化工容器设计PPT.ppt

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1、第一节 容器壳体的应力分析 第二节 圆平板中的应力 第三节 内压薄壁容器设计计算 第四节 法兰,第二章 中低压容器设计,容器壳体的应力分析 概 述,压力容器分析方法 1、解析法（数值法）：以弹性和塑性力学与板壳理论为基础的精确数学解。 2、极值法（有限单元法） 3、实验应力分析法（电测法和光弹性法）,容器壳体的应力分析 概 述,1.定义：以两个曲面为界，曲面之间的距离远比其他方向小得多的物体。 壳体的厚度：两个曲面之间的距离。 壳体的中面：平分壳体厚度的曲面。,容器壳体的应力分析 薄壁壳体结构及分类,2.分类：,（1）根据中面的形状,球壳 圆柱壳 圆锥壳 椭圆壳,薄壳：（t/R）max0.1

2、厚壳：反之,（2）根据壳体厚度t与中面曲率半径之比：,容器壳体的应力分析 回转壳体的无力矩理论,（一）引言 1、轴对称问题：几何形状对称于回转轴且任一横截面上受对称载荷作用。 2、无力矩理论和有力矩理论： 壳体内力：薄膜内力（N、N），由于中面拉伸和剪切变形产生的。 弯曲内力：（Q、M、M），由于中面弯曲、扭曲变形而产生的。 无力矩理论：只考虑薄膜内力。 有力矩理论：考虑上述全部内力。,容器壳体的应力分析 回转壳体的无力矩理论,（二）回转壳体的几何特性 母线：回转壳的中面是回转曲面，它是由一根平面曲线绕一根在曲线平面内的定轴旋转而成，这根曲线称为母线。如OA。,容器壳体的应力分析 回转壳体的无

3、力矩理论,（二）回转壳体的几何特性 经线平面：通过回转轴的平面。 经线：经线平面与中面的交线。 平行圆：垂直于回转轴的平面与中面的交线形成的圆。该圆的半径称为平行圆半径，用r表示。,容器壳体的应力分析 回转壳体的无力矩理论,（二）回转壳体的几何特性 第一曲率半径R1：经线OA上任意点a的曲率半径。 第二曲率半径R2：过a与经线垂直的平面切割中面形成一曲线BaB，此曲线在a点的曲率半径成为第二曲率半径，用R2表示，它等于沿a点法线n反向至旋转轴相交的距离O2a。,容器壳体的应力分析 回转壳体的无力矩理论,（二）回转壳体的几何特性 r= R2sin （2-1a） dr=R1dcos （2-1b）,

4、容器壳体的应力分析 回转壳体的无力矩理论,（三）壳体微元及内力分量 在上述回转壳中面上，用两根相邻的经线ab和cd以及两个相邻的平行圆ac和bd截取壳体微元abcd。 该微元的经线弧长为： dl1=R1d 该微元的平行圆弧长为： dl2=rd 微元面积： dA=R1drd,容器壳体的应力分析 回转壳体的无力矩理论,1.微元壳体上的内力分量： N径向薄膜内力（N/mm） （作用在单位长度平行圆上的拉力与压力，沿径向切线） N周向薄膜内力（N/mm）（作用在单位长度经线上的拉伸或压缩力方向，沿平行圆切线）,容器壳体的应力分析 回转壳体的无力矩理论,2.坐标轴 X轴在a点与经线相切 Y轴在a点与平行

5、圆相切 Z轴与中面垂直，沿a点法线指向旋转,容器壳体的应力分析 回转壳体的无力矩理论,3.内力分量,容器壳体的应力分析 回转壳体的无力矩理论,如图可知各内力分量在x、z轴上的投影值分别为：,容器壳体的应力分析 回转壳体的无力矩理论,上两式即为回转薄壳无力矩理论轴对称问题 的两个基本方程式。,容器壳体的应力分析 回转壳体的无力矩理论,（2-6）,上对于顶部封顶的回转壳体，变换（2-4）为：,容器壳体的应力分析 回转壳体的无力矩理论,容器壳体的应力分析 回转壳体的无力矩理论,（四）、计算薄膜应力的一般步骤： （1）确定计算点的第一和第二主曲率半径。 （2）求出计算点的法向表面分布载荷。 （3）列出

6、微元平衡方程式（2-4），求出周向和径向应力（这些均为未知内力）。 （4）在计算点截面处截取一部分为隔离体，画出受力图，包括全部外力和未知内力，建立平衡方程式（2-8），然后与（3）联立解出两者应力。,容器壳体的应力分析 回转壳体的无力矩理论,（五）薄壁容器的薄膜应力,以上两式为计算薄膜容器壳体中薄膜应力的计算公式。,容器壳体的应力分析 回转壳体的无力矩理论,（五）薄壁容器的薄膜应力,容器壳体的应力分析 回转壳体的无力矩理论,（五）薄壁容器的薄膜应力,容器壳体的应力分析 回转壳体的无力矩理论,（五）薄壁容器的薄膜应力,容器壳体的应力分析 回转壳体的无力矩理论,（五）薄壁容器的薄膜应力,容器壳体

