压力容器设计基础知识培训.pptx

压力容器设计基础知识培训技术中心技术中心 郝世荣郝世荣主要内容主要内容u1 1、总论、总论 u2 2、受压元件、受压元件 u3 3、外压元件（圆筒和球壳）、外压元件（圆筒和球壳）u4 4、开孔补强、开孔补强 主要内容主要内容u1 1、总论、总论 u2 2、受压元件、受压元件 u3 3、外压元件（圆筒和球壳）、外压元件（圆筒和球壳）u4 4、开孔补强、开孔补强 1.1 GB/T 150适用范围适用的温度范围：1）设计温度范围：-269900。2）钢材不得超过按GB/T150.2所列材料的允许使用温度范围。3）其他金属材料制容器按相应规范所列材料的的允许使用温度范围。第第第第2 2 2 2条条条条GB/T150.2GB/T150.2所列所列钢材使用温度范围不含有色金属钢材使用温度范围不含有色金属钢材使用温度范围不含有色金属钢材使用温度范围不含有色金属。其中奥氏体不。其中奥氏体不。其中奥氏体不。其中奥氏体不锈钢的最低使用温度为锈钢的最低使用温度为锈钢的最低使用温度为锈钢的最低使用温度为-253-253-253-253（对应液氢设计温度），（对应液氢设计温度），（对应液氢设计温度），（对应液氢设计温度），S31008S31008S31008S31008最高使用温度为最高使用温度为最高使用温度为最高使用温度为800800800800，部分奥氏体不锈钢最高使用温度为，部分奥氏体不锈钢最高使用温度为，部分奥氏体不锈钢最高使用温度为，部分奥氏体不锈钢最高使用温度为700700700700。第第第第1 1 1 1条款说明了本标准涵盖的所有容器设计温度范围为条款说明了本标准涵盖的所有容器设计温度范围为条款说明了本标准涵盖的所有容器设计温度范围为条款说明了本标准涵盖的所有容器设计温度范围为-269900-269900 ，其下限值，其下限值，其下限值，其下限值269269对应于铝的极限使用（设计）温度，上限值对应于铝的极限使用（设计）温度，上限值对应于铝的极限使用（设计）温度，上限值对应于铝的极限使用（设计）温度，上限值900900对应于对应于对应于对应于镍合金的极限使用（设计）温度。镍合金的极限使用（设计）温度。镍合金的极限使用（设计）温度。镍合金的极限使用（设计）温度。1、总论-GB150适用范围 适用的压力范围：适用的压力范围：适用的压力范围：适用的压力范围：钢制容器适用于设计压力不大于钢制容器适用于设计压力不大于3535MPaMPa，不低于不低于0.1MPa0.1MPa及真空及真空度高于度高于0.020.02MPaMPa 。特殊材质容器的设计压力按相应标准。特殊材质容器的设计压力按相应标准。1 1、总论、总论-GB150GB150适用范围适用范围 真空容器真空容器真空容器真空容器常压容器常压容器常压容器常压容器压力容器压力容器压力容器压力容器钢制容器设计压力适用范围，对其他金属材料制容器设钢制容器设计压力适用范围，对其他金属材料制容器设钢制容器设计压力适用范围，对其他金属材料制容器设钢制容器设计压力适用范围，对其他金属材料制容器设计压力适用范围见相应标准规范计压力适用范围见相应标准规范计压力适用范围见相应标准规范计压力适用范围见相应标准规范容规容规与与GB/T150GB/T150的适用情况介绍的适用情况介绍GB/T150GB/T150真空度真空度真空度真空度容规容规容规容规容规附件容规附件容规附件容规附件A A 1、总论-GB150与容规适用范围 JB4732JB47321 1、总论、总论-设计参数设计参数 1.1.2.1 2.1 压力压力 （6 6个压力）个压力）工作压力工作压力P Pw w：在正常工况下，容器：在正常工况下，容器顶部顶部可能达到的最高压力。可能达到的最高压力。设设计计压压力力P Pd d：设设定定容容器器顶顶部部的的最最高高压压力力，与与相相应应设设计计温温度度相相对对应应作作为为设设计计载载荷荷条条件件下容器顶部的最高压力下容器顶部的最高压力 ，其值，其值 P Pd dPPW W。计计算算压压力力P Pc c：在在相相应应设设计计温温度度下下，用用于于确确定定元元件件厚厚度度的的压压力力，并并且且应应当当考考虑虑液液柱柱静静压力等附加载荷。压力等附加载荷。试验压力试验压力P Pt t：进行耐压或泄漏压力试验时容器：进行耐压或泄漏压力试验时容器顶部顶部的压力。的压力。