化工機(jī)械基礎(chǔ)內(nèi)壓薄壁容器設(shè)計(jì)

化工機(jī)械基礎(chǔ)內(nèi)壓薄壁容器設(shè)計(jì)第一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日一、薄壁容器設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)

㈠薄壁容器根據(jù)容器外徑DO與內(nèi)徑Di的比值K來(lái)判斷，當(dāng)K≤1.2為薄壁容器K＞1.2則為厚壁容器第二頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日㈡圓筒形薄壁容器承受內(nèi)壓時(shí)的應(yīng)力只有拉應(yīng)力無(wú)彎曲“環(huán)向纖維”和“縱向纖維”受到拉力。s1（或s軸）圓筒母線方向(即軸向)拉應(yīng)力，s2（或s環(huán)）圓周方向的拉應(yīng)力。第三頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日㈢圓筒的應(yīng)力計(jì)算

1.軸向應(yīng)力

D-筒體平均直徑，亦稱中徑，mm；

第四頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日2.環(huán)向應(yīng)力第五頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日分析：（1）薄壁圓筒受內(nèi)壓環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力兩倍。問(wèn)題a：筒體上開橢圓孔，如何開應(yīng)使其短軸與筒體的軸線平行，以盡量減少開孔對(duì)縱截面的削弱程度，使環(huán)向應(yīng)力不致增加很多。第六頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日分析：?jiǎn)栴}b：鋼板卷制圓筒形容器，縱焊縫與環(huán)焊縫哪個(gè)易裂？筒體縱向焊縫受力大于環(huán)向焊縫，故縱焊縫易裂，施焊時(shí)應(yīng)予以注意。第七頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（2）分析式(10-1)和(10-2)可知，內(nèi)壓筒壁的應(yīng)力和d/D成反比，d/D值的大小體現(xiàn)著圓筒承壓能力的高低。因此，分析一個(gè)設(shè)備能耐多大壓力，不能只看厚度的絕對(duì)值。第八頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日二、無(wú)力矩理論基本方程式

㈠基本概念與基本假設(shè)1．基本概念（1）旋轉(zhuǎn)殼體：殼體中面（等分殼體厚度）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)一周而成的旋轉(zhuǎn)曲面。第九頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（2）軸對(duì)稱殼體的幾何形狀、約束條件和所受外力都是對(duì)稱于某一軸?；び玫膲毫θ萜魍ǔＪ禽S對(duì)稱問(wèn)題。

第十頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（3）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的曲率半徑第十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日2．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)小位移假設(shè)

各點(diǎn)位移都遠(yuǎn)小于厚度?？捎米冃吻俺叽绱孀冃魏蟪叽?。變形分析中高階微量可忽略。第十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日2．基本假設(shè)(2)直線法假設(shè)

變形前垂直于中面直線段，變形后仍是直線并垂直于變形后的中面。變形前后法向線段長(zhǎng)度不變。沿厚度各點(diǎn)法向位移相同，厚度不變。(3)不擠壓假設(shè)

各層纖維變形前后互不擠壓。第十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日㈡無(wú)力矩理論基本方程式

無(wú)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(shí)應(yīng)力狀態(tài)和承受內(nèi)壓的薄膜相似。又稱薄膜理論第十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日（4-3）——平衡方程（4-4）——區(qū)域平衡方程

無(wú)力矩理論基本方程式：第十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日三、基本方程式的應(yīng)用1．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）、（10-2）同。第十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日2．球形殼體

球殼R1＝R2=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(dāng)容器容積相同時(shí)，球表面積最小，故大型貯罐制成球形較為經(jīng)濟(jì)。

制造第十七頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日3．圓錐形殼體圓錐形殼半錐角為a，A點(diǎn)處半徑為r，厚度為d，則在A點(diǎn)處：代入（4-3）、（4-4）可得A點(diǎn)處的應(yīng)力：第十八頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

，

（4-6）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；

a角要選擇合適，不宜太大。在錐形殼體大端r=R時(shí)，應(yīng)力最大，在錐頂處，應(yīng)力為零。因此，一般在錐頂開孔。

第十九頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日4．橢圓形殼體

橢圓殼經(jīng)線為一橢圓，a、b分別為橢圓的長(zhǎng)短軸半徑。由此方程可得第一曲率半徑為：

第二十頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

（4-7）第二十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

化工常用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，a/b=2，故頂點(diǎn)處：

邊緣處：

頂點(diǎn)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(diǎn)的經(jīng)向應(yīng)力比邊緣處的經(jīng)向應(yīng)力大一倍；頂點(diǎn)處的環(huán)向應(yīng)力和邊緣處相等但符號(hào)相反。應(yīng)力值連續(xù)變化。第二十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日㈡受液體靜壓的圓筒形殼體的受力分析

