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1、第4章压力容器设计第第4章章 压力容器力容器设计l4-1概述概述压力容器力容器设计基本要求基本要求合理合理选取取结构、构、材料、参数等材料、参数等合理合理选择设计方法方法常常规设计和分析和分析设计结果比果比较压力容器力容器设计基本内容基本内容用用户提出基本提出基本设计要求要求分析容器的工作条件，确定分析容器的工作条件，确定设计参数参数结构分析、初步构分析、初步选材材选择合适的合适的规范和范和标准准应力分析和力分析和强度度计算算确定构件尺寸和材料确定构件尺寸和材料绘制制图纸，提供，提供设计计算算书和其它技和其它技术文件文件压力力容容器器设计的的基基本本步步骤设计条件条件4-2设计准准则压力容器失
2、效判据力容器失效判据判断判断压力容器是否失效力容器是否失效由力学分析得到力学分析由力学分析得到力学分析结果果由由实验测得失效数得失效数值失效判据失效判据压力容器力容器设计准准则4-3 常常规设计l一、概述一、概述基于基于弹性失效性失效设计准准则不不连续应力的考力的考虑二、二、圆筒筒设计单层式式圆筒的筒的优点：点：不存在不存在层间松松动等薄弱等薄弱环节，能，能较好地保好地保证筒体的筒体的强度。度。单层式式圆筒的缺点：筒的缺点：1、单层厚壁厚壁圆筒筒对制造制造设备的要的要求高。求高。2、材料的浪、材料的浪费大。大。3、锻焊式式圆筒存在筒存在较深的深的纵、环焊缝，不便于，不便于焊接和接和检验。层板包
3、扎式板包扎式（1）包扎工序繁）包扎工序繁琐，费工工费时，效率低。，效率低。（2）层板材料利用率低。板材料利用率低。3）层间松松动问题。缺点缺点（1）对加工加工设备的要求不高。的要求不高。（2）压缩预应力可防止裂力可防止裂纹的的扩展。展。（3）内筒可采用不）内筒可采用不锈钢防腐。防腐。（4）层板厚度薄，板厚度薄，韧性好，不易性好，不易发生生脆性断裂。脆性断裂。优点点整体多整体多层包扎式包扎式（1）套合）套合层数少，效率高，成本低。数少，效率高，成本低。（2）纵焊缝质量容易保量容易保证。（1）只能套合短筒，筒）只能套合短筒，筒节间深深环焊缝多。多。（2）要求准确的）要求准确的过盈量，盈量，对筒筒节
4、的制造要求高。的制造要求高。热套式套式优点点缺点缺点优点：（点：（1）机械化程度高，操作）机械化程度高，操作简便，材料利用率高。便，材料利用率高。（2）纵焊缝少。少。缺点：（缺点：（1）绕板薄，不宜制造壁厚很大的容器。板薄，不宜制造壁厚很大的容器。（2）层间松松动问题。绕板式板式优点点缺点缺点槽形槽形绕带式式（1）筒壁）筒壁应力分布均匀且能承受一部分由内力分布均匀且能承受一部分由内压产生的生的轴向力。向力。（2）机械化程度高，材料利用率高。）机械化程度高，材料利用率高。（1）钢带成本高，公差要求成本高，公差要求严格。格。（2）绕带时钢带要求要求严格格啮合，否合，否则无法无法贴紧。优点点缺点缺点
5、（1）机械化程度高，材料利用率高。）机械化程度高，材料利用率高。（2）整体）整体绕制，无制，无环焊缝。（3）带层呈网状，不会整体裂开。呈网状，不会整体裂开。（4）扁平）扁平钢带成本低，成本低，绕制方便。制方便。扁平扁平钢带倾角角错绕式式特点特点内压圆筒强度设计单层内内压圆筒筒壁厚壁厚计算算强度校核度校核工作工作应力力最大允最大允许工作工作压力力按塑性失效按塑性失效设计准准则：按爆破失效按爆破失效设计准准则：多多层圆筒壁厚筒壁厚注意注意最小厚度最小厚度碳素碳素钢、低合金、低合金钢制容器：制容器：min3mm高合金高合金钢制容器：制容器：min2mm设计参数的参数的选取取设计压力力p1 1、设计压
6、力由工力由工艺条件确定，在条件确定，在设计过程中是一个程中是一个定定值；工作；工作压力在容器正常工作力在容器正常工作过程中可能程中可能变动，容，容器器顶部和底部的工作部和底部的工作压力也可能不同。力也可能不同。2 2、要求、要求设计压力不低于最大工作力不低于最大工作压力。力。 即：即：P PP PW W3 3、P PC C= P+P= P+PL L ( (当当P PL L5%5% P P时， P PL L可忽略不可忽略不计) )设计压力的力的规定定1、容器上装有安全、容器上装有安全阀时P=(1.051.10)PW2、容器上装有爆破膜、容器上装有爆破膜时P=(1.151.30)PW3、盛装液化气