最最大大允允许许工工作作压压力力P Pwmaxwmax：在在设设计计温温度度下下，容容器器顶顶部部所所允允许许承承受受最最大大压压力力，是是根根据据容容器受压元件的有效厚度计算得到器受压元件的有效厚度计算得到,是考虑了该元件承受的是考虑了该元件承受的所有载荷所有载荷而计算得到的。而计算得到的。安全泄放装置整定压力安全泄放装置整定压力PzPz：P Pw wP Pz z(1.05-1.1)P(1.05-1.1)Pw w 装有超压泄放装置的压力容器装有超压泄放装置的压力容器 P Pd d P Pz z 1.2 1.2 设计参数设计参数压力压力设计压力设计压力PdPd与计算压力与计算压力PcPc的区别的区别u性质不同性质不同:设计压力设计压力PdPd指整台设备指整台设备,计算压力计算压力PcPc指具体部位的不同受压元件。指具体部位的不同受压元件。u取值依据不同取值依据不同:PdPd其值不低于工作压力其值不低于工作压力,综合考虑若干因素综合考虑若干因素;Pc;Pc用于来确定用于来确定具体元件的厚度具体元件的厚度,其中包括液柱静压力其中包括液柱静压力,对于夹套容器设计要考虑各压力腔之间对于夹套容器设计要考虑各压力腔之间的最大压力差。的最大压力差。u用途不同用途不同:Pd:Pd用来确定容器类别用来确定容器类别,确定确定PtPt。uPdPd出现在技术特性表和产品铭牌上出现在技术特性表和产品铭牌上,而而PcPc出现在计算书上。出现在计算书上。1 1、总论、总论-设计参数设计参数 1 1、总论、总论-设计参数设计参数 l对于设计图纸中注明最高允许工作压力的压力容器，允许超压泄放装置的整定对于设计图纸中注明最高允许工作压力的压力容器，允许超压泄放装置的整定压力高于设计压力，但不高于该压力容器的最高允许工作压力。压力高于设计压力，但不高于该压力容器的最高允许工作压力。l容器最大允许工作压力容器最大允许工作压力一般大于设计压力，当设计文件未注明最大允许工作压一般大于设计压力，当设计文件未注明最大允许工作压力时，则设计压力视为其最大允许工作压力力时，则设计压力视为其最大允许工作压力，计算采用的厚度应为有效厚度减计算采用的厚度应为有效厚度减去除压力外的其它载荷（如风弯矩、地震载荷）等，以及开孔补强所需厚度的去除压力外的其它载荷（如风弯矩、地震载荷）等，以及开孔补强所需厚度的厚度的计算值，并应减去液注静压力厚度的计算值，并应减去液注静压力。最大允许工作压力计算麻烦，需要进行。最大允许工作压力计算麻烦，需要进行全面强度校核（法兰、补强、外压、局部不连续等）全面强度校核（法兰、补强、外压、局部不连续等）l设计压力与计算压力的区别设计压力与计算压力的区别：在设计温度下：在设计温度下设计压力设计压力是指容器顶部的工作压力，是指容器顶部的工作压力，而而计算压力计算压力除考虑设计压力外，还应考虑壳体该部位的液注静压力。除考虑设计压力外，还应考虑壳体该部位的液注静压力。l装有安全阀的压力容器，其设计压力、工作压力、试验压力与安全阀排放压力、装有安全阀的压力容器，其设计压力、工作压力、试验压力与安全阀排放压力、开启压力之间的开启压力之间的关系示意关系示意：1 1、总论、总论-设计参数设计参数 u设计压力的确定：设计压力的确定：1 1）通常情况下）通常情况下1 1、总论、总论-设计参数设计参数 u2 2）设计压力必须与相应的设计温度作为设计条件，且还应考虑容器在运行中）设计压力必须与相应的设计温度作为设计条件，且还应考虑容器在运行中可能出现的各种工况，并以最苛刻的工作压力与相应的温度的组合工况，确定可能出现的各种工况，并以最苛刻的工作压力与相应的温度的组合工况，确定设计压力。设计压力。u3 3）盛装液化石油气和液化气的容器的设计压力，）盛装液化石油气和液化气的容器的设计压力，1 1）无安全装置时，设计压力应不低于安全阀开启压力的）无安全装置时，设计压力应不低于安全阀开启压力的1.051.05倍工作压力，倍工作压力，2 2）装有安全装置时设计压力应不低于安全阀的开启压力（开启压力取工作压）装有安全装置时设计压力应不低于安全阀的开启压力（开启压力取工作压力的力的1.051.11.051.1倍工作压力）。倍工作压力）。3 3）工作压力指盛装液化石油气和液化气的容器顶部可能达到的最高工作温度）工作压力指盛装液化石油气和液化气的容器顶部可能达到的最高工作温度下的饱和蒸汽压力。常温液化石油气和液化气的工作压力（饱和蒸汽压力）力下的饱和蒸汽压力。常温液化石油气和液化气的工作压力（饱和蒸汽压力）力见见容规容规。