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1、第第4章章 压力容器设计压力容器设计4-1概述概述压力容器设计压力容器设计基本要求基本要求安全安全经济经济合理选取结构、合理选取结构、材料、参数等材料、参数等合理选择设计方法合理选择设计方法压力容器设计压力容器设计基本内容基本内容用户提出基本设计要求用户提出基本设计要求分析容器的工作条件，确定设计参数分析容器的工作条件，确定设计参数结构分析、初步选材结构分析、初步选材选择合适的规范和标准选择合适的规范和标准应力分析和强度计算应力分析和强度计算确定构件尺寸和材料确定构件尺寸和材料绘制图纸，提供设计计算书和其它技术文件绘制图纸，提供设计计算书和其它技术文件压压力力容容器器设设计计的的基基本本步步骤
2、骤设计条件设计条件4-2设计准则设计准则压力容器失效判据压力容器失效判据判断压力容器是否失效判断压力容器是否失效由力学分析得到力学分析结果由力学分析得到力学分析结果由实验测得失效数值由实验测得失效数值失效判据失效判据压力容器设计准则压力容器设计准则4-3常规设计基于弹性失效设计准则基于弹性失效设计准则不连续应力的考虑不连续应力的考虑圆筒设计圆筒设计单层式圆筒的优点：单层式圆筒的优点：不存在层间不存在层间松动等薄弱环节，能较好地保证松动等薄弱环节，能较好地保证筒体的强度。筒体的强度。单层式圆筒的缺点：单层式圆筒的缺点：1、单层厚壁圆筒对制造设备的要、单层厚壁圆筒对制造设备的要求高。求高。2、材料
3、的浪费大。、材料的浪费大。3、锻焊式圆筒存在较深的纵、环、锻焊式圆筒存在较深的纵、环焊缝，不便于焊接和检验。焊缝，不便于焊接和检验。层板包扎式层板包扎式（1）包扎工序繁琐，费工费时，效率低。）包扎工序繁琐，费工费时，效率低。（2）层板材料利用率低。）层板材料利用率低。3）层间松动问题。）层间松动问题。缺点缺点（1）对加工设备的要求不高。对加工设备的要求不高。（2）压缩预应力可防止裂纹的扩展。）压缩预应力可防止裂纹的扩展。（3）内筒可采用不锈钢防腐。）内筒可采用不锈钢防腐。（4）层板厚度薄，韧性好，不易发生）层板厚度薄，韧性好，不易发生脆性断裂。脆性断裂。优点优点整体多层包扎式整体多层包扎式（1
4、）套合层数少，效率高，成本低。）套合层数少，效率高，成本低。（2）纵焊缝质量容易保证。）纵焊缝质量容易保证。（1）只能套合短筒，筒节间深环焊缝多。）只能套合短筒，筒节间深环焊缝多。（2）要求准确的过盈量，对筒节的制造要求高。）要求准确的过盈量，对筒节的制造要求高。热套式热套式优点优点缺点缺点优点：优点：（1）机械化程度高，操作简便，材料利用率高。）机械化程度高，操作简便，材料利用率高。（2）纵焊缝少。）纵焊缝少。缺点：缺点：（1）绕板薄，不宜制造壁厚很大的容器。）绕板薄，不宜制造壁厚很大的容器。（2）层间松动问题。）层间松动问题。绕板式绕板式优点优点缺点缺点槽形绕带式槽形绕带式（1）筒壁应力分
5、布均匀且能承受一部分由内压）筒壁应力分布均匀且能承受一部分由内压产生的轴向力。产生的轴向力。（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，公差要求严格。）钢带成本高，公差要求严格。（2）绕带时钢带要求严格啮合，否则无法贴紧。）绕带时钢带要求严格啮合，否则无法贴紧。优点优点缺点缺点（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）整体绕制，无环焊缝。）整体绕制，无环焊缝。（3）带层呈网状，不会整体裂开。）带层呈网状，不会整体裂开。（4）扁平钢带成本低，绕制方便。）扁平钢带成本低，绕制方便。扁平钢带倾角错绕式扁平钢带倾角错绕式特点特点内压圆筒
