第八章压力容器*1Date2燃油（气）蒸汽锅炉Date3第一节 压力容器的结构与分类 一 容器结构v压力容器：是内部或外部承受气体或液体压 力、并对安全性有较高要求的密封容器。v压力容器主要为圆柱形，少数为球形或其他 形状。v圆柱形压力容器通常由筒体、封头、接管、 支座、法兰、液位计等零件和部件组成，压 力容器工作压力越高，筒体的壁就应越厚。 Date4Date5v筒 体Date6封头封 头Date7Date8半球形封头半球形封头结构特点：半球形封头是由半个球壳构成的。Date9椭圆形封头椭圆形封头结构特点：椭圆形封头是由半个椭球面和高为的h短圆筒 （直边段）构成的。Date10碟形封头碟形封头1、结构特点：Date11Date12法兰Date13密封元件Date14人孔v Date15二压力容器分类 1.按压力等级分类：压力容器可分为内压容器与外压容器。 （1）外压容器：容器的内部压力低于外部压力。（溴化锂空 调机组中的发生器） （2）内压容器：容器的内部压力高于外部压力。（制冷空调 装置中） 内压容器又可按设计压力（p）大小分为四个压力等级，具体划分如下 ： 低压(代号L)容器 0.1 MPap1.6 MPa; 中压(代号M)容器 1.6 MPap10.0 MPa; 高压(代号H)容器 10 MPap100 MPa; 超高压(代号U)容器 p100MPa。 2按容器在生产中的作用分类: （1） 反应压力容器(代号R):用于完成介质的物理、化学反应。 （2）换热压力容器(代号E):用于完成介质的热量交换。 （3）分离压力容器（代号S):用于完成介质的流体压力平衡缓冲和气体净 化分离。 （4）储存压力容器（代号C，其中球罐代号B）：用于储存、盛装气体、 液体、液化气体等介质。 Date16v在一种压力容器中，如同时具备两个以上的工艺作用原理时，应按工艺 过程中的主要作用来划分品种。 按安装方式分类 ：v（1） 固定式压力容器：有固定安装和使用地点，工艺条件和操作人员 也较固定的压力容器。 v（2）移动式压力容器：使用时不仅承受内压或外压载荷，搬运过程中 还会受到由于内部介质晃动引起的冲击力，以及运输过程带来的外部撞 击和振动载荷，因而在结构、使用和安全方面均有其特殊的要求。 3 按容器的壁厚分类 （1）薄壁容器所谓厚壁与薄壁并不是按容器厚度的大小来划分，而是一种 相对概念，通常根据容器外径DO与内径Di的比值K来判断，K1.2为薄 壁容器，K1.2为厚壁容器。工程实际中的压力容器大多为薄壁容器。 （2）厚壁容器Date17第二节 薄壁容器的应力 薄壁容器的应力三点假设三点假设应力沿壁厚均布假设应力沿轴向均布假设二向应力状态假设Date18旋（回）转壳体 ：壳体中面是任意直线或平面曲线作母线，绕其同平面内的轴线旋转一 周而成的旋转曲面。Date19微体平衡方程对回转体薄壁壳体，可假设 容器的壳壁很薄，无法承受 弯曲应力，只能承受拉应力 和压应力，并假设这种应力 沿壳壁方向是均匀分布的。 基于这一假设的壳体应力分 析理论称为壳体无力矩理论 或薄膜理论，相应的壳壁应 力称为薄膜应力。R1和R2表 示沿壳体上任一点的的曲率 半径（经线上的曲率半径） 和第二曲率半径（法截面与 壳体相割形成的曲线在点a 外的曲率半径）Date20如图所示：一承受内压的回转 薄壁壳体，厚度为，截面法分 析壳体上任一点的应力状态， 任一壳体中以两相邻的经线截 面，和两个相邻的旋转法截面 ad和bc，截出一微体abcd，由 于壳体内压的作用，在微体的 四个截面上都将承受拉应力。 垂直于ad和bc边的应力称为径向 应力，垂直于ab和cd边的应 力称为周向应力于。微体沿 线的弧长为dl1=R1d,沿法截线的 弧长为dl2=R2d。若薄壳所受的压 力为P。微体abcd面积上所受的外 力为Pdldl2，微体在四个截面上产 生的拉力分别为径向力dl2， 为周向力为dl1Date21拉普拉斯方程式。反映了回转薄壁壳体上任一点处的薄膜应力与壳体所 受的外载荷压力及几何形状之间的相互关系。方程中有两个应力均为未 知量，要求出这两个薄膜应力，还要根据壳体的约束条件找出一个补充 方程，及区域平衡方程式。Date22采用一个旋转法截面将壳体切 开，则切开的环端面与壳体的 真实厚度相等，此时断面上仅 存在径向应力，取截面的下半 部分壳体non,根据分离体的在 oz轴方向的静力平衡方程式。 仅考虑壳体受均布气体压力P作 用时分离体的区域平衡。