（優選）化工機械基礎第三版第十章容器設計基礎當前第1頁\共有147頁\編于星期二\19點第十章容器設計基礎第一節概論當前第2頁\共有147頁\編于星期二\19點一、容器的結構 殼體(筒體)、封頭(端蓋)、法蘭、支座、接口管及人孔等組成。常低壓化工設備通用零部件標準直接選用。當前第3頁\共有147頁\編于星期二\19點二、容器的分類壓力容器分類按容器的形狀按承壓性質按管理其它按容器壁溫按金屬材料按應用情況當前第4頁\共有147頁\編于星期二\19點按容器的形狀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，安裝內件方便，承壓較好，應用最廣當前第5頁\共有147頁\編于星期二\19點按承壓性質內壓：內部介質壓力大于外界壓力外壓：內部介質壓力小于外界壓力真空：內部壓力小于一個絕壓的外壓容器表10-1內壓容器的分類容器分類設計壓力p（MPa）低壓容器0.1≤p＜1.6中壓容器1.6≤p＜10高壓容器10≤p＜100超高壓容器p≥100當前第6頁\共有147頁\編于星期二\19點按管理表10-2安全檢查規程使用范圍項目條件最高工作壓力pwpw≥0.1MPa，不包括液體靜壓內徑Di，容積VDi≥0.15m且V≥0.025m3介質氣體、液化氣體或最高工作溫度高于等于標準沸點的液體 根據壓力等級、介質毒性危害程度以及生產中的作用，壓力容器可分為三類。

第一類壓力容器 第二類壓力容器 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當前第7頁\共有147頁\編于星期二\19點表10-3毒性危害程度分級指標分級Ⅰ極度危害Ⅱ高度危害Ⅲ中毒危害Ⅳ輕度危害急性中毒吸入＜200mg/m3200~mg/m32000mg/m3~＞20000mg/m3經皮＜100100~500~＞2500經口＜2525~500~＞5000急性中毒易中毒后果嚴重可中毒，愈后良好偶可中毒無中毒但有影響慢性中毒患病率高較高偶有發生有影響慢性中毒后果繼續進展不能治愈可基本治愈可恢復無嚴重后果可恢復無不良后果致癌性人體致癌可疑致癌動物致癌無致癌性最高容許濃度＜0.10.1-1.0-＞10常見化學介質光氣、汞、氰化氫甲醛,苯胺、氟化氫、二氧化硫,硫化氫,氨當前第8頁\共有147頁\編于星期二\19點名稱說明三類容器（1）高壓容器；

（2）毒性程度為極度和高度危害介質的中壓容器；

（3）中度危害介質，且pV大于等于10MPa·m3中壓儲存容器；

（4）中度危害介質，且pV大于等于0.5MPa·m3中壓反應容器；

（5）毒性程度為極度和高度危害介質，且pV乘積≥0.2MPa·m3的低壓容器；

（6）高壓、中壓管殼式余熱鍋爐；

（7）中壓搪玻璃壓力容器；

（8）使用強度級別較高的材料制造的壓力容器；

（9）移動式壓力容器，鐵路罐車、罐式汽車和罐式集裝箱等；

（10）容積大于等于50m3的球形儲罐；

（11）容積大于5m3的低溫液體儲存容器。

二類容器（1）中壓容器；

（2）毒性程度為極度和高度危害介質的低壓容器；

（3）易燃介質或毒性程度為中度危害介質的低壓反應容器和低壓儲存容器；

（4）低壓管殼式余熱鍋爐；

（5）低壓搪玻璃壓力容器。

一類容器不在第三、第二類壓力容器之內的低壓容器為第一類壓力容器。當前第9頁\共有147頁\編于星期二\19點課堂作業：判斷題判斷下列容器屬一、二、三類容器的哪一類？1）φ2000mmx5000mm的液氨儲罐；2）p為4MPa的劇毒介質容器；3）p為10MPa，V為800L的乙烯儲罐。當前第10頁\共有147頁\編于星期二\19點按容器壁溫

常溫容器：壁溫-20℃至200℃；

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：在常溫和高溫之間；

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。當前第11頁\共有147頁\編于星期二\19點按材料金屬容器:鋼制,鑄鐵,有色金屬容器非金屬材料：既可作為容器的襯里，又可作為獨立的構件。應用最多是低碳鋼和普通低合金鋼，腐蝕嚴重或產品純度要求高用不銹鋼、不銹復合鋼板、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。當前第12頁\共有147頁\編于星期二\19點按應用情況

