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1、 第十六章 压力容器的强度计算本章主要内容.概述 .容器设计 .常用压力容器的强度校核 .小结16-1 概述1.压力容器主要受压元件指的是：筒体、封头、换热器管板与换热器、膨胀节、开 孔补强板、设备法兰、M30以上的设备主螺栓、人孔盖 、人孔法兰、人孔接管、直径大于250mm的接管等。要进行压力容器的强度进行计算，就必须知 道要对哪些元件进行计算，那么主要的受压元件 又包括哪些？强度计算的内容又有哪些？一、压力容器的主要受压元件法兰简介（图16-1）1.设计压力容器： 根据化工生产工艺提出的条件，确定设计所需参 数（p，t，D），选定材料和结构型式，通过强度 计算确定容器筒体及封头壁厚。已经制
2、定标准的受压元件，可直接选取。 2.校核在用容器：16-1 概述 二、强度计算的内容：判定在一个检验周期内，或在剩余寿命期内，容器是否还能在原设计条件下安全使用。对于已不能在原设计条件下使用的容器，应通过强度计算，为容器提出最高允许工作压力。如果容器针对某一使用条件需要判废，应为判废提供依据。16-2 容器设计.复习回顾四种典型回转壳体中的薄膜应力； .内压圆筒壁厚的确定； .内压圆筒的计算应力与最大允许应力； .内压凸形封头壁厚的确定； .内压锥形封头壁厚的确定； .平板形封头； .设计参数的确定。一、内压圆筒壁厚的确定内压圆筒器壁内的基本应力是薄膜应力,根据第三 强度理论得出的薄膜应力强度
3、条件是：对于筒体，该强度条件为:制造筒体的钢板在设计温度下的许用应力。按第三强度理论得到的薄膜应力的相当应力。1.理论计算壁厚:(16-1)(16-2)tr3计算厚度，mm。容器筒体一般由钢板卷焊而成。由于在焊接加热过程中，对焊缝 金属组织产生不利影响，同时在焊缝处往往形成夹渣、气孔、未焊透等 缺陷，导致焊缝及其附近区域强度可能低于钢材本体的强度。注意：焊缝许用应力=钢板的许用应力焊接接头系数。1于是公式(16-2)可写成：（式中， D是中径）一、内压圆筒壁厚的确定(16-3)公式(16-2)中钢板许用应力 t 用强度较低的焊缝许用应力代替。焊缝系数安全系数，不能随意增减，应根据筒体的 焊缝结
4、构和对焊缝提出的探伤比例要求，按照规定选取。筒体 内径简化公式，适用 于大多数情况。一、内压圆筒壁厚的确定筒体设 计压力 筒体的 理论计 算壁厚(16-5)(16-4)考虑到介质对筒壁的腐蚀作用，在设计筒体所需厚度时，还应 在计算厚度的基础上，增加腐蚀裕量C2。由此得到筒体的设计厚 度(d)为 ： 一、内压圆筒壁厚的确定：2.设计壁厚d ：式中 -圆筒计算厚度， mm； d -圆筒设计厚度， mm；(16-6)(16-7)说明：（1）腐蚀裕量只对均匀腐蚀有意义;（2）氢腐蚀、应力腐蚀及晶间腐蚀等，增加腐蚀裕量不是有效办法，而应根据情况采用有效防腐措施。一、内压圆筒壁厚的确定：在设计条件下得到的
5、筒体设计厚度，加上钢材厚度负偏差后向 上圆整至钢材标准规格的厚度，即为筒体的名义厚度（ n ）。3.名义壁厚n ：式中：d -圆筒设计厚度 mm； C1钢板厚度负偏差，mm；(手册可查)；当C1不大于0.25mm,且不超过n的6%可取C1=0；-除去负偏差以后的圆整值，mm。(16-8)4.有效壁厚 e ：将圆筒厚度从d往n圆整时，由于圆整量可帮助筒体承 受介质内压，所以真正可以用来承受介质压力的有效壁厚e为(16-9)一、内压圆筒壁厚的确定：对于设计压力较低的容器，根据强度公式计算出来的厚度很薄 。5.最小壁厚min ：因此，必须限定一个最小厚度以满足刚度和稳定性要求。 （不 包括腐蚀裕量，
