《过程设备设计基础》3.4外压圆筒设计28
《过程设备设计》第二版(郑津洋,董其伍,桑芝富) 课后习题答案 化学工业出版社
思考题参考答案第1章压力容器导言思考题1.1我国《压力容器安全技术监察规程》根据整体危害水平对压力容器进行分类。
压力容器破裂爆炸时产生的危害愈大，对压力容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求也愈高。
设计压力容器时，依据化学介质的最高容许浓度，我国将化学介质分为极度危害（Ⅰ级）、高度危害（Ⅱ级）、中度危害（Ⅲ级）、轻度危害（Ⅳ级）等四个级别。
介质毒性程度愈高，压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重。
压力容器盛装的易燃介质主要指易燃气体或液化气体，盛装易燃介质的压力容器发生泄漏或爆炸时，往往会引起火灾或二次爆炸，造成更为严重的财产损失和人员伤亡。
因此，品种相同、压力与乘积大小相等的压力容器，其盛装介质的易燃特性和毒性程度愈高，则其潜在的危害也愈大，相应地，对其设计、制造、使用和管理也提出了更加严格的要求。
例如，Q235-B钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器；盛装毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器制造时，碳素钢和低合金板应逐张进行超声检测，整体必须进行焊后热处理，容器上的A、B类焊接接头还应进行100％射线或超声检测，且液压试验合格后还应进行气密性试验。
而制造毒性程度为中度或轻度的容器，其要求要低得多。
又如，易燃介质压力容器的所有焊缝均应采用全熔透结构思考题1.2筒体：压力容器用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间，是压力容器的最主要的受压元件之一；封头：有效保证密封，节省材料和减少加工制造的工作量；密封装置：密封装置的可靠性很大程度上决定了压力容器能否正常、安全地运行；开孔与接管：在压力容器的筒体或者封头上开设各种大小的孔或者安装接管，以及安装压力表、液面计、安全阀、测温仪等接管开孔，是为了工艺要求和检修的需要。
支座：压力容器靠支座支承并固定在基础上。
安全附件：保证压力容器的安全使用和工艺过程的正常进行。
思考题1.3《压力容器安全技术监察规程》依据整体危害水平对压力容器进行分类，若压力容器发生事故时的危害性越高，则需要进行安全技术监督和管理的力度越大，对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求也越高。
化工设备设计基础第9章外压薄壁圆筒与封头的强度设计演示教学
第二节 临界压力
一、临界压力 二、影响临界压力的因素 三、外压圆筒的分类 四、临界压力的理论计算公式 五、临界长度
2020/9/27
一、临界压力
– 承受外压的容器在外压达临界值之前，壳体也能发生弹性 压缩变形；压力卸除后壳体可恢复为原来的形状。一旦当 外压力增大到某一临界值时，筒体的形状发生永久变形， 就失去了原来的稳定性。
' cr
p'crD0 2Se
1.3Et
Se D0
1.5
L
D0
临界应力公式
2020/9/27
四、临界压力的理论计算公式
• 3. 刚性圆筒
– 刚性圆筒不会失稳破坏，只需进行强度校验。其强度校验公 式与计算内压圆筒的公式一样。
pD 2i S eSe[]压 t
强度校核
[p] 2[]压 t Se
Di Se
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二、影响临界压力的因素
