压力容器设计基础
压力容器设计基础
压力容器设计基础压力容器设计基础一、基本概念压力容器的设计，就是根据给定的性能要求、工艺参数和操作条件，确定容器的结构型式，选择合适的材料，计算容器主要受压元件的尺寸，最后给出容器及其零部件的图纸，并提出相应的技术条件。
正确完整的设计应达到保证完成工艺生产。
正确完整的设计应达到保证完成工艺生产，运行安全可靠，保证使用寿命、制造、检验、安装、操作及维修方便易行，经济合理等要求。
压力容器设计中的关键问题是力学问题，即强度、刚度及稳定性问题。
在本节中，主要讨论压力容器设计中的有关强度问题。
所谓强度，就是结构在外载荷作用下，会不会因应力过大而发生破裂或由于过度性变形而丧失其功用。
具体来讲，就是在外载荷作用下，容器结构内产生的应力不大于材料的许用应力值，即：ζ≤K〔ζ〕t （1）这个式子就是强度问题的基本表达式。
压力容器的设计计算就是围绕这一关系式而进行的。
公式（1）中的左端项是结构内的应力，它是人们最为关心的问题。
求解结构的应力状态，它们的大小，是一个十分复杂的问题，常用的方法有解法（如弹性力学法、弹型性分析法等）、试验法（如电阻应变计测量法、光弹法、云纹法等）及数值解法（如有限元法、边界元法等）。
应用这些方法可以精确或近似地求出结构的应力，然而，每一种结构的应力都有其特殊性，目前可求解的只是问题的绝大部分，仍有许多复杂结构的应力分析有等人们进一步探讨。
求出结构内任一点的应力后，所遇到的问题就是怎样处理这些应力。
一点的应力状态最多可含有6个应力分量，哪个应力起主要作用，这些应力对失效起什么作用，对它们如何控制才不致发生破坏，解决这一问题，就要选择相应的强度理论计算当量应力，以便与单向拉伸试验得到的许用应力相比较，将应力控制在许可的范围内。
公式（1）中的右端项是强度控制指标，即材料的许用应力。
它涉及到材料强度指标（如抗拉强度ζb、屈服强度ζs 等）的确定及安全系数的选用等问题。
当采用常规设计法，且只考虑静载问题时，系数K=1.0；如果考虑动载荷，或采用应力分析设计法，K≥1.0，此时设计计算将更加复杂。
7.第七章 压力容器设计基础
1800 (1900) 2000 (2100) 2200 (2300) 2400 2500 2600 2800 3000 3200 3400 3500 3600 3800 4000 4200 4400 4500 4600 4800 5000 5200 5400 5500 5600 5800 6000
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。
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绕板式
优点：（1）机械化程度高，操作简便，材料利用率高 优点 （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。
17
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。 缺点 （2）机械化程度高，材料利用率高。 （1）钢带成本高，公差要求严格。
（1） 中压容器； （2） 毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器； （3） 易燃介质或毒性程度为中度危害介质的低压反应容器和 低压储存容器； （4） 低压管壳式余热锅炉； （5） 低压搪玻璃压力容器。
不在第三类、第二类压力容器之内的低压容器为第一类压力容器。
三类容器
二类容器
一类容器
介质毒性分 级 指 标 Ⅰ 极度危害
31
⑵公称压力
工作压力不同，相同公称直径的压力容器其筒体及其零部件
的尺寸也不同，标准零部件尺寸需按压力确定。
将承受的压力范围分为若干个标准压力等级，即公称压力。 表7-3 压力容器法兰与管法兰的公称压力PN 压力容器法 兰（MPa） 管法兰 （MPa） － 0.25 － 0.6 1.0 1.6 2.5 4.0 6.4
日本国家标准（JIS）；
德国压力容器规范（AD）。
新GB150 压力容器设计基础、总论
23
失效准则及设计理论基础
•压力容器设计理论基础
压力容器的结构部件应力状态的计算 GB150标准的计算方法 整体部件：薄膜无力矩理论；边缘区域总体上不考 虑（不排除个别区域的计及）。 JB4732标准的计算方法 整体部件：弹性力学的分析结果 ；局部区域采用应 力分析，或应力指数法。
6
设计管理与标准、法规的选用
压力容器设计依据
• GB150标准范围内的压力容器： 应依据GB150进行设计，并符合以GB150为基础标 准的相关标准的规定。当设计温度小于以钢材蠕变 控制其许用应力的相应温度时，还可选用JB4732标 准进行设计（单位和个人应具备相应资格）。当设 计的压力容器在《固容规》范围内时还必须符合 《容规》的规定。
s按Biblioteka 四强度理论的强度条件为2 1
2 2
2 3
1 2
2 3
1 3
[ ]
试验结果表明第四强度理论比第三强度理论与试验结果符合得更好。
22
失效准则及设计理论基础
•压力容器设计理论基础
压力容器的设计准则
GB150 常规设计： 弹性失效、第一强度理论；
JB4732 分析设计： 塑性或弹塑性失效、第三强度理论；
•压力容器相关法规体系构成 法律—行政法规—部门规章—安全技术规范—引用标准”五个层次。 第一层次：法律 根据宪法和立法法的规定，全国人民代表大会及其常委会制定法律。 如安全生产法、劳动法和已颁布的《特种设备安全法》。
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压力容器相关法规及标准体系构成
《中华人民共和国特种设备安全法》由中华人民共和国 第十二届全国人民代表大会常务委员会第3次会议于 2013年6月29日通过，2013年6月29日中华人民共和国主 席令第4号公布。《中华人民共和国特种设备安全法》 分总则，生产、经营、使用，检验、检测，监督管理， 事故应急救援与调查处理，法律责任，附则7章101条， 自2014年1月1日起施行。
压力容器基础知识
压力容器基础知识压力容器是用于存储各种气体、液体和气体-液体混合物的设备。
这些设备不仅需要承受不同介质的压力，还需要保证设备的密封性和耐腐蚀性能。
因此，压力容器的设计、制造、安装和维护都需要符合相关的标准和规范。
1. 压力容器的应用场景压力容器广泛应用于石油化工、核工业、制药、冶金、燃气等领域。
比如，在石油化工中，压力容器被用于储存石油、汽油等可燃液体。
在核工业中，压力容器被用于储存和运输放射性物质。
在制药中，压力容器被用于制造药品、医疗设备等。
2. 压力容器的设计原则压力容器的设计需要遵循以下原则：(1) 安全性和可靠性原则：设备应能承受其设计条件下的最大工作压力和温度，同时应考虑容器内介质的性质以及应力集中等因素。
(2) 容器材质选择原则：要根据介质的性质、使用条件和操作环境等因素来选择合适的材质。
(3) 规范性原则：设计要符合相关的标准和规范，如ASME、GB等标准。
(4) 可维护性原则：设计要考虑设备的可维护性和易检修性。
3. 压力容器的制造工艺压力容器通常需要使用高强度的钢材制造。
在制造过程中需要进行焊接、加工和检验等工艺。
压力容器的制造工艺需要注意以下问题：(1) 设备加工精度和工艺控制：保证制造误差在运行条件内范围并满足规定的偏差控制要求。
(2) 设备检验：确保制造设备的质量和设计要求一致，并符合相关标准和规范的要求。
(3) 设备安装：在安装过程中需要保证设备安装牢固，并且需遵守安全操作规范。
4. 常见的压力容器故障原因(1) 经常受到冲击或振动。
(2) 长期使用导致设备老化或疲劳。
(3) 腐蚀或受到化学侵蚀。
(4) 压力容器设计或制造过程存在缺陷。
(5) 不正常操作或使用不当。
总之，对于一些需要使用压力容器的行业和领域，人们必须要关注和遵守相关的标准和规范，才能确保设备的安全稳定运行。
压力容器设计基础讲义
压力容器设计基础讲义第一部分、压力容器设计基础知识第一章压力容器失效模式压力容器在载荷作用下丧失了正常的工作能力称为失效。
压力容器所考虑的失效模式主要为断裂、泄漏、过度变形和失稳。
压力容器失效常以三种形式表现出来：强度、刚度、稳定性。
