内外压容器受压元件设计.
内外压容器——受压元件设计中国石化工程建设公司桑如苞
向全国压力容器设计同行问好！
内外压容器——受压元件设计
压力容器都离不开一个为建立压力所必须的承压外壳—压力壳。
内外压容器设计即是指对组成压力壳的各种元件在压力作用下的设计计算。
压力壳必须以一定方式来支承：
当采用鞍式支座支承时成为卧式容器的形式，由于自重、物料等重力作用，在压力壳上（特别是支座部位）产生应力，其受力相当于一个两端外伸的简支梁，对其计算即为卧式容器标准的内容。
当采用立式支承时成为立（塔）式容器的形式，由于自重、物料重力、风载、地震等作用，在压力壳上产生应力，其受力相当于一个直立的悬臂梁，对其计算即为塔式容器标准的内容。
当压力壳做成球形以支腿支承时，即成为球罐，在自重、物料重力、风载、地震等作用下的计算即为球形储罐标准的内容。
一、压力容器的构成
圆筒—圆柱壳 压力作用下，以薄膜应力承载，为此整 球形封头 —球壳 体上产生一次薄膜应力，控制值1倍 壳体 椭圆封头（椭球壳） 许用应力。但在相邻元件连接部位，会 碟封（球冠与环壳） 因变形协调产生局部薄膜应力和弯曲应 典型板壳结构 锥形封头（锥壳） 力，称二次应力，控制值3倍许用应力。
圆平板（平盖） 压力作用下，以弯曲应力承载，为此整 平板 环形板（开孔平盖） 体上产生一次弯曲应力，控制值1.5倍 环（法兰环） 许用应力。 弹性基础圆平板（管板）
二、压力容器受压元件计算
1.圆筒
1）应力状况：两相薄膜应力、环向应力为轴向应力的两倍。 2）壁厚计算公式：c
i c ][2p D p t
-=
?σδ符号说明见GB 150。称中径公式：适用范
围，K ≤1.5，等价于p c ≤0.4[σ]t ?
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。
设有内压圆筒如图所示（两端设封头）。 （1）圆筒受压力p c 的轴向作用： p c 在圆筒轴向产生的总轴向力：
F 1=
c 2i 4
p D π
圆筒横截面的面积：
f i =πD i δ
由此产生的圆筒轴向应力：
σh =
δ
δ
ππ
44
i c i c
2i D p D p D =
当控制σh ≤[σ]t ?时，则：
δ1=
?
σt D p ][4i c
此即按圆筒轴向应力计算的壁厚公式。 （2）圆筒受压力p c 的径向作用（见图）
p c 对圆筒径向作用，在半个圆筒投影面上产生的合力（沿图中水平方向）： F 2=p c ·D i ·l
承受此水平合力的圆筒纵截面面积： f 2=2δl
由此产生的圆筒环向应力：
σθ=
δ
δ22i
c i c D p l l D p ?=??
当控制σθ≤[σ]t ?时，
δ2=
?
σt
D p ][2i c ?
此式称为内压圆筒的内径公式。
上述计算公式认为应力是沿圆筒壁厚均匀分布的，它们对薄壁容器是适合的。
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：
由拉美公式：
厚壁筒中存在的三个方面的应力，其中只有轴向应力是沿厚度均匀布的。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，以周向应力最大，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=D o /D i 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。
由于薄壁公式形式简单，计算方便、适于工程应用。为了解决厚壁筒时薄壁公式引起的较大误差，由此采取增大计算内径，以适应增大应力计算值的要求。为此将圆筒计算内径改为中径，即以（D i +δ）代替D i 代入薄壁内径公式中：
则有：
σθ=
δ
δ
δδ22)(i c c c i p D p D p +=+ 经变形得：2σθδ－p c δ=p c D i
δ（2σθ－p c ）=p c ·D i
当σθ控制在[σ]t ，且考虑接头系数?时，即σθ取[σ]t ?时， 则δ=
c
i c ][2p D p t
-?σ
此即GB 150中的内压圆筒公式，称中径公式。当K=1.5时，按此式计算的应力与拉美公式计算的最大环向应力仅偏小3.8%。完全满足工程设计要求。
4）公式计算应力的意义：一次总体环向薄膜应力，控制值[σ]。
5）焊接接头系数，?—指纵缝接头系数。
6）二次应力：当圆筒与半球形封头、椭圆形封头连接时二次应力很小，能自动满足3[σ]的强度条件，故可不予考虑。
2.球壳
1）应力状况，各向薄膜应力相等 2）厚度计算式：δ=
c
i
c ][4p D p t
-?σ称中径公式，适用范围p c ≤0.6[σ]t ?等价于K ≤1.353
3）公式来由同圆筒轴向应力作用情况 4）计算应力的意义：
一次总体、薄膜应力（环向、经向）控制值：[σ]t 。
5）焊缝接头系数：
指所有拼缝接头系数（纵缝、环缝）。
注意包括球封与圆筒的连接环缝系数。
6）与圆筒的连接结构：见GB 150附录J图J1（d）、（e）、（f）。
原则：不能削薄圆筒，局部加厚球壳。
7）二次应力：当半球形封头与圆筒连接时二次应力很小，能自动满足3[σ]的强度条件，故可不予考虑。
3.椭圆封头
A、内压作用下
1）应力状况
a.薄膜应力
a）标准椭圆封头薄膜应力分布：
经向应力：最大拉应力在顶点。
环向应力：最大拉应力在顶点，最大压应力在底边。
b) 变形特征：趋圆。
c) 计算对象意义：
拉应力——强度计算
压应力——稳定控制
b.弯曲应力（与圆筒连接）
a) 变形协调，形成边界力。
b) 产生二次应力
c.椭圆封头的应力：薄膜应力加弯曲应力。 最大应力的发生部位、方向、组成。
d.形状系数K 的意义
K 为封头上的最大应力与对接圆筒中的环向薄膜应力的比值，
K =
环
σσmax
K 分布曲线可回归成公式：
K =1/6[(a /b )2+2]=1/6[2+(
i
i 2h D )2
] 不同a /b 的K 见GB 150表7-1。标准椭圆封头K =1。 2）计算公式
δ=
c
i c 5.0][2p D Kp t -?σ
近似可理解为圆筒厚度的K 倍。 3）焊缝接头系数。
?
