第五章 容器零部件设计(3)
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压力容器设计-零部件及分析设计
1、不洁净或粘性介质，易使安全阀堵塞，或使阀瓣和阀座粘结。 2、由于化学反应使容器内压力急剧增大，安全阀不能及时泄压。 3、介质为剧毒或昂贵气体，安全阀不能满足防泄漏要求。 4、腐蚀性大的介质，安全阀采用防腐材料成本高。
分类
?拉伸型
按破坏时的受力形式
??压缩型 ??弯曲型
??剪切型
?正拱型 按产品外观 ??反拱型
2、对温度的敏 感性小。
3、易受振动而 发生泄漏。
弹簧式安全阀的特点
1、结构紧凑，灵敏度高。 2、对振动不敏感。 3、高温下弹簧发生应力松
弛，弹簧力下降。
选用安全阀的基本原则—P184
爆破膜 ——断裂型的安全泄放装置
特点
1、密封性能好，能完全防止介质泄漏。 2、破裂速度快，泄压反应迅速。
适用场合
2、焊接接头应尽量避开高应力区
3、尽量降低焊件刚度
焊接结构设计原则
1、尽量采用对接接头 2、尽量采用全焊透结构 3、尽量减小焊缝处的应力集中 4、便于进行无损检验
§4-4
分 析 设 计
一、分析设计和常规设计的比较
常规设计的局限性
（1）常规设计将Байду номын сангаас器承受的“最大载荷”按一次 施加的静载荷处理，不涉及容器的疲劳寿命问题， 不考虑热应力。
③将各类应力按同种分量分别叠加，得到Pm 、PL 、PL + Pb和 PL+ Pb十Q共四组应力分量，每组一般有6个。
④由每组6个应力分量，计算各自的主应力σ1 、σ2和σ3 ，取 σ1 > σ2 > σ3 。
⑤计算每组的最大主应力差： σ13= σ1 - σ3 各组的 σ13即为与Pm 、PL 、PL + Pb和PL+ Pb十Q相对应的应力强度SⅠ、SⅡ 、SⅢ和 SⅣ。
厚壁容器
当介质有腐蚀时，内筒可选用耐蚀钢板，而层板则用普通碳钢材料，降低成本；
筒体制造工序多、周期长、效率低、钢材利用率低（仅60%左右）； 深环焊缝对制造质量和安全有显著影响。
11
5.2
厚壁容器的筒体结构型式
二、多层圆筒结构
2、多层热套式圆筒（图5-7）
特点： 与多层包扎式圆筒相比，不仅具有前者大多数优点，而且还避免了工序多、 生产周期长的缺点；
热套容器大多采用25～80mm的中厚钢板作圆筒，故抗脆性能又比单层筒体 好；
各层圆筒贴合紧密，不存在间隙，除了可以改善筒体操作时的应力状态外， 对用筒壁作传热的容器也十分有利； 热套式筒体的各层圆筒纵焊缝能进行100%探伤，因此，纵向焊缝质量易于 证； 由于热套式结构只能热套短圆筒，故筒体节连接较多，深环焊缝存在缺陷 的可能性增大， 增加了环焊缝焊接和探伤检测的工作量；热套式结构需要大型设备加工坡 口和进行整体热处理的加热炉。 常用范围：设计压力10～70MPa，设计温度-45～538°C，内直径600～ 4000mm，壁厚50～500mm，筒体长度2.4～38m。
层 板之间互相贴紧，产生一定的预紧力；
•筒节上均开有安全孔—— 排气、 报 警。
23
图5-7 多层热套式厚壁圆筒
结构、制造：
内筒（厚度> 30mm）卷 焊成直径不同但可过盈配合的 筒节， 将外层筒节加热到计算 的温度进行套合，冷却收缩后 得到紧密 贴合的厚壁筒节。
24
图5-9 5-10、5-11 多层绕板式筒体及卷制示意图
12
5.2
厚壁容器的筒体结构型式
二、多层圆筒结构 3、多层绕板式圆筒（图5-9、5-10、5-11） 多层错开和多层绕板式都是在多层包扎式圆筒基础上发展起来的。主要目的 是为了克服多层包扎结构中焊缝多，生产周期长的缺点。 与多层包扎式圆筒相比，具有纵向焊缝少，机械化程度高，绕制快，材料利 用率高（达到90%以上）、操作简便等优点； 由于该结构的筒节长度与钢板宽度相等，因此，筒节和封头均需要用深环焊 缝进行连接，增加了焊接和检验的工作量； 钢板厚度误差累计会使圆筒圆度增大； 绕板不容易绕紧，层间存在间隙。 4、多层绕带式圆筒（图5-12、5-13） 特点：兼有绕带式和多层包扎式筒体的优点，可用轧制容易的扁平钢带代替 轧制困难的型槽钢带，钢带只需冷绕；与厚板卷焊圆筒相比，它能够提高工效一 倍，降低焊接和热处理能耗80%，减少钢材消耗20%，降低制造成本约30%～50%；
第五章高压容器设计
周向应力
pi Ri2 po Ro2 Ro2 Ri2
pi po Ri2 Ro2 Ro2 Ri2
1
r
2
径向应力
r
pi Ri2 po Ro2 Ro2 Ri2
pi po Ri2 Ro2 Ro2 Ri2
1
r
2
轴向应力
z
pi Ri2 po Ro2 Ro2 Ri2
二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（二）单层厚壁圆筒中的温差应力
1.温差应力方程
物理方程：
r
一、高压容器的应用 二、高压容器的结构特点 三、高压容器的材料
Байду номын сангаас
一、高压容器的应用
军事工业：炮筒、核动力装置 化学和石油化工：合成氨、合成甲醇、合成尿素、 油类加氢等合成反应的高压反器、高压缓冲与贮存 容器。 电力工业：核反应堆，水压机的蓄力器 发展现状：直径4.5米，壁厚280毫米，重约1000吨, 压力2000MPa
二、厚壁圆筒的弹性应力分析
厚壁容器承受压力载荷作用时产生的应力 具有如下特点： • 考虑作经向、周向和径向三向应力分析 • 沿壁厚出现应力梯度，薄膜假设不成立 • 不能忽视温差应力
