化工容器设计教程.ppt

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1、第2章 化工容器设计概论,容器的结构,一、容器的分类,高压容器； 中压容器(仅限毒性为极度和高度危害介质)； 中压储存容器(仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且PV大于等于10MPa m3 )； 中压反应容器(仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且PV大于等于0.5MPa m3 )； 低压容器(仅限毒性程度为极度和高度危害介质，且PV大于等于0.2MPa m3 )； 高压、中压管壳式余热锅炉； 中压搪玻璃压力容器； 使用强度级别较高的材料制造的压力容器； 移动式压力容器； 球形储罐； 低温液体储存容器,1. 一类容器、二类容器、三类容器的划分,(1).符合下列情况之一者，为第三类压力容器：,中压

2、容器； 低压容器(仅限毒性程度为极度和高度危害介质)； 低压反应容器和低压储存容器(仅限易燃或毒性程度为中度危害介质)； 低压管壳式余热锅炉； 低压搪玻璃压力容器；,(2).符合下列情况之一者，为第二类压力容器：,(3).不属于第3类、第2类的容器，均为第1类压力容器。,极度高度危害物质：氟气、氟化氢、光气、甲醛、苯、氯气、四氯化碳、三硝基甲苯、汞及其化合物等。 中度轻度危害物质：一氧化碳、硫化氢、氨气、甲醇、硫酸、盐酸、二氧化硫、丙酮、乙炔、汽油、四氟乙烯等。,2. 毒性程度的划分,思考题：下列容器分别为第几类容器？, 1500，设计压力为10MPa的废热锅炉 设计压力为0.6MPa的HF气

3、体贮罐 设计压力为2.5MPa的搪玻璃容器 铁路罐车,a、第三类容器(3-6),b、第二类容器(2-2),c、第三类容器(3-7),d、第三类容器(3-9),国务院颁发的锅炉压力容器安全监察暂时条例； 劳动部颁发的锅炉压力容器安全监察暂时条例实施细则； 劳动部颁发的压力容器安全技术监察规程； “全国压力容器标准化技术委员会”颁发的国家标准钢制压力容器； 劳动部颁发的压力容器设计单位资格管理与监督规则； 劳动部颁发的压力容器产品质量监督检验规则； 劳动部颁发的在用压力容器检验规程； 劳动部颁发的压力容器使用登记管理规则。,3. 关于压力容器实施监察管理的八大法规,强度的要求； 刚度的要求； 稳定

4、性； 耐久性； 密封性； 节省材料和便于制造； 方便操作和便于运输； 技术经济指标合理。,二、容器机械设计的基本要求,保证压力容器安全运行必须注意的几个问题：,压力、温度要防止超限； 低温的控制；,对环境温度的控制，如装气钢瓶要防止日晒和接近热源； 开停车的压力温度波动； 介质成分的控制，如氯离子、氢离子及某些气体的含水量。,温度下降，材料的韧性下降。所以对于设计温度等于或低于-20的碳素钢和低合金钢制的压力容器成为低温压力容器。关于低温压力容器的选材、结构、制造、检验和验收都有专门的规定，决不允许将不是低温用钢改作低温容器使用。,我国已经成为世界贸易组织成员国，要求化工设备零部件必须标准化，

5、也有利于成批生产，缩短生产周期，提高产品质量，降低成本，从而提高产品的竞争力； 零部件的标准化可以增加其互换性； 零部件的标准化也有利于设计、制造、安装和检修，提高劳动生产率； 关于化工设备零部件的标准化，我国已经颁布了一系列的零部件的标准。,三、容器零部件的标准化,1. 容器零部件标准化的意义,1989我国压力容器标准化技术委员会制订了GB150-89钢制压力容器，它是在我国钢制石油化工压力容器设计规范标准实施了20余年基础上，总结我国大量工程实践经验，以理论与实验研究为指导，并吸收了国际同类先进标准的内容而编制的，标志着我国集设计、制造、检验和验收技术要求于一体，独立、完整、统一的中国压力

6、容器标准体系正在形成。1998年，针对GB150-89 又进行了修订，形成了GB150-1998，使标准更加完善。 GB150钢制压力容器包括压力容器板壳元件计算、容器结构要素的确定，密封设计、超压泄放装置的设置以及容器的制造与验收的要求等，是压力容器制造、设计、检验与验收的综合性国家标准。它是确保压力容器结构强度、结构稳定和结构刚度，以达到安全使用所必须遵循的基本技术要求。,2.国内标准,3.国外标准,美国ASME规范 ：ASME规范规模庞大、内容完善，仅依靠ASME规范本身即可完成压力容器选材、设计、制造、检验、试验、安装及运行等全部工作环节。现在ASME规范共有十一卷，总计二十二册，另外

