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1、第 三 篇 容 器 设 计,第十章 容器设计基础,第一节 概 论,一、容器的结构,壳体(筒体)、封头(端盖)、法兰、支座、接口管及人孔等组成。常低压化工设备通用零部件标准直接选用。,二、容器的分类,压力容器分类,按容器的形状 按承压性质 按管理 其它,按容器壁温 按金属材料 按应用情况,按容器的形状,按承压性质,内压：内部介质压力大于外界压力 外压：内部介质压力小于外界压力 真空：内部压力小于一个绝压的外压容器,表10-1 内压容器的分类,按 管 理,表10-2 安全检查规程使用范围,根据压力等级、介质毒性危害程度以及生产中的作用，压力容器可分为三类。 第一类压力容器 第二类压力容器 第三类压
2、力容器 不包括核能、船舶专用、直接受火焰加热容器,表10-3 毒性危害程度分级,课堂作业：判断题,判断下列容器属一、二、三类容器的哪一类？ 1）2000mmx5000mm的液氨储罐； 2）p为4MPa的剧毒介质容器； 3）p为10MPa，V为800L的乙烯储罐。,按容器壁温,常温容器：壁温-20至200； 高温容器：壁温达到蠕变温度,碳素钢或低合金钢容器，温度超过420，合金钢超过450，奥氏体不锈钢超过550，均属高温容器； 中温容器：在常温和高温之间； 低温容器：壁温低于-20, -20至-40为浅冷容器，低于-40者为深冷容器。,按材料,金属容器:钢制, 铸铁,有色金属容器,非金属材料：
3、既可作为容器的衬里，又可作为独立的构件。,应用最多是低碳钢和普通低合金钢， 腐蚀严重或产品纯度要求高用不锈钢、不锈复合钢板、铝板及钛材。 在深冷操作中，可用铜或铜合金； 常用非金属材料的有：硬聚氯乙烯、玻璃钢、不透性石墨、化工搪瓷、化工陶瓷及砖、板、橡胶衬里等。,按应用情况,反应压力容器（）完成物理、化学反应，如反应器、反应釜、分解锅、聚合釜、变换炉等； 换热压力容器（）热量交换，如热交换器、管壳式余热锅炉、冷却器、冷凝器、蒸发器等； 分离压力容器（）流体压力平衡缓冲和气体净化分离，如分离器、过滤器、缓冲器、吸收塔、干燥塔等； 储存压力容器（，球罐为）储存、盛装气体、液体、液化气体等介质，如各
4、种形式的贮罐、贮槽、高位槽、计量槽、槽车等。,三、容器的零部件标准,容器的零部件(例如封头、法兰、支座、人孔、手孔、视镜、液面计等)标准化、系列化， 许多化工设备(例如贮槽、换热器、搪玻璃与陶瓷反应器)也有了相应的标准。 两个基本参数： 公称直径DN：指标准化以后的标准直径，以DN表示，单位mm，例如内径1200mm的容器的公称直径标记为DN1200。 公称压力PN：容器及管道的操作压力经标准化以后的标准压力称为公称压力，以PN表示，单位MPa。, 公称直径,1. 压力容器的公称直径 钢板卷焊公称直径是内径。,容器直径较小，可直接用无缝钢管制作。公称直径指钢管外径。,表10-5 无缝钢管制作筒
5、体时容器的公称直径（mm）,设计时，应将工艺计算初步确定的设备内径，调整为符合表10-4或表10-5所规定的公称直径。 封头的公称直径与筒体一致。,2.管子的公称直径,也称公称口径、公称通径。 有缝管：电焊钢管，化工厂用来输送水、煤气、空气、油以及取暖用蒸汽等流体管道。 无缝管：分热轧管和冷拔管两种。如输送流体用无缝钢管(GB 8163-87)、石油裂化用无缝钢管(GB 9948-88)、化肥设备用高压无缝钢管（GB 647986)等。,有缝管的公称直径：,公称直径近似普通钢管内径的名义尺寸。公制mm，英制in，见表10-6。 公称直径15mm或1/2英寸，外径21.3mm，壁厚2.75mm（
