化工机械基础之压力容器设计

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1、第四篇第四篇 压力容器设计压力容器设计第七章第七章 内压容器内压容器7.1 7.1 概述概述7.1.17.1.1容器的结构容器的结构 壳体壳体( (筒体筒体) )、封头、封头( (端盖端盖) )、法兰、支、法兰、支座、接口管及人孔等组成。常低压化座、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。工设备通用零部件标准直接选用。 典型的薄壁壳体结构示例图如下典型的薄壁壳体结构示例图如下: :7.1.2 7.1.2 容器的分类容器的分类压力容器分类压力容器分类按容器壁厚按容器壁厚按承压性质按承压性质 按管理按管理按工艺过程的作用原理按工艺过程的作用原理1 1、按容器壁厚、按容器壁厚薄壁容

2、器：薄壁容器： 或或厚壁容器：厚壁容器： 或或2 2、按承压性质、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对大气压的外压容器表表7-1 内压容器的分类内压容器的分类容器分类容器分类设计压力设计压力 p （MPa）低压容器低压容器0.1p1.6中压容器中压容器1.6p10高压容器高压容器10p100超高压容器超高压容器p1003 3、根据根据TSG R0004固定式压力容器安全技术监察固定式压力容器安全技术监察规程规程基于设计压力、容积和介质危害性三个因素对压力容基于设计压力、容积和介质危害性三个因素对压力容器进行分类，将所适用范围内的压力

3、容器划分为第器进行分类，将所适用范围内的压力容器划分为第类压力容器、第类压力容器、第类压力容器和第类压力容器和第类压力容器。类压力容器。 介质分组介质分组 压力容器的介质为气体、液化压力容器的介质为气体、液化气体以及介质最高工作温度高于或者等于标准气体以及介质最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体，按其毒性危害程度和爆炸危险程沸点的液体，按其毒性危害程度和爆炸危险程度分为以下两组：度分为以下两组：. . 第一组介质：毒性危害程度为极度危害、第一组介质：毒性危害程度为极度危害、高度危害的化学介质，易爆介质，液化气体。高度危害的化学介质，易爆介质，液化气体。. . 第二组介质：除第一组介质以外的介

4、质。第二组介质：除第一组介质以外的介质。 其分类方法简述如下其分类方法简述如下: : 介质危害性介质危害性是指压力容器在生产过程中因事是指压力容器在生产过程中因事故致使介质与人体大量接触，发生爆炸或者因故致使介质与人体大量接触，发生爆炸或者因经常泄漏引起职业性慢性危害的严重程度，用经常泄漏引起职业性慢性危害的严重程度，用介质毒性程度和爆炸危害程度表示。介质毒性程度和爆炸危害程度表示。 毒性程度：毒性程度：综合考虑急性毒性、最高容许综合考虑急性毒性、最高容许浓度和职业性慢性危害等因素，极度危害最浓度和职业性慢性危害等因素，极度危害最高容许浓度小于高容许浓度小于0.1mg/m3 3；高度危害最高容

5、；高度危害最高容许浓度许浓度0.1 mg/m3 31.0mg/m3 3；中度危害最高；中度危害最高容许浓度容许浓度1.0 mg/m3 310.0mg/m3 3；轻度危害；轻度危害最高容许浓度大于或者等于最高容许浓度大于或者等于10.0mg/m3 3。 易爆介质：易爆介质：指气体或者液体的蒸汽、薄雾与指气体或者液体的蒸汽、薄雾与空气混合形成的爆炸混合物，并且其爆炸下限空气混合形成的爆炸混合物，并且其爆炸下限小于小于10%，或者爆炸上限和爆炸下限的差值大，或者爆炸上限和爆炸下限的差值大于或者等于于或者等于20%的介质。的介质。 具体介质毒性危害程度和爆炸危险程度按具体介质毒性危害程度和爆炸危险程度

6、按照照HG20660压力容器中化学介质毒性危害压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类和爆炸危险程度分类确定；确定；HG20660没有没有规定的，由压力容器设计单位参照规定的，由压力容器设计单位参照GB5044职业性接触毒物危害程度分级职业性接触毒物危害程度分级的原则，决定介质组别。的原则，决定介质组别。 压力容器类别划分方法压力容器类别划分方法 压力容器分类的划分应当先按照介质特性，压力容器分类的划分应当先按照介质特性，按照以下要求选择类别划分图，再根据设计按照以下要求选择类别划分图，再根据设计压力压力p( (单位单位MPa) )和容积和容积V( (单位单位L) )，标出坐标，标出坐标点

7、，确定压力容器类别。点，确定压力容器类别。 . 对于第一组介质，压力容器类别的划分见下图对于第一组介质，压力容器类别的划分见下图 .对于第二组介质，压力容器类别的划分见下图对于第二组介质，压力容器类别的划分见下图 4 4、按应用情况、按应用情况反应压力容器（）完成物理、化学反应压力容器（）完成物理、化学反应，如反应器、反应釜、分解锅、反应，如反应器、反应釜、分解锅、聚合釜、变换炉等；聚合釜、变换炉等；换热压力容器（）热量交换，如热换热压力容器（）热量交换，如热交换器、管壳式余热锅炉、冷却器、交换器、管壳式余热锅炉、冷却器、冷凝器、蒸发器等；冷凝器、蒸发器等；分离压力容器（）流体压力平衡缓分离压