压力容器建造标准中主要考虑的失效模式：1）短期失效模式：（1）脆性断裂（2）韧性断裂（3）超量变形引起的接头泄漏（4）超量局部应变引起的裂纹形成或韧性剪切（5）弹性、塑性或弹塑性失稳2）长期失效模式：（1）蠕变断裂（2）蠕变超量变形（3）蠕变失稳（4）冲蚀、腐蚀（5）环境助长开裂，如：应力腐蚀开裂3）循环失效（1）扩展性塑性变形（2）交替塑性（3）弹性应变疲劳或弹-塑性应变疲劳（4）环境助长疲劳，如：腐蚀疲劳第二章 GB150适用范围（1）适用的设计压力①对于钢制容器不大于35MPa；②其它金属材料制容器的设计压力适用范围按相应引用标准确定。
（2）适用的设计温度范围①设计温度范围：－269℃～900℃。
②钢制容器不得超过按GB 150.2 中列入材料的允许使用温度范围。
③其他金属材料制容器按本部分相应引用标准中列入的材料允许使用温度确定。
（3）下列各类容器不在标准的适用范围内：①设计压力低于0.1MPa且真空度低于0.02MPa的容器；②《移动式压力容器安全监察规程》管辖的容器；③旋转或往复运动机械设备中自成整体或作为部件的受压器室（如泵壳、压缩机外壳、涡轮机外壳、液压缸等）；④核能装置中存在中子辐射损伤失效风险的容器；⑤直接火焰加热的容器；⑥内直径（对非圆形截面，指截面内边界的最大几何尺寸，如：矩形为对角线，椭圆为长轴）小于150mm的容器；⑦搪玻璃容器和制冷空调行业中另有国家标准或行业标准的容器。
（4）对不能按 GB 150.3确定结构尺寸的容器或受压元件，允许采用以下方法进行设计:①按照附录C的规定，进行验证性实验分析（如实验应力分析、验证性液压试验）。
②按照附录D的规定，利用可比的已投入使用的结构进行对比经验设计。
压力容器--设计基础(一)
压力容器的强度与设计（江苏省压力容器检验员培训考核班专题讲座）董金善南京工业大学过程装备研究所第一节概述一、容器的结构在工厂中可以看到许多设备。
在这些设备中，有的用来储存物料，如各种储罐、计量罐；有的进行热量交换，如各种换热器、蒸发器、冷凝器、结晶器等；有的用来进行化学反应，如反应釜、聚合釜、发酵罐、合成塔等。
这些设备虽然尺寸大小不一，形状结构不同，内部构件的型式更是多种多样，但是它们都有一个外壳，这个外壳就叫作容器。
容器一般是由筒体（圆筒）、封头（端盖）、法兰、支座、接管、人孔（手孔）、视镜、安全附件等组成（图1）。
它们统称为压力容器通用零部件，常、低压压力容器通用零部件大都已有标准，设计时可直接选用。
图-1 容器的结构二、压力容器常用标准1.国务院《特种设备安全监察条例》(2003)2.国家质量技术监督局《压力容器安全技术监察规程》 (1999)3.国家质量监督检验检疫总局《特种设备行政许可工作程序》 (2003)4.国家质量监督检验检疫总局《特种设备行政许可实施办法》 (2003)5.国家质量监督检验检疫总局《特种设备行政许可分级实施范围》(2003)6.国家质量监督检验检疫总局《锅炉压力容器制造监督管理办法》(2003)7.国家质量监督检验检疫总局《锅炉压力容器制造许可工作程序》(2003)8.国家质量监督检验检疫总局《锅炉压力容器制造许可条件》 (2003)9.国家质量监督检验检疫总局《锅炉压力容器产品安全性能监督检验规则》 (2003)10.国家质量监督检验检疫总局《压力容器压力管道设计单位资格许可与管理规则》 (2002)11.G B150－1998《钢制压力容器》12.G B151－1999《管壳式换热器》13.J B/T4735－1997《钢制焊接常压容器》14.J B4710－1992《钢制塔式容器》15.J B4731－XXXX《钢制卧式容器》16.H G/T20569-1994《机械搅拌设备》17.G B12337－1998《钢制球形储罐》18.G B16749－1997《压力容器波形膨胀节》19.J B4732－1994《钢制压力容器－分析设计标准》20.H G20580－1998《钢制化工容器设计基础规定》21.H G20581－1998《钢制化工容器材料选用规定》22.H G20582－1998《钢制化工容器强度计算规定》23.H G20583－1998《钢制化工容器结构设计规定》24.H G20584－1998《钢制化工容器制造技术要求》25.H G20585－1998《钢制低温压力容器技术规定》26.H G20531－1993《铸钢、铸铁容器》27.J B/T4734－2002《铝制焊接容器》28.J B/T4745－2002《钛制焊接容器》29.G B/T15386－1994《空冷式换热器》30.G B16409－1996《板式换热器》31.H G/T2650－1995《钢制管式换热器》32.G B5842－1996《液化石油气钢瓶》33.J B/T4750－2003《制冷装置用压力容器》34.J B/T6539-1992《微型空气压缩机用钢制压力容器》35.J B8701－1998《制冷用板式换热器》36.J B/T4751－2003《螺旋板式换热器》37.G B18442－2001《低温绝热压力容器》38.G B12130－1995《医用高压氧舱》39.G B9019-1988《压力容器公称直径》40.J B/T4700～4707－2000《压力容器法兰》41.H G20592～20635－2009《钢制管法兰、垫片、紧固件》42.G B/T9112～9124－2000《钢制管法兰》43.J B/T74～90－1994《管路法兰及垫片》44.J B/T4746－2002《钢制压力容器用封头》45.J B/T4736－2002《补强圈》46.H GJ527－1990《补强管》47.J B/T4712－1992《鞍式支座》48.J B/T4713－2007《腿式支座》49.J B/T4724－1992《支承式支座》50.J B/T4725－1992《耳式支座》51.G B16749－1997《波形膨胀节》52.H G501～502－1986《压力容器视镜》53.H G21588～21591－1995《玻璃板液面计》54.H G21592－95《玻璃管液面计》55.H G/T21584－95《磁性液面计》56.H G21514～21527－1995《碳钢、低合金钢人孔》57.H G21528～21535－1995《碳钢、低合金钢人孔》58.H GJ504～509－1986《不锈钢人孔》59.H GJ510～513－1986《不锈钢手孔》60.H G21537－1992《填料箱》61.H G21571～21572－1995《机械密封》62.H G21563～21569－1995《搅拌传动装置》63.H G5－220～222－1965《搅拌器》64.H G/T21574－1994《设备吊耳》65.G B41－1986《I型六角螺母－C级》66.G B6170－1986《I型六角螺母－A和B级》67.G B5780－1986《六角头螺栓－C级》68.G B5782－1986《六角头螺栓－A和B级》69.J B/T4714－1992《浮头式换热器和冷凝器型式与基本参数》70.J B/T4715－1992《固定管板式换热器型式与基本参数》71.J B/T4716－1992《立式热虹吸式重沸器型式与基本参数》72.J B/T4717－1992《U型管式换热器型式与基本参数》73.H G21503－1992《钢制固定式薄管板列管换热器》74.G B567－1989《拱形金属爆破片形式与参数》75.G B/T14566－93《正形金属爆破片形式与参数》76.G B/T14567-93《反形金属爆破片形式与参数》77.G B/T14568－93《开缝形金属爆破片形式与参数》78.H G/T20668－2000《化工设备设计文件编制规定》79.T CED41002-2000《化工设备图样技术要求》80.G B6654－1996《压力容器用钢板》81.G B713－1986《锅炉用碳素钢和低合金钢板》82.G B3531－1996《低温压力容器用低合金钢钢板》83.G B4237－1992《不锈钢热轧钢板》84.G B8165－1987《不锈钢复合钢板》85.G B8163－1999《输送流体用无缝钢管》86.G B9948－1988《石油裂化用无缝钢管》87.G B6479－1986《化肥设备用高压无缝钢管》88.G B5310－1995《高压锅炉用无缝钢管》89.G B/T14976－94《流体输送不锈钢无缝钢管》90.G B13296－91《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》91.J B4726－2000《压力容器用碳素钢和低合金钢锻件》92.J