7、还有二册规范案例。其中与压力容器密切相关的部分有： 第卷 材料技术条件、第卷 无损检验、第卷 压力容器及第卷 焊接及钎焊评定。ASME规范每年增补一次，每三年出一新版，技术先进，修订及时，能迅速反映世界压力容器科技发展的最新成就，使它成为世界上影响最大的一部规范。 英国压力容器规范（BS） 日本国家标准（JIS） 德国压力容器规范（AD） ：AD规范与ASME规范相比，具有如下的特点： AD规范只对材料的屈服极限取安全系数，且取数较小。因此，产品厚度薄、重量轻； AD规范允许采用较高强度级别的钢材； 在制造要求方面，AD规范没有ASME详尽，他们认为这样可使制造厂具有较大的灵活性，易于发挥各厂

8、的技术特长和创新。,公称直径 DN,4. 容器零部件标准化的基本参数(DN、PN),对由钢板卷制的筒体和成形封头而言，公称直径是指它们的内径； 对于管子而言，公称直径既不是内径，也不是外径，而是小于管子外径的一个数值。只要管子的公称直径确定了，它的外径也就确定了。 对于法兰来说，它的公称直径是指与它相连的筒体或管子的公称直径； 设计时，应将工艺设计初步确定的设备内径，调整到规定的公称直径。,在制定零部件标准时，仅有公称直径这一个参数是不够的，因为即使公称直径相同的筒体，只要工作压力不同，那么它们的其他尺寸也可能不一样，因此还需要引入公称压力。 设计时，如果是选用标准零部件，则必须将操作温度下的

9、最高工作压力(或设计压力)调整到所规定的某一公称压力等级，然后根据DN和PN选定该零件的尺寸。,公称压力 PN,标准化的例子其实在我国古代就有过先例，在战国时期的秦国在兵器制造方面就实行过类似于标准化的管理； 请看：视频,第3章 内压薄壁容器的应力分析,第一节、回转壳体的应力分析薄膜理论,第二节、薄膜理论的应用,第三节、内压圆筒边缘应力的概念,第一节、回转壳体的应力分析 薄膜理论,1. 内压薄壁容器及其应力特点,薄壁容器：,段：受压前后经线仍近似保持直线，这部分只承受拉应力，称为薄膜应力，没有弯曲应力。 段：由于筒体与封头的变形不同，其中筒体变形大于封头的变形，因此在这种连接处形成了一种相互约

10、束，从而导致在附近产生附加的弯曲应力，称为边缘应力。 本章重点介绍薄膜应力，简单介绍边缘应力。,当圆筒容器承受内压力P作用以后，其直径要稍微增大，故圆筒内的“环向纤维”要伸长，因此在筒体的纵截面上必定有应力产生，此应力称为环向应力，以 表示； 由于容器两端是封闭的，在承受内压后，筒体的“纵向纤维”也要伸长，则筒体横向截面也有应力产生，此应力称为径向应力，以 表示。,径向应力作用于筒体的横截面上，方向平行于筒体的轴线； 环向应力作用于筒体的纵截面上，方向为切线方向，每一点环向应力的方向不同。,径向应力作用面,环向应力作用面,外力在y轴方向上投影合力Py,2. 内压圆筒薄膜应力的计算,2.1 环向

11、应力的计算,Dil：承压曲面在假想纵截面的投影面积 ，实际上，作用在任意曲面上的介质压力，其合力等于压力与该曲面沿合力方向所得投影面积的乘积，而与曲面形状无关。,与介质内压P相平衡的是作用在单元体筒壁纵向剖面上的内力的合力Ny ：,内压圆筒环向应力的计算公式,显然，,2.2 径向应力的计算,作用在封头内表面上的外力，即介质压力在轴向的合力Pz， 不管封头形状如何，其值均为：,作用在圆筒形截面上的应力的合力Nz ：,显然，,内压圆筒径向应力的计算公式,Di 内径,S/D体现着圆筒承压能力的高低，S/D越大，圆筒承压能力越强。因此，看一个圆筒能耐多大的压力，不能光看它的壁厚大小； 对于圆筒，其环向

12、应力是径向应力的两倍； 若需要在圆筒上开椭圆孔，应按照a还是b开孔呢？,对于圆筒，环向应力是径向应力的两倍，开椭圆孔时，应按照b开，以尽量减少纵截面的削弱程度，从而使环向应力增加少一些。,2.3 圆筒环向应力与径向应力的关系,母线：AB 经线：AB，如果通过回转轴作一纵截面与壳体曲面相交所得的交线，与母线的形状相同； 中间面：与壳体内外表面等距离的中曲面； 法线：n，通过经线上任意一点M垂直于中间面的直线，其延长线必与回转轴相交。,3. 回转体的基本概念与基本假设,3.1 回转体的基本概念,过M点可作无数平面，每一平面与回转曲面相交均有交线，每条交线都在M点有不同的曲率半径，但我们只关心下面三

