化工设备内压容器.ppt

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1、化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺第二篇第二篇 化工容器设计化工容器设计 第二章第二章 容器设计的基本知识容器设计的基本知识 第一节第一节 容器的分类与结构容器的分类与结构一一容器的分类容器的分类二二 容器分类的方法有许多，见容器分类的方法有许多，见P55P55表表2-12-1第一页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l1 按压力等级分类按压力等级分类 l 压力是压力容器最主要的工作参数，压力是压力容器最主要的工作参数，压力级别不同，设计方法亦有所区别，按压力级别不同，设计方法亦有所区别，按压力等级的分类为：压

2、力等级的分类为：l低压容器低压容器 L 0.1MPaP1.6MPal中压容器中压容器 M 1.6MPa P10MPal高压容器高压容器 H 10MPaP0.1或径比或径比K=Do/Di1.2一一 化学与石油化工中应用最多的是薄壁容器。化学与石油化工中应用最多的是薄壁容器。第三十三页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺 应力特点分析：应力特点分析：1 1）在）在处所处所受应力为薄受应力为薄膜应力。可膜应力。可用简单的无用简单的无力矩理论来力矩理论来计算计算第三十四页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程

3、与工艺化学工程与工艺l2 2）在连接处在连接处除了受薄膜应力外，还有附除了受薄膜应力外，还有附加的弯曲应力，称为边缘应力，要用复杂的有加的弯曲应力，称为边缘应力，要用复杂的有力矩理论及变形谐调条件来计算。力矩理论及变形谐调条件来计算。3）环环向向应应力力 ：圆圆筒筒形形容容器器受受内内压压后后在在筒筒体体纵纵向向截截面面上上产产生生的的应应力力4）经经向向应应力力 ：圆圆筒筒形形容容器器受受内内压压后后在在 筒筒体体横横向向截截面面上上产产生生的的应应力力 环向应力环向应力 ：圆筒形容器受内压后在：圆筒形容器受内压后在筒体纵向截面上产生的应力筒体纵向截面上产生的应力 经向应力经向应力 ：圆筒形

4、容器受内压后：圆筒形容器受内压后在筒体横向截面上产生的应力在筒体横向截面上产生的应力第三十五页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l二二 基本概念与基本假设基本概念与基本假设l1 基本概念基本概念l1）回转壳体：指壳体中间面是直线或）回转壳体：指壳体中间面是直线或平面曲线绕其同平面内的固定轴线旋转平面曲线绕其同平面内的固定轴线旋转360而成的壳体。而成的壳体。第三十六页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺第三十七页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础

5、化学工程与工艺化学工程与工艺l2 2）轴对称：指壳体的几何形状、约束条）轴对称：指壳体的几何形状、约束条 件和所受外力都是对称于回转轴的件和所受外力都是对称于回转轴的l3 3）中间面：与壳体内外表面等距离的）中间面：与壳体内外表面等距离的 中曲面，内外表面间的法向距离即为壳中曲面，内外表面间的法向距离即为壳体壁厚，对于薄壁壳体，可以用中间面体壁厚，对于薄壁壳体，可以用中间面来表示它的几何特性。来表示它的几何特性。第三十八页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l4 4）母线：形成壳体中间面的平面）母线：形成壳体中间面的平面曲线，如曲线，如

6、ABl5 5）经线：通过回）经线：通过回 转轴作一纵截面转轴作一纵截面 与壳体曲面相交与壳体曲面相交 所得的交线，所得的交线，与母线形状相同。与母线形状相同。第三十九页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l6 6）法线：通过经线上任一点）法线：通过经线上任一点M垂直于中间面垂直于中间面的直线，称为中间面在该点的法线（的直线，称为中间面在该点的法线（n），法），法线的延长线必与回转轴相交线的延长线必与回转轴相交.l7 7）纬线：作圆锥面与壳体纬线：作圆锥面与壳体 中间面正交，得到的交线叫中间面正交，得到的交线叫 做纬线；过做纬线；过N点作

