第章压力容器中的薄膜应力 青岛科技大学机电工程学院6868.docx

青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第9章第9章 压力容容器中的的薄膜应应力本章重点点内容及及对学生生的要求求：（1）压压力容器器的定义义、结构构与分类类；（2）理理解回转转薄壳相相关的几几何概念念、第一一、二主主曲率半半径、平平行圆半半径等基基本概念念。（3）掌掌握回转转壳体薄薄膜应力力的特点点及计算算公式。第一节压压力容器器概述1、容器器的结构构如图1所所示，容容器一般般是由筒筒体（壳壳体）、封封头（端端盖）、法法兰、支支座、接接管及人人孔（手手孔）视视镜等组组成，统统称为化化工设备备通用零零部件。图1 容容器的结结构示意意图2、压力力容器的的分类压力容器器的使用用范围广广、数量量多、工工作条件件复杂，发发生事故故的危害害性程度度各不相相同。压压力容器器的分类类也有很很多种，一一般是按按照压力力、壁厚厚、形状状或者在生生产中的的作用等等进行分分类。本本节主要要介绍以以下几种种：按照照在生产产工艺中中的作用用反应容器器（R）：主要用用来完成成介质的的物理、化化学反应应，利用用制药中中的搅拌拌反应器器，化肥肥厂中氨氨合成塔塔，。换热容器器（E）：用于完完成介质质的热量量交换的的压力容容器，例例如换热热器、蒸蒸发器和和加热器器。分离压力力容器（SS）：完完成介质质流体压压力缓冲冲和气体体净化分分离的压压力容器器，例如如分离器器、干燥燥塔、过过滤器等等；储存压力力容器（CC，球罐罐代号为为B）：用于储储存和盛盛装气体体、液体体或者液液化气等等介质，如如液氨储储罐、液液化石油油气储罐罐等。按照照压力分分外压容器器：容器内内的压力力小于外外界的压压力，当当容器的的内压力力小于一一个绝对对大气压压时，称称之为真真空容器器。内压容器器：容器内内的压力力大于外外界的压压力。 低压容容器（LL）：； 中压容容器（MM）： 高压容容器（HH）：超高压容容器（UU）：压压力容器器安全监监察规程程一类容器器：有下下列情况况之一的的A 非易易燃或无无毒介质质的低压压容器；B 易燃燃或有毒毒介质的的低压分分离容器器和换热热容器；二类容器器：有下下列情况况之一的的 A剧毒毒介质的的低压容容器； B 易易燃或者者有毒介介质的低低压反应应容器和和储运容容器； C 中中压容器器；D 内径径小于11m的低低压废热热锅炉三类容器器：有下下列情况况之一的的 A 高压、超超高压容容器； B 剧毒介介质，且且最高工工作压力力与容积积的乘积积 C 易燃或或者有毒毒介质且且的中压压反应容容器；或或者的中中压储运运容器； D 中压废废热锅炉炉或内径径大于11m的低低压废热热锅炉。3、压力力容器设设计的基基本要求求压力容器器应首先满满足设备备的工艺艺尺寸，能能在指定定的操作作条件下下如压力力、温度度等完成成指定的的生产任任务并保保证产品品的质量量。在工工艺尺寸寸确定后后，进行行结构和和零部件件设计，需需要满足足以下的的要求。强度度构件抵抵抗破坏坏的能力力。为了保证证生产安安全和正正常工作作，设备备必须满满足所有有零部件件的强度度需要。例例如提升升重物的的钢丝绳绳，不允允许被重重物拉断断。但在在设计中中，为了了保证强强度而盲盲目的加加大结构构尺寸是是不合理理的，因因为会造造成材料料的极大大浪费，增增加运输输及安装装费用。壳壳体与部部件的等等强度设设计是合合理发挥挥材料潜潜力的好好方法（如如精馏塔塔的变径径设计）。在在容器上上设计强强度脆弱弱部件，当当设备承承受的载载荷超载载时，使使其首先先破坏以以保护设设备主体体不受损损害是生生产过程程中的安安全措施施。刚度度 即构构件在外外力作用用下保持持原有形形状的能能力。对对于薄壁壁容器来来说，规规定它的的最小壁壁厚值是是为了保保证在运运输及安安装施工工时不致致发生过过大的扭扭曲变形形。