u4 4）带夹套的真空容器，容器壳体的计算外压力为设计外压与夹套设计内压力）带夹套的真空容器，容器壳体的计算外压力为设计外压与夹套设计内压力之和，且还应校核夹套试验压力下容器的壳体的外压稳定性。之和，且还应校核夹套试验压力下容器的壳体的外压稳定性。u5 5）真空容器确定壳体厚度时，设计压力是按外压考虑的，有安全阀设计压力）真空容器确定壳体厚度时，设计压力是按外压考虑的，有安全阀设计压力为为1.251.25倍最大内外压差或倍最大内外压差或0.1MPa0.1MPa的最大值，无安全阀，取的最大值，无安全阀，取0.1MPa0.1MPa。1 1、总论、总论-设计参数设计参数 1.2 1.2 设计参数设计参数 1.1.2.2 2.2 温度温度工作温度工作温度T Tw w ：在正常工况下元件的金属温度，实际工程中，往往以介质：在正常工况下元件的金属温度，实际工程中，往往以介质的温度表示工作温度。的温度表示工作温度。试验温度试验温度T Tt t 指耐压试验时容器壳体元件的金属温度，工程中也往往以指耐压试验时容器壳体元件的金属温度，工程中也往往以试验介质温度来表示试验温度。试验介质温度来表示试验温度。设计温度设计温度T Td d：容器在正常工况下，设定元件的金属截面的平均温度，由于容器在正常工况下，设定元件的金属截面的平均温度，由于金属壁面温度计算很麻烦，一般取介质温度加或减金属壁面温度计算很麻烦，一般取介质温度加或减10-2010-20得到。得到。温度温度 设计常温储存压力容器设计常温储存压力容器(无保温无保温)时，应当充分考虑在正常工作状态下时，应当充分考虑在正常工作状态下大气环境温度条件对容器壳体金属温度的影响，其最低设计金属温度不大气环境温度条件对容器壳体金属温度的影响，其最低设计金属温度不得高于历年来月平均最低气温的最低值。得高于历年来月平均最低气温的最低值。设计金属温度的选取应考虑环境温度的影响，从而正确选材设计金属温度的选取应考虑环境温度的影响，从而正确选材 u设计温度的确定原则设计温度的确定原则 1 1）设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度，对低于）设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度，对低于0 0 时，设计温度不得高于时，设计温度不得高于元件可能达到的最低温度元件可能达到的最低温度 2 2）当容器各部件工作温度不同时，应分别设定各自的设计温度）当容器各部件工作温度不同时，应分别设定各自的设计温度 3 3）对具有不同工况的容器，应按最苛刻工况设计，并注明各工况对应的设计温度及设计）对具有不同工况的容器，应按最苛刻工况设计，并注明各工况对应的设计温度及设计压力值压力值 4 4）容器内介质用蒸汽直接加热或间接加热时，设计温度取介质的最高温度。）容器内介质用蒸汽直接加热或间接加热时，设计温度取介质的最高温度。5 5）容器的受压元件两侧与不同介质直接接触时，应以较苛刻侧（最高或最低）的工作温）容器的受压元件两侧与不同介质直接接触时，应以较苛刻侧（最高或最低）的工作温度确定元件的设计温度。度确定元件的设计温度。1 1、总论、总论-设计参数设计参数1 1、总论、总论-设计参数设计参数1.2 1.2 设计参数设计参数 1.1.3.3 3.3 设计时应载荷设计时应载荷 1.1.压力压力 1)1)内压、外压或最大压差内压、外压或最大压差;2)2)液柱静压力液柱静压力;3)3)试验压力。试验压力。2.2.重力载荷重力载荷 1)1)容器空重容器空重:容器壳体及内外部固定件容器壳体及内外部固定件(如接管、人孔、法兰、支承圈、支座及内部元如接管、人孔、法兰、支承圈、支座及内部元件等件等)的质量的质量;2)2)可拆内件的重力载荷可拆内件的重力载荷:容器内部可拆卸构件容器内部可拆卸构件(如填料、填料格栅、支承梁、除沫器、如填料、填料格栅、支承梁、除沫器、催化剂及可拆塔盘板等催化剂及可拆塔盘板等)的质量的质量;3)3)介质的重力载荷介质的重力载荷:正常工作状态下容器内介质的最大质量正常工作状态下容器内介质的最大质量;（含液体介质、固体物（含液体介质、固体物料或填料）料或填料）4)4)隔热材料的重力载荷隔热材料的重力载荷:如保温如保温(或保冷或保冷)层及其支持件、内部隔热材料等的质量层及其支持件、内部隔热材料等的质量;1 1、总论、总论-设计参数设计参数 5)5)附件的重力载荷附件的重力载荷:与容器直接连接的平台、扶梯、工艺配管及管架等附件的质量与容器直接连接的平台、扶梯、工艺配管及管架等附件的质量;6)6)水压试验时，水压试验时，容器内水的质量。