化工设备设计基础第五章内压薄壁容器设计

课程设计

题 目：液溴储罐的设计

专 业：化学工程与工艺

班 级：

学 号：

姓 名：

指导老师：

设计题目

液溴储罐的设计

工艺数据：

储罐内径：2200mm

储罐长度（不包括封头）：4400mm

地点：德州

设夏季最高温度时物料的饱和蒸汽压为1.6 MPa

密度：3.119克每立方厘米

熔点：-7.2℃

沸点：58.78℃

目录

设计题目........................................................................................................................................... 2

第一章 总论 ..................................................................................................................................... 1

1.1 概述 .................................................................................................................................... 1

1.2 设计依据和原则 ................................................................................................................ 1

第二章 工艺参数的确定 ................................................................................................................. 2

第一章 化工设备材料及其选择

二. 指出下列钢材的种类、含碳量及合金元素含量

Ａ组

钢号 种类 含碳量% 合金元素含量（%） 符号意义

Q235-A·F 普通碳素甲类钢 — — F：沸腾钢

Q:钢材屈服点

Q235-A 普通碳素甲类钢 — — A:甲类钢

20g 优质碳素结构钢 % — g:锅炉钢

16Mn R 普通低合金钢 % <% R:容器钢

20MnMo 普通低合金钢 % MnMo<% —

16MnDR 普通低合金钢 % Mn:<% D:低温钢

14Cr1Mo 普通低合金钢 % Cr: —

0Cr13 铬不锈钢 <% Cr:13% —

1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢 % Cr:18%;Ni:9%;Ti:<% —

00Cr19Ni10 奥氏体不锈钢 <% Cr:19%;Ni:10% —

B组：

钢号 种类 含碳量% 合金元素含量（%） 符号意义

Q235-B 普通碳素乙类钢 — — F：沸腾钢

Q:钢材屈服点

Q235-AR 普通碳素甲类容器钢 — — R:容器钢

16Mng 普通低合金钢 % Mn:<% g:锅炉钢

18Nbb 普通低合金钢 % Nb:<% b:半镇静钢

18MnMoNbR 普通低合金钢 % —

09MnNiDR 普通低合金钢 % :<% R:容器钢

06MnNb 普通低合金钢 % :

2Cr13 铬不锈钢 % Cr13% —

12Cr2Mo1 普通低合金钢 % Cr:～%;

Mo:～% —

0Cr18Ni12Mo2Ti 奥氏体不锈钢 <% Cr:18%;Ni:12%;

Mo:～%;

Ti:<% —

第二章 容器设计的基本知识

一.、指出下列压力容器温度与压力分级范围

温度分级 温度范围（ºC） 压力分级 压力范围(Mpa)