8、力容器（）流体压力平衡缓冲和气体净化分离，如分离器、过冲和气体净化分离，如分离器、过滤器、缓冲器、吸收塔、干燥塔等；滤器、缓冲器、吸收塔、干燥塔等；储存压力容器：（，球罐为）储储存压力容器：（，球罐为）储存、盛装气体、液体、液化气体等存、盛装气体、液体、液化气体等介质，如各种形式的贮罐、贮槽、介质，如各种形式的贮罐、贮槽、高位槽、计量槽、槽车等。高位槽、计量槽、槽车等。7.1.2 7.1.2 压力容器的标准简介压力容器的标准简介压力容器标准是全面总结压力容压力容器标准是全面总结压力容器生产、设计、安全等方面的经验，器生产、设计、安全等方面的经验，不断纳入新科技成果而产生的。它不断纳入新科技成果

9、而产生的。它是压力容器设计、制造、验收等必是压力容器设计、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、检验方法设计方法、选材及制造、检验方法等。等。 国内标准国内标准v20112011年我国压力容器标准化技术委员会年我国压力容器标准化技术委员会修订了修订了GB150-2011GB150-2011压力容器压力容器vGB150GB150压力容器内容包括：压力容器内容包括：通用要求通用要求材料材料设计设计制造、检验和验收制造、检验和验收 国外主要规范国外主要规范国外的规范主要有四个：国外的规范主要有四个：美国美国ASMEASME规范，规范，英国压力

10、容器规范（英国压力容器规范（BSBS），），日本国家标准（日本国家标准（JISJIS），），德国压力容器规范（德国压力容器规范（ADAD）。）。美国美国ASMEASME规范规范v美国机械工程师协会（美国机械工程师协会（ASMEASME）制定）制定的锅炉及压力容器规范。美国国的锅炉及压力容器规范。美国国家标准家标准v该规范规模庞大、内容完善，仅依该规范规模庞大、内容完善，仅依靠其本身即可完成选材、设计、制造、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检验、试验、安装及运行等全部工作环节。环节。美国美国ASMEASME规范规范v与压力容器密切相关有：与压力容器密切相关有：

11、第第卷卷 材料技术条件、第材料技术条件、第卷卷 无损检验、无损检验、第第卷卷 压力容器及第压力容器及第卷卷 焊接及钎焊接及钎焊评定。焊评定。 v每年增补一次，每三年出一新版，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。世界上影响最大的一部规范。 7.1.4 压力容器的失效形式与设计准则1、压力容器的失效形式（1）强度失效（2）刚度失效（3）失稳失效（4）泄漏失效2、压力容器的设计准则（1）弹性失效设计准则（2）塑性失效设计准则（3）爆破失效设计准则7.2

12、7.2 内压薄壁容器设计内压薄壁容器设计的理论基础的理论基础下下图图为为一一般般回回转转薄薄壁壁壳壳体体的的中中间间面面，由由于于回回转转薄薄壁壁壳壳体体的的厚厚度度很很小小，故故通通常常可可用用中中间间面面来来代代表表回回转薄壁壳体的几何特性。转薄壁壳体的几何特性。 7.2.1 7.2.1 回转薄壁壳体的几何特性回转薄壁壳体的几何特性坐标系：坐标系：采用柱坐标，在采用柱坐标，在r-zr-z坐标面上研坐标面上研究回转薄壳的几何特性究回转薄壳的几何特性 经线、平行圆经线、平行圆(1)(1)通过回转轴的平面称为经线平面，通过回转轴的平面称为经线平面，经线平面经线平面与壳体中间面的交线称为经线。与壳

13、体中间面的交线称为经线。 (2)(2)垂直于回转轴的平面与中间面的交线形成的垂直于回转轴的平面与中间面的交线形成的圆称为平行圆圆称为平行圆，该圆的半径称为平行圆半径，用，该圆的半径称为平行圆半径，用r表示。表示。 第一曲率半径、第二曲率半径第一曲率半径、第二曲率半径 (1)(1)经线上任一点经线上任一点A处的曲率半径称为第一曲率半处的曲率半径称为第一曲率半径，用径，用R1表示。表示。 (2)(2)通过经线上任一点通过经线上任一点A作垂直于经线的平面，该作垂直于经线的平面，该平面与中间面相交形成一条平面曲线，如图平面与中间面相交形成一条平面曲线，如图( (a) )中中D、A、C三点所在的曲线，该

14、曲线在三点所在的曲线，该曲线在A点的曲点的曲率半径称为第二曲率半径，用率半径称为第二曲率半径，用R2表示。表示。(3)(3)第一和第二曲率半径的曲率中心都位于第一和第二曲率半径的曲率中心都位于A点的点的法线上，且第二曲率半径的曲率中心必落在对称法线上，且第二曲率半径的曲率中心必落在对称轴上。轴上。在图中，在图中，R1=AK1，R2=AK2。 (4)(4)由高等数学知，只要已知经线方程由高等数学知，只要已知经线方程z=z(r)，经，经线上任一点的第一曲率半径线上任一点的第一曲率半径R1可用下可用下式求解：式求解： (5)(5)平行圆半径平行圆半径r与第二曲率半径与第二曲率半径R2之间有如下关之间

15、有如下关系：系： 7.2.2 7.2.2 回转薄壁壳体的无力矩理论回转薄壁壳体的无力矩理论 如果回转薄壁壳体受到轴对称载荷作用，支承容如果回转薄壁壳体受到轴对称载荷作用，支承容器的边界也对称于轴线，则壳体因外载荷作用而器的边界也对称于轴线，则壳体因外载荷作用而引起的内力和变形问题属于轴对称问题。引起的内力和变形问题属于轴对称问题。轴对称问题中在壳体内产生的应力在同一平行圆轴对称问题中在壳体内产生的应力在同一平行圆上没有变化，但沿经线上没有变化，但沿经线( (如图中的曲线如图中的曲线O1B) )一般是一般是变化的变化的。 内压薄壁容器承受的载荷通常为气体压力和液体内压薄壁容器承受的载荷通常为气体