反應壓力容器（Ｒ）完成物理、化學反應，如反應器、反應釜、分解鍋、聚合釜、變換爐等；

換熱壓力容器（Ｅ）熱量交換，如熱交換器、管殼式余熱鍋爐、冷卻器、冷凝器、蒸發器等；

分離壓力容器（Ｓ）流體壓力平衡緩沖和氣體凈化分離，如分離器、過濾器、緩沖器、吸收塔、干燥塔等；

儲存壓力容器（Ｃ，球罐為Ｂ）儲存、盛裝氣體、液體、液化氣體等介質，如各種形式的貯罐、貯槽、高位槽、計量槽、槽車等。當前第13頁\共有147頁\編于星期二\19點三、容器的零部件標準 容器的零部件(例如封頭、法蘭、支座、人孔、手孔、視鏡、液面計等)標準化、系列化， 許多化工設備(例如貯槽、換熱器、搪玻璃與陶瓷反應器)也有了相應的標準。

兩個基本參數：

公稱直徑DN：指標準化以后的標準直徑，以DN表示，單位mm，例如內徑1200mm的容器的公稱直徑標記為DN1200。

公稱壓力PN：容器及管道的操作壓力經標準化以后的標準壓力稱為公稱壓力，以PN表示，單位MPa。當前第14頁\共有147頁\編于星期二\19點㈠公稱直徑1.壓力容器的公稱直徑鋼板卷焊公稱直徑是內徑。300(350)400(450)500(550)600(650)700(750)8009001000(1100)1200(1300)1400(1500)1600(1700)1800(1900)2000(2100)2200(2300)24002500260028003000320034003500360038004000420044004500460048005000520054005500560058006000

當前第15頁\共有147頁\編于星期二\19點 容器直徑較小，可直接用無縫鋼管制作。公稱直徑指鋼管外徑。159219273325377426表10-5無縫鋼管制作筒體時容器的公稱直徑（mm）設計時，應將工藝計算初步確定的設備內徑，調整為符合表10-4或表10-5所規定的公稱直徑。封頭的公稱直徑與筒體一致。當前第16頁\共有147頁\編于星期二\19點2.管子的公稱直徑也稱公稱口徑、公稱通徑。

有縫管：電焊鋼管，化工廠用來輸送水、煤氣、空氣、油以及取暖用蒸汽等流體管道。

無縫管：分熱軋管和冷拔管兩種。如輸送流體用無縫鋼管(GB8163-87)、石油裂化用無縫鋼管(GB9948-88)、化肥設備用高壓無縫鋼管（GB647986)等。當前第17頁\共有147頁\編于星期二\19點有縫管的公稱直徑：公稱直徑近似普通鋼管內徑的名義尺寸。公制mm，英制in，見表10-6。 公稱直徑15mm或1/2英寸，外徑21.3mm，壁厚2.75mm（普通）3.25mm（加厚）每一公稱直徑對應一外徑，其內徑數值隨厚度不同而不同。有縫管按厚度可分為薄壁鋼管、普通鋼管和加厚鋼管。管路附件也用公稱直徑表示，意義相同。當前第18頁\共有147頁\編于星期二\19點無縫鋼管的公稱尺寸： 分熱軋管和冷拔管。 無縫鋼管不用公稱直徑而是以外徑乘厚度表示。為公稱外徑與公稱厚度。 在管道工程中，管徑超過57mm時，常采用熱軋管。管徑在57mm以內常選用冷拔管。 冷拔管的最大外徑為200mm； 熱軋管的最大外徑為630mm。當前第19頁\共有147頁\編于星期二\19點3.容器零部件的公稱直徑法蘭、支座等公稱直徑是相配的筒體、封頭的公稱直徑。DN2000法蘭，DN2000鞍座還有一些零部件的公稱直徑是與它相配的管子公稱直徑DN200管法蘭另有一些容器零部件公稱直徑是指結構中某一重要尺寸，DN80(Dg80)視鏡是指窺視孔的直徑為80mm。當前第20頁\共有147頁\編于星期二\19點㈡公稱壓力工作壓力不同，相同公稱直徑的壓力容器其筒體及其零部件的尺寸也不同。將承受的壓力范圍分為若干個標準壓力等級，即公稱壓力。表10-7壓力容器法蘭與管法蘭的公稱壓力壓力容器法蘭0.250.61.01.62.54.06.4管法蘭0.250.61.01.62.54.05.0101525當前第21頁\共有147頁\編于星期二\19點設計時如果選用標準零部件，必須將操作溫度下的最高操作壓力(或設計壓力)調整為所規定的某一公稱壓力等級(調整方法見第五節)，然后根據DN與PN選定該零部件的尺寸。如果零件不選用標準零部件，而是自行設計，設計壓力就不必符合規定的公稱壓力。當前第22頁\共有147頁\編于星期二\19點四、壓力容器的標準簡介 壓力容器標準是全面總結壓力容器生產、設計、安全等方面的經驗，不斷納入新科技成果而產生的。它是壓力容器設計、制造、驗收等必須遵循的準則。壓力容器標準涉及設計方法、選材及制造、檢驗方法等。當前第23頁\共有147頁\編于星期二\19點㈠國內標準1989我國壓力容器標準化技術委員會制訂了GB150-89《鋼制壓力容器》1998年修訂成GB150-1998，使標準更加完善。GB150《鋼制壓力容器》內容包括：壓力容器板殼元件計算容器結構要素的確定密封設計超壓泄放裝置的設置容器的制造與驗收的要求等當前第24頁\共有147頁\編于星期二\19點㈡國外主要規范國外的規范主要有四個：美國ASME規范，英國壓力容器規范（BS），日本國家標準（JIS），德國壓力容器規范（AD）。當前第25頁\共有147頁\編于星期二\19點1．美國ASME規范美國機械工程師協會（ASME）制定的《鍋爐及壓力容器規范》。美國國家標準該規范規模龐大、內容完善，僅依靠其本身即可完成選材、設計、制造、檢驗、試驗、安裝及運行等全部工作環節。與壓力容器密切相關有：第Ⅱ卷材料技術條件、第Ⅴ卷無損檢驗、第Ⅷ卷壓力容器及第Ⅸ卷焊接及釬焊評定。每年增補一次，每三年出一新版，技術先進，修訂及時，能迅速反映世界壓力容器科技發展的最新成就，為世界上影響最大的一部規范。當前第26頁\共有147頁\編于星期二\19點2．英國壓力容器規范（BS） BS5500《非直接火熔焊壓力容器》是由英國標準協會（BSI）負責制定。由兩部規范合并而成：一部相當于ASME第Ⅷ卷第一冊的BS1500《一般用途的熔融焊壓力容器標準》，另一部是近似于德國AD規范的BS1515《化工及石油工業中應用的熔融焊壓力容器標準》。當前第27頁\共有147頁\編于星期二\19點3.日本國家標準（JIS）于80年代初制定了兩部基礎標準，一部是參照ASME第Ⅷ卷第1冊制定的JISB8243《壓力容器的構造》，另一部是參照ASME第Ⅷ卷第2冊制定的JISB8250《特定壓力容器的構造》。