B4727－2000《低温压力容器用碳素钢和低合金钢锻件》93.J B4728－2000《压力容器不锈钢锻件》94.G B/T983－1995《不锈钢焊条》95.G B/T5117－1995《碳钢焊条》96.G B/T5118－1995《低合金钢焊条》97.G B5293－1985《碳素钢埋弧焊用焊剂》98.G B12470－1990《低合金钢埋弧焊用焊剂》99.G B/T14957－1994《熔化焊用钢丝》100.GB/T14958－1994《气体保护焊用钢丝》101.GB/T8110－1995《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》102.JB/T2835－1979《低温钢焊条》103.JB4708－2000《钢制压力容器焊接工艺评定》104.JB/T4709－2000《钢制压力容器焊接规程》105.JB4730-1994《压力容器无损检测》106.JB/T4711－2003《压力容器涂敷与运输包装》107.JB/T613－1993《锅炉受压元件焊接技术条件》108.HG20660－2000《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类》109.GB/T18182－2000《金属压力容器声发射检测及结果评价方法》三、压力容器许可证1. 锅炉制造许可证3. 压力容器设计许可证注：①锅炉设计图纸由省级交由被核准的检验检测机构鉴定；②气瓶（B类）、氧舱设计图纸由总局核准的检验检测机构鉴定；③客运索道、大型友游乐设施设计图纸由总局核准的检验检测机构鉴定。
压力容器设计基础知识培训
1、总论-GB150适用范围
适用的压力范围：
钢制容器适用于设计压力不大于35MPa，不低于0.1MPa及真空度 高于0.02MPa 。特殊材质容器的设计压力按相应标准。
真空容器 常压容器
1、总论-设计参数
对于设计图纸中注明最高允许工作压力的压力容器，允许超压泄放装置的整定 压力高于设计压力，但不高于该压力容器的最高允许工作压力。
容器最大允许工作压力一般大于设计压力，当设计文件未注明最大允许工作压 力时，则设计压力视为其最大允许工作压力，计算采用的厚度应为有效厚度减 去除压力外的其它载荷（如风弯矩、地震载荷）等，以及开孔补强所需厚度的 厚度的计算值，并应减去液注静压力。最大允许工作压力计算麻烦，需要进行 全面强度校核（法兰、补强、外压、局部不连续等）
3）其他金属材料制容器按相应规范所列材料的的允许使用温度范围。
第1条款说明了本标准涵盖的所有容器设计温度范围为-269℃∽900℃ ，其 下限值269℃对应于铝的极限使用（设计）温度，上限值900℃对应于镍合 金的极限使用（设计）温度。
第2条GB/T150.2所列钢材使用温度范围不含有色金属。其中奥氏体不锈
2）设计压力必须与相应的设计温度作为设计条件，且还应考虑容器在运行中可 能出现的各种工况，并以最苛刻的工作压力与相应的温度的组合工况，确定设 计压力。
3）盛装液化石油气和液化气的容器的设计压力， 1）无安全装置时，设计压力应不低于安全阀开启压力的1.05倍工作压力， 2）装有安全装置时设计压力应不低于安全阀的开启压力（开启压力取工作
压力容器设计基 础知识培训
技术中心 郝世荣
压力容器设计基础
3
设计基础
——概论
在压力容器建造的初期，产品建造的目的为满足本国相应工业的 需求，压力容器的生产技术也是以本国的基本生产条件为基础。
生产技术的总结和统一安全质量的要求，使得国家依据自己的生 产技术和管理要求制订出了适合于本国国情的相应安全法规和技 术标准体系。
安全法规和技术标准水平的先进性如何，应体现在安全法规和技 术标准是否能有效地保证压力容器产品的安全性和经济合理性， 是否体现了代表时代的技术手段的应用，是否能推动行业的技术 进步。
4
设计基础
——概论
随着全球经济一体化的逐步发展，承压设备法规和标准的国际化趋势已 经越来越明显。
欧洲议会于1997年5月正式批准了统一的压力设备指令（Pressure Equipment Directive）, 于2002年5月在欧盟内强制执行。
欧洲标准化委员会（CEN）现正在采取积极行动，试图将现有的欧洲标 准上升为国际标准。
-
0.50
无塞焊的单面满角搭接焊（L—3）
-
-
0.45
注: 1)有关系数所允许的应用场合和具体接头型式, 请参见文献[1]、[2]。
Байду номын сангаас
2）美国为射线检测程度。
23
一、压力容器技术进展 结构设计
现代的压力容器结构设计正在逐 步摆脱传统观念的束缚，体现真 正满足工艺要求的设计理念，追 求实效性、安全性和经济性的和 谐统一。
28
一、压力容器技术进展
安全系数的降低
降低安全系数的前提条件是：
l 结构分析设计水平的提高； l 制造经验的积累和制造技术水平的提高； l 更严格的材料技术要求； l 更科学的质量保证体系。
压力容器设计基础知识培训PPT课件
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1、总论—压力容器设计寿命主要考虑因素
压力容器设计寿命主要考虑因素：
需要时，还需考虑 GB150.1中4.3.2其他
载荷
δc 计算厚度，由计算公式得到，保证容器强度，刚度和稳定的厚 度
δd 设计厚度，δd =δc +C2（腐蚀裕量）保证规定使用寿命所需厚
度
δn 名义厚度，δn =δd +C1（钢材负偏差）+△（圆整量） δe 有效厚度，δe=δn-C1-C2=δc+△ （决定元件的承载能力） δmin 设计要求的成形后最小厚度，δmin≥δn-C1 （GB150 4.3.7壳体加工成形后最小厚度是为了满足安装、运输 中 刚 度 而 定 ； 而 δmin是 保 证 正 常 工 况 下 强 度 、 刚 度 、 寿 命 要 求 而
锈钢的最低使用温度为-253℃（对应液氢设计温度），S31008最高使用温度 为800℃，部分奥氏体不锈钢最高使用温度为700℃。
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1、总论-GB150适用范围
适用的压力范围：
钢制容器适用于设计压力不大于35MPa，不低于0.1MPa 及真空度高于0.02MPa 。特殊材质容器的设计压力按相应 标准。
对“成型后的最小厚 度” 。
一般图样上封头应标注名义厚度（最小成形厚度），标注最小成形厚度可 避免制造厂为保证“名义厚度减负偏差”选购材料厚度二次圆整导致材料浪费 。
成形封头实测的最小厚度不得小于封头名义厚度减去钢板厚度负偏差C1,但 当设计图样标注了封头成形后的最小厚度，实测最小厚度不小于图样标注的最 小成形厚度。
压力容器设计基础知识-精
腐蚀裕量的选取原则：
1） 根据腐蚀程度不同，可选取不同的腐蚀裕量。
2）介质为压缩空气、水蒸气或水的碳素钢或低合金钢容 器，腐蚀裕量不小于1mm。
3）对于不锈钢容器，当介质腐蚀性极微时，腐蚀裕量=0
4）难以确定时，按表1-11选取。
6、压力容器的公称压力、公称直径： 便于设计和成批生产 压力容器零部件标准化的基本参数是公称压
强度计算：
内容包括选择容器的材料，确定主要尺寸，满 足强度、刚度和稳定性的要求，以确保容器安全可 靠地运行。
（二）设计方法
常规设计：又称规则设计，依据“GB150《钢制压 力容器》”国家标准进行设计。该标准采用弹性失效准 则，对壳体应力不作详细分析，只计算总体应力，并 限制壳体的基本（薄膜）应力不超过材料的许用应力 值。而由于总体结构不连续引起的附加应力，以应力 增强系数引入壁厚计算，或在结构上加以限制，或在 材料选择、制造工艺等给以不同要求的控制。
（1）厚度的计算：
由强度计算公式，引入内径、焊接接头
系数ψ，得到
厚度计算公式：
2[
p c
Di
]t p
c
在实际应用中还应同时考虑影响强度的因素， 如材料质量、制造因素、大气及介质的腐蚀等。 考虑腐蚀裕量，修正后得设计厚度：
d
p c
Di
2[ ]t
p
C2
c
考虑制造误差，经圆整到标准厚度，得 名义厚度：
n
d
C1
p c
Di
2[ ]t
p
C1 C2
c
（2）最小壁厚的确定：
按照GB150—1998《钢制压力容器》规定，对 碳素钢、低合金钢制容器，不得小于3mm，高合金 钢不得小于2mm
压力容器设计基础(
压力容器设计基础
12
压力容器工作条件及特点
压力条件
