过程设备设计期末知识总结

1.压力容器导言

1.1压力容器总体结构

1.2压力容器分类

（1）按压力等级分

低压：0.1—1.6MPa 中压：1.6—10MPa 高压：10—100 MPa 超高压：大于100MPa （2）按容器在生产中的作用分：反应换热分离储存 （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：第一 / 二 / 三类压力容器

1.3压力容器规范标准

（1）GB150：中国第一部压力容器国家标准——设计压力：不大于35MPa 的钢制压力容器，设计温度：零下196摄氏度至蠕变限用温度；管辖范围：壳体本体、容器与外部管道焊接连接的第一道环向接头坡口端面、螺纹连接的第一个螺纹接头端面、法兰链接的第一个法兰密封面、专用连接件或管件连接的第一个密封面。 （2）JB 4732《钢制压力容器——分析设计标准》：第一部压力容器分析设计的行业标准

2.压力容器应力分析

承受压力：中低内压力(0.1MPa ～10MPa)；壁厚：薄壁(径比K ≤ 1.2)；结构：回转壳体。

2.2回转薄壳应力分析

2.2.2 回转薄壳的无力矩理论：基本要素

（1）轴对称问题是指壳体的几何形状、约束条件和所受的外力都是对称于旋转轴的。 （2）几种常见壳体的几何特征

（a ）圆柱壳：∞=1R ，R2=R=r

（b ）球壳：R R R ==21ϕsin R r =

2.2.3无力矩理论基本方程

（1）基本假设（假设壳体是完全弹性体）

小位移假设：壳体受力变形前后，壳体上各点位移量远小于壁厚尺寸，属于弹性小变形。 直法线假设：（可忽略微元体中的剪力） 互不挤压假设：平行于中间面的各层纤维在变形前后均互不挤压，简化成平面应力问题。(不

计法向应力) 无力矩假设：回转薄壳中弯矩很小，可忽略壳壁中的弯矩影响，使壳体的应力分析大为简化。

（微元体仅受拉压力和剪力） （2）壳体微元体的取出 ①一对壳体内外表面；

②一对经向截面（也称经线截面）；

③一对与经线相正交的圆锥面（也称纬向截面或纬线截面）。 （3）微元平衡方程（拉普拉斯方程）

t

p

R R =+21θϕσσ （4）区域平衡方程

2.2.4无力矩理论的应用——承受液体内压的回转薄壳

特点：壳体内各点的内压力与距液面的高度有关，液体的重量要考虑。

（1）圆筒形壳体

R r R R R ==∞=,,21 第一步：根据拉普拉斯方程和任意点的压力方程求出周向应力； 第二步：列区域平衡方程求经向应力。

（2）具有裙式支座的球形壳体

①先讨论裙座以上部分（0ϕϕ≤）

)cos 1cos 21(622ϕϕγσϕ+-=t R )

cos 1cos 2cos 65(622ϕ

ϕϕγσθ++-=t R

②再讨论裙座以下部分（0ϕϕ>）

)cos 1cos 25(622ϕϕγσϕ

-+=t R ϕ

ϕϕσθcos 1cos 2cos 612--

-=

（3）无力矩理论应用条件

对于薄壁回转壳体，若符合以下条件者可采用忽略弯矩的无力矩理论，否则的话，就必须要考虑壳体中的弯矩作用。

1）几何连续。包括曲率突变、壁厚突变、材料突变，将出现变形不协调导致局部弯曲。 2）外载连续。外载荷须连续，若有集中力或弯矩，或有加强圈结构等，壳体将为有力矩状态。

3）约束连续。包括：①壳体边界固定形式是自由支承。否则当边界上法向位移和转角受到约束时，势必引起壳体弯曲，无法保持无力矩状态。②壳体的边界力应在壳体曲面的切平面内。这样能够保证在边界上没有横剪力和弯矩。

2.2.5 回转薄壳的不连续分析

（1）不连续效应与不连续分析的基本方法

①在不同壳体连接的附近地区，由于二者的自由变形不可能完全一致（称为变形不连续），出现相互约束导致弯曲变形，从而在连接的边缘处产生较大的力矩和剪力。这种现象称为不连续效应或边缘效应，由边缘效应产生的应力称为不连续应力，或边缘应力。

②由变形不协调引起的边缘应力属于二次应力。当该应力超过材料屈服强度时就会产生局部屈服，从而形成较小的变形，这样就能使连接边缘处壳体的不同变形得到协调。

③将无力矩理论得到的薄膜解(一次应力)与有力矩理论得到的弯曲解(二次应力)进行叠加，最终得到包含不同壳体连接的最终解。

（2）产生原因

几何不连续、外载不连续、温度突变、材料性能突变等。

（3）不连续应力的特性

①局部性（又称局限性）：不同性质的连接边缘，产生不同的边缘应力，但都具有明显的衰减特性。

②自限性：发生边缘效应的根本原因是由于变形不协调。但是当边缘处的局部材料发生屈服时，这种约束就趋向缓解，结果边缘应力就自动受到限制。具有自限性的应力属于二次应力，一般使压力容器直接发生破坏的危险性较小。 （4）工程设计中的考虑

对于连接边缘的结构，只做局部处理。如局部加强、避免在连接边缘开孔、设置焊缝等。

对于用塑性较好材料制成的容器，受静载荷时，除了进行连接边缘局部处理外，不再对边缘应力作进一步考虑。

2.3厚壁圆筒应力分析

一般来说，高压和超高压容器的径比 K > 1.2，称此类容器为“厚壁容器”，特点是结构细长，采用平盖或球形封头，密封结构特殊，筒身限制开孔。本章讨论的对象，是厚壁圆筒形容器。承受压力载荷或者温差载荷的厚壁圆筒容器，其上任意点的应力，是三向应力状态。即存在经向应力（又称轴向应力z σ）、周向应力θσ和径向应力r σ。

针对厚壁筒的应力求解，将在平衡方程、几何方程、物理方程三个方面进行分析。

2.3.1 弹性应力

（1）压力载荷引起的弹性应力：仅受内压（★）