中低压压力容器设计

● 平行圆及其半径
用垂直旋转轴的平面过K点切割中间面，所得交线 为一个圆，此圆称为旋转壳体在该点的平行圆。该圆 的半径称为旋转壳体在该点的平行圆半径，用r表示。 r=KO= r2sinφ。
◆ 典型壳体的第一、第二曲率半径及平行圆半径 ● 圆筒形壳体 设壳体中间面半径为R，由于经线为直线， 故r1=∞；与经线的切线垂直的平面、也就是与 旋转轴垂直的平面，其切割中间面形成的曲线就 是平行圆，所以 r2= r= R。
二、 容器厚度的确定
1、计算厚度δ
按各强度公式计算得到的厚度，是满足容器强 度要求的最小值。
2、设计厚度δd 计算厚度与腐蚀裕量之和,即δd=δ+C2。 3、名义厚度δn 指设计厚度加上钢材厚度负偏差向上圆整至钢材 的标准规格厚度。即标注在图样上的厚度。 4、有效厚度δe 名义厚度减去厚度附加量（钢材厚度负偏差+腐蚀 裕量） 即： δe= δn-(C1+C2)= δn-C
＊ 用高强度、低塑性的低合金钢材料制造容器壳
体时，在连接焊缝处及其热影响区，材料容易变脆， 并使该局部区域产生很高的局部应力。因此，在焊 缝区域要采取焊后热处理以消除热应力；另外，在 结构上也可进行一些处理，使其更加合理，例如， 采用等厚度连接；尽量使焊缝远离连接边缘；正确 选用加强圈等。
＊ 对受脉动载荷或循环载荷作用的壳体，当边
5、最小厚度δmin 不包括腐蚀裕量的最小厚度。是满足容器刚度要求 的最小值。 （1）对于碳素钢、低合金钢制容器，不小于3mm； （2）对有高合金钢制容器，不小于2mm。 δmin δ +C2 +C2 δd
比较
取大值
按钢材厚度规格向上圆整
+C1
δn
三、容器的校核计算
● 圆筒形容器 [pw]= 2[σ]tΦδe/(Di+δe) ● 球形容器 [pw]= 4[σ]tΦδe/(Di+δe)
此式适用范围为pc≤0.4[σ]t Φ ，且不超过 35MPa。
◆ 球形容器
σ=pD/4δ
●球形容器的强度计算
σ=pcD/4δ≤ [σ]t Φ 设内径为Di，则中间面直径为： D = D i+ δ
则强度条件为
● 球形容器的计算厚度
σ=pc（Di +δ）/4δ≤[σ]t Φ
δ=pcDi/(4[σ]t Φ-pc) 式中各项参数的意义与内压薄壁圆筒相同 此式适用范围为pc≤0.6[σ]t Φ ，且不超过35MPa
二、设计温度
◆ 定义
设计温度是指容器在正常工作情况下，设定的元件 的金属温度（沿元件金属截面温度的平均值），用t表 示。
◆ 设计温度的确定：
● 容器内介质被热载体或冷载体直接加热时， 设计温度按表2-3确定 。 ● 容器内壁与介质直接接触且有外保温时，设计 温度按表2-4确定
● 容器内介质用蒸汽直接加热或被内臵加热元件（如 加热盘管、电热元件等）间接加热时，其设计温度取被 加热介质的最高工作温度。 ● 对液化气用压力容器当设计压力确定后，其设计温 度就是与其对应的饱和蒸气的温度。 ● 对储存用压力容器（包括液化气储罐）当壳体温度 仅由大气环境条件确定时，其设计温度可取该地区历年 来月平均气温的最低值，或据实计算。
σt=pD/2δ≤ [σ]t φ＊ 内径：因圆筒的内直径是
δ
＊ 计算压力PC :
可得：
t
Pc ( Di e ) [ ]t ( MPa) 2 e
以计算压力取代上式中的 p
● 圆筒的计算厚度
δ=pcDi/(2[σ]t Φ-pc)
式中：δ----圆筒的计算厚度； pc----圆筒的计算压力； [σ]t----圆筒材料在设计温度下的许用应力； Φ----圆筒的焊缝接头系数。
以上只要有一条不满足，就不能应用无力矩理论，而应按有力 矩理论进行分析。
◆ 有力矩理论的概念
考察受力平衡、几何变形、应力应变关系等方面， 建立各量之间的关系式，再结合边界和变形协调条件， 求出各种应力，这种方法称为有力矩理论。
◆ 边缘问题
● 边缘及边缘应力
在壳体上不满足无力矩理论应用条件的部位称为连 接边缘，在边缘处壳体相互之间产生的约束力称为边缘 应力。
● 旋转壳体
以旋转曲面为中间面的壳体称为旋转壳体。
● 中间面
与旋转壳体内外表面等距的曲面称为中间面。
● 第一曲率半径
经线上任一点的曲率半径就是旋转壳体在该点的第 一曲率半径，用r1表示。r1 =K01，O2为第一曲率中心。
● 第二曲率半径
用过K点并与经线在K点的切线垂直的平面切割中间 面，所得交线为一曲线，此曲线在K点的曲率半径称为 旋转壳体在该点的第二曲率半径，用r2表示。r2=KO2， O2为第二曲率中心。
式中 [pw] —容器的最大允许工作压力，MPa； δe —容器的有效厚度， C e n δn —容器的名义厚度，mm； C —容器的厚度附加量， C C1 C 2 C1 —钢板或钢管的厚度负偏差，mm； C2 —腐蚀裕量，mm。
第三节 设计参数的确定
一、设计压力 ◆ 定义 ● 设计压力
五、厚度附加量
厚度负偏差C1和腐蚀裕量C2，二者之和称为厚 度附加量，用C表示。
第四节 内压封头的结构及强度计算
◆ 常用封头的形状
压力容器封头可分为凸形封头、锥形封头、平 板形封头等。 凸形封头包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封 头和球冠形封头四种。
一、半球形封头
半球形封头即为半个球壳，半球形封头的设计计算 与球形容器相同。
●当采用双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接 接头时： 100%无损检测 φ=1.0； 局部无损检测 φ=0.85。
●当采用单面焊对接接头（沿焊缝根部有紧贴基本金属
的垫板）时： 100%无损检测 φ=0.90； 局部无损检测 φ=0.80。 至于在什么情况下需要采取100%无损检测，可查 阅GB150。
铝等有色金属材料制成的壳体，当承受静载荷时，一般 可以不对边缘应力特殊考虑或具体计算。
对于塑性很差的脆性材料制造的容器壳体，必须充 分考虑边缘应力的影响，正确计算边缘应力并按应力分 类的设计规范进行验算，否则，将在边缘高应力区导致 脆性或疲劳破坏。
＊由于边缘应力具有局部性，在设计中可以进行
局部处理。
● 常见的连接边缘