容器内水的质量。3.3.风载荷和地震载荷：风载荷和地震载荷：根据容器的类型（如塔器、球形容器等）根据容器的类型（如塔器、球形容器等）4.4.雪载荷雪载荷 5.5.偏心载荷偏心载荷：由于内件或外部附件由于内件或外部附件(或设备或设备)的质心偏离容器壳体中心线而引起的载荷。的质心偏离容器壳体中心线而引起的载荷。6.6.局部载荷局部载荷:容器壳体局部区域上作用的载荷容器壳体局部区域上作用的载荷(如支座、底座圈、支耳及其他型式支撑件对如支座、底座圈、支耳及其他型式支撑件对壳体的反作用力、管道推力等壳体的反作用力、管道推力等)。7.7.冲击载荷冲击载荷:由于容器受工作介质的冲击或压力急剧波动以及运输、吊装时产生的附加载由于容器受工作介质的冲击或压力急剧波动以及运输、吊装时产生的附加载荷。荷。8.8.温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力。9.9.循环载荷循环载荷:对某些特定操作条件的容器，承受压力循环载荷及热应力循环作用。对某些特定操作条件的容器，承受压力循环载荷及热应力循环作用。1 1、总论、总论-设计参数设计参数u载荷组合：载荷组合：应考虑安装、水压试验及工作状态下可能出现的最不利组合；应考虑安装、水压试验及工作状态下可能出现的最不利组合；1 1、总论、总论-设计参数设计参数 1.2 1.2 设计参数设计参数 1.1.3.3 3.3 壁厚壁厚 （6 6个厚度）个厚度）c c 计算厚度，由计算公式得到，计算厚度，由计算公式得到，保证容器强度，刚度和稳定的厚度保证容器强度，刚度和稳定的厚度d d 设计厚度，设计厚度，d d=c c+C+C2 2（腐蚀裕量）腐蚀裕量）保证保证规定使用寿命所需厚度规定使用寿命所需厚度n n 名义厚度，名义厚度，n n=d d+C+C1 1（钢材负偏差）钢材负偏差）+（圆整量）（圆整量）e e 有效厚度，有效厚度，e e=n n-C-C1 1-C-C2 2=c c+（决定元件的承载能力决定元件的承载能力）minmin 设计要求的成形后最小厚度，设计要求的成形后最小厚度，minminn n-C-C1 1 （GB150 GB150 4.3.74.3.7壳壳体体加加工工成成形形后后最最小小厚厚度度是是为为了了满满足足安安装装、运运输输中中刚刚度而定；而度而定；而minmin是保证正常工况下强度、刚度、寿命要求而定。）是保证正常工况下强度、刚度、寿命要求而定。）坯坯 坯料厚度坯料厚度坯坯=d d+C+C1 1+C+C3 3（其其中中：C C3 3 制制造造减减薄薄量量，主主要要考考虑虑材材料料（黑黑色色，有有色色）、工工艺艺（模模压压，旋压；冷压，热压），所以旋压；冷压，热压），所以C C3 3值一般由制造厂定。）值一般由制造厂定。）厚度厚度需要时，还需考虑需要时，还需考虑GB150.1GB150.1中中4.3.24.3.2其他其他载荷载荷1 1、总论、总论-各厚度之间的相互关系各厚度之间的相互关系各厚度之间的相互关系各厚度之间的相互关系1 1、总论、总论确定最小厚度应考虑的因素确定最小厚度应考虑的因素u1)1)对卧式容器，应取卧式容器计算所采用的有效厚度和按对卧式容器，应取卧式容器计算所采用的有效厚度和按“中径公式中径公式”计算得计算得到的厚度两者中的较大值作为计算厚度。到的厚度两者中的较大值作为计算厚度。u2)2)对于有开孔补强计算的容器应当考虑补强这一因素。即根据圆筒、封头是否对于有开孔补强计算的容器应当考虑补强这一因素。即根据圆筒、封头是否参与补强，若参与补强的话，则参与补强，若参与补强的话，则“计算厚度计算厚度”尚应加上参与补强金属（尚应加上参与补强金属（A1A1）所）所要求的厚度要求的厚度.此时，如采用等面积补强法，此时，如采用等面积补强法，“计算厚度计算厚度”应采用如下形式：应采用如下形式：u 2=2=A1/A1/（B-dB-d）-2-2（nt-Cnt-C）(1-fr(1-fr)+1)+1 式中：式中：A1-A1-壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积mm2mm2u 1-1-按按GB150GB150各章计算的厚度；各章计算的厚度；mmmmu 2 2满足设计要求的计算厚度；满足设计要求的计算厚度；mmmmu 此时，此时，笫一项笫一项为壳体参与补强所需厚度，笫二项为为壳体参与补强所需厚度，笫二项为GB150GB150中各章公式所要中各章公式所要求的厚度。