第八章-内压容器..
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第八章内压容器
度的压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液 柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。 即计算压力=设计压力+液柱静压力 5%P时计入) 可见，计算压力 设计压力 最大工作压力 例：一立式容器，工作压力0.5MPa， 液体深10m， 重度为10,000N/m3。
pw=0.5MPa, p=0.5MPa pc=0.5+(10×10,000)/1,000,000=0.6MPa
①选择材料； ②确定许用应力。
※确定设计温度的方法：
（1）类似设备实测；（2）传热计算；（3）参照书 P90表4-5。
例如：不被加热或冷却的器壁，且壁外有保温，取 介质温度；用水蒸气、热水或其它液体加热或冷却 的器壁，取热介质的温度；等等。
10
四 .计算压力pc---在相应设计温度下，用以确定元件厚
C2=KaB
Ka---腐蚀速率（mm/a），由材料手册或实验确定。
B----容器的设计寿命，通常为10～15年。
一般情况, Ka=0.05～0.13mm/a的轻微腐蚀时， 对单面腐蚀取C2=1～2mm; 对双面腐蚀取C2=2～4mm。 对于不锈钢，一般取0。
29
8.2 内压容器筒体与封头厚度的计算
式中 nt ,Dt----设计温度下材料的蠕变强度和 持久强度。
nn,nD----蠕变强度和持久强度的安全系数。
13
（2）安全系数及其确定：
影响安全系数的因素： ①计算方法的准确性、可靠性和受力分析的精确程度； ②材料质量和制造的技术水平； ③容器的工作条件及其在生产中的重要性和危险性。
安全系数 材料
※釜内0.3MPa，夹套内0.2MPa----内压0.1MPa;
※釜内0.3MPa，夹套内空料—--内压0.3MPa; 釜壁承受的最大压差:内压0.3MPa或外压0.3MPa. 9
pw=0.5MPa, p=0.5MPa pc=0.5+(10×10,000)/1,000,000=0.6MPa
①选择材料； ②确定许用应力。
※确定设计温度的方法：
（1）类似设备实测；（2）传热计算；（3）参照书 P90表4-5。
例如：不被加热或冷却的器壁，且壁外有保温，取 介质温度；用水蒸气、热水或其它液体加热或冷却 的器壁，取热介质的温度；等等。
10
四 .计算压力pc---在相应设计温度下，用以确定元件厚
C2=KaB
Ka---腐蚀速率（mm/a），由材料手册或实验确定。
B----容器的设计寿命，通常为10～15年。
一般情况, Ka=0.05～0.13mm/a的轻微腐蚀时， 对单面腐蚀取C2=1～2mm; 对双面腐蚀取C2=2～4mm。 对于不锈钢，一般取0。
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8.2 内压容器筒体与封头厚度的计算
式中 nt ,Dt----设计温度下材料的蠕变强度和 持久强度。
nn,nD----蠕变强度和持久强度的安全系数。
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（2）安全系数及其确定：
影响安全系数的因素： ①计算方法的准确性、可靠性和受力分析的精确程度； ②材料质量和制造的技术水平； ③容器的工作条件及其在生产中的重要性和危险性。
安全系数 材料
※釜内0.3MPa，夹套内0.2MPa----内压0.1MPa;
※釜内0.3MPa，夹套内空料—--内压0.3MPa; 釜壁承受的最大压差:内压0.3MPa或外压0.3MPa. 9
8.1 回转薄壳的薄膜应力理论
0 rm
cos
dr dl
rm
Q 2 prdr
0
Q力的大小只取决于截面处的横截面面积与气体 压强p，而与截取壳体承压的内表面形状与尺寸 无关
《化工设备设计基础》
20
8.1.3 回转薄壳的薄膜应力理论
1. 经向应力计算公式
N Q
2 2 rm sin prm
《化工设备设计基础》
2
第八章 内压薄壁容器的应力理论
薄壳 壳体厚度δ与其中面曲率半径R的比值
（ δ /R）max≤1/10。
《化工设备设计基础》
3
8.1 回转薄壳的薄膜应力理论
圆柱壳
薄壁圆柱壳或薄壁圆筒
外直径与内直径的比值 (Do/Di)max≤1.1~1.2 外直径与内直径的比值 (Do/Di)max＞ 1.1~1.2
R1 , R2 D
2
2
⑵过渡段的B点;
C点的主曲率半径;
R1 r , R 2 D
Dc r Dc 2 R1 r , R 2 r ⑴过渡段的C点; sin 2 cos
⑵锥壳上的C点;Biblioteka R1 , R 2 《化工设备设计基础》
Dc 2 cos
35
8.1.3 回转薄壳的薄膜应力理论
2. 周向应力计算公式-续6
pR2 2
R1
R2
p
薄膜应力理论基本方程式
只要回转壳体任一点的R1、R2以及壳体壁厚为 已知，则该点由介质内压力p产生的经向应力和 周向应力就可求出
两个应力方程式的导出都以应力沿壁厚均匀分 布为前提，而这种情况只有在壳壁较薄以及离 两个不同形状的壳体联接区稍远处才是正确的
cos
dr dl
rm
Q 2 prdr
0
Q力的大小只取决于截面处的横截面面积与气体 压强p，而与截取壳体承压的内表面形状与尺寸 无关
《化工设备设计基础》
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8.1.3 回转薄壳的薄膜应力理论
1. 经向应力计算公式
N Q
2 2 rm sin prm
