压力容器的无量纲设计法

山东大学

硕士学位论文

压力容器的无量纲设计法

姓名：***

申请学位级别：硕士

专业：化工过程机械

指导教师：刘燕;王威强

20060418摘要

摘要

目前，压力容器现行的设计方法存在计算繁琐、相似结构计算重复量大等问题，针对这一问题，作者提出了＿种新型的压力容器设计法——无量纲设计法

（ｎｏｎ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄ简写为ＮＤＤＭ）。作者在归纳压力容器现行设计方法的基础上，给出了无量纲设计法的原理和步骤，并通过引入尺寸基准和压力基准的方式，构造了两类无量纲参数，使设计

过程摒弃了容器材质和规格的影响；依据该方法和步骤，对压力容器主体结构的常见型式进行了无量纲设计，并利用所获得的结果对两台结构相同、设计压力和

规格不同的超ｌ临界流体萃取设备进行了设计计算，同时根据相关标准利用现行设

计方法对其进行了强度校核，验证了设计结果的正确性；针对人为查取图线存在

误差大、准确性差等问题，提出了无量纲设计程序化思想，初步探讨了程序基本功能、操作性能以及设计流程等方面。

作者获得了圆柱形简体、球形封头、卡箍紧固结构和容器丌孔整体补强结构的无量纲设计结果。这些结果是关于相对结构尺寸与相对设计压力之间的系列关

系曲线。利用这些曲线，设计人员可摆脱繁琐重复的计算，减少设计工作量、缩短设计周期、降低发生计算误差的概率。

关键词压力容器：设计方法；无量纲参数；有限元；分析设计山东大学硕士学位论文

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｍａｎｙｐｒｏｂｌｅｍｓｅｘｉｓｔｉｎｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｐｒｅｓｓｕｒｅ

ｖｅｓｓｅｌｓ，ｓｕｃｈａｓｆｕｓｓｙｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ，ｍｕｃｈｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎｉｎｃａｌｃｕｌａｔｉｎｇｏｆｔｈｅｓａｍｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｓｏｏｎ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｓｅｐｒｏｂｌｅｍｓ，ｎｏｎ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄ（ＮＤＤＭ）ｈａｓ

ｂｅｅｎｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｓ，ｔｈｅｔｈｅｏｒｙａｎｄｔｈｅｇｅｐｓｏｆＮＤＤＭｈａｖｅｂｅｅｎ

ｂｒｏｕｇｈｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｂｙｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｎｇｔｗｏｋｉｎｄｓｏｆｎｏｎ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｔｈｒｏｕｇｈ

ｉｎｔｒｏｄｕｃｉｎｇｆｉｄｕｃｉａｌｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｖｅｓｓｅｌｓ’ｍａｔｅｒｉａｌａｎｄｓｉｚｅ

ｈａｖｅｂｅｅｎｒｅｊｅｃｔｅｄ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏＮＤＤＭ，ｔｈｅｕｓｕａｌｔｙｐｅｓｏｆｔｈｅｍａｉｎｐａｒｔｓｈａｖｅｂｅｅｎ

ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｖａｌｉｄａｔｅｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓ，ｔｗｏｓｕｐｅｒｃｒｉｔｉｃａｌｆｌｕｉｄｅｘｔｒａｃｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔｗｉｔｌｌｓａｍｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｅｓｉｇｎｐｒｅｓｓｕｒｅａｎｄｓｉｚｅｈａｖｅｂｅｅｎｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．Ｔｈｅ

ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓｈａｖｅｂｅｅｎｃｈｅｃｋｅｄｂｙｔｈｅｐｒｅｓｅｎｔｓｔａｎｄａｒｄｓ．Ｓｏａｓｔｏａｖｏｉｄｔｈｅｅｒｒｏｒｉｎｕｓｉｎｇｔｈｅｐｌｏｔｓｂｙｈｕｍａｎ，ｔｈｅｔｈｏｕｇｈｔｏｆｐｒｏｇｒａｍａｂｏｕｔＮＤＤＭｈａｓｂｅｅｎｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅ

ｂａｓｉｃｆｕｎｃｔｉｏｎ，ｏｐｅｒａｔｉｎｇｃａｐａｂｉｌｉｔｙａｎｄｄｅｓｉｇｎｆｌｏｗｃｈａｒｔｏｆｔｈｅｐｒｏｇｒａｍｈａｖｅｂｅｅｎ

ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．

Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｃｙｌｉｎｄｒｉｃａｌｓｈｅｌｌ，ｈｅｍｉｓｐｈｅｒｉｃａｌｈｅａｄｓ，ｆａｓｔｅｎｅｒｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｔｈｅ

ｗｈｏｌｅｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓｔｒｅｎｇｔｈｉｎｏｐｅｎｉｎｇｈａｖｅｂｅｅｎａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓａｂｏｕｔｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅｌｙｓｉｚｅａｎｄｐｒｅｓｓｕｒｅｈａｖｅｂｅｅｎｓｈｏｗｎｉｎｔｈｅｓｅｓｅｒｉｅｓｃｕｒｖｅｓ．Ｕｓｉｎｇｔｈｅｓｅｃｕｒｖｅｓ，ｔｈｅｔｒｉｖｉａｌａｎｄｒｅｐｅａｔｅｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｈａｖｅｂｅｅｎｇｏｔｔｅｎｒｉｄｏｆ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓｐｒｅｓｓｕｒｅｖｅｓｓｅｌ，ｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄ，ｎｏｎ—ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｆｉｎｉｔｅ

ｅｌｅｍｅｎｔ，ａｎａｌｙｓｉｓｄｅｓｉｇｎ

ｎ原创性声明

本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。

论文作者签名：殛圈望日期：训．Ｊ弦争

关于学位论文使用授权的声明

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（保密论文在解密后应遵守此规定１

论文作者签名：毪固益导师签名：趁Ｉ兰日

螂‘第ｌ章绪论

第１章绪论

１．１研究背景与意义

根据我国《特种设备安全监察条例》的规定，压力容器的定义如下：压力容

器，是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备，其范围规定为最高工作

压力大于或者等于０．１ＭＰａ（表压），且压力与容积的乘积大于或者等于２．５ＭＰａ‘Ｌ

的气体、液化气体和最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体的固定式容器和

移动式容器；盛装公称工作压力大于或者等于０．２ＭＰａ（表压），且压力与容积的乘

积大于或者等于１．０ＭＰａ·Ｌ的气体、液化气体和标准沸点等于或者低于６０＂Ｃ液体的

气瓶、氧舱等【１】。

压力容器在人类生产和消费领域都扮演着重要的角色。随着国民经济的发展

和人民生活水平的提高，压力容器的使用也越来越广泛，它不仅用于工农业、科

研、国防、医疗卫生和文教体育等国民经济各部门，而且已深入到千家力．户，与

人民生活息息相关。压力容器是具有潜在爆炸危险的特殊设备，它比较容易发生

事故，且危害严重。事故不仅会使设备本身造成破坏，而且还会破坏周围设施和

建筑物，甚至诱发一连串恶性事故，如烫伤、烧伤、大面积中毒，甚至更为严重

的灾害等，造成人员伤亡，给国民经济造成重大损失。因此，世界各国都把压力

容器作为一种特殊的设备进行管理，制定了专门的条令法规，对它的设计、制造、

使用等过程都作了强制性规定［２１。其中，设计是整个过程的初始阶段，是保证设备

安全运行的首要前提。设计者必须严格按照相关法规与规范标准性文件进行设计。

随着工业生产和科学技术的发展，压力容器领域呈现出新的发展趋势，主要表现

在：（１）随着处理量的增加，规格呈现大型化发展趋势；

（２）力学的研究和计算机技术的发展，使新型的设计方法得到了发展和完

善：山东大学硕士学位论文

（３）为了满足新的工艺要求，出现了许多新型结构形式；

（４）工作条件日渐苛刻，如工作压力、工作温度越来越高，这对压力容器

的设计制造提出了更高的要求。

另外，压力容器材料及其制造和检验技术也有了较大的发展，但无论如何，

设计都是压力容器技术的首要和关键环节。因此，进一步研究设计方法及其理论，

对适应压力容器其它方面的发展具有极其重要的价值和意义。设计方法的进步，

将给压力容器领域带来巨大变革，推动实现压力容器安全、规范化管理。同时也

将对相关领域设计方法的创新具有重要指导意义。

目前，压力容器传统设计法采取的都是一对一的方式，即每一台容器都对应

着一个完整的设计计算过程。这种方式存在很大弊端，主要体现在下列几种情况：（１）对于结构相似的标准化容器、系列化容器；

（２）对存在应力集中、边缘应力等受力复杂的封头、法兰、接管等部件采

用分析设计时，往往是利用有限元法进行分析设计；

（３）对于结构形式相同、材料与工作条件不同的压力容器。

对于上述三种情况的计算，传统设计法均存在计算繁琐、工作量大、重复过

程多等问题。由于设计过程期间影响因素多，设计参数与工艺参数之间的变化规

律不直观，因此很难发现其中的变化规律，不利于容器的优化。鉴于这一原因，

作者提出将无量纲参数引入到压力容器的设计过程中，以减少设计过程中的影响

因素，使设计过程摆脱一对一的计算方式。

１．２与课题相关的文献综述

１．２．１压力容器设计方法综述

压力容器设计就是根据给定的工艺设计条件，遵循现行的规范标准规定，在

确保安全的前提下，经济、正确的选择材料，并进行结构、强（刚）度和密封设

计。结构设计主要是确定合理、经济的结构形式，并满足制造、检验、装配、运

输以及维修的要求；强（刚）度设计的内容主要是确定结构尺寸，满足强度或刚

度及稳定性的要求；密封设计主要是选择合适的密封结构和材料，保证密封性能

２第ｌ章绪论

良好【３】．

且前，压力容器设计所采用的标准和规范有两大类：一是常规设计标准（Ｄｅｓｉｇｎ

ｂｙｒｕｌｅ），以美国ＡＳＭＥⅧ．Ｉ《压力容器建造》和我国ＧＢｌ５０《钢制压力容器》

标准为代表；另一类是分析设计标准（Ｄｅｓｉｇｎｂｙａｎａｌｙｓｉｓ），以美国ＡＳＭＥⅧ·ＩＩ《压力寂０建造一另一规则》和我国ＪＢ４７３２《钢制压力容器一分析设计标准》为代表。

常规设计是以弹性设计准则为基础，以壳体的薄膜理论和材料力学方法导出

容器以及部件的设计计算式，这些公式均以显式表达的方式给出了压力、许用应

力、容器主要尺寸之间的关系。它包含了设计三要素：设计方法（简单公式）、设

计载荷（如：内压）及许用压力。但这些并不是建立在对容器及其部件详细的应

力分析基础之上，例如，容器筒体，它是采用“中径公式”，根据内压与筒壁上均

匀分布的薄膜应力整体平衡推导而得出的，它仅考虑壁厚中均布的薄膜应力，而

不考虑其他类型的应力，常规设计中对其他类型的应力只是根掘经验作出规定，

在结构、选材、制造等方面提出要求，把局部应力粗略的控制在一个安全水平上，

在考虑许用应力时选取相对高的安全系数，留有足够的安全裕度。常规设计没有

去深究隐含在许用应力值后面的多种失效模式。因此，常规设计从本质上讲，可

以说是基于经验的设计方法。

而分析设计不同于常规设计，它需要以详尽的应力分析报告为设计依据，以

严格的选材与工艺质量检验为保证。它是一种以弹性应力分析和塑性失效准则、

弹塑性失效准则为基础的设计方法；对选材、制造、检验和验收规定了比ＧＢｌ５０

《钢制压力容器》更为严格的要求。分析设计涉及了多种失效模式，即过量的弹

性变形、过量的塑性变形、塑性不稳定以及高应变—低循环疲劳。它根掘所考虑

的这几种失效模式比较详实的计算容器及承压部件的各种应力，并根掘各种应力

本身的性质以及对失效模式所引起的不同作用予以分类，再采用不同的应力强度

条件给予限制，体现出“等安全裕度”原则。它允许结构内出现可控制的局部塑

性变形，允许对峰值应力部位进行有限寿命设计。

分析设计法是工程与力学紧密结合的产物，它不仅解决了压力容器常规设计

所不能解决的问题，也是容器设计观念与方法上的一个飞跃。它不仅有效的防止