機械基礎 第2版 課件 第16章 壓力容器

第16章壓力容器在暖通及燃氣設備中，廣泛應用著一類設備，雖然這些設備尺寸大小不一、形狀各異，內部的構造形式更是多種多樣，但是它們都有一個外殼，這個外殼稱為容器。承受介質壓力且與外界隔離的密閉容器，稱為壓力容器。

本章的主要介紹壓力容器的基本構造、內壓薄壁容器強度基本計算方法和容器的檢驗與補強技術等。16.1概述16.1.1容器的構造容器一般是由殼體（即筒體）、封頭（又稱端蓋）、法蘭、支座、接口管、人孔、手孔及視鏡等組成（見圖）。16.1.2容器的分類容器分類的方法很多，通?？砂慈萜鞯男螤?、承壓性質和壓力等級進行分類。（１）按容器的形狀分類１）方形和矩形容器由平板焊成，制造簡單，但承壓能力差，只用作小型的常壓或低壓的貯槽。２）球形容器由若干塊弧形板拼焊而成，承壓能力好，但由于安裝內件不便且制造稍難，一般多用作貯罐。３）圓筒形容器由圓柱形筒體和各種回旋形封頭（半球形、橢球形、碟形、圓錐形）或平板形封頭所組成。因為此類容器制造容易，內件安裝簡便，且承壓能力較好，所以應用最為廣泛。（２）按承壓性質分類容器可分為外壓容器和內壓容器兩類。當容器內部介質壓力大于外部壓力時，稱為內壓容器；反之，則稱為外壓容器。真空容器是指內部壓力小于一個絕對大氣壓（0.1ＭＰａ）的外壓容器。（３）按壓力等級分類內壓容器根據其能夠承受的工作壓力，可分為低壓、中壓、高壓和超高壓４個等級（見表16.1）。16.1.3容器的基本要求容器的總體技術尺寸（如體積大小、其長度與直徑的比例、傳熱面積、直徑與高度、管口的數量、位置及大小等）一般需要根據工藝要求，通過工藝計算及生產經驗決定。在工藝尺寸初步確定以后，即可進行零部件的結構設計。零部件結構的機械設計應滿足以下７點要求：（１）強度容器及其構件抵抗外力破壞的能力，以保證安全生產。（２）剛度容器及零部件應有的抵抗外力使其變形的能力，以防止容器在使用、運輸或安裝過程中發(fā)生的過度變形。有些構件的設計主要取決于剛度而不是強度。（３）穩(wěn)定性容器或其零部件在外力的作用下應有維持其原有的形狀的能力，以防止容器在壓力的作用下被壓癟或出現折皺。（４）耐久性容器應有的抵抗介質及大氣腐蝕（某些情況下還有設備的疲勞、蠕變或振動等）的能力，以保證使用年限內設備的安全。（５）氣密性容器應有可靠的氣密性，以保證安全和創(chuàng)造良好的勞動環(huán)境以及維持正常的操作條件。（６）節(jié)約材料和便于制造容器及其零部件應在滿足結構要求的情況下盡可能地節(jié)省材料，特別是貴重材料的消耗；同時，設計是盡量采用標準零部件，避免或減少復雜的加工工序及加工量。（７）方便操作和便于運輸容器的結構設計還應考慮操作的方便性，以及安裝、維護、檢查方便；容器外形的尺寸及形狀選擇應充分考慮運輸的方便和可能性。16.2內壓薄壁圓筒與球殼的強度計算

在暖通及燃氣等行業(yè)領域，應用較為廣泛的是薄壁容器。在本章內容中，主要討論內壓薄壁容器與球殼的設計計算。16.2.1受內壓的薄壁圓筒的強度計算如圖所示為一承受內壓ｐ作用的圓筒形薄壁容器。已知圓筒的平均直徑為Ｄ，厚度為δ，根據薄膜應力理論，其圓筒上任一點Ａ處的經向應力σｍ和環(huán)向應力σθ分別為由以上兩式可知，圓柱殼上的環(huán)向應力比經向應力大１倍；在一定的內壓作用下，圓柱殼的中徑一定時，厚度δ值越大，所產生的應力越??；另外，決定一個圓柱殼應力大小的是殼體厚度與中徑之比，而不是殼體厚度的絕對值。