7、垂直于回点作垂直于回 转轴的平面与中间面相割形转轴的平面与中间面相割形 成的圆称为平行圆，平行圆即纬线，如成的圆称为平行圆，平行圆即纬线，如CNDl 正交圆锥面截得的是壁厚正交圆锥面截得的是壁厚第四十页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺8 8）第一曲率半径：中间面上任一点）第一曲率半径：中间面上任一点M处处 经线的曲率半径为该点的第一曲率半径经线的曲率半径为该点的第一曲率半径l 9）第二曲率半径：）第二曲率半径：l 通过经线上一点通过经线上一点M的法的法线作垂直于经线的平面线作垂直于经线的平面与中间面相割形成的曲与中间面相割形成的曲线

8、为线为MEF，该曲线在，该曲线在M点处的曲率半径为该点点处的曲率半径为该点的第二曲率半径。的第二曲率半径。第四十一页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺R2第四十二页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l2 基本假设基本假设l1）小位移假设：）小位移假设：壳体受力以后，各点的位移都远小于壳体受力以后，各点的位移都远小于壁厚，可认为变形前后尺寸不变壁厚，可认为变形前后尺寸不变l2）直法线假设：）直法线假设：壳体在变形前垂直于中间面的直线段壳体在变形前垂直于中间面的直线段变形后仍保持

9、直线，并垂直于变形后的中变形后仍保持直线，并垂直于变形后的中间面，可认为变形前后法向线段长度不变，间面，可认为变形前后法向线段长度不变，变形前后壳体壁厚不变。变形前后壳体壁厚不变。第四十三页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l3）不挤压假设：）不挤压假设：壳体各层纤维变形前后均互不挤壳体各层纤维变形前后均互不挤压，可以平面问题处理，只适用于薄压，可以平面问题处理，只适用于薄壳。壳。对于薄壁壳体，采用以上假设所对于薄壁壳体，采用以上假设所得结果是足够精确的。得结果是足够精确的。第四十四页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础

10、化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l三三 经向应力计算公式经向应力计算公式区域平衡方程式区域平衡方程式 用与壳体正交的圆锥截该壳体，取其用与壳体正交的圆锥截该壳体，取其下部分脱离体，建立静力平衡下部分脱离体，建立静力平衡第四十五页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺D中间面平行圆直径，中间面平行圆直径，mm壁厚，壁厚，mmR2第二曲率半径，第二曲率半径，mmm m经向应力，经向应力，MPaMPa第四十六页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l四四 环向薄膜应力环向薄膜应

11、力微体平衡方程微体平衡方程小单元体由下列三小单元体由下列三对截面截取：对截面截取：1 1）壳体内外表面）壳体内外表面2 2）两个相邻的通过）两个相邻的通过壳体轴线的经线平面壳体轴线的经线平面3 3）两个相邻的与）两个相邻的与壳体正交的圆锥面壳体正交的圆锥面第四十七页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺第四十八页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l 单元体很小，可以认为沿单元体很小，可以认为沿ab、cd二截面上二截面上均匀分布，均匀分布，ad、bc二截面上二截面上m均匀分布。均匀

12、分布。设设ab=cd=dl1，bc=ad=dl2l 利用法线方利用法线方 向的平衡求解向的平衡求解第四十九页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺m在法线方向的合在法线方向的合力为力为第五十页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺 在法线方向的合在法线方向的合力为力为 内力内力p在单元体上所产生的外力在法线在单元体上所产生的外力在法线方向的合力为方向的合力为第五十一页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺根据平衡条件得，根据平衡

13、条件得，近似认为，近似认为，得，得，第五十二页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺各项均除以各项均除以dl1dl2得，得，由于，由于，第五十三页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺得得 第一曲率半径的计算，若经线方程第一曲率半径的计算，若经线方程y=y(x)，则则R1为为第五十四页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺经向应力与环向应力的计算公式：经向应力与环向应力的计算公式：第五十五页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工

14、设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l五五 轴对称回转壳体薄膜理论的应用范围轴对称回转壳体薄膜理论的应用范围l1 轴对称轴对称 几何形状、材料、载荷的对称性和连续性几何形状、材料、载荷的对称性和连续性l2 只受薄膜应力只受薄膜应力 壳体曲面上没有应力集中，不存在边缘力壳体曲面上没有应力集中，不存在边缘力和边缘力矩，处在无力矩状态和边缘力矩，处在无力矩状态l3 薄壁薄壁 第五十六页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l作业：作业：p86三三第五十七页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学