6、强度设计单层内压圆筒单层内压圆筒壁厚计算壁厚计算强度校核强度校核工作应力工作应力最大允许工作压力最大允许工作压力按塑性失效设计准则：按塑性失效设计准则：按爆破失效设计准则：按爆破失效设计准则：多层圆筒壁厚多层圆筒壁厚注意注意最小厚度最小厚度碳素钢、低合金钢制容器：碳素钢、低合金钢制容器：min3mm高合金钢制容器：高合金钢制容器：min2mm设计参数的选取设计参数的选取设计压力设计压力p设计温度设计温度t设计压力的规定设计压力的规定1、容器上装有安全阀时、容器上装有安全阀时P=(1.051.10)PW2、容器上装有爆破膜时、容器上装有爆破膜时P=(1.151.30)PW3、盛装液化气体的容器、
7、盛装液化气体的容器设计压力取工作时可能达到的最高温度下设计压力取工作时可能达到的最高温度下液化气体的饱和蒸气压液化气体的饱和蒸气压根据规定：当钢板厚度负偏差不大于根据规定：当钢板厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名且不超过名义厚度的义厚度的6%时，可取时，可取C1=0。所以在设计计算中，对于所以在设计计算中，对于GB6654-1996、GB3531-1996种的钢板（如种的钢板（如20R、16MnR、16MnDR等），均可取等），均可取C1=0。钢板厚度负偏差钢板厚度负偏差焊接接头系数焊接接头系数材料许用应力材料许用应力安全系数安全系数碳素钢、低合金钢及铁素体高合金钢：碳素钢、低合金钢及铁
8、素体高合金钢：nb3.0ns1.6nD1.5nn1.0奥氏体高合金钢：奥氏体高合金钢：nb3.0ns1.5nD1.5nn1.0压力试验1、试验压力、试验压力内压容器：内压容器：外压容器和真空容器外压容器和真空容器：夹夹套套容容器器：视视内内筒筒为为内内压压或或外外压压容容器器，分分别别按按内内压压或或外外压压容容器器的的试试验验压压力力公公式式确确定定试试验验压压力力；夹夹套套按按内内压压容器确定试验压力。容器确定试验压力。*需需校校核核内内筒筒在在夹夹套套液液压压试试验验压压力力下下的的稳稳定定性性，如如不不满满足足稳稳定定性性要要求求，则则需需在在夹夹套套液液压压试试验验时时，内内筒筒内内
9、保保持一定的压力。持一定的压力。液压试验液压试验如如果果直直立立容容器器卧卧置置进进行行液液压压试试验验，则则在在应应力力校校核核时时，PT应应加加上上容容器器立立置置充充满满水水时时的的最最大大液液柱柱压力。压力。2、强度校核、强度校核注意注意注意注意气压试验气压试验内压容器：内压容器：外压容器和真空容器外压容器和真空容器：1、气压试验、气压试验2、强度校核、强度校核容器上没有安全泄放装置，气密性试验压力容器上没有安全泄放装置，气密性试验压力PT=1.0P。容器上设置了安全泄放装置，气密性试验压力应低容器上设置了安全泄放装置，气密性试验压力应低于安全阀的开启压力或爆破片的设计爆破压力。于安全
10、阀的开启压力或爆破片的设计爆破压力。通常取通常取PT=1.0PW。气密性试验气密性试验设设计计压压力力为为1.6 Mpa的的储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，腐腐蚀蚀裕裕量量C2=1.5mm，焊焊缝缝系系数数=1.0，液液体体密密度为度为1325kg/m3，罐内最高工作温度罐内最高工作温度50C。试计算罐体厚度并进行水压试验应力校核。试计算罐体厚度并进行水压试验应力校核。注注 ： Q235-A材材 料料 的的 许许 用用 应应 力力 20=113MPa ， 50=11