根據第三強度理論，可得筒壁上任一點處的相當應力為按照薄膜應力強度條件式中［σ］ｔ———鋼板在設計溫度下的許用應力，ＭＰａ。容器的筒體除少數的采用無縫鋼管外，大多是由鋼板卷焊而成的，由于焊縫可能存在夾渣、氣孔等缺陷，或者在焊接加熱過程中對焊縫周圍過熱區(qū)金屬產生的不利影響，往往可能導致焊縫及其附近金屬的強度低于鋼板的強度。因此，鋼板的許用應力應用許用應力較低的焊縫金屬代替。為了簡化計算難度，根據實際工程經驗，將鋼板的許用應力［σ］ｔ乘以一個焊縫接頭系數φ（φ≤１），于是式（16.3）可寫為一般由工藝條件確定的是圓筒的內直徑，用內徑Ｄｉ替代平均直徑Ｄ，即Ｄ＝Ｄｉ＋δ，代入式（16.4）得取等號時解上式可得上式即為受壓容器筒體的計算厚度公式。但是，按此式計算得到的計算厚度δ不能作為選用鋼板的依據，實際生產中還要考慮以下兩點因素：①鋼板的負偏差。

鋼板出廠時所標明的厚度是鋼板的名義厚度，鋼板的實際厚度允許一定范圍內大于名義厚度（即正偏差），也有可能小于名義厚度（即負偏差）。鋼板的標準中規(guī)定了允許的正、負偏差值。因此，如果按式（16.5）算出的計算厚度δ選用鋼板，極有可能鋼板實際厚度小于δ。

為了防止這種情況發(fā)生，在確定筒體厚度時，應在計算厚度δ的基礎上將鋼板的負偏差C1加上去（鋼板和鋼管負偏差分別見表16.3、表16.4）。②腐蝕裕量。

容器的作用是用來盛裝介質或為介質提供反應空間的，介質對容器有腐蝕作用。假設介質對鋼板的年腐蝕率為λ（ｍｍ／ａ），容器的預計使用壽命為ｎ年（除特殊要求外，塔、反應器等主要容器取15年，一般容器、換熱器等取8年考慮為宜），則在容器使用期間，器壁會因遭受腐蝕而減薄的總厚度（腐蝕裕量）為Ｃ2＝ｎλ。為了保證容器的安全使用，腐蝕裕量Ｃ２也應包括在容器的厚度之中?？紤]到以上兩點，容器的設計厚度可分為以下4種：（１）設計厚度《鋼制壓力容器》（GB150—2011）中規(guī)定，將計算厚度與腐蝕裕量之和稱為設計厚度，用δｄ表示，即（２）名義厚度將設計厚度加上鋼板負偏差后向上圓整至鋼板的標準規(guī)格厚度稱為圓筒的名義厚度，用δｎ表示，即式（16.7）中，令Ｃ＝Ｃ１＋Ｃ２，稱為厚度附加量；式中，Δ稱為圓整值，因為設計厚度與負偏差之和在大多數情況下并不正好等于鋼板的規(guī)格厚度，所以需要將δｄ＋C1向上圓整至鋼板的規(guī)格厚度，這一厚度也為圖樣上標注的厚度，也即圓筒的名義厚度δｎ。鋼板常用的規(guī)格厚度列于表16.5中。（３）有效厚度在構成名義厚度δn的4個尺寸中，計算厚度δ和圓整值Δ是容器在整個使用期間均可依賴其抵抗介質壓力破壞的厚度，Ｃ1是鋼板負偏差，很可能在選取鋼板時就為零，Ｃ2是隨著容器的使用逐年減小的量，故從真正可作為依靠來承受介質壓力的厚度而言，只有δ和Δ，把δ與Δ之和稱為圓筒的有效厚度，用δe表示，即或（４）最小厚度按照式（16.5）算出的內壓圓筒厚度僅僅是從強度考慮得到的。當設計壓力不太低時，由此公式計算得到的筒體厚度基本上是符合使用要求的，這時強度要求是決定容器厚度的主要考慮因素；但當設計壓力為低壓或常壓時，按強度公式計算出的厚度很小，以致不能滿足制造、運輸和安裝等工作中的剛度要求，這時剛度要求才是決定容器厚度的主要因素，必須按剛度要求決定容器的最小厚度。滿足剛度要求的容器最小厚度δmin（不包括腐蝕裕量）應符合以下規(guī)定：①對碳素鋼、低合金鋼制容器，不小于３ｍｍ。②對高合金鋼制容器不小于２ｍｍ。③碳素鋼和低合金鋼制塔式容器不小于２‰的塔器內直徑，且不小于４ｍｍ；不銹鋼制塔式容器不小于３ｍｍ。④管殼式換熱器殼體應符合《管殼式換熱器》國家標準中的相應規(guī)定。16.2.2受內壓的球形殼體強度計算暖通及燃氣設備中的球罐以及其他壓力容器中的球形封頭均屬于球殼，球形封頭可視為半球殼，其中的應力除與其他部件（如圓筒等）的連接處外，與球殼完全一樣。如圖所示為一球形殼體。已知其平均半徑為Ｄ，厚度為δ，內壓為ｐ，現計算球殼中的應力。球殼的母線是半徑為Ｄ／２的半圓周，由薄膜應力理論可知，其經向應力與環(huán)向應力分別為這說明球殼上的應力處相同，經向應力與環(huán)向應力也相等。同時可知，球殼上的薄膜應力只有同直徑、同厚度的圓柱殼環(huán)向應力的１／２。與薄壁圓筒的推導相似，可得到球形容器的厚度設計計算公式如下：計算厚度：設計厚度：16.3內壓薄壁容器封頭的強度計算容器的封頭又稱端蓋，是容器的重要組成部分。按其形狀和制造條件，可分為３類：凸形封頭、錐形封頭和平板形封頭。