此外，還有與壓力容器相關的標準JISB8240《冷凍壓力容器》、JISB8241《無縫鋼制氣瓶》及JISB8242《圓筒形液化石油氣貯罐（臥式）構造》等。當前第28頁\共有147頁\編于星期二\19點4.德國壓力容器規范（AD）AD壓力容器規范是由七個部門編制的：職工聯合會、鍋爐壓力容器管道聯合會、化學工業聯合會、冶金聯合會、機械制造者協會、大鍋爐企業主技術協會及技術監督會聯合會（VDTUV）。當前第29頁\共有147頁\編于星期二\19點AD規范在技術上有許多獨特的觀點，它在世界上也是具有廣泛影響的規范。AD規范與ASME規范相比，特點：

①AD規范只對材料屈服極限取安全系數，且取數較小。因此產品厚度薄、重量輕；

②AD規范允許用較高強度級別的鋼材；

③在制造要求方面，AD規范沒有ASME詳盡，這樣可使制造廠具有較大的靈活性，易于發揮各廠的技術特長和創新。當前第30頁\共有147頁\編于星期二\19點思考題：1.壓力容器按照壓力、溫度、監察管理各是怎樣分類的？2.鋼板卷制的筒體和成型封頭的公稱直徑指的是哪個直徑？無縫鋼管制作筒體時，公稱直徑指的是哪個直徑？3.判斷容器屬幾類？當前第31頁\共有147頁\編于星期二\19點一、薄壁容器設計的理論基礎

㈠薄壁容器 根據容器外徑DO與內徑Di的比值K來判斷，當K≤1.2為薄壁容器K＞1.2則為厚壁容器第二節內壓薄壁容器設計當前第32頁\共有147頁\編于星期二\19點㈡圓筒形薄壁容器承受內壓時的應力 只有拉應力無彎曲 “環向纖維”和“縱向纖維”受到拉力。 σ1（或σ軸）圓筒母線方向(即軸向)拉應力， σ2（或σ環）圓周方向的拉應力。當前第33頁\共有147頁\編于星期二\19點㈢圓筒的應力計算1.軸向應力D-筒體平均直徑，亦稱中徑，mm2.環向應力當前第34頁\共有147頁\編于星期二\19點分析：（1）薄壁圓筒受內壓環向應力是軸向應力兩倍。問題a：筒體上開橢圓孔，如何開?應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，使環向應力不致增加很多。當前第35頁\共有147頁\編于星期二\19點分析：問題b：鋼板卷制圓筒形容器，縱焊縫與環焊縫哪個易裂？筒體縱向焊縫受力大于環向焊縫，故縱焊縫易裂，施焊時應予以注意。當前第36頁\共有147頁\編于星期二\19點（2）分析式(10-1)和(10-2)也可知，內壓筒壁的應力和δ/D成反比，δ/D值的大小體現著圓筒承壓能力的高低。因此，分析一個設備能耐多大壓力，不能只看厚度的絕對值。當前第37頁\共有147頁\編于星期二\19點二、無力矩理論基本方程式㈠基本概念與基本假設