指拼缝，但不包括椭封与圆筒的连接环缝的接头系数。 4）内压稳定：
a. a /b ≯2.6限制条件
b.防止失稳，限制封头最小有效厚度： a /b 即K ≤1 δmin ≥0.15%D i a/b 即K ＞1 δmin ≥0.30% D i
B.外压作用下：
1）封头稳定计算是以薄膜应力为对象的： a.变形特征：趋扁。 b.计算对象
过渡区——不存在稳定问题。
封头中心部分——“球面区”有稳定问题。 c.计算意义，按外压球壳。 当量球壳：对标准椭圆封头；
当量球壳计算外半径：R o=0.9D o 。 D o ——封头外径。
2）对对接圆筒的影响。
外压圆筒计算长度L的意义：
L为两个始终保持圆形的截面之间的距离。椭圆封头曲面深度的1/3处可视为能保持圆形的截面，为此由两个椭圆封头与圆筒相连接的容器，该圆筒的外压计算长度L=圆筒长度+两个椭圆封头的直边段长度+两倍椭圆封头曲面深度的1/3。
3）圆筒失稳特点，
a.周向失稳（外压作用）
圆形截面变成波形截面，波数n从2个波至多个波。
n=2称长圆筒，n＞2称短圆筒。
b.轴向失稳（轴向力及弯矩作用）
塔在风弯、地震弯矩和重力载荷作用下的失稳。
轴线由直线变成波折线。
c 外压圆筒计算系数
A—外压圆筒临界失稳时的周向压缩应变，与材料无关，只与结构尺寸相关（查图6—2）。
B—外压圆筒许用的周向压缩应力的2倍，与材料弹性模量有关（查图6—3至图6—10）。
d 外压圆筒许用外压的计算
D
×L×P=2δe×B/2×L
D
×P =δe×B
[P]=δe×B/D
0=B/(D
/δe)———GB150中（6—1）式。
e 外压圆筒的计算
外压圆筒既有稳定问题又有压缩强度问题，但对D
/δe≥20的圆筒通常只有稳定问题，为此仅需按稳定进行计算，GB150中（6—1）式、（6—2）式即是。（6—2）式是指在弹性阶段时的计算式。
对D
/δe＜20的圆筒稳定问题和压缩强度问题并存，为此需按稳定和强度分别进行计算，GB150中（6—4）式中的前一项即是按稳定计算的许用外压力，而第二项即是按压缩强度计算的许用外压力。
对D
/δe＜4的圆筒，其外压失稳都为长圆筒形式，故失稳时的临界应变A都直接按长圆筒计算，（6—3）式即是。
4.碟形封头
受力、变形特征，应力分布，稳定，控制条件与椭封相似，只不过形状系数由K（椭封）改为M。
内容从略
5.锥形封头
1) 薄膜应力状态，
a.计算模型：当量圆筒。
应力状况与圆筒相似，同处的环向应力等于轴向应力的两倍，但不同直径处应力不同。
b.计算公式：
δ=
α
?σcos 1][2c
c c ?
-p D p t
D c ——计算直径。
c.计算应力的意义：
一次、总体（大端）环向薄膜应力，控制值[σ]t 。 d.焊缝接头系数?。 ?
指锥壳纵缝的接头系数。 2）弯曲应力状态（发生于与圆筒连接部位）
a.变形协调，产生边界力，可引起较大边缘应力，即二次应力，需考虑。
b.锥壳端部的应力。
端部应力由薄膜应力+边缘应力组成。
大端：最大应力为纵向（轴向）拉伸薄膜应力+轴向弯曲拉伸应力组成。 小端：起控制作用的应力为环向（局部）薄膜应力。 c.大、小端厚度的确定。
a) 大端：当轴向总应力超过3[σ]t 时，（由查图7-11确定），则需另行计算厚度，称大端加强段厚度。
计算公式：δr =
c
i c ][2p D Qp t
-?σ
其中：Q 称应力增值系数，其中体现了边缘应力的作用，并将许用应力控制值放宽至3[σ]t 。
b) 小端：当环向局部薄膜应力超过1.1[σ]t （由查图7-13确定）时，则需另行计算厚度，称小端加强段厚度。
计算公式：δr=
c
i c ][2p D Qp t
-?σ
其中：Q 也称应力增值系数，其中体现边界力作用引起的局部环向薄膜应力，并将许用应力控制值调至1.1[σ]t 。
d.加强段长度
a) 锥壳大端加强段长度L 1：
L 1=2
α
δcos 5.0r
i D 与之相接的圆筒也同时加厚至δr ，称圆筒加强段其最小长度L =2r i 5.0δD 锥壳大端加强段长度的意义是当量圆筒在均布边界力作用下，圆筒中轴向弯曲应力的衰减长度。
b) 锥壳小端加强段长度L 1
L 1=
α
δcos r
i s D 与之相接的圆筒也同时加厚至δr ，称圆筒加强段，其最小长度L =r i δs D 。 锥壳小端加强段长度的意义是：当量圆筒在均布边界力作用下圆筒中局部环向薄膜应力的衰减长度。
c) 锥壳大小端加强段长度比较。
略去大端与小端直径的差异，大端轴向弯曲应力的衰减长度约为小端环向薄膜应力的衰减长度的2倍（1.414倍）。
e.焊缝接头系数?
