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1、化工机械基础,主讲人：郭福平,第5章 压力容器,压力容器:化工生产所用的各种化工设备外部壳体的总称。,化工设备:各种贮罐、换热器、蒸馏塔、 沉降器、过滤器、反应器、合成炉等。,5.1 概述,5.1.1 压力容器总体结构,容器结构:由筒体、封头、法兰、支座、接 管及人 孔、视镜等组成，它们 统称为化工设备通 用零部件。承压不大的化工设备通用零部件大都已有标准，设计时可直接选用。,.方形或矩形容器由样板焊成，制造简单，但承压能力差，只用作小型常压储槽。,.球形容器 由数块弓形板拼焊而成。承压能力好，但安置内件不便和制造稍难，一般仅用作储罐。,5.1.2 压力容器分类,1.按容器形状分类,.圆筒形容
2、器 由圆柱形筒体和各种成型封头（半球形、椭 圆、圆锥形）组成。由于制造容易，内件安装方便，而且承压能力较好，因此这类容器应用最广。,塔设备,球罐,内压容器与外压容器两类,2.按承压性质分类,内压容器：容器内部介质压力外界压力,常压容器：设计压力0.1MPa； 低压容器（L）：设计压力为0.11.6 MPa； 中压容器（M）：设计压力为1.610 MPa； 高压容器（H）：设计压力为10100 MPa； 超高压容器（U）：设计压力100 MPa。,外压容器：（容器内部介质压力外界压力） 如常减压蒸馏装置中的减压分馏塔，潜水艇，反应釜内筒。,金属容器：目前广泛应用低碳钢和低合金钢制 造，在腐蚀严重
3、或产品纯度要求较高 的场合，使用不锈钢，不锈复合钢板 或铝合金等制造。必要时可采用特种 钢材或钛等材质。,非金属容器：常用的材料有硬聚氢乙烯，玻璃钢，不透性石墨，化工陶瓷等。 也可在钢制容器内加非金属衬里 或涂层。,3.按结构材料分类,从制造容器的材料来看，可分为：,反应压力容器：容器内介质有物理或化学反应，使介质分离为多种产品或几种物质合成为某一种产品。,换热压力容器：容器内介质进行热量交换达到介质的加热或冷却。,例如：原油分离成为汽油、煤油、柴油、石蜡油、沥青、焦炭等。,又如：将水、煤气、氨气合成为合成氨。,4.按使用场合分类,R,E,分离压力容器：将介质的液体压力平衡和气体净 化分离的容
4、器；如分离器、过滤 器、集油器、缓冲器、洗涤器、 吸收器、干燥塔等。,储存压力容器：用于盛装生产或生活用的原料气 体、液体、液化气体等。如各种 型式的储罐、槽车等。,国家质量技术监督局在压力容器安全技术监察规程中根据受压容器的压力高低、介质的危害程度，以及在生产过程中的重要作用，将压力容器分为三类，进行安全技术管理和监督检查。,5.按安全监察规程分类,2）中压，介质为剧毒，容积很大的容器。,3）低压，介质为极毒，容积很大的容器。,4）高压、中压 管壳式余热锅炉。,5）使用材料强度级别较高的压力容器。 b540 MPa,6）移动式压力容器、各种罐车、集装箱等。,7）球形储罐。（V 50 m3）,
5、8）低温液体储存容器。（V 5 m3）,其中:PV指压力与容积的乘积值。,第三类压力容器，属于下列情况之一者：,1）高压容器、超高压容器。,第二类压力容器：,1）中压容器。,2）低压容器、反应器、介质毒性为极度或中度。,3）低压管壳式余热锅炉。,第一类压力容器：,低压容器（除以上规定的低压容器）,对一、二、三类容器的生产与制造，必须由劳动监察部门发给相应的资质证书才能生产与制造。,容器的工艺尺寸由工艺计算确定，容器的机械设计主要包括容器总体结构及零部件结构设计，为满足容器的安全及使用要求，零部件应满足以下要求：,强度有足够的抵抗外力破坏的能力。,刚度有足够的抵抗外力变形的能力，以 防止变形过大