1．基本概念

（1）旋轉殼體：殼體中面（等分殼體厚度）是任意直線或平面曲線作母線，繞其同平面內的軸線旋轉一周而成的旋轉曲面。當前第38頁\共有147頁\編于星期二\19點（2）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）旋轉殼體的幾何概念母線與經線法線、平行圓第一曲率半徑：經線曲率半徑第二曲率半徑：垂直于經線的平面與中面相割形成的曲線BE的曲率半徑當前第39頁\共有147頁\編于星期二\19點2．基本假設假定殼體材料有連續性、均勻性和各向同性，即殼體是完全彈性的。

(1)小位移假設

各點位移都遠小于厚度。可用變形前尺寸代替變形后尺寸。變形分析中高階微量可忽略。

(2)直線法假設

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度不變。沿厚度各點法向位移相同，厚度不變。

(3)不擠壓假設

各層纖維變形前后互不擠壓。當前第40頁\共有147頁\編于星期二\19點㈡無力矩理論基本方程式

無力矩理論是在旋轉薄殼的受力分析中忽略了彎矩的作用。此時應力狀態和承受內壓的薄膜相似。又稱薄膜理論（10-3）——平衡方程（10-4）——區域平衡方程無力矩理論基本方程式：當前第41頁\共有147頁\編于星期二\19點三、基本方程式的應用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。㈠受氣體內壓殼體的受力分析當前第42頁\共有147頁\編于星期二\19點2．球形殼體

球殼R1＝R2=D/2，得：直徑與內壓相同，球殼內應力僅是圓筒形殼體環向應力的一半，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濟。當前第43頁\共有147頁\編于星期二\19點3．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點處的應力：當前第44頁\共有147頁\編于星期二\19點（10-6）錐形殼體環向應力是經向應力兩倍，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，應力最大，在錐頂處，應力為零。因此，一般在錐頂開孔。當前第45頁\共有147頁\編于星期二\19點4．橢圓形殼體橢圓殼經線為一橢圓，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：當前第46頁\共有147頁\編于星期二\19點（10-7）當前第47頁\共有147頁\編于星期二\19點化工常用標準橢圓形封頭，a/b=2，故頂點處：

邊緣處：

頂點應力最大，經向應力與環向應力是相等的拉應力。頂點的經向應力比邊緣處的經向應力大一倍；頂點處的環向應力和邊緣處相等但符號相反。應力值連續變化。當前第48頁\共有147頁\編于星期二\19點㈡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：

根據式（10-3）（10-4）可得：當前第49頁\共有147頁\編于星期二\19點底部支承的圓筒（a），液體重量由支承傳遞給基礎，筒壁不受液體軸向力作用，則σ1=0。上部支承圓筒（b），液體重量使得圓筒壁受軸向力作用，在圓筒壁上產生經向應力：當前第50頁\共有147頁\編于星期二\19點例題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，試求氧氣瓶壁應力。解析：平均直徑mm經向應力MPa環向應力MPa當前第51頁\共有147頁\編于星期二\19點四、筒體強度計算實際設計中須考慮三個因素：（1）焊接接頭系數（2）容器內徑（3）壁厚

筒體內較大的環向應力不應高于在設計溫度下材料的許用應力，即[σ]t-設計溫度t℃下材料許用應力，MPa當前第52頁\共有147頁\編于星期二\19點㈠焊接接頭系數鋼板卷焊。夾渣、氣孔、未焊透等缺陷，導致焊縫及其附近區域強度可能低于鋼材本體的強度。鋼板[σ]t乘以焊接接頭系數φ，φ

≤1當前第53頁\共有147頁\編于星期二\19點㈡容器內徑工藝設計確定內徑Di，制造測量也是內徑，而受力分析中的D卻是中面直徑。解出δ，得到內壓圓筒的厚度計算式當前第54頁\共有147頁\編于星期二\19點㈢壁厚考慮介質腐蝕，計算厚度δ的基礎上，增加腐蝕裕度C2。筒體的設計厚度為式中δ-圓筒計算厚度，mm； δd-圓筒設計厚度，mm； Di-圓筒內徑，mm； p-容器設計壓力，MPa； φ-焊接接頭系數。當前第55頁\共有147頁\編于星期二\19點另一種情況：筒體設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δ

