内外压容器——受压元件设计中国石化工程建设公司桑如苞
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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，为此整体上产生
球形封头—球壳一次薄膜应力，控制值1倍
许用应力。但在相邻元件连
壳体椭圆封头（椭球壳）接部位，会因变形协调产生
局部薄膜应力和弯曲应力，
碟封（球冠与环壳）称二次应力，控制值3倍
许用应力。
典型板壳锥形封头（锥壳）
结构
圆平板（平盖）压力作用下，以弯曲应力承
载，为此整体上产生一次弯
环形板（开孔平盖）曲应力，控制值1.5倍
平板许用应力。
环（法兰环）
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 4p 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 = δδππ
44i 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= δδ22i 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= δδδδ22)(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=
K分布曲线可回归成公式：
K=1/6[(a/b)2+2]=1/6[2+( )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。
环
σ
σ
m ax
i
i
2h
D
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 0×L ×P=2δe ×B/2×L
D 0×P =δe ×B
[P]=δe ×B/D 0=B/(D 0/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 0/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 0/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 0/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L1：
L1= 2α
δ
cos
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
5.0δ
D
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L1
L1=α
δ
cos
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
δ
s
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+2δetδ(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。
实验二 外压容器失稳实验 一、试验目的： 1. 观察薄壁圆筒形容器在外压作用下丧失稳定性后的形态。 2. 测定圆筒形容器失去稳定性时的临界压力并与理论值相比较。 二、试验原理： 圆筒形容器在外压作用下，常因刚度不足使容器失去原有形状，即被压扁或折曲成波形，这就是容器的失稳现象，容器失去稳定性时的外压力，成为容器的临界压力，用cr p 表示。圆筒形容器失去稳定性后，其横截面被折成波形，波数n 可能是1，2，3，4，……等任意整数,如图一所示。 容器承受临界值的外压力而失去稳定性，决非是由于容器壳体本身不圆的缘故，即是绝对圆的壳体也会失去稳定性。当然如壳体不圆（具有椭圆度）容器更容易失稳，即它的临界压力值会下降。 根据外压容器筒体的长短，可分为长圆筒，短圆筒和刚性圆筒三种，刚性圆筒一般具有足够的刚度，可不必考虑稳定性问题。但长圆筒，短圆筒必须进行稳定性计算，它们的临界压力cr p 值大小主要与厚壁(t )，外直径(0D )，长度（L ）有关。亦受材料弹性模数(E )，泊桑比(μ)影响。所谓长圆筒，短圆筒之分，并不是指它们的绝对长度，而是与直径壁厚有关的相对长度。一般长圆筒、短圆筒之间的划分用临界长度cr L 表示。如容器长度L >cr L 为长圆筒，反之为短圆筒。临界长度cr L 由下式确定： t D D L cr 0017.1= 长圆筒：长圆筒失稳时的波数n =2，临界压力cr p 仅与0D t 有关，而与0D L 无关。cr p 值 图一 圆筒形容器失去稳定后的形状
可由下式计算： 3 2)(12D t E p cr μ-= 短圆壁：短圆筒失去稳定性时，波数n >2,如为3，4，5……，其波数n 可近似为： 4 2 ) ()(06 .7D t D L n = 临界压力可由下式计算： t D LD Et p cr 00259.2= 对于外压容器临界压力的计算，有时为计算简便起见，可借助于一些现成的计算图来进行。 四、实验步骤及注意事项： 1. 测量试件的有关参数：壁厚(t )，直径(0D )，长度（L ）。用千分卡测壁厚，用游标卡尺 1-横梁 2-压紧螺母 3-密封螺母 4-压紧法兰 5-垫片 6-外压圆筒 7-心轴 8-圆筒底垫块 9-透明容器 10-工作 台