7、体的容器、盛装液化气体的容器设计压力取工作力取工作时可能达到的最高温度下液可能达到的最高温度下液化气体的化气体的饱和蒸气和蒸气压设计温度温度t-容器在正常工作情况下容器在正常工作情况下设定元件的金属温度。定元件的金属温度。元件金属温度高于零度元件金属温度高于零度时，设计温度不得低于元温度不得低于元件可能达到的最高温度；件可能达到的最高温度；元件金属温度低于零度元件金属温度低于零度时，设计温度不得高于元温度不得高于元件可能达到的最低温度。件可能达到的最低温度。根据根据规定：当定：当钢板厚度板厚度负偏差不大于偏差不大于0.25mm，且不超且不超过名名义厚度的厚度的6%时，可取，可取C1=0。所以在
8、所以在设计计算中，算中，对于于GB6654-1996、GB3531-1996种的种的钢板（如板（如20R、16MnR、16MnDR等），均可取等），均可取C1=0。钢板厚度板厚度负偏差偏差焊接接接接头系数系数材料材料许用用应力力安全系数安全系数碳素碳素钢、低合金、低合金钢及及铁素体高合金素体高合金钢：nb3.0ns1.6nD1.5nn1.0奥氏体高合金奥氏体高合金钢：nb3.0ns1.5nD1.5nn1.0压力试验1、试验压力力内内压容器：容器：外外压容器和真空容器容器和真空容器：夹套套容容器器：视内内筒筒为内内压或或外外压容容器器，分分别按按内内压或或外外压容容器器的的试验压力力公公式式确确
9、定定试验压力力；夹套套按按内内压容器确定容器确定试验压力。力。*需需校校核核内内筒筒在在夹套套液液压试验压力力下下的的稳定定性性，如如不不满足足稳定定性性要要求求，则需需在在夹套套液液压试验时，内内筒筒内内保保持一定的持一定的压力。力。液液压试验如如果果直直立立容容器器卧卧置置进行行液液压试验，则在在应力力校校核核时，PT应加加上上容容器器立立置置充充满水水时的的最最大大液液柱柱压力。力。2、强度校核度校核注意注意注意注意气气压试验内内压容器：容器：外外压容器和真空容器容器和真空容器：1、气、气压试验2、强度校核度校核容器上没有安全泄放装置，气密性容器上没有安全泄放装置，气密性试验压力力PT=
10、1.0P。容器上容器上设置了安全泄放装置，气密性置了安全泄放装置，气密性试验压力力应低低于安全于安全阀的开启的开启压力或爆破片的力或爆破片的设计爆破爆破压力。力。通常取通常取PT=1.0PW。气密性气密性试验设计压力力为1.6 Mpa的的储液液罐罐罐罐体体，材材料料Q235-A，Di=1800mm， 罐罐 体体 高高 度度 4500mm， 液液 料料 高高 度度 3000mm，C1=0.8mm，腐腐蚀裕裕量量C2=1.5mm，焊缝系系数数=1.0，液液体体密密度度为1325kg/m3，罐内最高工作温度罐内最高工作温度50C。试计算罐体厚度并算罐体厚度并进行水行水压试验应力校核。力校核。注注 ：
11、 Q235-A材材 料料 的的 许 用用 应 力力 20=113MPa ， 50=113MPa，屈服极限屈服极限S=235Mpa试确定罐体厚度并确定罐体厚度并进行水行水压试验校核。校核。练习题断裂前断裂前发生生较大的塑性大的塑性变形，容器形，容器发生明生明显的鼓的鼓胀，断口，断口处厚度减薄，断裂厚度减薄，断裂时几乎不形成碎片。几乎不形成碎片。返回韧性断裂性断裂压力容器在力容器在载荷作用下，荷作用下，应力达到或接近材料力达到或接近材料的的强度极限而度极限而发生的断裂。生的断裂。特点特点失效原因失效原因容器厚度不容器厚度不够。压力力过大。大。断口平断口平齐，且与最大主，且与最大主应力方向垂直。力方
