1压力容器主要由哪几部分组成分别起什么作用 压力容器由筒体，封头密封装置，开孔接管，支座，安全附件六大部件组成。筒体的作用：用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间。封头的作用：与筒体直接焊在一起，起到构成完整容器压力空间的作用。密封装置的作用：保证承压容器不泄漏开孔接管的作用：满足工艺要求和检验需要支座的作用：支撑并把压力容器固定在基础上安全附件的作用：保证压力容器的使用安全和测量，控制工作介质的参数 2固定式压力容器安全技术监察规程》在确定压力容器类别时，为什么不仅要根据压力高低，还要视压力与容积的乘积pV大小进行分类： 压力容器所蓄能量与其内部介质压力和介质体积密切相关：体积越大，压力越高，则储存的能量越大，发生爆破是产生的危害也就越大。而《固定式压力容器安全技术监察规程》在确定压力容器类别时是依据整体危害水平进行分类的，所以要这样划分. 3压力容器用钢的基本要求 较好的强度，良好的塑性，韧性，制造性能和与介质的相容性 4为什么要控制压力容器用钢的硫磷含量 硫能促进非金属夹杂物的形成，使塑性和韧性降低，磷能提高钢的强度，但会增加钢的脆性，特别是低温脆性，将硫磷等有害元素控制在较低的水平，就能大大提高钢材的纯净度，可以提高钢材的韧性，抗辐射脆化能力，改善抗应变时效性能，抗回火脆性和耐腐蚀性能 设计双鞍座卧式容器时，支座位置应该按照哪些原则确定试说明理由。 答：根据JB473规定，取A小于等于，否则容器外伸端将使支座界面的应力过大。因为当A=时，双支座跨距中间截面的最大弯矩和支座截面处的弯矩绝对值相等，使两个截面保持等强度。考虑到除弯矩以外的载荷，所以常区外圆筒的弯矩较小。所以取A小于等于。 当A满足小于等于时，最好使A小于等于。这是因为支座靠近封头可充分利用封头对支座处圆筒的加强作用。
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
浙江大学2003 —2004 学年第2学期期末考试 《过程设备设计》课程试卷 开课学院：材化学院任课教师：郑津洋 姓名：专业：学号：考试时间：分钟 １脆性断裂的特征是断裂时容器无明显塑性变形，断口齐平，并与轴向平行，断裂的速度快，常使容器断裂成碎片。（错误，断口应与最大主应力方向平行） ２有效厚度为名义厚度减去腐蚀裕量（错，有效厚度为名义厚度减去腐蚀裕量 和钢材负偏差） ３钢材化学成分对其性能和热处理有较大影响，提高含碳量可使其强度和可焊性增加。 （错误，提高含碳量可能使强度增加，但可焊性变差，焊接时易在热影响区出现裂纹） ４压力容器一般由筒体、封头、开孔与接管、支座以及安全附件组成。 （错，缺密封装置） ５盛装毒性程度为高度危害介质的容器制造时，容器上的焊接接头应进行100%射线或超声检测。 （对） ６承受均布载荷时，周边简支圆平板和周边固支圆平板的最大应力都发生在支承处。 （错周边简支发生在中心处） ７筒体是压力容器最主要的受压元件之一，制造要求高，因此筒体的制造必须用钢板卷压成圆筒并焊接而成。（错，也可以用锻造筒节、绕带筒体等） ８检查孔是为了检查压力容器在使用过程中是否有裂纹、变形、腐蚀等缺陷产生，所有压力容器必须开设检查孔。(错，在一定条件下，可以不开检查孔) 二、选择题（答案有可能多余于一个，每题2分,共16分） 1 《容规》适用于同时具备下列哪些条件的压力容器（ABCD） A 最高工作压力大于等于0.1MPa（不含液体静压力）； B 内直径（非圆形截面指其最大尺寸）大于等于0.15m； C 容积（V）大于等于0.025m3； D 盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体。 2下列关于热应力的说法哪些不正确（AD） A 热应力随约束程度的增大而减小 B 热应力与零外载相平衡，不是一次应力 C 热应力具有自限性，屈服流动或高温蠕变可使热应力降低 D 热应力在构件内是不变的 3 下列说法中，正确的有（ BCD ）
