压力容器设计

Pc Di 1.6 1800 12.83m m 2[ ]t PC 2 113 1.0 1.6
n C1 C 2 12.83 1.5 0.8
15.13 0.87 16m m
n C 2 min
厚壁圆筒
(
D0
e
20)
需同时考虑稳定性和强度
2.25 ) ( D / 0.0625 B （稳定性） 0 e [ P] min 2 0 (1 D0 ) （强度） D0 / e e
2[ ]t 0 min 其中： t 0.9 st 或0.9 0.2
液压试验
1、试验压力 [ ] pT 1.25 p ● 内压容器： [ ]t
●
外压容器和真空容器： pT 1.25 p
夹套容器：视内筒为内压或外压容器，分别按内压 或外压容器的试验压力公式确定试验压力；夹套按内 压容器确定试验压力。
●
* 需校核内筒在夹套液压试验压力下的稳定性，如不 满足稳定性要求，则需在夹套液压试验时，内筒内保 持一定的压力。
壁厚满足要求
韧性断裂
压力容器在载荷作用下，应力达到或接近材料 的强度极限而发生的断裂。 特点
断裂前发生较大的塑性变形，容器发生明显的鼓 胀，断口处厚度减薄，断裂时几乎不形成碎片。 失效原因 ① 容器厚度不够。 ② 压力过大。
返回
脆性断裂
（低应力脆断）
器壁中的应力远低于材料强度极限时发生的断裂。
特点
单层式圆筒的优点：不存在层间 松动等薄弱环节，能较好地保证 筒体的强度。 单层式圆筒的缺点：
1、单层厚壁圆筒对制造设备的要 求高。 2、材料的浪费大。
3、锻焊式圆筒存在较深的纵、环 焊缝，不便于焊接和检验。
层板包扎式
优点 （1）对加工设备的要求不高。 （2）压缩预应力可防止裂纹的扩展。 （3）内筒可采用不锈钢防腐。 （4）层板厚度薄，韧性好，不易发 生脆性断裂。
（2）整体绕制，无环焊缝。
（3）带层呈网状，不会整体裂开。 扁平钢带倾角错绕式 （4）扁平钢带成本低，绕制方便。
内压圆筒强度设计
单层内压圆筒
壁厚计算
pc Di t 2[ ] pc
pc 计算压力
焊接接头系数
适用范围： c 0.4 ]t p [
强度校核
工作应力
工作介质 压力和温度 设计要求 操作方式和要求 其它（材料、设计寿命 、腐蚀速率、保温条件 等）
§4-2 设计准则
强度失效 刚度失效 压力容器的失效形式 失稳失效 泄漏失效 交互失效
韧性断裂 脆性断裂 强度失效形式疲劳断裂 蠕变断裂 腐蚀断裂
设计压力的规定
1、容器上装有安全阀时
P=(1.05~1.10)PW 2、容器上装有爆破膜时 P=(1.15~1.30)PW 3、盛装液化气体的容器 设计压力取工作时可能达到的最高温度下 液化气体的饱和蒸气压
设计温度t
----容器在正常工作情况下设定元件的金属温度。 元件金属温度高于零度时，设计温度不得低于元 件可能达到的最高温度；
2、强度校核
pT ( Di e ) T 0.9 S ( 0.2 ) 2 e
注意 如果直立容器卧置进行液压试验，则在应力校 核时，PT 应加上容器立置充满水时的最大液柱 压力。
气压试验
1、气压试验
[ ] p 1.15 p ● 内压容器： T [ ]t
●
外压容器和真空容器： pT 1.15 p
元件金属温度低于零度时，设计温度不得高于元 件可能达到的最低温度。
钢板厚度负偏差
根据规定：当钢板厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名 义厚度的6%时，可取C1=0。所以在设计计算中，对于 GB6654-1996、GB3531-1996种的钢板（如20R、16MnR、 16MnDR等），均可取C1=0。
焊接接头系数
材料许用应力
强度极限值 [ ] 安全系数
安全系数