• 2. 筒体材料性能的影响
– 筒体的临界压力与材料的强度没有直接关系。材料的弹性模量E和泊松比 μ值越大，抵抗变形的能力就越强，因而其临界压力也就越高。
– 【注意】钢材的E和μ值相差不大，选用高强度钢代替一般碳钢制造外压 容器，不能提高筒体的临界压力。
• 3. 筒体椭圆度和材料不均匀
第九章 外压薄壁圆筒与封头的设计
第一节 概 述 第二节 临界压力 第三节 外压圆筒的工程设计 第四节 外压球壳与凸形封头的设计 第五节 加强圈的设计
2020/9/27
第一节 概 述
一、外压容器的失稳 二、容器失稳型式的分类
2020/9/27
一、外压容器的失稳
• 外压容器：壳体外部压力大于壳体内部压力的容器。 • 应力特点：容器受到外压作用后，在筒壁内将产生经
过程设备设计
1.2
压力容器的分类
a. 压力容器分类的理由 压力容器潜在的危害程度不同！
压力容器发生事故所造成的危害程度差别很大， 而决定危害程度的因素又很多，有压力、温度、 物料的相态、物料的毒性、易燃易爆性、规模、 使用场所等。
b. 压力容器分类的依据
主要根据压力、温度、物料的相态、物料的 毒性、易燃易爆性、规模、使用场所等。 c. 压力容器的分类
回转壳的特点：
母线以回转轴为中心旋转而 得，故为对称壳体。
若：
壁厚/中面曲率半径≤0.1，称该壳体为薄壳，反之为 厚 壳。 在应力分析中，假定：材料是连续、各向同性、变 形为弹性小变形、壳壁各层纤维在变形过程及变形 后互相不挤压（？）。
2.1.2 薄壁圆筒的应力分析 分析方法：单元体平衡法
环向应力和经向应力
1
压力容器导言
1.1 压力容器总体结构 1.2 压力容器的分类 1.3 压力容器规范标准
封头
筒身
接管
支座
补强圈 盲板
上封头 筒节
环焊缝 接管 纵焊缝
支座
下封头
图片
法兰 补强圈
图片
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思考题：压力容器主要由哪几部分构成？各有什么作 用？
a. 筒身 钢板卷制而成 筒身 制造容易、成本低
1.3 压力容器规范标准 1.3.1 国外压力容器标准简介 • ASME规范
美国标准（American society of Machinery engineering) 为世界上第一部压力容器设计和制造方面的规 范，历史悠久，更新速度快，涵盖范围宽，同时也 是许多国家制定相关规范的蓝本（如日本、中国等 国家）。
2.1.3
回转薄壳的几何要素
第一曲率半径R1、第二曲率半径R2
过程设备设计复习题及答案
1.7毒性为中度危害的化学介质最高容许质量浓度为：（B）
A.<0.1mg/m3
B.0.1~<1.0mg/m3
C.1.0~<10mg/m3
D.10mg/m3
1.8内压容器中，设计压力大小为50MPa的应划分为：（C）
A.低压容器
B.中压容器
C.高压容器
D.超高压容器
A.尽量采用对接接头结构，不允许产生未熔透缺陷
B.尽量采用全熔透的结构，不允许产生未熔透缺陷
C.尽量减少焊缝处的应力集中
D.尽量选用好的焊接材料
3.5下列焊接接头中可能出现的缺陷，最危险的是：（A）
A.裂纹
B.夹渣
C.气孔
D.未熔透
3.6下列金属会产生低温变脆的是：（B）
A.铜
B.碳素钢
C.铝
D.奥氏体不锈钢
3.7磁粉检测属于：（D）
A.破坏性检验
B.外观检查
C.密封性检查
D.无损检测
3.8下列关于硫化学成分在钢材中的作用说法正确的是：（C）
A.硫元素不是钢材中的有害元素。
B.硫元素能提高钢的强度，但会增加钢的脆性。
C.硫元素能促进非金属夹杂物的形成，使塑性和韧性降低。
D.压力容器用钢对硫的限制和一般结构钢相当。
