第二篇化工容器设计.ppt

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1、第二篇 化工容器设计,第二章 概论 第一节 容器的结构与分类 一.容器的概念 化工容器是化工生产过程中各种设备外部壳体 的总称。二.容器的结构,三.容器的分类,1.按承压方式和压力等级分类内压容器 容器内部介质压力高于外部压力的容器低压容器（L）：0.1P 1.6 MPa（表压）中压容器（M）：1.6 P 10 MPa 高压容器（H）：10 P 100 MPa 超高压容器（U）：P 100 MPa 外压容器 容器内部介质压力小于外部压力的容器，当内部压力 0.1 Mpa(绝压），叫真空容器。,2.按壁温分类,常温容器：-20 420 高合金钢：(Cr-Mo钢)T 450 奥氏体不锈钢：(Cr-

2、Ni钢)T 550 中温容器：介于常温与高温之间的容器低温容器：壁温-20 的容器,3.按安全综合分类,根据压力、压力与容积的乘积、介质的危害程度、重要程度等，分为：一类容器（）二类容器（）三类容器（）危险程度：,第二节 压力容器设计的基本法规（依据）与常用标准,一、受监察的压力容器的条件1.最高工作压力 Pw 0.1 MPa（不含液体静压力）；2.内直径Di（非圆形截面制其最大尺寸）0.15m，且容积 V 0.025 m3；3.盛装介质为气体、液化气体，或最高工作温度 t 标准沸点的液体。,二.基本法规与常用标准,1.压力容器安全技术监察规程1999版2.GB 150 1998 钢制压力容器

3、3.GB 151 1999 管壳式换热器4.JB 4710 2000 钢制塔式容器,第三节 容器零部件的标准化,一.标准化的意义1.标准化使整个社会生产、生活等各项活动，保持统一和协调一致。2.是组织现代化生产的重要手段。3.是科学管理的重要组成部分4.有利于新产品的开发；保证零部件的互换性、通用性，方便使用和维修。5.有利于国际间的科技、文化、经济交流。,二.我国现行的化工容器与设备零部件标准,容器筒体 容器封头设备法兰 接管法兰支座 补强圈人孔 手孔 视镜 液面计 波形膨胀节 换热器管板 塔盘 浮阀 泡罩 填料 等,三.标准化的基本参数,1.公称直径 DN(Dg)是一个代表性尺寸(1)对由

4、钢板卷制的筒体和封头：DN=Di(内径)压力容器公称直径标准：300 350 400 450 500 6000 共48级(2)对用无缝钢管制作的筒体：DN=Do(外径)六个等级：159 219 273 325 377 426,(3)对无缝钢管：,DNDi DN Do 而是小于外径的某一尺寸。公称直径一定，则外径就一定，其内径则由壁厚不同有的尺寸。无缝钢管表示为：如 252.5（外径壁厚）查取标准时，按公称直径DN。无缝钢管的公称直径与外径的对照（mm）,(4)法兰的公称直径,与其相配的筒体、封头和接管的公称直径相一致。即：法兰的 DN=筒体的 DN 封头的DN 接管的DN2.公称压力 PN（P

5、g）规定的标准压力等级如：压力容器法兰的公称压力（MPa）0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.4,3.应用,进行标准设计时（1）筒体、封头、接管的直径都必须靠到公称直 径的等级上。如：筒体直径应取 500、600、700 不应取 520、645、750（2）选用标准零部件时，要将操作温度下的设计 压力调整到某一公称压力等级。然后，根据 DN和PN选定该零件。,三.标准的分类,1.国家标准 代号：GB（国标）2.部标准 代号：,3.专业标准,4.行业标准,5.厂标准,第四节 容器机械设计的基本要求与基本内容,一.基本要求1.强度足够 不破坏2.刚度足够 变形不可过大3.稳定性足

6、够 不可失稳、压瘪、褶皱4.耐久性 保证一定的使用年限5.密封性 不发生泄漏6.节省材料，便于制造。7.便于安装、运输、操作与维修。8.总的技术经济指标合理,二.基本内容,1.选材根据工艺参数 t、p、介质，以及选材原则，选择设备材料。2.结构设计3.强度计算，确定壁厚。（包括筒体和封头）4.水压试验的强度校核5.密封设计，选择或设计法兰。6.支座的选择，以及强度与稳定性校核。7.开孔补强设计计算8.其他零部件、附件的选用。9.其他特殊设计10.绘制设备图纸11.编写设计说明书,第三章 内压薄壁容器的应力分析,第一节 内压薄壁圆筒的应力分析一.薄壁容器及其应力特点1.薄壁容器,薄壁容器：S/D

