第五章 压力容器的应力分析

血的代价
2008年湖南省凤凰县沱江大桥 “8· １3”塌桥事故经初步核实， 事故发生时涉险人员123名， 经现场救援有64人生还，其中 22人受伤，危重2人，重伤1人； 截至记者发稿时，已确认36人 遇难。
高压锅爆炸
爆炸变形的家用高压 锅ຫໍສະໝຸດ Baidu（70KPa）
5.2回转壳体中薄膜应力
5.2.1无力矩理论基本方程式 5.2.1.1基本概念与基本假设 薄壁壳体的简化和假定：容器壳壁很薄，如 同薄膜一样，无法承受弯曲应力，只能承受 拉应力和压应力，并认为应力沿壁厚均匀分 布。 基于这一假设的壳体应力分析理沦称之为壳 体的无力矩理沦（薄膜理沦），相应的壳体 壁应力称为薄膜应力。
工程上常用的应力分析方法：
有力矩理沦：不仅承受拉应力，还承受弯矩 和弯曲应力； 无力矩理沦：只承受拉压应力，不能承受力 矩的作用 无力矩理沦有近似性和局限性，其误差在工 程计算允许的范围内，计算方法大大简化， 该方法常被采用。 应用条件： K 1.2
圆筒的应力计算
作用力： 由内压作用在端盖上产生轴向拉应力 m ， 称为经向应力或轴向应力； 由内压作用使圆筒向外均匀膨胀，在圆周切 线方向所产生的拉力称为环形应力或周向应 力，用表示 常为薄壁容器，筒壁较薄， m和 可认为 是均匀分布的，径向应力 r 可忽略不计
pR2 N N m 2
'
5.2.1.3基本方程式的应用
工程上常用容器一般都由圆筒形壳体、 球形壳体、锥形壳体及椭球形壳体等典型回 转薄壁壳体构成，分别计算其径向、周向薄 膜应力。
第5章 压力容器的应力分析
容器设计的核心问题是研究容器在外载 荷作用下，有效抵抗变形和破坏的能力，即 处理强度、刚度和稳定性问题，保证容器的 安全性和经济性。
三种应力
本章介绍容器承压时器壁内存在三种性质不 同的应力 一次薄膜应力（是最基本的，必须掌握）； 一次弯曲应力（压力容器中受弯构件较少， 不作重点介绍）； 边界应力（作定性分析）
安全事故
承压设备在发挥作用的同时也显现出其危险性，我国每年有几百人 因为承压设备事故而失去生命或受到伤害。 “十五”（2001～2005）期间，我国共发生承压设备事故783起， 其中： 重大事故 2 起 较大事故 42 起 一般事故 739 起 造成死亡 636人； 受伤 1394 人；直接经济损失 19353.97 万元
压力容器特点之二：工况条件复杂
压力容器的操作条件十分复杂，甚至近于苛刻。 压力从1～2×10-5Pa的真空到高压、超高压，如石 油加氢为10.5～21.0 MPa；高压聚乙烯为100～ 200 MPa；合成氨为10～100 MPa；人造水晶高达 140 MPa；温度从-196℃低温到超过1000℃的高 温；而处理介质则包罗爆、燃、毒、辐(照)、腐(蚀)、 磨(损)等数千个品种。操作条件的复杂性使压力容 器从设计、制造、安裝到使用、维护都不同于一般 机械设备，而成为一类特殊设备。
按材料
金属容器: 钢制, 铸铁,有色金属容器 非金属材料：既可作为容器的衬里，又可作为独立 的构件。 应用最多是低碳钢和普通低合金钢，腐蚀严重或产 品纯度要求高用不锈钢、不锈复合钢板、铝板及钛 材。 在深冷操作中，可用铜或铜合金； 常用非金属材料的有：硬聚氯乙烯、玻璃钢、不透 性石墨、化工搪瓷、化工陶瓷及砖、板、橡胶衬里 等
5.2.1.2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。 m p 平衡方程： R1 R2 区域平衡方程
N ri2 p N ' 2 r m sin
r R2 sin
图片
压力容器的结构图
液位计 管口 人孔 封头
支座
筒体
零部件的二个基本参数：公称直径DN
