第二篇化工容器设计

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1、 第二篇 化工容器设计第二章 概论第一节 容器的结构与分类一. 容器的概念化工容器是化工生产过程中各种设备外部壳 体 的总称。二. 容器的结构三. 容器的分类1. 按承压方式和压力等级分类 内压容器 容器内部介质压力高于外部压力的容 器 低压容器（L）： 0.1P 420 高合金钢：(Cr-Mo钢) T 450 奥氏体不锈钢：(Cr-Ni钢) T 550 中温容器：介于常温与高温之间的容器低温容器：壁温 60-100） = 1.0 （双面对接焊缝，100%检测。） C2 = 1 mm （单面腐蚀，低合金钢。）2. 计算壁厚设计壁厚Sd = S + C2 = 61.5 + 1 = 62.5 mm

2、取C1 = 1.8 mm （P95 表4-7 ） 壁厚附加量 C = C1 + C2 = 1.8 + 1 = 2.8 mm名义壁厚 Sn = S + C + 圆整量 = 61.5 + 2.8 + 圆整量 = 64.3 + 圆整量 = 65 mm3. 水压试验强度校核确定参数：有效壁厚 Se = Sn - C = 65 - 2.8 = 62.2 mm s = 410 MPa计算应力应力校核水压试验强度足够例2有一库存很久的氧气瓶，其材质为40Mn2A，外径Do 为219mm。系无缝钢管收口而成。实测其最小壁厚Sn为 6.5mm，材料的b = 784.8MPa， s = 510.12MPa， 5

3、= 18%，设计温度为常温。今欲充15 Mpa的压力使用 ， 问强度是否够？如强度不够，该气瓶的最大允许工作压力 是 多大？ 解：属强度校核问题 是否 t t 1. 确定参数 Pc = 15MPaDo = 219 mmSn = 6.5 mm取两者较小的一个，即 t = 261.6MPa = 1.0 （无缝钢管）C2 = 1 mmC1 = 0 （由于是最小壁厚，故不再计入负偏差）Se = Sn - C = 6.5 - 1 = 5.5 mm2.强度校核显然 t t = 261.6 MPa 故，不能充压15MPa使用，须降压使用。3. 确定最高允许压力该气瓶最大安全使用压力为 13.48 MPa第三

4、节 内压容器的封头设计 按形状分类 凸形封头 半球形封头 椭圆形封头 碟形封头（带折边球形封 头） 无折边球形封头 锥形封头 无折边锥形封头 带折边锥形封头 平板封头一. 半球形封头 1. 封头的成型 小直径的、壁较薄的 整体热压成型 大直径的 球瓣式组焊DiS2.壁厚计算公式二. 椭圆形封头壁厚计算公式壁厚计算公式 对 m = a / b 2 的椭圆封头：最大应力在顶点以 m = a / b ， a = D / 2 代入上式，得：hi (b)hoDiSRi (a)由强度条件：解得：处理：（2）将 t 乘以焊缝系数 （3）将中径 D 用内径 Di 表示： D = Di + S（4）m = a

5、/ b = Di / 2 hi （1）将压力 P 换为计算压力 Pc代入上式，得计算壁厚： 对 m = 2 的标准椭圆形封头：对 m 2 的椭圆形封头：边缘上的环向应力 远远大于顶点上的 和m 。为此，引入应力增强系数 K，取代式中的 （Di / 4hi）：式中：对标准椭圆形封头： K = 1上式为椭圆形封头计算壁厚的通式。椭圆形封头除满足上述计算要求外，对标准椭圆形封头，有效壁厚Se 0.15% Di 对非标准椭圆形封头， Se 0.30% Di 标准椭圆形封头的直边高度，按P103，表4-11 确 定。3. 工作应力和最大允许工作压力三. 碟形封头 （带折边球形封头）1. 结构Dirsho

6、Ri式中： M 碟形封头形状系数由三部分组成： 球面：半径为Ri 过渡弧（折边）：半径为r 直边：高度为ho2. 壁厚计算公式3. 工作应力和最大允许工作压力4. 标准碟形封头当：Ri = 0.9 Di r = 0.17 Di 称为标准碟形封头。标准碟形封头 M = 1.325其壁厚计算公式可写成：四. 锥形封头1. 结构无折边锥形封头 （适用于 30 o ）局部不加强局部加强带折边锥形封头 封头与筒体连接处增加一个过渡圆弧和一个直边。（适用于 30 o ）2. 壁厚计算公式应力的最大值在锥体的大端，且为环向应力：由强度条件：m得：将 P 换成Pc ；考虑焊缝系数 ；并将大端中径D 换 成内径

7、Dc ，D=Dc+S得：上式只考虑了薄膜应力，没有考虑筒体与封头连接处 的边缘应力。因此，要建立补充的设计公式：（1）封头与筒体连接处是否需要加强的判别式。（2）局部加强的计算。无折边锥形封头（ 30 o ）（1）不需加强 （整个封头厚度一致）小端：（2）需加强 （指连接处加强区的壁厚）大端：大端：小端：式中： Dc 大端内径 Di.s 小端内径 Di 筒体内径 Q 系数（查图4-16或图4-18） 带折边锥形封头（ 30 o ） 大端：（2）与过渡段相接处的锥壳壁厚式中：K 系数（查表4-13） f 系数（查表4-14）（1）过渡段（折边）厚度五. 平板封头1. 结构平板封头的几何形状有：