7、的应力分析 回转壳体的无力矩理论,（五）薄壁容器的薄膜应力,容器壳体的应力分析 回转壳体的无力矩理论,（五）薄壁容器的薄膜应力,容器壳体的应力分析 回转壳体的无力矩理论,（五）薄壁容器的薄膜应力,容器壳体的应力分析 回转壳体的无力矩理论,（五）薄壁容器的薄膜应力,容器壳体的应力分析 回转壳体的无力矩理论,（五）薄壁容器的薄膜应力,容器壳体的应力分析 回转壳体的无力矩理论,（五）薄壁容器的薄膜应力,内压薄壁容器设计计算 引 言,内容：介绍承受内压（35MPa）的容器筒体和封等元件的强 度计算方法。 包括：结构设计和强度计算两个方面。 结构设计：需要选择适用、合理、经济的结构形式，同时满足制造、检

8、测、装配、运输和维修要求。 强度计算：选择容器的材料，确定主要结构尺寸，满足强度、刚度和稳定性要求，以保证容器安全可靠运行。,内压薄壁容器设计计算 圆筒和球壳的设计计算,（一）圆筒 圆筒承受均匀内压作用时，其器壁中产生如下薄膜应力：,内压薄壁容器设计计算 圆筒和球壳的设计计算,（一）圆筒,内压薄壁容器设计计算 圆筒和球壳的设计计算,（一）圆筒,内压薄壁容器设计计算 圆筒和球壳的设计计算,（一）圆筒五个厚度之间的关系,内压薄壁容器设计计算 圆筒和球壳的设计计算,（一）圆筒五个厚度之间的关系,内压薄壁容器设计计算 圆筒和球壳的设计计算,（二）球壳,内压薄壁容器设计计算 设计参数的规定,（三）设计参

9、数容器的设计压力,是指在相应的设计温度下，用以确定容器壳体厚度的表压力，其值不得小于容器的最大工作压力。容器的最大工作压力是指在正常操作情况下容器定不可能出现的最高表压力。 对盛装液化气体的容器，设计压力应根据所装介质在容器可能达到的最高温度相应的饱和蒸汽压力确定。 若容器装有液体，当容器各部位或受压元件所承受的液柱静压力达到设计压力的5%时，液柱静压力应计入该部件或元件的设计压力。,内压薄壁容器设计计算 设计参数的规定,（二）设计参数容器的设计压力,当容器装有安全泄放装置时，其设计压力应根据不同形式的安全泄放装置确定。装设安全阀的容器，考虑到安全阀开启动作的滞后，容器不能及时泄压，设计压力不

10、应低于安全阀的开启压力，通常可取最高工作压力的1.051.10倍；装设爆破片时，则取标定爆破压力范围的上限,内压薄壁容器设计计算 设计参数的规定,（二）设计参数容器的设计温度,是指容器在正常操作条件下，在相应的设计压力下设定的受压元件的金属温度，其值不得低于金属可能达到的最高金属温度。,内压薄壁容器设计计算 设计参数的规定,（二）设计参数容器的焊接接头系数,内压薄壁容器设计计算 设计参数的规定,（二）设计参数壁厚附加量 壁厚附加量由两部分组成： 钢板或钢管厚度的负偏差c1（mm），按钢板或钢管标准选取，且P58表2-5，2-6。当钢板厚度负偏差不超过0.25mm且不超过名义厚度6%时，可取c1

11、=0。 腐蚀裕度c2(mm)：由介质腐蚀性和容器使用寿命确定，无特殊腐蚀情况下，对碳素钢和低合金钢，c2不小于1mm，对不锈钢，当介质的腐蚀性极弱时，可取c2 =0。,内压薄壁容器设计计算 设计参数的规定,（二）设计参数许用应力和安全系数,内压薄壁容器设计计算 设计参数的规定,（二）设计参数许用应力和安全系数,内压薄壁容器设计计算 设计参数的规定,（二）设计参数许用应力和安全系数,注：当设计温度20或介质严重腐蚀时，按复合钢板的许用应力考虑。 当设计温度低于20时，取20的许用应力。 衬层厚度不应计入元件强度内，堆焊层的厚度可以计入元件强度内。,内压薄壁容器设计计算 设计参数的规定,（二）设计

12、参数许用应力和安全系数,注： 许用应力与钢板厚度有关，在确定许用应力时，钢板厚度还不确定，应先假设钢板厚度范围，查出对应的许用应力，代入公式计算后再确定名义厚度，比较所计算出的名义厚度是否在假设的范围内，若不在该范围内，则应根据所确定的名义厚度值，重新计算。,内压薄壁容器设计计算 设计参数的规定,（二）设计参数许用应力和安全系数,注：,内压薄壁容器设计计算 设计参数的规定,（二）设计参数最小壁厚,注：,内压薄壁容器设计计算 压力实验,包括：强度试验和致密性试验 强度试验：指超工作压力下进行液压（气压）试验，目的是检查容器在朝工作压力下的宏观强度，包括检查材料的缺陷，容器各部分的变形、焊接接管的