n，則其最大許可承壓的計算公式為：式中：δn-圓筒名義厚度圓整成鋼材標準值；當前第56頁\共有147頁\編于星期二\19點δe-圓筒有效厚度C-厚度附加量。設計溫度下圓筒的計算應力當前第57頁\共有147頁\編于星期二\19點五、球殼強度計算設計溫度下球殼的計算厚度：設計溫度下球殼的計算應力當前第58頁\共有147頁\編于星期二\19點六、設計參數厚度設計參數按GBl50-1998中規定取值。設計壓力、設計溫度、許用應力、焊接接頭系數厚度附加量等參數的選取。當前第59頁\共有147頁\編于星期二\19點㈠設計壓力（計算壓力）設計壓力:相應設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計壓力。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程中可能產生的最高壓力（表壓）。使用安全閥時設計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；使用爆破膜作為安全裝置時，根據其型式，一般取最大工作壓力的1.15～1.4倍作為設計壓力。當前第60頁\共有147頁\編于星期二\19點容器內盛有液體，若其靜壓力不超過最大工作壓力的5％，則設計壓力可不計入靜壓力，否則，須在設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計壓力，必須分別計算。當前第61頁\共有147頁\編于星期二\19點㈡設計溫度選擇材料和許用應力的確定直接有關。設計溫度指容器正常工作中，在相應的設計條件下，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，或按內部介質溫度確定。不被加熱或冷卻，筒內介質最高或最低溫度。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。不同部位出現不同溫度分別計算當前第62頁\共有147頁\編于星期二\19點㈢許用應力許用應力是以材料的各項強度數據為依據，合理選擇安全系數n得出的。抗拉強度、屈服強度，蠕變強度、疲勞強度。取其中最低值。當設計溫度低于0℃時，取20℃時的許用應力。當前第63頁\共有147頁\編于星期二\19點㈣焊接接頭系數焊接削弱而降低設計許用應力的系數。根據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《壓力容器安全技術檢察規程》才允許作局部無損探傷。抽驗長度不應小于每條焊縫長度的20％。當前第64頁\共有147頁\編于星期二\19點㈤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22.22.52.8～3.03.2～3.53.8～44.5～5.5負偏差0.130.140.150.160.180.20.2厚度6～78～2526～3032～3436～4042～5052～60負偏差0.60.80.911.11.21.3當前第65頁\共有147頁\編于星期二\19點腐蝕裕量C2應根據各種鋼材在不同介質中的腐蝕速度和容器設計壽命確定。塔類、反應器類容器設計壽命一般按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＜0.05mm／a(包括大氣腐蝕)時：碳素鋼和低合金鋼單面腐蝕C2＝1mm，雙面腐蝕取C2＝2mm，當腐蝕速度＞0.05mm／a時，單面腐蝕取C2＝2mm，雙面腐蝕取C2＝4mm。

不銹鋼取C2＝0。氫脆、堿脆、應力腐蝕及晶間腐蝕等，增加腐蝕裕量不是有效辦法，而應根據情況采用有效防腐措施。工藝減薄量，可由制造單位依據各自的加工工藝和加工能力自行選取，設計者在圖紙上注明的厚度不包括加工減薄量。當前第66頁\共有147頁\編于星期二\19點七、最小壁厚設計壓力較低的容器計算厚度很薄。大型容器剛度不足，不滿足運輸、安裝。限定最小厚度以滿足剛度和穩定性要求。殼體加工成形后不包括腐蝕裕量最小厚度δmin：

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

當前第67頁\共有147頁\編于星期二\19點八、壓力試驗為什麼要進行壓力試驗呢？制造加工過程不完善，導致不安全，發生過大變形或滲漏。最常用的壓力試驗方法是液壓試驗。通常用常溫水，也可用不會發生危險的其它液體。試驗時液體的溫度應低于其閃點或沸點。不適合作液壓試驗的容器：如裝入貴重催化劑要求內部烘干；容器內襯耐熱混凝土不易烘干；由于結構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。當前第68頁\共有147頁\編于星期二\19點對壓力試驗的規定情況如下表所示：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高于設計壓力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-設計壓力，MPa；

[σ]一試驗溫度下的材料許用應力，MPa；

[σ]T一設計溫度下的材料許用應力，MPa當前第69頁\共有147頁\編于星期二\19點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℃)，外殼應保持干燥。設備充滿水后，待壁溫大致相等時，緩慢升壓到規定試驗壓力，穩壓30min，然后將壓力降低到設計壓力，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，將容器內表面吹干。當前第70頁\共有147頁\編于星期二\19點例題4-2：某化工廠欲設計一臺石油氣分離工程中的乙烯精餾塔。工藝要求為塔體內徑Di=600mm；設計壓力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。根據式(10-12)式中p＝2.2MPa；Di=600mm；[σ]＝170MPa（附錄表6）φ=0.8(表10-9)；C2=1.0mm得：當前第71頁\共有147頁\編于星期二\19點考慮鋼板厚度負偏差C1＝0.6mm圓正取dn=7mm水壓試驗時的應力