二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力
d
p1
p2
几何方程
厚壁圆筒的应力与变形分析
r dr
w +dw
一、结构设计及设计选型
四）绕带式
对原材料要求一般 材料利用率 也相当高 缠绕机简单 制造方便 成本低
一、结构设计及设计选型
（五）设计选型原则
需综合原材料来源，配套的焊条焊丝、制造厂 所具备的设备条件和工夹具条件，以及对特殊 材料焊接能力、热处理要求及工厂装备条件等 等，作充分调查论证后才能做到选型正确，确 有把握。
包装工艺学第五章充填工艺03
第八章 充填工艺
本章重点：
1.液体灌装方法、特点及适用产品； 2.常用的固体充填方法及适用产品。
1
§8～1 概 述
1. 充填方法。 按物品物理状态分: 颗粒、粉末、块状充填、液体灌 装等； 按包装容器分: 装瓶、装罐、装袋、装盒、装箱等; 按计量方法分为: 容积充填、称重充填和计数充法。 2. 充填精度。指装入包装容器内物料的实际数量值 与要求数量值的误差范围。 3. 充填工艺选用。 一般要求计量准确, 不损坏内装 物和包装容器; 充填食品和药品应注意清洁卫生; 充填 危险品应注意安全防护。
26
虹吸现象是液态分子间引力与位能差所造成 的，即利用水柱压力差，使水上升后再流到 低处。由於管口水面承受不同的大气压力， 水会由压力大的一边流向压力小的一边。
由于连通器的两端液位的高度差产生 的压强差，引起液体自行流动的现象 称为虹吸现象
27
图8-9 虹吸法灌装
1-进液阀 2-贮液缸 3-贮液杯 4- 浮子 5-虹吸管 6-灌装阀 7-灌装头 8-包装容器
6
二、液体灌装方法
常压灌装； 真空灌装； 等压灌装； 压力灌装； 液位传感式灌装； 隔膜容积式灌装； 虹吸法灌装； 定时灌装； 称重灌装。
7
按照灌装和定量基本功能实施的不同原理，液体食品可以有以 下三类不同包装形式： 一是先灌装后定量。目前大量在用的液体灌装阀就是在灌装的 最后阶段通过定液位(液位传感器或排气管)间接计量定量，此 种灌装常用于含气饮料包装(等压灌装)。 二是先定量后灌装。容积式灌装阀，就是每一个灌装阀都配有 一个量筒(定量筒)，由液位传感器(浮子式或探针式)控制其定 量，液体先由料缸转移到定量筒计量，然后再灌注到包装物。 此种灌装多用于不含气饮料和PET 包装。 三是边定量边灌装。这是一种配置电磁感应流量计的电子阀灌 装机，是一种动态计量定量形式，电磁流量计用于流经该阀的 液体的动态计量。
本章重点：
1.液体灌装方法、特点及适用产品； 2.常用的固体充填方法及适用产品。
1
§8～1 概 述
1. 充填方法。 按物品物理状态分: 颗粒、粉末、块状充填、液体灌 装等； 按包装容器分: 装瓶、装罐、装袋、装盒、装箱等; 按计量方法分为: 容积充填、称重充填和计数充法。 2. 充填精度。指装入包装容器内物料的实际数量值 与要求数量值的误差范围。 3. 充填工艺选用。 一般要求计量准确, 不损坏内装 物和包装容器; 充填食品和药品应注意清洁卫生; 充填 危险品应注意安全防护。
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虹吸现象是液态分子间引力与位能差所造成 的，即利用水柱压力差，使水上升后再流到 低处。由於管口水面承受不同的大气压力， 水会由压力大的一边流向压力小的一边。
由于连通器的两端液位的高度差产生 的压强差，引起液体自行流动的现象 称为虹吸现象
27
图8-9 虹吸法灌装
1-进液阀 2-贮液缸 3-贮液杯 4- 浮子 5-虹吸管 6-灌装阀 7-灌装头 8-包装容器
6
二、液体灌装方法
常压灌装； 真空灌装； 等压灌装； 压力灌装； 液位传感式灌装； 隔膜容积式灌装； 虹吸法灌装； 定时灌装； 称重灌装。
7
按照灌装和定量基本功能实施的不同原理，液体食品可以有以 下三类不同包装形式： 一是先灌装后定量。目前大量在用的液体灌装阀就是在灌装的 最后阶段通过定液位(液位传感器或排气管)间接计量定量，此 种灌装常用于含气饮料包装(等压灌装)。 二是先定量后灌装。容积式灌装阀，就是每一个灌装阀都配有 一个量筒(定量筒)，由液位传感器(浮子式或探针式)控制其定 量，液体先由料缸转移到定量筒计量，然后再灌注到包装物。 此种灌装多用于不含气饮料和PET 包装。 三是边定量边灌装。这是一种配置电磁感应流量计的电子阀灌 装机，是一种动态计量定量形式，电磁流量计用于流经该阀的 液体的动态计量。
压力容器零部件设计法兰设计-PPT课件
9119.14-88 国家标准。英制管管法兰有14种。
与“公制管”配管系列对应的管法兰标准是 化工行业标准 HG20592～20635-97《钢制管法兰、垫片、紧
固件》标准。公制管管法兰有6种。
适用：温度、压力有 波动，介质渗透性
密封面的选用原则
首先必须保证密封可靠， 然后力求加工容易，装配方便、成本低。
垫圈（垫片）
垫圈是法兰连接的核心，密封效果的好坏主 要取决于垫圈的密封性能。
垫圈材料的要求：
耐介质腐蚀、不与操作介质发生化学反应， 不污染产品和环境， 具有良好的弹性， 有一定的机械强度和适当的柔软性， 在工作温度和压力下不易变质（硬化、老化、软化）。
垫圈的类型
压力容器法兰及管法兰采用的密封 垫圈，根据所用材料有哪几种类型？
垫圈的类型
1）非金属垫圈： （适用于P<6MPa, T<450度）