6、。,稳定性有保持自身形状的能力，以防压瘪 或皱折。,5.1.3 容器机械设计的基本要求分类,耐久性在介质腐蚀下可长期使用，一般 使用年限在15年以上。,其他制造性能、操作性能、维修运输性 能、经济性等。,气密性具有良好的密封性能，防止介质泄露。,仅限于设计压力P 10 MPa，设计温度高于-20C的中、低压容器的机械设计。,GB150-2011钢制压力容器,容器标准,GB151管壳式换热器,该标准规定了钢制压力容器的设计、制造、检验和验收要求。,该标准规定了非直接受火管壳式换热器的设计、制造、检验和验收的要求。,5.2.内压薄壁容器的应力分析,回转薄壁壳体：圆筒形、球形、椭球形、圆锥形薄壁壳体
7、。,由于内压作用使壳壁的环向受到拉伸，均匀向外膨胀，在圆周的切线方向产生拉应力，使壳壁的纵向截面产生环向拉伸应力，称为环向薄膜应力，又称为周向应力，用表示。,环向薄膜应力,径向薄膜应力,由于内压作用使壳壁沿径向也受到拉伸，产生径向拉应力，称为径向薄膜应力，用表示。,在内压作用下，壳壁将产生两个方向的拉伸应力：,如下图，为一承受气压P作用的圆筒形容器，壳壁上任一点K将在两个方向上产生拉伸应力：,5.2.1圆筒形壳体上的薄膜应力,经向薄膜应力,用一个垂直圆筒轴线的横截面，将筒体分为两部分，保留左边部分。由平衡条件，作用在筒体上的轴向外力为：作用在截面上的轴向内力为： ，沿轴向两力相等，故可以得到：
8、,其中：P内压，MPaD筒体平均直径，即中径，mm筒体壁厚，mm筒体经向应力，MPa。,环向薄膜应力,假想将圆筒沿轴线对称剖开，取下半部分进行分析。可知，作用在下半部分壳体上的y轴方向的合外力为：作用在下半部分壳体上y轴方向的合内力为： 它们沿y轴方向必然大小相等，方向相反，故有：,（5-2）,薄壁圆筒承受内压时，环向应力是轴向应力的两倍。 因此在圆筒上如果要开椭圆孔时，应使椭圆孔的短轴平行于筒体的轴线，以减小纵向截面被削弱的程度。,球形壳体各点曲率均相同，故球壳上的两向应力值也是相等的，由受力平衡条件可以求得截面上薄膜应力为：,（5-3）,与圆筒形壳体相比，球形壳体上薄膜应力只有圆筒形壳体上
9、最大薄膜应力的一半在同样直径和压力情况下，壳体的厚度可以减小很多，故可以节省一定的金属材料。,5.2.2 受气压作用的球形壳体,在化工容器中，椭球形壳体主要是用它的一半作容器的封头，其形状如图5-5，椭球壳体由长短轴a、b组成的椭圆曲线绕y轴旋轴一周形成的半个椭球形壳体，椭球壳从顶点到赤道各点处的半径值并不相同，故各点处应力大小也不相同。,（5-5）,5.2.3受内压作用的椭球形壳体,由椭圆曲线方程及受力推导可得到椭球形壳体上任一点的薄膜应力为：,（5-4）,对于标准椭圆形封头，封头顶点的经向应力比边缘处的经向应力值大一倍。 椭圆形封头顶点处的环向应力和边缘上的环向应力值相等，符号相反。,锥形
10、壳体，如图5-6所示，由分析推导可得其两向薄膜应力为：,5.2.4受气压作用的锥形壳体,其中：r壳体在A点处的半径，mm圆锥壳体的半锥角P作用在壳体内的气压力，MPa壳体的壁厚，mm,在锥壳上任一点处的两向应力为：,即锥形壳体上环向应力是径向应力的两倍，与圆筒形壳体相同。由应力计算公式可知，角增大，应力也随着增加,角应根据制造，使用需要合理选取。另外还可以看出，两向应力随着r的增加而增加。在r=R,锥壳开口处，两向应力有最大值，在锥顶端r=0处，两向应力为零。,边缘应力：当薄壁壳体的几何形状发生突变，或载荷分布发生突变、壳体厚度有突变，材料有突变等，都会在突变处产生附加的局部应力。这种局部应力
11、有时数值较高，会导致容器破坏，因此在设计中应予以重视。,5.2.5边缘应力的概念,边缘应力的两个特点,边缘应力具有局限性,在某些情况下，边缘应力值可能会相当大，但其作用范围是很小的。研究表明，随着离边缘距离的增大，边缘应力会迅速衰减。壳壁愈薄，衰减就愈快，这是边缘应力的一个特点。,边缘应力的自限性,边缘应力是由边缘部位变形不连续，以及由此而产生的弹性变形相互约束作用所引起的。一旦材料在边缘应力作用下发生了塑性变形。这种弹性相互约束就会缓解，边缘应力也就自然受到限制。,根据边缘应力的两个特点，使边缘应力降低的措施有：,a）改变连接处的结构，以降低突变程度。如圆弧过渡。,b）采用局部加强的结构，使