15、工程与工艺化学工程与工艺第二节第二节 薄膜理论的应用薄膜理论的应用l一一 受气体内压的圆筒形壳体受气体内压的圆筒形壳体第五十八页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺第五十九页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l 分析：分析：l1）2m，在开设椭圆孔时，必须使，在开设椭圆孔时，必须使短轴平行于筒体的轴线，以尽量减小纵截短轴平行于筒体的轴线，以尽量减小纵截面的削弱面的削弱第六十页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺 筒体受内

16、压时，筒壁内产生的应力与圆筒的筒体受内压时，筒壁内产生的应力与圆筒的/D成反比，该值的大小体现着圆筒承压能成反比，该值的大小体现着圆筒承压能力的高低。力的高低。可看出，可看出，2 2）由由及及第六十一页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l二二 受气体内压的球形壳体受气体内压的球形壳体第六十二页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l球壳上任一点球壳上任一点A的的R1=R2=D/2，则有，则有由由得得第六十三页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工

17、程与工艺化学工程与工艺l分析：分析：1）球壳的特点是中心对称，其上应力）球壳的特点是中心对称，其上应力的分布各处均相等，且经向应力环向应的分布各处均相等，且经向应力环向应力；力；2）与相同直径的圆筒相比，承受相同）与相同直径的圆筒相比，承受相同内压，球壳的环向应力是圆筒的一半，因内压，球壳的环向应力是圆筒的一半，因此开孔应尽量在球壳上。此开孔应尽量在球壳上。第六十四页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l三三 受气体内压的椭球壳（椭圆形封头）受气体内压的椭球壳（椭圆形封头）l1 确定椭球壳上某一点的确定椭球壳上某一点的R1、R2 椭球壳

18、的经线方程为椭球壳的经线方程为第六十五页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺第六十六页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺3 分析：分析：由公式可知，由公式可知，椭球壳上应力值随椭球壳上应力值随所在点的位置不同所在点的位置不同而不同，其应力分而不同，其应力分布以图示意布以图示意经向应力分布经向应力分布第六十七页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺环向应力分布环向应力分布 在在x=0处处在在xa处处第六十八页，编辑于星期六：

19、十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺 经向应力在顶点处最大，在经向应力在顶点处最大，在xa处最小；处最小；环向应力受环向应力受a/b的影响有拉应力和压应力的影响有拉应力和压应力出现，出现，a/b越大，封头成型越浅，越大，封头成型越浅，x=a处处压应力越大压应力越大第六十九页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺经向应力分布经向应力分布l标准椭圆形封头标准椭圆形封头a/b2，其应力分布见图其应力分布见图x=0时，时，x=a时，时，环向应力分布环向应力分布第七十页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工

20、设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l 锥形壳一般用以锥形壳一般用以作为收缩器或扩大作为收缩器或扩大器，以逐渐改变气器，以逐渐改变气体或液体的速度，体或液体的速度，或是便于固体或粘或是便于固体或粘性物料的卸出。性物料的卸出。四四 受气体内压的锥形壳体受气体内压的锥形壳体第七十一页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺若锥壳壁厚为若锥壳壁厚为，半锥角为半锥角为，可得可得 R1，R2r/cos,代入应力计算公式得：代入应力计算公式得：第七十二页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺

21、化学工程与工艺l分析：分析：l1）随半锥角）随半锥角的增大，的增大，应力值增加，因此在应力值增加，因此在承压容器中承压容器中不宜太不宜太大大l2 2）应力值随）应力值随r r的增大的增大而增大，锥形壳中最而增大，锥形壳中最大应力值在大端大应力值在大端第七十三页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺Nl五五 受气体内压的碟形封头受气体内压的碟形封头l1 1 组成组成l球壳、圆筒、过渡圆弧球壳、圆筒、过渡圆弧l2 2 计算计算l 代入薄膜应力的公式分别计算。对过渡圆弧代入薄膜应力的公式分别计算。对过渡圆弧部分，第二曲率半径为变数，随部分，第二