常温容器 －20ºC ~200ºC 低压容器 ≤P＜

中温容器 壁温在常温和高温之间 中压容器 ≤P＜10

高温容器 壁温达到材料蠕变温度 高压容器 10≤P＜100

低温容器 壁温低于－20ºC 超高压容器 P≥100 浅冷容器 壁温在－20ºC至－40ºC之间 真空容器 器外一个大气压，内部为真空或低于常压

深冷容器 壁温低于－40ºC — —

第三章 内压薄壁容器的应力分析

四、计算下列各种承受气体均匀内压作用的薄壁回转壳体上诸点的薄膜应力和m。

A组：

图 3-34图图

1. 球壳上任一点，已知：p=2Mpa，D=1008mm，S=8mm。

mmDRR50421008221

MPSPDm6384100824

SPRRm21

MPSPD634

2. 圆锥壳上之A点和B点，已知：p=，D=1010mm，S=10mm，a=30o。

cos2,:21DARR点

MPSPDm58.14866.010410105.0cos4

SPRRm21

MPSPD16.29866.010210105.0cos2

0,:21RRB点

0m

3. 椭球壳上之A，B，C点，已知：p=1Mpa，a=1010mm，b=505mm，S=20mm。B点处坐标x=600mm。

25051010ba 标准椭圆形封头 bbbyxAaRaR2221,:),0点（

MPSPam5.502010101

MPasbPBbaxam3.43)(2 2224点：

MPabaxaasbPbaxa7.27)(2)(2 222442224

:)0,(yaxC点

MPaSPam25.25202101012

MPaSPa5.502010101

五、 工程应用题

1. 某厂生产的锅炉汽包，其工作压力为，汽包圆筒的平均直径为816 mm，壁厚为16 mm，试求汽包圆筒壁被的薄膜应力和m。

【解】 P= D=816mm S=16mm

1.00196.081616DS 属薄壁容器

MPaSPDm875.311648165.24

MPaSPDm75.631628165.22

2. 有一平均直径为10020 mm的球形容器，其工作压力为，厚度为20 mm，试求该球形容器壁内的工作压力是多少。

【解】 P= D=10020mm S=20mm

1.0001996.01002020DS 属薄壁容器

MPaSPDm15.75204100206.04

3. 有一承受气体内压的圆筒形容器，两端封头均为椭圆形封头，已知：圆筒平均直径为2030 mm，筒体与封头厚度均为30 mm，工作压力为3Mpa，试求；

⑴圆筒壁内的最大工作压力；

⑵若封头椭圆长，短半轴之比分别为2，2，时，计算封头上薄膜应力的和m的最大值并确定其所在的位置。

【解】(1) 圆筒 P=3Mpa D=2030mm S=30mm

1.00148.0203030DS 属薄壁容器

MPSPDm75.50304203024 最大工作应力：MPSPD5.101302203022

（2）椭球：

① 时 2ba 在x=0，y=b,（顶点处）有最大值

MPbaSPam78.71302210153)(2)(max

② 时 2ba，在x=0,y=b处（顶点处）

MPbaSPam5.101302210153)(2)(max

在x=a,y=0点（边缘处）

MPbaSPa5.101302210153)(2)(max

③ 时 5.2ba，在x=0,y=b处（顶点处）

MPbaSPam88.1263025.210153)(2)(max

在x=a,y=0点（边缘处）

MPbaSPa69.215)2(2)(22max

第四章 内压薄壁圆筒与封头的强度设计

四 、工程应用题

A组：

1、 有一DN2000mm的内压薄壁圆筒,壁厚Sn=22mm,承受的最大气体工作压力pw=2MPa,容器上装有安全阀,焊接接头系数φ=,厚度附加量为C=2mm,试求筒体的最大工作应力.

【解】（1）确定参数：pw =2MPa; pc= =（装有安全阀）;

Di= DN=2000mm( 钢板卷制); Sn =22mm; Se = Sn -C=20mm

φ=（题中给定）; C=2mm（题中给定）.

（2）最大工作应力：

aeeictMPSSDp1.111202)202000(2.22)(

2、 某球形内压薄壁容器,内径为Di=10m,厚度为Sn=22mm,若令焊接接头系数φ=,厚度附加量为C=2mm,试计算该球形容器的最大允许工作压力.已知钢材的许用应力[σ]t=147MPa.

【解】（1）确定参数：Di =10m; Sn =22mm; φ=; C=2mm; [σ]t =147MPa. Se = Sn -C=20mm.

（2）最大工作压力：球形容器.

aeietwMPSDSP17.12010000200.11474][4][

3、 某化工厂反应釜,内径为1600mm,工作温度为5℃~105℃,工作压力为,釜体材料选用0Cr18Ni9Ti。采用双面焊对接接头,局部无损探伤,凸形封头上装有安全阀,试设计釜体厚度。

【解】

（1）确定参数：Di =1600mm; tw=5~105℃;

pw=; pc = pw =（装有安全阀）

φ=（双面焊对接接头, 局部探伤）

C2=0（对不锈钢，当介质腐蚀性轻微时）

材质：0Cr18Ni9Ti [σ]t =（按教材附录9表16-2，内插法取值）

[σ] =137MPa

（2）计算厚度：

mmpDpSctic8.1476.185.09.1122160076.1][2

C1=0.8mm（按教材表4-9取值，GB4237-92《不锈钢热轧钢板》）, C=C1+C2=0.8mm.

名义壁厚：Sn=S+C+圆整， S+C=+=15.6mm.

圆整后，Sn =16mm.

（1） 水压试验校核

seeiTTSSDp9.02)(

有效壁厚 Se = Sn -C==15.2mm

试验压力 MPaPPtT67.29.11213776.125.1][][25.1

计算应力 141.86MPa15.22 15.2)(16002.67 2)(eeiTTSSDP

应力校核

MPa 8.15685.02059.0 9.0s

ST9.0  ∴ 水压试验强度足够

4、 有一圆筒形乙烯罐,内径Di=1600mm,壁厚Sn=16mm,计算压力为pc=,工作温度为-3.5℃，材质为16MnR,采用双面焊对接接头,局部无损探伤,厚度附加量C=3mm,试校核贮罐强度。

【解】（1）确定参数：Di =1600mm; Sn =16mm; tw=-3.5℃; pc=.