13、个：,过M点与回转轴作一平面，即MAO平面，称为经线平面。在经线平面上，经线AB上M点的曲率半径称为第一曲率半径，用R1表示 ； 过M点作一与回转轴垂直的平面，该平面与回转轴的交线是一个圆，称为回转曲面的平行圆，也称为纬线，此平行圆的圆心一定在回转轴上； 过M点再作一与经线AB在M点处切线相垂直的平面，该平面与回转曲面相交又得一曲线，这一曲线在M点的曲率半径称为第二曲率半径，用R2表示；,若自K2点向回转曲面作一个与回转曲面正交的圆锥面，则该圆锥面与回转曲面的交线也是一个圆纬线； 就普通回转体而言，用与轴线垂直的平面截取得到的壳体截面与用上述圆锥面截取得到的壳体截面是不一样的，前者是壳体的横截

14、面，并不能截出壳体的真正厚度(圆柱形壳体除外)，而后者称为壳体的锥截面，截出的是回转体的真正壁厚； 第一曲率半径R1的简单求法：经线的曲率半径； 第二曲率半径R2的简单求法：经线到回转轴的距离。,R2=a,小位移假设：壳体受力以后，各点的位移远小于壁厚； 直线法假设：壳体变形前后直线关系保持不变； 不挤压假设：壳体各层纤维变形前后均互不挤压。,3. 基本假设,. 任意回转体薄膜应力的计算,.1 径向应力的计算,这个公式是计算承受气体内压的回转体在任意纬线上经向应力的一般公式，称为区域平衡方程式； 径向应力产生在经线方向，作用在圆锥面与壳体相割所形成的锥截面上； 不同纬线上各点的径向应力不同，而

15、同一纬线上的径向应力相等。,.2 环向应力的计算,由于所取单元体很小，可以认为ab、cd上的环向应力相同，ad、bc上的径向应力也相等，,这个公式是计算承受气体内压的回转体环向应力的一般公式，称为微体平衡方程式； 环向应力产生在纬线方向，作用在经线平面与壳体相割所形成的纵向截面上。,回转壳体曲面在几何上是轴对称的，壳壁厚度无突变；曲率半径是连续变化的，材料是各向同性的； 载荷在壳体曲面上的分布是轴对称和连续的，无突变； 壳体边界的固定形式应该是自由支撑的； 壳体的边界力应当在壳体曲面的切平面内，要求在边界上无横剪力和弯矩。,.3 薄膜理论的应用范围,第二节、薄膜理论的应用,1. 受气体内压的圆

16、筒形壳体,2. 受气体内压的球形壳体,球壳上各点的应力相同； 球壳的径向应力和环向应力在数值上相等； 球壳的环向应力比同直径、同壁厚的圆筒小一半，这是球壳显著的特点。,3. 受气体内压的椭球壳（椭圆形封头）,椭圆壳的经线为一椭圆，设其经线方程为 ，式中 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：,椭圆形封头上的应力分布,在x=0处，,在x=a处，,径向应力恒为正值，且最大在x=0处，最小值在x=a处； 环向应力在x=0处时大于零；在 x=a处却不一定：,当a/b=2时，为标准椭圆形封头；,4. 受气体内压的锥形壳体,薄膜应力随着r的增大而增加，在锥底处应力最大，而在锥顶处应力为

17、零；因此如果在锥体上开孔，应开在锥顶处； 薄膜应力随着锥角的增大而增大。,bb段是半径为R的球壳； ac段为半径为r的圆筒； ab段为连接球顶与圆筒的褶边，是过渡半径为r的圆弧段。,5. 受气体内压的碟形封头,碟形封头的组成：,对于球顶部分与圆筒部分，分别按相应公式计算其薄膜应力； 对于褶边过渡部分：,有：,依理论：,圆筒底部各点受到的液体静压力随着液体深度增加而增加：,. 受液体静压作用的圆筒壳,. 沿底部边缘支撑的圆筒,对底部支撑来说，液体重量直接由支承传给了基础，圆筒壳不受轴向力，故圆筒中因液体重量而引起的径向应力为零，只有由气压引起的径向应力，即：,若容器上方为开口，或无气体压力时：,

18、容器上方的压力P0为表压。,. 沿顶部边缘支承的圆筒,径向应力作用于圆筒任何截面上的轴向应力均为液体重量所引起，作用于底部液体重量经筒体传给悬挂支座，应有下列平衡方程式：,例题：如图所示的三个容器，他们的中径、壁厚和高度都相同，容器内充满着压力为P的液体，液体重度均为 ，三个壳体均通过悬挂式支座支撑于立柱上，试问：,三个容器底板所受到的液体总压力是否相等？ 三个容器所受到的支撑反力是否相等？ 三个容器A-A截面上的径向应力是否相等？ 三个容器筒体上各对应点(按同一高度考虑)的环向应力是否相等？,解答过程：,相同。因为液体高度相同，所以三个容器底板上的静压强相等，其总压力也就相等； 不同。支撑反