12、向垂直。容器断裂容器断裂时可能裂成碎片可能裂成碎片飞出，往往引起出，往往引起严重重后果。后果。断裂前没有明断裂前没有明显塑性塑性变形，断裂形，断裂时应力很低，力很低，安全安全阀、爆破膜等安全附件不起作用，断裂具有、爆破膜等安全附件不起作用，断裂具有突突发性。性。脆性断裂脆性断裂（低（低应力脆断）力脆断）器壁中的器壁中的应力力远低于材料低于材料强度极限度极限时发生的断裂。生的断裂。材料的脆性。材料的脆性。材料中的裂材料中的裂纹、未、未焊透、透、夹渣等缺陷。渣等缺陷。特点特点失效原因失效原因返回交交变载荷。荷。疲疲劳裂裂纹。疲疲劳断裂断裂在交在交变载荷作用下，由于材料中的裂荷作用下，由于材料中的裂
13、纹扩展展导致容器的断裂。致容器的断裂。特点特点断口上有断口上有贝纹状的疲状的疲劳裂裂纹。断裂断裂时容器整体容器整体应力力较低，断裂前无明低，断裂前无明显塑塑性性变形。形。如果材料如果材料韧性性较好，通好，通过合理合理设计可可实现“未爆先漏未爆先漏”。失效原因失效原因返回返回在恒定在恒定载荷和低荷和低应力（力（应力低于屈服点）下力低于屈服点）下也会也会发生蠕生蠕变断裂。断裂。蠕蠕变断裂前材料会由于蠕断裂前材料会由于蠕变变形而形而导致蠕致蠕变损伤，使材料在性能上，使材料在性能上产生蠕生蠕变脆化。脆化。断裂前断裂前发生生较大的塑性大的塑性变形，具有形，具有韧性断裂性断裂的特征；断裂的特征；断裂时又具
14、有脆性断裂的特征。又具有脆性断裂的特征。蠕蠕变断裂断裂压力容器力容器长时间在高温下受在高温下受载，材料的蠕，材料的蠕变变形会形会随随时间而增而增长，容器，容器发生鼓生鼓胀变形，厚度明形，厚度明显减薄，减薄，最最终导致致压力容器断裂。力容器断裂。特点特点高温蠕高温蠕变失效原因失效原因对于全面腐于全面腐蚀和局部腐和局部腐蚀，容器断裂前，容器断裂前发生明生明显的塑性的塑性变形，具有形，具有韧性断裂的特征。性断裂的特征。对于晶于晶间腐腐蚀和和应力腐力腐蚀，断裂前无明，断裂前无明显塑性塑性变形，具有脆性断裂的特征。形，具有脆性断裂的特征。返回腐腐蚀断裂断裂材料受到介材料受到介质腐腐蚀（全面腐（全面腐蚀或
15、局部腐或局部腐蚀），形成容器整），形成容器整体厚度减薄或局部凹坑、裂体厚度减薄或局部凹坑、裂纹等，从而造成容器的断裂。等，从而造成容器的断裂。特点特点失效原因失效原因介介质腐腐蚀外压圆筒设计解析法解析法图解法解法短短圆筒的筒的临界界压力力长圆筒的筒的临界界压力力几几何何参参数数计算算图壁壁厚厚计算算图外压圆筒设计设计步骤：薄壁薄壁圆筒筒假假设n计算算e计算（算（D0/e)和（和（L/D0)几何参数几何参数计算算图（A）壁厚壁厚计算算图（B）验算算PCP，若若满足，足，则假假设n合适，否合适，否则重新重新计算。算。厚壁厚壁圆筒筒需同需同时考考虑稳定性和定性和强度度（稳定性）定性）（强度）度）其中
16、：其中：(m=4)轴向受向受压圆筒筒:图算法算法1、真空容器、真空容器有安全装置有安全装置时：无安全装置无安全装置时：p=0.1Mpa2、带夹套的真空容器套的真空容器p取真空容器的取真空容器的设计压力加上力加上夹套套压力力3、其它外、其它外压容器（包括容器（包括带夹套的外套的外压容器）容器）p应不不小小于于容容器器正正常常工工作作过程程中中可可能能出出现的的最最大大内外内外压力差力差即：即：p(p0-pi)max设计压力力注意：最大内外注意：最大内外压差的取差的取值设计参数参数的的规定定稳定性安全系数定性安全系数圆筒：筒：m m = = 3.03.0球壳：球壳： m m = = 14.5214
17、.52计算算长度度加强圈设计带加强圈的外压圆筒两个条件两个条件1、筒体不失、筒体不失稳要求：要求：LSLmax2、加、加强圈不失圈不失稳要求：要求：ISI1、筒体不失、筒体不失稳要求：要求：LSLmax2、加、加强圈不失圈不失稳要求：要求：ISI1、初步取加、初步取加强圈的数目和圈的数目和间距距3、计算加算加强圈和圈和圆筒筒组合而成的当量合而成的当量圆筒筒所需的所需的组合截面合截面惯性矩性矩I。2、选择加加强圈材料，按型圈材料，按型钢规格初定加格初定加强圈的圈的截面形状和尺寸，截面形状和尺寸，计算算实际组合截面合截面惯性矩性矩IS。4、比、比较IS和和I，若若ISI且比且比较接近，接近，则加加