大端指?2
小端指?3、?4、?5之小者。
应注意，锥壳加强段厚度δr 计算中的?与锥壳厚度δ计算中的?是不同的。 3)折边锥形封头
当锥壳大端加强段厚度较大时，可采用带折边结构，它将大大缓和其轴向弯曲应力，此时锥形封头带折边的大端，按当量碟形封头计算。
对锥形封头小端带折边的结构，其对减小环向薄膜应力作用不明显，为此对α≤45°时计算与无折边相同。对α＞45°时，Q查图（7—5）。
6.圆平板
1)应力状况：
两向弯曲应力，径向、环向弯曲应力。
2)两种极端边界支持条件。
a.简支：
圆板边缘的偏转不受约束，σmax在板中心，径向弯曲应力与环向弯曲应力相等。
b.固支：圆板边缘的偏转受绝对约束（等于零），σmax在板边缘，为径向弯曲应力。
c.螺栓垫片联接的平盖按筒支圆板处理，σmax在板中心。
三、开孔补强
1.壳和板的开孔补强准则。
a.壳（内压）的补强——拉伸强度补强，等面积补强。
b.板的补强——弯曲强度补强，半面积补强。
2.等面积补强法。
补强计算对象是薄膜应力，未计及开孔边缘的二次应力（弯曲应力等）。大开孔时，由于孔边出现较大的弯曲应力，故不适用大开孔。
1) 开孔所需补强面积A。
A=dδ+2δ
et δ(1-f
r
)
d——开孔计算直径，d=d
i
+2c
δ——开孔计算厚度，开孔部位按公式计算的厚度。
dδ——壳体开孔丧失的承受强度的面积。
2δetδ(1-f r)——由于接管材料强度低于筒体时所需另行补偿的面积。
2）有效补强范围
a.壳体：B=2d
意义：受均匀拉伸的开小孔大平板，孔边局部应力的衰减范围。
b.接管：
d
nt
圆柱壳在端部均布力作用下，壳中环向薄膜应力的衰减范围（同锥壳小端加强段长度的意义）。
3.d，δ的确定。
1) d
a.圆筒：纵向截面上的开孔直径
b.球壳：较大直径
c.椭封，碟封，同球壳
d.锥壳：同圆筒。
2)δ
a.圆筒：按δ
b.球壳：按δ
c.椭圆封头：过渡区δ取封头计算厚度，球面区，δ取球面当量球壳计算厚度。
标准椭封当量球壳半径R i=0.9D i
d.碟形封头：
周边r部位开孔，δ取封头计算厚度
中心R部位开孔，δ取球壳计算厚度。
e.锥形封头
δ取开孔中心处计算直径2R的计算厚度。
四、法兰
1.法兰联接设计
包括垫片、螺栓、法兰三部分。
2.垫片设计
1) 垫片宽度
a.接触宽度N
b.压紧宽度b o
c.有效密封宽度b
2) 垫片比压力
垫片在予紧时，为了消除法兰密封面与垫片接触面间的缝隙，需要施加于垫片单位有效密封面积上的最小压紧力，称为垫片的比压力。
3) 垫片系数
垫片在操作时，为保持密封，需要施加于垫片单位有效密封面积上的最小压紧力与内压力的比值，称为垫片系数。
4) 垫片合理设计的原则，
应使垫片在予紧和操作两种状态下所需的压紧力尽可能小（垫片力小）。
3.螺栓设计
螺栓设计的关键：
应使螺栓中心圆直径尽可能小（力臂小）。
4.法兰设计
1) 法兰的应力
σ
——轴向应力
H
σ
——径向应力
R
σ
——环向应力
T
2）法兰设计的关键
应使法兰三个计算应力尽量接近相应的许用应力；趋满应力状态。
第三章-内压薄壁容器设计
第三章内压薄壁容器设计 第一节内压薄壁圆筒设计 【学习目标】通过内压圆筒应力分析和应用第一强度理论，推导出内压圆筒壁厚设计公式。掌握内压圆筒壁厚设计公式，了解边缘应力产生的原因及特性。 一、内压薄壁圆筒应力分析 当圆筒壁厚与曲面中径之比δ/D≤0.1或圆筒外径、内径之比K=D0/D i≤1.2时，可认为是薄壁圆筒。 1、基本假设 ①圆筒材料连续、均匀、各向同性； ②圆筒足够长，忽略边界影响（如筒体两端法兰、封头等影响）； ③圆筒受力后发生的变形是弹性微小变形； ④壳体中各层纤维在受压（中、低压力）变形中互不挤压，径向应力很小，忽略不计； ⑤器壁较薄，弯曲应力很小，忽略不计。 2、圆筒变形分析 图3-1 内压薄壁圆筒环向变形示意图 筒直径增大，说明在其圆周的切线方向有拉应力存在，即环向应力（周向应力） 圆筒长度增加，说明在其轴向方向有轴向拉应力存在，即经向应力（轴向应力）。 圆筒直径增大还意味着产生弯曲变形，但由于圆筒壁厚较薄，产生的弯曲应力相对环向应力和经向应力很小，故忽略不计。 另外，对于受低、中压作用的薄壁容器，垂直于圆筒壁厚方向的径向应力相对环向应力和经向应力也很小，忽略不计。 3、经向应力分析 采用“截面法”分析。 根据力学平衡条件，由于内压作用产生的轴向合力（外力）与壳壁横截面上的轴向总应
力（内力）相等，即： 124 δσππ D p D = 由此可得经向应力： δ σ41pD = 图3-2 圆筒体横向截面受力分析 4、环向应力分析 采用“截面法”分析。 图3-3 圆筒体纵向截面受力分析 根据力学平衡条件，由于内压作用产生的环向合力（外力）与壳壁纵向截面上的环向总应力（内力）相等，即： 22δσL LDp = （3-3） 由此可得环向应力： δ σ22pD = （3-4） 5、结论 通过以上分析可以得到结论：122σσ=，即环向应力是经向应力的2倍。因此，对于圆筒形内压容器，纵向焊接接头要比环向焊接接头危险程度高。在圆筒体上开设椭圆形人孔或手孔时，应当将短轴设计在纵向，长轴设计在环向，以减少开孔对壳体强度的影响。 6、薄壁无力矩理论 在以上薄壁圆筒应力分析过程中，只考虑由于内压作用在筒壁产生的环向拉伸应力和经向拉伸应力，而由于弯曲应力值很小忽略不计、径向应力值很小忽略不计，采用这一近似方