22、曲率半径为变数，随角而变角而变第七十四页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l 各种回转壳体的薄膜应力计算公式汇总各种回转壳体的薄膜应力计算公式汇总见见p80表表3-1第七十五页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺小结小结l6 薄壁容器的应力特点：薄壁容器的应力特点：在远离连接点的地方只在远离连接点的地方只受拉应力作用，即薄膜受拉应力作用，即薄膜应力；在连接点的地方应力；在连接点的地方会产生附加的弯曲应力，会产生附加的弯曲应力，即边缘应力即边缘应力l1 基本概念：轴对称、基本概念

23、：轴对称、中间面、纬线、第一曲中间面、纬线、第一曲率半径、第二曲率半径率半径、第二曲率半径第七十六页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l2 基本假设：小位移、直法线、不挤压基本假设：小位移、直法线、不挤压3 3 薄膜应力的计算：薄膜应力的计算：l4 4 薄膜理论的应用范围：薄膜理论的应用范围：l 轴对称、薄膜应力、薄壁轴对称、薄膜应力、薄壁第七十七页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l5 受气体内压的圆筒形壳体的薄膜应力：受气体内压的圆筒形壳体的薄膜应力：l6 6 受气体内压

24、的球形壳体受气体内压的球形壳体l7 7 受气体内压的锥形壳体的薄膜应力受气体内压的锥形壳体的薄膜应力第七十八页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺8 8 受气体内压的椭球壳受气体内压的椭球壳 薄膜应力随点的位置不薄膜应力随点的位置不同而呈一定的应力分布同而呈一定的应力分布l对标准椭圆形封头，对标准椭圆形封头，a/b2，x=a时，时，x=0时，时，第七十九页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l 圆筒壁上所受液体压圆筒壁上所受液体压力随液体深度增加而增力随液体深度增加而增大，大，p

25、0为液体表面上气为液体表面上气压，则筒壁上任一点的压压，则筒壁上任一点的压力为力为p=p0+x六六 承受液体静压作用的圆筒壳承受液体静压作用的圆筒壳1 1 沿底部边缘支承的圆筒沿底部边缘支承的圆筒第八十页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺由薄膜应力公式可得由薄膜应力公式可得第八十一页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l 对底部支承来说，液体重量由支承直接传给对底部支承来说，液体重量由支承直接传给基础，圆筒壳不受轴向力，故筒壁中因液压引基础，圆筒壳不受轴向力，故筒壁中因液压引起

26、的经向应力为零，只有气压引起的经向应力起的经向应力为零，只有气压引起的经向应力，即，即若容器上方开口或无气体压力时，若容器上方开口或无气体压力时，第八十二页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l2 沿顶部边缘支承的圆筒沿顶部边缘支承的圆筒 最大环向应力在最大环向应力在x=H处，即处，即 筒壁上任一点的环向筒壁上任一点的环向薄膜应力与底部支承的相薄膜应力与底部支承的相同，即同，即 第八十三页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l经向应力沿轴向的平衡方程为经向应力沿轴向的平衡方程为第

27、八十四页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺 一列管换热器，如图，一列管换热器，如图，Di=500mm，S=8mm,壳程压力壳程压力pc=2MPa，管程压力，管程压力pb=2.2MPa，计算筒，计算筒壁及封头内的薄膜应力。壁及封头内的薄膜应力。七七 例题例题第八十五页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l解：解：1）筒壁内的薄膜应力筒壁内的薄膜应力lpc2MPa，不考虑管束影响，不考虑管束影响第八十六页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工

28、艺化学工程与工艺l2）半球形封头半球形封头3 3）标准椭圆形封头标准椭圆形封头a/b=2第八十七页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺顶点处顶点处第八十八页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺在在xD/2处处，第八十九页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l2 p81（77）3-2l（1 1）筒身应力）筒身应力l（2 2）封头上最大应力）封头上最大应力第九十页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基

29、础化学工程与工艺化学工程与工艺第九十一页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺第九十二页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺第三节第三节 内压圆筒边缘应力的概念内压圆筒边缘应力的概念l一一 边缘应力的概念边缘应力的概念 在用薄膜应力分析内压圆筒时，忽略了在用薄膜应力分析内压圆筒时，忽略了两种变形与应力两种变形与应力l1 圆筒受内压直径增大时，圆筒金属的环向圆筒受内压直径增大时，圆筒金属的环向纤维不但被拉长了，而且曲率半径由纤维不但被拉长了，而且曲率半径由R变为变为R+R，有弯曲应力