16MnR的屈服限σs=345MPa（附錄表6）水壓試驗時滿足強度要求。當前第72頁\共有147頁\編于星期二\19點九、邊緣應力無力矩理論忽略了剪力與彎矩的影響，可以滿足工程設計精度的要求。但對圖中所示的一些情況，就須考慮彎矩的影響。當前第73頁\共有147頁\編于星期二\19點(a)、(b)、(c)是殼體與封頭聯接處經線突然折斷；(d)是兩段厚度不等的筒體相連接(e)、(f)、(g)有法蘭、加強圈、管板等剛度大的構件。當前第74頁\共有147頁\編于星期二\19點相鄰兩段性能不同，或所受溫度或壓力不同，導致兩部分變形量不同，但又相互約束，從而產生較大的剪力與彎矩。筒體與封頭聯接為例，邊緣應力數值很大，有時導致容器失效，應重視。邊緣應力具有局限性和自限性兩個基本特性：

1．局限性——大多數都有明顯的衰減波特性，隨離開邊緣的距離增大，邊緣應力迅速衰減。2．自限性——彈性變形相互制約，一旦材料產生塑性變形，彈性變形約束就會緩解，邊緣應力自動受到限制，即邊緣應力的自限性。塑性好的材料可減少容器發生破壞。局部性與自限性，設計中一般不按局部應力來確定厚度，而是在結構上作局部處理。但對于脆性材料，必須考慮邊緣應力的影響。當前第75頁\共有147頁\編于星期二\19點思考題1.承受氣體壓力的圓筒和圓錐形殼體的應力有什么特點？標準橢圓殼的應力又是怎樣的？2.無力矩理論的適用條件是什么？3.邊緣應力的特點是什么？4.在什么情況下需要考慮邊緣應力？作業習題：P2244，8當前第76頁\共有147頁\編于星期二\19點一、外壓容器失穩外壓容器：容器外部壓力大于內部壓力。石油、化工生產中外壓操作，例如：石油分餾中的減壓蒸餾塔、多效蒸發中的真空冷凝器、帶有蒸汽加熱夾套的反應釜真空干燥、真空結晶設備等。第三節外壓圓筒設計當前第77頁\共有147頁\編于星期二\19點失穩的概念 容器外壓與受內壓一樣產生徑向和環向應力，是壓應力。也會發生強度破壞。 容器強度足夠卻突然失去了原有的形狀，筒壁被壓癟或發生褶縐，筒壁的圓環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象稱彈性失穩。 容器發生彈性失穩將使容器不能維持正常操作，造成容器失效。當前第78頁\共有147頁\編于星期二\19點失穩現象的實質： 外壓失穩前，只有單純的壓縮應力，在失穩時，產生了以彎曲應力為主的附加應力。 外壓容器的失穩，實際上是容器筒壁內的應力狀態由單純的壓應力平衡躍變為主要受彎曲應力的新平衡。二、容器失穩形式當前第79頁\共有147頁\編于星期二\19點㈠側向失穩 由于均勻側向外壓引起失穩叫側向失穩。 殼體橫斷面由原來的圓形被壓癟而呈現波形，其波形數可以等于兩個、三個、四個……。當前第80頁\共有147頁\編于星期二\19點㈡軸向失穩 薄壁圓筒承受軸向外壓，當載荷達到某一數值時，也會喪失穩定性。 失穩，仍具有圓環截面，但破壞了母線的直線性，母線產生了波形，即圓筒發生了褶縐。㈢局部失穩 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。當前第81頁\共有147頁\編于星期二\19點三、臨界壓力計算

臨界壓力：導致筒體失穩的外壓，Pcr

臨界應力：筒體在臨界壓力作用下，筒壁內的環向壓縮應力，以σcr表示。 外壓低于Pcr，變形在壓力卸除后能恢復其原先形狀，即發生彈性變形。 達到或高于Pcr時，產生的曲波形將是不可能恢復的。當前第82頁\共有147頁\編于星期二\19點臨界壓力與哪些因素有關？ 失穩是固有性質，不是由于圓筒不圓或是材料不均或其它原因所導致。 每一具體的外壓圓筒結構，都客觀上對應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、材質及結構因素有關。當前第83頁\共有147頁\編于星期二\19點根據失穩情況將外壓圓筒分為三類：

