第五章高压容器设计

（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力
三向应力沿厚度的分布规律如图
1）周向应力 及轴向应力
为正值（拉应力），
径向应力为负值（压应力）
2）在数值上：
O
① 为所有应力中最大
② 内壁处
r p
外壁处
r 0
③ 沿壁厚均匀分
3）应力沿壁厚的不均匀程度与径比K值有关
z
r
R1 r R0
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
求解微分方程，得通解：
r
A
B r2
,
A
B r2
根据边界条件当r＝Ri时 r＝Ro时
带入求出A与B：
A Pi Ri2 Po Ro2 Ro2 Ri2
r pi
r po
B (Pi Po )Ri2 Ro2 Ro2 Ri2
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 内外压作用下厚壁圆筒的三向应力表达式如下：
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
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
r
w
dw
dr
w
dw dr
微元体的周向应变：
r
wd rd
rd
w r
对周向应变方程求导、变换可得：
d
dr
1 r
r
二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（三）物理方程 按广义虎克定律可表示为
r
1 E
r
z
1 E
r
z
整理以上方程组得：
r
d 2r dr 2
3 dr dr
0
二、厚壁圆筒的弹性应力分析
筒体和法兰可整段而出或 用螺纹连接，锻造容器的 质量较好,特别是和与焊 接性能较差的高强钢所制 作的超高压容器,受锻造 条件限制,一般直径为长 度不超过12米
一、结构设计及设计选型
（二）单层式 单层厚壁高压容器有种形式： 单层卷焊式：直径工序少，周期短效率高 单层瓦片式：生产效率比单层卷焊差，费工费时 无缝钢管式：效率高，周期短 以上三种形式被三方面因素制 1）厚壁材料来源 2）大型机械条件 3）纵向和环向深厚焊逢中缺陷检测
1 d
来自百度文库
2
P
w
r
d
Pr dr
1 d 2
P
Pr
d
物理方程
平衡方程
二、厚壁圆筒的弹性应力分析
受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力
（一）力平衡方程：
r
dr
r
dr d
r
r
d
2dr
sin
d 2
0
化简为：
r
r
dr dr
二、厚壁圆筒的弹性应力分析
（二）几何方程
当单元体两条圆弧边的径向位移分别为w和w+dw时
微元体的径向应变：
（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
筒体的结构形式
（一）整体锻造式：直径300～800mm，长度12m 优点：性能优良，缺点：加工费用高
（二）单层式:单层卷焊、单层瓦片和无缝钢管式。 优点：加工简单，缺点：材料设备受限制
（三）多层式：层板包扎式、热套式和绕板式 （四）绕带式：中国独创（浙大）
一、结构设计及设计选型
（一）整体锻造式 最早采用的筒体型式,
第五章 高压容器设计
第一节 概述 第二节 高压容器筒体的结构与强度设计 第三节 高压容器的 密封结构与设计计算 第四节 高压容器的主要零部件设计
第一节 概述
工程上：
10MPa<P设<100MPa 100MPa以上 一般属于三类容器
高压容器 超高压容器
本章专门介绍其特殊的结构和设计方法
第一节 概述
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。
一、结构设计及设计选型
（三）多层式 1）层板包扎式 特点：1.只需薄板，原材料供应方便
2.只需卷板机和包扎机 3.只需筒体应力分布 4.较单层安全 5.内筒可采用与筒体不同的结构 缺点：1.生产效率低 2.层板材料利用率低 3.层板间间隙较难控制 4.导热性差
一、结构设计及设计选型
（三）多层式 2)热套式 特点：1.生产效率高，层数少 2.材料来源广泛利用率高 3.焊缝质量容易保证 3)绕板式 特点：1.效率高 2.材料利用率高 3.机械化程度高
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、高压容器的结构特点
高压容器设计与制造技术发展的核心问题： 既要随着生产的发展能制造出大壁厚的容器 又要设法尽量减小壁厚以方便制造。
高压容器特点： 1 结构细长 2 采用平盖或球形封头 3 密封结构特殊多样 4 高压筒身限制开孔
三、高压容器的材料
筒体与封头的特殊要求：
1) 强度与韧性 为了提高材料强度以减少壁厚，一般采用 低合金钢，如16MnR、15MnVR和18MnMoNBR。 同时为了保证韧性，加入少量（<2%）Ni和Cr， 并控制P和S含量<0.004%
三、高压容器的材料
筒体与封头的特殊要求：
2) 制造工艺性能 具有良好的焊接性能 包括可焊性、吸气性、 抗热裂与冷裂倾向、 抗晶粒粗大倾向等、 具有良好的可锻性
三、高压容器的材料
筒体与封头的特殊要求：
3) 其他要求 耐腐蚀性 原材料检验要求较高
第二节 高压容器筒体的结构与强度设计
一、结构型式及设计选型 二、厚壁圆筒的弹性应力分析 三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析 四、高压筒体的失效及强度计算