19、力等于液体重量。 相同。因为底板上所受到的液体总压力P是通过支座以下的筒体将力传递到支座和上部圆筒上去的。 相同。,薄膜应力：由载荷所引起的，并随着载荷的增大而增大直至破裂，也称为一次应力； 边缘应力：是由于相互联结的两个零件各自所欲发生的变形受到对方的限制而引起的，也称为二次应力。,第三节、内压圆筒边缘应力,当圆筒受到内压时，圆筒半径增大，而平板封头只发生弯曲变形，直径却不会增大；可是筒体与封头又连在一起，所以二者的变形将相互受到对方的限制；这种相互约束必导致产生一组大小相等、方向相反的内力，由这组内力所产生的应力就是边缘应力。,1. 圆筒与平板封头的边缘应力问题,(a)为没有承压时平板封头

20、与筒体在径向的相对位置； 承压后，假若筒壁没有受到封头的约束，筒壁应胀到(b)中虚线位置；但由于筒壁受到封头的约束，实际上筒体与封头的连接处的直径并没有胀大，可以认为已被内压所胀大的筒壁又被拉回来了； 不过应注意，当筒壁被拉回来时，筒体的端面应该发生向内转动，形成 角，但实际上，筒体端面由于受到封头的约束并不存在 角，这说明：平板封头不但限制了筒体段部直径的胀大，而且限制了筒体端部的转动； 伴随着前一种限制所产生的应力称为二次薄膜应力，伴随着后一种限制所产生的应力称为二次弯曲应力。,这种二次应力,显然，这种二次应力比环向薄膜应力大54%，因此，对于圆筒的边缘应力应该得到足够的重视，特别是在设计

21、容器时。,受到内压时，若二者互不干扰，筒体的半径增量将大于球形封头的半径增量，但由于二者连在一起，它们只能产生相同的半径的增量，这样，相当于封头受到了二次拉伸薄膜应力，筒体受到了二次压缩薄膜应力。,2. 圆筒与球形封头的边缘应力问题,球形封头的一次薄膜应力本来就只有筒体的一半，就算加上二次应力，关系不是很大； 筒体的二次压应力与一次应力叠加后，总应力反而减少了，平衡更没问题。,封头的形状对边缘应力的影响小结,对于平板封头，必须考虑其边缘应力，因此在相同的内压力下，所需的厚度比筒体壁厚就要更大一些； 对于球形封头，不需要考虑边缘应力，甚至在相同的内压力下，球形封头所需的厚度可以比筒体更薄，但是由

22、于制造安装的方便，也通常取与筒体相同的壁厚；,局限性 不同性质的联接边缘产生不同的边缘应力，但它们大多数都有明显的衰减波特性，随着离开边缘的距离增大，边缘应力迅速衰减。 自限性 由于边缘应力是两联接件弹性变形不一致，相互制约而产生的，一旦材料产生了塑性变形，弹性变形的约束就会缓解，边缘应力自动受到限制，这就是边缘应力的自限性。,3. 边缘应力的特点,局部处理； 选用塑形较好的材料； 由于自限性，其危害小于薄膜应力。,4. 对边缘应力的处理,第4章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计,第一节、强度设计的基本知识 第二节、内压薄壁圆筒与球壳的强度设计 第三节、内压圆筒封头的设计,第一节、强度设计的基本知

23、识,强度设计：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，以保证设备安全可靠地运行。 新压力容器强度计算的内容：,确定设计参数； 选择所使用的材料； 确定容器的结构形式； 计算筒体与封头壁厚； 选取标准件； 绘制设备图纸。,再用压力容器的强度校核：我国对压力容器实施定期检查制度。压力容器在使用一定年限后会因腐蚀而导致壁厚减薄，所以在每次检查时，应根据实测壁厚进行强度校核，其目的是：,判定在下一个检验周期内，或在剩余寿命期间，容器是否能够在原设计条件下安全使用； 当容器已被判定不能在原设计条件下使用，应通过强度计算，提出容器监控使用的条件； 当容器针对某一使用条件需要判废时，应提出判

24、废标准。,弹性失效：内压容器一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点时，容器即为受到破坏，也就是说，容器的每一部分都必须处于弹性变形范围之内； 设计准则：为了保证安全，必须留有一定的安全裕度：,1. 关于弹性失效的设计准则,2. 强度理论及其相应的强度条件,环向应力,轴向应力,径向应力,对于承受均匀内压的薄壁容器，其主应力规定为：,2.1 第一强度理论,根据：当作用在构件上的外力过大时，材料就会沿着最大拉应力所在的截面发生脆性断裂，也就是说，不论在什么样的应力状态下，只要三个主应力中最大拉应力1达到了 材料的极限应力，材料就发生破坏； 强度条件： 在17世纪提出，最早的强度理论，也称为最大拉

25、应力理论； 只适用于脆性材料。,认为材料沿最大主应力方向破坏并不是由最大主应力达到某一极限值所引起的，而是由于最大拉伸应变达到某一极限所引起的； 也称为最大主应变理论； 因为应变难以测量，因此第二强度理论用得不多。,2.2 第二强度理论,根据：当作用在构件上的外力过大时，材料就会沿着最大剪应力所在的截面滑移而发生流动破坏； 不论在什么样的应力状态下，只要最大剪应力达到了材料的极限值，就会引起材料的流动破坏； 强度条件： 也称为最大剪应力理论。,2.3 第三强度理论,根据：不论在什么样的应力状态下，只要构件内一点的形状改变比能达到了材料的极限值，就会引起材料的流动破坏； 形状改变比能：随着弹性体