16、压力和液体的静压力。一般情况下，气体压力是主要的载荷，的静压力。一般情况下，气体压力是主要的载荷，液体的静压力相对较小。液体的静压力相对较小。 一、一、 无力矩理论概述无力矩理论概述 为了分析薄壁壳体中一点的应力状态，通常如前为了分析薄壁壳体中一点的应力状态，通常如前面图示截取微元体。面图示截取微元体。用经向平面截壳体形成的截面称为用经向平面截壳体形成的截面称为纵截面或经向纵截面或经向截面截面，以第二曲率半径，以第二曲率半径R2为母线形成的锥面截壳为母线形成的锥面截壳体形成的截面体形成的截面称为锥截面称为锥截面。 一般情况下，经向截面两侧材料在经向和壳体法一般情况下，经向截面两侧材料在经向和壳

17、体法线方向，锥截面两侧材料在周向，都不会存在相线方向，锥截面两侧材料在周向，都不会存在相对错动的剪切变形，因而在经向截面上和锥截面对错动的剪切变形，因而在经向截面上和锥截面的周向都不可能存在剪力。弯矩的周向都不可能存在剪力。弯矩 、 是由于周是由于周向和经向的曲率变化引起的，横剪力向和经向的曲率变化引起的，横剪力 则是由于则是由于锥截面两侧材料在沿壳体法线方向可能存在的剪锥截面两侧材料在沿壳体法线方向可能存在的剪切变形引起的。切变形引起的。 和和 是由于壳体中间面的拉伸是由于壳体中间面的拉伸或压缩变形而产生的，称为薄膜内力。或压缩变形而产生的，称为薄膜内力。 在壳体理论中，如果全部考虑上述内力

18、，这种理在壳体理论中，如果全部考虑上述内力，这种理论称为论称为“有力矩理论有力矩理论”或或“弯曲理论弯曲理论”。 一般只承受气体压力和液体静压力的情况下，在容一般只承受气体压力和液体静压力的情况下，在容器壳体的大部分区域，其弯矩和横剪力与薄膜内力器壳体的大部分区域，其弯矩和横剪力与薄膜内力相比是很小的，如果略去不计，将使壳体的应力分相比是很小的，如果略去不计，将使壳体的应力分析大大简化而不致引起大的误差。此时，析大大简化而不致引起大的误差。此时，壳体的应壳体的应力状态仅由薄膜内力力状态仅由薄膜内力 和和 确定，称为确定，称为“无矩应无矩应力状态力状态”，如图如图( (c) )所示。所示。基于这

19、一近似假设求解基于这一近似假设求解这些薄膜内力的理论，称为这些薄膜内力的理论，称为“无力矩理论无力矩理论”或或“薄薄膜理论膜理论”。 薄壁容器壳体的应力分析和强度计算都是以无力薄壁容器壳体的应力分析和强度计算都是以无力矩理论为基础的。矩理论为基础的。 二、二、 无力矩理论的基本方程式无力矩理论的基本方程式 壳体处于壳体处于“无矩应力状态无矩应力状态”时，类似于薄膜时，类似于薄膜( (如气球如气球承受内部气压承受内部气压) )仅靠张力承压，故称为仅靠张力承压，故称为“薄膜理论薄膜理论”。 假设该微段柔索上作用的法向总假设该微段柔索上作用的法向总力是一微小的力，在图力是一微小的力，在图7-3中为中

20、为水平方向，用水平方向，用dP表示。由于柔表示。由于柔索具有一定的曲率，截面上的拉索具有一定的曲率，截面上的拉伸内力伸内力( (张力张力) )N不是作用在同一不是作用在同一条直线上，其合力可以平衡法向条直线上，其合力可以平衡法向总力总力dP。由图。由图7-3易知其平衡方易知其平衡方程程，即，即 图图7-3 柔索承受法向柔索承受法向力示意图力示意图由于夹角很微小，则有由于夹角很微小，则有薄膜或薄壁壳体承受内压与柔索承受法向力是相似薄膜或薄壁壳体承受内压与柔索承受法向力是相似的，区别仅在于薄壁壳体是在经向和周向均有曲率，的，区别仅在于薄壁壳体是在经向和周向均有曲率，两个方向的薄膜内力都对平衡内压两

21、个方向的薄膜内力都对平衡内压p有贡献，但每有贡献，但每一方向所平衡的内压部分都可应用上式进行计算。一方向所平衡的内压部分都可应用上式进行计算。于是有于是有 式中式中dP为在壳体微元内表面上作用的法向总力，为在壳体微元内表面上作用的法向总力，其值为内压其值为内压p与壳体微元中间面与壳体微元中间面( (可视为矩形平面可视为矩形平面) )面积的乘积。面积的乘积。 设壳体微元的厚度设壳体微元的厚度为为，经向截面上的薄膜应，经向截面上的薄膜应力为力为 ，称为周向应力或环向应力，锥截面上，称为周向应力或环向应力，锥截面上的薄膜应力为的薄膜应力为 ，称为经向应力，则有，称为经向应力，则有 上式上式表示了回转