过程设备设计试题及答案 浙江大学2003 —2004 学年第 2学期期末考试 《过程设备设计》课程试卷 开课学院: 材化学院任课教师: 郑津洋姓名: 专业: 学号: 考试时间: 分钟题序一二三四五六 ? 总分评阅人 得分 一、判断题(判断对或者错，错的请简要说明理由，每题2分，共16分) , 脆性断裂的特征是断裂时容器无明显塑性变形，断口齐平，并与轴向平行，断裂的速度快，常 使容器断裂成碎片。 (错误，断口应与最大主应力方向平行) , 有效厚度为名义厚度减去腐蚀裕量 (错，有效厚度为名义厚度减去腐蚀裕量 和钢材负偏差) , 钢材化学成分对其性能和热处理有较大影响，提高含碳量可使其强度和可焊性增加。 (错误，提高含碳量可能使强度增加，但可焊性变差，焊接时易在热影响区出现裂纹) , 压力容器一般由筒体、封头、开孔与接管、支座以及安全附件组成。 (错，缺密封装置) , 盛装毒性程度为高度危害介质的容器制造时，容器上的焊接接头应进行100%射线或超声检测。 (对) , 承受均布载荷时，周边简支圆平板和周边固支圆平板的最大应力都发生在支承处。 (错周边简支发生在中心处)
, 筒体是压力容器最主要的受压元件之一，制造要求高，因此筒体的制造必须用钢板卷压成圆筒 并焊接而成。(错，也可以用锻造筒节、绕带筒体等) , 检查孔是为了检查压力容器在使用过程中是否有裂纹、变形、腐蚀等缺陷产生，所有压力容器 必须开设检查孔。 (错，在一定条件下，可以不开检查孔) 二、选择题(答案有可能多余于一个，每题2分,共16分) 1 《容规》适用于同时具备下列哪些条件的压力容器 (ABCD) A 最高工作压力大于等于0.1MPa(不含液体静压力); B 内直径(非圆形截面指其最大尺寸)大于等于0.15m; 3C 容积(V)大于等于0.025m; D 盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体。 2下列关于热应力的说法哪些不正确 (AD) A 热应力随约束程度的增大而减小 B 热应力与零外载相平衡，不是一次应力 C 热应力具有自限性，屈服流动或高温蠕变可使热应力降低 D 热应力在构件内是不变的 3 下列说法中，正确的有 ( BCD ) A 单层厚壁圆筒同时承受内压P和外压P时，可用压差简化成仅受内压的厚壁圆筒。 io B 承受内压作用的厚壁圆筒，内加热时可以改善圆筒内表面的应力状态。 C 减少两连接件的刚度差，可以减少连接处的局部应力。 D 在弹性应力分析时导出的厚壁圆筒微体平衡方程，在弹塑性应力分析中 仍然适用。
过程设备设计题解 1.压力容器导言 习题 1. 试应用无力矩理论的基本方程，求解圆柱壳中的应力（壳体承受气体内压p ，壳体中面半径为R ，壳体厚度为t ）。若壳体材料由 20R （ MPa MPa s b 245,400==σσ）改为16MnR （ MPa MPa s b 345,510==σσ）时，圆柱壳中的应力如何变化？为什么？ 解：○ 1求解圆柱壳中的应力 应力分量表示的微体和区域平衡方程式： δ σσθ φ z p R R - =+ 2 1 φσππ φsin 220 t r dr rp F k r z k =-=? 圆筒壳体：R 1=∞，R 2=R ，p z =-p ，r k =R ，φ=π/2 t pR pr t pR k 2sin 2== = φδσσφθ ○ 2壳体材料由20R 改为16MnR ，圆柱壳中的应力不变化。因为无力矩理论是力学上的静定问题，其基本方程是平衡方程，而且仅通过求解平衡方程就能得到应力解，不受材料性能常数的影响，所以圆柱壳中的应力分布和大小不受材料变化的影响。 2. 对一标准椭圆形封头（如图所示）进行应力测试。该封头中面处的长轴D=1000mm ，厚度t=10mm ，测得E 点（x=0）处的周向应力为50MPa 。此时，压力表A 指示数为1MPa ，压力表B 的指示数为2MPa ，试问哪一个压力表已失灵，为什么？ 解：○ 1根据标准椭圆形封头的应力计算式计算E 的内压力： 标准椭圆形封头的长轴与短轴半径之比为2，即a/b=2，a=D/2=500mm 。在x=0处的应力式为： MPa a bt p bt pa 1500250 102222 2 =???== = θθσσ ○ 2从上面计算结果可见，容器内压力与压力表A 的一致，压力表B 已失灵。 3. 有一球罐（如图所示），其内径为20m （可视为中面直径），厚度为20mm 。内贮有液氨，球罐上部尚有 3m 的气态氨。设气态氨的压力p=0.4MPa ，液氨密度为640kg/m 3 ，球罐沿平行圆A-A 支承，其对应中心角为120°，试确定该球壳中的薄膜应力。 解：○ 1球壳的气态氨部分壳体内应力分布： R 1=R 2=R ，p z =-p MPa t pR t pR pr t pR k 10020 210000 4.022sin 2=??===? = = = +θφφθφσσφδσσσ φ0 h