18、强圈的圈的尺寸、数目和尺寸、数目和间距距满足要求，否足要求，否则重新重新选择加加强圈，重复以上步圈，重复以上步骤，直到，直到满足要求足要求为止。止。加加强圈圈设计步步骤1、加、加强圈可采用扁圈可采用扁钢、角、角钢、工字、工字钢或其它型或其它型钢，这样材料供材料供应方便且型方便且型钢具有具有较大的截面大的截面惯性矩。性矩。加加强圈可圈可设置在容器的内部或外部，并置在容器的内部或外部，并应环绕容器容器整个整个圆周。周。2、加、加强圈和壳体的圈和壳体的连接必接必须足足够紧密，以保密，以保证加加强圈和壳体一起承圈和壳体一起承载，加，加强圈和壳体之圈和壳体之间可采用可采用连续焊或或间断断焊。3、为保保证
19、筒体和加筒体和加强圈的圈的稳定性，加定性，加强圈不得被圈不得被任意削弱或割断。任意削弱或割断。加加强圈圈结构构设计外加外加强圈圈加加强圈每圈每侧间断断焊接的接的总长不小于不小于圆筒筒外外圆周周长度的度的1/2内加内加强圈圈加加强圈每圈每侧间断断焊接的接的总长不小于不小于圆筒筒内内圆周周长度的度的1/3外外压圆筒筒练习题某某圆筒形容器，内径筒形容器，内径2400mm，长14000mm，两端两端为标准准椭圆形封形封头，直，直边高度高度为50mm，圆筒和封筒和封头材料均材料均为1Cr18Ni9Ti，腐腐蚀裕量取裕量取1mm，设计温度温度510C，真空下操作，无安全控真空下操作，无安全控制装置。制装置
20、。用用图算法求筒体厚度算法求筒体厚度一一圆筒形容器，材料筒形容器，材料为Q235-A，内径内径2800mm，长10m（含封含封头直直边段），两端段），两端为标准准椭圆形封形封头，圆筒和封筒和封头名名义厚度均厚度均为12mm，其其中壁厚附加量中壁厚附加量C=2mm；容器容器负压操作，最高操作操作，最高操作温度温度50C。（1）试确定容器最大允确定容器最大允许真空度真空度为多少多少mmHg？（2）该容器是否容器是否应设置安全控制装置？置安全控制装置？外外压圆筒和加筒和加强圈圈练习题现有一真空塔，材料有一真空塔，材料为Q235-A，Di=2500mm，封封头为标准准椭圆形封形封头，塔体部分高，塔体部
21、分高20m(包括直包括直边段段)，设计温度温度250C，腐腐蚀裕量裕量2.5mm。1、确定塔体确定塔体圆筒壁厚。筒壁厚。2、塔体上均匀、塔体上均匀设置置6个加个加强圈（材料与塔体相同）后的圈（材料与塔体相同）后的筒体壁厚。筒体壁厚。三、封头设计封封头形式形式303060内内压半球形封半球形封头凸形封凸形封头半球形封半球形封头外外压半球形封半球形封头椭圆形封形封头内内压椭圆形封形封头标准准椭圆形封形封头：e0.15%Di非非 标 准准 椭 圆 形形 封封 头 ：e0.30%Di椭圆形封形封头的最小厚度的最小厚度外外压椭圆形封形封头与外与外压半球形封半球形封头计算方法相同算方法相同R0=K1D0K
22、1-系数（表系数（表4-5）碟形封碟形封头要求：要求：r0.1Di且且r3RiDi标准碟形封准碟形封头：r=0.17DiRi=0.9Di碟形封碟形封头内内压碟形封碟形封头标 准准 碟碟 形形 封封 头 ：e0.15%Di非非 标 准准 碟碟 形形 封封 头 ：e0.30%Di碟形封碟形封头的最小厚度的最小厚度外外压碟形封碟形封头与外与外压半球形封半球形封头计算方法相同算方法相同R0-碟形封碟形封头球面部分外半径球面部分外半径外压凸形封头1、半球形封、半球形封头2、椭圆形封形封头按半球形封按半球形封头计算壁厚算壁厚R0=K1D03、碟形封、碟形封头按半球形封按半球形封头计算壁厚，算壁厚，R0取球面部分外半径。取球面部分外半径。4、无折、无折边球形封球形封头按半球形封按半球形封头计算壁厚算壁厚总结3030大端大端应设折折边，r0.1Di且且r345小端也小端也应设折折边，rs0.05Dis且且rs3r锥形封形封头内内压无折无折边锥形封形封头厚度：厚度：加加强后的厚度：后的厚度：判断是否需要加判断是否需要加强（图4-19）大端：大端：取大取大值内内压带折折边锥形封形封头外外压锥形封形封头等效等效圆筒筒与外与外压圆筒的壁厚筒的壁厚计算方法相同算方法相同壁厚：壁厚：DC-平盖平盖计算直径算直径K-结构特征系数构特征系数（表（表4-8）圆形平盖形平盖