材料：橡胶垫、石棉橡胶垫、聚四氟乙烯垫和膨胀（或柔性） 石墨垫。断面为矩形或O形。
2）金属垫圈：（适用于P>6.4MPa, T>350度）
材料：软铝、钢、纯铁、软钢、铬钢和不锈钢。断面有矩形、 波纹形、齿形、椭圆形和八角形。
适用：低压和无毒 介质。
②凹凸型
优点：便于对中，垫圈 放在凹面不易挤出，密 封面窄比压大。
缺点：加工量大
适用：压力稍高
③榫槽型
优点：密封面窄，不与 介质接触，
缺点：拆卸难，垫圈不 易清理
适用：压力更高，密封 要求严
④梯形槽：
与椭圆型或八角型金 属垫圈配用。
特点：槽的锥面与垫 圈成线（或窄面）接 触密封。
影响密封的主要因素：
1、螺栓预紧力：大小合适、分布均匀 2、垫圈性能:变形能力和回弹能力(弹性、塑性) 3、密封面型式和表面性能：平直度、表面粗糙
与“公制管”配管系列对应的管法兰标准是 化工行业标准 HG20592～20635-97《钢制管法兰、垫片、紧
固件》标准。公制管管法兰有6种。
适用：温度、压力有 波动，介质渗透性
密封面的选用原则
首先必须保证密封可靠， 然后力求加工容易，装配方便、成本低。
垫圈（垫片）
垫圈是法兰连接的核心，密封效果的好坏主 要取决于垫圈的密封性能。
垫圈材料的要求：
耐介质腐蚀、不与操作介质发生化学反应， 不污染产品和环境， 具有良好的弹性， 有一定的机械强度和适当的柔软性， 在工作温度和压力下不易变质（硬化、老化、软化）。
垫圈的类型
压力容器法兰及管法兰采用的密封 垫圈，根据所用材料有哪几种类型？
垫圈的类型
1）非金属垫圈： （适用于P<6MPa, T<450度）
材料：橡胶垫、石棉橡胶垫、聚四氟乙烯垫和膨胀（或柔性） 石墨垫。断面为矩形或O形。
2）金属垫圈：（适用于P>6.4MPa, T>350度）
材料：软铝、钢、纯铁、软钢、铬钢和不锈钢。断面有矩形、 波纹形、齿形、椭圆形和八角形。
适用：低压和无毒 介质。
②凹凸型
优点：便于对中，垫圈 放在凹面不易挤出，密 封面窄比压大。
缺点：加工量大
适用：压力稍高
③榫槽型
优点：密封面窄，不与 介质接触，
缺点：拆卸难，垫圈不 易清理
适用：压力更高，密封 要求严
④梯形槽：
与椭圆型或八角型金 属垫圈配用。
特点：槽的锥面与垫 圈成线（或窄面）接 触密封。
影响密封的主要因素：
1、螺栓预紧力：大小合适、分布均匀 2、垫圈性能:变形能力和回弹能力(弹性、塑性) 3、密封面型式和表面性能：平直度、表面粗糙
容器零部件设计资料
非金属垫片：
橡胶石棉板、聚四氟乙烯等。 柔软 耐温度和压力性能较金属垫片差。 只适用于常、中温和中、低压设 备和管道的法兰密封。
金属垫片：
材料一般并不要求强度高，而是要求软韧。
常用是软铝、紫铜、铁(软钢)、 蒙耐尔合金(含Ni67％，Cu30％， Cr4～5％)钢等。 主要用于中、高温和中、高压法 兰联接密封。
说明：①密封比压力主要决定于垫片材质。 ②垫片材质确定后，垫片越宽，为保证比压力， 预紧力越大，螺栓和法兰尺寸也越大，所以垫 片不应过宽，更不应该把整个法兰面都铺满垫 片。 ③为了实现法兰联接处的密封，必须使密封元件 在操作压力作用下，仍然保持一定的残余压紧 力。因此螺栓和法兰须有足够大的强度和刚度， 不发生过大的变形。
四、法兰标准及选用
石油、化工上用的法兰标准有两类，
一类是压力容器法兰标准 一类是管法兰标准
㈠ 压力容器法兰标准
1．平焊法兰：
2．对焊法兰
长颈对焊法兰有厚度更大的颈，刚 性大。 更高压力范围(PN 0.6MPa～ 6.4MPa)和直径范围 (DN300mm～2000mm)，适用 温度范围为-20℃～450℃。
思考题：
1.法兰垫片密封的原理是什么？影响 密封的因素有哪些？ 2.法兰的型式有哪些？各有什么特 点？ 3.法兰密封面型式有哪些？各适用 什么场合？ 4.常用的垫片材料有哪些？
金属与非金属混合制垫片：
金属包垫片用薄金属板（镀锌薄钢板、 0Cr18Ni9等）将非金属包起来； 金属缠绕垫片是薄低碳钢带(或合金钢 带)与石棉带一起绕制而成。不带定 位圈和带定位圈。
金属包垫片及缠绕垫片较单纯的金属 垫片有较好的性能，适应的温度与 压力范围较高一些。
垫片材料的选择：
根据温度、压力以及介质腐蚀决定， 同时考虑密封面形式、螺栓力的 大小以及装卸要求等。 查表
化工机械第五章压力容器
2
即锥形壳体上环向应力是径向应力的两倍。由应力计算 公式可知，应力与α角成正比，α角增大，应力也随着增 加。两向应力随着r的增加而增加。在锥壳开口处，两向 应力有最大值，在锥顶端r=0处，两向应力为零。
第二十三页，编辑于星期六：十八点 二十五分。
第五章
压力容器
5.2.5边缘应力的概念
由应力分析及推导可知，当薄壁壳体的几何形状发生 突变，或载荷分布发生突变；或壳体厚度发生突变，材 料发生突变等，都会在突变处产生附加的局部应力，我 们称为边缘应力。这种局部应力有时会是薄膜应力的数 倍，甚至会导致容器失效，设计中应予以重视。
椭球形壳体上任一点的两向薄膜应力为：
P
2 b
a4 x2(a2 b2)
（5-4）
P
2 b
a
4
x2
(a2
b2
)[2
a
4
x
a4 2 (a2
b2
)
]
第二十一页，编辑于星期六：十八点 二十五分。
第五章
压力容器
由式（5-4）可知，椭球封头上的应力是随x的变化而变化 的。对于标准椭圆形封（a/b=2），封头顶点处的（x=0）， 两向应力有最大拉应力值，在封头边缘处（x=a），径向应 力为顶点处的1/2，环向应力为负应力，且其值与顶点处值 相等。