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
第五章储运设备 1 设计双鞍座卧式容器时，支座位置应按哪些原则确定？说明理由。双鞍座卧式储罐的受力状态可简化为受均布载荷的外伸简支梁，由材料力学可知当外伸长度A=0.207时，跨度中央的弯矩与支座截面处弯矩绝对值相等，所以一般近似取A≤0.02L，其中L为两封头切线间的距离，A为鞍座中心线至封头切线间距离2）当鞍座邻近封头时，封头对支座处的筒体有局部加强作用，为充分利用加强效应，在满足A≤0.2L下应尽量满足A≤0.5R0 （R0为筒体外径） 3卧式容器支座截面上部有时出现“扁塌”现象是什么原因？措施？原因：当支座截面处的圆筒不设加强圈，且A<0.5Ri时，由于支座处截面受剪力作用而产生周向弯矩，在周向弯矩作用下，导致支座处圆筒上半部发生变形，产生所“扁塌”现象。 措施： 1）设置加强圈 2)A<0.5Ri,使支座靠近封头布置，利用加强圈或封头的加强作用 3）补设加强圈，且A<0.5Ri 4 双鞍座卧式容器中应计算哪些应力？分析这些应力如何产生的？(1)圆筒上的轴向应力，由轴向弯矩引起 2）支座截面处圆筒和封头上的切应力和封头的附加拉伸应力，由横向剪力引起3）支座截面处圆筒的周向弯曲应力，由截面上切应力引起 4）支座截面处圆筒的周向压缩应力，通过鞍座作用于圆筒上的载荷所导致 5 鞍座包角对卧式容器筒体应力和鞍座自身强度有何影响？ 鞍座包角θ时鞍式支座设计时需要的一个重要参数，其大小不仅影响鞍座处圆筒截面上的应力分布，而且也影响卧式储罐的稳定性及储罐支座系统的重心高低。鞍座包角小，则鞍座重量轻，但是储罐一支座系统的重心较高，且鞍座处筒体上的应力较大。常用包角有120，135，150 6 在什么情况下应对双鞍座卧式容器进行加强圈加强？ 如卧式储罐支座因结构原因不能设置在靠近封头处，且圆筒不足以承受周向弯矩
《化工过程设备设计》期末复习题及答案 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。
目录 1 概论 (1) 1.1 过程设备设计课程设计的目的和内容 (1) 1.2 过程设备设计课程设计的步骤 (1) 2 管壳式换热器的机械设计 (2) 2.1 概述 (2) 2.2 管壳式换热器结构设计及材料选用 (4) 2.3 管壳式换热器的受力分析和强度计算 (10) 2.4 管壳式换热器标准及基本参数 (12) 2.5 管壳式换热器的机械设计举例 (13) 参考资料 (15)
1 概论 1.1 过程设备设计课程设计的目的和内容 过程设备设计课程设计是具体应用巩固本课程及有关先修课的理论知识和生产 知识，熟悉和了解过程设备设计一般方法和步骤，培养学生工程设计能力、分析和解决实际问题能力的一个重要教学环节。 在课程设计中要求学生注意培养积极思考、深入钻研的学习精神，认真负责、踏实细致的工作作风和保质保量按时完成任务的习惯。 (1)综合运用装控专业基础课及先修课程所学到的知识，理论联系实际，进而得到巩固、加深和发展，提高分析实际问题和解决实际问题的能力。 (2)培养学生工程设计能力，通过全面考虑设计内容及过程参与，使学生初步掌握过程设备设计的一般方法和步骤，为今后的工作实践打下基础。 (3)使学生能够熟悉和运用设计资料，如有关国家或行业标准、手册、图册、规范等，完成作为工程技术人员在设计技能方面的基本训练和独立工作能力培养。 过程设备设计包括工艺设计和机械设计两部分。工艺设计是根据生产任务提供的工艺条件（包括工作压力、温度、产量、物料性能等），确定设备的结构形式、接管方位以及设备的主要尺寸等。