容器设计基础课件.pptx
二、容器的分类二、容器的分类压力容器分类压力容器分类按容器的形状按承压性质按管理其它按容器壁温按金属材料按应用情况第1页/共84页按容器形状分类名称特点方形矩形容器平板焊成，制造简便，但承压能力差，只用作小型常压贮槽球形容器弓形板拼焊，承压好，安装内件不便，制造稍难,多用作贮罐圆筒形容器筒体和凸形或平板封头。制造容易，安装内件方便，承压较好，应用最广第2页/共84页按承压性质按承压性质 内压：内部介质压力大于外界压力内压：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压的外压容器真空：内部压力小于一个绝压的外压容器容器分类设计压力p（MPa）低压容器0.1p1.6中压容器1.6p10高压容器10p100超高压容器p100内压容器的分类第3页/共84页毒性危害程度分级毒性危害程度分级指标分级极度危害高度危害中毒危害轻度危害急性中毒吸入200mg/m3200mg/m32000mg/m320000mg/m3经皮1001005002500经口25255005000急性中毒易中毒后果严重可中毒，愈后良好偶可中毒无中毒但有影响慢性中毒患病率高较高偶有发生有影响慢性中毒后果继续进展不能治愈可基本治愈可恢复无严重后果可恢复无不良后果致癌性人体致癌可疑致癌动物致癌无致癌性最高容许浓度0.10.1-1.0-10常见化学介质光气、汞、氰化氢甲醛,苯胺、氟化氢、二氧化硫,硫化氢,氨第4页/共84页根据压力等级、介质毒性危害程度以及根据压力等级、介质毒性危害程度以及生产中的作用，压力容器可分为三类。生产中的作用，压力容器可分为三类。第一类压力容器、第二类压力容器、第第一类压力容器、第二类压力容器、第三类压力容器三类压力容器不包括核能、船舶专用、直接受火焰加不包括核能、船舶专用、直接受火焰加热容器热容器第5页/共84页名称说明三类容器（1）高压容器；（2）毒性程度为极度和高度危害介质的中压容器；（3）中度危害介质，且pV大于等于10MPam3中压储存容器；（4）中度危害介质，且（5）毒性程度为极度和高度pV大于等于0.5MPam3中压反应容器；危害介质，且pV乘积大于式汽车和罐式集装箱等；等于0.2MPam3的低压容器；（6）高压、中压管壳式余热锅炉；（7）中压搪玻璃压力容器；（8）使用强度级别较高的材料制造的压力容器；（9）移动式压力容器，铁路罐车、罐；（10）容积大于等于50m3的球形储罐；（11）容积大于5m3的低温液体储存容器。二类容器（1）中压容器；（2）毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器；（3）易燃介质或毒性程度为中度危害介质的低压反应容器和低压储存容器；（4）低压管壳式余热锅炉；（5）低压搪玻璃压力容器。一类容器不在第三类、第二类压力容器之内的低压容器为第一类压力容器。第6页/共84页按容器壁温常温容器：壁温-20-20至200200；高温容器：壁温达到蠕变温度,碳素钢或低合金钢容器，温度超过420420，合金钢超过450450，奥氏体不锈钢超过550550，均属高温容器；中温容器：在常温和高温之间；低温容器：壁温低于-20,-20-20,-20至-40-40为浅冷容器，低于-40-40者为深冷容器。第7页/共84页三、压力容器的标准简介三、压力容器的标准简介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，不断纳入新科技成果而产生的。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，不断纳入新科技成果而产生的。它是压力容器设计、制造、验收等必须遵循的准则。压力容器标准涉及设计方法、选材及制造、检验方法它是压力容器设计、制造、验收等必须遵循的准则。压力容器标准涉及设计方法、选材及制造、检验方法等。等。第8页/共84页 国内标准国内标准v19891989我国压力容器标准化技术委员会制订了我国压力容器标准化技术委员会制订了GB150-89GB150-89钢制压力容器钢制压力容器v19981998年修订成年修订成GB150-1998GB150-1998，使标准更加完善。，使标准更加完善。