超高压人造水晶釜：~200MPa 低密度聚乙烯反应釜：~300MPa 低真空：100kPa~3kPa（绝压）
中真空：3kPa~0.1Pa（绝压） 高真空：0.1Pa~0.1mPa（绝压） 甚高真空：0.1mPa~0.1μPa（绝压） 超高真空：≤0.1μPa（绝压）
作用 设备及其内件、附件自重 设备内盛装的物料重量，试验状态下的液体重量 来自支承、连接管道及相邻设备的作用载荷 设备运输、安装、维修时可能承受的作用载荷
压力容器设计基础
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压力容器工作条件及特点
装置的大型化
炼油装置中的减压蒸馏塔 直径10000 长40000 乙烯装置中的丙烯塔 直径10000 高94000 重量1100吨 氨合成塔 直径2500 长22000 壁厚200 甲醇反应器 直径6500 长14000 壁厚220 核工业中的沸水反应堆 直径7800 壁厚190 重量1000吨 煤液化加氢反应器 直径4810 壁厚338 重量2040吨 乙二醇列管式反应器 直径5000 长10000 管数9000 立式圆筒形油品贮罐 直径100000 高21800 容积150000m3
压力容器设计基础
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压力容器工作条件及特点
介质的危害性
在石油、化工、天然气的工业生产装置中，参与过程的绝大部分是易 燃、易爆、有毒或有腐蚀性的物质，同时这些物质的状态在工艺过程 中受温度、压力的控制不断变化。
压力容器设计基础
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压力容器工作条件及特点
其他载荷条件
风载荷、地震载荷 有些设备可能是在循环载荷作用下运行，同时还可能承受热应力循环
沸点的液体。
压力容器设计基础
压力容器设计基础(一)
压力容器地强度与设计<江苏省压力容器检验员培训考核班专题讲座）董金善南京工业大学过程装备研究所第一节概述一、容器地结构在工厂中可以看到许多设备.在这些设备中,有地用来储存物料,如各种储罐、计量罐；有地进行热量交换,如各种换热器、蒸发器、冷凝器、结晶器等；有地用来进行化学反应,如反应釜、聚合釜、发酵罐、合成塔等.这些设备虽然尺寸大小不一,形状结构不同,内部构件地型式更是多种多样,但是它们都有一个外壳,这个外壳就叫作容器.容器一般是由筒体<圆筒）、封头<端盖）、法兰、支座、接管、人孔<手孔）、视镜、安全附件等组成<图1）.它们统称为压力容器通用零部件,常、低压压力容器通用零部件大都已有标准,设计时可直接选用.图-1 容器地结构二、压力容器常用标准1.国务院《特种设备安全监察条例》(2003>2.国家质量技术监督局《压力容器安全技术监察规程》 (1999>3.国家质量监督检验检疫总局《特种设备行政许可工作程序》 (2003>4.国家质量监督检验检疫总局《特种设备行政许可实施办法》 (2003>5.国家质量监督检验检疫总局《特种设备行政许可分级实施范围》(2003>6.国家质量监督检验检疫总局《锅炉压力容器制造监督管理办法》(2003>7.国家质量监督检验检疫总局《锅炉压力容器制造许可工作程序》(2003>8.国家质量监督检验检疫总局《锅炉压力容器制造许可条件》 (2003>9.国家质量监督检验检疫总局《锅炉压力容器产品安全性能监督检验规则》 (2003>10.国家质量监督检验检疫总局《压力容器压力管道设计单位资格许可与管理规则》 (2002>11.G B150－1998《钢制压力容器》12.G B151－1999《管壳式换热器》13.J B/T4735－1997《钢制焊接常压容器》14.J B4710－1992《钢制塔式容器》15.J B4731－XXXX《钢制卧式容器》16.H G/T20569-1994《机械搅拌设备》17.G B12337－1998《钢制球形储罐》18.G B16749－1997《压力容器波形膨胀节》19.J B4732－1994《钢制压力容器－分析设计标准》20.H G20580－1998《钢制化工容器设计基础规定》21.H G20581－1998《钢制化工容器材料选用规定》22.H G20582－1998《钢制化工容器强度计算规定》23.H G20583－1998《钢制化工容器结构设计规定》24.H G20584－1998《钢制化工容器制造技术要求》25.H G20585－1998《钢制低温压力容器技术规定》26.H G20531－1993《铸钢、铸铁容器》27.J B/T4734－2002《铝制焊接容器》28.J B/T4745－2002《钛制焊接容器》29.G B/T15386－1994《空冷式换热器》30.G B16409－1996《板式换热器》31.H G/T2650－1995《钢制管式换热器》32.G B5842－1996《液化石油气钢瓶》33.J B/T4750－2003《制冷装置用压力容器》34.J B/T6539-1992《微型空气压缩机用钢制压力容器》35.J B8701－1998《制冷用板式换热器》36.J B/T4751－2003《螺旋板式换热器》37.G B18442－2001《低温绝热压力容器》38.G B12130－1995《医用高压氧舱》39.G B9019-1988《压力容器公称直径》40.J B/T4700～4707－2000《压力容器法兰》41.H G20592～20635－2009《钢制管法兰、垫片、紧固件》42.G B/T9112～9124－2000《钢制管法兰》43.J B/T74～90－1994《管路法兰及垫片》44.J B/T4746－2002《钢制压力容器用封头》45.J B/T4736－2002《补强圈》46.H GJ527－1990《补强管》47.J B/T4712－1992《鞍式支座》48.J B/T4713－2007《腿式支座》49.J B/T4724－1992《支承式支座》50.J B/T4725－1992《耳式支座》51.G B16749－1997《波形膨胀节》52.H G501～502－1986《压力容器视镜》53.H G21588～21591－1995《玻璃板液面计》54.H G21592－95《玻璃管液面计》55.H G/T21584－95《磁性液面计》56.H G21514～21527－1995《碳钢、低合金钢人孔》57.H G21528～21535－1995《碳钢、低合金钢人孔》58.H GJ504～509－1986《不锈钢人孔》59.H GJ510～513－1986《不锈钢手孔》60.H G21537－1992《填料箱》61.H G21571～21572－1995《机械密封》62.H G21563～21569－1995《搅拌传动装置》63.H G5－220～222－1965《搅拌器》64.H G/T21574－1994《设备吊耳》65.G B41－1986《I型六角螺母－C级》66.G B6170－1986《I型六角螺母－A和B级》67.G B5780－1986《六角头螺栓－C级》68.G B5782－1986《六角头螺栓－A和B级》69.J B/T4714－1992《浮头式换热器和冷凝器型式与基本参数》70.J B/T4715－1992《固定管板式换热器型式与基本参数》71.J B/T4716－1992《立式热虹吸式重沸器型式与基本参数》72.J B/T4717－1992《U型管式换热器型式与基本参数》73.H G21503－1992《钢制固定式薄管板列管换热器》74.G B567－1989《拱形金属爆破片形式与参数》75.G B/T14566－93《正形金属爆破片形式与参数》76.G B/T14567-93《反形金属爆破片形式与参数》77.G B/T14568－93《开缝形金属爆破片形式与参数》78.H G/T20668－2000《化工设备设计文件编制规定》79.T CED41002-2000《化工设备图样技术要求》80.G B6654－1996《压力容器用钢板》81.G B713－1986《锅炉用碳素钢和低合金钢板》82.G B3531－1996《低温压力容器用低合金钢钢板》83.G B4237－1992《不锈钢热轧钢板》84.G B8165－1987《不锈钢复合钢板》85.G B8163－1999《输送流体用无缝钢管》86.G B9948－1988《石油裂化用无缝钢管》87.G B6479－1986《化肥设备用高压无缝钢管》88.G