7、i 0.1(Do/Di=K 1.2),厚壁容器：S/Di 0.1,2.薄壁容器的应力特点,压力容器中总是存在两类不同性质的应力：,薄膜应力 由无力矩理论求解,边缘应力 由有力矩理论加变形谐调条件求解,P,第二节 回转壳体的应力分析 薄膜理论,一.基本概念与基本假设1.基本概念(1)回转曲面与回转壳体,（2）轴对称,壳体的几何形状、所受载荷和约束条件均对称于回 转轴，则称为轴对称问题。,（3）母线（AB）,形成回转曲面的平面曲线。,（4）经线（AB）,过回转轴作一纵截面，与壳体曲面相交所得的交线。,（5）法线（n）,过经线上任意一点M，垂直于中间面的直线。,法线的延长线必与回转轴相交。,（6）纬

8、线（CND）,自回转轴上一点K2 作一圆锥面，与回转曲面正交，得到的交线。,（7）第一曲率半径（R1）,回转曲面（中间面）上某一点M处的经线的曲率半径，称为经线在该点的第一曲率半径。,第一曲率半径 R1的曲率中心K1，必在过该点的法线n的延长线上。,如：M点的第一曲率半径 R1=M K1,（8）第二曲率半径（R2）,过经线上一点（M）的法线，作垂直于经线的平面，与回转曲面相交，所得交线（EMF）为一曲线，此曲线在该点（M）处的曲率半径，称为该点的第二曲率半径。,第二曲率半径 R2的曲率中心K2，必在过点M的法线上，且落在回转轴上。,如：M点的第二曲率半径 R2=M K2,2.基本假设,（1）小

9、位移假设,（2）直线法假设,（3）不挤压假设,二.经向应力计算公式区域平衡方程,1.截取壳体 暴露经向应力m,3.受力分析,4.建立平衡方程,2.取分离体,四.环向应力计算公式 微体平衡方程,1.截取壳体暴露环向应力,3.受力分析,4.建立平衡方程,2.取分离体,符号说明m 旋转薄壳上任意一点的经向应力 MPa 旋转薄壳上任意一点的环向应力 MPaP 内压力 MPaS 壁厚 mmR1 旋转薄壳中间面上所求应力点的第一曲率半径 mmR2 旋转薄壳中间面上所求应力点的第二曲率半径 mm,薄膜应力基本计算公式：,exercise,Calculation of R1 and R2,1.Cylindra

10、te shell 柱壳R1=R2=D/2,D,Spherical shell（球壳）R1=R2=D/2,3.Elliptical shell Known:Major semiaxis a Short semiaxis-b（椭球壳，已知长短半轴）,(1)Find R1 and R2 of point A:R1:,radius of curvature of A,R2:R2=K2 A=x/sin(b)here:,putting them into(b),getting:,Special Points:x=0:R1=R2=a2/bx=a:R1=b2/a,R2=a,Conical shell（锥壳）,

11、Find R1 and R2 of point A:R1=R2=A K2=r/cosSmall end:R1=R2=0,For spherical segment:R1=R2=RFor knuckle segment of transition section:R1=r1,R2=For cylindrical shell:R1=,R2=r,Dished shell（碟壳）,r,r1,五.薄膜理论的应用范围,适用于 没有弯曲应力的轴对称的薄壁壳体没有弯曲应力 只有（拉、压）正应力薄壁壳体 S/Di 0.1(Do/Di=K 1.2)轴对称且连续 几何形状 载荷分布 材料的物理性质边界是自由支承的,

12、第三节 薄膜理论的应用,薄膜应力计算公式：,一.受均匀气体内压的圆筒形壳体,R1=R2=D/2,代入上式后，得：,二.受均匀气体内压的球形壳体,R1=R2=D/2代入（3-3）、（3-4）式后，得：,三.受均匀气体内压的椭球壳体,已知：长半轴 a 短半轴 b 壁厚S 内压力P求：椭球壳体上任一点A的应力m和解：1.求出A点处的R1 和 R2,求R1：,A点的曲率半径为,由椭圆方程,求出y和y 代入(a)式,(a),得：,求R2：,如图所示，R2=K2 A=x/sin(b)由式：,将上述三式代入(b),并整理得:,2.求出A点的m和,将R1 和 R2 代入(3-3)、(3-4)式，得：,椭球壳上

13、特殊点的应力,(1)x=0 处（椭圆顶点）,(2)x=a 处（椭圆赤道或边缘）,标准椭圆形封头,a/b=2 的椭圆形封头，称为标准椭圆形封头。,在 x=a 处（边缘),a/b=2,在 x=0 处（顶点）,当 a/b=2 时：,四.受均匀气体内压的圆锥壳体,已知：锥底直径 D 半锥角 壁厚 S 内压力 P求：锥壳上任一点A的应力m和解：（1）确定R1 和 R2 A点：R1=R2=A K2=r/cos,D,r,.,A,k2,将R1 和 R2 分别代入（3-3）、（3-4）式，得：,（2）求m和,锥形壳体应力分布特点,六.承受液体静压作用的圆筒壳体,1.沿底部边缘支承的圆筒壳体,已知：顶部液体表面压