vGB150GB150钢制压力容器钢制压力容器内容包括：内容包括：压力容器板壳元件计算压力容器板壳元件计算容器结构要素的确定容器结构要素的确定密封设计密封设计超压泄放装置的设置超压泄放装置的设置容器的制造与验收的要求等容器的制造与验收的要求等第9页/共84页 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）。）。第10页/共84页薄壁容器薄壁容器 根据容器外径根据容器外径DO与内径与内径Di的比值的比值K K来判断，来判断，当K1.2为薄壁容器 K1.2则为厚壁容器第二节 内压容器设计的基本理论第11页/共84页容器设计的基本要求1、强度 保证安全生产；2、刚度 防止在使用、运输、安装过程中产生不允许的变形；3、稳定性 防止压瘪或出现折皱（主要指外压容器）；4、耐久性 保证一定使用年限：一般1020年；高压设备：2030年。取决于选材、防腐、施工是否正确；5、气密性 防止有毒介质泄漏。6、其它 节材、工艺性好、运输安装操作维修方便。第12页/共84页一一 旋转壳体的几何概念旋转壳体的几何概念 母线与经线母线与经线法线、平行圆法线、平行圆第一曲率半径：经线曲率半径第一曲率半径：经线曲率半径第二曲率半径：垂直于经线的平面第二曲率半径：垂直于经线的平面与中面相割形成的曲线与中面相割形成的曲线BEBE的曲率的曲率半径半径第13页/共84页回转曲面任何直线或平面曲线（母线）绕其同平面内的一条已知直线（轴线）旋转一周形成的曲面。回转壳体以回转曲面为中间面的壳体。壁厚内外表面之间的法向距离。经线纵截面（轴截面）与回转曲面的交 线。与母线形状相同。纬线（正交）锥截面与回转曲面的交线。平行圆横截面与回转曲面的交线。第14页/共84页二二 无力矩理论基本方程式无力矩理论基本方程式 无力矩理论是在旋转薄壳的受力分析中忽略了弯矩的作用。无力矩理论是在旋转薄壳的受力分析中忽略了弯矩的作用。此时应力状态和承受内压的薄膜相似。又称薄膜理论此时应力状态和承受内压的薄膜相似。又称薄膜理论第15页/共84页微体平衡方程式区域平衡方程式 二、无力矩理论基本方程式第16页/共84页圆筒形薄壁容器承圆筒形薄壁容器承受内压时的应力受内压时的应力只有拉应力无弯曲应力只有拉应力无弯曲应力s s1 1（或（或s s j j）圆筒母线方）圆筒母线方向向(即轴向即轴向)拉应力，拉应力，s s2 2（或（或s sq q）圆周方向的）圆周方向的拉应力。拉应力。三、无力矩理论的应用第17页/共84页（一）圆筒的应力计算（一）圆筒的应力计算 1.1.轴向应力轴向应力D-筒体平均直径，亦称中径，mm；第18页/共84页2.2.周向应力周向应力第19页/共84页分析：分析：（1 1）薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍。）薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍。问题问题a a：筒体上开椭圆孔，如何开：筒体上开椭圆孔，如何开?应使其短轴与筒体的轴线平行，以尽量减少开孔对纵截面的削弱程度，使环向应力不致增加很多。第20页/共84页内压筒壁的应力和d/D成反比，d/D 值的大小体现着圆筒承压能力的高低。因此，分析一个设备能耐多大压力，不能只看厚度的绝对值。第21页/共84页（二）球形壳体（二）球形壳体 球壳球壳R R1 1R R2 2=D D/2/2，得：得：直径与内压相同，球壳内应力仅是圆筒形壳体环向应力的一半，即球形壳体的厚度仅需圆筒容器厚度的一半；当容器容积相同时，球表面积最小，故大型贮罐制成球形较为经济；制造复杂。第22页/共84页(三三)圆锥形壳体圆锥形壳体 圆锥形壳半锥角为圆锥形壳半锥角为a a，A A点处半径为点处半径为r r，厚度为，厚度为d d，则在，则在A A点处：点处：代入可得A点处的应力：第23页/共84页 锥形壳体环向应力是经向应力两倍，随半锥角a的增大而增大；a角要选择合适，不宜太大。在锥形壳体大端r=R时，应力最大，在锥顶处，应力为零。因此，一般在锥顶开孔。第24页/共84页（四）椭圆形壳体（四）椭圆形壳体 椭圆壳经线为一椭圆，a、b分别为椭圆的长短轴半径。由此方程可得第一曲率半径为：第25页/共84页第26页/共84页化工常用标准椭圆形封头，a/b=2，故 顶点处：边缘处：顶点应力最大，经向应力与环向应力是相等的拉应力。