压力容器设计习题答案
“压力容器设计”习题答案 一、选择题： 1．我国钢制压力容器设计规范<
外压容器设计
外压容器设计 一、外压容器的稳定性 1、外压容器的稳定性概念 外压容器的失效形式 强度不足 破裂 刚度不足 失稳 2、临界压力 （1）临界压力（ P 临）:导致筒体失稳时的外压。 临界压应力（σ临）：筒体在P 临作用下筒体内存在 的环向应力。 (2)许用压应力 为保证外压容器的使用安全，设计压力应当满足如下条件： ∴ P 临≥mP P 临≥3P (3)影响临界压力的因素 ①P 临与筒体尺寸的关系 (i)当L/D 相同时，S/D 抗弯曲 P 临 (ii)当S/D 相同时，L/D 圆筒越短 P 临 L/D 圆筒越长 P 临 短圆筒：能得到封头支撑作用的圆筒 长圆筒：得不到封头支撑作用的圆筒 ∴ S/D 相同时，短圆筒的P 临高 （iii ）当S/D 、 L/D 都相同时，有加强圈者P 临高 ② P 临与材料性质的关系 因圆筒体失稳时，其压应力并没达到材料的屈服极限， 说明P 临与材料的屈服极限无直接关系。 而材料的弹性模量E 对 E —抗变形能力， P 临 各种材料的E 值相差不大,所以采用高强度钢代替一般碳钢制造外压容器并不能提高圆筒的P 临，相反还增加了容器的成本。 材料的组织不均匀性合同体的不圆度将使P 临下降。 ][P m P p =≤临
二、外压容器的设计 1、理论公式计算法 （1）壁厚的计算 钢制长圆 : 钢制短圆筒： 将P 临≥3P 代入可得 1)钢制长圆筒： mm 2)钢制短圆筒: mm 3)刚性圆筒 一般：S L 的圆筒叫刚性圆筒 一般不存在失稳，因此只考虑强度即可 （2）临界长度 L 临 当短圆筒的长度大到某一临界值L 临时，封头对筒体的支撑作用将完全消失，这时短圆筒的P 临将下降到长圆筒的P 临， 即： 解得： 为区别长短圆筒的临界长度 当 L< L 临时, 为短圆筒 L>L 临时，为长圆筒 (3)用理论公式设计的步骤 ①设理论壁厚为S 。，并选定材料 ②计算L 临 ③比较确定圆筒类型L 与L 临，确定圆筒类型 ④根据圆筒类型计算P 临 ⑤计算许用应力[P]= P 临/3 比较:设计压力P 与P 临 若P ≤[P],且接近，假设的S 。合适 若p>[p],这说明假设S 。过薄，需重新假设 ⑥实际壁厚S=S 。+C 2、图算法 （1）算图的由来 临界压应力： 30)(2.2D S E p =临D L D S E P 5.20)(6.2=临C E P D S +=32.23C D L E P D S +?=4.0)6.23(D L D S E 5 .20)(6.230)(2.2D S E =017.1S D D L =临0 2S D P 临临=σ
第十四章液体的压强学案教案修订稿
第十四章液体的压强学 案教案 集团标准化工作小组 [Q8QX9QT-X8QQB8Q8-NQ8QJ8-M8QMN]
九年级物理第十四章第二节《液体的压强》教学案 【教学目标】 一、知识与技能 1.理解液体内部压强的规律 2.理解船闸的工作原理并能运用所学知识解释日常生活中的一些现象． 3.学会探究问题的一般方法 二、过程与方法 1.通过多媒体演示及生活中的经验说明液体压强的存在． 2.通过学生实验探究液体压强的大小与哪些因素有关． 3.通过对生活现象的分析进一步加深对液体压强的理解 三、情感态度价值观 1.通过课堂上的观察分析活动,养成善于观察思考的良好学习习惯。 2.通过了解生活实际中物理知识的应用,增强学习物理、学习科学知识的兴趣。 3.激发学生对于科学探究的兴趣,养成与同学合作交流的意识,体验利用知识解决问题的喜悦,培养创新意识。 【教学过程】 一：预习导学： 1.、将水倒入上端开口、下端和侧壁开口处扎有橡皮膜的圆筒内，发现橡皮膜凸出，表明液体对容器底（填有或没有）压强，并且看到下面一个橡皮膜比上面橡皮膜凸出明显，说明。 2、关于液体内部的压强，可以得出的结论是： （1）液体内部向各个方向（都有/都没有）压强； （2）在液体内同一深度处，液体向各个方向的压强大小； （3）液体内部的压强，随深度的增加而； （4）液体内部的压强大小还与液体的有关，在不同液体的同一深度处，液体的密度越大，压强 . 3、据报道，由于长江上游的植被受到破坏，造成大量水土流失，江水浑浊，致使江水的增大，故相同深度的江水对堤坝的会增大，从而使堤坝受到破坏的可能性增加 二、课内探究： （一）引入新课： 1、带鱼生活在深海中。你见过活的带鱼吗为什么 2、潜水艇都用抗压能力很强的厚钢板制成，为什么 （二）液体压强的特点：
内外压容器受压元件设计.