14、强 Po(Pa),液位高度 H(m),液体重度(N/m3),求：圆筒壁上任意一点A的m和,解：（1）经向应力,沿截面B-B截开，取下部为分离体。,建立轴向力的平衡方程：,（2）环向应力,由微体平衡方程（3-4）,对A点有：,R1=R2=D/2 P=Po+x,代入（3-4）式，得：,当 x=H 时，,2.沿顶部边缘支承的圆筒壳体,已知：顶部液体表面压强 Po(Pa),液位高度 H(m),液体重度(N/m3),求：圆筒壁上A点的m和,解：（1）经向应力,沿截面B-B截开，取下部为分离体。,建立轴向力的平衡方程：,(2)环向应力,对A点有：,R1=R2=D/2 P=Po+x,代入（3-4）式，得：,

15、当 x=H 时，,七.例题,例1 某圆筒形容器，上封头为球形，下封头为半椭球形，其长短轴之比a/b=2。筒体平均直径 D=420mm，筒体与封头壁厚均为8mm，工作压力p=4MPa。试计算：（1）筒身的经向应力m和环向应力；（2）上、下封头中的最大应力及所在位置。,解：,（1）筒身的m和,（2）上封头 球形封头,（3）下封头 椭球形封头,当 a/b=2 时：a=D/2=210 mm b=a/2=105 mm,在 x=0 处（顶点）,在 x=a 处（底边）,第三节 边缘应力的概念,一.边缘应力的产生边缘 指容器的几何形状、载荷、材料、物理条件等，不同的两部分相连处及其附近区域。即：不连续 点。,

16、边缘应力的产生，不是为平衡外载而产生的，而是由于受到自身（或外部）的约束而引起的。它是在被迫实现变形协调的两部分之间出现的一组大小相等、方向相反的内力系。,二.边缘应力的特点,1.边缘应力沿壁厚非均匀分布。2.不同的连接边缘，产生的边缘应力大小不同。3.边缘应力具有局部性。表现在，只在局部产生较高的应力值，并具有明显的衰减性。4.边缘应力的值，可达到薄膜应力的3-5倍。5.边缘应力具有自限性。,三.边缘应力的处理,1.在结构上作局部处理（1）改善连接边缘的结构,（2）边缘局部加强,（3）保证边缘焊缝质量,（4）降低边缘区的残余应力，进行消除应力热处理。,（5）尽量避免边缘区附加的局部应力和应力

17、集中。如，在这些地方开孔，或焊接接管。,2.材料要有一定的塑性。,第四章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计,第一节 强度设计的基础知识 一.弹性失效准则,为保证安全可靠，还要留有一定的安全裕度：,式中：,当 相当应力,o 极限应力。可以是：s、b、n、D等。,许用应力,n 安全系数,二.强度理论及其强度条件,第一强度理论 最大拉应力理论,第二强度理论 最大主应变理论,适用于脆性材料,第三强度理论 最大剪应力理论,破坏条件：,强度条件：,适用于塑性材料,第四强度理论 形状改变比能理论,强度条件：,适用于塑性材料,第二节 内压薄壁圆筒的强度计算,一.强度计算公式1.确定主应力内压薄壁圆筒的主应力：,2

18、.确定相当应力,依第三强度理论：,3.强度条件：,4.强度计算公式:,对（4-4）式作如下处理：,（1）以内径替代中径,代入式（4-4）得：,由上式得：,压力 p 换为计算压力 pc,（2）引入“焊缝系数”,（4-5）式得到的是“计算壁厚”,（3）赋以“腐蚀裕量”C2,（4-6）式得到的是“设计壁厚”,（4）加上“钢板厚度负偏差”C1,（4-7）式得到的是“名义壁厚”，即是图纸上标 注的厚度。,“有效壁厚”,5.强度校核公式,6.最大允许工作压力的计算公式,二.薄壁球形容器的强度计算公式,薄壁球壳强度校核公式:,上述公式适用范围：圆筒计算公式:P 0.4 t(即 Do/Di 1.5）球壳计算公

19、式：P 0.6 t(即 Do/Di 1.35）,薄壁球壳最大允许工作压力的计算公式:,符号说明：,Pc 计算压力 MpaDi、Do 筒体内、外直径 mmS 计算壁厚 mm Sd 设计壁厚 mm Sn 名义壁厚 mm Se 有效壁厚 mm C1 钢板负偏差 mmC2 腐蚀裕量 mmC 壁厚附加量 mm 焊缝系数t 材料在设计温度下的许用应力 Mpat 设计温度下的计算应力 MpaPw 设计温度下的最大允许工作压力 Mpa,三.设计参数的确定,1.压力 P（1）工作压力Pw 正常工作情况下，容器顶部 可能达到的最高压力。（2）设计压力P 设定的容器顶部的最高压力。设计压力与相应的设计温度一起，作为