12、壳体上应力可以尽可能的均匀分布。,d）降低边缘区的残余应力。,c）保证边缘区的焊缝质量。,e）在边缘区尽可能避免附加其他局部应力或开孔。,对于内压薄壁容器的设计计算重点是壳体、封头的强度计算，通过合理选取材料进行壳体和封头的壁厚计算以确定壳体、封头的结构尺寸及壁厚。,设计压力：一般是指设定的容器顶部的最高压力，但不能等同于容器的工作压力。它是用于容器壁厚计算的压力值，其值不得低于最大工作压力。工作压力：由工艺过程计算得到的，设备工作过程中的最高工作压力。,5.3内压薄壁容器设计计算,5.3.1设计参数的确定,1.设计压力P,.对于装有安全阀的内压容器：,.对于两侧受压的压力容器元件：P 分别取
13、两 侧设计压力 值进行设计,.对于真空容器有安全阀控制： 或 中的较小值。,.对于无安全阀控制的真空设备：,设计压力值的选取：,设计温度:容器正常工作情况下，在相应的设定压力下壳壁可能达到的最高或最低的（指-20以下）平均壁温。,当设计温度无法通过传热计算或测试测定时，对于容器壁与介质直接接触，且容器有保温设施时，可按介质的最高（或最低）工作温度加减一定余量而确定，如表5-2。,2.设计温度t,介质温度-20t15时，取介质最低工作温度减5-10 为设计温度。介质温度t15,取介质最高工作温度或介质工作温度加15-30 为设计温度。,许用应力是材料在设计温度下，已考虑了一定安全系数的应力值，一
14、般由查表得到，如表5-3。许用应力是决定容器强度条件是否满足的重要参数。,查表5-316MnR材料,6-16板厚,200时,t=170Mpa。 16MnR材料,6-36板厚,200 时,t=159Mpa。,3.许用应力,4.焊接接头系数,表示钢板卷焊时，筒体与封头焊接接头处由于有夹渣、气孔、未焊透或焊缝两侧过热区的影响等，造成材料强度的削弱(1)；,对于双面对接焊，全焊透的焊缝，其焊缝系数在100%无损检测情况下，取=1，做局部无损检测情况下，取=0.85。,5.厚度附加量C,考虑到钢板厚度在轧制时的负偏差、生产过程中各种介质的腐蚀而减薄等影响。,厚度附加量C由两部分组成，即,.钢板厚度负偏差
15、C1,制造容器，封头等构件的钢板，其根据钢材尺寸标准，必然存在正、负偏差，因此，在厚度计算时，为了容器设计的厚度值要求，应将可能存在的负偏差值C1预先增加在计算中。钢板厚度的负偏差在制造标准规定中可以查表得到，如表5-5.当C1值不大于0.25mm时，且不超过名义厚度的6%时，取 。,.腐蚀余量C2,设备在工作过程中，由于工作介质的腐蚀，钢板会按工作年限逐年减薄，因此，设计时应将腐蚀引起的总减薄量预先增加在设计厚度中。腐蚀裕量可以根据介质对钢材的腐蚀速度和容器使用年限来计算得出，也可以根据使用经验选取。化工设备主要容器一般使用年限为1520年，普通设备使用年限在10年左右。表5-6根据经验列取
16、了腐蚀裕量的选取参考值。,当容器在低压或常压时，按强度计算得到的厚度值往往也很小，但由于设备在制造，安装，运输等过程中，要求设备必须具有足够的刚度，因此，当大型容器壳壁厚度太薄时，为了保证刚度要求，而对容器壳体的最小厚度min的要求：,容器：碳素钢、低合金钢：,高合金钢：,6.最小厚度min,当设备直径较大，厚度较薄时，在制造、运输、安装中，应考虑适当地采取相关临时加固措施，以防容器变形。,塔式容器：碳素钢，低合金钢制塔式容器：,不锈钢制塔式容器：,管壳式换热器：,且,按GB151管壳式换热器相关规范确定。,按有关强度公式计算得到的厚度值，不包括厚度附加值C。,.设计厚度 d,，计算厚度与腐蚀裕量之和。,壳体的有关厚度关系：.计算厚度,.名义厚度 n,