显然，如果少了笫一项就会求的厚度。显然，如果少了笫一项就会迼迼成局部不安全。成局部不安全。关于最小厚度确定应考虑的因素关于最小厚度确定应考虑的因素l 压力容器最小厚度的确定应当考虑制造、运输、安装等因素的影响。最小厚度规定需要参考相应的产品技术标准。l 当设计压力较低时，由内压强度计算公式计算的计算厚度较小，往往不能满足制造、运输、安装等方面的刚度要求，因而对容器规定了最小厚度min；l 复合钢板复层最小厚度、容器壳体内表面堆焊层规定最小厚度。l 法兰、管板及平盖的不锈钢堆焊层，机加工后面层规定最小厚度。1 1、总论、总论-确定最小厚度应考虑的因素确定最小厚度应考虑的因素u 3)3)受外压的容器壳体和封头的计算厚度。受外压的容器壳体和封头的计算厚度。在在GB150GB150“外压圆筒和外压球壳外压圆筒和外压球壳”中，中，只有名义厚度只有名义厚度nn和有效厚度和有效厚度e,e,并没有直接出现外压壳体的计算厚度并没有直接出现外压壳体的计算厚度。此时，。此时，计算厚度计算厚度应按照相应外应按照相应外压壳体的计算方法得出的压壳体的计算方法得出的P=PC (P:P=PC (P:许用外压力；许用外压力；PC PC：计算外压力：计算外压力 )时的时的有效厚度。如果是外压容器的开孔补强问题，则更增加了判断的难度。有效厚度。如果是外压容器的开孔补强问题，则更增加了判断的难度。最小厚度最小厚度对对“成型后的最小厚度成型后的最小厚度”。对碳钢和低合金钢制容器对碳钢和低合金钢制容器,不小于不小于3mm3mm；对高合金钢容器对高合金钢容器,不小于不小于2mm2mm；碳素钢和低合金钢制塔式容器的最小厚度为碳素钢和低合金钢制塔式容器的最小厚度为2/10002/1000的塔器内直径的塔器内直径,且不小于且不小于3mm;3mm;对不锈钢制塔式容器的最小厚度不小于对不锈钢制塔式容器的最小厚度不小于2mm2mm；管壳式换热器壳体的最小厚度应符合管壳式换热器壳体的最小厚度应符合GB/T151GB/T151热交换器热交换器的相应规定。的相应规定。一般图样上封头应标注名义厚度（最小成形厚度），标注最小成形厚度可一般图样上封头应标注名义厚度（最小成形厚度），标注最小成形厚度可避免制造厂为保证避免制造厂为保证“名义厚度减负偏差名义厚度减负偏差”选购材料厚度二次圆整导致材料浪费。选购材料厚度二次圆整导致材料浪费。成形封头实测的最小厚度不得小于封头名义厚度减去钢板厚度负偏差成形封头实测的最小厚度不得小于封头名义厚度减去钢板厚度负偏差C1,C1,但但当设计图样标注了封头成形后的最小厚度，实测最小厚度不小于图样标注的最当设计图样标注了封头成形后的最小厚度，实测最小厚度不小于图样标注的最小成形厚度。小成形厚度。1、总论、总论-确定最小厚度应考虑的因素确定最小厚度应考虑的因素u1.2 1.2 设计参数设计参数 1.1.2.4 2.4 腐蚀裕量腐蚀裕量 对于均匀腐蚀的压力容器，腐蚀裕量根据预期的压力容器的使用年限和介对于均匀腐蚀的压力容器，腐蚀裕量根据预期的压力容器的使用年限和介质对材料的腐蚀速率确定；同时，还要当考虑介质流动对受压元件的冲蚀、质对材料的腐蚀速率确定；同时，还要当考虑介质流动对受压元件的冲蚀、磨损等影响磨损等影响 。腐蚀裕量：年腐蚀速率腐蚀裕量：年腐蚀速率设计寿命设计寿命。当容器各元件受到的腐蚀程度不同时，。当容器各元件受到的腐蚀程度不同时，可以采用不同的腐蚀裕量。可以采用不同的腐蚀裕量。设计单位应在设计图样上注明压力容器设计使用寿命设计单位应在设计图样上注明压力容器设计使用寿命。注意：压力容器的设计寿命不一定等于实际使用寿命，它仅仅是设计者预期注意：压力容器的设计寿命不一定等于实际使用寿命，它仅仅是设计者预期的使用条件而给出的估计值，需要考虑设备建造费用、更换周期以及材料、的使用条件而给出的估计值，需要考虑设备建造费用、更换周期以及材料、结构、防腐、限制蠕变或疲劳等因素，结合经验给出。结构、防腐、限制蠕变或疲劳等因素，结合经验给出。1、总论、总论腐蚀裕量腐蚀裕量下列情况不考虑腐蚀裕量下列情况不考虑腐蚀裕量介质对不锈钢无腐蚀作用时（不锈钢、不锈复合钢板或有不锈钢堆焊层的介质对不锈钢无腐蚀作用时（不锈钢、不锈复合钢板或有不锈钢堆焊层的元件）；元件）；可经常更换的非受压元件；可经常更换的非受压元件；有可靠的耐腐蚀衬里；有可靠的耐腐蚀衬里；法兰的密封表面；法兰的密封表面；管壳式换热器的换热管、拉杆、定距管、折流板和支持板等非受压元件；管壳式换热器的换热管、拉杆、定距管、折流板和支持板等非受压元件；用涂漆可以有效防止环境腐蚀的容器外表面及其外部构件（如支座、支腿、用涂漆可以有效防止环境腐蚀的容器外表面及其外部构件（如支座、支腿、底板及托架等，但不包括裙座）。