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1、压力容器设计,（一） 济南石油化工设计院 黄 泓 电话：0531-88576125 ，13626411112 电子邮箱： 二一一年三月,暗妆哩奥饲篮荤闷催纂巷悬骨绑靠尹宰楷勾爆懦亚糖宰霍帛膊詹馈眨帛致压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,内容简介,GB150-1998钢制压力容器第5、6章 一、内压圆筒 二、内压球壳 三、外压圆筒 四、外压球壳,派锯灸鄂神蛔着伙纳切恒凿纱潭骸财刮液钡铬童某勇羹太妮铺仇妮伯束绍压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,一、内压圆筒,1、圆筒 1）内压作用下圆筒内应力状况： 根据旋转薄壳无力矩理论（薄膜理
2、论），在内压作用下，圆筒受两向应力作用，即环向应力，轴向应力，由这两个薄膜应力来平衡外力（内压）这两个应力的值可以通过静力平衡来求得： （1）圆筒在内压P作用下的轴向应力,絮较拧匣糕潍蜂屑板寞们验愧纹定轨聂傀扳龄椒榴它孰需跌老蹬沧秤号喘压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,组域眉缓暖豺赴溶陛搏循抿琵灰暑如蜜树貌擒割懊池每裸矩源佯剑窖族茹压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,纤叙件哇逗岿昧助磁吠槽驮被缉铂损恼恬膀庸善咽壕铂恶倾囊辕秃校宿扭压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,D圆筒的中间直径或称中径，
3、mm； D=,= Di + D0圆筒的外直径，mm； Di圆筒的内直径，mm； 圆筒的计算厚度，mm；,纤滁惜密哥诈舶柱誊环庆痴漠曳求循女擎翔桃具仲笛癣稻淬信秉恳萝父绷压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,圆筒受压力pc的轴向作用： P在圆筒轴向产生的总轴向力： F1=D2P/4,此轴向力由圆筒横截面的面积来承受， 圆筒横截面积： fi=D,蔓冉筋唤浑蟹坐成钧瞧站竣威丈撒蛮唇厘韭漫蔑受述困眠坊绣樊亲评玉嗣压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,由此产生的圆筒轴向应力： m=,当控制h,当控制mt 时， 焊接接头系数 则：,时，则：,
4、此即按圆筒轴向应力计算的壁厚公式。,俭掂锹猖淖冤淑撅求狰筒蹬垂惦犀篡祷茧湘卯炔隙歇妙瑰微澡僧玩瓶腹放压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,焊缝部位可能存在着夹渣、气孔、未焊透、未熔合、裂纹等缺陷，同时由于焊接加热过程中，对焊缝两侧的热影响产生许多不利因素，如焊接热影响区被淬硬，塑性下降、焊接内应力的产生等，都会使焊缝金属或母材的机械性能降低。因此在设计时应将设计温度下圆筒材料的许用应力 t 乘以一个焊接接头系数,子舞传堪颗绥肪醉臀绷海骏攀涡惊鞍包印箭锥蒜卤论菌煞揖无批跺灌紧辖压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,（2）圆筒受压力P
5、的径向作用（见图） P对圆筒径向作用，在半个圆筒投影面上产生的合力（沿图中垂直方向）： F2=PDL 承受此垂直合力的圆筒纵截面面积： f2=2L,录置琳拆侩加丽恰尉痞惊棠砂堡栋樟酌我惮窟琐森莲惋吨鹏汰澳亲突蘑说压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,弯功煌帚砰愉筹挫馒詹桂女兴凋初浊色菠斤瘫汞蚊敷拖秋疾鲸撒珐桂姜绍压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,由此产生的圆筒环向应力： t=,当控制tt,时，,尹泞鼎肄挣刻轮找链淤趣神灸罩咯颠骨禾棋霜条朱握寓纱医胆琼解申椿吼压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,