《化工设备设计基础》
2
第八章 内压薄壁容器的应力理论
薄壳 壳体厚度δ与其中面曲率半径R的比值
（ δ /R）max≤1/10。
《化工设备设计基础》
3
8.1 回转薄壳的薄膜应力理论
圆柱壳
薄壁圆柱壳或薄壁圆筒
外直径与内直径的比值 (Do/Di)max≤1.1~1.2 外直径与内直径的比值 (Do/Di)max＞ 1.1~1.2
R1 , R2 D
2
2
⑵过渡段的B点;
C点的主曲率半径;
R1 r , R 2 D
Dc r Dc 2 R1 r , R 2 r ⑴过渡段的C点; sin 2 cos
⑵锥壳上的C点;Biblioteka R1 , R 2 《化工设备设计基础》
Dc 2 cos
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8.1.3 回转薄壳的薄膜应力理论
2. 周向应力计算公式-续6
pR2 2
R1
R2
p
薄膜应力理论基本方程式
只要回转壳体任一点的R1、R2以及壳体壁厚为 已知，则该点由介质内压力p产生的经向应力和 周向应力就可求出
两个应力方程式的导出都以应力沿壁厚均匀分 布为前提，而这种情况只有在壳壁较薄以及离 两个不同形状的壳体联接区稍远处才是正确的
第八章压力容器简介与薄膜应力
15
㈡、球壳上的薄膜应力
对于球壳，没有轴向和环向之分。
m
pD
4
直径与内压相同，球壳内应力仅是圆筒形 ， 壳体环向应力的一半，即球形壳体的厚度仅
需圆筒容器厚度的一半。 当容器容积相同时，球表面积最小，故大 型贮罐制成球形较为经济。
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2 K D倍， 此值非常大。
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第三节 边界区内的二次应力 一、边界应力产生的原因
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应力为零。因此，一般在锥顶开孔。
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第二节 圆形平板承受均布载荷时的弯曲应力
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图1-5 球形容器群
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图1-6 催化汽油稳定塔的再沸器
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[理学]化工设备机械基础习题解答
![[理学]化工设备机械基础习题解答](https://img.taocdn.com/s3/m/58cfdb32ff00bed5b9f31d39.png)
目录化工设备机械基础课后习题解答 .............................. 错误！未定义书签。
EXERCISE EXPLANATION AND DESIGNING OF THE BASIC OF CHEMICAL EQUIPMENT AND MECHANISM .. 错误！未定义书签。
第一章刚体的受力分析及其平衡规律 .. (2)第一部分例题及其解析 (2)第二部分习题及其解答 (10)第二章金属的力学性能 (18)第一部分例题及其解析 (18)第二部分习题及其解答 (19)第三章受拉（压）构件的强度计算与受剪切构件的实用计算 (22)第一部分例题及其解析 (22)第二部分习题及其解答 (24)第四章直梁的弯曲 (27)第一部分例题及其解析 (27)第二部分习题及其解答 (35)第五章圆轴的扭转 (39)第一部分例题及其解析 (39)第二部分习题及其解答 (43)第六章压力容器与化工设备常用材料 (46)第一部分习题及其解析 (46)第七章压力容器中的薄膜应力、弯曲应力、与二次应力 (48)第一部分习题及其解析 (48)第八章内压容器 (52)第一部分例题及其解析 (52)O(c)CAB(a )第二部分 习题及其解答 (55)第九章 外压容器与压杆的稳定计算 (60)第一部分 例题及其解析 .................................................................................................................. 60 第二部分 习题及其解答 .. (67)第一章 刚体的受力分析及其平衡规律第一部分 例题及其解析1.下图(a)是一个三角支架，它由两根杆和三个销钉组成，销钉A 、C 将杆与墙 连接，销钉B 则将两杆连接在一起。
当AB 杆中央 置一重物时，试确定AB 杆两端的约束反力力线方 位（杆的自身质量不计）。
8 内压薄壁容器设计基础
储存液体的回转薄壳
圆筒形壳体 球形壳体
21
8 内压薄壁容器设计基础（续）
1、 受内压的圆筒形壳体 已知圆筒平均直径为 D，厚度为δ，试求圆筒上
任一点 A 处的经向应力和环向应力。
22
8 内压薄壁容器设计基础（续）
薄壁圆筒中各点的第一曲率半径和第二曲率半径
分别为 R1=∞；R2=R
将R1、R2代入薄膜应力理论计算公式得经向应力 与环向应力：
a/b＜2 时，σθ＞0 a/b ＝2 时，σθ＝0 a/b ＞2 时，σθ＜0 σθ<0，表明σθ为压应力；a/b值越大，即封头成型越浅，x=a 处的压应力越大。
31
8 内压薄壁容器设计基础（续）
32
8 内压薄壁容器设计基础（续）
（4）当a/b=2时，为标准型式的椭圆形封头。
在x=0处，
m
pa
椭圆曲线方程