底板及托架等，但不包括裙座）。压力容器设计寿命主要考虑因素：压力容器设计寿命主要考虑因素：（1 1）材料；（）材料；（2 2）C2C2；（；（3 3）结构设计合理性及防腐；（）结构设计合理性及防腐；（4 4）制造工艺；）制造工艺；（5 5）非正常工况；（）非正常工况；（6 6）对于低温绝热容器，应考虑绝热寿命。）对于低温绝热容器，应考虑绝热寿命。一般来说设计寿命一般来说设计寿命10-1510-15年，通常，塔器、反应器年，通常，塔器、反应器1515年；石化行业难以年；石化行业难以更换的塔器更换的塔器2020年，换热器、容器类年，换热器、容器类1010年年。1 1、总论、总论压力容器设计寿命主要考虑因素压力容器设计寿命主要考虑因素压力容器设计寿命主要考虑因素压力容器设计寿命主要考虑因素1 1、总论、总论-许用应力许用应力1.2 1.2 设计参数设计参数 1.1.2.4 2.4 许用应力许用应力许用应力是材料力学性能与相应安全系数之比值：许用应力是材料力学性能与相应安全系数之比值：b b/n/nb b s s/n/ns s D D/n/nD D n n/n/nn n 当设计温度低于当设计温度低于2020取取2020的许用应力。的许用应力。主要内容主要内容u1、总论、总论 u2、受压元件、受压元件 u3、外压元件（圆筒和球壳）、外压元件（圆筒和球壳）u4、开孔补强、开孔补强 2 2、受压元件、受压元件圆圆筒和球壳筒和球壳v 薄壁圆筒容器在工程中采用无力矩理论来进行应力计算，在内压薄壁圆筒容器在工程中采用无力矩理论来进行应力计算，在内压P P作用下，筒壁承受轴向应力和切向应力（薄膜应力）作用。由于壳作用下，筒壁承受轴向应力和切向应力（薄膜应力）作用。由于壳体壁厚较薄，且不考虑壳体与其它连接处的局部应力，忽略了弯曲应体壁厚较薄，且不考虑壳体与其它连接处的局部应力，忽略了弯曲应力，力，这种应力称为薄膜应力。这种应力称为薄膜应力。第一强度理论（最大主应力理论）第一强度理论（最大主应力理论）认为材料的三个主应力中只要最大的拉认为材料的三个主应力中只要最大的拉应力应力11达到了极限应力，材料就发生破坏。达到了极限应力，材料就发生破坏。强度条件：强度条件：1 t1 t 2.1内压圆筒和球壳内压圆筒和球壳2 2、受压元件、受压元件圆筒和球壳圆筒和球壳 圆筒和球壳壁厚是根据弹性力学最大主应力理论中径公式导出：圆筒和球壳壁厚是根据弹性力学最大主应力理论中径公式导出：中径（Di+）替代Di2 2、受压元件、受压元件圆筒和球壳圆筒和球壳 是以是以 薄壁容器内径公式导出，认为应力是均匀分布。薄壁容器内径公式导出，认为应力是均匀分布。随壁厚增加随壁厚增加K K值增大，应力分布不均匀程度加大，当值增大，应力分布不均匀程度加大，当K=1.5K=1.5时，由薄壁公式计时，由薄壁公式计算应力比拉美公式计算应力要低算应力比拉美公式计算应力要低23%23%，误差较大；当采用（，误差较大；当采用（Di+Di+）替代）替代DiDi内内径后，则其应力仅相差径后，则其应力仅相差3.8%3.8%，这样扩大了公式应用范围（，这样扩大了公式应用范围（K1.5K1.5），误差在），误差在工程允许范围内。工程允许范围内。圆筒受力图2 2、受压元件、受压元件圆筒和球壳圆筒和球壳 圆筒环向应力是轴向应力圆筒环向应力是轴向应力2 2倍，最大主应力为环向应力，所以公倍，最大主应力为环向应力，所以公式中焊接接头系数为纵向焊缝接头系数。式中焊接接头系数为纵向焊缝接头系数。而球壳环向应力和径向应力是相等。按中径公式可推导出，球壳而球壳环向应力和径向应力是相等。按中径公式可推导出，球壳壁厚壁厚适用范围适用范围Pc0.6Pc0.6 t t，相当于，相当于K1.353K1.353公式中焊接接头系数为所有拼接焊缝接头系数。公式中焊接接头系数为所有拼接焊缝接头系数。2 2、受压元件、受压元件封头封头2.2 2.2 封头封头 2.2.1 2.2.1 椭圆封头椭圆封头(曲率连续曲率连续)1 1）应力分布）应力分布 标准椭圆封头（标准椭圆封头（a/b=2a/b=2）应力分布：）应力分布：径向应力径向应力r r为拉伸为拉伸应力，封头中心最大，应力，封头中心最大，沿径线向封头底边逐沿径线向封头底边逐渐减小。