13、强度和容器法兰连接的泄漏检查等。 致密性试验：是对介质的毒性程度危机搞活高度危害的容器或对密封性有特殊要求的容器，在强度试验合格后进行的泄漏检查。,内压薄壁容器设计计算 压力实验,内压薄壁容器设计计算 压力实验,内压薄壁容器设计计算 压力实验,致密性试验包括： 气密性试验，其压力为设计压力的1.25倍。 煤油渗漏试验 氨检漏试验 做过气压试验，并检查合格的容器可免做气密性试验,内压薄壁容器设计计算,作业：课程设计,一、鞍座结构及载荷分析 二、筒体的应力计算与校核 三、鞍座设计,第三节 卧式容器支座设计 一、鞍座结构及载荷分析,第三节 卧式容器支座设计 一、鞍座结构及载荷分析,第三节 卧式容器支

14、座设计 一、鞍座结构及载荷分析,化工厂的贮槽、换热器等设备一般都是两端具有成型封头的卧式圆筒形容器。容器的支座，是用来支承容器的重量、固定容器的位置并使容器在操作中保持稳定。 。常用卧式容器支座形式主要有鞍式支座、圈座和支腿三种，如图所示。,支腿的优点是结构简单，但反力给壳体造成很大的局部应力，用于较轻的小型设备,鞍式支座，通常用于较重的大设备。对于卧式容器，除了考虑操作压力引起的薄膜应力外，还要考虑容器重量在壳体上引起的弯曲，所以即使选用标准鞍座后，还要对容器进行强度和稳定性的校核，,第三节 卧式容器支座设计 一、鞍座结构及载荷分析,置于鞍座上的圆筒形容器与梁相似，当尺寸和载荷一定时，多支点

15、在梁内产生的应力较小，支座数目似乎应该多些好。 但容器采用两个以上的鞍座时，支承面水平高度不等、壳体不直和不圆等微小差异以及容器不同部位在受力挠曲的相对变形不同，使支座反力难以为各支点平均分摊，导致壳体应力趋大，因此一般情况采用双支座。 采用双支座时，支座位置的选择一方面要考虑到利用封头的加强效应，另一方面又要考虑到不使壳体中因荷重引起的弯曲应力过大，所以按下述原则确定支座的位置：,第三节 卧式容器支座设计 一、鞍座结构及载荷分析,双鞍座卧式容器的受力状态可简化为受均布载荷的外伸简支梁，按材料力学计算方法可知，当外伸长度A0.207L时，跨度中央的弯矩与支座截面处的弯矩绝对值相等，所以一般近似

16、取A0.2L，其中L取圆筒体长度(两封头切线间距离)，A为鞍座中心线至封头切线的距离。如A0.2L，则由于外伸作用而使支座截面处壳体的弯矩太大，A最大不得大于0.25L。 当鞍座邻近封头时，则封头对支座处筒体有加强作用。为了充分利用这一加强效应，在满足A0.2L下应尽量使A0.5Ri(筒体内半径)。 鞍座包角 的大小对鞍座筒体上的应力有直接关系，一般采用120o、135o、150o三种。 双鞍座中一个鞍座为固定支座，另一个鞍座应为活动支座。,第三节 卧式容器支座设计 一、鞍座结构及载荷分析,(一) 载荷分析,置于对称分布的鞍座上卧式容器所受的外力包括载荷和支座反力。载荷除了操作内压或外压(真空

17、)外，主要是容器的重量(包括自重、附件和保温层重等)，内部物料或水压试验充水的重量。容器受重力作用时，双鞍座卧式容器可以近似看成支承在两个铰支点上受均布载荷的外伸简支梁。当解除支座约束后，梁上受到如右外力的作用。,第三节 卧式容器支座设计 一、鞍座结构及载荷分析,(一) 载荷分析,均布载荷q、支座反力F 容器本身的重量和容器内物料的重量可假设为沿容器长度的均布载荷。因为容器两端为凸形封头，所以确定载荷分布长度时，首先要把封头折算成和容器直径相同的当量圆筒。对于半球形、椭圆形和碟形等凸形封头可根据容积相等的原则，折算为直径等于容器直径，长度为2/3H (凸形封头深度)的圆筒，故重量载荷作用的长度

18、为：,第三节 卧式容器支座设计 一、鞍座结构及载荷分析,(一) 载荷分析,均布载荷q、支座反力F 如容器总重量为2F，则作用在外伸梁上(梁全长仍为L)单位长度的均布载荷为：,对于平封头，H0，则,由静力平衡条件，对称配置的双鞍座中每个支座的反力就是F，或写成：,第三节 卧式容器支座设计 一、鞍座结构及载荷分析,(一) 载荷分析,竖直剪力V 和力偶M 封头本身和封头中物料的重量为(2/3H)q，此重力作用在封头(含物料)的重心上。对于半球形封头，可算出重心的位置e=3/8H，e为封头重心到封头切线的距离。 按照力线平移法则，此重力可用一个作用在梁端点的横向剪力V和一个附加力偶m1来代替，即： 对