20、设计 载荷条件，其值不低于工作压力。（3）计算压力 Pc 在相应的设计温度下，用以 确定元件厚度的压力。其中包括液柱静压力，当液柱静压力5%设计压力时，可忽略不计。,设计压力的取值,2.设计温度 t,是指容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度。设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。,3.许用应力,常温容器：,中温容器：,高温容器：,4.安全系数 n,5.焊接接头系数（焊缝系数）,（1）双面对接焊缝或相当于双面焊的全焊透的 对接焊缝全部无损检测：=1.0局部无损检测:=0.85（2）单面对接焊缝全部无损检测：=0.9局部无损检测:=0.8,6.壁厚附加量C,（1）钢板和钢管厚度负偏差C1

21、参照教材P95 表4-7，4-8，按名义厚度Sn选取。（2）腐蚀裕量C2 C2=Ka B Ka 腐蚀速率，mm/年 B 设计使用寿命，年一般情况：当 Ka 0.05 mm/年 单面腐蚀 C2=1 mm 双面腐蚀 C2=2 mm当 Ka=0.050.1 mm/年 单面腐蚀 C2=1 2 mm 双面腐蚀 C2=2 4 mm对不锈钢，当介质腐蚀性极微时，可取 C2=0,五.容器的压力试验及其强度校核,1.目的（1）检验容器的宏观强度及变形。（2）检验容器的密封性。2.时间（1）新制造的容器，在全部焊接完毕，经热处理后进行。（2）在役设备，在检修后、投产前进行。,3.试验介质,（1）最常用的是“水”。

22、对水温的规定：碳钢、16MnR、正火15MnVR：水温 5 其他低合金钢：水温 15 不锈钢：水中Cl-含量 25ppm（2）如果不允许充装液体的容器，可用干燥、洁净的空气、N2气，及其他惰性气体。,4.试验压力的确定,（1）内压容器 液压试验：,气压试验：,（2）外压容器,液压试验：,气压试验：,式中：,PT 试验压力 MPa,P 设计压力 MPa,试验温度下材料 的许用应力 MPa,t 设计温度下材料 的许用应力 MPa,5.压力试验方法,液压试验：（1）将容器充满液体。（2）缓慢升压至试验压力PT。（3）保压30min以上。（4）降压至试验压力的80%。（5）检查焊缝、连接部位，如有泄漏

23、，降压修复。（6）重复上述试验，直至合格。（7）试验完毕，排尽液体，用压缩空气吹干。,气压试验：,（1）缓慢升压至10%的试验压力，且0.05MPa。（2）保压5min，初步检查。（3）合格后，继续缓慢升压至50%的试验压力。其后，按每级 P=10%PT的级差，逐渐升压至试验压力PT。（4）保压10min。（5）降压至87%PT，保压并检修。（6）重复上述程序，直至合格。,气密试验：,（1）缓慢升压至PT。（2）保压10min。（3）降压至设计压力P。（4）检查密封情况。,6.压力试验前的应力校核,（1）液压试验,（2）气压试验,其中：,T 试验压力下的计算应力。MPa,s 材料在试验温度下的

24、屈服点。MPa,六.例题,例1 有一锅炉汽包，其内径为1300mm，工作压力为15.6MPa。汽包上装有安全阀。设计温度为350，材质为18MnMoNbR。双面对接焊缝，100%检测。试设计该汽包壁厚。解：1.确定参数Pc=1.1PW=1.1 15.6=17.16 Mpa（装有安全阀）Di=1300mmt=190MPa（设计温度 t=350）=190 Mpa（常温下，S 60-100）=1.0（双面对接焊缝，100%检测。）C2=1 mm（单面腐蚀，低合金钢。）,2.计算壁厚,设计壁厚,Sd=S+C2=61.5+1=62.5 mm,取C1=1.8 mm（P95 表4-7）,壁厚附加量 C=C1

25、+C2=1.8+1=2.8 mm,名义壁厚 Sn=S+C+圆整量,=61.5+2.8+圆整量,=64.3+圆整量,=65 mm,3.水压试验强度校核,确定参数：,有效壁厚 Se=Sn-C=65-2.8=62.2 mm,s=410 MPa,计算应力,应力校核,水压试验强度足够,例2,有一库存很久的氧气瓶，其材质为40Mn2A，外径Do 为219mm。系无缝钢管收口而成。实测其最小壁厚Sn为6.5mm，材料的b=784.8MPa，s=510.12MPa，5=18%，设计温度为常温。今欲充15 Mpa的压力使用，问强度是否够？如强度不够，该气瓶的最大允许工作压力是多大？解：属强度校核问题 是否 t

26、t 1.确定参数 Pc=15MPa Do=219 mm Sn=6.5 mm,取两者较小的一个，即 t=261.6MPa,=1.0（无缝钢管）,C2=1 mm,C1=0（由于是最小壁厚，故不再计入负偏差）,Se=Sn-C=6.5-1=5.5 mm,2.强度校核,显然 t t=261.6 MPa,故，不能充压15MPa使用，须降压使用。,3.确定最高允许压力,该气瓶最大安全使用压力为 13.48 MPa,第三节 内压容器的封头设计,按形状分类凸形封头 半球形封头 椭圆形封头 碟形封头（带折边球形封头）无折边球形封头锥形封头 无折边锥形封头 带折边锥形封头平板封头,一.半球形封头,1.封头的成型小直