在設計時，采用何種形式的封頭要根據工藝條件的要求、制造的難易和材料的消耗等情況來決定。本節(jié)介紹常用的凸形封頭和平板形封頭。16.3.1凸形封頭凸形封頭又可進一步分為半球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭（又稱帶折邊的球形封頭）、球冠形封頭（也稱無折邊的球冠形封頭）４種。（１）半球形封頭半球形封頭是由半個球殼構成的。它的受力可按球形殼體的受力進行分析，故其計算厚度公式也可采用與球殼相同的公式，即因此，球形封頭的厚度可比相同直徑與壓力的圓筒厚度減薄。但在實際工作中，為了焊接方便以及降低邊界處的邊緣壓力，半球形封頭常和筒體取相同的厚度。16.3內壓薄壁容器封頭的強度計算16.3內壓薄壁容器封頭的強度計算半球形封頭由于深度大，整體沖壓成形較為困難，對大直徑（Ｄi＞2.5ｍ）的半球形封頭，可先在水壓機上將數塊鋼板沖壓成形后再在現場拼焊而成，如圖所示。半球形封頭多用于大型高壓容器的封頭和壓力較高的貯罐上。（２）橢圓形封頭橢圓形封頭是由1/4橢圓曲線作為母線繞回轉軸旋轉一周形成的，如圖所示。橢圓的長軸為２a，短軸為2b，h0為直邊，橢球殼上的應力也可應用薄膜應力理論公式求得。16.3內壓薄壁容器封頭的強度計算當a/b=2時，稱此時的封頭為標準形式的橢圓形封頭。其經向應力和環(huán)向應力如下：