顶点的经向应力比边缘处的经向应力大一倍；顶点处的环向应力和边缘处相等但符号相反。应力值连续变化。第27页/共84页四四 受液体静压的圆筒形壳体的受力分析受液体静压的圆筒形壳体的受力分析筒壁上任一点的压力值（不考虑气体压力）为：可得：若是开口的容器第28页/共84页v 底部支承的圆筒（a），液体重量由支承传递给基础，筒壁不受液体轴向力作用，则若是开口的容器=0。v 上部支承圆筒（b），液体重量使得圆筒壁受轴向力作用，在圆筒壁上产生经向应力：若是开口的容器第29页/共84页例题：有一外径为219mm的氧气瓶，最小厚度为6.5mm，材料为40Mn2A，工作压力为15MPa，试求氧气瓶壁应力。解析：平均直径经向应力环向应力MPa mmMPa第30页/共84页 无力矩理论忽略了剪力与弯矩的影响，可以满足工程设计精度的要求。但对图中所示的一些情况，就须考虑弯矩的影响。第三节 边缘应力的概念一、边缘应力第31页/共84页一、边缘应力由边缘力和边缘力矩引起的应力，称为边缘应力。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，边缘应力数值很大，有时导致容器失效，应重视。第32页/共84页二、边缘应力的特性1局限性 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。2自限性 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，边缘应力自动受到限制，即边缘应力的自限性。第33页/共84页塑性好的材料可减少容器发生破坏。局部性与自限性，设计中一般不按局部应力来确定厚度，而是在结构上作局部处理。但对于脆性材料，必须考虑边缘应力的影响。三、边缘应力的处理第34页/共84页第35页/共84页第四节 内压容器设计一、圆筒和球体设计公式圆筒强度条件：圆筒设计公式：壁厚附加量第36页/共84页设计厚度名义厚度n球壳强度条件计算厚度第37页/共84页二、设计参数确定的选择1、设计压力(P)与计算压力pc使用安全阀时设计压力不小于安全阀开启压力或取最大工作压力1.051.10倍；使用爆破膜根据其型式，一般取最大工作压力的1.151.4倍作为设计压力。计算压力指在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。第38页/共84页指容器正常工作时，在相应的设计压力下，器壁金属可能达到的最高和最低温度（低于或等于-20)2设计温度不被加热或冷却，筒内介质最高或最低温度。用蒸汽、热水或其它载热体加热或冷却，载体最高温度或最低温度。不同部位出现不同温度分别计算第39页/共84页3、许用应力影响许用应力的因素：1使用温度2钢板厚度许用应力由材料的力学性能除以相应的安全系数而得。第40页/共84页安全系数n的确定计算方法的准确性、可靠性和受力分析的可靠程度；材料的质量和制造技术水平及其检验手段和水平；容器的工作条件，如压力、温度波动以及容器在生产中的重要性和危险性等。第41页/共84页4、焊缝系数钢板卷焊。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于钢材本体的强度。焊缝系数决定于二个因素：1）焊缝的结构形式2）无损探伤水平第42页/共84页第43页/共84页5、壁厚附加量 C壁厚附加量CC1C2C1：钢板负偏差C2：腐蚀裕量腐蚀裕量C2应根据各种钢材在不同介质中的腐蚀速度和容器设计寿命确定。塔类、反应器类容器设计寿命一般按20年考虑，换热器壳体、管箱及一般容器按10年考虑。第44页/共84页厚度22.22.52.83.03.23.53.844.55.5负偏差 0.13 0.14 0.150.160.180.20.2厚度6782526303234364042505260负偏差0.60.80.911.11.21.3钢板负偏差第45页/共84页腐蚀速度腐蚀速度0.05mm0.05mma(a(包括大气腐蚀包括大气腐蚀)时：时：碳素钢和低合金钢单面腐蚀碳素钢和低合金钢单面腐蚀C C2 21mm1mm，双面腐蚀取，双面腐蚀取C C2 22mm2mm，当腐蚀速度当腐蚀速度0.05mm0.05mma a时，单面腐蚀取时，单面腐蚀取C C2 22mm2mm，双面腐蚀取，双面腐蚀取C C2 24mm4mm。