筒壁上任一點(diǎn)的壓力值（不考慮氣體壓力）為：

根據(jù)式（4-3）（4-4）可得：第二十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日

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s1=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：第二十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日例題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：平均直徑mm經(jīng)向應(yīng)力MPa環(huán)向應(yīng)力MPa第二十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日四、筒體強(qiáng)度計(jì)算實(shí)際設(shè)計(jì)中須考慮三個(gè)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(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力，即[s]t-設(shè)計(jì)溫度t℃下材料許用應(yīng)力，MPa。第二十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日㈠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(qiáng)度可能低于鋼材本體的強(qiáng)度。鋼板[s]t乘以焊接接頭系數(shù)j，j≤1

第二十七頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日㈡容器內(nèi)徑

工藝設(shè)計(jì)確定內(nèi)徑Di，制造測(cè)量也是內(nèi)徑，而受力分析中的D卻是中面直徑。解出d，得到內(nèi)壓圓筒的厚度計(jì)算式第二十八頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日㈢壁厚

考慮介質(zhì)腐蝕，計(jì)算厚度d的基礎(chǔ)上，增加腐蝕裕度C2。筒體的設(shè)計(jì)厚度為式中d-圓筒計(jì)算厚度，mm；

dd-圓筒設(shè)計(jì)厚度，mm；

Di-圓筒內(nèi)徑，mm；

p-容器設(shè)計(jì)壓力，MPa；

j-焊接接頭系數(shù)。第二十九頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日另一種情況：筒體設(shè)計(jì)厚度加上厚度負(fù)偏差后向上圓整，即為筒體名義厚度。對(duì)于已有的圓筒，測(cè)量厚度為dn，則其最大許可承壓的計(jì)算公式為：式中：dn-圓筒名義厚度

圓整成鋼材標(biāo)準(zhǔn)值；第三十頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日de-圓筒有效厚度C-厚度附加量。

設(shè)計(jì)溫度下圓筒的計(jì)算應(yīng)力第三十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日五、球殼強(qiáng)度計(jì)算

設(shè)計(jì)溫度下球殼的計(jì)算厚度：設(shè)計(jì)溫度下球殼的計(jì)算應(yīng)力第三十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日六、設(shè)計(jì)參數(shù)厚度設(shè)計(jì)參數(shù)按GBl50-1998中規(guī)定取值。設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)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。第三十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日㈠設(shè)計(jì)壓力（計(jì)算壓力）設(shè)計(jì)壓力:相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下確定殼壁厚度的壓力，亦即標(biāo)注在銘牌上的容器設(shè)計(jì)壓力。其值稍高于最大工作壓力。最大工作壓力：是指容器頂部在工作過(guò)程中可能產(chǎn)生的最高壓力（表壓）。第三十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日㈠設(shè)計(jì)壓力（計(jì)算壓力）使用安全閥時(shí)設(shè)計(jì)壓力不小于安全閥開啟壓力或取最大工作壓力1.05～1.10倍；使用爆破膜根據(jù)其型式，一般取最大工作壓力的1.15～1.4倍作為設(shè)計(jì)壓力。第三十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日容器內(nèi)盛有液體，若其靜壓力不超過(guò)最大工作壓力的5％，則設(shè)計(jì)壓力可不計(jì)入靜壓力，否則，須在設(shè)計(jì)壓力中計(jì)入液體靜壓力。此外，某些容器有時(shí)還必須考慮重力、風(fēng)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(jì)壓力，必須分別計(jì)算。

第三十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日㈡設(shè)計(jì)溫度選擇材料和許用應(yīng)力的確定直接有關(guān)。設(shè)計(jì)溫度指容器正常工作中，在相應(yīng)的設(shè)計(jì)條件下，金屬器壁可能達(dá)到的最高或最低溫度。第三十七頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日㈡設(shè)計(jì)溫度器壁溫度通過(guò)換熱計(jì)算。不被加熱或冷卻，筒內(nèi)介質(zhì)最高或最低溫度。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。不同部位出現(xiàn)不同溫度分別計(jì)算第三十八頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日㈢許用應(yīng)力許用應(yīng)力是以材料的各項(xiàng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)為依據(jù)，合理選擇安全系數(shù)n得出的?？估瓘?qiáng)度、屈服強(qiáng)度，蠕變強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度。取其中最低值。當(dāng)設(shè)計(jì)溫度低于0℃時(shí)，取20℃時(shí)的許用應(yīng)力。第三十九頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日㈣焊接接頭系數(shù)焊接削弱而降低設(shè)計(jì)許用應(yīng)力的系數(shù)。根據(jù)接頭型式及無(wú)損檢測(cè)長(zhǎng)度比例確定。焊接接頭形式無(wú)損檢測(cè)的長(zhǎng)度比例100%局部雙面焊對(duì)接接頭或相當(dāng)于雙面焊的對(duì)接接頭1.00.85單面焊對(duì)接接頭或相當(dāng)于單面焊的對(duì)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(wú)損探傷。抽驗(yàn)長(zhǎng)度不應(yīng)小于每條焊縫長(zhǎng)度的20％。第四十頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日㈤厚度附加量滿足強(qiáng)度要求的計(jì)算厚度之外，額外增加的厚度量，包括由鋼板負(fù)偏差(或鋼管負(fù)偏差)Cl、腐蝕裕量C2，即C＝Cl十C2厚度22.22.52.8～3.03.2～3.53.8～44.5～5.5負(fù)偏差0.130.140.150.160.180.20.2