B.蛇管式换热器是管式换热器的一种，它由金属或者非金属的管子组成，按需要弯曲成所需的形状。
C.套管式换热器单位传热面的金属消耗量小，检测、清洗和拆卸都较为容易。
D.套管式换热器一般适用于高温、高压、小流量流体和所需要的传热面积不大的场合。
6.5下列措施中，不能起到换热器的防振效果的有：（A）
A.增加壳程数量或降低横流速度。
外压容器计算
钢板负偏差 C1 腐蚀裕量 C2 焊接接头系数 ф＝
过程设备强度设计书
计算单位
MPa ºC
mm mm
中国轻工业武汉设计工程有限责任公司 椭圆封头简图
MPa MPa
MPa
mm mm
厚度及重量计算
计算厚度
有效厚度 最小厚度 名义厚度 结论
e n C1 C2 min n 满足最小厚度要求
2 e
校核条件
T T
校核结果
许用外压力 结论：
p B
D0 e 合格
压力及应力计算
合格
mm mm mm
kg
MPa MPa MPa
外压碟形封头计算 计算条件
计算压力 pc 设计温度 t 内径 Di 曲面高度 hi 材料
试验温度许用应力
设计温度许用应力 t
外压内圆筒计算 计算条件
计算压力 pc
设计温度 t= 内径 D i= 材料
试验温度许用应力
过程设备强度设计书
计算单位
中国轻工业武汉设计工程有限责任公司
筒体简图
MPa
ºC mm
MPa
设计温度许用应力 t
MPa
试验温度下屈服点 s
MPa
钢板负偏差 C1
mm
腐蚀裕量 C2
mm
焊接接头系数 ф＝
厚度及重量计算
计算厚度
有效厚度 名义厚度 结论
e n C1 C2 δn = 满足最小厚度要求
重量
压力试验时应力校核
压力试验类型
液压试验
试验压力值
pT 1.25pc
压力试验允许通过的应力水平 T T 0.90 s
5 外压圆筒与封头的设计
化 工 设 备 机 械 基 础 化 工 学 院
第一节 概念
第二节 临界压力
第三节 外压圆筒的工程设计
第四节 外压球壳与凸形封头的设计
第五节 外压圆筒加强圆的设计
第五章 外压圆筒与封头设计
第一节 概 述 化 工 设 备 机 械 基 础 化 工 学 院
稳定(平衡)的概念 平衡有两种：稳定平 衡和不稳定平衡。如图 (a)所示小球，位于凹槽 底部A处，它所具有的平 衡是稳定的。而图(b)所 示的小球，位于曲面顶部 B处。小球在B点所处的平 衡是不稳定的。
第三节 外压圆筒的工程设计
二、外压圆筒壁厚设计的图算法
化 工 设 备 机 械 基 础 化 工 学 院
1、算图 的来由
pcr 2.2 E (
t
e
D0
)3
（长圆筒） （短圆筒）
2.5 ( / D ) 0 2.59E t e pcr L / D0
在临界压力作用下，筒壁产生相应的应力cr及应变
第五章 外压圆筒与封头设计
第三节 外压圆筒的工程设计
化 工 设 备 机 械 基 础 化 工 学 院 一、设计准则
计算临界压力的公式是在假定圆筒没 有初始椭圆度的条件下推导出来的。实践 证明，许多长圆筒或管子一般压力达到临 界值的1／2—1／3时，就会被压瘪。此外， 在操作时往往由于操作条件的破坏，壳体 实际所承担的压力会比计算压力大一些， 因此，必须使许用外压力比临界压力小m倍。
第三步：根据算得或查得的σcr利用 算出临界压力值。进而计算许用外压：
pcr 2
e
D0
cr
[ p]
pcr m
第三节 外压圆筒的工程设计
二、外压圆筒壁厚设计的图算法
第十章 外压圆筒与封头的设计PPT
2.2E t ( e )3 ( D0 )
D0 2E t
e 1.1( e )2
D0
(13-13)
2.59E t ( e )2.5 ( D0 )
( e )1.5
D0
e 1.3 D0
L 2Et
L
D0
D0
f
(
D0
e
,
L )