不锈钢取不锈钢取C C2 20 0。第46页/共84页三、容器的最小壁厚大型容器刚度不足，不满足运输、安装。限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求。保证设备在运输和安装过程中的安全。壳体加工成形后不包括腐蚀裕量最小厚度d dminmin：碳钢和低合金钢minmin3mm3mm不锈钢minmin2mm2mm第47页/共84页四、压力试验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其闪点或沸点。第48页/共84页四、压力试验1、水压试验试验压力：强度条件：第49页/共84页2、气压试验试验压力：强度条件：第50页/共84页例题：某化工厂欲设计一台石油气分离工程中的乙烯精馏塔。工艺要求为塔体内径Di=600mm；设计压力p2.2MPa；工作温度t-3-20。试选择塔体材料并确定塔体厚度。解析：由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在-20以上，承受一定的压力，故选用16MnR。式中p2.2MPa；Di=600mm；170MPa=0.8；C2=1.0mm 得：第51页/共84页考虑钢板厚度负偏差C10.6mm圆整取dn=7mm第52页/共84页思考题思考题1.1.承受气体压力的圆筒和圆锥形壳体的承受气体压力的圆筒和圆锥形壳体的应力有什么特点？标准椭圆壳的应力应力有什么特点？标准椭圆壳的应力又是怎样的？又是怎样的？2.2.无力矩理论的适用条件是什么？无力矩理论的适用条件是什么？3.3.边缘应力的特点是什么？边缘应力的特点是什么？4.4.在什么情况下需要考虑边缘应力？在什么情况下需要考虑边缘应力？第53页/共84页第五节第五节 封头的设计与选择封头的设计与选择第54页/共84页封头又称端盖，其分类第55页/共84页一、半球形封头一、半球形封头受内压球形封头计算壁厚与球壳相同。受内压球形封头计算壁厚与球壳相同。球形封头壁厚可较圆筒壳减薄一半。但为焊接方便以及球形封头壁厚可较圆筒壳减薄一半。但为焊接方便以及降低边缘压力，半球形封头常和筒体取相同的厚度。降低边缘压力，半球形封头常和筒体取相同的厚度。半个球壳，深度大，整体冲压困难-模具尺寸大，压力机吨位高。第56页/共84页强度计算强度条件 球壳第57页/共84页二、椭圆形封头二、椭圆形封头半椭球和高度为半椭球和高度为h h的短圆筒的短圆筒(通称通称直边直边)两部分构成，两部分构成，直边保证封头制造质量和避免边直边保证封头制造质量和避免边缘应力作用。缘应力作用。第58页/共84页计算厚度计算厚度K-椭圆形封头形状系数，标准椭圆形封头(长短轴之比值为2)，K=1。壁厚计算公式：第59页/共84页标准椭圆形封头的直边高度封头材料碳素钢、普低钢、复合钢板不锈钢、耐酸钢封头壁厚4810182039101820直边高度254050254050第60页/共84页三、碟形封头三、碟形封头 半径为R 的大圆弧、半径为r的小圆弧及短直线滑接而成。由于三部分连接处经线曲率突变，在过渡区边界上存在的边界应力比薄膜应力大许多，所以受力状况不佳。随着重型锻压设备的应用，多数工厂已不用碟形封头，而被椭圆形封头取代。一般仅在现场制造大型常、低压圆筒形贮罐时才采用。但近年随着旋压成型工艺的出现压鼓机、翻边机应用又见多起来）第61页/共84页碟形封头的形状系数又称带折边球形封头，球面半径Ri、过渡圆弧半径r和高度为h的直边。相同受力，碟形封头壁厚比椭圆形封头壁厚要大些，而且碟形封头存在应力不连续，因此没有椭圆形封头应用广泛。第62页/共84页四、锥形封头四、锥形封头第63页/共84页v广泛用于化工设备广泛用于化工设备(如蒸发器、喷雾如蒸发器、喷雾干燥器、结晶器及沉降器等干燥器、结晶器及沉降器等)的底盖的底盖v便于收集与卸除设备中的固体物料。便于收集与卸除设备中的固体物料。v塔设备上、下部分的直径不等，也塔设备上、下部分的直径不等，也常用锥形壳体连接，称为变径段。常用锥形壳体连接，称为变径段。第64页/共84页（一）无折边锥形封头或锥形筒体（一）无折边锥形封头或锥形筒体适用于锥壳半锥角适用于锥壳半锥角a a 30300 01 1、锥壳大端、锥壳大端 a.a.