19、于平封头的V与m1皆为零。,第三节 卧式容器支座设计 一、鞍座结构及载荷分析,(一) 载荷分析,竖直剪力V 和力偶M 当封头中充满液体时，液体静压力对封头作用一水平向外推力。因为液柱静压沿容器直径呈线性变化，所以水平推力偏离容器轴线，对梁的端部则形成一个力偶m2。 对液体静压力进行积分运算，可得到如下的结果：,第三节 卧式容器支座设计 一、鞍座结构及载荷分析,(一) 载荷分析,竖直剪力V 和力偶M 对液体静压力进行积分运算，可得到如下的结果： 将m1与m2两个力偶合成一个力偶M：,显而易见，对于半球形封头，RiH，M0； 而平封头，H0，Mq/4R2。,因此，双鞍座卧式容器力学简化为一受均布载

20、荷的外伸简支梁，梁的两个端部还受到横剪力V和力偶M的作用,第三节 卧式容器支座设计 一、鞍座结构及载荷分析,(二) 内力分析,(1)弯矩 最大弯矩发生在梁跨度中央的截面和支座截面上，而最大剪力在支座截面附近。 支座跨中截面的弯矩：,第三节 卧式容器支座设计 一、鞍座结构及载荷分析,(二) 内力分析,弯矩,第三节 卧式容器支座设计 一、鞍座结构及载荷分析,(二) 内力分析,弯矩,筒体在支座截面处的弯矩为：,第三节 卧式容器支座设计 一、鞍座结构及载荷分析,(二) 内力分析,弯矩,C2，C3可由图3-17、图3-18按 H/Ri和L/Ri的比值查得。M2一般为负值，表示筒体上半部受拉伸，下半部受压

21、缩。,第三节 卧式容器支座设计 一、鞍座结构及载荷分析,(一) 内力分析,剪力,剪力最大值出现在支座处筒体上，以图的左支座为例，在支座左侧的简体截面上剪力为：,而支座右侧筒体截面上剪力为：,对于卧式容器除了考虑由操作压力引起的薄膜应力外，还要考虑容器总重导致筒体横截面上的纵向弯矩和剪力。跨中截面和支座截面是容器可能发生失效的危险截面。为此必须进行强度或稳定性较核。,第三节 卧式容器支座设计 二、筒体的应力计算与校核,(一)筒体的轴向应力 1.鞍座跨中截面上筒体上的最大轴向应力 截面最高点 截面最低点 当P为正压或外压时，分别为拉应力或压应力,第三节 卧式容器支座设计 二、筒体的应力计算与校核,

22、跨中截面,(一)筒体的轴向应力 2.支座截面上筒体的最大轴向应力 如果筒体横截面上既无加强圈又不被封头加强(即A0.5Ri)，该截面在轴向弯矩作用下，筒体的上半部分截面发生变形，使该部分截面实际上成为不能承受纵向弯矩的“无效截面”，而剩下的下半部分截面才是承受弯矩的“有效截面”，这种情况称为“扁塌效应”。,第三节 卧式容器支座设计 二、筒体的应力计算与校核,支座截面,(一)筒体的轴向应力 2.支座截面上筒体的最大轴向应力 计算支座处筒体的轴向弯曲正应力时，分两种情况进行： 鞍座平面上筒体有加强圈或已被封头加强(A0.5Ri)。由整个圆筒截面承受弯矩，不存在扁塌效应。则该截面的抗弯断面模数为 。

23、 鞍座截面上未设置加强圈又(A0.5Ri)，由于扁塌效应筒体截面仅有一部分能承受弯矩，此时的截面的弧长与2D对应，,第三节 卧式容器支座设计 二、筒体的应力计算与校核,(一)筒体的轴向应力 2.支座截面上筒体的最大轴向应力 在截面最高点； 在截面最低点： 式中K为考虑扁塌效应使断面模数减少的系数。 式中M2为负值。对于筒体有加强的情况，K1=K2=1.0,第三节 卧式容器支座设计 二、筒体的应力计算与校核,(一)筒体的轴向应力 3.筒体轴向应力的校核 筒体上最大轴向应力为 ，其位置如上。 计算得到的轴向拉应力不得超过材料的许用应力 ，压应力不得超过轴向许用临界应力 和材料的 。,第三节 卧式容

24、器支座设计 二、筒体的应力计算与校核,计算 时，应根据操作和非操作时(指无操作压力装满物料或水的情况)等不同工况，找出危险工况下可能产生的最大应力。例如对有加强的筒体，当 时，只需校核跨中截面的应力，反之两个截面都要校核；又如：正压操作的容器，在盛满物料而未升压时，其压应力有最大值，故对稳定应取这种工况进行校核。,(二)筒体的切向剪应力 剪力在支座截面处最大，在筒体中引起切向剪应力，有下列三种情况： 1.筒体有加强圈，但未被封头加强，筒体不存在扁塌效应，在水平中心线处有最大值。,第三节 卧式容器支座设计 二、筒体的应力计算与校核,(二)筒体的切向剪应力 2.筒体被封头加强，筒体上无加强圈，但鞍