此时 分离体所受的气体压力P在oz轴 方向的分力为Date23径向应力在在oz轴的分力为Date24二典型的薄壁壳体的应力 1 圆筒形壳体的应力Date25讨论：周向应力是经（轴）向应 力的2倍，所以周向承受应力 更大，周向上就要少削弱面积 ，故开设椭圆孔时，椭圆孔之 短轴平行于筒体轴线，如右图 所示。Date262受气体内压的球形壳体Date27v讨论：对相同的内压，球壳的周向应力要比同 直径、同厚度的圆筒壳的周向应力小一半，这是球 壳显著的优点。球壳体的厚度仅需圆筒形壳体厚度的一半。制造 相同体积的容器，球体的表面积最小，所耗材料也 最少。球形容器的这种受力和几何优势，通常被用 于储存容器特别是大型储存容器的设计制造中。Date28三 边缘应力v 在采用无力矩理论进行内压容器受力分析时，忽略了剪力与弯矩的 影响，这样的简化是可以满足工程设计精度的要求。 v 以筒体与封头联接为例，若平板盖具有足够的刚度，受内压作用 时变形很小。而壳壁较薄，变形量较大，两者连接在一起，在联接处(即 边缘部分)筒体的变形受到平板盖的约束，因此产生了附加的局部应力( 即边缘应力)。v 理论与实验均已证明，发生在连接边缘处的边缘应力具有局部性和 自限性两个基本特性： v 1局部性 不同性质的联接,边缘产生不同的边缘应力，但它们大 多数都有明显的衰减波特性，随着离开边缘的距离增大，边缘应力迅速 衰减。 2自限性 由于边缘应力是两联接件弹性变形不一致，相互制约 而产生的，一旦材料产生了塑性变形，弹性变形的约束就会缓解，边缘 应力自动受到限制，这就是边缘应力的自限性。v 因此，若用塑性好的材料制造筒体，可减少容器发生破坏的危险性 。 正是由于边缘应力的局部性与自限性，设计中一般不按局部应力来确 定厚度，而是在结构上作局部处理。但对于脆性材料，必须考虑边缘应 力的影响。 Date29第三节内压薄壁容器容器设计一般按工艺条件和要求，选择使用材料，确定工艺参数，确定设计参 数并计算容体筒体和封头等原件的强度尺寸。压力容器的设计准则主要以弹性 失效为设计准则，主要是控制壳体主体的基本应力不超过材料的许用应力值。 对结构引起的边缘应力，主要以结构的局部处理为主，必要时，在设计计算式 上乘以应力增强系数。 一 圆筒的计算 壁厚的计算：圆筒安全承压所需的最小理论计算壁厚Date30厚度附加量C满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚度，包括：即 C C1十 C2十 C3C1 钢板厚度负偏差 C2 腐蚀裕量 C3 工艺减薄量Date31当设计压力较低时，容器计算厚度很薄。大型容器刚度不足，不满足运输、安装的要求。限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求。壳体加工成形后不包括腐蚀裕量在内的最小厚度：a. 碳素钢和低合金钢制容器不小于3mm b对高合金钢制容器，不小于2mm最小厚度c.碳素钢、低合金钢制塔式容器mindmaxiD10002, 4mm；d.不锈钢制塔式容器mindmaxiD10002,3mm.Date32最高工作压力 Pw 指在正常工作情况下，容器顶部可能达 到的最高压力。 设计压力 P指在相应设计温度下用以确定容器壳壁，计 算壁厚及其元件尺寸的压力，和设计温度一 起作为设计载荷条件。 公称压力 Pc 一种经标准化后的压力数值，即把众多的压 力数值按等级归纳成一定数目的系列，该系 列中的各压力值称为公称压力。设计参数的确定1.压力12.5610162540 64100 160 200 250 320常用的公称压力如下表所示（单位：102Pa）Date33指容器在正常工作情况下，在相应的设计压力下，设定的元件的金属温度。压力容器的设计温度和其内部介质可能达到的温度不一样。2、设计温度Date34许用应力就是材料受单向拉伸至失效时的应力值（极限应力）除以相应的安全系数。极限应力 可以是3、许用应力和安全系数1)、许用应力安全系数是一个不断发展变化的参数。 随着科技发展，安全系数将逐渐变小。 2）安全系数Date35焊缝区的强度主要取决于熔焊金属、焊缝结构和施焊质量。 焊接接头系数的大小决定于焊接接头的型式和无损检测的长 度比率。 焊接接头系数 是焊接削弱而降低设计许用应力的系数。4、焊接接头系数焊接接头系数Date36压力试验v目的：对容器进行强度和密封性的综合检验。v 1.试验介质v 2.试验压力v 3.试验温度v 4.试验方法及试验程序Date37