第十四章第十四章 内内 压压 容容 器器 设设 计计 14.1概述14.1.1容器的结构 通用零部件筒体，封头，法兰，人孔，手孔，支座及管口。设计时尽可能直接选用这些通用零部件。14.1.2容器的分类：容器的分类：A按容器形状分类按容器形状分类 方形，球形，圆筒形B按承压性质分类按承压性质分类 内，外压容器内压容器习惯上又分为：常压: P0.1MPa低压: 0.1P1.6MPa中压: 1.6P10MPa高压: 10P100MPaC按结构材按结构材料分类料分类 金属，非金属D按使用场合分类按使用场合分类 反应、换热、分离、贮运E按安全监察分类按安全监察分类 一类容器、 二类容器、 三 类容器一类容器：一类容器：（1）非易燃，无毒介质，低 压容器 （2）易燃，有毒介质，低压 分离容器或换热器 二类容器：二类容器：（1）中压 （2）剧毒介质低压 （3）易燃，有毒介质低压反 映器或贮运容器 （4）内径小于1米的低压废 热锅炉三类容器：三类容器： （1）高压，超高压（2）剧毒介质, P*v200LMPa的低压容器或剧毒介质中压容器（3）易燃有毒介质，P*v500LMPa的中压反应容器，P*v500LMPa中压贮运容器（4）中压废热锅炉或内径小于1米的低压废热容器14.1.3容器机械设计的基本要求容器机械设计的基本要求1.确定工艺尺寸； 2.强度、刚度、稳定性、耐久性、气密性、其他。14.2容器的受力分析14.2.1薄壁容器的应力分析A薄壁容器的概念（1）厚壁容器 K1.2（2）薄壁容器 K1.2B回转薄壁壳体的应力分析 化工上常用的圆筒形、圆锥形、球形等薄壁容器，都属于回转薄壁壳体。假设：壳体简化成薄膜，在内里的作用下，均匀膨胀，薄膜的横截面几乎不能承受弯矩，因此壳体在内压作用下产生的主要内力是拉力。沿着厚度方向是均匀分布的。R1d1abQ1d1/2d1/2Q1R2d2bcQ2d2/2d2/2Q2R1R2r2211d1d2d dl1dl21122abcdk2K1在内压力的作用下，在微体abcd面积上受力为：F=Pdl1dl2在微体四个截面上的拉力分别为：bc与ad截面上的经向力Q1=1dl2ab与cd截面上的环向力Q2=2dl1根据力的平衡原理，所有作用在微体上的力沿微体法线方向投影的代数和应等于零。R1R2r2211d1d2d dl1dl2FXYZF11d2d222d1d1因为微体的曲率半径夹角d1和d2很小，Oz轴的分力为： dQ=P2rdlcos 由图可知： cos=dr/dl 故 dQ= 2rPdr如果壳体只承受气压，则在内力的作用下，non壳体的截面上必将产生内力，其值在oz轴方向的分力为： Q=2rK 1cos根据分离体平衡条件 Q= Qdl dr r11r0rnn、rkk、kdl zoQ=2rK 1cos根据分立体平衡条件 Q= Q得：如果壳体承受液体，则11r0rnn、rkk、kdl zodl dr r14.2.2薄壁容器应力分析的实例A 受气压的圆筒形壳体 R1= , R2= R 代入取圆筒体下半为分离体对于Rk=R , cos=cos0=1故径向应力 11r0rnn、rkk、kdl zoB 受气压的球形壳体 R1= R2=R 1= 2= 则：C受气压的锥形壳体对于锥形壳体R1= , R2=r/cos2R2rD 受气压的椭球形壳体 椭圆形曲线方程为：baxR1R2112214.2.3边缘应力的概念M0M0Q0Q014.3 内压薄壁壳体的厚度设计内压薄壁壳体的厚度设计c +cD1DD0（一）强度设计（一）强度设计A :内压圆筒的厚度计算 径向应力： 环向应力： 2 = 21因强度理论规定: 2tp 设计压力（MPa）D 中径 圆筒的计算厚度（mm）t许用应力（MPa）考虑若干因素：焊缝系数焊缝系数 : 由于有夹渣、气孔、未焊透以及焊缝两侧过热区的影响，造成强度的减弱，因此要将钢材的需用应力适当的减少。 设= （ 1）适用于设计压力p0.4 中的范围厚度的附加量厚度的附加量c: 由于考虑到钢板在轧制过程的负偏差、生产过程各种介质的腐蚀等因素的影响； d = + c式中：d 设计厚度 圆筒纵焊缝系数B 内压球壳的厚度计算内压球壳的厚度计算球形壳体受气压时，径向压力径向压力=环向压力环向压力球形容器比圆筒形容器具有表面积小，厚度薄，材料节省的优点。考虑焊缝系数及厚度附加量适用于设计压力p0.6 中的范围（二）设计参数确定（二）设计参数确定A 设计压力设计压力P无安全泄放装置 P = （1.01.1）PW 使用安全泄放装置 P = （1.051.1）PW 工程单位：kgf/cm2国际单位：MPa圆整前圆整后圆整前圆整后小于60.1小于0.60.016-160.50.6-1.60.05大于161大于1.60.1B 设计温度设计温度 设计温度是指容器正常工作，在相应设计压力作用下，器壁金属可能达到的最高温度或最低温度。见表14-2C 许用应力许用应力t见表14-3D焊缝系数焊缝系数表14-5 焊缝系数接头型式全部无损探伤局部无损探伤双面焊1.000.85带垫板的单面焊0.900.80E厚度厚度a.