27、径的、壁较薄的 整体热压成型大直径的 球瓣式组焊,2.壁厚计算公式,二.椭圆形封头壁厚计算公式,壁厚计算公式对 m=a/b 2 的椭圆封头：最大应力在顶点,以 m=a/b，a=D/2 代入上式，得：,由强度条件：,解得：,处理：,（2）将 t 乘以焊缝系数,（3）将中径 D 用内径 Di 表示：D=Di+S,（4）m=a/b=Di/2 hi,（1）将压力 P 换为计算压力 Pc,代入上式，得计算壁厚：,对 m=2 的标准椭圆形封头：,对 m 2 的椭圆形封头：,边缘上的环向应力 远远大于顶点上的 和m。,为此，引入应力增强系数 K，取代式中的（Di/4hi）：,式中：,对标准椭圆形封头：K=1

28、,上式为椭圆形封头计算壁厚的通式。,椭圆形封头除满足上述计算要求外，,对标准椭圆形封头，有效壁厚Se 0.15%Di 对非标准椭圆形封头，Se 0.30%Di 标准椭圆形封头的直边高度，按P103，表4-11 确定。3.工作应力和最大允许工作压力,三.碟形封头（带折边球形封头）,1.结构,式中：M 碟形封头形状系数,由三部分组成：,球面：半径为Ri,过渡弧（折边）：半径为r,直边：高度为ho,2.壁厚计算公式,3.工作应力和最大允许工作压力,4.标准碟形封头,当：Ri=0.9 Di r=0.17 Di 称为标准碟形封头。,标准碟形封头 M=1.325,其壁厚计算公式可写成：,四.锥形封头,1.

29、结构无折边锥形封头（适用于 30 o）,局部不加强,局部加强,带折边锥形封头 封头与筒体连接处增加一个 过渡圆弧和一个直边。,（适用于 30 o）,2.壁厚计算公式,应力的最大值在锥体的大端，且为环向应力：,由强度条件：,得：,将 P 换成Pc；考虑焊缝系数；并将大端中径D换成内径Dc，D=Dc+S,得：,上式只考虑了薄膜应力，没有考虑筒体与封头连接处的边缘应力。因此，要建立补充的设计公式：,（1）封头与筒体连接处是否需要加强的判别式。,（2）局部加强的计算。,无折边锥形封头（30 o）,（1）不需加强（整个封头厚度一致）,小端：,（2）需加强（指连接处加强区的壁厚）,大端：,大端：,小端：,

30、式中：,Dc 大端内径 Di.s 小端内径Di 筒体内径 Q 系数（查图4-16或 图4-18）带折边锥形封头（30 o）大端：,（2）与过渡段相接处的锥壳壁厚,式中：,K 系数（查表4-13）,f 系数（查表4-14）,（1）过渡段（折边）厚度,五.平板封头,1.结构平板封头的几何形状有：圆形、椭圆形、长圆形、矩形、正方形等。2.受力特点受均匀气体压力的轴对称的圆平板：（1）板内为两向弯曲应力状态，沿壁厚呈线性分布,（2）径向弯曲应力r 与环向弯曲应力t 沿半径的分布,周边固定,由图可知：,max=r.max,最大应力产生在圆板的边缘。,周边简支,由图可知：,max=r.max=t.max,

31、最大应力产生在圆板的中心。,3.壁厚计算公式由强度条件：max t 得：周边固定：,周边简支：,实际上，平板封头的边缘支承情况介于两者之间。,引入一个系数 K，叫结构特征系数。又考虑焊缝系数 之后，得到圆平板的厚度计算公式：,六.例题,例1 试为某厂设计一台贮罐的筒体和封头的壁厚。对封头，按半球形、椭圆形、碟形和平板形，各种形式分别计算，并对结果进行比较和讨论。已知：Di=1200 mm Pc=1.6 Mpa 材质：20R t=133 Mpa C2=1 mm 封头用整块钢板冲压可以成型。解：（1）筒体壁厚设计,取=1.0（双面焊，全部无损检测）,设计壁厚,钢板负偏差 C1=0.8 mm（查表4

32、-7）Sd+C1=8.26+0.8=9.06 mm 圆整后，得名义壁厚：Sn=10 mm（2）按半球形封头设计,取=1.0（整体成型）,设计壁厚,钢板负偏差 C1=0.5 mm（查表4-7）,Sd+C1=4.62+0.5=5.12 mm圆整后，得名义壁厚：Sn=6 mm（3）按标准椭圆形封头设计,取=1.0（整体成型）,设计壁厚,钢板负偏差 C1=0.8 mm（查表4-7）,Sd+C1=4.62+0.8=9.04 mm,圆整后，得名义壁厚：Sn=10 mm（4）按标准碟形封头设计,设计壁厚,钢板负偏差 C1=0.8 mm（查表4-7）,Sd+C1=9.69+0.8=10.49 mm,圆整后，得