11、3MPa，屈服极限屈服极限S=235Mpa试确定罐体厚度并进行水压试验校核。试确定罐体厚度并进行水压试验校核。练习题练习题练习题练习题 某圆柱形容器的设计压力为某圆柱形容器的设计压力为P=0.85MPa;P=0.85MPa;设计温度为设计温度为t=-t=-50;50;内直径为内直径为12001200mm;mm;总高总高40004000mmmm；对接焊缝采用双面全对接焊缝采用双面全熔透焊接接头熔透焊接接头, ,并进行局部无损检测，容器盛装液体介质，并进行局部无损检测，容器盛装液体介质，介质密度介质密度1500kg/m31500kg/m3，介质具有轻微的腐蚀性介质具有轻微的腐蚀性; ;腐蚀速腐蚀速
12、率率K0.1mm/K0.1mm/年年; ;设计寿命设计寿命B=20B=20年，试回答以下问题：年，试回答以下问题：1.该容器一般应选用什么材料？该容器一般应选用什么材料？2.若在设计温度下材料的许用应力为若在设计温度下材料的许用应力为t=170MPa，求筒体求筒体的厚度？的厚度？3.水压试验时的压力，并进行应力校核。水压试验时的压力，并进行应力校核。4.该容器是否可按该容器是否可按GB150设计？是否要接受压力容器安全设计？是否要接受压力容器安全技术监察规程的监督和检查。技术监察规程的监督和检查。断裂前发生较大的塑性变形，容器发生明显的鼓断裂前发生较大的塑性变形，容器发生明显的鼓胀，断口处厚度
13、减薄，断裂时几乎不形成碎片。胀，断口处厚度减薄，断裂时几乎不形成碎片。返回韧性断裂韧性断裂压力容器在载荷作用下，应力达到或接近材料压力容器在载荷作用下，应力达到或接近材料的强度极限而发生的断裂。的强度极限而发生的断裂。特点特点失效原因失效原因容器厚度不够。容器厚度不够。压力过大。压力过大。断口平齐，且与最大主应力方向垂直。断口平齐，且与最大主应力方向垂直。容器断裂时可能裂成碎片飞出，往往引起严重容器断裂时可能裂成碎片飞出，往往引起严重后果。后果。断裂前没有明显塑性变形，断裂时应力很低，断裂前没有明显塑性变形，断裂时应力很低，安全阀、爆破膜等安全附件不起作用，断裂具有安全阀、爆破膜等安全附件不起
14、作用，断裂具有突发性。突发性。返回脆性断裂脆性断裂（低应力脆断）（低应力脆断）器壁中的应力远低于材料强度极限时发生的断裂。器壁中的应力远低于材料强度极限时发生的断裂。材料的脆性。材料的脆性。材料中的裂纹、未焊透、夹渣等缺陷。材料中的裂纹、未焊透、夹渣等缺陷。特点特点失效原因失效原因交变载荷。交变载荷。疲劳裂纹。疲劳裂纹。返回疲劳断裂疲劳断裂在交变载荷作用下，由于材料中的裂纹扩展导致容器的断裂。在交变载荷作用下，由于材料中的裂纹扩展导致容器的断裂。特点特点断口上有贝壳状的疲劳裂纹。断口上有贝壳状的疲劳裂纹。断裂时容器整体应力较低，断裂前无明显塑断裂时容器整体应力较低，断裂前无明显塑性变形。性变形
15、。如果材料韧性较好，通过合理设计可实现如果材料韧性较好，通过合理设计可实现“未爆先漏未爆先漏”。失效原因失效原因返回在恒定载荷和低应力（应力低于屈服点）下在恒定载荷和低应力（应力低于屈服点）下也会发生蠕变断裂。也会发生蠕变断裂。蠕变断裂前材料会由于蠕变变形而导致蠕变蠕变断裂前材料会由于蠕变变形而导致蠕变损伤，使材料在性能上产生蠕变脆化。损伤，使材料在性能上产生蠕变脆化。断裂前发生较大的塑性变形，具有韧性断裂断裂前发生较大的塑性变形，具有韧性断裂的特征；断裂时又具有脆性断裂的特征。的特征；断裂时又具有脆性断裂的特征。蠕变断裂蠕变断裂压力容器长时间在高温下受载，材料的蠕变变形会压力容器长时间在高温
16、下受载，材料的蠕变变形会随时间而增长，容器发生鼓胀变形，厚度明显减薄，随时间而增长，容器发生鼓胀变形，厚度明显减薄，最终导致压力容器断裂。最终导致压力容器断裂。特点特点高温蠕变高温蠕变失效原因失效原因对于全面腐蚀和局部腐蚀，容器断裂前发对于全面腐蚀和局部腐蚀，容器断裂前发生明显的塑性变形，具有韧性断裂的特征。生明显的塑性变形，具有韧性断裂的特征。对于晶间腐蚀和应力腐蚀，断裂前无明显对于晶间腐蚀和应力腐蚀，断裂前无明显塑性变形，具有脆性断裂的特征。塑性变形，具有脆性断裂的特征。返回腐蚀断裂腐蚀断裂材料受到介质腐蚀（全面腐蚀或局部腐蚀），形成容器整材料受到介质腐蚀（全面腐蚀或局部腐蚀），形成容器整