碳素钢、低合金钢及铁素体高合金钢： nb≥3.0 ns≥1.6 nD≥1.5 nn≥1.0 奥氏体高合金钢： nb≥3.0 ns≥1.5 nD≥1.5 nn≥1.0
压力试验
液压试验 耐压试验 压力试验 气压试验 气密性试验
压 力 容 器 设 计 的 基 本 步 骤
用户提出基本设计要求 ↓ 分析容器的工作条件，确定设计参数 ↓ 结构分析、初步选材 ↓ 选择合适的规范和标准 ↓ 应力分析和强度计算 ↓ 确定构件尺寸和材料 ↓ 绘制图纸，提供设计计算书和其它技术文件
设计条件
一般容器条件图 换热器条件图 设计条件图 塔器条件图 搅拌容器条件图
特点
① 在恒定载荷和低应力（应力低于屈服点）下 也会发生蠕变断裂。 ② 蠕变断裂前材料会由于蠕变变形而导致蠕变 损伤，使材料在性能上产生蠕变脆化。
③ 断裂前发生较大的塑性变形，具有韧性断裂 的特征；断裂时又具有脆性断裂的特征。
失效原因
高温蠕变
返回
腐蚀断裂
材料受到介质腐蚀（全面腐蚀或局部腐蚀），形成容器整 体厚度减薄或局部凹坑、裂纹等，从而造成容器的断裂。
1)
Ri ( K 1) Ri (e
2 s ( 2 s ) b
3nb
p
1)
多层圆筒壁厚
pc Di 2[ ]t pc
注意
i 0 t [ ] [ i ] i [ 0 ]t 0 n n
t
最小厚度
碳素钢、低合金钢制容器：δmin≥3mm
水压试验压力PT 1.25P [ ] 1.25 1.6 2.0 MPa t [ ]
PT gh 2.0 1000 9.8 4.5 106 2.044MPa
T
PT ( Di e ) 135.3MPa 0.9 s 211.5MPa 2 e
e pcr 2.2 E D 0
几 何 参 数 计 算 图
壁 厚 计 算 图
外压圆筒设计设计步骤：
薄壁圆筒
假设δn
(
D0
e
20)
计算δe
计算（D0/δe)和（L / D0)
几何参数计算图（A）
壁厚计算图（B） 验算PC≤[P]，若满足，则假设δn 合适，否则重新计算。
（2）纵焊缝少。 缺点：（1）绕板薄，不宜制造壁厚很大的容器。 缺点 （2）层间松动问题。
槽形绕带式
优点 （1）筒壁应力分布均匀且能承受一部分由内压 产生的轴向力。
（2）机械化程度高，材料利用率高。
缺点 （1）钢带成本高，公差要求严格。
（2）绕带时钢带要求严格啮合，否则无法贴紧。
特点
（1）机械化程度高，材料利用率高。
① 断口平齐，且与最大主应力方向垂直。 ② 容器断裂时可能裂成碎片飞出，往往引起严重 后果。 ③ 断裂前没有明显塑性变形，断裂时应力很低， 安全阀、爆破膜等安全附件不起作用，断裂具有 突发性。
失效原因
① 材料的脆性。 ② 材料中的裂纹、未焊透、夹渣等缺陷。
返回
疲劳断裂
在交变载荷作用下，由于材料中的裂纹扩展导致容器的断裂。
轴向受压圆筒:
E e cr 0.25 Ri
(m=4)
图算法
设计压力
1、真空容器 1.25( p 0 p i ) max 有安全装置时：p min
0.1MPa
设计参数 的规定
无安全装置时：p=0.1Mpa 2、带夹套的真空容器 p取真空容器的设计压力加上夹套压力
3、其它外压容器（包括带夹套的外压容器） p应不小于容器正常工作过程中可能出现的最大 内外压力差 即：p≥(p0-pi)max 注意：最大内外压差的取值
缺点 （1）包扎工序繁琐，费工费时，效率低。
（2）层板材料利用率低。3）层间松动问题。
整体多层包扎式
热套式
优点
（1）套合层数少，效率高，成本低。 （2）纵焊缝质量容易保证。
缺点
（1）只能套合短筒，筒节间深环焊缝多。 （2）要求准确的过盈量，对筒节的制造要求高。
绕板式
优点：（1）机械化程度高，操作简便，材料利用率高。 优点
注 ： Q235-A 材 料 的 许 用 应 力 [ σ]20=113MPa ， [σ]50=113MPa，屈服极限σS=235 Mpa 试确定罐体厚度并进行水压试验校核。