33、名义壁厚：Sn=12 mm,取=1.0（整体成型）,（5）按平板封头设计,取 K=0.25（结构特征系数）Dc=Di=1200 mm t=110 Mpa则：,取=1.0,设计壁厚,钢板负偏差 C1=1.8 mm（查表4-7）,Sd+C1=73.36+1.8=75.16 mm,圆整后，得名义壁厚：Sn=80 mm,比较：,选择：,采用标准椭圆形封头为易，它与筒体壁厚相同。,第五章 外压圆筒与封头的设计,第一节 概述外压容器的失稳容器在外压作用下，当压力达到某一数值时，容器便突然失去原来的形状，这种破坏形式称为外压容器的失稳。二.失稳的分类1.侧向失稳 外压容器主要失稳形式2.轴向失稳3.局部失稳

34、,第二节 临界压力,一.临界压力 使外压容器发生失稳时的压力，称为临界压力。以 Pcr 表示。临界压应力 在临界压力 Pcr 作用的时刻，器壁内的应力，称为临界压应力。以 cr 表示。,二.影响临界压力的因素,1.筒体几何尺寸的影响,失稳时的真空度,Pcrmm HO2,500,300,120150,300,实验结果比较与分析,图（1）与图（2）比较：*当 L/D 相同时，S/D 大者，Pcr 高。图（2）与图（3）比较：*当 S/D 相同时，L/D 小者，Pcr 高。图（3）与图（4）比较：*当 S/D、L/D 相同时，有加强圈者，Pcr 高。,2.筒体材料性能的影响,（1）临界压力（Pcr）

35、与材料的强度（s）无直 接关系。（2）临界压力（Pcr）与筒体的抗弯刚度有关。抗弯刚度越大，越不容易失稳。,3.容器制造时形状尺寸误差的影响,主要反映在制造加工的“椭圆度”上。它是圆筒横截面形状尺寸的加工误差：,椭圆度e 大，能使临界压力Pcr降低，使失稳提前发生。,工程上规定，制造外压容器时，椭圆度e 0.5%。,椭圆度,三.长圆筒、短圆筒和刚性圆筒及其临界压力计算公式,1.长圆筒,临界压力计算公式：,（对钢制圆筒=0.3）,临界应力计算公式：,L/Do 较大的圆筒。,2.短圆筒,临界压力计算公式：,L/Do 较小的圆筒。,临界应力计算公式：,3.刚性圆筒,对刚性圆筒的设计准则：只需满足强度

36、条件：压 t压即：,L/Do 较小、Se/Do 较大的圆筒,四.临界长度,临界长度 用以划分长圆筒与短圆筒；短圆 筒与刚性圆筒的临界尺寸。,1.长圆筒与短圆筒的临界长度 Lcr,2.短圆筒与刚性圆筒的临界长度 Lcr,当：L Lcr 为长圆筒 Lcr L Lcr 为短圆筒 L Lcr 为刚性圆筒,第三节 外压圆筒的工程设计,一.设计准则,式中：,Pc 计算外压 MPa,Pcr 临界压力 MPa,p 许用外压力 MPa,m 稳定安全系数 对圆筒 m=3 此时，要求筒体的椭圆度 e 0.5%,二.外压圆筒壁厚设计的图算法,算图的由来第一步 由几何尺寸L、Do、Se 求出 绘出曲线,即可由 Do/S

37、e，L/Do 求出,第二步 找出 与 P 的关系,得到 B=f（）关系曲线,2.外压圆筒（管子）壁厚设计图算法步骤,对 Do/Se 20 的圆筒和管子：（1）假设Sn，令 Se=Sn-C,计算L/Do 和Do/Se 的值。（2）求 值（A值），查图（5-5）。若 L/Do 50,则用L/Do=50 查图。若 L/Do 0.05,则用L/Do=0.05 查图。,（3）求 B 值,根据所用材料，从图（5-7）图（5-14）中选出相应的算图，在横坐标上找到A点。会遇到两种情况：()A值所在点落在曲线右侧，与曲线有交点，B值可由图中直接查到。()A值所在点落在曲线左侧，与曲线没有交点，B值可由公式计算

38、得到：,（4）求 P,将查得（或算得）的B值代入（9）式，算出P。,（5）比较,说明原假设的Sn可以采用，安全。,说明原假设的Sn过大，应适当减小Sn，重复上述计算，直至满足（）为止。,说明原假设的Sn过小，应适当增大Sn，重复上述计算，直至满足（）为止。,(),(),(),三.外压容器的试压,1.外压容器和真空容器的试压，按内压容器试压方法进行水压试验。试验压力：PT=1.25 P P 设计压力2.带夹套容器（1）须在对夹套容器的筒体部分进行水压试验完全合格 后，再焊接夹套。（2）夹套焊好后，须对夹套再作压力试验。试验压力：PT=1.25 P（3）夹套在作压力试验时，要保证其筒体部分的稳定性