在工艺尺寸确定之后，为了满足安全和使用要求，还要 确定强度尺寸，零部件在机械设计时，应满足以下要求：
<1>强度———有足够的抵抗外力破坏的能力。
<2>刚度———有足够的抵抗外力变形的能力，以防 止变形过大。
<3>稳定性——有保持自身形状的能力，以防压瘪或
皱折。
第十二页，编辑于星期六：十八点 二十五分。
即锥形壳体上环向应力是径向应力的两倍。由应力计算 公式可知，应力与α角成正比，α角增大，应力也随着增 加。两向应力随着r的增加而增加。在锥壳开口处，两向 应力有最大值，在锥顶端r=0处，两向应力为零。
第二十三页，编辑于星期六：十八点 二十五分。
第五章
压力容器
5.2.5边缘应力的概念
由应力分析及推导可知，当薄壁壳体的几何形状发生 突变，或载荷分布发生突变；或壳体厚度发生突变，材 料发生突变等，都会在突变处产生附加的局部应力，我 们称为边缘应力。这种局部应力有时会是薄膜应力的数 倍，甚至会导致容器失效，设计中应予以重视。
椭球形壳体上任一点的两向薄膜应力为：
P
2 b
a4 x2(a2 b2)
（5-4）
P
2 b
a
4
x2
(a2
b2
)[2
a
4
x
a4 2 (a2
b2
)
]
第二十一页，编辑于星期六：十八点 二十五分。
第五章
压力容器
由式（5-4）可知，椭球封头上的应力是随x的变化而变化 的。对于标准椭圆形封（a/b=2），封头顶点处的（x=0）， 两向应力有最大拉应力值，在封头边缘处（x=a），径向应 力为顶点处的1/2，环向应力为负应力，且其值与顶点处值 相等。
在工艺尺寸确定之后，为了满足安全和使用要求，还要 确定强度尺寸，零部件在机械设计时，应满足以下要求：
<1>强度———有足够的抵抗外力破坏的能力。
<2>刚度———有足够的抵抗外力变形的能力，以防 止变形过大。
<3>稳定性——有保持自身形状的能力，以防压瘪或
皱折。
第十二页，编辑于星期六：十八点 二十五分。
压力容器零部件设计
压力容器零部件设计什么是压力容器？压力容器是指用来贮存或运输气体、液体及其混合物的容器，在使用时内部压力可高达几百兆帕，因此具有高度危险性和技术性。
常见的压力容器有储气瓶、锅炉、压缩空气储存罐等。
压力容器在工业生产中起着非常重要的作用，但由于其压力和温度较高，所以零部件的设计十分关键。
在设计压力容器零部件时，需要考虑各种因素，如材料、结构、强度等。
压力容器零部件的种类压力容器零部件是指组成压力容器的各个零件，包括隔离元件、连接元件、支撑元件、附属设施及安全附件等。
根据其在压力容器中的功能，可以将压力容器零部件分为以下几类：•隔离元件：主要由容器壳体、管道、泵、阀门等部件组成，用于存放和输送介质或压缩气体。
•连接元件：主要由焊接、螺栓紧固、法兰连接等部件组成，用于连接压力容器零件。
•支撑元件：主要由支架、支柱、衬垫等部件组成，对容器内部结构进行支撑和固定，保证其稳定性。
•附属设施：包括排液管、补偿器、冷却器、加热器等，用于对压力容器环境进行控制。
•安全附件：包括安全阀、减压器、检测仪表等，用于对压力容器进行安全控制。
压力容器零部件是由不同的部件组成的复杂系统，这些部件的功能、结构、材料均需要经过严格的计算和测试，只有这样才可以确保整个系统的稳定性和安全性。
压力容器零部件的设计要求在设计压力容器零部件时，需要考虑许多因素，包括材料、结构、强度等。
以下列举了压力容器零部件设计的一些基本要求：1.材料的选择：在设计压力容器零部件时，需要考虑所用材料的特性。
在选择材料时需要考虑到其机械性能、耐热性、耐腐蚀性，同时还需要考虑到铸造、锻造、焊接等工艺条件。
常用的材料有不锈钢、碳钢、铝合金等。
2.结构设计：压力容器零部件的结构必须合理，才能保证系统的正常运行。
在设计结构时，需要考虑到不同力的作用、容器的密封性以及容器与其他零部件的连接方式等。
3.强度计算：强度计算是设计压力容器零部件的一项基本工作，其目的是确保零部件在正常使用过程中不会发生松动、变形、破裂等失效现象。
第五章化工设备常用零部件
第五章化工设备常用零部件概述化工设备的零部件的种类和规格较多，工艺要求不同、结构形状也各有差异。
可以分为两类：一类是通用零部件，另一类是各种典型化工设备的常用零部件。
为了便于设计、制造和检修，把这些零部件的结构形状统一成若干种规格，相互通用，称为通用零部件。
符合标准规格的零部件称为标准件。
化工设备的标准化通用零部件5.2.1 筒体筒体的主要尺寸是直径、高度(或长度)和壁厚。
5.2.2 封头封头与筒体可以直接焊接，形成不可拆卸的连接，也可以分别焊上法兰，用螺栓、螺母锁紧，构成可拆卸的连接。
常见的封头形式有椭圆形（EHA、EHB）、碟形（DHA、DHB）、折边锥形（CHA、CHB、CHC）及球冠形（PSH）。
封头标记示例：封头类型代号公称直径×封头名义厚度-封头材料牌号标准号［例］公称直径325 mm、名义厚度12 mm、材质为16MnR、以外径为基准的椭圆形封头，标记为EHB325×12-16MnR JB/T 47465.2.3 支座用来支承设备的重量和固定设备的位置。
支座一般分为立式设备支座、卧式设备支座两大类。
三种典型的标准化支座：耳式、支承式和鞍式支座。
耳式支座：用于支承在钢架、墙体或梁上的以及穿越楼板的立式容器，支脚板上有螺栓孔，用螺栓固定设备。
一般有A型和B型两种。