25、座靠近封头，封头对筒体支座截面起加强作用。,第三节 卧式容器支座设计 二、筒体的应力计算与校核,(二)筒体的切向剪应力 2.筒体被封头加强，筒体上无加强圈，但鞍座靠近封头，封头对筒体支座截面起加强作用。,第三节 卧式容器支座设计 二、筒体的应力计算与校核,大部分剪力先由支座的右侧跨过支座传至封头，然后又将载荷传回到支座靠封头的左侧筒体，切向切应力的分布呈图所示的状态，最大切应力位于 的支座角点处。,最大切应力：,封头的最大切应力：,(二)筒体的切向剪应力 3.筒体未被加强。,第三节 卧式容器支座设计 二、筒体的应力计算与校核,当支座截面上简体既无加强圈，又未被封头加强时，则由于存在“扁塌效应”

26、，筒体抗剪的有效截面减少。此有效截面的范围也为角 对应的弧段内。,最大切向剪应力在 数值也为：,但K3数值不相同。,(二)筒体的切向剪应力 4.切向切应力的校核： 鞍座处筒体的最大切向切应力 的大小和位置决定于筒体的加强形式。求得的切应力值不得超过材料在设计温度下许用应力的0.8倍和轴向许用临界应力 即,第三节 卧式容器支座设计 二、筒体的应力计算与校核,封头中的切应力，其最大值不应超过下列限制：,(三)筒体的周向应力 支座反力在支座处筒体截面引起切向切应力，这些切应力导致在筒体径向截面产生周向弯矩Mt。当支座截面上筒体有加强圈加强时，周向弯矩在鞍座边角处有最大值。理论上最大周向弯矩为：,第三

27、节 卧式容器支座设计 二、筒体的应力计算与校核,作用在一有效计算宽度 l 的范围上， l 的取值根据不同的l /Ri比值而定。,(三)筒体的周向应力 当筒体截面无加强圈，封头对支座处筒体也无加强作用，即A0.5Ri。 若封头有加强作用，A0.5Ri。最大周向弯矩都在鞍座边角处，数值上都低于支座截面有加强圈的情况，这两种情况中的最大周向弯矩仍按上式计算，但其中系数K按表3-3选取。,第三节 卧式容器支座设计 二、筒体的应力计算与校核,(三)筒体的周向应力,第三节 卧式容器支座设计 二、筒体的应力计算与校核,(三)筒体的周向应力,第三节 卧式容器支座设计 二、筒体的应力计算与校核,周向压缩应力 的

28、计算值，不得大于筒体材料设计温度下的许用应力 ，即； 合成周向压缩应力 应不大于设计温度下材料许用应力的1.25倍，即 如上述条件不满足，则可加宽支座宽度 或在简体与支座之间加放加强板(见图，加强板可与筒体厚度相同，宽度 不小于 ，包角不小于 。 设置加强板以后，应以筒体计算厚度和加强板厚度之和作为厚度。由于加强板边缘处筒体并无加强板，所以还应检查该处的合成压缩应力，如应力仍超出允许值，则应增加鞍座宽度或包角，或两者同时增加，也可设置加强圈。,(三)筒体的周向应力,第三节 卧式容器支座设计 二、筒体的应力计算与校核,(四)鞍座设计,第三节 卧式容器支座设计 二、筒体的应力计算与校核,增大鞍座包

29、角可以使筒体中的应力降低，但使鞍座相应变得笨重，同时也增加了鞍座所承受的水平推力；过分地减小包角，又使容器容易从鞍座上倾倒，因此在一般情况下建议取,鞍座宽度 的大小，一方面决定于设备给予支座的载荷大小，另一方面要考虑支座处筒体内周向应力不超过允许值。,设备给予鞍座的载荷为沿包角 对应弧段的不均匀分布的径向力q，此载荷的水平分力将使鞍座向两侧分开，故鞍座的宽度 必须具有足够大小。,(四)鞍座设计,第三节 卧式容器支座设计 二、筒体的应力计算与校核,半个鞍座的水平分力的总和可以用下式表示：,(四)鞍座设计,第三节 卧式容器支座设计 二、筒体的应力计算与校核,承受此水平分力的有效截面的高度为H，最大

30、为筒体最低点以下 的范围内，此截面上的平均应力不应超过支座材料许用应力值的三分之二，即：,式中： 对钢制鞍座取腹板厚度；对混凝土鞍座则为鞍座宽度 ，mm； Hs计算高度，取鞍座实际高度与 中较小值 鞍座材料的许用应力，MPa。,在大多数情况下，鞍座宽度 取 。,一、引言 二、壳体局部应力的计算,第四节 局部应力计算 一、 引 言,容器除了受内压或外压之外， 在其制造、安装和使用过程 中还受到许多其它载荷。这 些附件包括支座，托架，吊 耳和接管等，如右图，通过 附件传过来的载荷对壳体的 影响通常仅限于附件与壳体 连接处附近的局部地区，因 此称为局部载荷。,第四节 局部应力计算 一、 引言,当容器