附加量附加量c c=c1 +c2 (mm) C1-负偏差 表14-5 C2-腐蚀裕量 表14-6钢板标准GB6654-96GB3631-96GB3274-88 GB3280-92 GB4237-92 GB4238-92钢板厚度全部厚度5.57.57.525253030343440405050606080负偏差C10.250.60.80.91.01.11.21.31.4腐蚀程度不腐蚀轻微腐蚀腐蚀重腐蚀腐蚀速率（mm/a）0.050050.130.130.250.25腐蚀余量（mm）0123b.最小厚度最小厚度碳素钢和低合金钢容器 Di 3800mm时时Di 3800mm时时不锈钢3 计算厚度计算厚度按有关公式计算得到4 设计厚度设计厚度5 名义厚度名义厚度6 有效厚度有效厚度7 实际厚度实际厚度c1c2dne 实实14.3.3压力试验压力试验水压和气压水压和气压两种实验方法液压PT=1.25P/ t气压PT=1.15P/ t 例14-1液氨贮罐的桶体设计已知条件：设计压力p=2.5MPa，操作温度-544，贮罐内径Di=1200mm。设计要求：确定桶体厚度、钢材牌号。解：纯液氨腐蚀性很小，压力较高，可以考虑采用20R、16MnR、15MnVR等钢种。第一方案 采用16MnR在-544，取=170MPa, =0.85, C2=1mm, C1=0.8mm, C= C1 + C2= 1.8mmd= +c=10.47+1.8=12.27mm根据钢板厚度规格, 取n=14mm,水压试验强度校核：PT=1.25P=3.13MPa.水压试验时的应力16MnR在常温水压试验时的许用应力T=0.9s=0.9345=310.5MPa 因为T T, 故桶体厚度满足水压试验强度试验。第二方案 20R钢板的=133MPa，=0.85。 C1=0.8mm, C= C1 + C2= 1.8mm d= +c=13.42+1.8=15.22mm 按钢板厚度规格，园整为n=16mm。水压试验时的应力20R钢制容器常温水压试验时的许用应力T=0.9s=0.9245=220.5MPa 因为T T,故桶体厚度满足水压试验强度试验。两种方案的比较：3 内压封头的厚度设计内压封头的厚度设计凸形：半球形、椭圆形、碟形圆锥形平板形14-6 某厂需要设计一台液氨贮罐，其内径为1800mm，总容积12m3，最大工作压力1.6MPa，工作温度-1040 ，试选择筒体材料和型式，并计算筒体厚度。解：根据容器承装的物品性质及特点，选用圆筒形容器，选用20R，Di1800mm，设计压力选取最大工作压力1.1倍， P=1.11.6=1.76MPa， =133MPa,焊缝采用V型坡口双面焊接，局部无损探伤，0.85，=PDi/2 t-P =1.76 1800/ /2 133 0.85-1.76=14.1mm查表14-6可知：负偏差取0.25mm，腐蚀余量取1mm，则设计厚度为d=14.1+0.25+1=15.35mm取n=16mm ， e=16-0.25-1=14.75mm水压试验强度校核：PT=1.251.76=2.2MPaT=PTDi+ e/2 e =2.2 1800+ 15.75/2 14.750.85=159.3MPa20R钢制容器常温水压试验时的许用应力T=0.9s=0.9245=220.5MPa 因为T T,故桶体厚度满足水压试验强度试验14-7某厂脱水塔的塔体内径700mm，实际厚度为12mm，材料为20R，其200时的s=245MPa，塔的工作压力P=2MPa，工作温度180，塔体采用单面对接焊（带垫板），局部无损检测，腐蚀余量1mm，试校核塔体工作与试压时的强度。解：Di700mm，实际厚度12mm，C2=1mm，P=2MPa， s=245MPa， 0.80 e=12-1=11mm塔体工作强度为：采用液体试压试压时强度：设计压力取1.1倍工作压力，则P=1.12=2.2MPa14-8设计一台不锈钢（0Cr18Ni10Ti）制承压容器，最大工作压力1.6MPa，装有安全阀，工作温度150 ，容器内径1.2m，筒体纵向焊缝为双面对接焊，做局部透视，试确定容器厚度。解：Di1200mm，Pw=1.6MPa，0.85，t=103MPa ，腐蚀余量为0mm； 查表得：s=205MPa， 设计压力取1.1倍工作压力，则 P=1.1Pw=1.11.6=1.76MPa采用液体试压试压时强度：答：器壁厚度为14mm。14-9 一材质为20R的反应釜，内径为1600mm，正常操作压力为1.3MPa，安全阀的开启压力为1.4MPa，反应温度200 ，介质有轻微腐蚀，取C2=1mm，焊缝为双面对接焊，局部无损探伤，经检修实测最小厚度为12mm，试判断该釜能否继续使用。14-9解：Di1600mm，实际厚度12mm, C2=1mm， 设计压力取安全阀的开启压力Pw=1.4MPa， s=245MPa，0.85, e=12-1=11mm14-10 某化肥厂加压变换饱和热水塔内径为800mm，厚度为12mm，材料20R，塔的工作压力1.2MPa，工作温度60 ，塔体采用带垫板单面对接焊，局部无损检测，因受硫化氢严重腐蚀，使用九年后突然爆炸，问此时塔体仅存厚度为多少？介质对材料的腐蚀速率为多少？解： Di800mm，工作压力P=1.2MPa， 0.80, t=133MPa