壳体与封头的连接处。 直径和材料相同但壁厚不同两壳体的连接处。 壳体上有法兰、接管等部位。 壳体上有集中载荷、或边界法向有约束的部位。 不同材料制造的同直径和同壁厚圆筒的连接处等。
● 边缘应力的特点
局部性
自限性
● 边缘应力在工程设计中的考虑 ＊ 对于塑性较好的低碳钢、奥氏体不锈钢，以及铜、

● 球形壳体
pD 4

pD 4
pD 2

● 锥形壳体

pDK 4
1 cos

pDK 2
1 cos
三、有力矩理论及边缘问题 ◆ 无力矩理论的适用范围

壳体曲率半径的变化是连续的、无突变，壳体的厚度 也无突变； 构成同一壳体材料的物理性能（E、μ等）是一致的； 作用在壳体上的外载荷是连续的，没有突变或集中载 荷作用； 壳体边界处只有沿经线切线方向的约束，而经线的转 动和法向位移均不受约束。
● 球形壳体
设壳体中间面半径为R， 由于经线为半圆曲线，与经 线垂直的平面就是半径所在 的平面，故第一、第二曲率 中心重合，第一、第二曲率 半径都等于球壳中间面半径 为R，K点的几何参数为： r1= r2 =R ； r= r2sinφ= R sinφ。
● 锥形壳体
设锥壳的半顶角为。则经线是与旋转轴夹角为的 直线，K点的几何参数为：r1=∞；r2=xtanα； r= r2cosα.
缘应力可能超过材料的屈服极限时，容易引起材 料的应变硬化现象。如果在同样载荷继续作用下， 还可能在该处出现裂纹并形成裂纹源，因此，对 承受这类载荷的连接边缘结构，应采取适当措施 以降低边缘应力的影响。
第二节 内压薄壁容器的强度计算
一、容器的设计计算 ◆ 圆筒型容器
设内压薄壁圆筒的中间面直径为D，壁厚为δ，内 部受到介质压力p的作用。 径向（轴向）应力： 环向应力：
第二章 中低压容器设计
目 录
1 2 3 4
旋转壳体的应力分析 内压薄壁容器的强度计算 内压封头的结构及强度计算 容器的压力试验 设计参数的确定
5
第一节 旋转壳体的应力分析
一、旋转壳体的基本概念
◆
旋转壳体的形成及几何特征
● 旋转曲面
任意平面曲线绕同平面内某已知的直线旋转而成 的曲面称为旋转曲面。这一已知的直线称为旋转轴， 绕其旋转的平面曲线称为母线。
PR 2

PR

● 圆筒的强度计算 对内压薄圆筒而言，其环向应力远大于轴 向应力，故按环向应力建立强度条件：
eq1 max
PR PD t [ ] 2
式中：[σ]t ---筒体材料在设计温度下的的许用应力.
● 工程应用中，还需考虑以下因素 ：
＊ 焊缝接头系数 :由于焊缝的存在会使筒体强度减 弱,所以要将钢的许用应力适当降低，将许用应力乘以一 个小于1的数值Φ，称为焊缝接头系数。引入焊缝接头系 数后的强度条件为： 由工艺计算决定的，则中间面直径可表示为为：D = Di+
二、无力矩理论及应用
◆ 无力矩理论的概念
旋转壳体在内压力作用下发生变形，在壳壁中产生 拉应力和弯曲应力，当壳体的径比K=Do/Di≤1.2时，为 了简化计算，常忽略弯曲应力而只考虑拉应力的影响， 这对一般的工程设计有足够的精度。这种分析问题的方 法称为“无力矩理论”，由此求得的旋转壳体中的应力 称为“薄膜应力”。
◆ 设计压力的确定
● 当容器上装有安全阀时，设计压力应大于等于安 全阀的开启压力，取开启压力为（1.1～1.05）倍的工 作压力；当容器上装有爆破片装臵时，容器的设计压 力随爆破片的形式、载荷的性质及爆破片的制造精度 等因素有关，具体数值可按GB150的有关规定进行确定