26、发生变形而积蓄在其内部的能量，如拉满的弓、机械表的发条被拧紧时； 强度条件： 也称为形状改变比能理论。,2.4 第四强度理论,第二节、内压薄壁圆筒壳与球壳的强度设计,1. 内压薄壁圆筒壳的强度条件,若取第三强度理论，,整理得到计算壁厚S的公式，,基于内径的圆筒计算壁厚公式,同样取第三强度理论，,整理得到计算壁厚S的公式，,基于外径的圆筒计算壁厚公式,若基于内径：,若基于外径：,若考虑腐蚀裕量C2，得到 设计壁厚Sd，,名义壁厚,有效壁厚,对已有设备进行强度校核：,强度校核,最大允许工作压力：,2. 内压球形容器的强度条件,相同压力、直径条件下，球壳的计算壁厚约为相同条件下圆筒壁厚的一半； 在相

27、同的壁厚、直径条件下，球壳的耐压能力是圆筒的两倍。,3. 设计参数的确定,3.1 设计压力,工作压力：是指在正常情况下，容器顶部可能达到的最高压力；由工艺过程决定的； 设计压力：标注在设备铭牌上的压力，其值不低于工作压力；根据具体条件而规定的； 计算压力：在相应设计条件下，用以确定元件厚度的压力，包括液体静压力。,设计压力的取值,设计温度是指容器在正常工作温度下，设定的元件的金属温度； 标注在产品铭牌上的设计温度，应该是壳体在金属设计温度的最高值或最低值； 设计温度虽然不直接反映在上述计算公式中，但它是设计中选择材料和确定许用应力时不可缺少的一个参数。,3.2 设计温度,设计温度的确定,极限应

28、力的取法取决于材料的类型：,3.3 许用应力与安全系数,塑性材料制成的承压件：一般以屈服点为许用应力； 脆性材料制成的容器，一般以抗拉强度为许用应力； 对于锅炉和压力容器的承压部件，一般也以抗拉强度作为许用应力。,许用应力,极限应力,安全系数,材料性能的稳定、可靠性及其可能存在偏差的大小； 估算的载荷状态及其数值上的偏差； 计算方法的精确程度； 制造工艺及其允许的偏差； 检验手段及其严格的程度； 使用操作的经验。,影响安全系数的主要因素,按照科技发展的总趋势，安全系数将逐渐变小。,3.4 焊接接头系数,对于壁厚不超过38mm的容器，对其接头的焊接处，采用射线探伤； 由于结构不明，不能采用射线探

29、伤的，采取超声波探伤。,钢板出厂时标注的厚度是钢板的名义厚度，钢板的实际厚度可能大于名义厚度(正偏差)，也有可能小于名义厚度(负偏差)。钢板的标准中规定了允许的正、负偏差值。因此如果按照设计壁厚去购置钢板，就有可能购得实际厚度小于设计壁厚的钢板。为了杜绝这种情况，在确定筒体壁厚时，应在设计壁厚的基础上将钢板的负偏差加上去。,3.5 壁厚附加量C=C1+C2,3.5.1 钢板负偏差C1,由于容器在使用过程中会受到介质的腐蚀，因此必须考虑一定的腐蚀裕量； 介质不同、材料不同，所考虑的腐蚀裕量值也不尽相同。,3.5.2 腐蚀裕量C2,设计时，必须考虑钢板厚度标准问题，否则可能提高制造成本。,3.6

30、钢板厚度,对于容器，不能认为器壁越薄就越能节省钢材、降低造价。因为越是薄的圆筒，在制造过程中为了维持必要的圆度，在运输过程中为了保持必要的刚度，都必须使用大量的辅助钢材，将圆筒撑圆，而这些钢材所需费用都要计入设备的制造成本中去，所以规定容器的最小壁厚在经济上是合理的。 GB150-1998规定：,3.7 容器的最小壁厚,为了检查容器的宏观强度和有无渗漏情况，容器投入使用之前，必须作压力试验或气密性试验； 压力试验一般采用液压试验，对于不适合液压试验的容器，可进行气压试验； 与气压试验相比，液压试验相对安全。,4. 压力试验及其强度校核,最高不超过1.8，若超过1.8，也按1.8计算； 当设计温

31、度低于200 时， 可以忽略不计。,4.1 试验压力,液压试验：,气压试验：,4.2 压力试验的应力校核,液压试验：,气压试验：,第三节、内压圆筒封头的设计,所需的壁厚是相同压力、直径圆筒的一半，但在实际中，为了减少边缘应力，往往采取与圆筒相同的厚度； 半球形封头多用于压力较高的贮罐上； 制造方法：,1. 半球形封头,直径较小、器壁较薄的半球形封头可以整体热压成型； 大直径的半球形封头需先分瓣冲压、再焊接的工艺；分瓣冲压可使模具尺寸减小，降低对水压机吨位的要求，但加工质量不如整体热压好。,GB规定：在工程应用上，K2.6；标准椭圆形的形状系数K=1；,2. 椭圆形封头,计算壁厚：,形状系数：,