30、产生。，有弯曲应力产生。l 这一应力值很小，可忽略不计。这一应力值很小，可忽略不计。第九十三页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺2 2 连接边缘区的变形与应力连接边缘区的变形与应力第九十四页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺第九十五页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺 1 1）在连接边缘区，由于相互连接的构件在在连接边缘区，由于相互连接的构件在变形时相互制约，或由于局部外力集中作用变形时相互制约，或由于局部外力集中作

31、用导致壳体曲率变化，从而产生弯曲应力，用导致壳体曲率变化，从而产生弯曲应力，用无力矩理论无法求解，需用有力矩理论。无力矩理论无法求解，需用有力矩理论。2 2）在简化计算中，常在薄膜应力基础上乘以）在简化计算中，常在薄膜应力基础上乘以一个系数一个系数 3 3）边缘弯曲应力的大小，与连接边缘的形状、）边缘弯曲应力的大小，与连接边缘的形状、尺寸、材质等因素有关，有时可达到很大值，尺寸、材质等因素有关，有时可达到很大值，因此决不能忽略。因此决不能忽略。第九十六页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l1 1 局部性：局部性：只在某一特定只在某一特

32、定 区域内有很大区域内有很大 值，值，超过此范围超过此范围 即迅即迅速衰减。速衰减。二二 边缘应力的特点边缘应力的特点 一般，一般，第九十七页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l2 自限性自限性 应力保持在应力保持在s s，靠增大局部塑性区范围来，靠增大局部塑性区范围来承担边缘应力，使边缘应力自动限制。承担边缘应力，使边缘应力自动限制。三三 对边缘应力的处理对边缘应力的处理1 1 在边缘区作局部处理在边缘区作局部处理2 2 采用塑性材料采用塑性材料3 3 设计中与薄膜应力不同，在边缘结构上作妥设计中与薄膜应力不同，在边缘结构上作妥善处

33、理善处理第九十八页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺第四章第四章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计内压薄壁圆筒与封头的强度设计l 强度设计的任务就是根据给定的公称直强度设计的任务就是根据给定的公称直径以及计算压力和温度，设计出合适的壁厚，径以及计算压力和温度，设计出合适的壁厚，以保证设备安全可靠的运行。以保证设备安全可靠的运行。l 内压薄壁圆筒和封头的强度计算公式，主内压薄壁圆筒和封头的强度计算公式，主要以无力矩理论推导，包括：要以无力矩理论推导，包括：第九十九页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与

34、工艺化学工程与工艺l1）根据薄膜理论进行应力分析，确定主应）根据薄膜理论进行应力分析，确定主应 力力l2）根据弹性失效的设计准则，应用强度理）根据弹性失效的设计准则，应用强度理 论确定应力的强度判据论确定应力的强度判据l3）对于封头，应考虑边缘应力，引进应力）对于封头，应考虑边缘应力，引进应力 增强系数增强系数l4）根据应力强度判据，考虑腐蚀等实际因）根据应力强度判据，考虑腐蚀等实际因 素导出具体的计算公式。素导出具体的计算公式。第一百页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺第一节第一节 强度设计的基本知识强度设计的基本知识l一一 关于弹

35、性失效的设计准则关于弹性失效的设计准则 容器上一处的最大应力达到材料在设计温度容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点，容器即告破坏（失效），即容器下的屈服点，容器即告破坏（失效），即容器的每一部分必须处于弹性变形范围内，即的每一部分必须处于弹性变形范围内，即 当当 s s第一百零一页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺由主应力借助于强度理论来确定由主应力借助于强度理论来确定极限应力，由简单拉伸试验确定极限应力，由简单拉伸试验确定n安全系数安全系数 许用应力许用应力加上一定的安全系数，可得强度安全条件加上一定的安全系数，可得强度

36、安全条件第一百零二页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l二二 强度理论及其相应的强度条件强度理论及其相应的强度条件l1 概念概念l 强度理论是对材料破坏原因的种种假说强度理论是对材料破坏原因的种种假说l2 材料的两类破坏形式材料的两类破坏形式l 断裂破坏和流动破坏，破坏的形式取决于断裂破坏和流动破坏，破坏的形式取决于材料的性质和材料所处的应力状态。材料的性质和材料所处的应力状态。l3 基本的强度理论基本的强度理论第一百零三页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l一点的应力状态可