6、普通）3.25mm（加厚） 每一公称直径对应一外径，其内径数值随厚度不同而不同。 有缝管按厚度可分为薄壁钢管、普通钢管和加厚钢管。 管路附件也用公称直径表示，意义相同。,无缝钢管的公称尺寸：,分热轧管和冷拔管。 无缝钢管不用公称直径而是以外径乘厚度表示。为公称外径与公称厚度。 在管道工程中，管径超过57mm时，常采用热轧管。管径在57mm以内常选用冷拔管。 冷拔管的最大外径为200mm； 热轧管的最大外径为630mm。,3. 容器零部件的公称直径,法兰、支座等公称直径是相配的筒体、封头的公称直径。DN2000法兰，DN2000鞍座 还有一些零部件的公称直径是与它相配的管子公称直径DN200管法
7、兰 另有一些容器零部件公称直径是指结构中某一重要尺寸，DN80(Dg80)视镜是指窥视孔的直径为80mm。, 公称压力,工作压力不同，相同公称直径的压力容器其筒体及其零部件的尺寸也不同。 将承受的压力范围分为若干个标准压力等级，即公称压力。 表10-7 压力容器法兰与管法兰的公称压力,设计时如果选用标准零部件，必须将操作温度下的最高操作压力(或设计压力)调整为所规定的某一公称压力等级(调整方法见第五节)，然后根据DN与PN选定该零部件的尺寸。 如果零件不选用标准零部件，而是自行设计，设计压力就不必符合规定的公称压力。,四、压力容器的标准简介,压力容器标准是全面总结压力容器生产、设计、安全等方面
8、的经验，不断纳入新科技成果而产生的。它是压力容器设计、制造、验收等必须遵循的准则。压力容器标准涉及设计方法、选材及制造、检验方法等。, 国内标准,1989我国压力容器标准化技术委员会制订了GB150-89钢制压力容器 1998年修订成GB150-1998，使标准更加完善。 GB150钢制压力容器内容包括： 压力容器板壳元件计算 容器结构要素的确定 密封设计 超压泄放装置的设置 容器的制造与验收的要求等, 国外主要规范,国外的规范主要有四个： 美国ASME规范， 英国压力容器规范（BS）， 日本国家标准（JIS）， 德国压力容器规范（AD）。,1美国ASME规范,美国机械工程师协会（ASME）制
9、定的锅炉及压力容器规范。美国国家标准 该规范规模庞大、内容完善，仅依靠其本身即可完成选材、设计、制造、检验、试验、安装及运行等全部工作环节。 与压力容器密切相关有： 第卷 材料技术条件、第卷 无损检验、第卷 压力容器及第卷 焊接及钎焊评定。 每年增补一次，每三年出一新版，技术先进，修订及时，能迅速反映世界压力容器科技发展的最新成就，为世界上影响最大的一部规范。,2英国压力容器规范（BS）,BS 5500非直接火熔焊压力容器是由英国标准协会（BSI）负责制定。由两部规范合并而成： 一部相当于ASME第卷第一册的BS 1500一般用途的熔融焊压力容器标准， 另一部是近似于德国AD规范的BS 151
10、5化工及石油工业中应用的熔融焊压力容器标准。,3. 日本国家标准（JIS）,于80年代初制定了两部基础标准， 一部是参照ASME第卷第1册制定的JIS B 8243压力容器的构造， 另一部是参照ASME第卷第2册制定的JIS B8250特定压力容器的构造。 此外，还有与压力容器相关的标准JIS B 8240冷冻压力容器、JIS B8241无缝钢制气瓶及JIS B8242圆筒形液化石油气贮罐（卧式）构造等。,4. 德国压力容器规范（AD）,AD压力容器规范是由七个部门编制的： 职工联合会、 锅炉压力容器管道联合会、 化学工业联合会、 冶金联合会、 机械制造者协会、 大锅炉企业主技术协会及技术监督
11、会联合会（VDTUV）。,AD规范在技术上有许多独特的观点，它在世界上也是具有广泛影响的规范。 AD规范与ASME规范相比，特点： AD规范只对材料屈服极限取安全系数，且取数较小。因此产品厚度薄、重量轻； AD规范允许用较高强度级别的钢材； 在制造要求方面，AD规范没有ASME详尽，这样可使制造厂具有较大的灵活性，易于发挥各厂的技术特长和创新。,思考题：,1.压力容器按照压力、温度、监察管理各是怎样分类的？ 2.钢板卷制的筒体和成型封头的公称直径指的是哪个直径？无缝钢管制作筒体时，公称直径指的是哪个直径？ 3.判断容器属几类？,一、薄壁容器设计的理论基础, 薄壁容器 根据容器外径DO与内径Di