6、有时可以不再另加钢板负偏差） 筒体的最小壁厚按下页方法确定:大型容器，如果筒体厚度过薄，将导致刚度不足而极易引起过 大的弹性变形，不能满足运输、安装的要求。a.当筒体内径Di3.8m时，d min 2 Di /1000，且不小于3mm。 （腐蚀裕量另加。） b.当筒体内径3.8m Di 16m时，d min 取5mm。 c.当筒体内径16mDi 35m时， d min取6mm。一、内压圆筒壁厚的确定： 碳钢和低合金钢容器：a.当筒体的计算厚度是按min 确定时，筒体的名义厚度n可按下式计算：n min+C2 b.当计算厚度与最小厚度相差较大时，钢板负偏差不必另加。 c.若（min ）小于钢板负
7、偏差，则取 min，且 n + C1+ C2+ min+ C1+ C2+不锈钢容器 : min 2mm例： 设计条件如下：P=0.3MPa，Di=2m，t=113MPa，（焊接 接头系数 ）=0.85，介质对容器的腐蚀率为0.2mm/年，设计 寿命为10年,试确定容器筒体的计算厚度、设计厚度，名义厚度 ，有效厚度。计算厚度有效厚度解：最小壁厚设计厚度名义厚度二、内压圆筒的计算应力与最大允许压力:近似16-2 容器设计1.圆筒的计算（工作）应力:2.圆筒的最大允许压力:( e - 有效壁厚)(16-12)(16-10)(16-11)二、内压圆筒的计算应力与最大允许压力: 3.厚度系数在确定工作应
8、力和最大许可压力时的应用:厚度系数 e / 厚度系数反映了筒体厚度上的富裕程度。(16-13)(16-14)(16-15)1. 封头的分类:三、内压凸形封头壁厚的确定:16-2 容器设计2.内压凸形封头包括四种形式：16-2 容器设计(a)标准椭圆形，(b)半球形，(c)碟形,(d)无折边球形。（图16-2）16-2 容器设计（图16-3）16-2 容器设计（图16-4）1.半球形封头：半球形封头是由半个球壳构成。直径较小、器壁较薄的半 球形封头可整体热压成形。大直径的则先分瓣冲压，再焊接组 合。16-2 容器设计 四、典型封头设计：(16-16)(16-15)16-2 容器设计（图16-5）
9、16-2 容器设计（图16-6）2.标准椭圆形封头：由半个椭球和高度为h0的圆柱形筒节（直边）构成，封头 的曲面深度hDi/4，直边高度h0与封头厚度有关，按手册查取 。 a.标准椭圆形封头壁厚的计算：忽略中径与内径之差别，所得简化式为：16-2 容器设计(16-17)(16-18)b.最小厚度：承受内压的椭圆形封头， 在其赤道处将产生环向压缩薄 膜应力，为了防止封头在这一 压缩应力作用下出现折皱（即 失稳）。16-2 容器设计边缘处：（图16-7）规定标准椭圆形封头的计算厚度 不得小于封头内径的0.15，即(16-19)16-2 容器设计（图16-7）16-2 容器设计（图16-8）3.碟形
10、封头：（简介）碟形封头又叫带折边球形封头，由以Rc为半径的球面壳体 ，以半径为r的折边（过渡圆弧）和高为h0的圆柱形筒节（即直 边）三部分组成。球面半径越大，折边半径越小，封头的深度就越浅，环状 壳体部分内的应力就越大。为了限制应力大小，规定碟形封头 的球面半径一般不大于与其相连的筒体直径，而折边半径在任 何情况下均不得小于球面半径的10，且应大于三倍的封头壁 厚。16-2 容器设计（PASS) 碟形封头内的应力 薄膜应力 在封头的折边内除了薄膜应力外，因变形时出现较 大的曲率变化和弯曲应力。故折边内的应力计算按 下式进行。 M碟形封头的形状系数 M的取值见表8-416-2 容器设计（PASS
11、) 壁厚的计算简化16-2 容器设计(PASS) 碟形封头球面内半径Rci可以取等于封头直 径Di或0.9 Di，令Rci Di碟形封头的厚度如果太薄，也会发生内压下的弹性失 稳。所以规定：对于Rci0.9Di。r0.17Di的碟形封头， 其计算厚度不得小于封头内直径的0.15。如果折边半径 小于0.17Di（但不允许小于0.1Di），其计算厚度不得小于 0.3Di。16-2 容器设计(PASS)式中0.9或1，常用值为0.94.无折边球形封头:为了进一步降低凸形封头的高度，将碟形封头的过渡圆 弧及直边部分都去掉，只留下球面部分，并把它直接焊在圆 柱壳体上，就构成了无折边球形封头。封头的球面半
