压力容器的设计.ppt

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1、压力容器的设计压力容器的设计压力容器的概念压力容器的概念u压力容器压力容器v盛装压力介质的密闭容器盛装压力介质的密闭容器v尺寸容积形状，压力和温度条件，介质，制造材料尺寸容积形状，压力和温度条件，介质，制造材料u涉及压力容器的基本法规和标准涉及压力容器的基本法规和标准v特种设备安全监察条例特种设备安全监察条例，国务院，国务院，2003.6.12003.6.1v压力容器安全技术监察规程压力容器安全技术监察规程，国家质监总局，国家质监总局，2000.1.12000.1.1v压力容器、压力管道设计单位资格许可与管理规则压力容器、压力管道设计单位资格许可与管理规则，2003.1.12003.1.1v锅

2、炉压力容器制造监督管理办法锅炉压力容器制造监督管理办法，2003.1.12003.1.1vGB150GB150钢制压力容器钢制压力容器vJB4732JB4732钢制压力容器钢制压力容器分析设计标准分析设计标准vJB/T4735JB/T4735钢制焊接常压容器钢制焊接常压容器vGB151GB151管壳式换热器管壳式换热器压力容器的概念压力容器的概念u压力容器的划定范围压力容器的划定范围v受压元件：容器中直接承受压力载荷（包括内压和外压）的零部受压元件：容器中直接承受压力载荷（包括内压和外压）的零部件，如容器壳体元件、开孔补强圈、外压加强圈等件，如容器壳体元件、开孔补强圈、外压加强圈等v非受压元件

3、：为满足使用要求而与受压元件直接焊接成为整体，非受压元件：为满足使用要求而与受压元件直接焊接成为整体，不承受压力载荷（只承受重力载荷）的零部件，如支座、吊耳、不承受压力载荷（只承受重力载荷）的零部件，如支座、吊耳、垫板等垫板等vGB150GB150和和容规容规明确规定了压力容器的范围，是指壳体及其连为明确规定了压力容器的范围，是指壳体及其连为整体的受压零部件（受压元件）整体的受压零部件（受压元件）压力容器的概念压力容器的概念u压力容器的分类压力容器的分类v根据生产过程作用原理：反应压力容器（根据生产过程作用原理：反应压力容器（R R），换热压力容器（），换热压力容器（E E），分离压力容器（）

4、，分离压力容器（S S），储存压力容器（），储存压力容器（C C，其中球罐，其中球罐B B）v根据设计压力根据设计压力p p等级：低压（等级：低压（0.1MPap1.6MPa0.1MPap1.6MPa），中压（），中压（ 1.6MPap10MPa1.6MPap10MPa ），高压（），高压（ 10MPap100MPa10MPap6060，按园平板计算，此时应力以弯曲应力为主，与薄，按园平板计算，此时应力以弯曲应力为主，与薄膜理论不适应的。膜理论不适应的。 大端大端3030采用无折边结构；采用无折边结构； 3030带折边带折边 小端小端4545采用无折边结构；采用无折边结构； 4545带折边带折

5、边 2 2）应力分析）应力分析大端大端 轴向力轴向力T T2 2分解成沿母线方向分解成沿母线方向N N2 2和垂直与轴线方向和垂直与轴线方向P P2 2。 N N2 2 轴向拉伸应力轴向拉伸应力 P P2 2 大端径向收缩，产生径向弯大端径向收缩，产生径向弯曲应力，并使周向应力与压力作用曲应力，并使周向应力与压力作用产生周向应力，方向相反而相对减产生周向应力，方向相反而相对减小，所以大端以一次轴向拉伸应力小，所以大端以一次轴向拉伸应力+ +二次轴向弯曲应力为强度控制条二次轴向弯曲应力为强度控制条件件 3 1 . 12 2）应力分析）应力分析小端小端 轴向力轴向力T T1 1分解成母线方向分解成

6、母线方向N N1 1和垂直于轴线方向和垂直于轴线方向P P1 1. . N N1 1 轴向拉伸应力轴向拉伸应力 P P1 1 小端径向张大，产生周向应小端径向张大，产生周向应力。此周向应力与压力作用产生周力。此周向应力与压力作用产生周向应力方向一致，相互叠加，所以向应力方向一致，相互叠加，所以小端以一次周向应力小端以一次周向应力+ +由边界力引由边界力引起周向应力为强度条件控制值起周向应力为强度条件控制值3 3）计算公式）计算公式 锥壳厚度锥壳厚度 cos12ctcccPDP 由于受边界条件影响，是否需要在大、小端增设加强段，由由于受边界条件影响，是否需要在大、小端增设加强段，由GB150 G