31、同时受到压力载荷时，在这些局部地区还有另外一些局部应力，如局部薄膜应力和弯曲应力，以及在截面尺寸突变的转角处的应力集中。这些局部应力的存在将成为容器发生强度或稳定性失效的主要原因。因为容器总有接管和支撑附件，所以计算局部载荷作用下壳体或接管中的局部应力成为十分必要。 由于载荷或几何形状和载荷的非对称性，对局部应力作完整分析过于复杂，往往不便于应用。,第四节 局部应力计算 一、 引言,第四节 局部应力计算 二、 球壳和圆柱壳局部应力的计算,（一）外载荷 通过附件传到壳体上的外载荷包括下列几种： 径向载荷P； 外力矩M(球壳)或周向外力矩和经向外力矩(圆柱壳)； 切向载荷V(球壳)或周向切向载荷V

32、c和经向切向载荷VL(圆柱壳)； 扭转力矩MT； 上述载荷的不同组合。,(二) 应力 （1）一般的计算式 由径向载荷和外力矩在薄壳中产生的正应力为 式中： Ni为i方向单位长度的薄膜内力，N/mm Mi为i方向单位长度的内弯矩，Nmm/mm T为壳体厚度，mm Kn,Kb为薄膜应力和弯曲应力的应力集中系数 对于受静载荷的钢制容器， Kn=Kb=1.0,第四节 局部应力计算 二、 球壳和圆柱壳局部应力的计算,第四节 局部应力计算 二、 球壳和圆柱壳局部应力的计算,第四节 局部应力计算 二、 球壳和圆柱壳局部应力的计算,(二) 应力 式中i方向对圆柱壳指周向 和轴向x，对球壳指切向 和经向x，,对

33、圆柱壳为：,式中： 扭转力矩MT在壳体与附件连接处壳壁中产生的切应力， 圆柱形附件：,第四节 局部应力计算 二、 球壳和圆柱壳局部应力的计算,(二) 应力 由切向载荷和转矩在壳体中产生的切应力则按下式计算；,圆柱壳为：,球壳：,球壳-圆柱壳附件：,球壳-方形附件：,（二）应力 （2）正应力位置和符号。 在一般情况下，由局部载荷引起的最大正应力发生在附件与壳体连接处的壳壁内外表面上，如下图所示：Au、Bu、Cu、Du和AL、BL、CL、DL八个点。这些点的应力状态为双向应力状态，即对球壳为经向应力x和切向应力。,第四节 局部应力计算 二、 球壳和圆柱壳局部应力的计算,（二）应力 （2）正应力位置

34、和符号。,第四节 局部应力计算 二、 球壳和圆柱壳局部应力的计算,球壳-圆柱形：,球壳-方形：,化工容器设计中的结构设计问题涉及过程工艺、材料、制造与防腐蚀等因素，本节仅从应力与强度角度进行结构分析。从应力与强度上讲必须要考虑如何减小局部应力，若容器的容积愈大，压力愈高，在结构设计中对减小局部应力的考虑应愈仔细，否则局部应力过高将导致结构在局部区域发生过度变形失效，甚至使整个设备毁坏。 结构设计中减小局部应力的原则措施是： 在结构不连续处尽可能圆滑过渡，并应避开焊缝。 在有局部载荷作用的地方应适当予以加强，如垫以衬板以减小局部应力。,第五节 容器设计中的结构设计问题 一、 容器的结构设计问题分

35、析,（一）凸形封头边缘直边段的分析 碟形、椭圆形或球形封头，在封头与圆筒交接的切线处(见图)总存在结构不连续应力，不连续应力最大的地方应避免设置焊缝，必须使封头具有一直边段。在直边段之外不连续应力已得到一定的衰减，这样焊缝中即使存在一些小的缺陷以及焊接残余应力，也不致对安全有太大的影响。,第五节 容器设计中的结构设计问题 一、 容器的结构设计问题分析,球形封头，由于封头本身较深，制造时再要增加一直边段就更难冲压，一般不设直边段。球与圆筒的切线也同时成为焊缝(见图)。但不应忽视环焊缝也是球封头上的焊缝，因此即使球封头本身没有拼接焊缝，然而在计算壁厚时也应考虑焊接接头系数的选取，此种情况不考虑焊接

36、接头系数是不合理的。,（一）凸形封头边缘直边段的分析 球形封头与管板相连接的结构，由于焊缝所处的位置是球与平板结合的不连续处，存在较大的不连续应力。此处的焊缝又为单面角焊缝，无法内部探伤。这种结构在实际使用中已多次发生爆炸，不得不使数百台同类设备报废。从爆炸断口分析可知，此处存在许多未焊透缺陷。较为理想的做法是采用图(b)的结构，使管板周围突出，把角焊缝变成对接焊缝，既可保证焊接质量，又可有利于无损检测。且焊缝又不处于不连续应力最大的地方。但这也带来了新的问题，即管板毛坯太厚，加工较复杂。,第五节 容器设计中的结构设计问题 一、 容器的结构设计问题分析,（二）变径段结构分析 化工设备往往需要使