39、。必要时，向筒体内充压，使其内外压差不超过设计 压力。,四.例题与讨论,例1 试设计一外压圆筒的壁厚。已知：计算压力 Pc=0.2 MPa 设计温度 t=250 内径 Di=1800 mm 计算长度 L=10350 mm 壁厚附加量 C=2 mm 材质 16 MnR Et=186.4 103 Mpa解：（1）假设 Sn=14 mm 则 Do=Di+2 Sn=1828 mm Se=Sn-C=12 mm 计算 L/Do=10350 1828=5.7 Do/Se=1828 12=152,（2）求 值（A值）,查图5-5，得：A=0.000102（3）求 B 值 由图5-9，A 点在曲线左方，由公式计

40、算：,（4）求 P,（5）比较 P 与 Pc,P Pc=0.2 MPa,不满足,须重新假设Sn，或设置加强圈。,现按设两个加强圈计算：,（1）壁厚仍取 Sn=14 mm 设两个加强圈后，计算长度变为：,（2）求 值（A值）,查图5-5，得：A=0.00035,（3）求 B 值,由图5-9，A 点在曲线右侧。,查得 B=42.5 MPa,（4）求 P,（5）比较 P 与 Pc,P Pc=0.2 MPa,满足,若按增加壁厚计算,（1）假设 Sn=20 mm 则 Do=Di+2 Sn=1840 mm Se=Sn-C=18 mm 计算 L/Do=10350 1840=5.6 Do/Se=1828 18

41、=102（2）求 值（A值）查图5-5，得：A=0.00022（3）求 B 值 由图5-9，A 点在曲线右侧。查得 B=27.5 MPa,（4）求 P,（5）比较 P 与 Pc,P Pc=0.2 Mpa 且较接近,故，可用 Sn=20 mm 的16MnR 的钢板。,第四节 外压球壳与凸形封头的设计,一.外压球壳与半球形封头的设计1.假设 Sn，令 Se=Sn C，计算 Ro/Se 的值。2.求 值（A值）,3.求 B 值及计算 P 值,（1）若A点落在曲线右侧，B值可由图中查到。,根据所用材料，从图（5-7）图（5-14）中选出相,应的算图，在横坐标上找到A点。会遇到两种情况：,（2）若A点落

42、在曲线的左侧，则直接计算：,4.比较,说明原假设的Sn可以采用，安全。,说明原假设的Sn过小，应适当增大Sn，重复上述计算，直至满足（1）为止。,（1）,（2）,二.外压凸形封头的设计,外压凸形封头的设计方法与外压球形封头设计方法相同。但球形封头设计中的Ro需作如下调整：1.对椭圆形封头 Ro 为椭圆形封头的当量球形半径 Ro=K1Do K1系数 由a/b 决定，查P141 表5-3。2.对碟形封头 Ro 为碟形形封头的当量球形半径 取碟形封头球面部分的外半径,第五节 外压容器的加强圈设计,一.加强圈的作用,由上述公式可知，提高 P 的办法：,（1）增加壁厚S,（2）减小计算长度 L,加强圈的

43、作用是,减小计算长度，以提高 P,二.加强圈的间距与个数,设加强圈的间距为 Ls 由外压设计准则：Pc P 又 P=Pcr/m令 Pc=P 则 Pcr=m Pc（a）由短圆筒临界压力计算公式：,将（a）式代入,将m=3代入，解得：,(Ls)max 在筒体Do、Se确定情况下，安全承受计算 外压Pc所需加强圈的最大间距，mm。,加强圈实际间距 Ls(Ls)max 表示安全加强圈个数,式中：,L 未设加强圈时筒体的计算长度 mm,Ls 加强圈间距 mm,三.加强圈与筒体的连接,1.连接要求 必须保证加强圈和筒体一起受力。2.连接方法 采用焊接 连续焊接 间断焊接 3.加强圈不得随意削弱或割断。如必

44、须削弱或割断时，则削弱或割断的弧长，不得大于图5-19给出的数值。,例如,一台卧式外压容器，当其加强圈设置在筒体内部时，为了不影响液体流动或排净液体，在加强圈最低处留有一豁口，或开设液体通路。,第六章 容器零部件,第一节 法兰联接,一.法兰联接结构与密封原理,1.法兰联接结构,由三部分组成：（1）被联接件 一对法兰（2）联接件 若干对螺栓、螺母（3）密封元件 垫片,2.法兰密封原理,（1）预紧前,（2）预紧后,（3）通入介质后,以螺栓强制密封为例，说明密封原理：,二.法兰的结构与分类,按法兰与设备（管道）的连接方式分1.整体法兰 平焊法兰、对焊法兰,对焊法兰,2.活套法兰,套在翻边上,焊在焊环