x2 a2
y2 b2
1
27
8 内压薄壁容器设计基础（续）
推导思路：
椭圆曲线方程
式（8-1）（8-2）
R1和R2
, m
m
pR2
2
p
2
a4
x2 (a2
b2 )
1 2
b
（8-9）
（8-10）
p
2
a4
x2 (a2 b
b2 )
1 2
2
a4
a4 x2 (a2
b2
)
又称胡金伯格方程
② 壳体的边界处不受横向剪力、弯矩和转矩作用。
③ 壳体的边界处的约束沿经线的切线方向，不得限制边界处 的转角与挠度。
对很多实际问题：无力矩理论求解 ╬ 有力矩理论修正
20
第八章-塔设备的机械设计
Fi hi
i 1
对于等直径、等壁厚塔器的底截面 地震弯矩为：
M
00 E
16 35
1m0
gH
(N mm)
风载荷
风对塔体的作用之一是造成风弯矩，在迎风面的塔壁 和裙座体壁引起拉应力，背风面一侧引起压应力；作 用之二是气流在风的背向引起周期性旋涡，即卡曼涡 街，导致塔体在垂直于风的方向产生周期振动，这种 情况仅仅出现在H/D较大，风速较大时比较明显，一般 不予以考虑。
M
ii max
/
0.785Di2
S
e
2
式中M
ii max
maxM M
ii W
ii E
Me
25%M
ii W
M e
稳定条件：
组合轴向压应 力要满足：
ii m a x压
[ ]cr
KB
minK[ ]t
式中K——载荷组合系数，取K=1.2; B——见书p172。
4 塔体拉应力验算
依前述，假设一有效壁厚Se3。 计算σ1,σ2,σ3，并进行组合，满足如下强度条件：
m0 m01 m02 m03 m04 m05 ma me
(8-1)
塔设备在水压试验时的最大质量
mmax m01 m02 m03 m04 mw ma me (8-2)
塔设备在吊装时的最小质量
mmin m01 0.2m02 m03 m04 ma me (8-3)
地震载荷
(5)水压试验验算。
8.2 裙座设计
四个部分： 1.座体---承受并传
递塔体载荷。 2.基础环---将载荷
传递到基础上。 3.螺栓座---固定塔
于基础上。 4.管孔---人孔、排
气孔、引出管孔。
化工设备设计基础第8章内压薄壁圆筒与封头的强度设计
Sc pcDi
2[]t- pc
计算壁厚公式
考虑腐蚀裕量C2，得到圆筒的设计壁厚
Sd 2[p]ctD-i pc C2
设计壁厚公式
设计壁厚加上钢板厚度负偏差C1，再根据钢板标准规格向上圆整确定 选用钢板的厚度，即名义壁厚（Sn），即为图纸上标注厚度。
一、强度计算公式
1.圆筒强度计算公式的推导 1.2 无缝钢管作筒体（外径DO为基准）
内径为基准 外径为基准
内径为基准 外径为基准
一、强度计算公式
3.球形容器厚度计算及校核计算公式
3.1厚度计算公式
Sc
pcDi
4[]t -
p
计算壁厚
Sd 4[p]ctD i-pc C2
设计壁厚
3.2校核计算公式
t pcDi Se[]t
4S e
[pw]
4[]tSe
Di Se
已有设备强度校核
确定最大允许工作压 力
常温容器 中温容器 高温容器
[]
minnss
，b
nb
[]t
minnsst
，bt
nb
[]t
minnsst
， D t ， nt
nD nn
二、设计参数的确定
3.许用应力和安全系数
3.2安全系数
安全系数的影响因素： ①计算方法的准确性、可靠性和受力分析的的精确程度； ②材料的质量和制造的技术水平； ③ 容器的工作条件以及容器在生产中的重要性和危险性。
当
0
n
[]
二、强度理论及其相应的强度条件
复杂应力状态的强度条件，要解决两方面的问题： 一是根据应力状态确定主应力； 二是确定材料的许用应力。
内压薄壁容器的主应力：
化工机械基础-第08章 内压薄壁容器设计基础
化工设备机械 基础
例8-2回转壳体薄膜应力分析例题
例：有一圆筒形容器，两端为椭圆形封头， 已知圆筒的平均直径为D=2000mm厚度为 20mm,设计压力为2MPa，试确定：
(1)筒身上的经向应力和环向应力？ (2)如果椭圆封头的a/b分别为2、1.414和3， 封头厚度为20mm，分别确定封头的最大经向 应力和最大环向应力所在的位置。
d1
2
2 dl1
d2
2
0
pdl1dl2
m dl1dl2
1 R1
dl1dl2
1 R2
0
m p R1 R2
化工设备机械 基础
经推导，可得环向应力计算公式为：
m p R1 R2
R1: 该点的第一曲率半径，m
：环向应力，MPa
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化工设备机械 基础
薄膜理论适用范围
• 除了要求壳体较薄，还要满足如下条件： • 回转体轴对称，壁面厚度无突变。曲率半径连
n
锥截面
中间面
M
横截面
壁厚在那个截面量取？
Page5
化工设备机械 基础
➢ 三个曲率半径
1) 第一曲率半径：中间面上任一点经线 的曲率半径。R1=MK1(K1点在法线上)
2) 第二曲率半径：通过经线上M点的法 线作垂直于经线的平面，其与中间面相 交得到一平面曲线EM，此曲线在M点 处的曲率半径.R2=MK2(K2点是法线与 回转轴的交点)
1) 直法线假设：壳体在变形前垂直于中间面的直 线段，在变形后仍保持直线段并垂直于变形后的 中间面，且直线段长度不变。
2) 互不挤压假设：壳体各层纤维变形后均互不挤 压。
忽略弯矩作用，对于薄壁壳体，计算结果足够精 确。（无力矩理论）
化工设备机械基础 第八章
M
课本第106页
8.1 回转壳体的几何特性
二. 基本假设
1) 直法线假设：壳体在变形前垂直于中 间面的直线段，在变形后仍保持直线段 并垂直于变形后的中间面，且直线段长 度不变。 2) 互不挤压假设：壳体各层纤维变形后 均互不挤压。