37、直径 不同的两段筒体连接在一起， 连接部位必须考虑圆滑过渡的 问题。图(a)结构使上下连接 部位的结构不连续应力过大， 仅能用于a 30o的情况。当 半锥角30o 45o时小端 也应采用如图(c)所示的带过渡区的折边锥壳，或者采用如图(d)所示的反向曲线形式的回转壳变径段。 变径段的结构设计与强度设计方法在我国压力容器标准中有具体规定。 所有带过渡段折边的焊缝均不布置在几何不连续的切点处，所有折边都有一直边段。,第五节 容器设计中的结构设计问题 一、 容器的结构设计问题分析,（三）支座与容器的连接结构 对用于支承立式容器的悬挂式支座(亦称耳式支座)，其结构见下图。这些支座的反力作用在容器被支承

38、的部位，容器便承受了局部载荷，将产生局部应力。但对于较小较轻的容器，如果容器本身已有足够的厚度，则可不加垫板。如果设备很重，例如重达数百吨的大型固定床反应器，则应在支座与容器之间焊上垫板，以减小壳体中的局部应力。,第五节 容器设计中的结构设计问题 一、 容器的结构设计问题分析,加垫板有时不完全是为减小局部应力，不锈钢容器，其支座不需要用不锈钢材料而用碳钢即可，但为了避免不锈钢壳体与碳钢支座直接焊接，可以在支座处衬上不锈钢的垫板。,（三）支座与容器的连接结构 大型立式容器及塔设备一般不用悬挂式支座及支承式支座，而采用裙式支座。裙式支痤由一圆筒体和底部支承圈组成，圆筒体部分的顶端则与立式容器的底封

39、头焊接相连。圆筒体的直径可以与容器直径相同。裙式支座对立式容器的反力作用比较均匀，局部应力不很大，但裙座本身却要承受立式容器的重量(包括内部物料重量)和风载荷、地震载荷。其结构设计和强度与稳定性计算可参见化工设备设计。,第五节 容器设计中的结构设计问题 一、 容器的结构设计问题分析,（三）支座与容器的连接结构 球形容器在工业上常用于大型的贮藏带有压力的气体或液化气体的贮存容器，它比同样压力同样容积的其他容器消耗的钢材少，占地面积也最小，有显著的经济性，在大型的化工、石油化工、城市煤气和冶金企业中被广泛应用。,第五节 容器设计中的结构设计问题 一、 容器的结构设计问题分析,小型的(如50m3)球

40、形容器常采用小的裙式支座。大型400m3、1000m3及2000m3的球形容器常用立柱支承。立柱又布置在正切于球形容器的赤道线上，承受容器及物料的重量、由风载荷和地震载荷构成的倾倒力。支柱间用拉杆相连，增加稳定性。支柱在赤道处与球壳相切，对球壳的法向作用力极小，因此支承处壳体中的局部应力最小，而且一般可以不加垫板 。,（四）化工容器的人孔、手孔与视孔 化工容器上除安置接管以外还常设置必要的人孔、手孔及视孔(窥镜)，它们有不同的用途。合理地设置这些开孔是容器整体结构设置的不可缺少的部分 。,第五节 容器设计中的结构设计问题 一、 容器的结构设计问题分析,人孔便于人员进入容器的内部设置的。除人员进

41、出外还便于容器内构件的吊装。从容器的安全角度可进行内部检验。因此人孔的公称直径不得小于450mm，常用的500mm。由此内构件的宽度不得超过人孔的内径。人孔增加了容器的泄漏点，这是不利的方面，一台容器上不要设置过多的人孔。离地较高的人孔，不论是卧式容器还是立式容器，都要附设扶梯和或操作平台。,（四）化工容器的人孔、手孔与视孔,第五节 容器设计中的结构设计问题 一、 容器的结构设计问题分析,手孔直径较小的容器无需人员进出，但为对内壁进行观察与检查应设置手孔。许多容器既无人孔又无手孔，封头又不可拆，给投运后的在役定期检验带来了麻烦，无法观察，又不能到内壁贴片作X射线检测，无法对容器的安全状况做出正

42、确评价，无法执行质量监察部门对容器进行定期检查的规定。手孔的公称直径一般在200mm左右。,视孔对容器内部情况进行观察所需要的。视孔要装玻璃的透明视镜并有可靠的法兰密封。从使用温度与压力选用合适的透明材料。为观察方便要在容器的同一水平高度上在直径方向的两端各开一视孔，便于采光。必要时，可在视孔结构上专门设置照明灯。,（一）化工容器焊缝的分类,第五节 容器设计中的结构设计问题 二、 容器焊缝的分类,容器的组装采用焊接，焊缝是焊肉、熔合线和热影响区的总称，亦称焊接接头。焊缝的接头和坡口形式的设计直接影响到焊接的质量与容器的安全。焊缝结构的设计应在化工容器的装配总图或部件图中以节点图表示出来。,容器