8、圆形、椭圆形、长圆形、矩形、正方形等。2. 受力特点受均匀气体压力的轴对称的圆平板： （1）板内为两向弯曲应力状态，沿壁厚呈线性分 布（2）径向弯曲应力r 与环向弯曲应力t 沿半径的分布 周边固定由图可知： max = r.max 最大应力产生在圆板的边缘。SRp0tr.maxr 周边简支由图可知： max = r.max = t.max最大应力产生在圆板的中心。SRPtr.max0r3. 壁厚计算公式 由强度条件： max t 得：周边固定：周边简支：实际上，平板封头的边缘支承情况介于两者之间 。引入一个系数 K，叫结构特征系数。又考虑 焊缝系数 之后，得到圆平板的厚度计算公式：六. 例题例

9、1 试为某厂设计一台贮罐的筒体和封头的壁厚。对封头，按半球形、椭圆形、碟形和平板形，各种形式分别 计算，并对结果进行比较和讨论。已知： Di = 1200 mm Pc = 1.6 Mpa材质：20R t = 133 MpaC2 = 1 mm 封头用整块钢板冲压可以成 型。 解：（1）筒体壁厚设计 取 = 1.0 （双面焊，全部无损检测）设计壁厚 钢板负偏差 C1 = 0.8 mm （查表4-7） Sd + C1 = 8.26 + 0.8 = 9.06 mm圆整后 ，得名义壁厚： Sn = 10 mm（2）按半球形封头设计取 = 1.0 （整体成型）设计壁厚钢板负偏差 C1 = 0.5 mm （

10、查表4-7）Sd + C1 = 4.62 + 0.5 = 5.12 mm圆整后 ，得名义壁厚： Sn = 6 mm（3）按标准椭圆形封头设计取 = 1.0 （整体成型）设计壁厚钢板负偏差 C1 = 0.8 mm （查表4-7）Sd + C1 = 4.62 + 0.8 = 9.04 mm圆整后 ，得名义壁厚： Sn = 10 mm（4）按标准碟形封头设计设计壁厚钢板负偏差 C1 = 0.8 mm （查表4-7） Sd + C1 = 9.69 + 0.8 = 10.49 mm圆整后 ，得名义壁厚： Sn = 12 mm取 = 1.0 （整体成型）（5）按平板封头设计取 K = 0.25 （结构特征

11、系数） Dc = Di = 1200 mmt = 110 Mpa则： 取 = 1.0设计壁厚钢板负偏差 C1 = 1.8 mm （查表4-7） Sd + C1 = 73.36 + 1.8 = 75.16 mm圆整后 ，得名义壁厚： Sn = 80 mm比较：封头型式壁厚Sn mm重量 kg半球形椭圆形碟形平板形6106101280137163662选择： 采用标准椭圆形封头为易，它与筒体壁厚相同。第五章 外压圆筒与封头的设计第一节 概述 外压容器的失稳 容器在外压作用下，当压力达到某一数值时，容器 便突然失去原来的形状，这种破坏形式称为外压容器 的失稳。 二. 失稳的分类 1.侧向失稳 外压容

12、器主要失稳形式 2. 轴向失稳 3. 局部失稳第二节 临界压力一. 临界压力使外压容器发生失稳时的压力，称为临界 压 力。以 Pcr 表示。临界压应力 在临界压力 Pcr 作用的时刻，器壁内的应力，称为临界压应力。以 cr 表示。二. 影响临界压力的因素1. 筒体几何尺寸的影响失稳时的真空度Pcr mm HO2 901750.51(1) 901750.3(2) 903500.3(3) 903500.3(4)500300120150300实验结果比较与分析图（1）与图（2）比较：* 当 L / D 相同时，S / D 大者， Pcr 高。图（2）与图（3）比较：* 当 S / D 相同时， L

13、/ D 小者， Pcr 高。图（3）与图（4）比较：* 当 S / D、 L / D 相同时，有加强圈者， Pcr 高。2. 筒体材料性能的影响 （1）临界压力（Pcr）与材料的强度（ s）无 直接关系。（2）临界压力（Pcr）与筒体的抗弯刚度有关。抗弯刚度越大，越不容易失稳。3. 容器制造时形状尺寸误差的影响主要反映在制造加工的“椭圆度”上。它是圆筒横截面形状尺寸的加工误差：椭圆度e 大，能使临界压力Pcr降低，使失稳提前发生。工程上规定，制造外压容器时，椭圆度e 0.5% 。椭圆度DmaxDmin三. 长圆筒、短圆筒和刚性圆筒及其临界压力计算公式1. 长圆筒临界压力计算公式：（对钢制圆筒

14、= 0.3）临界应力计算公式： L / Do 较大的圆筒。2. 短圆筒 临界压力计算公式： L / Do 较小的圆筒。临界应力计算公式：3. 刚性圆筒对刚性圆筒的设计准则：只需满足强度条件：压 t压 即： L / Do 较小、 Se / Do 较大的圆筒四. 临界长度临界长度 用以划分长圆筒与短圆筒；短圆筒与刚性圆筒的临界尺寸。1.长圆筒与短圆筒的临界长度 Lcr2. 短圆筒与刚性圆筒的临界长度 Lcr当：L Lcr 为长圆筒Lcr 50 , 则用L / Do = 50 查图。若 L / Do Pc = 0.2 MPa满足若按增加壁厚计算（1）假设 Sn = 20 mm 则 Do = Di + 2 Sn = 1840 mm Se = Sn - C = 18 mm计算