22、壳体上任一点的两向薄膜应力与表示了回转壳体上任一点的两向薄膜应力与内压力内压力p的平衡关系，称为微体平衡方程式的平衡关系，称为微体平衡方程式。 微体平衡方程式微体平衡方程式(7-1)在轴对称问题中，壳体中点的应力在同一平行圆上在轴对称问题中，壳体中点的应力在同一平行圆上是不变的，但沿经线一般来说是变化的。由于经向是不变的，但沿经线一般来说是变化的。由于经向应力作用在锥截面上，因此，可以应力作用在锥截面上，因此，可以按照锥截面把薄按照锥截面把薄壁壳体截开，取其中任一部分，研究所取壳体的轴壁壳体截开，取其中任一部分，研究所取壳体的轴向平衡条件，就可将经向应力求出来。如此截取壳向平衡条件，就可将经向

23、应力求出来。如此截取壳体的部分区域得到的轴向平衡方程称为区域平衡方体的部分区域得到的轴向平衡方程称为区域平衡方程式。程式。 ( (a) () (b) )图图7-4 回转薄壳的轴向平衡回转薄壳的轴向平衡壳体承受均布气压时的轴向平衡条件，即区域平衡壳体承受均布气压时的轴向平衡条件，即区域平衡方程式为方程式为 以上两式即为以上两式即为承受气体压力作用的容器壳体内两承受气体压力作用的容器壳体内两向薄膜应力的计算公式向薄膜应力的计算公式。 故故 代入微体平衡方程式，代入微体平衡方程式，得得 (7-2)(7-3)7.2.3 7.2.3 无力矩理论在容器应力分析中的应用无力矩理论在容器应力分析中的应用无力矩

24、理论在容器应力分析中的应用无力矩理论在容器应力分析中的应用分析几种工程中典型回转薄壳的薄膜应力：分析几种工程中典型回转薄壳的薄膜应力：分析几种工程中典型回转薄壳的薄膜应力：分析几种工程中典型回转薄壳的薄膜应力：承受气体内压的回转薄壳承受气体内压的回转薄壳球形壳体球形壳体薄壁圆筒薄壁圆筒锥形壳体锥形壳体椭球形壳体椭球形壳体 1. 球形壳体球形壳体球形壳体上各点的第一曲率半径与第二曲率半径相等，球形壳体上各点的第一曲率半径与第二曲率半径相等， 即即R1=R2=R将曲率半径代入式（将曲率半径代入式（7-2）和式（）和式（7-3）得：）得：（7-4）2. 薄壁圆筒薄壁圆筒薄壁圆筒中各点的第一曲率半径和

25、第二曲率半径分别为薄壁圆筒中各点的第一曲率半径和第二曲率半径分别为 R1=；R2=R将将R1、R2代入（代入（7-2）和式（）和式（7-3）得：）得：薄壁圆筒中，周向应力是轴向应力的薄壁圆筒中，周向应力是轴向应力的2 2倍倍（7-5）3. 锥形壳体锥形壳体锥形壳体的应力锥形壳体的应力（7-6）R1=式（式（7-2）（）（7-3）由式（由式（7-6）可知：）可知：周向应力和经向应力与周向应力和经向应力与x呈线性关系，锥顶处应力为零，呈线性关系，锥顶处应力为零， 离锥顶越远应力越大，且周向应力是经向应力的两倍；离锥顶越远应力越大，且周向应力是经向应力的两倍；锥壳的半锥角锥壳的半锥角是确定壳体应力的

26、一个重要参量。是确定壳体应力的一个重要参量。 当当 0 时，锥壳的应力时，锥壳的应力 圆筒的壳体应力。圆筒的壳体应力。 当当 90时，锥体变成平板，应力时，锥体变成平板，应力 无限大。无限大。推导思路：推导思路：式（式（7-2）（）（7-3）椭圆曲线方程椭圆曲线方程R1和和R2（7-7） 又称又称胡金伯格方程胡金伯格方程4. 4. 椭球形壳体椭球形壳体工程上常用标准椭圆形封头，其工程上常用标准椭圆形封头，其a/b=2。 的数值在顶点处和赤道处大小相等但符号相反，的数值在顶点处和赤道处大小相等但符号相反， 即顶点处为即顶点处为 ，赤道上为，赤道上为 - ， 恒是拉伸应力，在顶点处达最大值为恒是拉

27、伸应力，在顶点处达最大值为 。7.2.4 无力矩理论的应用条件1、壳体的厚度、中面曲率和载荷连续，材料的物理性能相同。2、壳体的边界处不受横向剪力、弯矩和转矩作用。3、壳体的边界处的约束沿径向的切线方向，不得限制边界处的转角与挠度。7.3 容器边缘应力及其处理7.3.1 边缘应力的产生相邻两段性能不同，或所受温度或压力相邻两段性能不同，或所受温度或压力不同，导致两部分变形量不同，但又相不同，导致两部分变形量不同，但又相互约束，从而产生较大的剪力与弯矩。互约束，从而产生较大的剪力与弯矩。筒体与封头联接为例，边缘应力数值很筒体与封头联接为例，边缘应力数值很大，有时导致容器失效，应重视。大，有时导致

28、容器失效，应重视。无力矩理论忽略了无力矩理论忽略了剪力与弯矩的影响，剪力与弯矩的影响，可以满足工程设计可以满足工程设计精度的要求。精度的要求。但对图中所示的一但对图中所示的一些情况，就须考虑些情况，就须考虑弯矩的影响。弯矩的影响。7.3.2 边缘应力的特点边缘应力具有局限性和自限性两个基本边缘应力具有局限性和自限性两个基本特性：特性：1 1局限性局限性 大多数都有明显的衰减波特性，大多数都有明显的衰减波特性，随离开边缘的距离增大，边缘应力迅速衰减。随离开边缘的距离增大，边缘应力迅速衰减。 2 2自限性自限性 弹性变形相互制约，一旦材料弹性变形相互制约，一旦材料产生塑性变形，弹性变形约束就会缓解