R1=∞ R2= R3=D/2
R1=∞ R2= r/cosα R3=r
课本第107页
8.2
回转壳体的薄膜应力分析
1）经向应力计算公式结果
2）环向应力计算公式
课本第109页
8.2 回转壳体的薄膜应力分析
2.轴对称回转壳体薄膜理论的应用范围
1)回转壳体曲面在几何上是轴对称的、壳体 厚度无突变；曲率半径连续变化，材料均匀 连续且各向同性； 2)载荷在壳体曲面的分布是轴对称和连续的； 3)壳体边界是自由的； 4)壳体在边界上无横向剪何特性
纵截面
横截面
锥截面
一. 基本概念(四线三平面三半径） 1）纵截面：用通过回轴线的平面截得到的壳体截面 2）锥截面：用与壳体正交的圆锥面截取得到的壳体 截面 3）横截面：用与轴线垂直的平面截得到的壳体截面
课本第105页
8.1 回转壳体的几何特性
经线AB ' AB''
第八章
回 转 壳 体 的 几 何 特 性
母线 经线 法线 纬线 纵截面 横截面 锥截面
R1=MK1(K1点在法线上)
R2=MK2(K2点是法线与回转轴的交点) R3=MK3(K3点是平行圆圆心)
第八章
薄 膜 应 力 计 算 公 式
法线n 一. 基本概念(四线三平面三半径） 纬线
1）母线：形成中间面的平面曲线AB。 母线AB 2）经线：通过回转轴作任一纵截面，其与壳体曲 面相交所得到的交线AB'，AB'' 。 3）法线：通过经线上任意一点垂直于中间面的直 线n，称为中间面在该点的法线。 4）纬线：过N点作圆锥面与壳体中间面正交，所 得的交线是一个圆，称为回转曲面的纬线。
化工机械设备基础
第一章刚体的受力分析及平衡规律一、基本概念1、刚体：在任何情况下都不发生变形的物体。
约束：限制非自由体运动的物体。
（三种约束）二、力的基本性质三、二力平衡定律三力平衡定理三力平衡定理：如果一物体受三个力作用而处于平衡时，若其中两个力的作用线相交于一点，则第三个力的作用线必交于同一点。
四、平面汇交力系、平面一般体系五、力的平移定理力的平移定理:作用在刚体上的力可以平移到刚体内任意指定点，要使原力对刚体的作用效果不变，必须同时附加一个力偶，此附加力偶的力偶矩等于原力对新作用点的力矩，转向取决于原力绕新作用点的旋转方向。
第二章金属的力学性质⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧===∑∑∑omYX一基本概念弹性模量：材料抵抗弹性变形的能力拉伸试件的横向线应变与纵向线应变之比的绝对值。
线应变：反应杆的变形程度，杆的相对伸长值。
蠕变：金属试件在高温下承受某已固定的应力时，试件会随着时间的延续而不断发生缓慢增长的塑性形变。
应力松弛：总变形量保持不变，初始的弹性变形随时间的推移逐渐转化为塑性变形并引起构件内应力减小的现象二拉伸曲线(重要，看书！！！)第四章直梁的弯曲中性层：梁内纵向长度既没有伸长也没有缩短的纤维层。
中性轴：中性层与横截面的交线。
剪力与弯矩的计算剪力：抵抗该截面一侧所有外力对该截面的剪切作用，大小应该等于该截面一侧所有横向外力之和。
弯矩：抵抗该截面一侧所有外力使该截面绕其中性轴转动，大小应等于该截面一侧所有外力对该截面中性轴取距之和。
εεμ'=μεε-='泊松比横向线应变剪力的符号约定计算剪力的法则：梁的任一横截面上的剪力等于该截面一侧所有横向外力的代数和；截面左侧向上的外力和截面右侧向下的外力取正值，截面左侧向下的外力和截面右侧向上的外力取负值。
据此法则：截面左侧 Q 左=R A －P 1截面右侧 Q 右=P 2 + P 3 －R B弯矩的符号约定计算弯矩法则：梁在外力作用下，其任意指定截面上的弯矩等于该截面一侧所有外力对该截面中性轴取矩的代数和；凡是向上的外力，其矩取正；向下的外力，其矩取负值。
9第八章、压力容器安全管理
2020/8/2
桂林市压力容器作业人员培训 编制：达（ 版权所有，严禁传播） 16
第一节、安全管理体系及其工作职责（例题）
• 例：未定期检验或检验不合格的压力容器，应经使用单位 负责人同意，可短期运行。
• （X） • 例：压力容器如运行状况良好，经使用单位负责人同意可
延期检验。 • （X） • 例：压力容器内如果是易燃介质，不应采用空气置换。 • （X） • 例：易燃介质的压力容器在检验或检修前应先用空气进行
使用管理：
加强在用压力容器安全管理的意义主要有：A、 确保设备安全运行,减少或防止事故发生，保障生 命和财产安全；B、延长设备使用寿命；C、提高 企业经济效益
实线证明：压力容器使用环节是事故多发环节， 使用环节事故得到控制，整个压力容器的事故就 会得到有效控制。
压力容器的使用是设计、制造、安装、检验、修 理、改造环节的中心环节。
• 例：对存在严重事故隐患、无改造维修价值的压力容器应办理判废手 续。
• （X） • 例：压力容器均应由产权单位向登记机关办理使用登记证。 • （X） • 例：固定式压力容器的年度检查可由使用单位安全管理人员与操作人
员进行。 • （X） • 例：压力容器的维修、改造单位可由企业组织专业人员进行。 • （X） • 例：压力容器维修、改造只要改造、维修单位有许可证即可从事所有
2020/8/2
编制：达（ 版权所有，严禁传播）
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第二节、压力容器的安全操作（例题）
• 例：压力容器内部有压力时，不应进行任何维修。 • （X） • 例：进入压力容器内检验照明用电不超过24V。 • （V） • 例：进入压力容器内检验时，可以直接用220V以下照明电
源。 • （X） • 例：压力容器操作人员一般应做到持证操作压力容器。 • （X） • 例：液化石油气储罐在夏季高温时，应做好喷淋降温工作
设计参数的确定.