对于用钢板卷制的容器筒体而言，其公称直径的数 值等于筒体内径。 当容器筒体直径较小时，可直接采用无缝钢管制作 时，这时容器的公称直径等于钢管的外径。 管子的公称直径（通径）既不是管子的内径也不是 管子的外径，而是一个略小于外径的数值。 见P181 表14-1压力容器的公称直径DN
零部件的二个基本参数：公称压力PN
PN0.60的压力容器法兰，是指法兰用 Q345R的材料，在200°C所允许的最高工作 压力为0.60MPa 国家标准GB/T1048将管路元件的公称压 力分为以下十个等级：0.25MPa、0.6MPa、 1.0Ma、1.6MPa、2.5MPa、4.0MPa、 6.30MPa、10.0MPa、16.0MPa 等（欧洲）
压力容器特点之一：应用广泛
压力容器不仅被广泛用于化学、石油化工、医 药、冶金、机械、采矿、电力、航天航空、交通运 输等工业生产部门，在农业、民用和军工部门也颇 常见，其中尤以石油化学工业应用最为普遍，石油 化工企业中的塔、釜、槽、罐无一不是贮器或作为 设备的外壳，而且绝大多数是在一定的压力温度下 运行。 如一个年产30万吨的乙烯装置，约有793台设 备，其中压力容器281台，占了35.4%。蒸汽锅炉 也属于压力容器，但它是用直接火焰加热的特种受 压容器，至于民用或工厂用的液化石油气瓶，更是 到处可见。
基本假设
假定壳体材料有连续性、均匀性和各向同性，即壳 体是完全弹性的。 小位移假设：各点位移都远小于厚度，可用变形前 尺寸代替变形后尺寸。变形分析中高阶微量可忽略。 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。 不挤压假设：各层纤维变形前后互不挤压。
压力容器特点之四：安全性要求高
压力容器因其承受各种静、动载荷或交变 载荷，还有附加的机械或温度载荷；其次，大 多数容器容纳压缩气体或饱和液体，若容器破 裂，导致介质突然卸压膨胀，瞬间释放出来的 破坏能量极大，加上压力容器极大多数系焊接 制造，容易产生各种焊接缺陷，一旦检验、操 作失误容易发生爆炸破裂，器内易爆、易燃、 有毒的介质将向外泄漏，势必造成极具灾难性 的后果。因此，对压力容器要求很高的安全可 靠性。
5.1压力容器分类
分类方法很多，有按容器的形状 、按承 压性质 、按管理、按容器壁温、按金属材 料、按应用情况等
按容器的形状
按容器形状分类
名 称 方形\矩形容器 球形容器 圆筒形容器 特 点 平板焊成，制造简便，但承压能力差，只用 作小型常压贮槽 弓形板拼焊，承压好，安装内件不便，制造 稍难,多用作贮罐 筒体和凸形或平板封头。制造容易，安装内 件方便，承压较好，应用最广
2007年特种设备事故情况： 共发生特种设备伤亡事故299起； 造成死亡 334人，受伤 349人，直接经济损失3490.76万元。 其中压力设备事故起数109起；造成死亡146人，受伤182人。
事故原因分析
十五期间，发 生的783起压力设 备事故中，主要事 故原因是：非法使 用违章操作或处置 不当、非法制造及 制造质量、超期未 检或未按规定检验、 安全保护装置失效 混装等其他原因
非法制造及制 造质量问题 141起 18%
非法使用违章 操作540起 69%
超期未检或未 按规定检验 56起 7% 安全装置失效 混装等其他原 因 46起 6%
血的代价
血的代价
血得代价
血的代价
血的代价
血的代价
血的代价
2007年6月15日清早5时10分，“南桂机035”号运沙船由佛 山高明开往顺德途中偏离主航道航行撞击九江大桥，导致桥面 发生坍塌，桥面坍塌约200米。后证实有4辆汽车7名司乘人 员以及2名现场施工人员共9人坠江失踪。 大桥管理方向肇事 者索赔2558万元；
圆筒薄膜应力计算
轴向应力 2 p Di m D 0, Di D
4 pD m 4
D-筒体平均直径，亦称中径，mm； 环向应力 pD pDl 2 i 2 l 0