规定定塔盘的的厚度不不小于33mm，是是防止塔塔盘的挠挠度过大大以致产产生液层层厚度较较大偏差差，是为为了通过过液层的的气液不不致分布布不均匀匀，影响响塔盘分分离效率率。上海海化工厂厂的法兰兰翘曲变变形，主主要是螺螺拴和法法兰的刚刚度不相相匹配而而引起的的。（3）稳稳定性指指的是设设备维持持其原有有的平衡衡形式。当当化工容容器承受受外压力力作用，如如真空装装置，必必须满足足稳定要要求，不不致在操操作过程程中被压压瘪，失失去工作作能力。（4）耐耐久性 耐久性性根据要要求的使使用年限限来确定定。一般般要求使使用年限限为100122年。与与其他机机器类产产品相比比，机器器的寿命命决定主主要机件件的磨损损，而容容器及设设备则决决定于操操作介质质与周围围环境对对其腐蚀蚀情况，在在某些情情况下，如如果受交交变载荷荷或高温温时，应应考虑设设备的疲疲劳破坏坏及蠕变变。根据据所要求求的使用用年限和和腐蚀情情况，正正确选用用结构材材料是保保证设备备耐久性性的重要要措施。（5）密密封性 容器及及设备的的密封性性能是使使其安全全、可靠靠操作的的重要措措施。石石油、化化工产品品的生产产过程中中，所处处理物料料具有易易燃、易易爆、有有毒的特特征。若若密封性性能得不不到保证证，使物物料泄漏漏出来，不不仅在生生产中造造成损失失，而且且会造成成燃烧、爆爆炸、操操作人员员中毒的的恶性事事故。（6）制制造工艺艺应在结构构上保证证最小的的材料消消耗，尤尤其是贵贵重材料料的消耗耗。在结结构设计计时应使使其便于于加工、保保证制造造质量。应应尽力避避免复杂杂的加工工工序，尽尽可能的的减少加加工量。设设计时应应采用标标准设计计和标准准零件和和部件。零零部件的的标准化化是适应应容器及及设备生生产特点点、提高高零部件件互换能能力、降降低设备备成本的的一个重重要途径径。（7）运运输、安安装与维维修设备及容容器的自自动化控控制虽能能简化了了操作过过程，但但将增加加投资，需需要细致致的核算算经济效效益方能能进行确确定。设设计的合合理结构构还应考考虑安装装维修方方便，例例如，人人孔的尺尺寸不能能太小。设设备尺寸寸和形状状还要考考虑整体体运输的的可能性性，应满满足铁路路、公路路、水路路上的桥桥梁和涵涵洞的可可能允许许的最大大尺寸，例例如，高高度、宽宽度、长长度、质质量等。第二节 回转薄薄壳及其其薄膜应应力分析析1、回转转薄壳的的几何概概念（1）旋旋转壳体体旋转壳体体指以任任意直线线或平面面曲线作作母线，绕绕其同平平面内的的轴线旋旋转一周周而成的的旋转曲曲面。平平面曲线线的不同同，得到到的回转转壳体的的形状也也不同。例例如：与与轴线平平行的直直线绕轴轴旋转形形成圆柱柱壳；与与轴线相相交的直直线绕轴轴旋转形形成圆锥锥壳；半半圆形曲曲线绕轴轴旋转形形成球壳壳。中间面和和壳体壁壁厚的概概念。图2 不不同形状状的回转转壳体（幻幻灯片或或者教材材）（2）薄薄壁容器器根据容器器的外径径D0和内径径Di的比值值K进行行划分：厚壁壁容器 K>11.2；薄壁壁容器 K1.2；中低压容容器属于于薄壁容容器，以以下主要要讨论薄薄壁容器器的强度度计算。（3）回回转曲面面上的曲曲率半径径图3 一一般回转转壳体（幻幻灯片或或者教材材）l 纵截面与与第一曲曲率半径径如上图所所示，过过C点和和OO轴作平平面，该该平面与与回转曲曲面的相相交线称称为经线线，经线线所在的的平面称称之为纵纵截面，其其位置由由它与母母线平面面的夹角角确定。经线上的的C点的的曲率中中心K1必在过过C点的的法线上上，CKK1即为CC点的第第一曲率率半径，；l 横截面 过C点点作和OOO轴相垂垂直的平平面，该该平面与与回转曲曲面的交交线是一一个圆，称称之为平平行圆，平行圆所在的截面为横截面。