机械设计是在工艺设计的基础上进行强度、刚度和稳定性设计或校核计算，对设备的内容、外附件进行选型和结构设计计算，最后绘制设备的装配图和零部件施工图。 本课程设计，要求在规定的时间内每人完成一种典型设备的机械设计，完成设备总装配图一张（1号图纸）、零部件图一张（由教师根据情况安排指定）、设计计算说 明书一份。 1.2 过程设备设计课程设计的步骤 (1)准备阶段 在准备阶段应认真结合设计任务、要求和内容，熟悉了解有关典型设备的结构、现场参观或读懂几张典型设备图；准备好设计资料、手册和绘图用具。 (2)设计阶段 设计阶段包括选材、零部件设计计算和选用、绘制图样及编制设计计算说明书等，具体可按下面步骤进行： 1）通常先按压力因素来选材当温度高于200℃或低于—40℃时，温度就是选材
名词解释： 1.机械密封/端面密封：是把转轴的密封面从轴向改为径向，通过动环和静环两个端面的相互贴合，并做相对运动达到密封的装置。 2.临界压力：壳体失稳时所能承受的相应外压力，称为临界压力，用P cr表示。 3.自紧密封：依靠容器内部的介质压力压紧密封元件实现密封的形式。 4.等面积补强：壳体因开孔削弱的承载面积，须有补强材料在离孔边一定距离 范围内予以等面积补偿。 5.应力集中系数：受内压壳体与接管连接处最大应力与壳体不开孔时环向薄膜 应力之比，用K t表示。 6.自增强：通过超工作压力处理，由筒体自身外层材料的弹性收缩引起的残余 应力，使工作时应力分布趋于均匀，提高屈服承载能力的措施。 7.焊接接头系数：焊缝金属与母材强度的比值，反映容器强度的受消弱程度。 8.一次应力：求得的薄膜应力与相应的载荷同时存在，平衡外加载荷引起的应力，随外载荷的增大而增大。 9.二次应力：在两壳体连接边缘处切开后，自由边界上受到的边缘力和边缘力矩作用时的有力矩理论的解，求得的应力称二次应力。 10.预紧密封比压：预紧时，迫使垫片变形与压紧面密合，以形成初始密封条件， 单位面积上所需的最小压紧力。称为预紧密封比压。 11.第一曲率半径：回转壳体经线上某一点的曲率半径，称为第一曲率半径。 第二曲率半径：壳体中面上所考察的任意一点到该点法线与回转轴交点之间的长度。 12.分析设计：对容器在不同部位、由不同载荷引起的、对容器失效形式有不同影响的应力加以不同的限制的设计方法，称做分析设计方法。 13.设计压力：是指设定的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条件，其值不得低于工作压力。 14.工作压力：指容器在正常工作过程中顶部可能产生的最高压力。 15.计算压力：是指在相应设计温度下，用以确定元件最危险截面厚度的压力，其中包括液柱静压力。 16.临界转速：当搅拌轴的转速达到轴自振频率时会发生强烈震动，并出现很大弯曲。 17.无力矩理论：当薄壳的抗弯刚度非常小，或者中面的曲率、扭转改变非常小时，弯曲内力很小。这种省略弯曲内力的壳体理论。 18.有力矩理论：在壳体理论中，若同时考虑薄膜内力和弯曲应力。 19.不连续应力：由于这种总体结构不连续，组合壳在连接处附近的局部区域出现衰减很快的应力增大现象称为边缘效应或不连续效应。由此引起的局部应力称为不连续应力或边缘应力。 20..热应力：因温度变化引起的自由膨胀或收缩受到约束，在弹性体内所引起的应力。 21.残余应力：当厚壁圆筒进入弹塑性状态后，这时若将内应力Pi全部卸除，塑性区因存在残余变形不能恢复原来尺寸，而弹性区由于本身弹性收缩，力图恢复原来的形状，但受到塑性区残余变形的阻挡，从而在塑性区中出现压缩应力，在弹性区内产生拉伸应力，这种自平衡的应力就是残余应力。把这种卸载后保留下来的变形称为残余变形。 22.薄壁圆筒：对于圆柱壳体，若外直径与内直径的比值(Do/Di)max<=~. 23回转薄壳：中面由一条平面曲线或直线绕同平面内的轴线回转360。而成的薄壳称为回转薄24外压壳体的失稳/屈曲：承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一值时，壳体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波纹，载荷卸去后，壳体不能恢复原状。 25临界长度：对于给定的D和t的圆筒，有一特征长度作为区分n=2的长圆筒和n>2的短圆筒的界限，此特性尺寸称为临界圆筒。