圆筒可用截面法求，但不是所有问题都能用截面法， 如：椭圆封头，各点曲率半径不同，壁内应力是变 化的，对这类问题需从壳体上取微元体分析其受力 变形才能解决。
压力容器特点之三：数量巨大
国内在用固定式压力容器、移动式压力容 器中罐车、在用气瓶、锅炉等在用压力容器数 量巨大 。此外全国持有压力容器制造许可证的 企业、设计单位也有数万家。如此庞大且潜在 隐患容器的存在，以及地域广泛的制造设计部 门，自然成为国内外政府部门特别重视其安全 管理和监察检查的原因。
按毒性危害程度
分 指标 吸入 急性 中毒 经皮 经口 急性中毒 慢性中毒 慢性中毒后果 致癌性 最高容许浓度 常见化学介质 I极度危害 ＜200 mg/m3 ＜100 <25 易中毒后果严重 患病率高 II高度危害 200 mg/m3~ 100 ~ 25~ 可中毒，愈后良 好 较高 可基本治愈 可疑致癌 0.1甲醛,苯胺、氟 化氢、 级 III中毒危害 2000 mg/m3~ 500 ~ 500~ 偶可中毒 偶有发生 IV轻度危害 ＞20000 mg/m3 ＞2500 >5000 无中毒但有影响 有影响
压力容器概述
薄壁壳体
化工生产中常用的中低压容器属于回转薄壁壳体结 构 R 1 ( )max 或K 1.2 K 0 Di 、中径 D 、 薄壁： ，其中内径 R 10 R i 外径 D0 ； 厚壳： 1 , K 1.2 壳体是一种以两个曲面为 R 10 界，且曲面之间的距离（壁厚）远比其它方向尺寸 小的物体。 平分壳体厚度的曲面称为壳体的中面 最常见的壳体有球体、圆柱体、圆锥体、椭球壳等
按应用情况
反应压力容器（Ｒ）完成物理、化学反应，如反应 器、反应釜、分解锅、聚合釜、变换炉等； 换热压力容器（Ｅ）热量交换，如热交换器、管壳 式余热锅炉、冷却器、冷凝器、蒸发器等； 分离压力容器（Ｓ）流体压力平衡缓冲和气体净化 分离，如分离器、过滤器、缓冲器、吸收塔、干燥 塔等； 储存压力容器：（Ｃ，球罐为Ｂ）储存、盛装气体、 液体、液化气体等介质，如各种形式的贮罐、贮槽、 高位槽、计量槽、槽车等。
继续进展不能治 愈
人体致癌 <0.1 光气、汞、氰化 氢
可恢复无严重后 果
动物致癌 1.0二氧化硫,硫化 氢,氨
可恢复无不良后 果
无致癌性 >10
按容器壁温
常温容器：壁温-20℃至200℃； 高温容器：壁温达到蠕变温度,碳素钢或低 合金钢容器，温度超过420℃，合金钢超过 450℃，奥氏体不锈钢超过550℃，均属高 温容器； 中温容器：在常温和高温之间； 低温容器：壁温低于-20℃, -20℃至-40℃ 为浅冷容器，低于-40℃者为深冷容器。
按承压性质
内压：内部介质压力大于外界压力 外压：内部介质压力小于外界压力 真空：内部压力小于一个绝压的外压容器
容器分类 设计压力 p （MPa）
低压容器
中压容器 高压容器 超高压容器
0.1≤p＜1.6
1.6≤p＜10 10≤p＜100 p≥100
外压容器一般属于低压容器
按管理
特种设备安全监察条例2003.6.1实施 TSG R0004《固定式压力容器安全技术监察 规程》（国家质监局）2009.12实施 根据压力等级、容积和介质毒性危害程度， 压力容器可分为三类：第一类压力容器、第 二类压力容器、第三类压力容器 介质：危害程度 详见P220-222
旋转壳体
旋转壳体 ：壳体中面（等分壳体厚度）是 任意直线或平面曲线作母线，绕其同平面内 的轴线旋转一周而成的旋转曲面。
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。
旋转壳体的几何概念
母线与经线 法线 平行圆 第一曲率半径：经线曲率半径 第二曲率半径：垂直于经线的 平面与中面相割形成的曲线BE 的曲率半径