φ=（双面焊对接接头, 局部探伤）

16MnR： 常温下的许用应力 [] = 170 MPa

设计温度下的许用应力 []t = 170 MPa

常温度下的屈服点 s = 345 MPa

有效壁厚：Se = Sn － C = 16 － 3 = 13 mm

化工设备书后习题

第一章化工设备概述

习题：

1-1什么是化工设备和压力容器？它们有何特点？

1-2为什么要对压力容器进行分类？其中，按《容规》分类有何意义？共分为几类？1-310m3的液氨储罐属于那一类容器？

1-4什么是薄壁容器、高压容器、反应压力容器和换热压力容器？1-5对化工设备有何基本要求？怎样才能使其安全可靠的运行？1-6压力容器用材有哪些基本要求选材时应遵循什么原则？

1-7有普通碳素钢做压力容器用材，应有那些限制条件？为什么？

1-8中国GB150-1998《钢制压力容器》和JB4732-1995《钢制压力容器——分析设计

标准》两个标准有何不同？其中，GB150-1998包括那些主要内容？

第二章化工设备强度计算基础

习题：

2-1如习题2-1图所示带折边的锥形封头，是确定其上A、B、C各点处的第一和第二曲

率半径，以及相应的曲率中心。

2-2设一圆筒形壳体承受气体内压p，圆筒壳体中间面直径为D，厚度为δ，失球圆筒 形壳体中的应力。若壳体材料有20R（σb=400MPa，σ=245MPa）改为16MnR（σb=510MPa，σ=345MPa）时，圆筒形壳体中的应力姜如何变化？为什么？

2-3试分析椭圆行封头长短轴之比分别为2、2、3的受力特点，并求出该封头在这三种情况下出现最大和最小环向应力、经向应力的位置。

2-4如习题2-4图所示，对一标准椭圆形风头进行应力测定。该封头中间面的长轴

D=1000mm，厚度δ=10mm，现测得E点（某=0）处的环向应力为50MPa.cihi压力表A表示为1MPa，压力表B指示为2MPa，试问哪一只压力表不准确，为什么？

2-5有一密闭平底平盖圆筒形容器，垂直放置在基础上。内径Di、厚度为δ、高度为H，

内装有密度为ρ的液体，页面高度为0.6H，现测得的液面上的压力为p0。试求圆筒体1/2深度处器壁上的环向应力和经向应力。2-6举例说明连接边缘及边缘应力的概念。

《化工设备机械基础》习题解答

第三章 内压薄壁容器的应力分析

一、名词解释

A组：

⒈薄壁容器：容器的壁厚与其最大截面圆的内径之比小于0.1的容器。

⒉回转壳体：壳体的中间面是直线或平面曲线绕其同平面内的固定轴线旋转360°而成的壳体。

⒊经线：若通过回转轴作一纵截面与壳体曲面相交所得的交线。

⒋薄膜理论：薄膜应力是只有拉压正应力没有弯曲正应力的一种两向应力状态，也称为无力矩理论。

⒌第一曲率半径：中间面上任一点M处经线的曲率半径。

⒍小位移假设：壳体受力以后，各点位移都远小于壁厚。

⒎区域平衡方程式：计算回转壳体在任意纬线上径向应力的公式。

⒏边缘应力：内压圆筒壁上的弯曲应力及连接边缘区的变形与应力。

⒐边缘应力的自限性：当边缘处的局部材料发生屈服进入塑性变形阶段时，弹性约束开始缓解，原来不同的薄膜变形便趋于协调，边缘应力就自动限制。

二、判断题（对者画√，错着画╳）

A组：

1. 下列直立薄壁容器，受均匀气体内压力作用，哪些能用薄膜理论求解壁内应力？哪些不能？

（1） 横截面为正六角形的柱壳。（×）

（2） 横截面为圆的轴对称柱壳。（√）

（3） 横截面为椭圆的柱壳。 （×）

（4） 横截面为圆的椭球壳。 （√）

（5） 横截面为半圆的柱壳。 （×）

（6） 横截面为圆的锥形壳。 （√）

2. 在承受内压的圆筒形容器上开椭圆孔，应使椭圆的长轴与筒体轴线平行。（×）

3. 薄壁回转壳体中任一点，只要该点的两个曲率半径RR21，则该点的两向应力m。 （√）

4. 因为内压薄壁圆筒的两向应力与壁厚成反比，当材质与介质压力一定时，则壁厚大的容器，壁内的应力总是小于壁厚小的容器。（×）

5. 按无力矩理论求得的应力称为薄膜应力，薄膜应力是沿壁厚均匀分布的。（√）

B组：

1. 卧式圆筒形容器，其内介质压力，只充满液体，因为圆筒内液体静载荷不是沿轴线对称分布的，所以不能用薄膜理论应力公式求解。（√）