内外压容器——受压元件设计中国石化工程建设公司桑如苞 向全国压力容器设计同行问好！
内外压容器——受压元件设计 压力容器都离不开一个为建立压力所必须的承压外壳—压力壳。 内外压容器设计即是指对组成压力壳的各种元件在压力作用下的设计计算。 压力壳必须以一定方式来支承： 当采用鞍式支座支承时成为卧式容器的形式，由于自重、物料等重力作用，在压力壳上（特别是支座部位）产生应力，其受力相当于一个两端外伸的简支梁，对其计算即为卧式容器标准的内容。 当采用立式支承时成为立（塔）式容器的形式，由于自重、物料重力、风载、地震等作用，在压力壳上产生应力，其受力相当于一个直立的悬臂梁，对其计算即为塔式容器标准的内容。 当压力壳做成球形以支腿支承时，即成为球罐，在自重、物料重力、风载、地震等作用下的计算即为球形储罐标准的内容。 一、压力容器的构成 圆筒—圆柱壳 压力作用下，以薄膜应力承载，为此整 球形封头 —球壳 体上产生一次薄膜应力，控制值1倍 壳体 椭圆封头（椭球壳） 许用应力。但在相邻元件连接部位，会 碟封（球冠与环壳） 因变形协调产生局部薄膜应力和弯曲应 典型板壳结构 锥形封头（锥壳） 力，称二次应力，控制值3倍许用应力。 圆平板（平盖） 压力作用下，以弯曲应力承载，为此整 平板 环形板（开孔平盖） 体上产生一次弯曲应力，控制值1.5倍 环（法兰环） 许用应力。 弹性基础圆平板（管板） 二、压力容器受压元件计算 1.圆筒 1）应力状况：两相薄膜应力、环向应力为轴向应力的两倍。 2）壁厚计算公式：c i c ][2p D p t -= ?σδ符号说明见GB 150。称中径公式：适用范 围，K ≤1.5，等价于p c ≤0.4[σ]t ? 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。 设有内压圆筒如图所示（两端设封头）。 （1）圆筒受压力p c 的轴向作用： p c 在圆筒轴向产生的总轴向力：
设备设计课程设计(卧式内压容器)
目录 第1章设计数据及设备简图------------------------------------------- 1第2章设计计算------------------------------------------------------ 3 2.1圆筒厚度的设计------------------------------------------------ 3 2.2封头厚度的计算------------------------------------------------ 4 第3章应力校核------------------------------------------------------ 5 3.1 计算容器的重量载荷与支座反力 --------------------------------- 5 3.2 计算筒体的轴向应力 ------------------------------------------- 5 3.3 鞍座切应力校核 ----------------------------------------------- 7 3.4 鞍座筒体的周向应力校核 --------------------------------------- 7 3.5 鞍座腹板应力校核 --------------------------------------------- 8 第4章设计结果汇总------------------------------------------------- 10参考文献------------------------------------------------------------ 12
外压容器的设计计算
外压容器的设计计算 哈尔滨市化工学校 徐 毅 李喜华 在外压容器设计时,筒体的壁厚计算按文献 〔1〕和〔3〕应采用图算法。图算法要先假设筒体 的壁厚,通过查图表后计算使P≤〔P〕且较接 近,则所设壁厚可用;否则应重新假设,直至满足 为止。为简化设计计算,本文将外压容器的解析法 与图算法结合,使外压容器的壁厚的假设一次完 成。 1 壁厚的计算 按文献〔2〕外压容器壁厚的计算公式 S≥D0( m pL 2.6ED0 )0.4+C(1) 式中S———外压容器筒体的壁厚,mm;D0———外压容器的外径,mm;L———外压容器的计算长度, mm;C———壁厚附加量, mm;m———稳定系数, m=3;P———设计压力, MPa;E———材料在设计温度时的弹性模量, MPa; 设壁厚为S,计算步骤如下: 1.计算壁厚S0=S-C,算出所要设计筒体的L/D0和D0/S0值; 2.按文献〔2〕在图6-10(文献〔2〕)的左侧纵坐标上找到L/D0值,由此点引水平线向右与相应D0/S0线相交。若L/D0>50,则按L/D0=50查图,由交点沿铅垂方向向下求得横坐标系数A(即ε); 3.根据筒体材料选用相应的材料温度线。文献〔2〕中的图6-12、6-13、6-14,在图的下方横坐标找到由2求得的系数A,若A在材料温度线的右方,则由此点沿铅垂上移,与材料温度线相交,再将此点沿水平方向向右求得纵坐标系数B; 4.