查图，大端是否须加强查图，大端是否须加强 第65页/共84页b.不必局部加强，计算壁厚为 第66页/共84页c.需加强，以降低联接处的局部应力。锥壳加强段和圆筒加强段厚度相同 Kc为锥壳与圆筒联接处的应力增值系数，查图。第67页/共84页第68页/共84页（二）折边锥形封头（二）折边锥形封头可降低应力集中，适用于锥壳大端半锥角可降低应力集中，适用于锥壳大端半锥角a a30300 0，小端半锥角，小端半锥角a a45450 0当锥壳半锥角当锥壳半锥角a a660 00 0时，按平盖计算。时，按平盖计算。第69页/共84页a.a.过渡段的计算壁厚过渡段的计算壁厚 第70页/共84页b.b.与过渡段相连接处的锥壳计算壁厚与过渡段相连接处的锥壳计算壁厚 第71页/共84页五、平板封头五、平板封头v化工设备常用的一种封头。化工设备常用的一种封头。v圆形、椭圆形、长圆形、矩形和方形等，圆形、椭圆形、长圆形、矩形和方形等，v相同相同(R Rd d)和受载下，薄板应力比薄壳大得多，即平板封头比凸形封头厚得多。和受载下，薄板应力比薄壳大得多，即平板封头比凸形封头厚得多。第72页/共84页v平板封头结构简单，制造方便，在压力不高，平板封头结构简单，制造方便，在压力不高，直径较小的容器中采用。承压设备人孔、手孔直径较小的容器中采用。承压设备人孔、手孔以及在操作时需要用盲板封闭的地方，才用平以及在操作时需要用盲板封闭的地方，才用平板盖。板盖。v高压容器平板封头用得较为普遍。高压容器平板封头用得较为普遍。平盖系数K查表第73页/共84页解析：工艺操作对封头形状无特殊要求。球冠形封头、平板封头边缘应力较大，平板封头厚度较大，故不宜采用。理论上对凸形封头计算后，再确定封头型式。例题：确定精馏塔封头型式与尺寸。该塔Di=600mm；设计压力p2.2MPa；工作温度t-3-20，dn=7mm。第74页/共84页半球形封头受力最好，壁厚最薄、重量轻，但深度大制造难，中、低压小设备不宜采用；碟形封头深度可调节，适合于加工，但曲率不连续，局部应力，故受力不如椭圆形封头；标准椭圆形封头制造比较容易，受力状况比碟形封头好，故可采用标准椭圆形封头。第75页/共84页椭圆形封头壁厚：p2.2MPa；Di=600mm；20=170MPa；=1.0，C2=1.0mm 考虑钢板厚度负偏差，取C1=0.6mm（估计壁厚6mm）代入并经圆整后用dn=6mm钢板。第76页/共84页=0.85C2=2mm 设计厚度d+C2=11.81mm取C1=0.8mm 名义厚度n14mm第77页/共84页2.封头厚度C2=2mm 设计厚度d+C2=11.77mm取C1=0.8mm 封头名义厚度n14mm第78页/共84页例题：某厂库存有一台内径1000mm，长为2600mm的圆筒形容器，两端为标准椭圆形封头，焊缝采用双面对接焊，材料为0Cr18Ni10Ti。由于该设备出厂说明书不全。试问该容器是否可作为计算压力为2MPa、温度为250、介质无腐蚀的分离器？解：pc=2MPa，C1=0.8mm，C2=0，=0.7d=dn-(C1+C2)=10-(0.8+0)=9.2mm第79页/共84页以上计算表明，该容器不满足强度校核条件，故不能在p=2MPa条件下使用。第80页/共84页例题：设计一内压圆筒形容器。设计和计算压力为0.8MPa，设计温度为100圆筒内径为1000mm，工作介质有轻微腐蚀取腐蚀裕量为2mm，焊缝系数为0.85，试分别用Q235-A和16MnR 计算，最终选用什么材料为宜？解：1.筒体材料用Q235A设计厚度d+C2=6.18mm第81页/共84页C1=0.8mm 名义厚度n8mm2.筒体材料用16MnR设计厚度d+C2=4.78mmC1=0.8mm 名义厚度n6mm从经济性方面考虑，选用Q235-A为宜。第82页/共84页例题：设计一台圆筒形受压容器。内径Di=1400mm，长度l=3000mm，两端为标准椭圆形封头，筒体和封头材料均选16MnR，腐蚀裕量取2mm，工作温度为280，最高工作压力为1.6MPa。试确定筒体和封头的厚度。解：1.筒体的厚度式中：pc=1.11.6=1.76MPaDi=1400mm 第83页/共84页感谢您的观看。第84页/共84页