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，为此整体上产生 球形封头—球壳一次薄膜应力，控制值1倍 许用应力。但在相邻元件连 壳体椭圆封头（椭球壳）接部位，会因变形协调产生 局部薄膜应力和弯曲应力， 碟封（球冠与环壳）称二次应力，控制值3倍 许用应力。 典型板壳锥形封头（锥壳） 结构 圆平板（平盖）压力作用下，以弯曲应力承 载，为此整体上产生一次弯 环形板（开孔平盖）曲应力，控制值1.5倍 平板许用应力。 环（法兰环） 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 4p 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 = δδππ 44i 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
《化工过程设备设计》期末复习题答案 一、名词解释 1．外压容器 内外的压力差小于零的压力容器叫外压容器。 2．边缘应力 由于容器的结构不连续等因素造成其变形不协调而产生的附加应力为边缘应力。 3．基本风压值 以一般空旷平坦的地面、离地面10米高处，统计得到的30年一遇10分钟平均最大风速为标准计算而得的值叫基本风压值。 4．计算厚度 由计算公式而得的壁厚叫计算壁厚。 5．低压容器 对内压容器当其设计压力为 1.6MPa P 1MPa 0<≤.时为低压容器。 6．等面积补强法 在有效的补强范围内，开孔接管处的有效补强金属面积应大于或等于开孔时减小的金属面积。 7．回转壳体 一平面曲线绕同一平面的轴旋转一周形成的壳体为回转壳体。 8．公称压力 将压力容器所受到的压力分成若干个等级，这个规定的标准等级就是公称压力。 9．计算压力 在相应设计温度下，用以确定容器壁厚的压力为计算压力。 10．20R 20表示含碳量为0.2%，R 表示容器用钢。 11．设计压力 设定在容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷，其值不低于工作压力。 12．强制式密封 完全依靠螺栓力压紧垫片使之密封为强制式密封。 13．强度 构件在外力作用下不至发生过大变形或断裂的能力。
14．临界压力 导致外压圆筒失稳的外压为临界压力。 15．主应力 在单元体的三对相互垂直的平面上只作用有正应力而无剪应力，这样的平面为主平面。在主平面上作用的正应力为主应力。 16．内压容器 内外压力差大于零的压力容器叫内压容器。 17．强度 构件抵抗外力作用不致发生过大变形或断裂的能力。 18．无力矩理论 因为容器的壁薄，所以可以不考虑弯矩的影响，近似的求得薄壳的应力，这种计算应力的理论为无力矩理论。 19．压力容器 内部含有压力流体的容器为压力容器。 20.薄膜应力 由无力矩理论求得的应力为薄膜应力。 二、判断是非题（正确的划√，错误划×） 1．内压圆筒开椭圆孔时，其长轴应与轴线平行。（×） 2．设计压力为4MPa的容器为高压容器。（×） 3．容器的名义厚度与计算厚度的差值是壁厚附加量。（×） 4．受内压作用的容器必须按强度计算进行壁厚设计。（√） 5．一常压塔最大压应力应发生在安装检修时的设备迎风侧。（×） 6．在补强圈上开有一个M10的小螺纹孔。（√） 7．压力容器无论制造完毕后或检修完毕后，必须进行压力试验。（√） 8．边缘应力具有自限性和局限性。（√） 9．当焊缝系数一定时，探伤比例随焊缝系数的增加而减小。（×） 10．容器的强度反映了外压容器抵抗失稳的能力。（×） 11．压力容器的设计寿命是从腐蚀裕量中体现出来（√） 12．法兰密封中，法兰的刚度与强度具有同等重要的意义。（×） 13．当材质与压力一定时，壁厚大的容器的应力总是比壁厚小的容器应力小（×）14．塔的最大质量出现在其水压试验时（√） 15．塔的稳定性计算也可用计算法进行计算。（×）
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
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
《化工设备设计基础》复习 1工程力学基础 1. 强度:构件抵抗破坏的能力 2. 刚度:构件抵抗变形的能力 3. 稳定性:构件保持原有平衡形态能力 4. 强度性能:抵抗破坏的能力,用σs和σb表示 弹性性能:抵抗弹性变形的能力,用E表示 塑性性能:塑性变形的能力,用延伸率δ和 截面收缩率ψ表示 5. 什么叫强度?直杆拉伸或压缩时的强度条件是什么?
6. 低碳钢的拉伸试验中,从开始加载至断裂经过哪几个阶段? 7. 钢材的机械性能主要包含哪些指标? 8. 工程设计中有哪几种常用的强度理论? 9. 材料破坏有哪几种主要形式? 2化工设备设计 1. 内压薄壁圆筒设计 1 什么叫强度失效准则? 2 什么叫腐蚀余量?腐蚀余量与哪些参数有关? 3 为何引入焊缝系数?焊缝系数与哪些参数有关? 4 内压薄壁容器设计中,有几种壁厚名称?这些壁厚的含义是什么?这些壁厚之间的大小 关系如何? 5 水压试验的目的是什么?容器如何进行压力试验? 6 如何确定水压试验的试验压力?对立式容器的卧置做水压试验时,其试验压力又如何确 定? 7 水压试验的强度校核公式 2. 外压容器设计 1 什么是外压容器?
2 什么叫临界压力?临界压力与什么因素有关? 3 什么叫计算长度? 4 什么叫长圆筒?什么叫短圆筒? 5 什么叫失稳?外压容器的稳定性条件是什么? 6 设置加强圈的目的是什么?加强圈的类型有哪些? 3. 压力容器开孔与接管 1 开孔补强的目的是什么? 2 等面积补强法的设计原则是什么? 3 在内压薄壁圆筒上开一椭圆孔,椭圆孔的长轴应如何放置?为什么? 4. 容器零部件标准的选用 1 法兰联结结构一般是由哪三个部分组成? 2 法兰的公称压力与哪些因素有关? 3 鞍座有哪些型式? 4 一台卧式容器的鞍座型式如何选择?为什么? 5. 化工设备设计的基本要求 1 安全可靠:材料的强度高、韧性好;材料与介质相容;结构有足够的刚度和抗失稳能 力;密封性能好 2 满足过程要求:功能要求;寿命要求(高压容器:20年,塔、反应设备:15年
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）
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