37、以用三个主应力来表示一点的应力状态可以用三个主应力来表示 按数值大小排列为按数值大小排列为第一百零四页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l 压力容器零部件中各点的受力大多是二向压力容器零部件中各点的受力大多是二向或三向应力状态。或三向应力状态。l 对于承受均匀内压的薄壁圆筒容器，其主对于承受均匀内压的薄壁圆筒容器，其主应力为应力为第一百零五页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺1 1）最大拉应力理论）最大拉应力理论 1717世纪即提出，最早的强度理论，又称世纪即提出，最早的强度

38、理论，又称第一强度理论，认为外力过大时，材料会第一强度理论，认为外力过大时，材料会沿最大拉应力所在截面发生断裂破坏。沿最大拉应力所在截面发生断裂破坏。该理论假设最大拉应力该理论假设最大拉应力1是引起材料破坏是引起材料破坏的原因，其相应的强度条件为的原因，其相应的强度条件为第一百零六页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l2）最大主应变理论）最大主应变理论l 又称第二强度理论，认为材料破坏是由于又称第二强度理论，认为材料破坏是由于最大拉伸应变达到了某一极限引起的。最大拉伸应变达到了某一极限引起的。l 该理论未被试验证实该理论未被试验证实l

39、3）最大剪应力理论）最大剪应力理论l 习惯称第三强度理论，认为外力过大时，习惯称第三强度理论，认为外力过大时，材料会沿最大剪应力所在截面滑移而发生流材料会沿最大剪应力所在截面滑移而发生流动破坏动破坏第一百零七页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l 该理论假设最大剪应力是引起材料流动破坏该理论假设最大剪应力是引起材料流动破坏的因素，其相应的强度条件为的因素，其相应的强度条件为 适于塑性材料适于塑性材料l 缺点是没有考虑中间应力对材料流动的影缺点是没有考虑中间应力对材料流动的影响响第一百零八页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械

40、基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l4）形状改变比能理论）形状改变比能理论l 又称第四强度理论，假设形状改变比能又称第四强度理论，假设形状改变比能uf是引起材料流动破坏的因素，其相应的是引起材料流动破坏的因素，其相应的强度条件为强度条件为适于塑性材料适于塑性材料第一百零九页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l一般地，一般地，l 对于脆性材料应采用第一强度理论，对对于脆性材料应采用第一强度理论，对于塑性材料多采用第三强度理论或第四强于塑性材料多采用第三强度理论或第四强度理论度理论l 在三向拉伸应力状态下，应采用第一强度在三

41、向拉伸应力状态下，应采用第一强度理论理论l 在三向压缩应力状态下，应采用第三或第在三向压缩应力状态下，应采用第三或第四强度理论四强度理论第一百一十页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺第二节第二节 内压薄壁圆筒壳与球壳的强度条件内压薄壁圆筒壳与球壳的强度条件l一一 强度计算公式强度计算公式l1 1 圆筒壳的强度计算公式圆筒壳的强度计算公式D=DiS；p pc得得由由取第三强度理论，取第三强度理论，第一百一十一页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺(mm)考虑腐蚀裕量考虑腐蚀裕量C

42、2(mm)考虑焊接制造因素考虑焊接制造因素，得，得第一百一十二页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l若采用第四强度理论，可得若采用第四强度理论，可得mmmm我国规定采用第三强度理论。我国规定采用第三强度理论。第一百一十三页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺强度校核：强度校核：Se有效厚度，有效厚度，SnCSd钢板负偏差钢板负偏差名义厚度名义厚度Sn(标注值标注值)第一百一十四页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺小结小

43、结1 1 受气体内压及液体静压的筒形壳体的薄膜应力受气体内压及液体静压的筒形壳体的薄膜应力底部支承时：底部支承时：第一百一十五页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺顶部支承时：顶部支承时：3 3 边缘应力：连接边缘区，由于相互连接的边缘应力：连接边缘区，由于相互连接的构件在变形时相互制约，或由于局部外力集构件在变形时相互制约，或由于局部外力集中作用导致壳体曲率变化，从而产生弯曲应中作用导致壳体曲率变化，从而产生弯曲应力力 特点：局部性和自限性特点：局部性和自限性第一百一十六页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械