标准号支座型号支座号［例］A型、带垫板，3号耳式支座，支座材料为Q235AF，标记为JB/T 4725 －1992，耳座A3 材料：Q235AF支承式支座：支承式支座多用于安装在距地坪或基准面较近的具有椭圆式封头的立式容器。
标准号支座型号支座号［例］钢板焊制的3号支承式支座，支座材料和垫板材料均为Q235AF，标记为JB/T 4724 -1992，支座A3材料：Q235AF/ Q235AF鞍式支座：用于卧式容器的支座。
同一直径的鞍式支座分为A型(轻型)和B型(重型)两种，每种类型又分为F型(固定式)和S型(滑动式)。
过程设备设计-压力容器零部件设计
第五章 压力容器零部件 设计
一、密封机理及其分类
1.密封机理
2 密封分类
3.影响法兰密封的主要因素
（1）螺栓预紧力
（2）垫片性能
(3) 压紧面的质量
(4) 法兰刚度
(5) 操作条件
二、螺栓法兰连接设计 1. 螺栓法兰连接的密封设计
四、开孔和开孔补强设计
五、支座和检查孔
支座
1、补强结构
（2）、开孔补强的设计准则
（3）容许不另行补强的最大开孔直径
（4) 等面积补强计算
（5）接管的方位
例题：
某容器DN=1200，设计压力2.5Mpa，设计温
度100℃， 在非标准椭圆端盖（DN1200X12， 形状系数，16MnR）中心接一个 108X6的 平齐式接管（10号无缝钢管），开孔不在焊 缝上。试确定此开孔是否需要补强，补强圈 厚度若干？（端盖的壁厚附加量 C=3mm, 钢 管的壁厚附加量C=2mm）
一、密封机理及其分类
1.密封机理
2 密封分类
3.影响法兰密封的主要因素
（1）螺栓预紧力
（2）垫片性能
(3) 压紧面的质量
(4) 法兰刚度
(5) 操作条件
二、螺栓法兰连接设计 1. 螺栓法兰连接的密封设计
四、开孔和开孔补强设计
五、支座和检查孔
支座
1、补强结构
（2）、开孔补强的设计准则
（3）容许不另行补强的最大开孔直径
（4) 等面积补强计算
（5）接管的方位
例题：
某容器DN=1200，设计压力2.5Mpa，设计温
度100℃， 在非标准椭圆端盖（DN1200X12， 形状系数，16MnR）中心接一个 108X6的 平齐式接管（10号无缝钢管），开孔不在焊 缝上。试确定此开孔是否需要补强，补强圈 厚度若干？（端盖的壁厚附加量 C=3mm, 钢 管的壁厚附加量C=2mm）
压力容器零部件设计
压⼒容器零部件设计压⼒容器零部件设计⼀、压⼒容器的封头设计平板形封头带折边锥形封头⽆折边锥形封头锥形封头⽆折边球形封头头带折边球形（碟形）封半椭球（椭圆形）封头半球形封头凸形封头封头椭圆形封头的最⼩厚度标准椭圆形封头：δe≥0.15%Di ⾮标准椭圆形封头：δe≥0.30%Di内压碟形封头e i e t W C t i C MR P P R MP δφδσφσδ5.0][2][5.0][2+=-=最⼤允许⼯作压⼒：壁厚：碟形封头的最⼩厚度标准碟形封头：δe≥0.15%Di ⾮标准碟形封头：δe≥0.30%Di（1）受内压(凹⾯受压)球冠形端封头封头的计算厚度按式(7-6)计算：式中：Q ——系数，由GB150图7—5查取。
（2）受外压(凸⾯受压)球冠形端封头封头的计算厚度按下列两种⽅法确定，取其较⼤值：a) 按球形封头计算公式确定的外压球壳厚度；b) 按式(7-6)计算得到的厚度。
（3）两侧受压的球冠形中间封头（3.1）当不能保证在任何情况下封头两侧的压⼒都同时作⽤时，封头计算厚度应分别按下列两种情况计算，取较⼤值：（3.2）当能够保证在任何情况下封头两侧的压⼒同时作⽤时，可以按封头两侧的压⼒差进⾏计算：在任何情况下，与球冠形封头连接的圆筒厚度应不⼩于封头厚度。
否则，应在封头与圆筒间设置加强段过渡连接。
圆筒加强段的厚度应与封头等厚；端封头⼀侧或中间封头两侧的加强段长度L 均应不⼩于2c t i c p D P -=φσδ][2Q δ0.5DiGB/T25198-2010压⼒容器封头⼏点变化⼆、法兰设计螺栓法兰连接结构及密封设计垫⽚选择原则①要有全⾯的观念，综合考虑温度、压⼒、介质、压紧⾯形式等⽅⾯要求，其中温度和压⼒是影响密封的主要因素，也是选择垫⽚的主要依据。
②在保证密封的前提下，尽量选⽤结构简单、价格便宜、便于安装和更换的垫⽚。
螺栓是法兰密封连接中的重要元件，对其基本要求是强度要⾼、韧性要好。
第五章 容器零部件
考虑到生产工艺要求，制造、运输、安装和检修方便，在筒体与筒体、筒体与封头、管道与管道、 考虑到生产工艺要求，制造、运输、安装和检修方便，在筒体与筒体、筒体与封头、管道与管道、 管道与阀门之间，常用可拆卸的法兰连接形式。 管道与阀门之间，常用可拆卸的法兰连接形式。
5.1.1 法兰连接结构与密封原理
法兰连接由一对法兰、垫片和螺栓组 法兰连接由一对法兰、 垫片装在两个法兰之间， 成。垫片装在两个法兰之间，法兰通过 联结螺栓压紧垫片而实现密封。 联结螺栓压紧垫片而实现密封。 预紧时， 预紧时，螺栓力通过法兰作用到垫片 上，使垫片变实而消除垫片内部的毛细 管，同时依靠垫片的弹性和塑性变形来 添满法兰密封面上凹凸不平的间隙， 添满法兰密封面上凹凸不平的间隙，阻 止介质通过垫片内部毛细孔的渗透性泄 漏和垫片与密封面间的界面泄漏。 漏和垫片与密封面间的界面泄漏。预紧 时为了形成初始密封条件， 时为了形成初始密封条件，作用在垫片 上的最小比压力称为垫片的预紧密封比 操作时， 压。操作时，内压使法兰密封面趋于分 作用在垫片上的压紧力下降， 离，作用在垫片上的压紧力下降，此时 压紧面上仍需要有足够的压紧力， 压紧面上仍需要有足够的压紧力，才能 封住介质， 封住介质，工作时垫片上必须维持的压 紧力称为工作密封比压。 紧力称为工作密封比压。