解：P 1.6MPa PL gh 1325 9.8 3.0 106 0.0390MPa 5% P 0.08MPa PC P 1.6MPa
特点
① 对于全面腐蚀和局部腐蚀，容器断裂前发 生明显的塑性变形，具有韧性断裂的特征。 ② 对于晶间腐蚀和应力腐蚀，断裂前无明显 塑性变形，具有脆性断裂的特征。
失效原因
介质腐蚀
返回
解析法
外压圆筒设计
图解法
短圆筒的临界压力
D0 pcr 2.59E L ( ) D0
长圆筒的临界压力
3
(
e
)
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2、强度校核
pT ( Di e ) T 0.8 S ( 0.2 ) 2 e
气密性试验
●
容器上没有安全泄放装置，气密性试验压力 PT=1.0P。
容器上设置了安全泄放装置，气密性试验压力应 低于安全阀的开启压力或爆破片的设计爆破压力。
●
通常取PT=1.0PW。
练习题
设 计 压 力 为 1 . 6 Mpa 的 储 液 罐 罐 体 ， 材 料 Q235-A， Di=1800mm， 罐 体 高 度 4 5 0 0 mm， 液 料 高 度 3 0 0 0 mm， C1=0.8mm，腐蚀裕量C2=1.5mm，焊缝系数φ=1.0，液体密 度为1325kg/m3，罐内最高工作温度50º 。 C 试计算罐体厚度并进行水压试验应力校核。
§4-3 常规设计

基于弹性失效设计准则
不连续应力的考虑
一、概述
二、圆筒设计
单层卷焊式 单层式整体锻造式 锻焊式 无缝钢管式 圆筒结构形式 多层包扎式 整体多层包扎式 组合式热套式 绕板式 槽形绕带 绕带式 扁平钢带倾角错绕式
高合金钢制容器：δmin≥2mm
设计参数的选取
设计压力p
1、设计压力由工艺条件确定，在设计过程中是一个 定值；工作压力在容器正常工作过程中可能变动，容 器顶部和底部的工作压力也可能不同。 2、要求设计压力不低于最大工作压力。 即：P≥ PW 3、PC= P+PL (当PL≤5% P时， PL可忽略不计)
pc ( Di e ) [ ]t 2 e
t
最大允许工作压力
2 e [ ]t [ pw ] Di e
pc 0.4 ]t 时（单层厚壁圆筒） [
按塑性失效设计准则：
Ri ( K 1) Ri (e
按爆破失效设计准则：
3ns 0 p 2 s
特点
① 断口上有贝纹状的疲劳裂纹。 ② 断裂时容器整体应力较低，断裂前无明显塑 性变形。 ③ 如果材料韧性较好，通过合理设计可实现 “未爆先漏”。
失效原因
① 交变载荷。 ② 疲劳裂纹。
返回
蠕变断裂
压力容器长时间在高温下受载，材料的蠕变变形会 随时间而增长，容器发生鼓胀变形，厚度明显减薄， 最终导致压力容器断裂。
压力容器失效判据
—判断压力容器是否失效
由力学分析得到力学分析结果
由实验测得失效数值
失效判据
压力容器设计准则
强度失效设计准则 刚度失效设计准则 压力容器设计准则 稳定失效设计准则 泄漏失效设计准则
弹性失效设计准则 塑性失效设计准则 爆破失效设计准则 强度失效设计准则 弹塑性失效设计准则 疲劳失效设计准则 蠕变失效设计准则 脆性断裂失效设计准则
第4章 压力容器设计

§4-1 概述
压力容器设计 基本要求
安全 经济
合理选取结构、 材料、参数等
合理选择设计方法
常规设计和分析设计结果比较
压力容器设计 基本内容
、检验等方面 结构设计 — 满足工艺、制造、使用 理、经济的结构形式。 的要求，设计简单、合 强度和刚度设计— 通过强度和刚度计算， 确定零 主要设计内容 适的材料。 部件结构尺寸，选择合 密封设计 — 选择或设计合理的密封 结构，选择合 适的密封材料。