D0
(13-14)
NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
刚性圆筒最高
工作压力公式
NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
4)结论
刚性圆筒
Lc
r
短圆筒
Lc r 长圆筒
若某圆筒的计算长度为 L ，则：
L ＞ Lcr
属长圆筒
Lcr ＜ L ＜ Lcr
属短圆筒
L ＜ Lcr
属刚性圆筒
NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
二、容器失稳型式的分类
1、按受力方向分为侧向失稳与轴向失稳
侧向失稳
p
容器由均匀侧向外压 引起的失稳，叫侧向 失稳 特点:横断面由 圆形变为波形
外压圆筒侧向失稳后的形状
NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
轴向失稳
p
轴向失稳由轴向压应力引起，失稳后其 经线由原来的直线变为波形线，而横断 面仍为圆形。
3D0 / e
(4)比较计算压力Pc与许用外压力[P]，要 求Pc[P]且比较接近
NANJING UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
情况2
D0 / e 20
(1)用与D0 / δe 20时相同的步骤得到系数B。但对于D0 / δe <4的圆筒和管子， 则系数A用下式计算：
过程设备设计
第一章一．压力容器的基本组成：1.筒体2.封头3.密封装置4.开孔与接管5.支座6.安全附件二．开孔与接管(1)开孔目的：a.满足工艺要求 b.满足结构要求(2)开孔结果：a.开孔部位的强度被削弱b.结构连续性破坏c.与接管焊接时易产生焊接残余应力和缺陷焊接故应少开孔并作开孔补强设计。
(3)破坏形式：疲劳破坏三．开孔位置：满足工艺要求考虑操作方便，避开应力集中区域，边缘应力区，焊缝处a.检查孔(人孔、手孔等)的装设位置应便于检查、清理,对人孔还应考虑进出方便。
b.立式小型容器的人孔、手孔应设于顶盖上,较大立式容器人孔可设于筒体上。
c.设置两个人孔的容器，其位置一般分别设在顶盖和筒体上。
d.设在侧面位置的人孔，容器内部应根据需要设置梯子或踏步。
e.用于装卸填料、触媒的手孔允许斜置。
不必开设检查孔的条件：容器若符合下列条件之一,则可不必开设检查孔:a.筒体Di≤300mm 的压力容器b.容器上设有可拆卸的封头、盖板或其它能够开关的盖子，其尺寸不小于所规定检查孔的尺寸。
c.无腐蚀或轻微腐蚀，无需做内部检查和清理的压力容器。
d.制冷装置用压力容器。
e.换热器检查压力容器在使用单元中是否有裂纹、变形、腐蚀等缺陷产生四．压力容器零部件间的焊接焊接结构设计，接头的形式（如对接、搭接、角接）坡口形式和尺寸，焊接方法（如手工焊、自动焊等）检验要求（表面探伤、透射探伤等）五．介质危害性指介质的毒性、易燃性、腐蚀性、氧化性等其中影响压力容器分类的主要是毒性和易燃性介质毒性程度愈高，压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重，对材料选用、制造、检验和管理的要求愈高。
