平蓋封頭厚度最大。2.力學方面3.制造方面綜合以上結(jié)果，標準橢圓形封頭幾何形狀和受力狀態(tài)都比較好，制造難度又不大，因此，這種封頭在化工生產(chǎn)上得到了廣泛的應用。1設(shè)計參數(shù)的確定2內(nèi)壓容器筒體與封頭厚度的計算3在用壓力容器的強度校核4容器筒體與封頭的尺寸和質(zhì)量5容器殼體在材料使用上的規(guī)定第八章內(nèi)壓容器第三節(jié)在用壓力容器的強度校核（1）原設(shè)計已明確提出所采用的強度設(shè)計標準的，應按該強度標準進行強度校核（2）當被校核的容器材料牌號不明時，應按同類常用材料的最低標準進行強度計算（3）焊接接頭系數(shù)應根據(jù)焊接接頭的實際結(jié)構(gòu)型式和檢驗結(jié)果，參照原設(shè)計規(guī)定選取。（4）對于使用多年的容器，或者是腐蝕比較嚴重的容器，其厚度：一、在用壓力容器強度校核的原則第三節(jié)在用壓力容器的強度校核二、在用壓力容器強度校核1.在用壓力容器在校核壓力下的應力應小于材料的許用應力K：形狀系數(shù)pch：校核壓力，根據(jù)實際情況可取pw、pk、pδe：有效厚度新容器：δe=δn-C1-C2使用多年或腐蝕嚴重容器：δe=δCmin-2nλ第三節(jié)在用壓力容器的強度校核2.在用壓力容器的最大允許工作壓力應大于校核壓力最大允許工作壓力注：對帶折邊的錐形封頭，若折邊處的實際厚度小于錐體部分，則折邊和錐體分別校核：錐體部分：K=f0折邊部分：K查表8-16（P187）第三節(jié)在用壓力容器的強度校核厚度系數(shù)的大小反映了筒體厚度上的富裕程度（容器的承壓潛力）。三、厚度