17、体厚度减薄或局部凹坑、裂纹等，从而造成容器的断裂。体厚度减薄或局部凹坑、裂纹等，从而造成容器的断裂。特点特点失效原因失效原因介质腐蚀介质腐蚀外压圆筒设计解析法解析法图解法图解法短圆筒的临界压力短圆筒的临界压力长圆筒的临界压力长圆筒的临界压力几几何何参参数数计计算算图图壁壁厚厚计计算算图图外压圆筒设计设计步骤：薄壁圆筒薄壁圆筒假设假设n计算计算e计算（计算（D0/e)和（和（L/D0)几何参数计算图（几何参数计算图（A）壁厚计算图（壁厚计算图（B）验算验算PCP，若满足，则假设若满足，则假设n合适，否则重新计算。合适，否则重新计算。厚壁圆筒厚壁圆筒需同时考虑稳定性和强度需同时考虑稳定性和强度（稳
18、定性）（稳定性）（强度）（强度）其中：其中：(m=4)轴向受压圆筒轴向受压圆筒:图算法图算法1、真空容器、真空容器有安全装置时：有安全装置时：无安全装置时：无安全装置时：p=0.1Mpa2、带夹套的真空容器、带夹套的真空容器p取真空容器的设计压力加上夹套压力取真空容器的设计压力加上夹套压力3、其它外压容器（包括带夹套的外压容器）、其它外压容器（包括带夹套的外压容器）p应应不不小小于于容容器器正正常常工工作作过过程程中中可可能能出出现现的的最最大大内外压力差内外压力差即：即：p(p0-pi)max设计压力设计压力注意：最大内外压差的取值注意：最大内外压差的取值设计参数设计参数的规定的规定稳定性安
19、全系数稳定性安全系数圆筒：圆筒：m m = = 3.03.0球壳：球壳： m m = = 14.5214.52计算长度计算长度加强圈设计带加强圈的外压圆筒两个条件两个条件1、筒体不失稳、筒体不失稳要求：要求：LSLmax2、加强圈不失稳、加强圈不失稳要求：要求：ISI1、筒体不失稳、筒体不失稳要求：要求：LSLmax2、加强圈不失稳、加强圈不失稳要求：要求：ISI1、初步取加强圈的数目和间距、初步取加强圈的数目和间距3、计算加强圈和圆筒组合而成的当量圆筒、计算加强圈和圆筒组合而成的当量圆筒所需的组合截面惯性矩所需的组合截面惯性矩I。2、选择加强圈材料，按型钢规格初定加强圈的、选择加强圈材料，按
20、型钢规格初定加强圈的截面形状和尺寸，计算实际组合截面惯性矩截面形状和尺寸，计算实际组合截面惯性矩IS。4、比较、比较IS和和I，若若ISI且比较接近，则加强圈的且比较接近，则加强圈的尺寸、数目和间距满足要求，否则重新选择加尺寸、数目和间距满足要求，否则重新选择加强圈，重复以上步骤，直到满足要求为止。强圈，重复以上步骤，直到满足要求为止。加强圈设计步骤加强圈设计步骤1、加强圈可采用扁钢、角钢、工字钢或其它型钢，、加强圈可采用扁钢、角钢、工字钢或其它型钢，这样材料供应方便且型钢具有较大的截面惯性矩。这样材料供应方便且型钢具有较大的截面惯性矩。加强圈可设置在容器的内部或外部，并应环绕容器加强圈可设置
21、在容器的内部或外部，并应环绕容器整个圆周。整个圆周。2、加强圈和壳体的连接必须足够紧密，以保证加、加强圈和壳体的连接必须足够紧密，以保证加强圈和壳体一起承载，加强圈和壳体之间可采用连强圈和壳体一起承载，加强圈和壳体之间可采用连续焊或间断焊。续焊或间断焊。3、为保证筒体和加强圈的稳定性，加强圈不得被、为保证筒体和加强圈的稳定性，加强圈不得被任意削弱或割断。任意削弱或割断。加强圈结构设计加强圈结构设计外加强圈外加强圈加强圈每侧间断焊接的总长不小于圆筒加强圈每侧间断焊接的总长不小于圆筒外圆周长度的外圆周长度的1/2内加强圈内加强圈加强圈每侧间断焊接的总长不小于圆筒加强圈每侧间断焊接的总长不小于圆筒内