長圓筒：剛性封頭對筒體中部變形不起有效支撐，最容易失穩壓癟，出現波紋數n=2的扁圓形。

短圓筒：兩端封頭對筒體變形有約束作用，失穩破壞波數n>2，出現三波、四波等的曲形波。

剛性圓筒：若筒體較短，筒壁較厚，即L/D0較小，δe/D0較大，容器的剛性好，不會因失穩而破壞。當前第84頁\共有147頁\編于星期二\19點㈠長圓筒式中Pcr-臨界壓力，MPa； δe-筒體的有效厚度，mm； D0-筒體的外直徑，mm Et-操作溫度下圓筒材料的彈性模量，MPa μ-材料的泊桑比。長圓筒的臨界壓力計算公式：當前第85頁\共有147頁\編于星期二\19點分析：長圓筒的臨界壓力僅與圓筒的相對厚度δe/D0有關，而與圓筒的相對長度L/D0無關。對于鋼制圓筒，μ=0.3，則當前第86頁\共有147頁\編于星期二\19點㈡短圓筒短圓筒的臨界壓力計算公式為：短圓筒臨界壓力與相對厚度δe/D0有關，也隨相對長度L/D0變化。L/D0越大，封頭的約束作用越小，臨界壓力越低。當前第87頁\共有147頁\編于星期二\19點L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，應計入凸形封頭中的1/3的凸面高度。當前第88頁\共有147頁\編于星期二\19點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值時，也會失穩，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值降低，使失穩提前發生。當前第89頁\共有147頁\編于星期二\19點㈢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壓圓筒相同。當前第90頁\共有147頁\編于星期二\19點㈣臨界長度實際外壓圓筒是長圓筒還是短圓筒，可根據臨界長度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值應相等當前第91頁\共有147頁\編于星期二\19點得：

當筒長度L≥Lcr，Pcr按長圓筒當筒長度L≤Lcr時，Pcr按短圓筒公式按規則圓形推的，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。當前第92頁\共有147頁\編于星期二\19點四、外壓圓筒的設計㈠算法概述外壓圓筒計算常遇到兩類問題： 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δe。當前第93頁\共有147頁\編于星期二\19點1．許用外壓[p]圓度，長圓筒或管子一般壓力達到臨界壓力值的l／2～1／3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-穩定安全系數，m>1當前第94頁\共有147頁\編于星期二\19點穩定安全系數m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GB150-1998《鋼制壓力容器》的規定m=3，圓度與D0/δe、L/D0有關。當前第95頁\共有147頁\編于星期二\19點當前第96頁\共有147頁\編于星期二\19點2．設計外壓容器由于Pcr或[p]都與筒體的幾何尺寸（δe、D0、L）有關，通常采用試算法：設計外壓容器，應使許用外壓[p]小于臨界壓力Pcr，即穩定條件為：當前第97頁\共有147頁\編于星期二\19點試算法：由工藝條件定內徑和筒體長度先假定一個δe根據筒體計算長度判斷屬于長圓筒還是短圓筒，再代入相應臨界壓力計算式。求出相應的[p],然后比較[p]是否大于或接近設計壓力p，以判斷假設是否合理。當前第98頁\共有147頁\編于星期二\19點設計外壓：不小于正常工作過程中可能出現的最大內外壓力差。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：真空設計壓力再加上夾套設計壓力。當前第99頁\共有147頁\編于星期二\19點（二）圖算長、短圓筒臨界壓力計算式均可歸納為K為特征系數，外壓圓筒在臨界壓力下的周向應力為當前第100頁\共有147頁\編于星期二\19點周向應變以A代替當前第101頁\共有147頁\編于星期二\19點當前第102頁\共有147頁\編于星期二\19點（三）外壓圓筒厚度設計方法利用算圖確定外壓圓筒厚度。步驟如下：1．D0/de≥20的外壓圓筒及外壓管a.假設δn,計算δe＝δn-C,定出L/D0、D0/δe值b.在圖10-15外壓或軸壓受壓圓筒和管子幾何參數計算圖中得到系數A；c.根據所用材料，從A-B關系圖（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]：當前第103頁\共有147頁\編于星期二\19點d.比較許用外壓[p]與設計外壓p 若p≤[p]，假設的厚度δn可用，若小得過多，可將δn適當減小，重復上述計算 若p＞[p]，需增大初設的δn，重復上述計算，直至使[p]＞p且接近p為止。當前第104頁\共有147頁\編于星期二\19點2.D0/δe＜20的外壓圓筒及外壓管子a．用與D0/δe≥20相同的方法得到系數B，但對D0/δe＜4圓筒及管子計算系數A值：系數A＞0.1時，取A=0.1；b．計算[p]l和[p]2。取[p]l和[p]2中的較小值為許用外壓[p]σ0取以下兩式中的較小值當前第105頁\共有147頁\編于星期二\19點c．比較許用外壓[p]與設計外壓p若p≤[p]，假設的厚度δn可用，若小得過多，可將δn適當減小，重復上述計算若p＞[p]，需增大初設的δn，重復上述計算，直至使[p]＞p且接近p為止。當前第106頁\共有147頁\編于星期二\19點五、外壓容器的試壓外壓容器和真空容器按內壓容器進行液壓試驗，試驗壓力取1.25倍的設計外壓，即:式中 p-設計外壓力，MPa；