就必须考虑腐蚀所需要的厚度，即腐蚀裕量C2 。
将 C1 与C2 之和称为壁厚附加量C。 将δ与C2 之和称为设计厚度δd，即
第二节 内压容器筒体与封头厚度的计算
化 工 设 备 机 械 基 础 化 工 学 院
一、内压圆筒的五种壁厚及其确定方法 2、圆筒的设计壁厚δd（又称设计厚度）
腐蚀裕量C2根据各种钢材在不同介质中的腐蚀速 度和容器设计寿命确定。
强度条件
最大允许工作压力
第二节 内压容器筒体与封头厚度的计算
化 工 设 备 机 械 基 础 化 工 学 院
5．最小厚度δmin
壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度δmin 按下述方法确定：
a 对于碳素钢和低合金钢制容器：δmin 不小于3mm ；
b 对于高合金钢制容器：δmin 不小于2mm。
第二节 内压容器筒体与封头厚度的计算
化 工 设 备 机 械 基 础 化 工 学 院
5．最小厚度δmin 当筒体的计算厚度δ<δmin时，应取δmin作 为计算厚度，这时筒体的名义厚度δn可视为 以下两种不同情况分别计算： (1)当δmin－δ>C1时
(2)当δmin－δ<C1时
各厚度间的关系
化 工 设 备 机 械 基 础 化 工 学 院
焊接接头结构 无损探伤长度比例 100% 1.0 0.9 局部 0.85 0.8
化 双面焊或相当于双面焊的 工 全焊透对接焊缝 学 院 带垫板单面焊的
对接焊接接头
第二节 内压容器筒体与封头厚度的计算
化 工 设 备 机 械 基 础 化 工 学 院
一、内压圆筒的五种壁厚及其确定方法
1、理论计算壁厚δ（又称计算厚度） ——安全承受压力为p的介质，圆筒所需的最小理论
第八章内压容器案例
（4 ）对间歇操作的设备，若器内介质的温度和压力随反应和操作程序进 行周期性变化时，应按最苛刻的但却属于同一时刻的温度与压力作为设定 设计温度与设计压力的依据。
8.1 设计参数的确定
四、计算压力pc
计算压力pc：在相应设计温度下，用以确定元件厚度的 压力，其中包括液柱静压力。 当元件所承受的液体静压力小于5%设计压力时，可忽 略不计。
8.1 设计参数的确定
常见的焊接形式：
搭接焊
角接焊
对接焊
8.1 设计参数的确定
常见的对接焊焊缝结构：
U型坡口（焊前）
U型坡口（焊后）
V型坡口（焊前）
V型坡口（焊后）
X型坡口（焊前）
X型坡口（焊后）
8.1 设计参数的确定
焊接后常出现：
① 缺陷，夹渣，未焊透，晶粒粗大等，在外观看不出 来； ② 熔池内金属从熔化到凝固的过程受到熔池外金属的 刚性约束，内应力很大。 焊缝区强度比较薄弱
2. 设计厚度（δd）
设计厚度（ δd ）：计算厚度与腐蚀裕量C2之和
d＝ C2
C2：腐蚀裕量，容器元件由于腐蚀或机械磨损而导致 厚度变薄，在设计壁厚时要考虑容器使用寿命期内的安 全性。 C n (mm)
2
λ：腐蚀速率（mm/a），由材料手册或实验确定。 一般情况，λ=0.05～0.13mm/a，轻微腐蚀时，单面 腐蚀C2=1～2mm，双面腐蚀C2=2～4mm，对于不锈钢， 一般C2=0。
n：容器的设计寿命，通常为10～15年。
8.2 内压容器筒体和封头厚度的计算
3. 名义厚度（δn）
名义壁厚 δn：设计厚度加上钢材厚度负偏差C1后向 上圆整至钢材标准规格的厚度，即为名义厚度。
n d C1
8.1 设计参数的确定
四、计算压力pc
计算压力pc：在相应设计温度下，用以确定元件厚度的 压力，其中包括液柱静压力。 当元件所承受的液体静压力小于5%设计压力时，可忽 略不计。
8.1 设计参数的确定
常见的焊接形式：
搭接焊
角接焊
对接焊
8.1 设计参数的确定
常见的对接焊焊缝结构：
U型坡口（焊前）
U型坡口（焊后）
V型坡口（焊前）
V型坡口（焊后）
X型坡口（焊前）
X型坡口（焊后）
8.1 设计参数的确定
焊接后常出现：
① 缺陷，夹渣，未焊透，晶粒粗大等，在外观看不出 来； ② 熔池内金属从熔化到凝固的过程受到熔池外金属的 刚性约束，内应力很大。 焊缝区强度比较薄弱
2. 设计厚度（δd）
设计厚度（ δd ）：计算厚度与腐蚀裕量C2之和
d＝ C2
C2：腐蚀裕量，容器元件由于腐蚀或机械磨损而导致 厚度变薄，在设计壁厚时要考虑容器使用寿命期内的安 全性。 C n (mm)
2
λ：腐蚀速率（mm/a），由材料手册或实验确定。 一般情况，λ=0.05～0.13mm/a，轻微腐蚀时，单面 腐蚀C2=1～2mm，双面腐蚀C2=2～4mm，对于不锈钢， 一般C2=0。
n：容器的设计寿命，通常为10～15年。
8.2 内压容器筒体和封头厚度的计算
3. 名义厚度（δn）
名义壁厚 δn：设计厚度加上钢材厚度负偏差C1后向 上圆整至钢材标准规格的厚度，即为名义厚度。