44、基础化学工程与工艺化学工程与工艺l4 弹性失效准则：容器上一处的最大应力弹性失效准则：容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点，容器即达到材料在设计温度下的屈服点，容器即告破坏（失效）告破坏（失效）,强度安全条件：强度安全条件：l5 5 强度理论：对材料破坏原因的种种假说强度理论：对材料破坏原因的种种假说 l第一、第三、第四强度理论第一、第三、第四强度理论第一百一十七页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l1 1）第一强度理论第一强度理论l 假设最大拉应力假设最大拉应力1是引起材料破坏的原因，是引起材料破坏的原因，其相应的强度条

45、件为其相应的强度条件为第一百一十八页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺2 2）第三强度理论）第三强度理论 假设最大剪应力是引起材料流动破坏的假设最大剪应力是引起材料流动破坏的因素，其相应的强度条件为因素，其相应的强度条件为 适于塑性材料适于塑性材料第一百一十九页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l3）第四强度理论：第四强度理论：l 假设形状改变比能假设形状改变比能uf是引起材料流动破坏是引起材料流动破坏的因素，其相应的强度条件为的因素，其相应的强度条件为适于塑性材料适于塑性材

46、料第一百二十页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l6 内压薄壁圆筒壳的强度计算公式内压薄壁圆筒壳的强度计算公式第一百二十一页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺 用无缝钢管作圆筒体时，其公称直径为钢用无缝钢管作圆筒体时，其公称直径为钢管外径，即管外径，即D=D0-S，代入强度公式得，代入强度公式得第一百二十二页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺公式的适用范围为公式的适用范围为第一百二十三页，编辑于星期六：十八点 三十五

47、分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l2 球形容器球形容器l主应力主应力由第三强度理论公式得，由第三强度理论公式得，第一百二十四页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺公式的适用范围为公式的适用范围为强度校核强度校核公式汇总见公式汇总见p92表表4-1第一百二十五页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l二二 设计参数的确定设计参数的确定l1 压力（除注明外，均指表压力）压力（除注明外，均指表压力）2 2）设计压力）设计压力p：设定的容器顶部的最高压力，设

48、定的容器顶部的最高压力，它与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其它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。值不低于工作压力。1 1）工作压力）工作压力pw：正常工作情况下，容器顶部正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。可能达到的最高压力。第一百二十六页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l3）计算压力）计算压力pc：相应设计温度下，用以：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。确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压。当液柱静压当液柱静压5p时，可忽略。时，可忽略。A 无安全泄放装置：（无安全泄放

49、装置：（1.01.1）pw 具体取值见具体取值见p92表表42。对内压容器，设计压。对内压容器，设计压力取值：力取值：第一百二十七页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺lB 有安全阀：（有安全阀：（1.051.1）pwD 装有液化气：取最高温度时的饱和气压装有液化气：取最高温度时的饱和气压此外，还需考虑风载、震载、温差载荷等此外，还需考虑风载、震载、温差载荷等C 装有爆破片：先确定最低标定爆破压力装有爆破片：先确定最低标定爆破压力 psmin,由由pb=psmin+下限（绝对值）选定爆下限（绝对值）选定爆破片制造范围的上限，破片制造范围

50、的上限，p pb+上限上限第一百二十八页，编辑于星期六：十八点 三十五分。化工设备机械基础化工设备机械基础化学工程与工艺化学工程与工艺l2 设计温度设计温度 指正常工作情况下，设定的元件金属温指正常工作情况下，设定的元件金属温度，与设计压力一起作为设计载荷条件，度，与设计压力一起作为设计载荷条件，是选材和确定许用应力不可缺少的条件。是选材和确定许用应力不可缺少的条件。可实测或计算，无法预计时，可如下确定：可实测或计算，无法预计时，可如下确定：1 1）容器内介质用蒸汽直接加热或被内置加热）容器内介质用蒸汽直接加热或被内置加热元件间接加热时，设计温度取最高工作温度。元件间接加热时，设计温度取最高工