B5310－1995《高压锅炉用无缝钢管》89.G B/T14976－94《流体输送不锈钢无缝钢管》90.G B13296－91《锅炉、热交换器用不锈钢无缝钢管》91.J B4726－2000《压力容器用碳素钢和低合金钢锻件》92.J B4727－2000《低温压力容器用碳素钢和低合金钢锻件》93.J B4728－2000《压力容器不锈钢锻件》94.G B/T983－1995《不锈钢焊条》95.G B/T5117－1995《碳钢焊条》96.G B/T5118－1995《低合金钢焊条》97.G B5293－1985《碳素钢埋弧焊用焊剂》98.G B12470－1990《低合金钢埋弧焊用焊剂》99.G B/T14957－1994《熔化焊用钢丝》100.GB/T14958－1994《气体保护焊用钢丝》101.GB/T8110－1995《气体保护电弧焊用碳钢、低合金钢焊丝》102.JB/T2835－1979《低温钢焊条》103.JB4708－2000《钢制压力容器焊接工艺评定》104.JB/T4709－2000《钢制压力容器焊接规程》105.JB4730-1994《压力容器无损检测》106.JB/T4711－2003《压力容器涂敷与运输包装》107.JB/T613－1993《锅炉受压元件焊接技术条件》108.HG20660－2000《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类》109.GB/T18182－2000《金属压力容器声发射检测及结果评价方法》三、压力容器许可证3. 压力容器设计许可证注：① 锅炉设计图纸由省级交由被核准地检验检测机构鉴定；② 气瓶<B 类）、氧舱设计图纸由总局核准地检验检测机构鉴定；③ 客运索道、大型友游乐设施设计图纸由总局核准地检验检测机构鉴定.第二节 压力容器应力分析一、无力矩理论1 无力矩理论锅炉压力容器地主要承压结构是壳体,而壳体是两个近距同形曲面围成地结构.两曲面地垂直距离叫壳体地厚度,平分壳体厚度地曲面叫壳体地中间面.壳体地几何形状可由中间面形状及壳体厚度确定.中间面为回转曲面地壳体叫回转壳体.圆筒壳、圆锥壳、球壳、椭球壳等都是回转壳体.当回转壳体地外径与内径之比≤1.2时,称为薄壁回转壳体,简称回转薄壳；当＞1.2时,称为厚壁回转壳体.当然,这种区分是相对地,薄壳与厚壳并没有严格地界限.压力容器中地回转壳体,其几何形状及压力载荷均是轴对称地,相应压力载荷下地应力应变也是轴对称分布地.对于回转薄壳,认为其承压后地变形与气球充气时地情况相似,其内力与应力是张力,沿壳体厚度均匀分布,呈二向应力状态,壳壁中没有弯矩及弯曲应力.这种分析与处理回转薄壳地理论叫无力矩理论或薄膜理论.无力矩理论是一种近似分析及简化计算理论,在锅炉及一般压力容器应力分析和强度计算中得到广泛应用,具有足够地精确度.严格来说,任何回转壳体都具有一定壁厚,承压后其应力沿壁厚并不均匀分布,壳体中因曲率变化也有一定地弯矩及弯曲应力,当壳体较厚且需精确分析时,应采用厚壁理论及有矩理论处理.2 薄膜方程按无矩理论对回转薄壳进行应力分析时,因为应力沿壁厚均布,常将壳体应力简化到中间面上分析.如图2—1所示,壳体中间面由平面曲线AB绕同一平面内回转轴OA旋转一周而成.通过回转轴地平间面与回转面地交线叫经线；作圆锥面与壳体中间面正交,所得交线叫纬线.经线方向存在经向应力,以表示；纬线方向存在环向应力或周向应力,以表示.经向应力可用下述正交截面法求得.如图2－2所示,用一与回转壳体表面正交<垂直）地圆锥面将壳体分成两部分,考虑其中一部分在Y方向地受力平衡,则有：式中：——内压力；——垂直于壳体轴线地圆截面地平均半径；——经向应力；——壳体在被圆锥面截开部分地厚度；——圆锥面地半顶角.从而有：<2－1）区域平衡方程式<2-1）中地是圆锥母线地长度,即回转壳体曲面在纬线上地主曲率半径,或纬线曲率半径<第二曲率半径）.回转壳体中地环向应力,作用在壳体地径向截面内.但在径向截面地不同纬线上,环向应力并不相同,因而无法用径向截面法求解环向应力,而只能用微元法,通过分析微元体地受力平衡求解.如图2-3所示,用两个相近地径向平面及两个相近地与经线正交地圆锥面在回转壳体上截取微元体.设：为微元体上地经向应力,作用在上下两个周<纬）向圆锥截面上；为微元体上地环向应力,作用在相邻两个经向截面上；为壳体厚度；为微元体沿经线地长度；为微元体沿环向地长度；为微元体纬线曲率半径；为微元体经线曲率半径；为两经向截面地夹角；为两圆锥截面地夹角.考虑微元体曲面法线方向地受力平衡,可有：因及都很小,所以有：即整理得：<微体平衡方程） <2-2）式<2—l）和式<2—2）是求解薄壁回转壳体在内压作用下应力地基本公式．简称薄膜方程.二、回转薄壳地薄膜应力锅炉和压力容器回转薄壳地应力,都可用薄膜方程求解.由薄膜方程求得地应力叫薄壳地薄膜应力.<一）圆筒壳圆筒壳地中间面是一条直线围绕与之相平行地另一条直线旋转一周形成地.对圆筒壳来说,其纬线曲率半径<圆筒平均半径）；经线是直线,其曲率半径为无穷大.由式<2—2）可得：<2-3）由式<2—l）可得：<2-4）比较式<2－3）和式<2－4）可知,在薄壁圆筒壳体中,其环向应力与经向应力<轴向应力）和内压、圆筒半径成正比,和壁厚成反比；且环向应力在数值上是经向应力地两倍.<二）圆锥壳与圆荷壳相似,其经线是直线,曲率半径为无穷大,纬线是经线截锥地母线,纬线曲率半径是截锥母线长度,随圆锥经线到旋转轴地距离而变化<见图2-4）,即,,为圆锥壳地半顶角,因而有：<2-5）<2-6）不难看出,圆锥壳上不同点地应力是不同地,从锥顶到锥底,应力随地增大而增大.锥底地环向应力是圆锥壳上地最大应力；在圆锥壳确定地一点,其环向应力是经向力地2倍；圆锥壳地半顶角对其应力有显著影响,半顶角越应圆锥形壳体地应力大,圆锥壳体中地应力越大.<三）球壳除球形容器外,某些锅炉锅筒及压力容器地封头是由半个球壳构成地,半球壳与完整地铁壳在内庄作用下地应力状态基本是相同地.对球壳来说,其曲面各个方向地曲率半径都是相同地,即为球壳地平均半径R.因而有：<2-7）即<2-8）由式<2—8）可看出球壳内地经向应力与环向应力是相等地,如果球壳与圆筒壳直径及壁厚相同,且承受同样地内压,则球壳中地经向应力和环向应力都等于圆筒壳中地经向应力.<四）椭球壳椭球壳是锅炉压力容器中使用得最为普遍地封头结构形式.椭球壳地中间面是由椭圆围绕其短轴旋转一周而成地曲面,即椭球壳曲面地母线是椭圆.设该椭圆地长轴为,短轴为,并取如图2-5所示地坐标,则椭圆方程为：要利用薄膜方程确定椭球壳内地应力,关键是正确地确定经线曲率半径和纬线曲率半径.椭球壳地经线是椭圆,经线曲率半径即椭圆地曲率半径；椭球壳地纬线是垂直于壁厚地圆锥面与椭球壳中性面地交线,纬线地曲率半径则是圆锥面地母线.由高等数学可知,如果曲线地方程为,则曲线上某点地曲率半径为：由椭圆方程得：从而得出椭圆上某点地曲率半径为：即椭球壳经线上某点地曲率半径为：由图2-5可知,椭球壳纬线上某点地曲率半径<圆锥面地母线）,可由下式求得：式中,为圆锥面地半顶角,它在数值上等于椭圆在同一点地切线与轴地夹角.因而有：所以将,之值代入薄膜方程,即可求得椭球壳上任一点地应力：(2-9>(2-10>及地分布如下：在椭圆壳顶点,：有,则：在椭球壳赤道部位,有,则：地分布情况如图2-6所示.而当时,即在椭球壳地极点上,其环向应力与经向应力相等；其大小取决于椭球长短轴地比值.椭球长短轴地比值越大,极点处地应力数值也越大.当时,,此时地大小和正负取决于椭球长短轴地比值：如果,即,为正值；如果,即,为零；如果,即,为负值<压缩应力）；环向应力地分布如图2-7所示.锅炉压力容器上所用地椭圆封头一般是标准椭球封头,即地椭球封头.对于标准椭球封头:顶点部位：<2-11）赤道部位：<2-12）<2-13）其应力分布如图 2－8所示.用标准椭球封头与半径等于其长半轴地圆筒壳比较,如果二者有相同地壁厚并承受同样内压,则封头赤道上地环向应力与圆筒壳上地环向应力大小相等,方向相反；封头赤道上地经向应力与圆筒壳上地经向应力大小相等,方向相同；封头极点处应力<环向及经向）地大小及方向都与圆筒壳上地环向应力相同.因而标准椭球封头可以与同厚度地圆简壳衔接匹配,所得到地容器受力比较均匀.三、圆平板地应力1 圆平板在内压作用下地弯曲由材料力学可知,当梁承受横向载荷产生弯曲变形时,梁中某截面上地内力、应力、应变及挠度之间存在着下列关系：平板在内压作用下地内力及变形情况,与梁承受横向均布载荷时地内力及变形情况在本质上是相同地,两者都产生弯曲变形,内力是弯矩及剪力.