n d C1
第八章 内压容器
23
焊接缺陷
24
为综合考虑筒体强度， 设计公式中将钢板母材的许 用应力乘以φ（δ1）。
[⌠]
[⌠] × φ
25
六、厚度附加量C
满足强度要求除计算厚度之外，额外增加的厚度， 满足强度要求除计算厚度之外，额外增加的厚度， 包括钢板负偏差(或钢管负偏差) 包括钢板负偏差(或钢管负偏差) C1、腐蚀裕量 C2 即 C＝ C1十 C2 C1 钢板厚度负偏差 1、按教材P173表8-11选取 按教材 表 选取 2、当钢材的厚度负偏差不大于 、当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名 ， 义厚度的6%时 负偏差可以忽略不计。 义厚度的 时，负偏差可以忽略不计。 C2 腐蚀裕量 为防止容器元件由于腐蚀、 为防止容器元件由于腐蚀、机械磨损 而导致厚度削弱减薄， 而导致厚度削弱减薄，应考虑腐蚀裕 量。
4
§8-1 、设计参数的确定
一、容器的直径
考虑到压制封头胎具的规格及标准件配套选用的需 要，容器筒体和封头的直径都有规定，不能任意取值
对于用钢板卷焊的筒体，以内经作为公称直径。 其系列值列于P164 表8-1
对于无缝钢管制作的筒体，以外径作为公称直径 其系列值列于P164 表8-2
5
容器内径
Di
ns
nn n D
在ＧＢ150《钢制压力容器》中，对钢板、锻件、紧固件均规 定了材料的许用应力，本书Ｐ１６６－１７０摘编了部分 钢板的许用应力，发现对于不同材质、不同厚度的钢板， 其许用应力值是随着温度的升高而下降的。
19
（2）安全系数 ） 安全系数是一个不断发生变化的参数。 安全系数是一个不断发生变化的参数。 随着科技发展，安全系数将逐渐变小。 随着科技发展，安全系数将逐渐变小。
设计时应将工艺计算初步确定的内径调整至规定之DN。
焊接缺陷
24
为综合考虑筒体强度， 设计公式中将钢板母材的许 用应力乘以φ（δ1）。
[⌠]
[⌠] × φ
25
六、厚度附加量C
满足强度要求除计算厚度之外，额外增加的厚度， 满足强度要求除计算厚度之外，额外增加的厚度， 包括钢板负偏差(或钢管负偏差) 包括钢板负偏差(或钢管负偏差) C1、腐蚀裕量 C2 即 C＝ C1十 C2 C1 钢板厚度负偏差 1、按教材P173表8-11选取 按教材 表 选取 2、当钢材的厚度负偏差不大于 、当钢材的厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名 ， 义厚度的6%时 负偏差可以忽略不计。 义厚度的 时，负偏差可以忽略不计。 C2 腐蚀裕量 为防止容器元件由于腐蚀、 为防止容器元件由于腐蚀、机械磨损 而导致厚度削弱减薄， 而导致厚度削弱减薄，应考虑腐蚀裕 量。
4
§8-1 、设计参数的确定
一、容器的直径
考虑到压制封头胎具的规格及标准件配套选用的需 要，容器筒体和封头的直径都有规定，不能任意取值
对于用钢板卷焊的筒体，以内经作为公称直径。 其系列值列于P164 表8-1
对于无缝钢管制作的筒体，以外径作为公称直径 其系列值列于P164 表8-2
5
容器内径
Di
ns
nn n D
在ＧＢ150《钢制压力容器》中，对钢板、锻件、紧固件均规 定了材料的许用应力，本书Ｐ１６６－１７０摘编了部分 钢板的许用应力，发现对于不同材质、不同厚度的钢板， 其许用应力值是随着温度的升高而下降的。
19
（2）安全系数 ） 安全系数是一个不断发生变化的参数。 安全系数是一个不断发生变化的参数。 随着科技发展，安全系数将逐渐变小。 随着科技发展，安全系数将逐渐变小。
设计时应将工艺计算初步确定的内径调整至规定之DN。
化工设备机械基础
化工设备机械基础期末复习题型：1、判断题2、解释题3、填空题4、简答题5、计算题6、论述题一、重要的定理、原理、准则1、力的平行四边形法则或三角形法则：作用于同一点的两个力可以合成为一个合力，合力的大小和方向是以这两个力为邻边的平行四边形的对角线矢量，其作用点不变。
也即：合力等于两分力的矢量和。
圆轴扭转时的强度条件虎克定理：纯弯曲时梁横截面上任一点的正应力与该点到中性轴的距离成正比，距中性轴同一高度上各点的正应力相等。
适用条件：1.材料是均匀的，各向同性的：厚度无突变，材料物理性能相同；2.轴对称——几何轴对称，材料轴对称，载荷轴对称，支撑轴对称；3.连续——几何连续，载荷（支撑）分布连续，材料连续。
4.壳体边界力在壳体曲面的切平面内：无横向剪力和弯距作用，自由支撑等；5. δ/DI ≤0.1 (薄壁容器)压力容器强度设计步骤6-7计算法则与符号规定轴力的计算法则：受轴向外力作用的直杆，其任意截面上的轴力，在数值上等于该截面一侧所有轴向外力的代数和。
背向该截面的外力取正值，指向该截面的外力取负值。