1.过程设备的应用：1）加氢反应器2）储氢容器3）超高压食品杀菌釜4）核反应堆5）超临界流体萃取装置6）深海潜艇 2.过程设备的特点：过程设备向多功能，大型化，成套化和轻量化方向发展1）功能原理多种多样2）化机电一体化3）外壳一般为压力容器 3.压力容器规范：中国：GB150 《钢制压力容器》，JB4732 《钢制压力容器---分析设计标准》、JB/T4735《钢制焊接常压容器》和技术法规《固定式压力容器安全技术监察规程》等 4.过程设备的基本要求：1）安全可靠：1.材料的强度高、韧性好。2.材料与介质相容。3.结 构有足够的刚度和抗失稳能力。4.密封性能好。 2）满足过程要求：1.功能要求。2.寿命要求。 3）综合经济性好：1.生产效率高、消耗低。2.结构合理，制造简便。 3.易于运输和安装 4）易于操作、维护和控制：1.操作简单。2.可维护性。3.便于控制 5）优良的环境性能 5.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 6. 7.介质危害性：介质的毒性、易燃性、腐蚀性、氧化性等，影响分类的主要是毒性和易燃性 8.毒性：极度危害（Ⅰ级）<0.1mg/m3 高度危害（Ⅱ级）0.1~1mg/m3中度危害（Ⅲ级）1~10mg/m3 轻度危害（Ⅳ级）>10mg/m3 9.压力容器的分类：1）按压力容器等级分：低压容器L 0.1~1.6MPa；中压容器M1.6~10.0MPa ； 高压容器H 10~100MPa；超高压容器U 100MPa~ 2）按容器在生产中的作用分类：反应压力容器R；换热压力容器E；分离 压力容器S；储存压力容器C球罐B。 3）按安装方式分类：固定式压力容器；移动式压力容器。 4）按安全技术管理分类：1.介质分组：第一组介质：毒性危害程度为极 度危害、高度危害的化学介质，易爆介质，液化气体。第二组介质 2.压力容器分类
习题 1. 一内压容器，设计（计算）压力为0.85MPa ，设计温度为50℃；圆筒内径D i =1200mm ，对接焊缝采用双面全熔透焊接接头，并进行局部无损检测；工作介质列毒性，非易燃，但对碳素钢、低合金钢有轻微腐蚀，腐蚀速率K ≤0.1mm/a ，设计寿命B=20年。试在Q2305-A ·F 、Q235-A 、16MnR 三种材料中选用两种作为圆筒材料，并分别计算圆筒厚度。 解：p c =1.85MPa ，D i =1000mm ，φ=0.85，C 2=0.1×20=2mm；钢板为4.5~16mm 时，Q235-A 的 [σ]t =113 MPa ，查表4-2，C 1=0.8mm ；钢板为6~16mm 时，16MnR 的[σ]t = 170 MPa ，查表4-2，C 1=0.8mm 。 材料为Q235-A 时： []mm C C p pD t 1412.524mm 28.0724.99.724mm 85 .185.011321000 85.12n 21n ==++=++≥=-???= -= δδδφσδ取 材料为16MnR 时： []mm C C p pD t 109.243mm 28.0443.6mm 443.685 .185.017021000 85.12n 21n ==++=++≥=-???= -= δδδφσδ取 2. 一顶部装有安全阀的卧式圆筒形储存容器，两端采用标准椭圆形封头，没有保冷措施；内装混合液化石油气，经测试其在50℃时的最大饱和蒸气压小于1.62 MPa （即50℃时丙烷饱和蒸气压）；圆筒内径D i =2600mm ，筒长L=8000mm ；材料为16MnR ，腐蚀裕量C 2=2mm ，焊接接头系数φ=1.0，装量系数为0.9。试确定：○1各设计参数；○2该容器属第几类压力容器；○3圆筒和封头的厚度（不考虑支座的影响）；○4水压试验时的压力，并进行应力校核。 解：○1p=p c =1.1×1.62=1.782MPa ，D i =2600mm ，C 2=2mm ，φ=1.0，钢板为6~16mm 时，16MnR 的[σ]t = 170 MPa ，σs =345 MPa ，查表4-2，C 1=0.8mm 。