螺纹法兰
5.1.3 影响法兰密封的因素
一、螺栓预紧力（Preload） 螺栓预紧力（ 预紧力必须使垫片压紧并实现初始密封条件， 预紧力必须使垫片压紧并实现初始密封条件， 同时保证垫片不被压坏或挤出。 同时保证垫片不被压坏或挤出。 法兰密封面（ 二、法兰密封面（Flange sealing surface） 常用的法兰密封面形状有平面、凹凸面和榫 常用的法兰密封面形状有平面、 槽面。 槽面。 平面型（ 平面型（Planar） 密封面是一个光滑平 面或在光滑平面上有几条同心圆的环形沟 结构简单，加工方便， 槽。结构简单，加工方便，适用于中低压 场合。但密封性能差， 场合。但密封性能差，不适用于介质易燃 易爆和有毒的场合。 易爆和有毒的场合。 凹凸型（ 凹凸型（Concave） 密封面由一个凹面 和一个凸面配对组成，垫片放在凹面， 和一个凸面配对组成，垫片放在凹面，便 于对中，压紧时能防止垫片被挤出， 于对中，压紧时能防止垫片被挤出，密封 效果好，适用于压力较高的场合。 效果好，适用于压力较高的场合。 榫槽型（ 榫槽型（Tongue and groove） 密封面 由一个榫面和一个槽面配对组成， 由一个榫面和一个槽面配对组成，垫片放 在槽中，密封效果好， 在槽中，密封效果好，适用于易燃易爆有 毒的介质和压力较高的场合。 毒的介质和压力较高的场合。但密封面加 工困难，检修和更换垫片不大方便。 工困难，检修和更换垫片不大方便。
5.1.1 法兰连接结构与密封原理
法兰连接由一对法兰、垫片和螺栓组 法兰连接由一对法兰、 垫片装在两个法兰之间， 成。垫片装在两个法兰之间，法兰通过 联结螺栓压紧垫片而实现密封。 联结螺栓压紧垫片而实现密封。 预紧时， 预紧时，螺栓力通过法兰作用到垫片 上，使垫片变实而消除垫片内部的毛细 管，同时依靠垫片的弹性和塑性变形来 添满法兰密封面上凹凸不平的间隙， 添满法兰密封面上凹凸不平的间隙，阻 止介质通过垫片内部毛细孔的渗透性泄 漏和垫片与密封面间的界面泄漏。 漏和垫片与密封面间的界面泄漏。预紧 时为了形成初始密封条件， 时为了形成初始密封条件，作用在垫片 上的最小比压力称为垫片的预紧密封比 操作时， 压。操作时，内压使法兰密封面趋于分 作用在垫片上的压紧力下降， 离，作用在垫片上的压紧力下降，此时 压紧面上仍需要有足够的压紧力， 压紧面上仍需要有足够的压紧力，才能 封住介质， 封住介质，工作时垫片上必须维持的压 紧力称为工作密封比压。 紧力称为工作密封比压。
螺纹法兰
5.1.3 影响法兰密封的因素
一、螺栓预紧力（Preload） 螺栓预紧力（ 预紧力必须使垫片压紧并实现初始密封条件， 预紧力必须使垫片压紧并实现初始密封条件， 同时保证垫片不被压坏或挤出。 同时保证垫片不被压坏或挤出。 法兰密封面（ 二、法兰密封面（Flange sealing surface） 常用的法兰密封面形状有平面、凹凸面和榫 常用的法兰密封面形状有平面、 槽面。 槽面。 平面型（ 平面型（Planar） 密封面是一个光滑平 面或在光滑平面上有几条同心圆的环形沟 结构简单，加工方便， 槽。结构简单，加工方便，适用于中低压 场合。但密封性能差， 场合。但密封性能差，不适用于介质易燃 易爆和有毒的场合。 易爆和有毒的场合。 凹凸型（ 凹凸型（Concave） 密封面由一个凹面 和一个凸面配对组成，垫片放在凹面， 和一个凸面配对组成，垫片放在凹面，便 于对中，压紧时能防止垫片被挤出， 于对中，压紧时能防止垫片被挤出，密封 效果好，适用于压力较高的场合。 效果好，适用于压力较高的场合。 榫槽型（ 榫槽型（Tongue and groove） 密封面 由一个榫面和一个槽面配对组成， 由一个榫面和一个槽面配对组成，垫片放 在槽中，密封效果好， 在槽中，密封效果好，适用于易燃易爆有 毒的介质和压力较高的场合。 毒的介质和压力较高的场合。但密封面加 工困难，检修和更换垫片不大方便。 工困难，检修和更换垫片不大方便。
第五章化工设备的常用零部件资料
第五章 化工设备的常用零部件
5.1 标准零部件 5.2 典型化工设备常用零部件
5.1 标准零部件
化工设备采用的标准零部件较多，主要有筒体、封 头、法兰、支座、视镜、液面计和补强圈等。
5.1.1 筒体
筒体是化工设备的主体构件，一般使用钢板卷制后 焊接成形。当筒体直径小于500mm时，可直接采用无缝主要几何尺寸为直径、长度及厚度。直径和长度 由工艺条件给出，厚度由工程设计确定。卷制筒体的公 称直径是筒体的内径如表5-1所列；无缝钢管制筒体的 公称直径是无缝钢管的外径如表5-2所列。
5.2.2 塔式容器常用零部件
塔式容器广泛用于化工、石油化工和轻工食品等工 艺过程中，塔式容器可分为板式塔和填料塔两大类，其 总体结构如图5-18所示。图5-18(a)为填料塔，图518(b)为板式塔。
这两类塔的外部结构基本相同，都是由塔体、裙座、 吊柱、人孔、液面计、接管等构件组成。只是内件不同， 下面介绍这两类塔的主要构件。
例如，接管公称直径DN100的补强圈，厚度为8mm， 坡口形式为D型，材料为Q235B。
标记示例：dNDN100×8-D-Q235-B JB/T4736-2002。 材料：16MnR
5.1 标准零部件
5.1.6 人孔与手孔
为了满足化工设备安装、清洗和检修的要求，在化 工设备上需要设置人孔或手孔。人孔的基本结构如图510所示。