按系数B用式〔P〕=BS0/D0〔2〕求得许用外压〔P〕; 5.比较设计外压P与许用外压〔P〕,若P≤〔P〕,则所假设的壁厚可用。 6.根据钢板规格,最后确定所用钢板厚度。2 计算实例 设计氨合成塔的内筒,已知筒体外径D0= 410mm,计算长度L=4m,材料为oCr18Ni19Ti,弹性模量E=1.58×105MPa,壁温为480℃,壁厚附加量C=0.8m m,所受外压P=0.5MPa,试确定其壁厚。 由(1)式得: S≥D0(m pL 2.6ED0 )0.4+C=410 ( 3×0.5×4×103 2.6×1.58×105×410 )0.4+0.8=7.6mm 假设壁厚S=7.6mm,计算S0=S-C=7.6-0.8 =6.8mm,L/D0=4/0.41=9.75D0/S0=410/6.8 =60.28 按文献〔2〕在图6-10查得A=0.00032 按文献〔2〕在图6-14查得B=34MPa 按文献〔2〕式〔P〕=BS0/D0=34×6.8/410 =0.57MPa 比较P<〔P〕,即0.5MPa<0.57MPa,即假设壁厚可用。 按文献〔4〕,最后确定所用钢板厚度为8mm。3 结语 筒体的壁厚计算是外压容器设计中重要的内容,但按文献〔1〕和〔3〕进行设计计算时,一般至少要试算3～5次,若运用本文的方法可使筒体的壁厚计算一次成功。 参考文献 1 钢制石油化工压力容器设计规定,全国压力容器标准化技术委员会, 1993 2 余国琼.化工容器的设备.化学工业出版社, 1980 3 全国压力容器标准化技术委员会.G B150-89钢制压力容器.学苑出版社, 1989 4 《化工设备设计手册》.上海人民出版社, 1993 (编辑 毛丽青) ? 7 1 ? 《机械工程师》 1997. 2
化工设备基础-第四章-王绍良-教案
第四章压力容器 一、容器的分类与结构 （一）结构 图2-1卧式容器的结构简图 （二）分类 第一种：按设计压力分类 按承压方式，压力容器可分为压容器与外压容器。压容器又可按设计压力（P）大小分为四个压力等级。 外压容器中，当容器的压力小于0.1MPa时又称为真空容器。 第二种：按作用原理（即用途）分类 第三种：按安全技术管理分类 第四种：按容器壁温分类，可分为常温、中温、高温和低温容器四种。 第五种：按壁厚分类，分为薄壁容器（δ/D i≤0.1）和厚壁容器δ/D i＞0.1 二、容器机械设计的基本要求 在进行压力容器机械设计时,它的总体尺寸、零部件尺寸由工艺条件决定或由经验所得，因此我们这里主要是指结构设计。 要求有以下几个方面。 （一）安全性 1、强度：强度就是容器抵抗外力破坏的能力。容器应有足够的强度，否则造成事故。 2、刚度：是指容器或构件在外力作用下维持原有形状的能力。承受压力的容器或构件，必须保证足够的稳定性，以防止被压瘪或出现折皱。 3、密封性：设备密封的可靠性是安全生产的重要保证之一，因为化工厂中所处理的物料中很多是易燃、易爆或有毒的， 设备的物料如果泄漏出来，不但会造成生产上的损失，更重要的是会使操作人员中毒，甚至引起爆炸； 反过来，如果空气混入负压设备，亦会影响工艺过程的进行或引起爆炸事故。 因此，化工设备必须具有可靠的密封性，以保证安全和创造良好的劳动环境以及维持正常的操作条件。
4、耐久性：化工设备的设计使用年限一般为10年一15年，但实际使用年限往往超过这个数字， 腐蚀、疲劳、蠕变或振动等，都会影响耐久性，尤其是腐蚀，所以以后的设计中会看到考虑腐蚀余量。 （二）可行性 包括制造、安装、操作、维修及运输的可能性、方便性。 （三）经济性指五个方面。 ①单位生产能力； ②消耗系数； ③设备价格； ④管理费用：包括劳动工资、维护和检修费用等。管理费用降低，产品成本也随之降低。但管理费用不是一个孤立的因素， 例如有时采用高度自动化的设备，管理费用是降低了，但投资则会增加。 ⑤产品总成本：是生产中一切经济效果的综合反映。一般要求产品的总成本愈低愈好，但如果一个化工设备是生产中间产品， 则为了使整个生产的最终产品的总成本为最低，此中间产品的成本就不一定选择最低的指标，而应从整个生产系统的经济效果来确定。 三、容器零部件的标准化 1．标准化的意义 ①组织现代化生产的重要手段之一。实现标准化，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能力。 ②标准化为组织专业化生产提供了有利条件。有利于合理地利用国家资源，节省原材料，能够有效地保障人民的安全与健康； 采用国际性的标准化．可以消除贸易障碍提高竞争能力，实现标准化可以增加零部件的互换性。 有利于设计、制造、安装和检修，提高劳动生产率。我国有关部门已经制定了一系列容器零部件的标准， 例如圆简体、封头、法兰、支座、人孔、手孔、视镜和液面计等。 2、容器零部件标准化的基本参数——公称直径DN和公称压力PN。 ①公称直径：是将容器及管子直径加以标准化以后的标准直径。 A．压力容器(筒体、封头)的公称直径：由钢板卷制的筒体，公称直径是指它的径； B．当筒体的直径较小，直接采用无缝钢管制作时，容器的公称直径应是指无缝钢管的外径； 封头的公称直径与筒体一致。 B．管子：公称直径既不是它的径，也不是外径，而是小于管于外径的一个数值。