对于压力容器用钢钢板应逐张超声检测， 100%射线或超声检测，气密性试验易燃介质对压力容器的选材、设计、制造和管理等提出了较高的要求，易燃介质容器均采用全焊透结构压力容器的分类：承压方式（内压容器，外压容器）[当容器的内压力小于一个绝对大气压（约0.1MPa）时又称为真空容器]（按照设计压力p分）低压(L)容器 0.1 MPa≤p＜1.6 Mpa，中压(M)容器 1.6 MPa≤p＜10.0 MPa高压(H)容器 10 MPa≤p＜100 Mpa，超高压(U)容器 p≥100Mpa六．规章制度：法律，行政法规，部门规章，安全技术规范，引用标准特种装备：锅炉、压力容器、压力管道、电梯、起重机械、客运索道、大型游乐设施、场（厂）内专用机动车辆8种《容规》对压力容器的材料、设计、制造、使用，检验、修理、改造等七个环节中的主要问题提出了基本安全要求。
过程设备机械设计基础课后习题答案
M1 = 10.8x − 5.99
M 2 = 5.4x − 4.37
RA
M3 = 0 M = 5.99kNm
max
MA
M(KNm)
300 A
510 150 B
或： M 1 = 0 M 2 = − 5 .4 x + 0 .81
0
x
-2.75
M 3 = − 10 .8 x + 4 .374
-5.99
2)
l
C
A
B
l 题4-8
2
查表选28a工字钢：Wz=508 cm3、q = 43.492Kg/m
∴Mmax
=
MG
+
Mq
=
56×103
+
1 8
43.492×9.8×82
=
59410N
⋅
m
校核：σ max
=
M max
[Wz ]
=
59410×103 508×103
=116.95 MPa< [σ ] =125MPa
=
28 .66 MPa
4
4
2
φ 10 mm 1 φ 20 mm
F
Q
1m1
∆ L1
=
N 1 L1 EA 1
12 × 10 3 × 1000 =
2 × 10 5 × π 10 2
= 0 .76 mm
4
∆L2
=
N 2L2 EA 2
=
9 × 10 3 × 500 2 × 10 5 × π 20 2
= 0 .072
M A yA Iz
10.9×106 ×60 = 120×2003
= 8.175MPa
《过程设备设计》课程教学方法探讨
三步法 ， 学生对这 三个应力值 之间的关 系便有 了非 常好 的理解 。 三步法的具体步骤如下 ： 第 一步 ， 确定 。简体在 内压或者外压作 用下 ， 很容 易知道 内压或外压作用于端面所 产生 的轴 向应 力 盯 ， 它是 一条均 布 于 壁厚 与 ｚ 向一致的拉应力或压应力 （ 方 此处确定 ｏ 的正负号） ｒ 。
《 过程设备设计》 过程装 备与控 制工 程专业 的核 心课 程 ， 是 涵盖 了化工容器设计 和化 工设备 设计 的主要 内容 ， 包括 压 力容 器的常规设计 、 分析设计等不 同设计 理论 ， 以及典 型的过程设 备 如塔设备 、 换热器和反应釜 的结构 、 工作原 理及设计 方法 。Ｊ 。 本课程 的特点是理论性较强 ， 内容抽 象枯燥 ， 以引起学 生 难 的 学 习兴 趣 。 。尤 其 是 压 力 容 器 应 力 分 析 部 分 ， 及 到 很 多 涉 的弹性力学 、 弹塑性 力学 的知识 ， 于工科 学生 ， 对 由于缺 乏扎 实 的力学基础 ， 再加上学时数的限制 ， 可能在课 堂上大 量补充 弹 不
（ ｏ ｅｅｏ ｅｈ ｎｃｌ ｎ ｉｅｒ ｇａｄＡ ｔｍ ｔ ｎ Ｚ ｅ ａ ｇＳ ｉ ｃ ｅｈ ｏｏｙＵ ｉｅｓｙ Ｃ ｌ ｇ ｆＭ ｃ ａｉａ Ｅ ｇｎｅ ｎ ｎ ｕｏ ａ ｏ ， ｈｊ ｎ ｃｅ ｅＴ ｃ ｎ ｌ ｎｖｒｉ ， ｌ ｉ ｉ ｉ ｎ ｇ ｔ Ｚ ｅ ａ ｇＨａｇｈ ｕ３ ０ １ ， ｈ ａ ｈｊ ｎ ｎ ｚｏ １０ ８ Ｃ ｉ ） ｉ ｎ
２ 课 堂 教 学 实例
以厚壁 圆筒应力分 析这 一节 内容 的讲授 为 例 ， 笔者 在课 堂 教学 中， 强调 三个 方程 的建立 ， 即平衡 方程 、 何方 程和 物理方 几 程的建立 ， 本省 略其中的数学推导 ， 基 直接就 力学解 总结 其 中规