43、上不同部位不同部件间的连接焊缝可按其在整体强度与安全中所处地位的不同将它们分为A、B、C、D四类，以合理地设计这些焊缝结构和进行合适的质量控制与检验。焊缝分类情况可参见上图。,第五节 容器设计中的结构设计问题 二、 容器焊缝的分类,容器壳体上纵向焊缝及凸形封头上的拼接焊缝都承受最大主应力，属于A类焊缝。 容器壳体上的环向焊缝所受的主应力仅为纵焊缝应力的一半，将其分类为B类焊缝。 球形封头与圆筒壳的连接环缝不属于B类而应属于A类焊缝，因为这条环缝相当于凸形封头上的拼接焊缝。A类及B类焊缝全部应为对接焊缝。,（一）化工容器焊缝的分类,第五节 容器设计中的结构设计问题 二、 容器焊缝的分类,法兰、平

44、封头、管板等厚截面部件与壳体及管道的连接焊缝属C类焊缝，C类焊缝是填角焊缝。 接管、人孔或集液槽等与壳体或封头的连接焊缝属于D类焊缝，这基本上是不同尺寸的回转壳体相贯处的填角焊缝 。 这种焊缝分类方法源于ASME规范第卷，现已被吸收到中国容器标准中来，有利于焊缝质量的管理。,（一）化工容器焊缝的分类,（二）化工受压容器焊接结构设计的基本原则,第五节 容器设计中的结构设计问题 二、 容器焊缝的分类,1回转壳体的拼接焊缝必须采用对接焊缝 容器壳体上的纵向及环向焊缝、凸形封头上的拼缝，即A、B两类焊缝，是容器上要求最高的焊缝，对容器的安全至关重要，必须采用对接焊。对接焊缝易于焊透，质量易于保证，易于

45、作无损检测，可得到最好的焊缝质量。不允许用搭焊。 对接焊缝不需过于堆高，堆高将引起焊趾处的应力集中。宁愿焊缝内部质量好一点，残余应力小一点，而尽量降低堆高并过渡光滑，这对于低温操作和承受交变载荷防止疲劳破坏的容器是非常重要的。,（二）化工受压容器焊接结构设计的基本原则,第五节 容器设计中的结构设计问题 二、 容器焊缝的分类,2对接接头应采用等厚度焊接 厚度不等的两部分回转壳体对接时必须使接头两侧的厚度相等，减少刚度差，降低应力集中，便于焊接。接头两侧的厚度之差不超过表中数值，可按较厚板的厚度进行坡口设计。若超过，对较厚板作单面或双面削薄处理，削薄部分的长度至少是两板厚度差的3倍，即l3(1一

46、2)，或斜度为1：3。,（二）化工受压容器焊接结构设计的基本原则,第五节 容器设计中的结构设计问题 二、 容器焊缝的分类,3焊接接头应便于进行无损检测 对焊接质量或无损检测要求较高的容器，应使搭接或角接的接头设计成对接接头，例如管板与球形封头的焊接结构就优于图(a)的结构，它使结构的应力集中改善，方便进行X射线拍片和超声检验，在焊接结构上保证了容器的制造质量。,(三)容器焊接接头的坡口设计,第五节 容器设计中的结构设计问题 二、 容器焊缝的分类,焊缝坡口设计是焊接结构设计的重要内容，合适的坡口可让焊条或焊丝伸人坡口根部，以保证焊透。坡口的基本尺寸为坡口角度a、根高P和根距C。容器设计图纸上对重

47、要的焊接接头必须用节点图表明坡口这三个尺寸的具体数值。对接、搭接和角接焊缝的坡口均有各自的特点，分别适用于不同的场合。但不论什么坡口均有一些共同的基本原则：,(三)容器焊接接头的坡口设计,第五节 容器设计中的结构设计问题 二、 容器焊缝的分类,焊缝坡口的基本原则：,尽量减少填充金属量 既可节省焊接材料，又可减少焊接工作量。,保证焊透，避免产生各种焊接缺陷 采用双面焊或单面焊双面成型；仔细清根，保证焊透。,改善劳动条件 要便于焊接，便于清根，尽量减少容器内部的焊接工作量，清根尽可能在容器外部进行，因此常使V形坡口的开口设置在容器内壁，焊根设在外壁。,第三章 外压容器设计,马廷霞 西南石油大学机电工程学院,目 录,外压容器的稳定性 外压容器的失效形式, 基本概念 外压容器：容器外部压力大于内部压力。 失效：容器失去了正常的工作能力。 外压容器的失效形式 外压容器的失效一是强度不够，二是稳定性不足。 外压薄壁容器失稳是主要的失效形式。,外压容器的稳定性 外压容器的失效形式, 失稳的概念 容器强度足够却突然失去了原有的形状，筒壁被压瘪或发生褶绉，筒壁的圆环截面一瞬间变成了曲波形。这种在外压作用下，筒体突然失去原有形状的现象称弹性失稳。 容器发生弹性失稳将使容器不能维持正常操作，造成容器失效。,外压容器的稳定性 外压容器的失稳形