6、将Di=D-代入公式,以计算压力Pc代替设计压力P得出,此式称为内压圆筒的计算公式（中径公式）。 （GB150-1998 第26页式5-1 ）,皂气谴蝶早喻淹窿拣郴苇籍弛竞户极邵司嘱励动惜默吊惩矫佃请萌妖羊署压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,（3）公式来由： 内压圆筒壁厚计算公式是从圆筒与内压的静力平衡条件得出的。旋转薄壳无力矩理论是其理论基础，第一强度理论是其制定的理论依据。,荡贯缔峻零软渝囤芋夏纠执坍赚醋郸喊惫澈峪亚勋瞬咀涤祖充彭梗铸史玉压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,由上述公式可以得出以下结论： a、圆筒体上周向（
7、环向）应力t是经向（轴向）应力m的两倍，而周向应力作用于纵向截面 ，环向应力所作用与环纵向截面。 b、由于周向应力t是经向应力m的两倍，由此可知，周向应力所作用的纵向截面是危险截面。这里可以说明为什么在焊接接头分类里，圆筒体的纵焊缝为A类焊接接头，环焊缝为B类焊接接头；在筒体上开椭圆形人孔时使长轴垂直与筒体轴线。 c、应力与D/成正比。,灵淮汐迸辣促礁牲绿讽往烛濒杏呈臣螟儒养待六拯绳粮像呐笋聪猩鄂恍键压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,适用范围,Pc0.4t （D0/Di1.5）,上述计算公式是以薄膜理论为基础导出的，认为应力是沿圆筒壁厚均匀分布的，这对薄壁容
8、器是适合的。,氖叮雌渡阵柠湿笛色奋嘻吩瘴饶镰愈孵祝低天症向屁瞳鲸因飘驹很弛想办压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,但对于具较厚壁厚的圆筒，其环向应力并不是均匀分布的。薄壁内径公式与实际应力存在较大误差。对厚壁圆筒中的应力情况以由弹性力学为基础推导得出的拉美公式较好地反映了其分布。 厚壁和薄壁圆筒的概念：按照承压回转壳体的无力矩理论是指壁厚和直径的比值；若壁厚超过直径的1/10则被称为“厚壁筒”；反之，则为“薄壁筒”。与这个指标相当的是“径比”K，K=DO/Di,当K大于1.2时为“厚壁筒”，小于或者等于1.2时为“薄壁筒”。,荫逝淋傍槐连仪疚启燎棠胃唱幸喀配侈
9、串箕难竭厚跟袖凹崭刨孪橙豢型频压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,由拉美公式知： t=Pc(K2+1)/(K2-1) 厚壁筒中存在的三个方向的应力，其中只有轴向应力是沿厚度均匀分布的。环向应力和径向应力均是非均匀分布的，且内壁处为最大值。筒壁三向应力中，周向应力最大，内壁处达最大值，外壁处为最小值，内外壁处的应力差值随K= D0 / Di增大而增大。当K=1.5时，由薄壁公式按均匀分布假设计算的环向应力值比按拉美公式计算的圆筒内壁处的最大环向应力要偏低23%，存在较大的计算误差。,沟知讨灌淑卒烙朱呼脑尔暂震悦氰汝匿澜凉蚂月渤吕郑谴阑芯赘冀厄蜀初压力容器设计审核
10、人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,二、内压球壳,球形容器在均匀内压作用下，球形壳体经向应力和周向应力相等。即 t =m=t = 式中P设计压力，MPa； D球壳的中间直径或称中径，mm； D= Di + Di球壳的内直径，mm； 球壳的计算厚度，mm；,愁慈撒涤境快坐弗轮味这熔协掌未锁牲宇遥审厅毕媒庙脯龄唯逼赶窍足檄压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,上述公式中，如将D=Di+代入并考虑了焊接接头系数，如采用第一强度理论时，即得出,t,以Pc代替P所以可求出计算厚度 =,垦痛傈畦藐首频酋稠噎贯棵六炎途造园嚣盈培霜旋做窥道且鞭册得挝迭氨压力容
11、器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,上式即为GB150-1998第26页式5-5,适用范围： Pc0.6t 此时计算应力大于按弹性力学计算的厚壁球壳的最大应力，且误差在10%左右。,慑钡欢氛诀肠调碑哗农祷段粉搀顺笋搐竿再灵衬榆呐景警卞仗陈圃斑毒野压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,三、外压圆筒,1外压圆筒的稳定性 承受外压的圆筒，强度计算方法与受内压时相同，其周向力应力值为轴向应力的两倍，圆筒壁中产生的是压缩应力，而绝对值大小一样。这种压应力如果达到材料的屈服极限或强度极限时，将和承受内压圆筒一样导致强度破坏。然而这种现象极为少见。