29、，边产生塑性变形，弹性变形约束就会缓解，边缘应力自动受到限制，即边缘应力的自限性。缘应力自动受到限制，即边缘应力的自限性。v塑性好的材料可减少容器发生塑性好的材料可减少容器发生破坏。破坏。 v局部性与自限性，设计中一般局部性与自限性，设计中一般不按局部应力来确定厚度，而不按局部应力来确定厚度，而是在结构上作局部处理。是在结构上作局部处理。v但对于脆性材料，必须考虑边但对于脆性材料，必须考虑边缘应力的影响。缘应力的影响。 7.4内压薄壁容器的设计7.4.1内压筒体设计内压筒体设计（一）内压圆筒的厚度计算（一）内压圆筒的厚度计算筒体内较大的环向应力不应高于在设筒体内较大的环向应力不应高于在设计温度

30、下材料的许用应力，即计温度下材料的许用应力，即 t t- -设计温度设计温度tt下材料许用应力，下材料许用应力，MPaMPa。实际设计中须考虑三个因素：实际设计中须考虑三个因素：（1 1）焊接接头系数）焊接接头系数（2 2）容器内径）容器内径（3 3）壁厚壁厚（1 1）焊接接头系数）焊接接头系数钢板卷焊。夹渣、气孔、未焊透等缺钢板卷焊。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陷，导致焊缝及其附近区域强度可能低于钢材本体的强度。于钢材本体的强度。钢板钢板t乘以焊接接头系数乘以焊接接头系数，1（2 2） 容器内径容器内径工艺设计确定内径工艺设计确定内径Di，制造测量也是内径，制造测

31、量也是内径，而受力分析中的而受力分析中的D却是却是中面直径。中面直径。解出解出，得到内压圆筒，得到内压圆筒的厚度计算式的厚度计算式( (二）内压球壳的厚度计算二）内压球壳的厚度计算设计温度下球壳的计算厚度：设计温度下球壳的计算厚度：对对于于受受均均匀匀内内压压封封头头的的设设计计，原原则则上上应应根根据据封封头头的的几几何何形形状状和和尺尺寸寸，除除了了考考虑虑由由内内压压引引起起的的薄薄膜膜应应力力之之外外，还还应应考考虑虑连连接接边边缘缘的的不不连连续续应应力力，但但实实际际上上由由于于按按照照应应力力分分析析进进行行设设计计甚为复杂，故封头设计中采用了比较简单的方法甚为复杂，故封头设计中

32、采用了比较简单的方法。对对承承受受静静载载荷荷的的一一般般封封头头，仅仅以以远远离离边边缘缘区区域域的的薄薄膜膜应应力力或或弯弯曲曲应应力力进进行行分分析析并并加加以以限限制制，对对于于由由各各种种原原因因引引起起的的边边缘缘应应力力，仅仅在在结结构构形形式式上上定定性性地地加加以以限限制制，或或在在设设计计公公式式中中引引入入形形状状系系数数或或应应力力增增强强系系数数，把把按按薄薄膜膜应应力力或或弯弯曲曲应应力力求求得得的厚度适当予以放大。的厚度适当予以放大。 7.4.2 7.4.2 内压封头设计内压封头设计 (1)(1)半球形封头半球形封头与内压球壳的厚度设计计算相同与内压球壳的厚度设计

33、计算相同: :受受内内压压时时，由由于于半半球球形形封封头头的的薄薄膜膜应应力力较较其其它它封封头头为为最最小小，所所以以所所需需壁壁厚厚最最薄薄。根根据据设设计计规规定定，封封头头中中只只有有半半球球形形封封头头的的最最小小厚厚度度可可以以小小于于筒筒体体厚厚度度。不不过过，有有时时为为了了焊焊接接方方便便，也也可可取取与与筒筒体体等厚度。等厚度。 (2)(2)椭圆形封头椭圆形封头椭圆形封头中最大薄膜应力与椭圆的长短轴之比椭圆形封头中最大薄膜应力与椭圆的长短轴之比a/b有关，从椭球形壳体的应力分析中可看出，其有关，从椭球形壳体的应力分析中可看出，其计算公式较为复杂。椭圆形封头上的最大综合应力

34、计算公式较为复杂。椭圆形封头上的最大综合应力( (薄膜应力与边缘应力的合成应力薄膜应力与边缘应力的合成应力) )可由下式计算：可由下式计算：式中式中 K椭圆形封头形状系数，由椭圆形封头形状系数，由a/b=Di/2hi的的比值确定比值确定：根根据据弹弹性性失失效效设设计计准准则则，考考虑虑焊焊接接接接头头系系数数，并并代入代入D = Di + ，则有：，则有： 进进行行适适当当简简化化后后，即即得得一一般般椭椭圆圆形形封封头头的的设设计计公公式式为：为： 对对于于标标准准椭椭圆圆形形封封头头( (a/b=Di/2hi=2) )，K=1，则则上上式可写成式可写成 当当椭椭圆圆形形封封头头Di150

35、0mm时时，一一般般采采用用整整块块钢钢板板冲冲压压成成型型，此此时时=1.0；当当Di1500mm时时，因因受受钢钢板板尺尺寸寸的的限限制制，需需要要由由几几块块钢钢板板拼拼焊焊成成坯坯料料，然然后后加加热热冲冲压压成成型型，此此时时值值须须视视焊焊接接结结构构及及其其无无损损检检测测情况而定。情况而定。(3)(3)碟形封头碟形封头碟形封头又称带折边的碟形封头又称带折边的 球形封头，它由三部分组成：球形封头，它由三部分组成： 第一部分是以第一部分是以RiDi的球面部分；的球面部分； 第二部分是第二部分是r10%Di且且r3n的过渡圆弧部分；的过渡圆弧部分； 第第三三部部分分是是高高度度为为h