32、最大允许工作压力：,GB还规定：标准椭圆形封头的有效壁厚应不小于内直径的0.15%，其它椭圆形封头壁厚应不小于其内径的0.30%，为什么？,这是因为：受内压后，椭圆形封头有变圆的趋势，因而在赤道处产生环向压缩薄膜应力，其值与顶点处所产生的最大拉伸薄膜应力相等。当半个椭球作为封头使用时，虽然在其赤道处有圆柱形短节(直边封头)与其相连，但如果封头厚度过薄，赤道处的环向压缩应力仍有可能将封头压出褶皱，这个现象称为“失稳”。,当碟形封头的球面内半径Ri=0.9Di，过度圆弧内半径r=0.17Di时，称为标准碟形封头，此时，M=1.325。,. 碟形封头,. 球冠形封头,锥形封头广泛应用于许多化工设备(

33、如蒸发器、喷雾干燥器、结晶器及沉降器等)的底盖，它的优点是便于收集与卸除这些设备中的固体物料。此外，有一些塔设备上、下部分的直径不等，也常用锥形壳体将直径不等的两段塔体连接起来，这时的圆锥形壳体称为变径段。 锥形封头分为无折边锥形封头和带折边锥形封头两种。,. 锥形封头,以无折边锥形封头为例：,5.1.1 锥壳大端连接处的壁厚,加强区计算壁厚,一般来讲，在相同温度、载荷情况下，平板封头所需的壁厚远远大于其它凸形封头； 但是由于其制造工艺很简单，所以也被经常采用，特别常常被用于作为盲板。,. 平板封头,几何方面； 力学方面； 制造与材料消耗方面。,7. 封头的选择,第5章 外压圆筒与封头的设计,

34、第一节、外压圆筒的临界压力,第二节、外压圆筒的工程设计,第三节、外压球壳与凸形封头的工程设计,第四节、外压圆筒加强圈的设计,第一节、外压圆筒的临界压力,1. 压杆稳定问题,稳定是就平衡而言的，平衡分为两种：稳定平衡与不稳定平衡。,正是由于平衡有两种，所以在设计构件时，不但要满足强度条件与刚度条件，还要考虑其平衡是否稳定，因为稳定也是保持构件安全正常工作的条件。,拉杆只会因为强度不够而破坏，不会因为它维持不了直线形状下的平衡而失去工作能力；,外压圆筒的压缩应力还在远远低于材料的屈服点时，筒壁就已经突然被压瘪或发生褶皱，即在某一瞬间失去原来的形状，这种在外压作用下，突然发生的圆筒失去原形，即突然失

35、去原来的稳定性的现象称为弹性失稳； 弹性失稳是从一种平衡态跃变为另一种平衡状态，实际上是容器筒壁内的应力状态由单纯的压应力平衡跃变为主要受弯曲应力的新平衡。,2. 外压容器的失稳现象,侧向失稳：容器由于均匀侧向外压引起的失稳；,3. 容器失稳的分类,轴向失稳：容器由于轴向外压引起的失稳；,局部失稳：由于局部外压所引起的失稳。,导致圆筒失稳的外界压力称为临界压力；此时相对应的压应力称为临界压应力，用cr表示 。 容器在临界压力的载荷作用下产生失稳是它固有的性质，不是由于圆筒不圆或是材料不均或其它原因所导致。每一具体的外压圆筒结构，都客观上对应着一个固有的临界压力值。,4. 临界压力,影响临界压力

36、的因素,(1). 筒体的几何尺寸,计算长度：两相邻加强圈的间距，对于封头相连的那段筒体，计算长度应计入凸形封头高度的三分之一。,临界压力与材料的屈服点没有直接关系，主要取决于材料的弹性模量与泊桑比，弹性模量与泊桑比越大，其临界压力也就越高； 但由于各种钢材的弹性模量与泊桑比相差不大，因此选用高强度钢代替一般碳钢制造外压容器，并不能有效提高圆筒的临界压力。,(2). 筒体材料,(3). 筒体椭圆度和材料的不均匀性,当筒体足够长，两端刚性较高的封头对筒体中部的变形不能起到有效支撑作用时，这类圆筒最容易失稳压瘪，出现波纹数n=2的扁圆形。这种圆筒称为长圆筒。,5. 外压圆筒的分类,5.1 长圆筒,对

37、于钢制圆筒，=0.3,若圆筒两端的封头对筒体变形有约束作用，圆筒失稳破坏的波数n2，出现三波、四波等的曲形波，这种圆筒称短圆筒。,5.2 短圆筒,其中，L为计算长度,若筒体较短，筒壁较厚，即L/D0较小，Se/D0较大，容器的刚性好，不会因失稳而破坏，这种圆筒称为刚性筒。刚性筒只可能遭到强度破坏，计算时只要满足强度要求即可，其强度校核公式与内压圆筒相同。,5.3 刚性圆筒,实际的外压圆筒是长圆筒还是短圆筒，可根据临界长度Lcr来判定。 当圆筒处于临界长度Lcr时，则用长圆筒公式计算所得的临界压力Pcr值和用短圆筒公式计算的临界压力Pcr值应相等。,5.4 临界长度Lcr,当LLcr时，长圆筒；