在封頭中心處在封頭邊緣處16.3內壓薄壁容器封頭的強度計算標準形式的橢圓封頭壁厚計算公式為上式和圓筒的厚度計算公式幾乎一樣，說明圓筒采用標準橢圓形封頭，其封頭厚度近似等于圓筒厚度。這樣，筒體和封頭可采用同樣厚度的鋼板來制造，故常選用標準橢圓形封頭作為圓筒體的封頭。標準橢圓形封頭已經標準化（GB/T25198-2023），設計時可根據公稱直徑和厚度直接選用。16.3內壓薄壁容器封頭的強度計算（３）碟形封頭碟形封頭又稱帶折邊的球形封頭，是由以Ri為半徑的球面、以r為半徑的過渡圓?。ㄕ圻叄┖透叨葹閔0的直邊構成的，如圖所示。16.3內壓薄壁容器封頭的強度計算碟形封頭的優(yōu)點是制造簡便，可手工成形，還可在現場制造。主要的缺點是在連接處半徑有突變，從而產生較大的邊緣應力。由于碟形封頭較大的邊緣應力的缺點，在相同條件下碟形封頭的厚度比橢圓形封頭的厚度要大些。標準碟形封頭的厚度可計算為16.3內壓薄壁容器封頭的強度計算（４）球冠形封頭將碟形封頭的直邊及過渡圓弧部分去掉，球面部分直接焊在筒體上，就構成了球冠形封頭，也稱無折邊球形封頭。它降低了封頭的高度。球冠形封頭在多數情況下用作容器中兩個獨立受壓室的中間封頭，也可作為端蓋。受內壓球冠形端封頭的計算厚度可計算為

16.3內壓薄壁容器封頭的強度計算16.3.2平板封頭平板封頭也稱平蓋，按幾何形狀不同，平板封頭可分為圓形、橢圓形、長圓形、方形及矩形等。在設備中，最常用的是圓形平板。平蓋的優(yōu)點是制造簡便，但是在內壓的作用下，平蓋主要承受的應力為數值較大且分布不均勻的彎曲應力。在這種應力條件下，平蓋的最大應力又因為與殼體的連接情況不同而位置不能確定，所以平蓋比受力相同是的凸形封頭厚度要大很多。這個缺點限制了平蓋不能在更大范圍內應用。在化工設備中，最常用的平蓋是圓形平蓋。16.3內壓薄壁容器封頭的強度計算圓形平蓋的厚度可計算為容器在制成以后或檢修后投入生產之前，要進行壓力試驗，其目的是檢驗容器的強度和宏觀上有無滲漏現象，以確保設備投入使用或在下一個使用周期內的安全與正常運行。對于需要進行焊后熱處理的容器，應在全部焊接工作完成并經熱處理之后，進行壓力試驗和氣密性試驗；

對于分段交貨的壓力容器，可分段熱處理，在安裝地組裝焊接，并對焊接的焊縫進行局部熱處理之后，再進行壓力試驗。16.4容器的壓力試驗及密封性試驗16.4.1試驗壓力（1）對于液體壓力試驗其試驗壓力可計算為16.4容器的壓力試驗及密封性試驗（２）對于氣壓試驗其試驗壓力可計算為（３）對于密封性試驗其試驗壓力可計算為

16.4.2壓力試驗的要求與試驗方法（１）液壓試驗

液壓試驗是應用最多的檢驗方式。其中，最常用的是水壓檢驗法。

其試驗步驟是：將容器充滿液體（在容器最高點處設置排氣口），待容器壁溫度與液體溫度相同時緩慢升壓至規(guī)定試驗壓力后，保持壓力時間一般不小于30min，然后將壓力降到規(guī)定試驗壓力的80％，并保持足夠長時間以對所有焊縫和連接部位進行檢查，如有漏泄，修補后重新試驗。16.4容器的壓力試驗及密封性試驗液體實驗時，應注意下列事項：①一般采用潔凈水進行試驗。對于不銹鋼制造的容器用水進行試驗時，應限制水中的氯離子含量不超過25mg／kg，以防氯離子腐蝕。②采用石油蒸餾產品進行液壓試驗時，試驗溫度應低于石油產品的閃點或沸點。③試驗溫度應低于液體沸點溫度，對新鋼種的試驗溫度應高于材料無塑性轉變溫度。16.4容器的壓力試驗及密封性試驗④碳素鋼、16MnVR和正火的15MnVR鋼制容器液壓試驗時，液體溫度不得低于5℃，其他低合金鋼制容器（不包括低溫容器）液壓試驗時，液體溫度不得低于15℃。如果由于板厚等因素造成材料無塑性轉變溫度升高，還要相應地提高試驗液體溫度。⑤液壓試驗完成以后，應將液體排盡，并用壓縮空氣將內部吹干。16.4容器的壓力試驗及密封性試驗（２）氣壓試驗對于不適合或不能進行液壓試驗的容器（如容器內不允許有微量的殘留液體，或者由于結構原因不能充滿液體的容器），可采用氣壓試驗的方法進行檢測。所選用氣體應為干燥、潔凈的空氣、氮氣或其他惰性氣體，試驗氣體溫度一般不低于15℃。