pT-試驗壓力，MPa。當前第107頁\共有147頁\編于星期二\19點夾套容器內筒如設計壓力為正值時，按內壓容器試壓；如設計壓力為負值時按外壓容器進行液壓試驗。夾套容器液壓試驗合格后再焊接夾套。夾套內壓試驗壓力為：夾套內壓試驗必須事先校核該容器在夾套試壓時的穩定性是否足夠。不滿足穩定性，則液壓試驗時容器內保持一定壓力，以便在整個試壓過程中，夾套與筒體的壓力差不超過設計值。當前第108頁\共有147頁\編于星期二\19點例10-3：分餾塔內徑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12mm當前第109頁\共有147頁\編于星期二\19點當δe=7mm時查圖10-15得A=0.000085。20g鋼板的σs=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=1.69×105MPa[p]＜0.1MPa，所以9mm鋼板不能用。當前第110頁\共有147頁\編于星期二\19點當δe=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[p]＜0.1MPa，所以12mm鋼板也不能用。當前第111頁\共有147頁\編于星期二\19點當δe=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：[p]＞0.1MPa，所以，須采用14mm厚的20g鋼板制造。當前第112頁\共有147頁\編于星期二\19點六、加強圈內徑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。

當前第113頁\共有147頁\編于星期二\19點扁鋼、角鋼、工字鋼等都以制作加強圈。當前第114頁\共有147頁\編于星期二\19點加強圈最大間距：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/δe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計壓力。當前第115頁\共有147頁\編于星期二\19點加強圈的安裝：加強圈可設置在容器內部或外部。連續或間斷焊接，當加強圈在外面時，每側間斷焊接的總長度不應小于圓筒外圓周長的1/2；在里面，焊縫總長度不應小于內圓周長度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；內加強圈不能大于筒體名義厚度12倍當前第116頁\共有147頁\編于星期二\19點為保證強度，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。當前第117頁\共有147頁\編于星期二\19點思考題：1.外壓圓筒的失穩形式有哪些？2.影響外壓圓筒臨界壓力的因素有哪些？3.外壓圓筒上設置加強圈的目的是什么？作業習題：P2249，11，12當前第118頁\共有147頁\編于星期二\19點封頭又稱端蓋，其分類：第四節封頭的設計當前第119頁\共有147頁\編于星期二\19點一、橢圓形封頭半橢球和高度為h的短圓筒(通稱直邊)兩部分構成，直邊保證封頭制造質量和避免邊緣應力作用。當前第120頁\共有147頁\編于星期二\19點㈠受內壓的橢圓形封頭計算厚度：K-橢圓形封頭形狀系數，標準橢圓形封頭(長短軸之比值為2)，K=1。壁厚計算公式：當前第121頁\共有147頁\編于星期二\19點當封頭是由整塊鋼板沖壓時，φ值取為1。筒體設計壁厚計算公式：忽略分母上微小差異，大多數橢圓封頭壁厚與筒體同，或比筒體稍厚。還應保證封頭的有效壁厚δe滿足：對標準橢圓形封頭不小于封頭內直徑的0.15％。當前第122頁\共有147頁\編于星期二\19點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、復合鋼板不銹鋼、耐酸鋼封頭壁厚4～810～18≥203～910～18≥20直邊高度254050254050當前第123頁\共有147頁\編于星期二\19點㈡受外壓（凸面受壓）橢圓形封頭外壓橢圓形封頭厚度設計步驟同外壓圓筒。假設δn,計算δe＝δn-C,算出R0/δe。橢圓形封頭當量球殼外半徑R0=K1D0。K1由長短軸比值決定，標準橢圓形封頭K1=0.9b.計算系數當前第124頁\共有147頁\編于星期二\19點c.根據材料，從A-B圖（圖10-16至圖10-20）中選用，若A值落在設計溫度線的右方，讀出B值計算許用外壓力[p]若A值在設計溫度線的左方，則許用外壓：d.比較許用外壓[p]與設計外壓p若p≤[p]，假設的厚度δn可用，若小得過多，可將δn適當減小，重復上述計算若p＞[p]，需增大初設的δn，重復上述計算，直至使[p]＞p且接近p為止。當前第125頁\共有147頁\編于星期二\19點二、半球形封頭 受內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計，計算步驟同橢圓形封頭。球殼外半徑R0=K1D0，其中K1=0.5當前第126頁\共有147頁\編于星期二\19點三、碟形封頭 又稱帶折邊球形封頭