容积 33 22m .689MPa 57474.42782.1,42.474m 86.24 4 ?=?==??= = pV L D V i π π ○ 2中压储存容器，储存易燃介质，且pV=75.689MPa ·m 3>10MPa ·m 3 ，属三类压力容器。 ○ 3圆筒的厚度 []mm C C p pD t 18mm 493.6128.0693.1313.693mm 62 .1117022600 782.12n 21n ==++=++≥=-???= -= δδδφσδ取 标准椭圆形封头的厚度 []mm C C p pD t 18mm 528.6128.0728.1313.728mm 62 .15.0117022600 782.15.02n 21n ==++=++≥=?-???= -= δδδφσδ取
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
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）
《过程设备设计》习题 1 压力容器导言 1.1压力容器主要由哪几部分组成？分别起什么作用？ 压力容器主要由筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座及安全附件六大部件组成。各部分的作用分别是： (1)筒体：提供工艺所需的承压空间 (2)封头：与筒体等部件形成封闭空间 (3)密封装置：保证压力容器正常、安全运行 (4)开孔及接管：满足工艺要求和方便检修 (5)支座：支撑和固定压力容器 (6)安全附件：用于监控工作介质的参数，保证压力容器的安全使用和工艺过程的正常进行1.2介质的毒性程度和易燃特性对压力容器的设计、制造、使用和管理有何影响？ 介质的毒性程度和易燃特性愈高，压力容器爆炸、泄露或燃烧的危害性愈严重，对压力容器的选材、设计、制造、使用和管理的要求愈高。 1.3《压力容器安全技术监察规程》在确定压力容器类别时，为什么不仅要根据压力高低，还要视压力与容积的乘积PV大小进行分类？ 压力容器设计压力P与全容积V的乘积PV愈大，容器破裂时的爆炸能量愈大，危害性愈大，对容器的设计、制造、检查、使用和管理的要求就愈高，因而在确定压力容器类别时要视PV的大小进行分类。 1.4《特种设备安全监察条例》、《压力容器安全技术监察规程》和GB150《钢制压力容器》的适用范围有何区别？ (1)《特种设备安全监察条例》适用于同时具备下列条件的压力容器： ①最高工作压力大于等于0.1MPa（表压）； ②压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPa·L； ③盛装介质为气体、液化气体或者最高工作温度高于等于标准沸点的液体。 (2)《压力容器安全技术监察规程》适用于同时具备下列条件的压力容器： ①最高工作压力大于等于0.1MPa（不含液体静压力）； ②内直径（非圆形截面指其最大尺寸）大于等于0.15m，且容积（V）大于等于0.025m3； ③盛装介质为气体、液化气体或者最高工作温度高于等于标准沸点的液体。 (3)GB150《钢制压力容器》适用于同时具备下列条件的压力容器： ①设计压力大于等于0.1MPa、小于等于35MPa； ②设计温度范围根据钢材容许的使用温度确定，从-196到钢材的蠕变限用温度； ③固定的，承受恒定的载荷。 不适用于：直接用火焰加热的容器； 核能装置中的容器； 旋转或往复运动的机械设备中自成整体或作为部件的受压器室； 真空度低于0.02MPa的容器； 内直径小于150mm的容器； 要求做疲劳分析的容器等。 3压力容器材料及环境和时间对其性能的影响 3.1压力容器用钢有哪些基本要求？ 压力容器用钢的基本要求是有较高的强度，良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性。