22、圆周长度的内圆周长度的1/3外压圆筒练习题外压圆筒练习题某圆筒形容器，内径某圆筒形容器，内径2400mm，长长14000mm，两端为标准椭圆形封头，直边高度为两端为标准椭圆形封头，直边高度为50mm，圆筒和封头材料均为圆筒和封头材料均为1Cr18Ni9Ti，腐蚀裕量取腐蚀裕量取1mm，设计温度设计温度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。用图算法求筒体厚度用图算法求筒体厚度一圆筒形容器，材料为一圆筒形容器，材料为Q235-A，内径内径2800mm，长长10m（含封头直边段），两端为标准含封头直边段），两端为标准椭圆形封头，圆筒和封头名义厚度均为椭圆形封头，圆筒和封头
23、名义厚度均为12mm，其其中壁厚附加量中壁厚附加量C=2mm；容器负压操作，最高操作容器负压操作，最高操作温度温度50C。（1）试确定容器最大允许真空度为多少）试确定容器最大允许真空度为多少mmHg？（2）该容器是否应设置安全控制装置？）该容器是否应设置安全控制装置？外压圆筒和加强圈练习题外压圆筒和加强圈练习题现有一真空塔，材料为现有一真空塔，材料为Q235-A，Di=2500mm，封头为标封头为标准椭圆形封头，塔体部分高准椭圆形封头，塔体部分高20m(包括直边段包括直边段)，设计温，设计温度度250C，腐蚀裕量腐蚀裕量2.5mm。1、确定塔体圆筒壁厚。确定塔体圆筒壁厚。2、塔体上均匀设置、塔
24、体上均匀设置6个加强圈（材料与塔体相同）后的个加强圈（材料与塔体相同）后的筒体壁厚。筒体壁厚。封头设计封头形式封头形式303060半球形封头半球形封头内压半球形封头内压半球形封头外压半球形封头外压半球形封头椭圆形封头椭圆形封头内压椭圆形封头内压椭圆形封头标标 准准 椭椭 圆圆 形形 封封 头头 ：e0.15%Di非非 标标 准准 椭椭 圆圆 形形 封封 头头 ：e0.30%Di椭圆形封头的最小厚度椭圆形封头的最小厚度外压椭圆形封头外压椭圆形封头与外压半球形封头计算方法相同与外压半球形封头计算方法相同R0=K1D0K1-系数（表系数（表4-5）碟形封头碟形封头要求：要求：r0.1Di且且r3Ri
25、Di标准碟形封头：标准碟形封头：r=0.17DiRi=0.9Di内压碟形封头内压碟形封头标标 准准 碟碟 形形 封封 头头 ：e0.15%Di非非 标标 准准 碟碟 形形 封封 头头 ：e0.30%Di碟形封头的最小厚度碟形封头的最小厚度外压碟形封头外压碟形封头与外压半球形封头计算方法相同与外压半球形封头计算方法相同R0-碟形封头球面部分外半径碟形封头球面部分外半径外压凸形封头1、半球形封头、半球形封头2、椭圆形封头、椭圆形封头按半球形封头计算壁厚按半球形封头计算壁厚R0=K1D03、碟形封头、碟形封头按半球形封头计算壁厚，按半球形封头计算壁厚，R0取球面部分外半径。取球面部分外半径。4、无折边球形封头、无折边球形封头按半球形封头计算壁厚按半球形封头计算壁厚总结总结3030大端应设折边，大端应设折边，r0.1Di且且r345小端也应设折边，小端也应设折边，rs0.05Dis且且rs3r锥形封头锥形封头内压无折边锥形封头内压无折边锥形封头厚度：厚度：加强后的厚度：加强后的厚度：判断是否需要加强（图判断是否需要加强（图4-19）大端：大端：取大值取大值内压带折边锥形封头内压带折边锥形封头外压锥形封头外压锥形封头等效圆筒等效圆筒与外压圆筒的壁厚计算方法相同与外压圆筒的壁厚计算方法相同圆形平盖圆形平盖壁厚：壁厚：DC-平盖计算直径平盖计算直径K-结构特征系数结构特征系数（表（表4-8）