38、 LcrLLcr时，短圆筒； 若LLcr时，刚性圆筒。,某一钢制圆筒，外径为Do=1580mm，高L=7060mm（切线间长度），厚度Se=11mm，已知釜体材料在设计温度下的弹性模量E=206103MPa。由工艺条件已知该反应釜作为非刚性的外压圆筒使用，试确定该釜体的最大允许外压力。,例 题,当Se/D0较小时(绝大多数使用范围内的长圆筒)，PcrPS，即稳定破坏往往先于强度破坏; 圆筒强度上的承压能力PS与屈服点直接有关，而圆筒稳定性质取决于弹性模量与屈服点； 筒体长度不影响圆筒强度的高低，但在一定程度上影响着临界压力，这是由于封头的抗失稳能力一般高于筒体； 提高筒体的临界压力，最有效的办

39、法就是减少筒体的计算长度，即在筒体上安装加强圈，而且加强圈越多，筒体越稳定。,5.5 小结,将Pcr与 圆筒被屈服时压力相比,外压容器计算的两类问题,已知S，D，L，材质，求临界压力 已知D，L，材质，求S,临界压力计算公式中临界压力的计算是在假定圆筒没有初始圆度条件下推导出来的，而实际上圆筒是存在圆度的。实践表明，许多长圆筒或管子一般压力达到临界压力值的 l213时就可能会被压瘪。此外，考虑到容器有可能承担大于计算压力的工况，因此，不允许在外压力等于或接近于临界压力进行操作，必须有一定的安全裕度，使许用压力比临界压力小。,第二节、外压圆筒的工程设计,1.设计准则,m：稳定安全系数，对于圆筒，

40、m=3。,2. 图算法,假设已知壁厚求外压，用公式计算即可，不需要用算图； 算图主要应用于已知外压要求设计壁厚的情况。,假设Sn，计算SeSn一C，定出L/D0、D0/Se值； 在外压或轴向受压圆筒和管子几何参数计算图的左方找到L/D0值的所在点，由此点向右引水平线与D0/Se线相交(遇中间值，则用内插法)。若L/D050，则用L/D0=50查图，若L/D00.05，则用L/D00.05 查图； 由此交点引垂直线向下，在图的下方得到系数A； 根据所用材料，在该图下方找到A值所在点。若A值落在该设计温度下材料温度曲线的右方，则由此点向上引垂线与设计温度下的材料线相交(遇中间温度值用内插法)，再通

41、过此交点向右引水平线，即可由右边读出B值，并按式(5-11 )计算许用外压力p：若A值处于该设计温度下材料曲线的左方，则用式(5-12 )计算许用外压力p: 比较许用外压p与设计外压Pc ，若Pcp，则须再假设壁厚重新上述计算步骤，直至p大于且接近于Pc为止。,3.外压圆筒和管子壁厚的图算法,3.1 对于D0/Se20的外压圆筒及外压管,用与D0/Se20相同的方法得到系数B，但对D0/Se4的圆筒及管子应按式(5-13)计算系数A值；系数A0.1时，取A=0.1； 计算pl和p2。取pl和p2中的较小值为许用外压p式中：s0取两式中的较小值。 p应大于或等于p，否则必须重新假设Sn重复上述计

42、算，直至使pp且接近p为止。,3.2 对于D0/Se 20的外压圆筒及外压管,假设Sn，计算SeSn一C，定出R0/Se值； 计算 ； 根据所选材料，查图，得出p； 比较许用外压p与设计外压Pc ，若Pcp，则须再假设壁厚重新上述计算步骤，直至p大于且接近于Pc为止。,第三节、外压球壳与凸形封头的设计,1.外压球壳与球形封头的设计,临界压力：,2.外压凸形封头的设计,它的直径取等于锥体大端外直径，并用Do表示； 它的筒体长度叫当量长度，并按下式计算：,3.外压锥形封头的设计,3.1 当半顶角60o时，按“相当的圆筒体”计算：,它的计算壁厚：,3.2 当半顶角60o时，按平板封头计算。,加强圈是

43、为了减少筒体的计算长度，从而提高圆筒的临界压力； 加强圈的材料可比圆筒的材料稍差； 加强圈要求刚性较好，常用扁钢、角钢、工字钢。,第四节、外压圆筒加强圈的设计,若已知圆筒的直径与壁厚，给出了加强圈的间距就可以计算临界压力(公式法或图算法)； 通常计算压力是由工艺条件确定的，又已知圆筒的直径与壁厚，那么该筒体安全承受所规定的外压Pc所需加强圈的最大间距LS就可解出：,1.加强圈的间距,加强圈的实际间距若小于LS， 则表示该圆筒安全承受计算外压。需要加强圈的个数等于不设加强圈的计算长度L除以所需加强圈间距LS再减去1。即加强圈的个数n,根据圆筒的外压计算，Do、LS、Se均为已知，选定加强圈材料与