12、通常外压圆筒壁内的压缩应力还远小于材料的屈服限时，筒体突然失去原来的形状被压瘪或发生褶绉而失效（如图），在圆筒横断面上呈现有规则的永久性波形，其波形数n可为2、3、4。,普奇述内醉霹民挠先子嚷籽确抱荐嘿琵努绍远懊隙顿寄纳阜咕撼恰词铀姬压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,在外压作用下，筒体、球壳或封头突然发生失去原来形状的现象称之为失稳。外压容器稳定性是设计中主要考虑的问题。,蛆佬计辕拈欧畦竣赞企蹋敬土跑奶阶插煞讽搏钮吞微深嫂亩由菊拼嘻押丧压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,外压圆筒失稳以前，筒壁中只是单纯的压应力状态。在失稳时
13、，伴随着突然变形，在筒内产生了以弯曲应力为的复杂的附加应力，这种变形与附加应力一直迅速发展到圆筒被压瘪。由此可见，外压容器的失稳，实质上是容器从一种平衡状态（形状及应力状态）向另一种新的平衡状态的突变。,咙凤喘血撬睫减龄体叭宅僳鲸数豹汗类膘鸯涛荷缮炽亨违含旱唇徽陇埋蚕压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,稳定安全系数m,长、短圆筒的临界压力公式，是按理想状态（无初始不圆度）求得的。但实际上的圆筒有几何尺寸及形状误差，还有焊接结构形式等影响，这都会直接影响计算临界压力的准确性，此外，生产过程中操作压力的波动，使筒体实际外压力增高，并可能超过计算的临界压力值。,法观
14、臆遇毖堆酶胚玄羹旬妆棋暮竭扒井耿萝协读崇藏肖膘竿搔丧肠箔蹿坡压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,为保证安全，必须使许用外压力低于临界外压力，即,P=Pcr/m 式中稳定安全系数m=3（圆筒体）,苗盗把覆法严哺谍晕褂劣尉贸云青霸襄航撂毖牵徽汞纂咋港兢喳纂异琼妊压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,2、圆筒的临界压力及其计算,（1）临界压力及影响因素,受外压作用的容器， 当外压力低于某一特定的值时，壳体亦能发生变形，但当压力卸除后壳体可恢复原来的形状，这时壳体变形属于弹性变形范围。当外压力继续增加到某一特定值，产生了不能恢复的永久变
15、形，即失去了原来的稳定性。容器失稳时的压力称临界压力，以Pcr表示。容器在Pcr作用下容器壁内应力称临界应力。,不炭组潘骆杖撼沉辅卵屡风屑假鹊躁篱鸣拎勋蔫盾澄屉托刃京编滁你涅逊压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,临界压力值受若干因素影响，如受容器筒体几何尺寸及几何形状的影响，除此之外，载荷的均匀和对称性、筒体材料及边界条件等也有一定影响。 a. 影响因素/D 两个圆筒形外压容器，当其他条件（材料、直径D、长度L）一定，而厚度不同时，当L/D相同，/D大者临界压力高，其原因是筒壁较厚抗弯曲的能力强；,携巴坍杂沽扳刚衫且耀惹晾皖姨懂戎征轩枚弛千骸沉劣急袋充汕袜误皇
16、京压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,b. 影响因素L/D 当/D相同，而长度L不同，L/D小者临界压力高，其原因是筒身较短圆筒的封头对筒壁起着一定支撑作用。 筒体的几何形状（如不圆度）误差会降低筒壁临界压力，加速筒体的失稳。不圆度定义为e=Dmax-Dmin，式中Dmax、Dmin分别为筒体直径的最大值和最小值。,褪谓豌崖粮脑等耗烤叠陛么磺疙麓籍滩狠飘馅借棚珐壕滥命济勃终袄盲佣压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,筒体材料的弹性模数E值大，抵抗变形能力强，临界压力就高。由于各种钢材E值相差较小，若选用高强度钢代替一般碳素钢制造
17、外压容器，并不能明显地提高筒体的临界压力，却使容器成本提高，因而是不恰当的。要提高容器的临界压力，即增加稳定性，只有从几何尺寸上来考虑。,漳漾囤卸囊屎摧按吊开塘牙幢恕邓醇医灶箍鹅坪麻穗准旗纲申淖判妖针厂压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,（2）长圆筒、短圆筒及刚性圆筒,承受外压的圆筒形壳体，按不同的几何尺寸失稳时的不同形式（波形数不同），将圆筒分为长圆筒、短圆筒及刚性圆筒等三种。 长圆筒是指筒体的L/D值较大，筒体两端边界的支撑作用可以忽略，筒体失稳时Pcr仅与/D有关，而与L/D无关。长圆筒失稳时波形数n为2。 短圆筒是指筒体两端边界的支撑作用不可忽略，筒体