渐减小。周向应力周向应力在封头中心为拉伸在封头中心为拉伸应力，并沿径线向封头底边逐应力，并沿径线向封头底边逐渐减小，由拉伸应力变为压缩渐减小，由拉伸应力变为压缩应力，至底边压应力最大。且应力，至底边压应力最大。且a/b越大，底部压应力愈大。越大，底部压应力愈大。出于上述考虑，出于上述考虑，GB150规定规定a/b 2.6。2 2、受压元件、受压元件封头封头 所以在内压作用下，封头短轴要伸长，长轴要缩短称之为趋圆现象，在曲面所以在内压作用下，封头短轴要伸长，长轴要缩短称之为趋圆现象，在曲面与直边相连部分，封头底边径向收缩，圆筒径向胀大，在边界力作用下产生附与直边相连部分，封头底边径向收缩，圆筒径向胀大，在边界力作用下产生附加弯距（弯曲应力），封头上最大应力为薄膜应力和弯曲应力之和。加弯距（弯曲应力），封头上最大应力为薄膜应力和弯曲应力之和。2 2、受压元件、受压元件封头封头2.2.12.2.1 计算公式计算公式 可近似理解为，椭圆封头壁厚是圆筒壁厚的可近似理解为，椭圆封头壁厚是圆筒壁厚的K K倍倍。其中：表示为封头形状系数，a/ba/b越大，越扁平，长轴收缩多，变形越大，应力也大，所以控制越大，越扁平，长轴收缩多，变形越大，应力也大，所以控制K K不大不大于于2.62.6。K K与与Di/2hiDi/2hi关系查表关系查表 5.15.12 2、受压元件、受压元件封头封头3 3）稳定性）稳定性 在在内压作用内压作用下，长轴缩短，产生压应力，存在周向失稳可能，标准控下，长轴缩短，产生压应力，存在周向失稳可能，标准控制最小厚度来保证。（制最小厚度来保证。（GB150 GB150 表表5-1 5-1 下部说明）下部说明）在在外压作用外压作用下，短轴缩短，产生压应力，球面部分存在失稳可能，用下，短轴缩短，产生压应力，球面部分存在失稳可能，用图表法进行校核计算。图表法进行校核计算。碟形壳的应力与变形碟形壳的应力与变形2 2、受压元件、受压元件封头封头2.2 2.2 封头封头 2.2.2 2.2.2 碟形封头碟形封头(曲率不连续曲率不连续)1 1）应力分布）应力分布 碟形封头由球面、环壳和圆碟形封头由球面、环壳和圆筒组成，应力分布与椭圆封头相筒组成，应力分布与椭圆封头相似。似。径向应力径向应力 r r为拉伸应力，在为拉伸应力，在球面部分均匀分布，至环壳应力逐球面部分均匀分布，至环壳应力逐渐减小，到底边应力降至一半。渐减小，到底边应力降至一半。周向应力周向应力在球面部分为均在球面部分为均匀分布拉伸应力，匀分布拉伸应力，环壳上为压缩应环壳上为压缩应力力，在连接点到底边逐渐减小，而，在连接点到底边逐渐减小，而在在球面与环壳连接处最大。应力突变发生在应力突变发生在球面与环壳连接球面与环壳连接处处2 2、受压元件、受压元件封头封头 碟形封头与椭圆封头形状相似碟形封头与椭圆封头形状相似，不同点不同点是应力与变形都是是应力与变形都是不连续的不连续的，而且有两个拐点（球面与环壳、环壳与圆筒）在两个边界上产生附加力矩而且有两个拐点（球面与环壳、环壳与圆筒）在两个边界上产生附加力矩（弯曲应力）（弯曲应力）在内压作用下，球面外凸，环壳内缩在内压作用下，球面外凸，环壳内缩，圆筒外胀，圆筒外胀。当。当r/Rr/R越小，球面越小，球面与环壳处产生应力最大；与环壳处产生应力最大；r/R1r/R1趋于球壳，弯距趋于球壳，弯距0 0；所以；所以蝶形封头最大蝶形封头最大应力在球面与环壳过度区应力在球面与环壳过度区。2 2、受压元件、受压元件封头封头2 2）碟形封头的计算公式）碟形封头的计算公式 Ri/rRi/r越大，变形越大，应力也大，所以越大，变形越大，应力也大，所以M M随随R/rR/r增大而增大，增大而增大，M M与与Ri/rRi/r查查GB150GB150表表5-35-3可近似理解为，蝶形封头壁厚是球壳壁厚的可近似理解为，蝶形封头壁厚是球壳壁厚的M M倍。倍。其中：其中：形状系数，形状系数，3 3）稳定性）稳定性 在内压作用下，长轴缩短，产生压应力，存在周向失稳可能，标准控在内压作用下，长轴缩短，产生压应力，存在周向失稳可能，标准控制最小厚度来保证。（制最小厚度来保证。（GB150 GB150 表表5-3 5-3 下部说明）下部说明）在外压作用下，短轴缩短，产生压应力，球面部分存在失稳可能，用在外压作用下，短轴缩短，产生压应力，球面部分存在失稳可能，用图表法进行校核计算。图表法进行校核计算。