44、截面尺寸并计算其横截面积AS和加强圈与圆筒有效段(该有效段为在加强圈中心线两侧各为 的壳体)组合截面的惯性矩IS ； 用公式5-22计算B； 查图5-7图5-14得到A ； 用公式5-24计算I； 比较I与IS，若ISI为止。,2.加强圈尺寸设计,第7章 管壳式换热器的机械设计,第一节、换热器概论,第二节、换热管、管板与折流板,第三节、温差应力,第一节、换热器概论,在化工厂建设投资中，换热器占着很重要的份额，10%40%； 换热器可以是热交换器、加热器、蒸发器、冷凝器等； 衡量一种换热器好坏的标准是传热效率高，流体阻力小，强度足够，结构可靠，节省材料；成本低；制造安装检修方便。,1. 换热器结

45、构,管箱的作用：把管道中来的流体均匀地分布到各个换热管中去，并把换热管内的流体汇集到一起并送出换热器，在多管程换热器中，管箱还起着改变管程流体流向的作用； A：平盖管箱； B：封头管箱； C：用于可拆管束与管板制成一体的管箱； D：特殊高压管箱。,1.1 管箱,E：单程壳体 F：具有纵向隔板的双程壳体； G：分流 H：双分流,1.2 壳体型式,1.3 换热器的标记方式,B：前端管箱为封头式管箱； E：单程壳体（壳程为1）； B：后端管箱为封头式管箱； 700：壳体公称直径（mm）； 2.5：壳程设计压力（MPa）； 1.6：管程的设计压力（MPa）； 200：公称换热面积（m2）； 9：换热管

46、长度（m）； 25：换热管外径（mm）； 4：四管程结构； I：I级固定管板换热器,例如：,其中：,两管板由换热管相互支撑，管板最薄； 结构简单，造价较低； 管外清洗困难； 管壳间存在温差应力，当介质温差较大时，必须设置膨胀节； 适合于壳程介质清洁、不易结垢，管程需清洗以及温差不大或温差虽大但管程压力不高的场合。,2. 换热器的分类,2.1 固定管板式换热器,一端管板固定，另一端管板可在壳体内移动，因此不存在温差应力； 管束可以取出，便于清洗； 结构较为复杂，金属消耗量大； 适用于管壳温差较大、以及介质易结垢的场合。,2.2 浮头式换热器,管束一端可以自由膨胀，检修、清洗方便； 实际上是另一种

47、形式的浮头式换热器，只不过把原置于壳体内的浮头移至壳体之外，并用填料函来密封壳程介质，以防泄漏； 壳程内介质有外漏的可能，但壳程中不宜处理易挥发、易燃、易爆、有毒的介质。,2.3 填函式换热器,只有一个管板，管程至少为两程，管束可以抽出清洗，管子可以自由膨胀； 管内不便清洗，管外介质易短路，影响传热效果，内层管子损坏后不易更换； 因为不存在温差应力，适用于管、壳壁温差较大的场合，尤其是管内介质清洁不易结垢的高温、高压、腐蚀性较强的场合。,2.4 U型管式换热器,壳体直径的确定和壳体壁厚的计算； 换热器封头选择，压力容器法兰选择； 管板尺寸的确定； 管子拉脱力的计算； 折流板的选择与计算； 温差

48、应力的计算； 接管的选择； 接管法兰的选择； 开孔补强； 换热器支座； 附件。,3. 管壳式换热器机械设计的内容,换热管的长度、直径壁厚都有一定的标准； 换热管长：1500，2000，2500，3000，4500，5000，6000，7500，9000，12000等等； 长径比一般在425之间，常用为610； 换热管规格：,第二节、换热管、管板与折流板,1. 换热管的选用,胀接是利用胀管器挤压伸入管板孔中的管子端部，使管端发生塑性变形，管板孔同时产生弹性变形，当取出胀管器后，管板孔弹性收缩，管板与管子就产生一定的挤紧压力，紧密地贴在一起，达到密封紧固连接的目的； 采用胀接时，管板硬度应高于换热管管端，以保证胀接质量； 胀接长度l取下列三者中的较小者： 1). 两倍换热管外径； 2). 50mm； 3). 管板厚度减3mm。,2. 换热管与管板的连接,2.1 胀接,管板上的孔，有孔壁开槽的与孔壁不开槽的两种，孔壁开槽可以增加连接强度和紧密性，因为当胀管后管子产生塑性变形，管壁被嵌入小槽中。,在高温高压下，焊接连接能保持连接的紧密性； 管板孔加工要求低，可节省加工工时； 焊接工艺比胀接工艺简单； 在压力不太高的情况下可使用较薄的管板；,2.2 焊接,优点：,缺点：,由于管板与换热管之间存在间隙，容易造成缝隙腐