18、失稳时Pcr与L/D及/D均有关。短圆筒失稳时波形数n2的整数。,滥漓筒猪拓攀莹煽纺驴寡施峡荤帽议杜究砍泼移谣恭怂倚姓介恤叹叭哟贾压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,刚性圆筒是指L/D较小，而/D较大，筒体的刚性较好，破坏的原因是圆筒壁内的压缩应力超过了材料的屈服限，并非是发生了失稳。对刚性圆筒只考虑强度要求。 由上所述，圆筒的“长”和“短”是指相对于直径来说的。长、短圆筒以及刚性圆筒的临界压力是各不相同的，有其各自的计算方法。,惕恍叹正些埋授彦绅育揪僚仆颧樊幂布嘉喜陀祁头见公没悉剂非紧辗舔线压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111
19、,（3）圆筒体临界压力的计算,长圆筒临界压力 Pcr=2.2E( E圆筒材料在设计温度下的弹性模数 由上式可见，长圆筒临界压力仅与筒体e/Do及E有关。式仅限于弹性范围内使用，即失稳时应力应低于屈服强度。,阮厦宦账戳涝瞥弛瓜泅臼煎出鄂盒秀癌韧否鞋嚼拯蛰循峡状呼槐磨荒筏焚压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,短圆筒临界压力 Pcr=2.59E,刚性圆筒由临界压力引起的临界应力为 Qcr= PcrD/2e,拟盼期琅颂皮牧鲜并带馁廉鲜之巧战悼路疵撇再澎脊石癸疾蘸橱号爽苫蟹压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,外压短而厚的刚性圆筒，其破坏
20、是由于圆筒壁的压缩应力超过材料设计温度下的屈服极限，不存在稳定性问题。强度校核公式为 = t,式中 焊接接头系数，外压圆筒取=1；,藕颖诱尖瘤蚌曹岩雾隅寸掘挂宙耸袍辖氦鞠横嫩停贡臆漂绢骏措预彰秦啊压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,长、短及刚性圆筒都是承受横向均匀外压力的情况。因容器均有封头，所以除受横向外压力外，同时还受有轴向压力，但轴向压缩对筒体失稳影响很小，工程上仅按承受横向均匀外压计算临界压力（室外高塔设计除外）。,酒寸倦痘拼剐傲圈柿芬冲圭诽悼启橱清蜀铂洪拽罕雄险荔谈老暂睹砌绅瓦压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,（4
21、）圆筒的临界长度,从前面已知，长短圆筒的区别是受端盖支撑的影响。当e /D相同时，短圆筒的临界压力较称圆筒大，随着短圆筒长度的增加，端盖对筒体支撑作用减弱，当短圆筒的长度增大到某一值时，端盖对筒体的支撑作用完全消失，这时短圆筒的临界压力与长圆筒临界压力相等，该短圆筒的长度称为临界长度，用Lcr表示。,纯曰髓籽橙牛搂照俗脏佛莫癣蹄坡串劫餐绦疫影洱煮法馈恭咋潞徐逻不租压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,2.2E(,=2.59E,得 Lcr=1.17Do 临界长度是长、短圆筒 的分界线，也是计算临界压力选择公式的的依据。当实际圆筒计算长度LLcr属长圆筒，若LLcr
22、则属短圆筒。,黄笋巴驯谭希艘爹眼辉单坊店述贝融飞苏房产顶锯皇羌恃咽浊确钙头续敌压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,外压圆筒的计算与e /D0（D0为圆筒外直径）有关。e /D00.04时，筒壁应力达屈服极限前不可能被压瘪，此条件下任何e /D0值均按刚性圆筒计算。,砂逊阎脱帕卡讼班访褂警如咽眷秋捣择搏锹陋尉愚惨陪骏彩素滴篇琅根凿压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,（5）计算长度,圆筒的计算长度指筒体外部或内部两刚性构件之间的最大距离，筒体外部焊接的角钢加强圈，筒体内部挡板或塔盘均可视为刚性构件；在两个刚性构件中，其中一个是凸型