化工设备的结构设计规定，当筒体的公称直径超过 700mm时，应设置人孔。人孔的形状有圆形和椭圆形两 种。圆形人孔结构如图5-10所示。圆形人孔加工方便， 应用比较广泛；椭圆形人孔加工比较困难，但对于壳体 的强度削弱较小。
5.1 标准零部件
圆形人孔的公称直径有DN400、DN450、DN500、 DN600。椭圆形人孔的最小尺寸为300×400。人孔的选 择应根据设备结构和强度条件，以检修人员进出方便为 原则。人孔的标准较常用的有HG/(21514-21535)-2005 《钢制人孔和手孔》。
5.1 标准零部件 5.2 典型化工设备常用零部件
5.1 标准零部件
化工设备采用的标准零部件较多，主要有筒体、封 头、法兰、支座、视镜、液面计和补强圈等。
5.1.1 筒体
筒体是化工设备的主体构件，一般使用钢板卷制后 焊接成形。当筒体直径小于500mm时，可直接采用无缝主要几何尺寸为直径、长度及厚度。直径和长度 由工艺条件给出，厚度由工程设计确定。卷制筒体的公 称直径是筒体的内径如表5-1所列；无缝钢管制筒体的 公称直径是无缝钢管的外径如表5-2所列。
5.2.2 塔式容器常用零部件
塔式容器广泛用于化工、石油化工和轻工食品等工 艺过程中，塔式容器可分为板式塔和填料塔两大类，其 总体结构如图5-18所示。图5-18(a)为填料塔，图518(b)为板式塔。
这两类塔的外部结构基本相同，都是由塔体、裙座、 吊柱、人孔、液面计、接管等构件组成。只是内件不同， 下面介绍这两类塔的主要构件。
例如，接管公称直径DN100的补强圈，厚度为8mm， 坡口形式为D型，材料为Q235B。
标记示例：dNDN100×8-D-Q235-B JB/T4736-2002。 材料：16MnR
5.1 标准零部件
5.1.6 人孔与手孔
为了满足化工设备安装、清洗和检修的要求，在化 工设备上需要设置人孔或手孔。人孔的基本结构如图510所示。
化工设备的结构设计规定，当筒体的公称直径超过 700mm时，应设置人孔。人孔的形状有圆形和椭圆形两 种。圆形人孔结构如图5-10所示。圆形人孔加工方便， 应用比较广泛；椭圆形人孔加工比较困难，但对于壳体 的强度削弱较小。
5.1 标准零部件
圆形人孔的公称直径有DN400、DN450、DN500、 DN600。椭圆形人孔的最小尺寸为300×400。人孔的选 择应根据设备结构和强度条件，以检修人员进出方便为 原则。人孔的标准较常用的有HG/(21514-21535)-2005 《钢制人孔和手孔》。
化工设备设计基础第五章内压薄壁容器设计
环向应力 MPa
pD 15 212 .5 s2 245 .2 2 2 6.5
四、 筒体强度计算
筒体内较大的环向应力不 pD t [s ] 应高于在设计温度下材料 2 的许用应力，即
[s]t-设计温度t℃下材料许用应力， MPa。 实际设计中须考虑三个因素： （1）焊接接头系数 （2）容器内径 （3） 壁厚
2． 基本假设
(2)直线法假设 变形前垂直于中面直线段，变形后 仍是直线并垂直于变形后的中面。变 形前后法向线段长度不变。沿厚度各 点法向位移相同，厚度不变。 (3)不挤压假设 各层纤维变形前后互不挤压。
㈡ 无力矩理论基本方程式
无力矩理论是在旋转薄壳的受 力分析中忽略了弯矩的作用。 此时应力状态和承受内压的薄 膜相似。又称薄膜理论
㈣ 焊接接头系数
焊接接头形式 无损检测的长度比例 100% 局部
焊接削弱而降低设计许用应力的系数。 根据接头型式及无损检测长度比例确定。
双面焊对接接头或相当 1.0 0.85 于双面焊的对接接头 单面焊对接接头或相当 0.9 0.8 于单面焊的对接接头 符合《压力容器安全技术检察规程》才允许作局部 无损探伤。抽验长度不应小于每条焊缝长度的20％。
e-圆筒有效厚度 e
n C
C-厚度附加量。
C C1 C2
设计温度下圆筒的计算应力
pc Di e t s s f 2 e
t
五、球壳强度计算
设计温度下球壳的计算厚度：
pcDi t 4s f pc
pc 0.6[s ] f
t
设计温度下球壳的计算应力
（2） 轴对称
壳体的几何形状、约束条件和 所受外力都是对称于某一轴。 化工用的压力容器通常是轴对 称问题。
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2015-6-4
6.2 容器的开孔补强
3）整体补强结构 ：（图f，g） 增加壳体的 厚度，或用全焊透 的结构型式将厚壁 接管或整体补强锻 件与壳体相焊。
2015-6-4
6.2 容器的开孔补强
4、允许不另行补强的条件（P181） 壳体开孔满足下列全部条件要求时，可不另行补强 1）设计压力≤2.5Mpa； 2）两相邻开孔中心的间距应不小于两孔直径之
2015-6-4
6.2 容器的开孔补强
6.2.2开孔补强设计的原则与补强结构
弹性失效设计准则—等面积补强法 1、开孔补强设计准则
塑性失效准则—极限分析法
1） 等面积补强准则
等面积补强准则：局部补强的金属截面积必须等于或大 于开孔所减去的壳体截面积。 等面积补强准则主要用于补强圈结构的补强计算。 注：局限性、适用范围（P180）
2015-6-4
6.2 容器的开孔补强
2015-6-4
6.2 容器的开孔补强 3. 整体锻件补强
结构：把需要局部增厚的壳体部分全部挖掉，焊上接管 和部分壳体连同补强部分做成整体的锻件。 优点：抗疲劳性最好，疲劳寿命仅降低10～15%。 缺点：锻件供应困难，制造烦琐，成本较高。 常用场合：只用于重要的设备，如高压容器，核容器等