厚度6～78～2526～3032～3436～4042～5052～60負(fù)偏差0.60.80.911.11.21.3第四十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日腐蝕裕量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(jì)壽命確定。塔類、反應(yīng)器類容器設(shè)計(jì)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。第四十二頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日腐蝕速度＜0.05mm／a(包括大氣腐蝕)時(shí)：碳素鋼和低合金鋼單面腐蝕C2＝1mm，雙面腐蝕取C2＝2mm，當(dāng)腐蝕速度＞0.05mm／a時(shí)，單面腐蝕取C2＝2mm，雙面腐蝕取C2＝4mm。不銹鋼取C2＝0。第四十三頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日氫脆、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。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(jì)者在圖紙上注明的厚度不包括加工減薄量。第四十四頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日七、最小壁厚設(shè)計(jì)壓力較低的容器計(jì)算厚度很薄。大型容器剛度不足，不滿足運(yùn)輸、安裝。限定最小厚度以滿足剛度和穩(wěn)定性要求。第四十五頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日殼體加工成形后不包括腐蝕裕量最小厚度dmin：

a.碳素鋼和低合金鋼制容器不小于3mm

b．對(duì)高合金鋼制容器，不小于2mm

第四十六頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日八、壓力試驗(yàn)為什麼要進(jìn)行壓力試驗(yàn)?zāi)?？制造加工過(guò)程不完善，導(dǎo)致不安全，發(fā)生過(guò)大變形或滲漏。最常用的壓力試驗(yàn)方法是液壓試驗(yàn)。常溫水。也可用不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)的其它液體試驗(yàn)時(shí)液體的溫度應(yīng)低于其閃點(diǎn)或沸點(diǎn)。第四十七頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日八、壓力試驗(yàn)不適合作液壓試驗(yàn)，如裝入貴重催化劑要求內(nèi)部烘干，或容器內(nèi)襯耐熱混凝土不易烘干，或由于結(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(yàn)代替液壓試驗(yàn)。第四十八頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日對(duì)壓力試驗(yàn)的規(guī)定情況如下表所示：試驗(yàn)類型試驗(yàn)壓力強(qiáng)度條件說(shuō)明備注液壓試驗(yàn)

(4-17)

（4-19)立式容器臥置進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)壓力應(yīng)取立置試驗(yàn)壓力加液柱靜壓力。壓力試驗(yàn)時(shí)，由于容器承受的壓力pT高于設(shè)計(jì)壓力p，故必要時(shí)需進(jìn)行強(qiáng)度效核。

氣壓試驗(yàn)

(4-18）

(4-20)pT-試驗(yàn)壓力，MPa；p-設(shè)計(jì)壓力，MPa；

[s]一試驗(yàn)溫度下的材料許用應(yīng)力，MPa；

[s]T一設(shè)計(jì)溫度下的材料許用應(yīng)力，MPa第四十九頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日液壓試驗(yàn)時(shí)水溫不能過(guò)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(shí)，緩慢升壓到規(guī)定試驗(yàn)壓力，穩(wěn)壓30min，然后將壓力降低到設(shè)計(jì)壓力，保持30min以檢查有無(wú)損壞，有無(wú)宏觀變形，有無(wú)泄漏及微量滲透。水壓試驗(yàn)后及時(shí)排水，用壓縮空氣及其它惰性氣體，將容器內(nèi)表面吹干第五十頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日例題10-2：某化工廠欲設(shè)計(jì)一臺(tái)石油氣分離工程中的乙烯精餾塔。工藝要求為塔體內(nèi)徑Di=600mm；設(shè)計(jì)壓力p＝2.2MPa；工作溫度t＝-3～-20℃。試選擇塔體材料并確定塔體厚度。解析：由于石油氣對(duì)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p＝2.2MPa；Di=600mm；[s]＝170MPaj=0.8(表10-9)；C2=1.0mm

得：第五十一頁(yè)，共五十九頁(yè)，編輯于2023年，星期日考慮鋼板厚度負(fù)偏差C1＝0.6mm圓正取dn=7mm水壓試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力

16MnR的屈服限ss=345MPa（附錄表6）水壓試驗(yàn)時(shí)滿足強(qiáng)度要求。第五十二頁(yè)