《过程设备设计基础》教案-4压力容器
《过程设备设计基础》 教案 4—压力容器设计 课程名称：过程设备设计基础 专业：过程装备与控制工程 任课教师：
第4章压力容器设计 本章主要介绍压力容器设计准则、常规设计方法和分析设计方法，重点是常规设计的基本原理和设计方法。 §4-1 概述 4.1概述 教学重点:压力容器设计的基本概念、设计要求 教学难点：无 压力容器发展趋势越来越大型化、高参数、选用高强度材料，本章着重介绍压力容器设计思想、常规设计方法和分析设计方法。 什么是压力容器的设计？ 压力容器设计是指根据给定的工艺设计条件，遵循现行规范标准的规定，在确保安全的前提下，经济正确地选取材料，并进行结构、强（刚）度和密封设计。 结构设计--------确定合理、经济的结构形式，满足制造、检验、装配和维修等要求。 强（刚）度设计---------确定结构尺寸，满足强度、刚度和稳定性要求，以确保容器安全、可靠地运行。
密封设计--------选择合适的密封结构和材料保证密封性能良好。 4.1.1设计要求 设计的基本要求是安全性和经济性的统一，安全是前提，经济是目标，在充分保证安全的前提下尽可能做到经济，经济性包括材料的节约、经济的制造过程和经济的安装维修。 4.1.2设计文件 压力容器的设计文件包括：设计图样 技术条件 设计计算书 必要时包括设计或安装使用说明书. 分析设计还应提供应力分析报告 强度计算书包括： ★设计条件、所用的规范和标准、材料、腐蚀裕量、计算厚度、名义厚度、计算应力等。 ★装设安全泄放装置的压力容器，还应计算压力容器安全泄放量安全阀排量和爆破片泄放面积。 ★当采用计算机软件进行计算时，软件必须经“压力容器标准化技术委员会”评审鉴定，并在国家质量技术监督局认证备案，打印结果中应 有软件程序编号、输入数据和计算结果等内容。 设计图样包括：总图和零部件图 总图包括压力容器名称、类别、设计条件； 主要受压元件设计材料牌号及材料要求； 主要受压元件材料牌号及材料要求； 主要特性参数（如容积、换热器换热面积和程数） 制造要求；热处理要求；防腐蚀要求；无损检测要求；耐压试验和气密 性试验要求；安全附件的规格；压力容器铭牌位置； 包装、运输、现场组焊和安装要求；以及其他特殊要求。 4.1.3设计条件 设计条件可用设计条件图表示(设计任务所提供的原始数据和工艺要求) 设计条件图包含设计要求、简图、接管表等 简图-------示意性的画出容器本体、主要内件部分结构尺寸、接管位置、支座形式及其他需要表达的内容。
内外压容器——受压元件设计
内外压容器——受压元件设计
内外压容器——受压元件设计中国石化工程建设公司桑如苞 向全国压力容器设计同行问好！
内外压容器——受压元件设计 压力容器都离不开一个为建立压力所必须的承压外壳—压力壳。 内外压容器设计即是指对组成压力壳的各种元件在压力作用下的设计计算。 压力壳必须以一定方式来支承： 当采用鞍式支座支承时成为卧式容器的形式，由于自重、物料等重力作用，在压力壳上（特别是支座部位）产生应力，其受力相当于一个两端外伸的简支梁，对其计算即为卧式容器标准的内容。 当采用立式支承时成为立（塔）式容器的形式，由于自重、物料重力、风载、地震等作用，在压力壳上产生应力，其受力相当于一个直立的悬臂梁，对其计算即为塔式容器标准的内容。 当压力壳做成球形以支腿支承时，即成为球罐，在自重、物料重力、风载、地震等作用下的计算即为球形储罐标准的内容。 一、压力容器的构成 圆筒—圆柱壳压力作用下，以薄膜应力承载，为此整 球形封头—球壳体上产生一次薄膜应力，控制值1倍 壳体椭圆封头（椭球壳）许用应力。但在相邻元件连接部位，会 碟封（球冠与环壳）因变形协调产生局部薄膜应力和弯曲应 典型板壳结构锥形封头（锥壳）力，称二次应力，控制值3倍许用应力。 圆平板（平盖）
压力作用下，以弯曲应力承载，为此整 平板 环形板（开孔平盖） 体上产生一次弯曲应力，控制值1.5倍 环（法兰环） 许用应力。 弹性基础圆平板（管板） 二、压力容器受压元件计算 1.圆筒 1）应力状况：两相薄膜应力、环向应力为轴向应力的两倍。 2）壁厚计算公式：c i c ][2p D p t -= ?σδ符号说明见GB 150。称中径公式：适用范 围，K ≤1.5，等价于p c ≤0.4[σ]t ? 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。 设有内压圆筒如图所示（两端设封头）。 （1）圆筒受压力p c 的轴向作用： p c 在圆筒轴向产生的总轴向力： F 1= c 2i 4 p D π 圆筒横截面的面积： f i =πD i δ 由此产生的圆筒轴向应力： σh = δ δ ππ 44 i c i c 2i D p D p D = 当控制σh ≤[σ]t ?时，则： δ1= ? σt D p ][4i c 此即按圆筒轴向应力计算的壁厚公式。 （2）圆筒受压力p c 的径向作用（见图）
化机基础习题解答上网(第四章,内压薄壁圆筒与封头的强度设计).