2015-6-4
6.2 容器的开孔补强
2）塑性失效补强原则 基本点：开孔容器在接管处达到全域塑性时的极限压力应等 于无孔壳体的屈服压力；同时，按弹性计算的最大应力应不超 过2σs，即
max 2 s
代入上式，得 max 3.0
表明，如果将薄膜应力控制在许用应力以下，应力集中区的最 大应力集中系数可以允许达到3.0。 这种补强方法只允许采用整体锻件补强结构。
2015-6-4
6.2 容器的开孔补强
二、壳体上开小孔的应力集中 忽略壳体曲率的影响，近似视为平板 1、球壳上开圆孔 相当于平板开圆孔两向受力
max 3 m 3 2
最大基本应力： K=2
2015-6-4
6.2 容器的开孔补强
2015-6-4
6.2 容器的开孔补强
整体锻件
2015-6-4
6.2 容器的开孔补强
补强结构 1）补强圈补强结构 ：图a 优点：制造方便、 造价低 ，使用经验 成熟，常用于中、低 压容器。 缺点：会有应力集 中，温差应力，抗疲 劳能力差
2015-6-4
6.2 容器的开孔补强
2）补强元件 补强（图b~e） 将接管或 壳体开孔附近 需要加强的部 分，做成加强 元件，然后再 与接管和壳体 焊在引起。
第六章 容器零部件
6.1 法兰联接
6.2 容器的开孔补强
2015-6-4
6.2 容器的开孔补强
6.2.1开孔应力集中现象及原因 一、开孔应力集中现象 1、应力集中：容器开孔后，在孔边缘附近的局部地区，由 于结构的不连续引起的局部的应力增长现象，叫做应力集中。 2、应力集中系数：
q
离开越远， σ越小，逐渐趋于0。
2015-6-4
6.2 容器的开孔补强
2、平板开孔的应力集中
（1）平板开小孔，单向拉伸q， K = 3q/q = 3； （2）平板开小孔，两向拉伸：q1、q2，在开孔附近的应力可 用叠加法 m-m截面上最大切向应力：3q1 - q2 n-n截面上最大切向应力：3q2 - q1 若q1 = q2 = q，K = 2。
厚壁接管补强 整体锻件补强
6.2 容器的开孔补强 1. 补强圈补强
结构：在开孔周围一定范围内紧靠接管贴焊一块补强圈。 优点：结构简单，制造方便，使用经验丰富 缺点：1）与壳体金属之间不能完 全贴合，传热效果差，在中温以 上使用时，存在较大热膨胀差， 在补强局部区域产生较大的热应 力； 2）与壳体采用搭接连接，难 以与壳体形成整体，抗疲劳性能 差。
2015-6-4
而 s 1.5
6.2 容器的开孔补强
2、补强形式 1）内加强平齐接管 2）外加强平齐接管 3）对称加强凸出接管 4）密集补强
2015-6-4
6.2 容器的开孔补强
2015-6-4
6.2 容器的开孔补强
3、补强结构
补强圈补强 局部补强 补强结构 整体补强
2015-6-4
应力峰值：在应力集中区域的最大应力值，称为应力峰值。
应力集中系数：应力峰值与构件中最大基本应力的比值。
2015-6-4
6.2 容器的开孔补强
3、产生原因 1）开孔削弱了器壁材料，破坏了原有应力分布并引起应力 集中； 2）壳体与接管连接处形成结构不连续应力；（P178） 3）壳体与接管的拐角处因不等截面过渡面引起应力集中。 这样导致的应力集中是原有基本应力的数倍，加上其它载 荷作用，开孔接管结构在制造过程中又不可避免产生缺陷和残 余应力，使开孔和接管的根部成为压力容器出疲劳破坏和脆性 裂口的薄弱部位，因此需要采取一定的补强措施。
2015-6-4
6.2 容器的开孔补强
σ
σθ
σθ
r
θ σθ σ
max=3σ
σγ
σ
a
应力集中和开孔形状有关，圆孔的应力集中程度最 低，因此壳体开孔常为圆孔。
2015-6-4
6.2 容器的开孔补强
（1）在圆孔边缘垂直于拉伸方向的m-m截面上，切向应力
3q
离圆孔越远，σ越小，逐渐趋于q；
（2）在平行于拉伸方向的n-n截面上，切向应力
和的两倍；
3）接管公称外径≤89mm； 4）接管最小壁厚应满足最小厚度要求（表6－19）。
2015-6-4
2、圆筒体上开圆孔 相当于平板开圆孔两向受力
3 m 3 2.5
1 2
3 m 1.5 0.5
最大基本应力： K = 2.5
2015-6-4
6.2 容器的开孔补强
三、壳体开孔处应力集中的特点：
2015-6-4
6.2 容器的开孔补强
二、平板开小孔的应力集中 1、平板开孔的应力分析 条件：矩形薄板，在离开边缘较远处有半径为a的小圆孔，在某 一方向受均匀拉力，强度为q。 问题：研究小孔附近任意指定点的受力情况 受力特点：
由弹性力学计算可知，孔边缘只有切向应力
q(1 2cos2 )
（1）开孔附近的应力集中具有局限性，其应力衰减得很 快，孔边缘最高，所以在孔边缘补强最有效； （2）球壳开孔的应力集中系数小于圆筒开孔的应力集中 系数。若筒体封头为球形，尽量在封头开孔； （3）筒体开圆孔，孔边缘经向截面上的应力集中比横向 截面的应力集中严重； （4）筒体上开椭圆孔，长轴垂直于筒体轴线，K = 1.5； 长轴平行于筒体轴线，K = 4.5。
2015-6-4
使用场合：中低压容器
6.2 容器的开孔补强
2015-6-4
6.2 容器的开孔补强
2. 厚壁接管补强
结构：在开孔处焊上一段厚壁接管 特点：补强处于最大应力区域，能更有效地降低应力
集中系数。接管补强结构简单，焊缝少，焊接质量容
易检验，补强效果较好。 常用场合：低合金钢容器或某些高压容器