36、0=25mm、40mm的的直直边边段段，如如图所示。图所示。为为了了不不使使碟碟形形封封头头过过浅浅而而成成为为平平板板状状并并降降低低过过渡渡圆圆弧弧与与球球面面部部分分和和柱柱面面部部分分联联接接处处的的边边缘缘应应力力，通常取通常取Ri=0.9Di, r=0.17Di。 由由于于在在球球面面、柱柱面面与与过过渡渡环环壳壳的的连连接接点点，都都存存在在曲曲率率半半径径的的不不连连续续，因因而而在在这这两两点点处处必必须须按按照照有有力力矩矩理理论论求求解解其其边边缘缘应应力力。但但这这样样处处理理，在在设设计计时时又又过过于于复复杂杂，因因而而在在工工程程设设计计时时，在在椭椭圆圆形形封封

37、头头设设计计公公式式的的基基础础上上并并考考虑虑到到碟碟形形封封头头的的形形状状特特征，得到碟形封头的设计公式为：征，得到碟形封头的设计公式为： 式中式中M碟形封头的形状系数，由碟形封头的形状系数，由Ri/r 的比值的比值确定；确定； Ri碟形封头的球面部分内半径，碟形封头的球面部分内半径，RiDi。(4)(4)其他封头其他封头对对于于承承受受内内压压的的球球冠冠形形封封头头、锥锥形形封封头头和和平平盖盖的设计详见的设计详见GB 150。 上述容器及其封头厚度设计公式中的一些参上述容器及其封头厚度设计公式中的一些参数，均应按国家标准数，均应按国家标准GB150压力容器压力容器的的有关规定取值有

38、关规定取值，现介绍，现介绍如下：如下：(1)(1)设计压力与计算压力设计压力与计算压力 1)1)设计压力设计压力在介绍设计压力的概念之前，下面先介绍国在介绍设计压力的概念之前，下面先介绍国家标准家标准GB150有关压力的有关定义。有关压力的有关定义。7.2.3 7.2.3 压力容器设计技术参数的确定压力容器设计技术参数的确定 压力压力 除注明者外，除注明者外，压力系指表压力压力系指表压力。 工作压力工作压力pw 工作压力是指正常工作情况下，工作压力是指正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。容器顶部可能达到的最高压力。 设计压力设计压力p 设计压力是指设定的容器顶部设计压力是指设定的容器顶

39、部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。计载荷条件，其值不低于工作压力。设计压设计压力的确定原则是应该根据容器最危险的操作力的确定原则是应该根据容器最危险的操作情况而定。情况而定。 计算压力计算压力pc 计算压力是指相应设计温度下，计算压力是指相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力用以确定元件厚度的压力,包括液柱静压力包括液柱静压力等附加载荷。等附加载荷。 设计压力的确定一般可以根据下列原则：设计压力的确定一般可以根据下列原则： 对于装有超压泄放装置的压力容器，其设计压力对于装有超压泄放装置的压力容器，其设计压力p应根据超压

40、泄放装置的不同种类分别进行确定。应根据超压泄放装置的不同种类分别进行确定。例如，例如，装有安全阀的压力容器，考虑到安全阀开装有安全阀的压力容器，考虑到安全阀开启动作的滞后而使容器不能及时泄压，其设计压启动作的滞后而使容器不能及时泄压，其设计压力力p不应低于安全阀的开启压力，通常可取最高不应低于安全阀的开启压力，通常可取最高工作压力的工作压力的1.051.10倍；倍；装有爆破片的压力容器，装有爆破片的压力容器，其设计压力其设计压力p不得低于爆破片的爆破压力。不得低于爆破片的爆破压力。 对于盛装液化气体的容器，其设计压力取决于对于盛装液化气体的容器，其设计压力取决于正常操作时可能达到的最高介质温度

41、即最高操作正常操作时可能达到的最高介质温度即最高操作温度下对应的饱和蒸汽压，设计压力的具体确定温度下对应的饱和蒸汽压，设计压力的具体确定方法可参考方法可参考TSG R0004确定。确定。 (2)(2)设计温度设计温度设计温度系指容器在正常工作情况下，设定设计温度系指容器在正常工作情况下，设定元件的金属温度元件的金属温度( (沿元件金属截面的温度平沿元件金属截面的温度平均值均值) )。设计温度不得低于元件金属在工作状态可能设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度。达到的最高温度。对于对于0C以下的金属温度，设计温度不得高以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。于元

42、件金属可能达到的最低温度。容器各部分在工作状态下的金属温度不同时，容器各部分在工作状态下的金属温度不同时，可分别设定每部分的设计温度。可分别设定每部分的设计温度。 设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件，对有不同工况的压力容器，应按最苛刻的工对有不同工况的压力容器，应按最苛刻的工况设计，必要时还需考虑不同工况的组合，况设计，必要时还需考虑不同工况的组合，并在图样或相应技术文件中注明各工况操作并在图样或相应技术文件中注明各工况操作条件和设计条件下的压力和温度值。条件和设计条件下的压力和温度值。 (3)(3)许用应力与安全系数许用应力与安全系数材料的许用应力材