但梁地横向尺寸比梁地长度小得多,故受横向载荷后只是沿长度在载荷作用方向发生弯曲变形；平板则具有一定地长度和宽度,长宽都比其厚度大得多.在横向载荷作用下,在平板地长度方向、宽度方向及平板平面内地其他各个方向,都产生弯曲变形,即产生面地弯曲.面地弯曲可以用两个互相垂直方向地弯曲来描述,常简称为双向弯曲.平板产生双向弯曲时,弯曲应力沿板厚地分布仍然是线性地,即只随离中性轴地距离发生变化,公式仍然成立.但此处弯矩及惯性矩与梁地情况不同.锅炉压力容器地平封头、平端盖、人孔盖、手孔盖都是承受内压地平板,而且大多数是圆平板.因为承受均匀分布地内压,国平板地内力及变形都对称于过平板中心而垂直于平板面地轴,如图2-9所示.以柱坐标系分析圆平板地双向弯曲,设微元体上环向弯矩为,径向弯矩为,径向剪力为.则可通过弯曲后地挠度求解弯曲内力和应力.2 挠度微分方程及其求解弹性力学关于小挠度薄板地分析表明,圆平板某点在内压作用下地弯矩,取决于圆平板在该点地挠度：式中：——圆平板中某点承受内压后地挠度.——该点离圆平板中心地径向距离；——材料地泊松比；——圆平板板条地抗弯刚度,N·mm,,这里是材料弹性模量,是圆平板厚度.而圆平板地挠度取决于压力载荷与自身抗弯刚度：即上式为圆平板承受均布横向载荷时地挠度微分方程式,其解为：对无孔圆平板,在板中心处挠度最大.但此处,相应于地是无意义,所以,从而有：<2-14）式<3-14）中地及,可根据圆平板周界地支承条件决定.3 周边铰<简）支圆平板圆平板地周边是连接在圆筒体上地.圆筒体对圆平板周边地约束情况,由二者地相对刚度来决定、当圆筒体地壁厚比圆平板地壁厚小很多时,圆筒体只能限制圆平板在圆筒体轴线方向地位移,而对圆平板在连接处地转动约束不大,这样地约束可简化成铰支地圆平板.设铰支圆平板地半径为,则有：解得: <2-15）经计算整理,得圆平板径向及环向弯矩为：<2-16）<2-17）因为及是截面中单位宽度上地弯矩,在计算弯曲应力时必须采用截面单位宽度上地惯性矩.相应于及,截面单位宽度地惯性矩为,因此圆平板内某点地径向弯曲应力及环向弯曲应力分别为：<2-18）<2-19）最大应力产生于圆平板中心<）地表面,分别为：<2-20）<2-21）和梁弯曲时一样,圆平板双向弯曲时,以中性面为分界面,沿厚度上下两半部分地应力正负符号是相反地.为简化起见,上列各应力计算公式仅表示圆平板受拉表面地应力.铰支圆平板弯矩及表面弯曲应力地分布如图2-10所示.4 周边固支圆平板如果与圆平板连接地筒体壁厚很厚,筒体不仅限制了原平板周边沿筒体轴向地位移,而且限制了原平板在连接处地转动,则可把筒体对圆平板周边地约束情况简化为固支.固支圆平板地边界条件为：,<2-22）相应地弯矩方程式：<2-23）<2-24）圆平板上下表面<）处任一点地径向弯曲应力及环向弯曲应力分别为： <2-25）<2-26）最大弯曲应力为原平板边缘表面地径向弯曲应力,即：固支圆平板弯矩及表面弯曲应力沿半径地分布如图2-11所示.5 与相连圆筒壳地比较综合周边铰支、固支两种情况,圆平板在内压作用下地最大弯曲应力近似为：周边铰支K=0.31、固支K=0.188.而相连接地圆筒壳在内压作用下地环向薄膜应力为：假定圆平板厚度与圆筒壳相同,且近似取圆平板半径等于圆筒壳平均半径,则：通常圆筒壳地厚度远小于D,因而远大于.绝大多数容器地值均超过50,这就意味着在等厚度、同直径条件下,平板内产生地最大弯曲应力至少是圆筒壁中薄膜应力地20-30倍.如欲使圆平板中地最大弯曲应力与圆筒壳地薄膜应力相同,则圆平板地壁厚必须远大于圆筒壳壁厚：四、圆筒壳地边界效应1 基本概念承受内压地圆筒形元件,总是和其他相应地元件——封头、管板、端盖等连接在一起,组成一个封闭体,才能承受内压,以满足使用要求.在圆筒元件与其他元件相接之处,承受内压之后,其变形和受力情况与非连接部位有很大不同,这是圆筒与相连元件在相连处变形不一致、互相约束造成地.以圆筒与凸形封头连接为例<见图2-12）,连接线上各点是圆筒与封头地公共点.作为圆筒筒身上地点,承受内压后其径向位移可按以下关系求出.根据广义虎克定律,环向应变为：分析环向应变与径向位移地关系,有：因而同样可以求出,作为封头上地点,连接处承受内压后地径向位移为：式中,,是凸形封头长轴与短轴之比,或长半径与短半径之比.对标准椭球封头,,因而有：即是说,在连接线上,作为筒身地一部分应沿径向向外位移；作为封头地一部分,应沿径向向外或向内位移.但封头在连接线上地径向位移量总是不同于筒身在连接线上地径向位移量,筒身向外地径向位移总是大于封头向外地径向位移.实际情况是,连接线上地点在承受内任后只能有一个径向位移,最后地变形位置只能在二者单独变形地中间位置,这样才能保持构件在连接处变形后是连续地.即二者在连接处互相约束限制.封头对圆筒地约束和限制,相当于沿圆筒端部国间连续均匀地施加弯矩和剪力,使圆筒端部产生“收口”弯曲变形,以抵消内压作用于圆筒所产生地向外径向位移.因而,封头对圆筒地附加载荷及相应引起地变形都是轴对称地.薄壁圆筒地抗弯能力很差,上述附加弯矩和剪力有时会在连接部位产生相当大地弯曲应力,甚至超过由内压造成地薄膜应力.但这种现象只发生在不同形状地元件相连接地边界区域,所以叫做“边界效应”.由边界效应产生地应力叫“不连续应力”,这是抵消不同元件在连接处变形不连续,保持实际上地变形连续在元件内出现地局部附加应力…边界应力.2 圆筒壳与凸形封头连接时地边界效应圆筒壳与凸形封头连接时,在连接处二者地几何形状是连续地.承受内压后二者虽因连接处变形不相同互相牵制,但最终到达地位置仍保持了连接部位地连续——连接处有同一地径向位移和转动角度.当凸形封头与圆筒壳地材质、壁厚都相同时,相应地因而,当凸形封头与圆筒壳相连接时,在圆筒壳连接部位附近因内压引起地附加内力为：(2-37>(2-38>(2-39>(2-39>以上各式中,为椭球封头长短轴直径之比.,随地变化趋势如图2-14所示.<边界应力变化趋势）<一）连接处<）内力及应力因为连接处弯矩等于零,因而没有相应地附加弯曲应力.连接处地径向剪力在连接处横截面上引起剪应力,平均剪应力为：连接处附加环向力在连接处造成附加环向应力：由式<2－39）及式<2—40）可知,和都是随地增加而减小地,连接处地及是最大剪力及最大环向力,因而,.因为地绝对数值较小,可忽略不计.因而连接处地主要附加应力是环向附加应力.连接处总地应力应是内压引起地薄膜应力与附加应力地代数和：<二）附加弯矩最大截面地内力和应力,地值随而变化.当,或者<取,以下同）时,达到最大值,相应地附加轴向弯曲应力为：在同一位置,及相应地附加环向应力也达最大值,其数值为：在附加弯矩最大地截面上,径向剪力减小为零,附加环向力为：由附加环向力引起地附加环向应力为：作用于该截面内某点地总应力为内压造成地薄膜应力及附加应力之和.对于标准椭圆球封头相连地圆筒,内壁处最大地环向总应力为：内外壁面处地轴向总应力分别为：五、对圆筒壳边界效应地结论1. 圆筒壳地边界效应是圆筒壳与相连元件承载后变形不一致,互相制约而产生附加内力和应力地现象.在下列‘情况下均会产生边界效应及不连续应力：①结构几何形状突变；②同形状结构厚度突变；③同形同厚结构材料突变.在分析元件应力状态时,必须有边界效应和边界应力地基本概念.2. 边界应力,自连接处起沿圆筒壳轴向迅速衰减,其影响范围仅在两元件地连接边界附近.计算表明,当或时,截面中等附加内力已衰减到边界上相应内力地5％以下.因此常把地区域视为边界效应地影响区域.一般钢材,因决定了边界效应区域地大小及衰减快慢,故称之为边界效应衰减系数.3. 边界效应中地主要附加内力是轴向附加弯矩和周向附加力.轴向附加弯矩引起地附加弯曲应力沿壁厚呈线性分布,在内外壁面分别为拉伸应力或压缩应力.拉伸应力与轴向薄膜应力叠加而使总地轴向应力加大；周向附加力引起地周向附加应力是压缩应力,可以抵消一部分周向薄膜应力,降低边界附近总地周向应力水平.4. 凸形封头与圆筒壳相连时,边界处地不连续应力很小,通常可以不予考虑；厚圆平板与圆筒壳连接时,边界处地不连续应力较大.在结构设计中,考虑边界效应,应尽量采用凸形封头而少用平板封头.采用平板封头时,要考虑采用相应地结构及工艺措施,以充分保证构件地安全.六、应力分类前面介绍了在内压等作用下元件内产生地一些应力,实际压力容器元件中地应力还不止这些,比如,元件因热胀冷缩约束所产生地热应力；元件自重、内部介质重量等会在元件内引起弯曲应力或拉伸<压缩）应。
《压力容器设计基础》课件