《化工设备机械基础》习题解答 第四章内压薄壁圆筒与封头的强度设计 二、填空题 A组： 1.有一容器,其最高气体工作压力为1.6Mpa,无液体静压作用,工作温度≤150℃且装有安全阀, 试确定该容器的设计压力p=(1.76 )Mpa;计算压力p c=( 1.76 )Mpa;水压试验压力p T=(2.2 )MPa. 2.有一带夹套的反应釜,釜内为真空,夹套内的工作压力为0.5MPa,工作温度<200℃,试确定: (1)釜体的计算压力(外压)p c=( -0.6 )MPa;釜体水压试验压力p T=( 0.75 )MPa. (2)夹套的计算压力(内压)p c=( 0.5 )MPa;夹套的水压试验压力p T=( 0.625 )MPa. 3.有一立式容器,下部装有10m深,密度为ρ=1200kg/m3的液体介质,上部气体压力最高达 0.5MPa,工作温度≤100℃,试确定该容器的设计压力p=( 0.5 )MPa;计算压力 p c=( 0.617 )MPa;水压试验压力p T=(0.625 )MPa. 4.标准碟形封头之球面部分内径R i=( 0.9 )D i;过渡圆弧部分之半径r=( 0.17 )D i. 5.承受均匀压力的圆平板,若周边固定,则最大应力是(径向)弯曲应力,且最大应力在圆平板 的(边缘)处;若周边简支,最大应力是( 径向)和( 切向)弯曲应力,且最大应力在圆平板的( 中心)处. 6.凹面受压的椭圆形封头,其有效厚度Se不论理论计算值怎样小,当K≤1时,其值应小于封头内 直径的( 0.15 )%;K>1时,Se应不小于封头内直径的( 0.3 )%. 7.对于碳钢和低合金钢制的容器,考虑其刚性需要,其最小壁厚S min=( 3 )mm;对于高合金钢 制容器,其最小壁厚S min=( 2 )mm. 8.对碳钢,16MnR,15MnNbR和正火的15MnVR钢板制容器,液压试验时,液体温度不得低于 ( 5 ) ℃,其他低合金钢制容器(不包括低温容器),液压试验时,液体温度不得低于( 15 ) ℃. 三、判断是非题(是者画√;非者画×) 1.厚度为60mm和6mm的16MnR热轧钢板,其屈服点是不同的,且60mm厚钢板的σs大于6mm 厚钢板的σs. ( ×) 2.依据弹性失效理论,容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点σs(t)时,即宣告该 容器已经”失效”. ( √) 3.安全系数是一个不断发展变化的数据,按照科学技术发展的总趋势,安全系数将逐渐变小. ( √) 4.当焊接接头结构形式一定时,焊接接头系数随着监测比率的增加而减小. ( ×) 5.由于材料的强度指标σb和σs(σ0.2)是通过对试件作单向拉伸试验而侧得,对于二向或三向应 力状态,在建立强度条件时,必须借助于强度理论将其转换成相当于单向拉伸应力状态的相当应力. ( √） 四、工程应用题 A组： 1、有一DN2000mm的内压薄壁圆筒,壁厚Sn=22mm,承受的最大气体工作压力p w=2MPa,容器上 装有安全阀,焊接接头系数φ=0.85,厚度附加量为C=2mm,试求筒体的最大工作应力. 【解】（1）确定参数：p w=2MPa; p c=1.1p w =2.2MPa（装有安全阀）; D i= DN=2000mm( 钢板卷制); S n =22mm; S e = S n -C=20mm φ=0.85（题中给定）; C=2mm（题中给定）. （2）最大工作应力：
第七篇 外压容器设计
第七章 外压容器设计 第一节 外压容器设计 【学习目标】 掌握外压容器稳定性概念，了解加强圈设置规定；掌握外压圆筒、封头、加强圈的设计计算；掌握外压容器压力试验规定。 一、外压容器的稳定性 容器在正常操作时，凡壳体外部压力高于内部者，均称为外压容器，这类容器有两种：真空容器；两个压力腔的夹套容器。 但是对于薄壁容器，承受外压作用时，往往在强度条件能够满足、应力远低于材料屈服强度的情况下，容器有可能因为不能保持自己原有的形状而出现扁塌，这种现象称为结构丧失了稳定性，即失稳。失稳是由于外压容器刚度不足而引起的，因此，保证容器有足够的稳定性（刚度）是外压容器能够正常工作的必要条件，也是外压容器设计中首先应该考虑的问题。 按圆筒的破坏情况，外压圆筒可分为长圆筒、短圆筒和刚性圆筒三类。 长圆筒刚性最差，最易失稳，失稳时呈现两个波形。短圆筒刚性较好，失稳时呈现两个以上的波形。刚性圆筒具有足够的稳定性，破坏时属于强度失效。 1、临界压力 外压容器由原平衡状态失去稳定性而出现扁塌时对应的压力称之为临界压力（p cr ）。影响临界压力的因素有： ① 圆筒的几何尺寸 δ/D （壁厚与直径的比值）、L /D （长度与直径的比值）是影响外压圆筒刚度的两个重要参数。δ/D 的值越大，圆筒刚度越大，临界压力p cr 值也越大；L /D 的值越大，圆筒刚度越小，临界压力p cr 也越小。 ② 材料的性能 材料的弹性模量E 值和泊松比μ值对临界压力有直接影响，但是这两个值主要由材料的合金成分来决定，对已有材料而言无法改变，因此讨论弹性模量E 值和泊松比μ值的影响意义不大。 ③ 圆筒的不圆度 圆筒的不圆度会影响圆筒抵抗变形的能力，降低临界压力p cr ，因此在圆筒制造过程中要控制不圆度。 2、许用外压力 与内压容器强度设计要取安全系数类似，外压容器刚度设计也要设定稳定系数，我国标准规定外压容器稳定系数m=3，故许用外压力[]3cr p p ≤。 二、外压圆筒的计算长度