压力容器导言 1.1 压力容器主要由哪几部分组成?分别起什么作用? 答：压力容器由筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座、安全附件六大部件组成。 筒体的作用：用以储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间。 封头的作用：与筒体直接焊在一起，起到构成完整容器压力空间的作用。 密封装置的作用：保证承压容器不泄漏。 开孔接管的作用：满足工艺要求和检修需要。 支座的作用：支承并把压力容器固定在基础上。 安全附件的作用：保证压力容器的使用安全和测量、控制工作介质的参数，保证压力容器的使用安全和工艺过程的正常进行。 1.2 《压力容器安全技术监察规程》在确定压力容器类别时，为什么不仅要根据压力高低，还要视压力与容积的乘积pV大小进行分类？ 答：因为pV乘积值越大，则容器破裂时爆炸能量愈大，危害性也愈大，对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求愈高。 1.3 过程设备的基本要求有哪些？要求的因素有哪些？ 安全可靠；满足过程要求；综合经济性好；易于操作、维护和控制；优良的环境性能。 压力容器应力分析 2.1 试述承受均布外压的回转壳破坏的形式，并与承受均布内压的回转壳作比较，它们有何异同？ （1).在内压作用下，这些壳体将产生应力和变形，当此应力超过材料的屈服点，壳体将产生显著变形，直至断裂。 （2）.壳体在承受均布外压作用时，壳壁中产生压缩薄膜应力，其大小与受相等内压时的拉伸薄膜应力相同。但此时壳体有两种可能的失效形式：一种是因强度不足，发生压缩屈服失效；另一种是因刚度不足，发生失稳破坏。 2.2 试述影响承受均布外压圆柱壳的临界压力因素有哪些？为提高圆柱壳弹性失稳的临界压力，应采用高强材料。对否，为什么？ 对于给定外直径Do和壳壁厚度t的圆柱壳，波纹数和临界压力主要决定于，圆柱壳端部边缘或周向上约束形式和这些约束处之间的距离，即临界压力与圆柱壳端部约束之间距离和圆柱壳上两个刚性元件之间距离L有关。临界压力还随着壳体材料的弹性模量E、泊松比μ的增大而增加。非弹性失稳的临界压力，还与材料的屈服点有关。 弹性失稳的临界压力与材料强度无关，故采用高强度材料不能提高圆柱壳弹性失稳的临界压力。 2.3 一壳体成为回转薄壳轴对称问题的条件是什么? 答：几何形状、承受载荷、边界支承、材料性质均对旋转轴对称。 2.4 试分析标准椭圆形封头采用长短轴之比a/b=2的原因。 答：a/b=2时，椭圆形封头中的最大压应力和最大拉应力相等，使椭圆形封头在同样壁厚的情况下承受的内压力最大，因此GB150称这种椭圆形封头为标准椭圆形封头。 2.5 承受周向压力的圆筒，只要设置加强圈均可提高其临界压力。对否，为什么？且采用的加强圈愈多，壳壁所需厚度就愈薄，故经济上愈合理。对否，为什么？ 对于承受周向外压的圆筒，短圆筒的临界压力比长圆筒的高，且短圆筒的临界压力与其长度成反比。故可通过设置合适间距的加强圈，使加强圈和筒体一起承受外压载荷，并使长圆筒变为短圆筒（加强圈之间或加强圈与筒体封头的间距L 5．储存设备 5.1 设计双鞍座卧式容器时，支座位置应该按照那些原则确定？试说明理由。根据JB4731规定，取A小于等于0.2L，最大不得超过0.25L，否则容器外伸端将使支座界面的应力过大。因为当A＝0.207L时，双支座跨距中间截面的最大弯距和支座截面处的弯距绝对值相等，使两个截面保持等强度。考虑到除弯距以外的载荷，所以常取外圆筒的弯距较小。所以取A小于等于0.2L。当A满足小于等于0.2L时，最好使A小于等于0.5Rm（Rm为圆筒的平均半径）。这是因为支座靠近封头可充分利用封头对支座处圆筒的加强作用。 5.2 双鞍座卧式容器受力分析与外伸梁承受均布载荷有何相同何不同，试用剪力图和弯距图比较。外伸梁的剪力和弯矩图与此图类似，只是在两端没有剪力和弯矩作用，两端的剪力和弯矩均为零 5.3 “扁塌”现象的原因是什么？如何防止这一现象出现？由于支座处截面受剪力作用而产生周向弯距，在周向弯距的作用下，导致支座处圆筒的上半部发生变形，产生所谓“扁塌”现象。可以设置加强圈，或者使支座靠近封头布置，利用加强圈或封头的加强作用。 5.4 双鞍座卧式容器设计中应计算那些应力？