l 锥截面和和第二曲曲率半径径过C点作作和与经经线OB在CC点的切切线相垂垂直的平平面，该平面面和回转转曲面相相交又得得到平面面曲线，这这条曲线线上C点点的曲率率中心必必在过CC点的法法线上，KK2又必在在OO轴上，则则CK22即为CC点的第第二曲率率半径，。锥截截面和回回转曲面面的交线线为一个个圆，称称为回转转曲面的的纬线；同一一点的纬纬线和平平行圆相相互重合合；锥截截面截出出的是壳壳体的真真实壁厚厚。2、回转转薄壳的的薄膜应应力分析析研究的壳壳体壁厚厚较薄，且且不考虑虑壳体与与其他零零部件连连接处的的局部应应力，可可以认为为径向应应力和环环向应力力沿壁厚厚均匀分分布，此此时应力力状态和和承受内内压的薄薄膜相似似。又称称薄膜理理论。图4 回回转薄壳壳上的径径向薄膜膜应力（1）基基本假设设（此部分分选讲）假定壳体体材料有有连续性性、均匀匀性和各各向同性性，即壳壳体是完完全弹性性的。u 小位移假假设 各各点位移移都远小小于厚度度。可用用变形前前尺寸代代替变形形后尺寸寸。变形形分析中中高阶微微量可忽忽略。 u 直线法假假设变形形前垂直直于中面面直线段段，变形形后仍是是直线并并垂直于于变形后后的中面面。变形形前后法法向线段段长度不不变。沿沿厚度各各点法向向位移相相同，厚厚度不变变。u 不挤压假假设各层层纤维变变形前后后互不挤挤压。（2）径径向应力力分析（推导过过程根据据课时可可以机动动掌握）（区域平平衡方程程）（11）（3）环环向应力力分析图5单元元体的截取与与各截面面上的内内力（微分平平衡方程程，拉普普拉斯方方程） （2）第三节 薄膜应应力理论论分析1、圆筒筒形壳体体第一曲率率半径=，第二二曲率半半径=DD/2，代代入方程程（1）与与（2）得：，图6 圆圆筒形壳壳体上的的薄膜应应力2、球壳壳对于球壳壳，=D/2，代代入方程程（1）与与（2）得：Ø 直径与内内压相同同，球壳壳内应力力仅是圆圆筒形壳壳体环向向应力的的一半，即即球形壳壳体的厚厚度仅需需圆筒容容器厚度度的一半半。Ø 当容器器容积相相同时，球球表面积积最小，故故大型贮贮罐制成成球形较较为经济济。3、锥形形壳 圆圆锥形壳壳半锥角角为a，A点点处半径径为r，厚厚度为dd，则在在A点处处：，代入方方程（11）与（22）得：图7 锥锥形壳体体锥截面面上的薄薄膜应力力，Ø 锥形壳体体环向应应力是经经向应力力两倍，随随半锥角角a的增增大而增增大；Ø 半锥角要要选择合合适，不不宜太大大。Ø 在锥形壳壳体大端端r=RR时，应应力最大大，在锥锥顶处，应应力为零零。因此此，一般般在锥顶顶开孔。4、椭圆圆形壳体体（1）椭椭圆形壳壳体薄膜膜应力计计算方程程Ø 椭圆壳经经线为一一椭圆，；Ø a、b分分别为椭椭圆的长长短轴半半径。由此方程程可得第第一曲率率半径为为： （33） （44）代入方程程（1）与与（2）中中：其薄膜应应力的分分布情况况如图88所示。图8椭圆圆形壳体体的薄膜膜应力分分布图图9 半半椭圆母母线（2）标标准椭圆圆封头的的薄膜应应力化工常用用标准椭椭圆形封封头，aa/b=2，故故有：u 在椭圆封封头的顶顶点处：u 在赤道处处：其薄膜应应力的分分布特点点为：Ø 顶点应力力最大，经经向应力力与环向向应力是是相等的的拉应力力。Ø 顶点的的经向应应力比边边缘处的的经向应应力大一一倍；Ø 顶点处的的环向应应力和边边缘处相相等但符符号相反反。Ø 应力值值连续变变化。5、计算算实例例题1：有一外外径为2219mmm的氧氧气瓶，最最小厚度度为6.5mmm，材料料为400Mn22A，工工作压力力为155MPaa，试求求氧气瓶瓶壁应力力？平均直径径：；经向应力力： MPPa环向应力力： MPPa【思考题题】（1）压压力容器器按照压压力可分分为几类类？（2）四四种典型型回转壳壳体的最最大薄膜膜应力计计算公式式是什么么？（3）判判断下列列容器属属一、二二、三类类容器的的哪一类类？20000的的液氨储储罐p为44MPaa的剧毒毒介质容容器p为110MPPa，VV为8000L的的乙烯储储罐。9