7、B150 图图7-117-11、7-137-13判断，交点在左边表示二次应力影响不大，不起控制作用判断，交点在左边表示二次应力影响不大，不起控制作用，按上式计算即可；当交点在右边时，需增设加强段。，按上式计算即可；当交点在右边时，需增设加强段。大端厚度：大端厚度： 小端厚度：小端厚度： cticrPDQP2 ctiscrPDQP2Q Q应力增值系数，体现边界应力作用。应力增值系数，体现边界应力作用。通常情况下，锥壳为一个厚度。则应取上述三个厚度中最大值。通常情况下，锥壳为一个厚度。则应取上述三个厚度中最大值。2.2 2.2 封头封头 2.2.42.2.4平盖平盖 平盖厚度是基于园平板在均布载荷

8、作用下一次弯曲应力来计算：平盖厚度是基于园平板在均布载荷作用下一次弯曲应力来计算： K K为结构特征系数，分固支（焊接）和简支（螺栓）查表为结构特征系数，分固支（焊接）和简支（螺栓）查表7-77-7。 比较两种边界条件下得最大挠度与最大应力，可知：比较两种边界条件下得最大挠度与最大应力，可知： 挠度反映板的刚度；应力则反映强度。挠度反映板的刚度；应力则反映强度。 所以周边固支平盖的最大挠度和最大弯曲应力比周边简支要小，从所以周边固支平盖的最大挠度和最大弯曲应力比周边简支要小，从强度和刚度要求，周边固支比周边简支的为好。强度和刚度要求，周边固支比周边简支的为好。 tcckPD 08. 4maxm

9、ax固支简支ff65. 1maxrmaxr固支简支u1、总论、总论 u2、受压元件、受压元件u3、外压元件（园筒和球壳）、外压元件（园筒和球壳） u4、开孔补强、开孔补强 u5、法兰、法兰u6、低温压力容器（附录、低温压力容器（附录C） u7、超压泄放装置（附录、超压泄放装置（附录B） 3.1 3.1 失稳失稳外压元件承受的压应力，其破坏形式主要是失稳，失稳可分为周向失外压元件承受的压应力，其破坏形式主要是失稳，失稳可分为周向失稳和轴向失稳。稳和轴向失稳。周向失稳周向失稳 断面由园形变成波形断面由园形变成波形 轴向失稳轴向失稳 轴线由直线变成波形线轴线由直线变成波形线 3.2 3.2 外压容器

10、的设计外压容器的设计外压容器园筒和球壳的设计主要是稳定性计算。外压容器园筒和球壳的设计主要是稳定性计算。外压容器园筒壁厚的计算，主要是为了防止在外压作用下壳体的失稳。外压容器园筒壁厚的计算，主要是为了防止在外压作用下壳体的失稳。为了防止失稳，应使壳体防止失稳的许用压力为了防止失稳，应使壳体防止失稳的许用压力 PP大于或等于计算压力大于或等于计算压力Pc.Pc.园筒稳定安全系数取园筒稳定安全系数取3.03.0，球壳稳定安全系数取，球壳稳定安全系数取14.5214.52。1 1）周向失稳计算）周向失稳计算外压容器壳体壁厚计算一般采用图算法，根据壳体直径（或半径），计外压容器壳体壁厚计算一般采用图算

11、法，根据壳体直径（或半径），计算长度，假设壁厚算长度，假设壁厚( (e)e)和所用材料牌号，利用图表查取系数，然后代入和所用材料牌号，利用图表查取系数，然后代入公式得到许用外压力公式得到许用外压力 PP，使使 PPcPPc ；否则重新计算直至合格为止。；否则重新计算直至合格为止。2 2）轴向失稳计算）轴向失稳计算由园筒或管子的半径，壁厚由园筒或管子的半径，壁厚ee和所用材料牌号，用图表查取系数，代入和所用材料牌号，用图表查取系数，代入公式得公式得B B值，使计算压力值，使计算压力PcPc小于或等于许用轴向压缩应力。许用轴向压缩小于或等于许用轴向压缩应力。许用轴向压缩应力取设计温度下材料许用应力