压力容器的材料选择
压力容器的材料选择对容器的性能和寿命有重要影响。常用的材料有钢材、合金材料等，选材时需要考虑其力 学性能和腐蚀性。
压力容器设计的流程
压力容器设计通常包括需求分析、参数确定、结构设计、强度校核、材料选 择等多个步骤，每个步骤都需要严格符合相关标准和规范。
压力容器设计案例分析
通过实际案例的分析，了解不同类型压力容器的设计过程和关键要点，帮助 我们理解和应用所学的设计基础知识。
压力容器是一种能够承受内部压力的密封容器，根据其用途和结构特点可以 分为多种不同的类型，如储气罐、储液罐、反应器等。
压力容器设计的基本原理
压力容器的设计需要考虑到力学原理、材料力学、热力学等知识，确保容器 在工作条件下能够安全可靠地工作。
压力容器设计的考虑因素
在设计压力容器时，需要考虑多个因素，如工作压力、温度、容器形状、安 全性要求等，以确保容器能够满足工作条件。
《压力容器设计基础》 PPT课件
本课件旨在介绍压力容器的设计基础知识，涵盖了背景介绍、定义和分类、 基本原理、考虑因素、材料选择、设计流程和案例分析等内容。
背景介绍
压力容器是在工业领域中广泛应用的设备，承受着高压力下的气体或液体。了解背景信息有助于我们理解其重 要性和广泛应用。
压力容器的定义和分类
压力容器分析设计基础
一、应力性质
1.薄壁容器
pr2 2T
pr2 2T
(2
r2 ) r1
应力特点：
➢ 沿壁厚均布；
➢ 平衡外载，无自限性；
➢ 外压时为压应力，需 考虑失稳。
一、应力性质
2. 厚壁容器
K
p 2
1
(1
R02 r2
)
r
K
p 2
1
(1
R02 r2
)
z
K
p 2 1
K R0 Ri
一、应力性质
2. 厚壁容器
为了分析应力的性质，将非线性分布的应力视为均 匀分布、线性分布和非线性分布的三部分的叠加。
许用应力分类 GB150-98,约27种
JB4732-95,约27种
15 制造与检验
按压力容器常规要求 比前者要求严格
制造资格 16 综合经济性
要有压力容器制造许可 证
一般结构的容器综合经 济性好
必须有相应的许可证，例如第三类 压力容器许可证
大型、复杂结构的容器综合经济性 好（用户需提供详细的设计任务书）
16MnR正火，6-100mm -20 ℃ 16MnDR正火，6-32mm, -40 ℃ 09Mn2VDR正火,6-20mm,-50 ℃ 09MnNiDR正火,6-60mm,-70 ℃
5 钢板的韧性要 20R
≥18J
求(以冲击功Akv 16MnR,15MnVR
≥20J
表示)
15MnVNR,18MnMoNbR,
2、分析设计
设计准则
塑性失效准则——只有当结构沿厚度方向全部屈服时， 结构才失效。
疲劳失效准则——一定许循环应力幅作用下的构件，只 有其循环次数超过允许的最大循环次数后，才会发生疲 劳破坏。
压力容器设计基础(172页)
压力容器设计基础一．概述1、标准适用的压力范围GB150－1998《钢制压力容器》设计压力P：0.1～35 MPa真空度：≥0.02 MPaGB151－1999《管壳式换热器》设计压力P：0.1～35 MPa真空度：≥0.02 MPa公称压力PN≤35 MPa，公称直径DN≤2600mmPN•DN≤1.75×104JB4732－95《钢制压力容器-分析设计标准》设计压力P：0.1～100 MPa真空度：≥0.02 MPaJB／T4735－1997《钢制焊接常压容器》设计压力P：圆筒形容器：-0.02 MPa≤P≤0.1 MPa立式圆筒形储罐、圆筒形料仓 -500Pa≤P≤0.2000 Pa矩形容器：连通大气GB12337－1998《钢制球形储罐》设计压力P≤4MPa,公称容积V≥50M3 JB4710－2000 《钢制塔式容器》设计压力P：0.1～35MPa(对工作压力<0.1MPa内压塔器,P取 0.1MPa)高度范围 h>10m 且h/D(直径)>52.设计时应考虑的载荷1)内压、外压或最大压差；2)液体静压力(≥5%P)；需要时，还应考虑以下载荷3)容器的自重（内件和填料），以及正常工作条件下或压力试验状态下内装物料的重力载荷；4)附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯、平台等的重力载荷；5)风载荷、地震力、雪载荷；6)支座、座底圈、支耳及其他形式支撑件的反作用力；7)连接管道和其他部件的作用力；8)温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力；9)包括压力急剧波动的冲击载荷；10)冲击反力,如流体冲击引起的反力等；11)运输或吊装时的作用力。
3、设计单位的职责1)设计单位应对设计文件的正确性和完整性负责。
2)压力容器的设计文件至少应包括设计计算书和设计图样。
3)压力容器的设计总图应盖有压力容器设计资格印章。
4．容器范围GB150管辖的容器范围是指壳体及其连为整体的受压零部件1)容器与外部管道连接2)接管、人孔、手孔等的承压封头、平盖及其紧固件3)非受压元件与受压元件的焊接接头。
压力容器基础知识（三篇）
压力容器基础知识(1)压力。
压力容器的压力可以来自两个方面，一是来自压力容器外，一是来自压力容器内。
压力容器的最高工作压力，对于承受内压的压力容器，是指压力容器在正常使用过程中，容器顶部可能出现的最高压力；对于承受外压的压力容器，是指压力容器在正常使用过程中，夹套顶部可能出现的最高压力。
压力容器的设计压力，是指在相应设计温度下用以确定容器壳体厚度的压力，亦即标注在铭牌上的容器设计压力，其值不得小于最大工作压力。
当容器各部位或受压元件所承受的液桂静压力达到5％设计压力时，则应取设计压力和液柱静压力之和进行该部位或元件的设计计算；装有安全泄放装置的压力容器，其设计压力不得低于安全泄放装置的开启压力或爆破压力。
容器的设计压力应按GB150的相应规定确定。
(2)温度。
金属温度，系指容器受压元件沿截面厚度的平均温度。
任何情况下，元件金属的表面温度不得超过钢材的允许使用温度。
设计温度，系指容器在正常操作情况下，在相应设计压力下设定的受压元件的金属温度，其值不得低于元件金属可能达到的最高金属温度；对于0℃以下的金属温度，则设计温度不得高于元件金属可能达到的最低金属温度。
容器设计温度(即标注在容器铭牌上的设计介质温度)是指壳体的设计温度。
(3)介质。
生产工艺过程所涉及的工艺介质品种繁多，分类方法也有多种。
按物质状态分类，有气体、液体、液化气体、单质和混合物等；按化学特性分类，则有可燃、易燃、惰性和助燃四种；按它们对人类毒害程度，又可分为极度危害(Ⅰ)、高度危害(Ⅱ)、中度危害(Ⅲ)、轻度危害(Ⅳ)四级。
易燃介质：是指与空气混合的爆炸下限小于10％，或爆炸上限和下限之差值大于等于20％的气体，如一甲胺、乙烷、乙烯等。
毒性介质：《压力容器安全技术监察规程》(以下简称《容规》)对介质毒性程度的划分参照GB5044《职业性接触毒物危害程度分级》分为四级。
其最高容许浓度分别为：极度危害(Ⅰ级)＜0．1mg／m3；高度危害(Ⅱ级)0．1～＜1．0mg／m3；中度危害(Ⅲ级)1．0～＜10mg ／m3；轻度危害(Ⅳ级)≥10mg／m3。
压力容器设计基础知识讲稿.doc
压力容器设计基础知识讲稿（20140325）目录一．基本概念1．1 压力容器设计应遵循的法规和规程1．2 标准和法规（规程）的关系。
1．3 压力容器的含义（定义）1．4 压力容器设计标准简述1．5 D1级和D2级压力容器说明二．GB150-1998《钢制压力容器》1．范围2．标准3．总论3．1 设计单位的资格和职责3．3 GB150管辖的容器范围3．4 定义及含义3．5 设计参数选用的一般规定3．6 许用应力3．7 焊接接头系数3．8 压力试验和试验压力4．对材料的要求4．1 选择压力容器用钢应考虑的因素4. 2 D类压力容器受压元件用钢板4．3 钢管4．4 钢锻件4. 5 焊接材料4．6 采用国外钢材的要求4．7 钢材的代用规定4．8 特殊工作环境下的选材5．内压圆筒和内压球体的计算5. 1 内压圆筒和内压球体计算的理论基础5．2 内压圆筒计算5．3 球壳计算6．外压圆筒和外压球壳的设计6．1 受均匀外压的圆筒（和外压管子）6．2 外压球壳6．3 受外压圆筒和球壳计算图的来源简介6．4 外压圆筒加强圈的计算7．封头的设计和计算7．1 封头标准7．2 椭圆形封头7. 3 碟形封头7．4 球冠形封头7．5 锥壳8．开孔和开孔补强8．1 开孔的作用8．2 开检查孔的要求8．3 开孔的形状和尺寸限制8．4 补强要求8．5 有效补强范围及补强面积8．6 多个开孔的补强9 法兰连接9．1 简介9．2 法兰连接密封原理9. 3 法兰密封面的常用型式及优缺点9．4 法兰型式9．5 法兰连接计算要点9．6 管法兰连接10．压力容器的制造、检验和验收10．1 制造许可10．2 材料验收及加工成形10. 3 焊接10．4 D类压力容器热处理10．5 试板和试样10．8 无损检测10. 9 液压试验10．10 容器出厂证明文件。