43、料的许用应力t是是压力容器筒体、封头等受压力容器筒体、封头等受压元件的材料许用强度，其确定方法与前述第压元件的材料许用强度，其确定方法与前述第5章介绍的方法相同，即章介绍的方法相同，即取材料的极限应力与材料取材料的极限应力与材料安全系数之比而得到安全系数之比而得到，其中材料的极限应力有屈，其中材料的极限应力有屈服强度服强度ReL( (或或Rp0.2) )、抗拉强度、抗拉强度Rm、蠕变极限、蠕变极限Rn和持久强度和持久强度RD等。等。 为便于设计，表为便于设计，表14-4列出了国家标准列出了国家标准GB150规定规定的安全系数，附录中还列出了国家标准的安全系数，附录中还列出了国家标准GB150中

44、中常用的钢板和钢管许用应力值。常用的钢板和钢管许用应力值。(4)(4)焊接接头系数焊接接头系数大多数压力容器采用焊接结构，而焊缝又是容器大多数压力容器采用焊接结构，而焊缝又是容器上比较薄弱的环节，较多事故发生都是由于焊接上比较薄弱的环节，较多事故发生都是由于焊接接头金属部分焊接热影响区的破裂引起的。接头金属部分焊接热影响区的破裂引起的。由于焊接过程会使金属组织成分发生变化，导致由于焊接过程会使金属组织成分发生变化，导致晶粒变粗、韧性下降，同时可能存在夹渣、气孔晶粒变粗、韧性下降，同时可能存在夹渣、气孔及未焊透等缺陷致使焊接接头本身的强度削弱。及未焊透等缺陷致使焊接接头本身的强度削弱。因此，因此

45、，在设计中引入焊接接头系数在设计中引入焊接接头系数，应根据受压，应根据受压元件的焊接接头型式及无损检测的长度比例确定，元件的焊接接头型式及无损检测的长度比例确定，其具体数值按下表选取。其具体数值按下表选取。焊接接头型式焊接接头型式结构简图结构简图焊接接头系数焊接接头系数全部无损检全部无损检测测局部无损检局部无损检测测双面焊对接接双面焊对接接头和相当于双头和相当于双面焊的全焊透面焊的全焊透对接接头对接接头1.000.85单面焊对接接单面焊对接接头头( (沿焊缝根沿焊缝根部全长有紧贴部全长有紧贴基本金属的垫基本金属的垫板板) ) 0.90 0.80(5)(5)厚度及厚度附加量厚度及厚度附加量 1)

46、 1)厚度附加量厚度附加量厚度附加量厚度附加量C按下式确定：按下式确定： C = C1 C2 式中式中C1 钢板厚度负偏差，钢板厚度负偏差，mm； C2 腐蚀裕量，腐蚀裕量，mm。钢板厚度负偏差应按相应钢材标准的规定选取。钢板厚度负偏差应按相应钢材标准的规定选取。Q245R、Q345R和和16MnDR等锅炉和压力容器常用等锅炉和压力容器常用钢板的厚度负偏差均为钢板的厚度负偏差均为0.30mm。GB24511承压承压设备用不锈钢钢板和钢带设备用不锈钢钢板和钢带中对于热轧不锈钢厚钢中对于热轧不锈钢厚钢板板( (公称厚度公称厚度5mm) )的负偏差也规定为的负偏差也规定为0.30mm。 为防止压力容

47、器受压元件由于腐蚀、机械磨损而导为防止压力容器受压元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄，对与腐蚀介质直接接触的筒体、致厚度削弱减薄，对与腐蚀介质直接接触的筒体、封头、接管等受压元件，均应考虑腐蚀裕量封头、接管等受压元件，均应考虑腐蚀裕量C2 ，具体规定如下：具体规定如下： .对有均匀腐蚀或磨损的元件，应根据预期的容器对有均匀腐蚀或磨损的元件，应根据预期的容器设计使用年限和介质对金属材料的腐蚀速率设计使用年限和介质对金属材料的腐蚀速率( (及磨及磨蚀速率蚀速率) )确定腐蚀裕量；确定腐蚀裕量；.容器各元件受到的腐蚀程度不同时，可采取不同容器各元件受到的腐蚀程度不同时，可采取不同的腐蚀裕量；的

48、腐蚀裕量；.介质为压缩空气、水蒸汽或水的碳素结构钢或低介质为压缩空气、水蒸汽或水的碳素结构钢或低合金结构钢制容器，腐蚀裕量不小于合金结构钢制容器，腐蚀裕量不小于1mm。 2) 2)为便于计算以及满足设计和制造不同阶段厚度的为便于计算以及满足设计和制造不同阶段厚度的变化，变化，GB150对各种厚度的含义进行了如下的叙述：对各种厚度的含义进行了如下的叙述： 计算厚度计算厚度 计算厚度是指按相应公式计算得到的计算厚度是指按相应公式计算得到的厚度。厚度。需要时，尚应计入其他载荷所需厚度。需要时，尚应计入其他载荷所需厚度。 设计厚度设计厚度d 设计厚度是指计算厚度与腐蚀裕量之设计厚度是指计算厚度与腐蚀裕

49、量之和，即和，即d=+C2。 名义厚度名义厚度n 名义厚度是指设计厚度加上钢板负偏名义厚度是指设计厚度加上钢板负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度差后向上圆整至钢材标准规格的厚度 ，即标注在，即标注在图样上的厚度。图样上的厚度。 有效厚度有效厚度e 有效厚度是指名义厚度减去钢板厚度有效厚度是指名义厚度减去钢板厚度负偏差和腐蚀裕量，即负偏差和腐蚀裕量，即e=n-C1-C2。它也是容器在它也是容器在整个使用期内可以依靠用于承受介质压力的厚度。整个使用期内可以依靠用于承受介质压力的厚度。 3)3)压力容器的最小厚度压力容器的最小厚度在压力容器设计中，对于压力较低在压力容器设计中，对于压力较低( (如