氣壓試驗的試驗步驟是：緩慢升壓至規(guī)定試驗壓力的10％且不超過0.05MPa時，保持5min進行初檢，對所有的焊縫和連接部位進行檢查。檢查合格后，繼續(xù)升壓至規(guī)定試驗壓力的50％，其后按每級為規(guī)定試驗壓力的10％的級差逐漸升壓到試驗壓力，保持10min，然后再降到試驗壓力的87％，保持足夠長的時間并同時進行檢查，如有漏泄，則必須在修補后按上述步驟重新試驗。16.4容器的壓力試驗及密封性試驗16.4.3密封性試驗密封性試驗是對介質的毒性程度為極度和高度危害的容器，在經過液壓試驗合格后，必須進行的試驗。

其試驗程序是：首先緩慢升壓至試驗壓力并保持10min，然后降至設計壓力并保持足夠時間（至少30min），同時進行檢查，氣體的溫度不得低于5℃。容器在作定期檢驗時，若容器內有殘留易燃氣體并可能會造成爆炸時，則不能使用空氣作為試驗介質。16.4容器的壓力試驗及密封性試驗16.4.4壓力試驗前的應力校核在壓力試驗時，由于試驗壓力pT大于設計壓力p，因此在試驗前對試驗壓力下容器產生的應力進行強度校核。在試驗壓力的作用下，容器壁內產生的最大應力不得超過試驗溫度時上屈服極限的0.9倍（液壓試驗時）或者0.8倍（氣壓試驗時），且要考慮焊接接頭系數的影響。對于圓柱形筒體，液壓試驗時氣壓試驗時16.4容器的壓力試驗及密封性試驗各種容器不可避免地要開孔并往往接有管子或凸緣，容器開孔接管后在應力分布與強度方面將帶來以下影響：

開孔破壞了原有的應力分布并引起應力集，或較大的局部應力，再加上作用于接管上的各種荷載所產生的應力，溫度差造成的溫差應力，以及容器材質和焊接缺陷等因素的綜合作用，接管處往往會成為容器的破壞源，特別是在有交變應力以及腐蝕的情況下變得更為嚴重，造成容器的破壞。

因此容器開孔接管后，必須考慮其補強問題。16.5容器的開孔及其補強16.5.1開孔補強的設計原則與補強結構（１）補強設計原則１）等面積補強法的設計原則這種補強方法規(guī)定局部補強的金屬截面積必須等于或大于開孔所減去的殼體截面積，其含義在于補強殼壁的平均強度，用與開孔等截面的外加金屬來補償削弱的殼壁強度。但是，這種補強方法并不能完全解決應力集中問題，當補強金屬集中于開孔接管的根部時，補強效果較好，當補強金屬比較分散時，即使100％等面積補強，仍不能有效地降低應力集中系數。16.5容器的開孔及其補強在一般情況下，這種方法可滿足開孔補強的設計需要，方法簡便，且在工程上有很長的使用歷史和經驗，我國的容器標準采用的主要是這一方法。16.5容器的開孔及其補強２）塑性失效補強設計原則這是一種極限設計方法，同時又考慮到結構的安定性。其基本點是：開孔容器的接管處達到全域塑性時的極限應力應等于無孔殼體的屈服應力，即這種方法首先是由ASMEⅢ及ASMEⅧ-2采用，我國容器標準及專業(yè)標準也采用了這一設計準則。它表明，如果將薄膜應力控制在許用應力［σ］之下，那么，應力集中區(qū)的最大應力集中系數可允許達到3.0。應該指出，這種補強方法只允許采用整體鍛件補強結構。（２）補強結構補強結構是指用于補強的金屬采用什么樣的結構形式與被補強的殼體或接管連成一體，以減小該處的應力集中。常用的補強結構有以下3種形式：１）補強圈補強補強圈補強又稱貼板補強，如所示。16.5容器的開孔及其補強在接管處容器的內外壁上圍繞著接管焊上一個圓環(huán)板，使容器局部壁厚增大，降低應力集中，起到補強的作用。這種結構廣泛應用于中低壓容器，它制造簡便，造價也低，使用經驗成熟。補強圈的材料與殼體材料相同，其厚度一般也取與殼體厚度相同的厚度。