如何产生的？①圆筒上的轴向应力。由轴向弯矩引起。②支座截面处圆筒和封头上的切向切应力和封头的附加拉伸应力。由横向剪力引起。③支座截面处圆筒的周向弯曲应力。由截面上切向切应力引起。④支座截面处圆筒的周向压缩应力。通过鞍座作用于圆筒上的载荷所导致的。 5.5 鞍座包角对卧式容器筒体应力和鞍座自身强度有何影响？鞍座包角的大小不仅影响鞍座处圆筒截面上的应力分布，而且也影响卧式储罐的稳定性和储罐－支座系统的重心高低。包角小，鞍座重量轻，但重心高，且鞍座处圆筒上的应力较大。 5.6 在什么情况下应对卧式容器进行加强圈加强？如卧式储罐支座因结构原因不能设置在靠近封头处（A>0.5Ri），且圆筒不足以承受周向弯距时，就需在支座截面处的圆筒上设置加强圈，以便与圆筒一起承载。 5.7 球形储罐有哪些特点？设计球罐时应考虑那些载荷？各种罐体型式有何特点？球形储罐应力分布均匀。设计时要考虑压力载荷、重量载荷、风载荷、雪载荷、地震载荷和环境温度变化引起的载荷。纯桔瓣式的特点是球壳拼装焊缝较规则，施焊组装比较容易，加快组装进度并可对其实施自动焊。但是球瓣在各带位置尺寸大小不一，只能在本带内或上，下对称的带间互换；下料成型复杂，板材利用率低，板材较小，不易设计人孔和接管。且不易错开焊缝。足球瓣式，由于每块的尺寸相同，下料规格化，材料利用率好，互换性好，组装焊缝短。但是焊缝排布比较困难，组装困难，且此类罐的适用容积较小。混合式罐体基本结合了前面两种的有点，现在的应用比较广泛。 5.8 球形储灌采用赤道正切柱式支座时，应遵循那些准则？支柱在球壳赤道带等距离布置，支柱中心线和球壳相切或相割而焊接起来。若相割，支柱中心线和球壳交点同球心连线与赤道平面的夹角为10°～20°。为了能承受风载荷和地震载荷，保证稳定性，还必须在支柱间设置连接拉杆。 5.9 液化气体存储设备设计时如何考虑环境对它的影响？不仅要考虑环境温度、风载荷、雪载荷和地震载荷，还要注意液化气体的膨胀性和压缩性。 6．换热设备 6.1换热设备有哪几种主要形式？按换热设备热传递原理或传热方式进行分类，可分为以下几种主要形式： 1.直接接触式换热器利用冷、热流体直接接触，彼此混合进行换热。2.蓄热式换热器借助于由固体构成的蓄热体与热流体和冷流体交替接触，把热量从热流体传递给冷流体。 3.间壁式换热器利用间壁（固体壁面）冷热两种流体隔开，热量由热流体通过间壁传递给冷流体。4.中间载热体式换热器载热体在高温流体换热器和低温流体换热器之间循环，在高温流体换热器中吸收热量，在低温流体换热器中把热量释放给低温流体。 6.2间壁式换热器有哪几种主要形式？各有什么特点？1.管式换热器按传热管的结构形式不同大致可分为蛇管式换热器、套管式换热器、缠绕管式换热器和管壳式换热器。在换热效率、结构紧凑性和单位传热面积的金属消耗量等方面不如其它新型换热器，但它具有结构坚固、可靠、适应性强、易于制造、能承受较高的操作压力和温度等优点。在高温、高压和大型换热器中，管式换热器仍占绝对优势，是目前使用最广泛的一类换热器。 2.板面式换热器按传热板面的结构形式可分为：螺旋板式换热器、板式换热器、板翅式换热器、板壳式换热器和伞板式换热器。传热性能要比管式换热器优越，由于其结构上的特点，使流体能在较低的速度下就达到湍流状态，从而强化了传热。板面式换热器采用板材制作，在大规模组织生产时，可降低设备成本，但其耐压性能比管式换热器差。3.其他一些为满足工艺特殊要求而设计的具有特殊结构的换热器，如回转式换热器、热管换热器、聚四氟乙烯换热器和石墨换热器等。 6.3管壳式换热器主要有哪几种形式？ 1.固定管板式：结构简单，承压高，管程易清洁，可能产生较大热应力；适用壳侧介质清洁；管、壳温差不大或大但壳侧压力不高。 2.浮头式：结构复杂，无热应力、管间和管内清洗方便，密封要求高。适用壳侧结垢及大温差。 3.U形管式：结构比较简单，内层管不能更换；适用管内清洁、高温高压。 4.填料函式：结构简单，管间和管内清洗方便，填料处易泄漏；适用4MPa以下，温度受限制。过程设备设计(第三版,郑津洋_董其伍)化工工业出版社答案
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