50、低压如低压或常压或常压) )的容器，按强度计算公式得到的厚的容器，按强度计算公式得到的厚度很小，往往不能满足制造、运输和安装时度很小，往往不能满足制造、运输和安装时的刚度要求，因此，对壳体元件规定了加工的刚度要求，因此，对壳体元件规定了加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度。成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度。 GB 150对压力容器壳体的最小厚度的规定为：对压力容器壳体的最小厚度的规定为：. 对碳素钢、低合金钢制容器，不小于对碳素钢、低合金钢制容器，不小于3mm；. 对高合金钢制容器，一般应不小于对高合金钢制容器，一般应不小于2mm。4）各种厚度的定义及表示）各种厚度的定义及表示厚度厚度计算厚度计算

51、厚度设计厚度设计厚度d名义厚度名义厚度n有效厚度有效厚度e成型厚度成型厚度计算厚度（计算厚度（）由公式采用计算压力得到的厚度。由公式采用计算压力得到的厚度。 必要时还应计入其它载荷对厚度的影响。必要时还应计入其它载荷对厚度的影响。设计厚度（设计厚度（d）计算厚度与腐蚀裕量之和。计算厚度与腐蚀裕量之和。dC2 名义厚度（名义厚度（n）设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上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，即标注在图样上的厚度。圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度。ndC1= C1 C2 有效厚度（有效厚度（e）名义厚度减去钢材负偏差和腐蚀裕名义厚度减去钢材负偏差和腐蚀

52、裕 量。量。enC1C2厚度附加量（厚度附加量（C）由钢材的厚度负偏差由钢材的厚度负偏差C1和腐蚀裕量和腐蚀裕量 C2 组成，不包括加工减薄量组成，不包括加工减薄量C3。 C=C1+C2加工减薄量加工减薄量根据具体制造工艺和板材实际厚度由制造根据具体制造工艺和板材实际厚度由制造 厂而并非由设计人员确定。厂而并非由设计人员确定。计算厚度计算厚度有效厚度有效厚度e成型后厚度成型后厚度毛坯厚度毛坯厚度名义厚度名义厚度n设计厚度设计厚度dC1+C2加工减薄量加工减薄量加工减薄量加工减薄量第一次厚度圆整值第一次厚度圆整值厚度负偏差厚度负偏差C1腐蚀裕量腐蚀裕量C2第二次厚度圆整值第二次厚度圆整值 厚度关

53、系示意图厚度关系示意图7.5 7.5 压力试验压力试验为什么要进行压力试验呢？为什么要进行压力试验呢？制造加工过程不完善，导致不安全，发生过大变形或渗制造加工过程不完善，导致不安全，发生过大变形或渗漏。最常用的压力试验方法是液压试验。常温水。也可漏。最常用的压力试验方法是液压试验。常温水。也可用不会发生危险的其它液体。试验时液体的温度应低于用不会发生危险的其它液体。试验时液体的温度应低于其闪点或沸点。其闪点或沸点。不适合作液压试验，不适合作液压试验，如装入贵重催化剂要求内部烘干，或容器内衬耐热混凝如装入贵重催化剂要求内部烘干，或容器内衬耐热混凝土不易烘干，或由于结构原因不易充满液体的容器以及土

54、不易烘干，或由于结构原因不易充满液体的容器以及容积很大的容器等，可用气压试验代替液压试验。容积很大的容器等，可用气压试验代替液压试验。对压力试验的规定情况如下表所示：对压力试验的规定情况如下表所示：试试验验类类型型试验压力试验压力强度条件强度条件说明说明 备注备注液液压压试试验验立式容器卧置进立式容器卧置进行水压试验时，行水压试验时，试验压力应取立试验压力应取立置试验压力加液置试验压力加液柱静压力。柱静压力。压力试验时，压力试验时，由于容器承由于容器承受的压力受的压力pT 高于设计压高于设计压力力p，故必，故必要时需进行要时需进行强度效核。强度效核。气气压压试试验验(4-18）(4-20)pT

55、 -试验压力，试验压力， MPa； p -设计压力，设计压力， MPa；s s 一试验温度下的材料许用应力，一试验温度下的材料许用应力， MPa； s sT 一设计温度下的材料许用应力，一设计温度下的材料许用应力， MPa 例题例题7-17-1：某厂欲设计一回流罐。已知罐的计算：某厂欲设计一回流罐。已知罐的计算压力为压力为2.52.5MPa，温度为，温度为45，罐的为内径罐的为内径1.2m1.2m；罐体长度为罐体长度为3.2m3.2m，腐蚀裕量为，腐蚀裕量为2mm2mm，试选择筒体，试选择筒体及封头的型式和厚度。及封头的型式和厚度。解：解：(1)确定筒体厚度确定筒体厚度材料选用材料选用Q345Rpc2.5MPa；Di=1200mm；s st189MPa (附录附录2) j j=0.85（表（表14-5）；）； C2=2 mm 得筒体设计厚得筒体设计厚度为：度为：（2）决定封头的形式和厚度）决定封头的形式和厚度材料选用材料选用16MnRa、若采用半球形封头、若采用半球形封头b、若采用标准椭圆形封头、若采用标准椭圆形封头c、若采用标准碟形封头若采用标准碟形封头封封头形式形式所需厚度所需厚度/mm 制造制造难易程度易程度半球形封半球形封头6难椭圆形封形封头12较易易蝶形封蝶形封头12较易易作业作业 ：P187 2P187 2、4 4