12、应力取设计温度下材料许用应力 和和B B值的较小值。值的较小值。 3.3 3.3 防止外压园筒失稳措施防止外压园筒失稳措施防止外压园筒失稳措施主要有：防止外压园筒失稳措施主要有：1 1）增加园筒壁厚；）增加园筒壁厚；2 2）缩短园筒的计算长度；）缩短园筒的计算长度；3 3）设置加强圈。）设置加强圈。 加强圈设置应整圈围绕在园筒上，并要求有足够截面积和组合加强圈设置应整圈围绕在园筒上，并要求有足够截面积和组合惯性距。加强圈可设置在容器内部或外部。加强圈和园筒之间连接惯性距。加强圈可设置在容器内部或外部。加强圈和园筒之间连接可采用连续焊或间断焊。间断焊外部不少于园筒周长的可采用连续焊或间断焊。间断

13、焊外部不少于园筒周长的1/21/2，内部，内部不少于不少于1/31/3。u1、总论、总论 u2、受压元件、受压元件u3、外压元件（园筒和球壳）、外压元件（园筒和球壳）u4、开孔补强、开孔补强 u5、法兰、法兰u6、低温压力容器（附录、低温压力容器（附录C） u7、超压泄放装置（附录、超压泄放装置（附录B） 4.1 4.1 适用范围适用范围 在筒体、封头上开圆孔，椭圆孔或长圆孔。非园孔的在筒体、封头上开圆孔，椭圆孔或长圆孔。非园孔的a/b2a/b2。筒体筒体 D Di i15001500或凸形封头或凸形封头 d1/2Dd1/2Di i( (且筒体且筒体d520mm)d520mm)筒体筒体 D D

14、i i15001500或锥形封头或锥形封头 d1/3Dd1/3Di i( (且筒体且筒体d1000mm)d1000mm)开孔不仅削弱容器强度，也造成局部应力集中，是开孔不仅削弱容器强度，也造成局部应力集中，是造成容器破坏重要因素，所以开孔补强是压力容器造成容器破坏重要因素，所以开孔补强是压力容器设计重要组成部分。设计重要组成部分。 4.2 4.2 开孔补强形式与作用开孔补强形式与作用 1 1）型式）型式 两种开孔补强型式两种开孔补强型式整体补强和局部补强（补强圈）整体补强和局部补强（补强圈） 整体补强整体补强 增加壳体厚度（经济性差）增加壳体厚度（经济性差） 厚壁管（推荐）厚壁管（推荐） 整体

15、补强锻件与壳体焊接（嵌入式接管）整体补强锻件与壳体焊接（嵌入式接管） GB150 P222 GB150 P222 图图J5 aJ5 a），），b b）局部补强局部补强 补强圈（推荐）补强圈（推荐） 2 2）作用）作用内压容器内压容器对开孔截面拉伸强度补偿。对开孔截面拉伸强度补偿。外压容器外压容器对开孔截面压缩稳定性补偿，防止失稳。对开孔截面压缩稳定性补偿，防止失稳。 4.3 4.3 开孔补强的规定开孔补强的规定 1 1）不另行补强的最大开孔直径）不另行补强的最大开孔直径 应满足应满足GB150 P75 8.3GB150 P75 8.3规定规定 2 2）采用补强圈补强要求）采用补强圈补强要求 b

16、540MPa ; b540MPa ; 1.51.5n; n; n38mmn38mm3 3）整体补强要求）整体补强要求 下列情况之一，应采用整体补强（增加壳体厚度或采用补强锻件下列情况之一，应采用整体补强（增加壳体厚度或采用补强锻件与壳体相焊）。与壳体相焊）。HG20583 HG20583 钢制化工容器结构规定。钢制化工容器结构规定。 b b540MPa540MPa 1.51.5n n n n38mm38mm P Pd d4.0MPa4.0MPa T Td d350350 介质为极度，高度危害介质介质为极度，高度危害介质 4.4 4.4 开孔补强方法开孔补强方法 1 1）等面积补强法（）等面积补强法（d1/2Did1/2Di） 原则：有效补强面积大于或等于开孔失去面积原则：有效补强面积大于或等于开孔失去面积 式中式中为开孔处计算厚度，为开孔处计算厚度， 注意：注意：对椭圆封头和碟形封头中心部位和边缘部位对椭圆封头和碟形封头中心部位和边缘部位是不同的。是不同的。retfdA12rtefdA125 . 0 4.4 4.4 开孔补强方法开孔补强方法 2 2）压力面积补强法（）压力面积补强法（0