轴力正负号：拉为正压为负剪力的计算法则：任一横截面上的剪力在数值上等于该截面一侧所有横向外力的代数和（取其绝对值）。
弯矩的计算法则：任一截面上的弯矩，等于该截面一侧所有外力对该截面中性轴取矩的代数和。
其中向上的外力，其矩为正；向下的外力，其矩为负。
化工设备材料选择要考虑哪些因素？设备的操作条件——压力、温度、介质特性、操作特点；材料的使用性能——力学性能、物理性能、化学性能；加工工艺性能——焊接性能、热处理性能、冷弯性能及其他冷热加工性能；经济合理性及设备结构——材料价格、制造费用和使用寿命。
碳钢与铸铁钢铁的组成 = 95%以上铁+（0.05 -- 4%）碳+1%杂质——铁碳合金含碳量0.02~2% 为钢；含碳量＞2% 为铸铁；含碳量＜0.02% 为工业纯铁；含碳量＞ 4.3% 无实用价值。
钢号表示法例：优质碳素钢——08F 20 R低合金钢——16MnR 16——含碳量0.16%；M n——合金元素；R ——容器钢。
第8章 压力容器的故障与失效
• 盛装易于发生聚合反应的碳氢化合物的容 器，因容器内部分物料可能发生聚合作用 释放热量，使 容器内气体急剧升温而压力 升高。用于高分子聚合反应的高压釜有时 会因原料或催化剂使用不当或操 作失误， 使物料发生爆聚释放大量热能，而冷却装 置又无法迅速导热，因而发生超温，酿成 严重安全 事故。
• 2013 年 6 月四川泸沽铁矿发生的储气罐爆 破事故，事后分析空压机未带后冷却器、 油水分离器， 导致进入储气罐的压缩空气 温度超过 150℃（超温运行），储气罐内的 积炭层和机油在高温压缩空气作 用下自燃， 燃烧后产生大量气体，致使安全阀排放跟 不上，压力上升，超出储气罐的可承受压 力，使 其产生塑性变形，筒体胀粗减薄， 最后发生爆破，图 8.3 为事故后的储气罐照 片。
• 曾经在检验中碰到一台液化石油气储罐进 行水压试验，在压力表显示 0.4MPa 时， 声发射监控定 位出现大量事件信号，赶紧 停止升压查找原因，结果发现是压力表接 管堵塞，导致显示压力明显小于 实际压力， 经排污后压力迅速升至 1.0MPa，幸亏在进 行声发射检测监控，否则可能出现超压将 液化石 油气储罐打爆的事故。
8.1 压力容器常见故障
• 一般将压力容器出现与 预定生产工艺不同 的异常情况即认为发生故障，比较常见的 是超温、超压、异常变形、异常振动、异 常综合噪声、变形、泄漏、腐蚀、安全附 件损坏等。
• 当容器内的压力超过了它的实际承载极限，会造成容器破 裂或爆炸事故。如能有效地控制容器超 压，则可大大地减 少或杜绝这类事故的发生，保证容器的安全运行。 • 压力容器的超压，实际上是由于物料的流动或其能量处于 非平衡状态，使物料或能量(或二者) 在 容器内积累造成的。 从引起这种积累的途径上，可将超压分成物理超压和化学 超压两大类。物料的突 然积聚、物料受热膨胀、液化气体 受热蒸发、过热蒸汽蒸发、瞬时压力脉动等属于物理超压， 可燃汽体燃爆、粉尘燃爆、放热化学反应失控等属于化学 超压。 操作失误或控制阀失灵引起易引起物料突然积聚超 压，乙炔、氧气瓶在太阳下暴晒易受热膨胀超压，过热液 体突沸如锅炉即将烧干时突然加入冷水引起的蒸汽爆炸， 水击等瞬时脉动超压，液化石油 气受热蒸发导致储罐压力 升高等均为物理超压的实际例子；操作不当导致容器内可 燃气体、可燃粉尘 燃爆等化学超压爆炸也有实例。
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8.1 设计参数的确定
常见的焊接形式：
搭接焊
角接焊
对接焊
8.1 设计参数的确定
常见对接焊焊缝结构：
U型坡口（焊前）
U型坡口（焊后）
V型坡口（焊前）
V型坡口（焊后）
X型坡口（焊前）
X型坡口（焊后）
8.1 设计参数的确定
焊接后常出现：
① 缺陷，夹渣，未焊透，晶粒粗大等，在外观看不出 来； ② 熔池内金属从熔化到凝固的过程受到熔池外金属的 刚性约束，内应力很大。 焊缝区强度比较薄弱
8.1 设计参数的确定 二、工作压力和设计压力
设计压力p：在相应的设计温度下用以确定壳壁厚度 的压力，亦即标注在铭牌上的容器设计压力。设计压力 稍高于最大工作压力。
最大工作压力（pw）是指容器顶部在工作过程中可能 产生的最高压力（表压）。 使用安全阀时，设计压 力不小于安全阀的开启压 力pk，或取最大工作压力 的1.05～1.10倍；
计算压力=设计压力+液柱静压力(≥5%P时计入) 通常取计算压力pc=设计压力p
计算压力≥设计压力≥工作压力=容器顶部表压
计算时用计算压力，应用时用设计压力。
在检查管理上，以设计压力分类。
8.1 设计参数的确定
五、许用应力[σ]t
许用应力是以材料的各项强度数据为依据，合理选 择安全系数n得出的，即
[ ]
n