12、的比值K来判断，,当K1.2为薄壁容器 K1.2则为厚壁容器,第二节 内压薄壁容器设计,圆筒形薄壁容器承受内压时的应力,只有拉应力无弯曲 “环向纤维”和“纵向纤维”受到拉力。 1（或轴）圆筒母线方向(即轴向)拉应力， 2（或环）圆周方向的拉应力。, 圆筒的应力计算,1. 轴向应力,D-筒体平均直径，亦称中径，mm,2. 环向应力,分析：,（1）薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍。 问题a：筒体上开椭圆孔，如何开?,应使其短轴与筒体的轴线平行，以尽量减少开孔对纵截面的削弱程度，使环向应力不致增加很多。,分析：,问题b：钢板卷制圆筒形容器，纵焊缝与环焊缝哪个易裂？,筒体纵向焊缝受力大于环向焊缝，
13、故纵焊缝易裂，施焊时应予以注意。,（2）分析式(10-1)和(10-2)也可知，,内压筒壁的应力和/D成反比，/D 值的大小体现着圆筒承压能力的高低。 因此，分析一个设备能耐多大压力，不能只看厚度的绝对值。,二、无力矩理论基本方程式, 基本概念与基本假设 1 基本概念 （1） 旋转壳体 ：壳体中面（等分壳体厚度）是任意直线或平面曲线作母线，绕其同平面内的轴线旋转一周而成的旋转曲面。,（2） 轴对称,壳体的几何形状、约束条件和所受外力都是对称于某一轴。 化工用的压力容器通常是轴对称问题。,（3）旋转壳体的几何概念,母线与经线 法线、平行圆 第一曲率半径：经线曲率半径 第二曲率半径：垂直于经线的平
14、面与中面相割形成的曲线BE的曲率半径,2基本假设,假定壳体材料有连续性、均匀性和各向同性，即壳体是完全弹性的。 (1)小位移假设 各点位移都远小于厚度。可用变形前尺寸代替变形后尺寸。变形分析中高阶微量可忽略。 (2)直线法假设 变形前垂直于中面直线段，变形后仍是直线并垂直于变形后的中面。变形前后法向线段长度不变。沿厚度各点法向位移相同，厚度不变。 (3)不挤压假设 各层纤维变形前后互不挤压。, 无力矩理论基本方程式,无力矩理论是在旋转薄壳的受力分析中忽略了弯矩的作用。 此时应力状态和承受内压的薄膜相似。又称薄膜理论,（10-3）平衡方程,（10-4）区域平衡方程,无力矩理论基本方程式：,三、基
15、本方程式的应用,1圆筒形壳体 第一曲率半径R1=， 第二曲率半径R2=D/2 代入方程（10-3）和（10-4）得：,与式（10-1）、（10-2）同。, 受气体内压壳体的受力分析,2球形壳体,球壳R1R2=D/2，得：,直径与内压相同，球壳内应力仅是圆筒形壳体环向应力的一半，即球形壳体的厚度仅需圆筒容器厚度的一半。 当容器容积相同时，球表面积最小，故大型贮罐制成球形较为经济。,3圆锥形壳体,圆锥形壳半锥角为a，A点处半径为r，厚度为d，则在A点处：,代入（10-3）、（10-4）可得A点处的应力：,（10-6）,锥形壳体环向应力是经向应力两倍，随半锥角a的增大而增大； a角要选择合适，不宜太
16、大。 在锥形壳体大端r=R时，应力最大，在锥顶处，应力为零。因此，一般在锥顶开孔。,4椭圆形壳体,椭圆壳经线为一椭圆， a、b分别为椭圆的长短轴半径。 由此方程可得第一曲率半径为：,（10-7）,顶点应力最大，经向应力与环向应力是相等的拉应力。 顶点的经向应力比边缘处的经向应力大一倍； 顶点处的环向应力和边缘处相等但符号相反。 应力值连续变化。, 受液体静压的圆筒形壳体的受力分析,筒壁上任一点的压力值（不考虑气体压力）为：,根据式（10-3）（10-4）可得：,底部支承的圆筒（a），液体重量由支承传递给基础，筒壁不受液体轴向力作用，则1=0。 上部支承圆筒（b），液体重量使得圆筒壁受轴向力作用，在圆筒壁上产生经向应力：,例题10-1：有一外径为219mm的氧气瓶，最小厚度为6.5mm，材料为40Mn2A，工作压力为15MPa，试求氧气瓶壁应力。,解析： 平均直径 mm,经向应力 MPa,环向应力 M