45、上,3.螺纹法兰,方形法兰,椭圆形法兰,三.影响法兰密封的因素,1.螺栓预紧力预紧力过小，达不到预紧密封比压。预紧力过大，会将垫片压坏或挤出。适当提高预紧力，可增加垫片的密封能力。因此，在密封所需的预紧力一定时，采取减小螺栓直径，增加螺栓个数的措施，对密封有利。,2.密封面的型式,密封面的型式,3.垫片性能,垫片常用材料（1）非金属材料 橡胶、石棉、合成树脂。优点：柔软，耐腐蚀。缺点：耐高温和耐压力的性能较金属差。用于：常、中温；中、低压设备和管道的法 兰密封。（2）金属材料 软铝、铜、铁（软钢）、18-8不锈钢。优点：耐高温，强度高。要求：软韧性要好。用于：中、高温；中、高压法兰密封。,垫片

46、类型（按材料性质分）,（1）非金属垫片 如，橡胶垫片,石棉-橡胶垫片。（2）组合式垫片 金属与非金属组合制垫片。如，金属包垫片，是在石棉或石棉-橡胶垫外，包以金属薄片。金属缠绕垫片，是用薄钢带与石棉交替卷缠而成。（3）金属垫片 如，八角形垫片，椭圆形垫片，透镜垫片。,垫片的选择,（1）操作压力和温度因素 中、低压；常、中温 非金属垫片 中压；中温 金属与非金属组合制垫片 高压；高温 金属垫片 高真空；深冷 金属垫片（2）对密封要求的程度（3）密封面型式的要求（4）垫片性能具体选用，参照 JB4704-92，JB4705-92，JB4706-92。同时，要重视实践经验。,4.法兰刚度,法兰刚度不

47、足 会产生过大的翘曲变形，比压下降，密封面松动，导致密封失效。提高法兰刚度的措施(法兰厚度，法兰外直径，螺栓中心圆直径，法兰颈部厚度)提高法兰刚度，将使法兰重量增加，提高整个法兰密封的造价。,5.操作条件的影响,联合作用,对密封的影响显著,四.法兰标准及其选用,压力容器法兰标准号：JB/T 4701-2000 JB/T 4703-2000,压力容器法兰标准类型及其标记,甲型平焊法兰JB/T 4701-2000,乙型平焊法兰JB/T 4702-2000,对焊法兰JB/T 4703-2000,平面型,平面型,凹凸型,凹凸型,榫槽型,榫槽型,凹,凹,凸,凸,榫,榫,槽,槽,P,P,P,P,P,P,A

48、,A,A,A,A,A,T,T,T,T,T,T,S,S,S,S,S,S,C,C,C,C,C,C,类,型,密,封,面,代,号,不带衬环,带衬环（C）,例如：,PN=1.6MPa，DN=800mm，带衬环榫槽乙型平焊法兰,榫面法兰：,法兰 C-S 800 1.6 JB4702-92,槽面法兰：,法兰 C-C 800 1.6 JB4702-92,2.压力容器法兰尺寸,法兰尺寸 是由法兰的两个标准化参数 PN 和DN 唯一决定的。法兰公称压力 PN的确定：JB4700-92（书P160),3.压力容器法兰选取步骤,（1）根椐设计任务，确定法兰类型（平焊、对焊）。（参阅P157 表6-2）（2）根据容器的

49、公称直径DN、操作温度、设计压力、法兰材质，确定法兰公称直径DN和法兰公称压力PN。（参阅P160 表6-4；P332 附录十二）（3）确定法兰密封面型式及其垫片种类。（参阅P155 表6-1）（4）根据法兰类型、法兰的DN和PN，查取法兰尺寸；螺栓数量及规格。（参阅 P336 附录十四）,（5）确定螺栓、螺母的材质。,（参阅P163 表6-6；P333 附录十三）（6）绘出法兰部件图。例题 为一台精馏塔配一对连接塔身与封头的法兰。已知塔内径Di=1000mm，操作温度 t=280，设计压力 P=0.2MPa，塔的材料Q235-AR。解：（1）由 P157 表6-2，决定选用甲型平焊法兰。,（

50、2）确定法兰的公称直径DN和公称压力PN,DN=1000 mm（与塔体内径相等）由P160 表6-4，取法兰材料与塔体相同，即Q235-AR t=280 当 PN=0.25 Mpa 时，P法兰允许=0.14 MPa P容器设计=0.2 Mpa所以，法兰的公称压力为：PN=0.6 Mpa,（3）确定密封面型式及垫片种类,根据P155 表6-1，选择平面密封面，缠绕式垫片。（4）根据法兰的 DN 和 PN，由附录十四，表32 查得法兰各部分尺寸；螺栓规格：M20；个数：36个（5）由P163 表6-6 查得，螺栓材料 35钢 螺母材料 Q235-A（6）绘出法兰部件图（略）,（新标准）化工部颁布,