所需要考虑的强度指标主要有抗拉强度、屈服强度， 对于需要考虑蠕变的材料，强度指标还应有蠕变强度。
常用钢板与钢管的许用应力可从资料中直接查取（表 8-6，8-7，8-8，8-9）。
8.1 设计参数的确定
六、焊接接头系数j
容器上焊缝：
纵焊缝——A类焊缝 环焊缝——B类焊缝 纵向焊缝承受的应力比环向焊 缝大一倍，焊接接头系数主要针 对纵向焊缝。 环 焊 缝 纵 焊 缝
4、确定壳体（筒体、封头）壁厚——强度计算 5、选取标准件：法兰、支座、开孔附件等 6、绘制设备图纸 本章主要讨论中低压化工容器筒体与封头的强度计算 问题。
二、强度计算的内容
1.设计压力容器
根据化工生产工艺提出的条件，确定设计所需参数 （p，t，D），选定材料和结构型式，通过强度计算确 定容器筒体及封头壁厚。已经制定标准的受压元件，可 直接选取。
8.1 设计参数的确定
确定设计温度的方法：
（1）对类似设备实测；（2）传热计算； 不加热或不冷却的器壁，且壁外有保温，设计温度取 介质温度； 用水蒸气、热水或其它液体加热或冷却的器壁，设计 温度取加热（或冷却）介质的温度。
设计温度视不同情况设定：
（1）若不是通过容器器壁对介质间接加热，而是对蒸气直接加热，或用电 元件插入介质加热，或进入容器的介质已被加热，这时取介质的最高温度
8.1 设计参数的确定
三、设计温度t
设计温度t：指容器在正常工作情况下，设定的元件的 金属温度。 设计温度在容器设计中的作用： ①选择材料； ②确定许用应力。 设计温度不得低于容器工作时器壁金属可能达到的最 高温度。 如果容器器壁金属温度在0℃以下，则设计的设计温 度不能高于器壁金属可能达到的最低温度。
2.校核在用容器
（1）判定在一个检验周期内，或在剩余寿命期内，容 器是否还能在原设计条件下安全使用。对于已不能在 原设计条件下使用的容器，应通过强度计算，为容器 提出最高允许工作压力。 （2）如果容器针对某一使用条件需要判废，应为判废 提供依据。
8.1 设计参数的确定
8.1 设计参数的确定 一、容器直径
防爆片
容器
当容器内盛有液体物料时，若液体物料的静压力<最大 工作压力的5％，则在设计压力中可不计入液体静压力， 否则，须在设计压力中计入液体静压力。
8.1 设计参数的确定
小结：
（1）设计压力p应等于或略大于最大工作压力pw （2）装有安全阀时，应使 p≥ pk， p= (1.05～1.10) pw （3）装有爆破片时，应使p大于使用温度下的爆破压力， p= (1.15～1.75) pw （4）盛装液化气体的容器，需考虑液化气体的临界温度 tc≥50℃， p=50℃饱和蒸汽压（室温下可能液化） tc<50℃， p=最大填充量时50℃气体的压力
容器筒体和封头的直径都已经标准化（GB9019-88）， 不能随意取值。筒体与封头的公称直径要配套。 对于钢板卷焊的筒体，以内径作为它的公称直径（表 8-1）。 当用无缝钢管作筒体时，以外径作为它的公称直径 （表8-2）。 设计时，应将工艺计算初步确定的容器内径调整为符 合规定的公称直径。
8.1 设计参数的确定
安全阀
容器
8.1 设计参数的确定
使用爆破膜作安全装置时，设 计压力不得低于爆破片的设计爆 破压力上限，根据爆破膜片的型 式确定，一般取最大工作压力的 1.15～1.75倍作为设计压力。 盛装液化气容器—— 设计压力应 根据工作条件下可能达到的最高金 属温度确定（固定式容器，选最高 温度下该气体的饱和蒸汽压作为设 计压力）（表8-4，8-5）。
（4 ）对间歇操作的设备，若器内介质的温度和压力随反应和操作程序进 行周期性变化时，应按最苛刻的但却属于同一时刻的温度与压力作为设定 设计温度与设计压力的依据。
8.1 设计参数的确定
四、计算压力pc
计算压力pc：在相应设计温度下，用以确定元件厚度的 压力，其中包括液柱静压力。 当元件所承受的液体静压力小于5%设计压力时，可忽 略不计。
为设计温度。
（2 ）若容器内的介质是被热载体（或冷载体）通过容器器壁从外边间接 加热（或冷冻），取热载体的最高工作温度或冷载体最低工作温度为设计
温度。
（3 ）对无保温、置于室外（或无采暖厂房内）的容器，容器壳体的金属 温度可能低于或等于-20℃，因此要考虑环境温度的影响。这时容器的最低
设计温度可取该地区历年来的月平均最低气温的最低值。
第八章 内压容器
一、压力容器设计的内容
1、确定设计参数
p（设计压力）
t（设计温度——正常工作的情况下设定的元件金属 的温度）
DN（公称直径）
[σ]t（设计温度下的许用应力）
j （焊接接头系数）等
2、选择材料（讨论钢制化工容器）
压力低、按刚度设计的容器：尽量用低碳钢； 压力较高之大型容器：普通低合金钢。价格比碳钢高 20%，强度高30~60%； 介质腐蚀严重或产品纯度要求高：不锈钢； 深冷容器：铜及其合金。 3、确定结构形式