11．安全附件和超压泄放装置11．1 安全附件11．2 超压泄放装置11．3 压力容器的安全泄放量11．4 安全阀三、GB151-1999《管壳式换热器》01 简述02 标准与GB150-1998《钢制压力容器》的关系。
压力容器设计基础
态时，材料进入塑性流动而失效 工程上广泛应用
13
❖ 歪曲应变能理论——第四强度理论
考虑了三个主应力对材料强度的共同影响
压力容器失效准则及设计理论基础
GB150压力容器常规设计
❖ 基于第一强度理论，弹性失效，不允许进入塑性变形 ❖ 结构部件的应力状态计算
薄膜无力矩理论：将整体部件视为厚度方向应力相同的薄膜，只能承 受拉、压应力，不能承受弯曲应力
压力容器的概念
正确使用法规、标准、规范
❖ 法规与标准、规范的关系 ❖ 正确使用标准规范（摘自ASME前言）
压力容器的建造包括选材、设计、制造、检验、试验等一系列工作内容 标准规范包括了对压力容器建造工作的如下三方面的基本内容：强制性要
求，特殊禁用规定，非强制性指南 标准规范不可能涉及容器建造的所有方面、细节，对于那些没有提及的内
（ 园筒周向应力）
可近似理解为，椭圆封头壁厚是园筒壁厚的K倍。
a/b越大，越扁平，长轴收缩多，变形越大，应力也大。 K与Di/2hi关系查表 7.1
2、受压元件——封头
3）稳定性
在内压作用下，长轴缩短，产生压应力，存在周向失稳可能，标准控 制最小厚度来保证。（GB150 表7-1 下部说明）
在外压作用下，短轴缩短，产生压应力，球面部分存在失稳可能，用 图表法进行校核计算。
2、受压元件——园筒和球壳
2.1园筒和球壳
园筒和球壳壁厚是根据弹性力学最大主应力理论中径公式导出：
H
4Di2Pc Di
DiPc
4
t
P 2cD · lilP 2cDi t
1
Pc Di
4 t
2
Pc Di
2 t
中径（Di+δ）替代Di
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强度
把强度理论（公式(1)）具体应用到压力容器 专业，就称这为压力容器的强度理论， 它又增加了一些具体的规定和特殊要求，由 此产生了一系列容器的设计规定和标准等。
9
强度
1、强度设计的任务： 内压容器的强度设计包含设备的壁厚设计 和在用设备的强度校核两方面。 1）设计型计算——根据给定的公称直径以及 设计压力和温度，设计出合适的壁厚，以保证 设备安全可靠。 2）校核型计算——根据已有的设备公称直径 以及工作压力和温度，判断设备的使用安全性。
17
三、压力容器强度理论
4、第四强度理论（形状改变比能理论）及相应强度条件 第四强度理论认为设备构件受外力产生弹性变形时，物 体内部也就积蓄了能量，即变形能。
单位变形体体积内所积蓄的变形能称为变形比能。当 构件变形比能达到材料的极限值时，会引起屈服破坏。
其相应的强度条件：
1 1 2 2 2 3 2 3 1 2 当 2
7
强度
σ≤K„σ‟t 公式（1）
公式（1）中的右端项是强度控制指标，即材料的 许用应力。 它涉及到材料强度指标（如抗拉强度σb、屈服强 度σs 等）的确定及安全系数的选用等问题。
当采用常规设计法，且只考虑静载问题时，系数 K=1.0；如果考虑动载荷，或采用应力分析设计法， K≥1.0，此时设计计算将更加复杂。
1 2 3
16
三、压力容器强度理论
3、第三强度理论（最大剪应力理论）及相应的强度条件
第三强度理论认为最大剪应力（ σ1－σ3 ）是引起材料 屈服破坏的主要因素。
其强度条件为：
当
pD pD 1 3 0 2S 2S
当
pD 2S
压力容器设计基础
内容
一、概述
二、强度设计的基本知识 三、压力容器强度理论 四、压力容器设计准则 五、压力容器设计基本内容 六、压力容器设计审核要点
2
一、概述
压力容器的设计，就是根据给定的性能要求、 工艺参数和操作条件，确定容器的结构型式， 选择合适的材料，计算容器主要受压元件的尺 寸，最后给出容器及其零部件的图纸和计算书， 并提出相应的技术条件。 正确、完整的设计应达到保证完成工艺生产， 运行安全可靠，保证使用寿命、制造、检验检 测、安装、操作及维修方便易行，经济合理等 要求。
6
强度
一点的应力状态最多可含有 6 个应力分量，哪 个应力起主要作用，对失效起什么作用，如何 控制才不致发生破坏，解决这一问题，就要选 择相应的强度理论计算当量应力，以便与单向 拉伸试验得到的许用应力相比较，将应力控制 在许可范围内。 对它们如何控制才不致发生破坏，解决这一问 题，就要选择相应的强度理论计算当量应力， 以便与单向拉伸试验得到的许用应力相比较， 将应力控制在许可的范围内。
5
强度
常用的方法有解析法（如弹性力学法、弹塑性分 析法等）、试验法（如电阻应变计测量法、光弹 法、云纹法等）及数值解法（如有限元法、边界 元法等）。
应用这些方法可以精确或近似地求出结构的应力， 然而，每一种结构的应力都有其特殊性
目前可求解的只是问题的绝大部分，仍有许多复 杂结构的应力分析有待人们进一步探讨。
σ1 σ2 σ1 σ3 σ2 σ2
σ2
σ1 σ3 σ1 二项应力状态与三项应力状态
13
二、强度设计的基本知识
① 根据应力状态确定主应力； ② 确定材料的许用应力。 对承受均匀内压的薄壁容器，其主应力为：
1 2 m
pD 2S pD 4S
14
3 r 0
三、压力容器强度理论
18
三、压力容器强度理论
适用性： 第一强度理论适用于脆性材料； 第二强度理论经试验验证不适于金属材料，一直没 有得到工程应用； 第三、第四强度理论适用于塑性材料。
19
三、压力容器强度理论
强度理论及其应用 在对结构进行强度分析时，要对危险点处于 复杂应力状态的构件进行强度计算，首先要知道 是什么因素使材料发生某类型破坏的。 长期以来，人们根据对材料破坏现象的分析， 提出了各种各样的假说，认为材料的某一类型破 坏现象是由哪些因素所引起的，这种假说通常就 称为强度理论。 一种类型的破坏是脆性断裂破坏，第一、二强 度理论依据于它；
11
二、强度设计的基本知识
1、关于弹性失效的设计准则
设计压力容器时，为了保证结构安全可靠的
工作，必须留有一定的安全裕度，即强度安
全条件：
当
12
0
n
二、强度设计的基本知识
2、强度理论及其相应的强度条件 借助于强度理论，将二向和三向应力状态转 换成单向拉伸应力状态的相当应力，同时须 解决两个问题：
10
强度
2 、内压薄壁圆筒与封头的强度计算公式，以壳体 无力矩理论为推导基础，其推导过程如下： ① 根据薄膜理论进行应力分析，确定薄膜应力状 态下的主应力； ② 根据弹性失效的设计准则，应用强度理论确定 应力的强度判据； ③ 对封头，考虑到薄膜应力的变化和边缘应力的 影响，按壳体中的应力状况在公式中引进应力增 强系数。 ④ 根据应力强度判据，考虑腐蚀等实际因素导出 具体的计算公式。
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一、概述
压力容器设计中的关键问题是力学问题， 即强度、刚度及稳定性问题。 在本节中，主要讨论压力容器设计中的
有关强度问题。
4
强度
强度：就是结构在外载荷作用下，会不会因应力过大而发 生破裂或者由于过度性变形而丧失其功用。 具体来讲，就是在外载荷作用下，容器结构内产生的应力 不大于材料的许用应力值，即： σ≤K„σ‟t 公式（1） 这个公式就是强度问题的基本表达式。压力容器的设计计 算就是围绕这一关系式而进行的。 公式 （1） 中的左端项是结构内的应力，它是我们最为关 心的问题。 求解结构的应力状态，是一个十分复杂的问题。
1 、第一强度理论（最大主应力理论）及相应 的强度条件 第一强度理论认为在三向应力中，若最大应 力小于许用应力，则安全。
其强度条件为：
pD 当 1 2S
15
三、压力容器强度理论
2 、第二强度理论（最大线应变理论）及相应 的强度条件
第二强度理论认为在三向应力中，若最大 线应变小于许用应变，则安全。 其强度条件为：