補強圈與殼體之間應很好的貼合，使其與殼體同時受力，否則起不到補強的作用。為了檢驗焊縫緊密型，補強圈上開有一個M10的小螺紋孔，并從這里通入壓縮空氣，在補強圈與器壁的連接焊縫處涂肥皂水，如果焊縫有缺陷，就會在該處吹起肥皂泡。16.5容器的開孔及其補強這種補強圈結構也存在一些缺點：

補強區(qū)域過于分散，補強效率不高；

補強圈與殼體或接管之間存在著一層靜氣隙，傳熱效果差，致使兩者溫差與熱膨脹差較大，因而在補強的局部地區(qū)往往會產生較大的熱應力；

補強圈與殼體焊接處，剛度變大，容易在焊接處產生裂紋、開裂；

由于補強圈與殼體或接管沒有形成一個整體，因而抗疲勞能力差等。

由于上述缺點，這種結構只用于靜壓、常溫及中、低壓容器。16.5容器的開孔及其補強２）厚壁管補強結構如圖所示，它是在殼體與接管之間焊上一段厚壁加強管。加強管處于最大應力區(qū)域內，因此能有效地降低開孔周圍的應力集中系數，其中圖(c)效果更好，但內伸長度要適當，如過長，其效果反會降低。厚壁管補強結構簡單，只需一段厚壁管即可，制造與檢驗都方便，但必須保證全焊透。常用于低合金鋼容器或某些高壓容器。16.5容器的開孔及其補強３）整鍛件補強結構如圖所示，補強區(qū)更集中在應力集中區(qū)，能最有效地降低應力集中系數，而且全部焊接接頭采用對接焊縫，易探傷，質量易保證，這種補強結構的抗疲勞性能最好。其缺點是鍛件供應困難，制造煩瑣，成本較高，常用在σｂ≥540MPa級的鋼板制作的容器上，以及受低溫、高溫容器、核容器上等。16.5容器的開孔及其補強16.5.2適用的開孔范圍當采用局部補強時，GB150-2011規(guī)定，筒體及封頭上開孔的最大直徑不得超過以下數值：①筒體內徑Di≤1500mm時，開孔最大直徑d≤Di／２，且ｄ≤520mm（ｄ為開孔直徑）。②筒體內徑Di＞1500mm時，開孔最大直徑d≤Di／３，且ｄ≤1000mm１。③凸形封頭或球殼的開孔最大直徑ｄ≤Di／2。16.5容器的開孔及其補強若開孔直徑超出上述規(guī)定，則開孔的補強結構與計算須作特殊考慮。必要時，尚應做驗證性水壓試驗，以校核設計的可靠性。在橢圓形或碟形封頭上開孔時，應盡量開設在封頭中心部位附近。當需要靠近封頭邊緣開孔時，應使孔邊與封頭邊緣之間的投影距離不小于0.1Di。另外，任意兩個相鄰孔邊緣間連接的投影距離至少等于小孔的直徑。16.5容器的開孔及其補強16.5.3不另行補強的最大開孔直徑容器開孔并非都要補強，因為常常有各種強度富余量存在。

例如，實際厚度超過強度的需要；焊接接頭系數小于1且開孔位置又不在焊縫上；接管的厚度大于計算值，有較大的多余厚度；接管根部有填角焊縫。所有這些都起到了降低應力集中處的最大應力的作用，也可認為是使局部得到加強，這時可不另行補強。關于不另行補強的最大開孔直徑，可參閱GB150-2011中的規(guī)定。16.5容器的開孔及其補強16.5.4等面積補強的設計所謂等面積補強，就是使補強的金屬等于或大于開孔所削弱的金屬量。

補強金屬在通過開孔中心線的縱截面上的正投影面積，必須等于或大于殼體由于開孔而在這個縱截面上所削弱的正投影面積。具體的計算方法參看GB150-2011。16.5.5補