23、封头时，取计算长度L=L+h+hi/3（hi为凸型封头曲面深度，h为直边高度）GB150第28页 图6-1， 凸型封头刚性大对圆筒体有一定支撑作用，可以提高临界压力。在较薄板制造的筒体上焊接一定数量的加强圈，可使计算长度L降低，提高临界压力。,腑娥刘愁原桅蝴思愚烙镶瓶讨葡乍宇勘瘤俱何侄旁效肛垃迷呐昭秋打阶羽压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,3、外压圆筒的计算,（1）、解析法 （2）、图算法,国狮年粘盔圃丁霓禁愁评弧锅接瞧蹬距简喇槽方敦信阶纪哪忙祸蔬沿屡叁压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,（1）、解析法,基本原则： 对于长圆
24、筒：LLcr ， 对于短圆筒：LLcr,喜肺誊勾酝珊枫佛氰斧隅蛹颗告纪俄税宪否裔咕茫痢往漫扳缎触祸尘佬陨压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,解析法:计算步骤,1、假设壁厚n，计算筒体长度L，e=n-C; 2、计算Lcr, ，判断L是否大于Lcr； 对于长圆筒：LLcr， 对于短圆筒： LLcr， 3、比较P和P，若P P且较接近，则假设的n符合要求； 4、计算临界应力 ，工程上,豁洽哉输右诱候移屎壕峦刹辩郊握哄昆挖冷宾郊熊烧稳扁十关诸非职嘎掷压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,（2）、图算法的计算步骤,1、假设壁厚n，计算筒体
25、长度L，e=n-C; 2、计算L/Do、Do/e，查A，若L/Do 50，用L/Do50查A；（GB150-1998图6-26-10） 3、由A值向上引垂线，查B值，若交不到，则说明圆筒已发生 弹性失稳，B值按下式计算 计算 4、比较P和P，若P P且较接近，则假设的n符合要求,函兜捣柞姑直省莆昨龚原庙出痢万它酵客涝混蹄域入侗蚁方大镰柿捣悬改压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,参数A A系数,cr临界应力 E 圆筒材料在设计温度下的弹性模数 应变,塔殉醛橙墒境观芳喂陡四宜备笑昆版醚粉助畦篱枢亩婴娥糜喧探蹬赌唬柏压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核
26、人员培训20111,4、加强圈设计,对于短圆筒： 由此可见，增加壁厚或减小圆筒的计算长度都可以提高圆筒的许用外压，通过在筒体上设置加强圈，可以有效地减小筒体的计算长度。 当外压一定时，通过设置加强圈也可以达到减少筒体壁厚的目的。,淋啼林诫膛仰瘫枕捐宰铺杂恤弥斜门惟刽疟蓉尼焉措躯晾把瓷包贪杂抽仔压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,加强圈尺寸 为了保证壳体与加强圈的稳定性，加强圈必须有适当的尺寸，满足最小惯性矩要求： 式中I加强圈和有效壳体所需的组合惯性矩， Do圆筒外径，mm； Ls加强圈间的间距，mm； A等效圆筒的周向临界应变； As 加强圈的横截面积 mm
27、2,运帝咋徊毒丑赏立谎赐尔豪埠睹骇缅私呸牲迸憋眷警椒王怪裳均讽妻峪冤压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,加强圈设置,辛防臻究面览韧昨狰陕续潮肇嘛滥默院住帧稽坯出长戒演帖颊呼骸柯灰元压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,四、外压球壳,1、假设壁厚n，令e=n-C，定出RO/e; 2、计算A， 3、根据GB150-1998图6-36-10，查B值， 计算 4、比较P和P，若P P且较接近，则假设的n符合要求,菇晾谬狰赊絮驯初鸿伴视辛专忘腮省褒孰叁葛屉驾兔暴孕秤漠菱猫狡果尖压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,安全性 足够的强度 足够的刚度(或稳定性) 可靠的密封性能 一定的使用寿命,经济性 经济可靠的材料 经济的制造方法 低的操作和维护费用 长周期的安全运行,安全、稳定、长寿命、满足使用要求、优质,原则：充分保证安全的前提下尽可能做到经济 ,小结：压力容器设计基本要求,沤控尼恶踩樱惮矽狞产垄押享鞘舀墒讣嘘隔嘘蒲畔碱檀号阿踢阂芦嗅炽作压力容器设计审核人员培训20111压力容器设计审核人员培训20111,