12、径一般 取等于圆柱筒体的内直径或0.9倍至0.7倍的内直径。无折边球形封头既可用作容器中两个相邻承压空间的中 间封头，也可用作容器的端封头。封头与筒体连接的T形接 头必须采用全焊透结构。o无折边封头与筒体连接处存在较大的边界应力。封 头和与封头连接处筒体的壁厚计算，都必须考虑边界 应力。16-2 容器设计(PASS)16-2 容器设计（图16-9）16-2 容器设计（图16-10）五、内压锥形封头壁厚的确定：（1）锥形封头广泛应用于许多化工设备(如蒸发器、喷雾干燥 器、结晶器及沉降器等)的底盖。它的优点是：便于收集与卸除这些设备中的固体物料。此 外，有一些塔设备上、下部分的直径不等，也常用锥形
13、壳体将 直径不等的两段塔体连接起来，这时的圆锥形壳体称为变径段 。（2）根据锥形封头与圆筒连接处有无过渡圆弧和直边， 有不带折边的锥形封头和带折边的锥形封头。（3）由于锥形封头与简体连接处存在较大的边缘应力，该应 力随封头的半锥顶角的增大而增大。当30时一般采用无 折边封头当30时应采用折边锥形封头。16-2 容器设计1.简介：2.不带折边锥形封头壁厚的确定：不考虑封头与筒体 连接处的边界处的 二次应力：考虑封头与筒体连接 处的边界处的二次应 力：式中 Q为应力增值系数，可由手册查出。16-2 容器设计(PASS)(16-20)(16-21)1.平板封头简介：（1）平板封头是化工设备常用的一种
14、封头。（2）平板封头的几何形状有圆形、椭圆形、长圆形、矩形和方形等，最常用的 是圆形平板封头。在相同的(Rd)和受载条件下，薄板的所需厚度要比薄壳大得多，即平 板封头要比凸形封头厚得多。（3）平板封头结构简单，制造方便，在压力不高，直径较小的容器中，采用平 板封头比较经济简便。承压设备的封头一般不采用平板形，只是压力容器的人孔、手孔以及在 操作时需要用盲板封闭的地方，才用平板盖。（4）高压容器中，平板封头用得较为普遍。这是因为高压容器的封头很厚，直径又相对较小，凸形封头的制造较为 困难。 16-2 容器设计 六、平板形封头：2.平板形封头设计：式中DC是计算直径，一般是指容器的内径。在有些结构
15、中DC是指密封垫 片的平均直径。式中：n封头的计算厚度，K-平板封头的系数，手册可查。16-2 容器设计(16-21)（1）计算厚度（2）设计厚度(16-22)(16-23)16-3 容器参数的确定1.设计压力： 设计压力是在相应的设计温度下用以确定壳壁厚度的压力，亦即标注在铭牌上的 容器设计压力。其值稍高于最大工作压力。2.最大工作压力（pw）：是指容器顶部在工作过程中可能产生的最高压力（表压）。3.工作条件：（1）使用安全阀时，设计压力不小于安全阀的开启压力，或取最大工作压力的1.05 1.10倍；（2）使用爆破膜作安全装置时，根据爆破膜片的型式确定，一般取最大工作压力的 1.151.4倍作为设计压力。（3）当容器内盛有液体物料时，若液体物料的静压力不超过最大工作压力的5，则 在设计压力中可不计入液体静压力，否则，须在设计压力中计入液体静压力。（4）某些容器有时还必须考虑重力、风力、地震力等载荷及温度的影响，这些载荷不 能直接折算为设计压力而代入以上计算公式，必须分别计算。 一、设计压力 ：1.定义:设计温度指容器正常工作过程中，在相应的设计条件下， 金属器壁可能达到的最高或最低(指-20下)温度。16-3 容器参数的确定2.补充说明:金属器壁的温度通过换热计算。为了方便，对于不被加热或冷却的器壁，规 定取介质的最高或最低温度作为设计温度。 (1)对