同椭圆形封头同椭圆形封头同椭圆形封头同椭圆形封头2 2、受压元件、受压元件封头封头2.2 2.2 封头封头 2.2.3 2.2.3 锥形封头锥形封头1 1）定义）定义 锥形封头半顶角锥形封头半顶角6060，以大端直径为当量圆筒直径，以大端直径为当量圆筒直径(D(Di i/cos/cos)方法计算（即方法计算（即按当量圆筒一次薄膜应力计算按当量圆筒一次薄膜应力计算）。）。同一直径处周向应力等于轴向应力同一直径处周向应力等于轴向应力2 2倍倍；不同直径处，应力是不同的。不同直径处，应力是不同的。半顶角半顶角6060，按圆平板计算，此时应力以弯曲应力为主，按圆平板计算，此时应力以弯曲应力为主，与薄膜，与薄膜理论不适应的。理论不适应的。大端大端3030采用无折边结构；采用无折边结构；3030带折边带折边 小端小端4545采用无折边结构；采用无折边结构；4545带折边带折边 2 2、受压元件、受压元件封头封头2 2）应力分析）应力分析大端大端 轴向力轴向力T T2 2分解成沿母线方向分解成沿母线方向N N2 2和垂直与轴线方向和垂直与轴线方向P P2 2。N N2 2 轴向拉伸应力轴向拉伸应力 P P2 2 大端径向收缩，产生径向弯大端径向收缩，产生径向弯曲应力曲应力，并使周向应力与压力作用，并使周向应力与压力作用产生周向应力，方向相反而相对减产生周向应力，方向相反而相对减小，所以小，所以大端以一次轴向拉伸应力大端以一次轴向拉伸应力+二次轴向弯曲应力为强度控制条二次轴向弯曲应力为强度控制条件件2 2、受压元件、受压元件封头封头2 2）应力分析）应力分析小端小端 轴向力轴向力T T1 1分解成母线方向分解成母线方向N N1 1和垂直于轴线方向和垂直于轴线方向P P1 1.N N1 1 轴向拉伸应力轴向拉伸应力 P P1 1 小端径向张大小端径向张大，产生周向应，产生周向应力。此周向应力与压力作用产生周力。此周向应力与压力作用产生周向应力方向一致，相互叠加，所以向应力方向一致，相互叠加，所以小端以一次周向应力小端以一次周向应力+由边界力引由边界力引起周向应力为强度条件控制值起周向应力为强度条件控制值通常情况下，锥壳为一个厚度。则应取上述三个厚度中最大值。通常情况下，锥壳为一个厚度。则应取上述三个厚度中最大值。2 2、受压元件、受压元件封头封头3 3）计算公式）计算公式 锥壳厚度锥壳厚度 由由于于受受边边界界条条件件影影响响，是是否否需需要要在在大大、小小端端增增设设加加强强段段，由由GB150 GB150 图图7-117-11、7-137-13判判断断，交交点点在在左左边边表表示示二二次次应应力力影影响响不不大大，不不起起控控制制作作用，按上式计算即可；当交点在右边时，需增设加强段。用，按上式计算即可；当交点在右边时，需增设加强段。大端厚度：大端厚度：小端厚度：小端厚度：Q Q应力增值系数，体现边界应力作用。应力增值系数，体现边界应力作用。挠度反映板的刚度；应力则反映强度。挠度反映板的刚度；应力则反映强度。所以周边固支平盖的最大挠度和最大弯曲应力比周边简支要所以周边固支平盖的最大挠度和最大弯曲应力比周边简支要小，从强度和刚度要求来说，周边固支比周边简支的为好。小，从强度和刚度要求来说，周边固支比周边简支的为好。2 2、受压元件、受压元件封头封头2.2 2.2 封头封头 2.2.42.2.4平盖平盖 平盖厚度是基于圆平板在均布载荷作用下一次弯曲应力来计算：平盖厚度是基于圆平板在均布载荷作用下一次弯曲应力来计算：K K为结构特征系数，分固支（焊接）和简支（螺栓）查表为结构特征系数，分固支（焊接）和简支（螺栓）查表7-77-7。比较两种边界条件下得最大挠度与最大应力，可知：比较两种边界条件下得最大挠度与最大应力，可知：封头的受力情况优劣由好到差的顺序球形封头球形封头 椭圆封头椭圆封头 蝶形封头蝶形封头 球冠形封头球冠形封头 锥形封头锥形封头 平盖平盖 2、受压元件封头主要内容主要内容u1、总论、总论 u2、受压元件、受压元件u3、外压元件（圆筒和球壳）、外压元件（圆筒和球壳）u4、开孔补强、开孔补强 3.1 3.1 失稳失稳外外压压元元件件承承受受的的压压应应力力，其其破破坏坏形形式式主主要要是是失失稳稳，失失稳稳可可分分为为周周向向失失稳和轴向失稳。稳和轴向失稳。周向失稳周向失稳 断面由圆形变成波形断面由圆形变成波形 轴向失稳轴向失稳 轴线由直线变成波形线轴线由直线变成波形线 3 3、外压元件（圆筒和球壳）、外压元件（圆筒