第第3节节 内压容器设计内压容器设计内压薄壁容器厚度计算公式及其应用；内压薄壁容器厚度计算公式及其应用；厚壁内压容器壁厚的计算；厚壁内压容器壁厚的计算；压力容器封头的类型与内压容器壁厚计算；压力容器封头的类型与内压容器壁厚计算；内压容器的计算例题。内压容器的计算例题。 1、 内压圆筒的壁厚计算公式内压圆筒的壁厚计算公式适用范围： ， 此时，K1.5 式中： 圆筒的计算厚度，mm。（required thickness） P设计压力，MPa； Di圆筒内径，mm； 材料使用温度下的许用应力，MPa； 焊接接头系数。 公称直径公称直径DNDN：指标准化以后的标准直径，：指标准化以后的标准直径，以以DNDN表示，单位表示，单位mmmm，例如内径，例如内径1200mm1200mm的容器的公称直径标记为的容器的公称直径标记为DN1200DN1200。1.1 容器直径的影响容器直径的影响 压力容器的公称直径压力容器的公称直径 钢板卷焊公称直径是内径。钢板卷焊公称直径是内径。300(350)400(450)500(550)600(650)700(750)8009001000(1100)1200(1300)1400(1500)1600(1700)1800(1900)2000(2100)2200(2300)2400 2500 2600 28003000 3200 3400 3500 3600 3800 4000 4200 4400 45004600 4800 5000 5200 5400 5500 5600 5800 6000 容器直径较小，可直接用无缝钢管容器直径较小，可直接用无缝钢管制作。公称直径指钢管外径。制作。公称直径指钢管外径。159219273325377426表 无缝钢管制作筒体时容器的公称直径（mm）v设计时，应将工艺计算初步确定的设计时，应将工艺计算初步确定的设备内径，调整为符合表所规定的设备内径，调整为符合表所规定的公称直径。公称直径。 v封头的公称直径与筒体一致。封头的公称直径与筒体一致。1.2 设计压力（设计压力（design pressure） 工作压力工作压力PW ：在正常的工作情况下，容器顶部可能达到：在正常的工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。的最高压力。 由于最大工作压力是容器顶部的压力，所以对于塔类由于最大工作压力是容器顶部的压力，所以对于塔类直立容器，直立进行水压试验的压力和卧置时不同；直立容器，直立进行水压试验的压力和卧置时不同； 工作压力是根据工艺条件决定的，容器顶部的压力和工作压力是根据工艺条件决定的，容器顶部的压力和底部可能不同，许多塔器顶部的压力并不是其实际最高工底部可能不同，许多塔器顶部的压力并不是其实际最高工作压力。（作压力。（the maximum allowable working pressure） 标准中的最大工作压力，最高工作压力和工作压力概标准中的最大工作压力，最高工作压力和工作压力概念相同。念相同。设计压力设计压力 指设定的容器顶部的最高压力，与相应指设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。作压力。 对最大工作压力小于对最大工作压力小于0.1Mpa 的内压容器，设计的内压容器，设计 压力取为压力取为0.1Mpa； 当容器上装有超压泄放装置时，应按当容器上装有超压泄放装置时，应按“超压泄放超压泄放装置装置”的计算方法规定。使用安全阀时设计压力不的计算方法规定。使用安全阀时设计压力不小于安全阀开启压力或取最大工作压力小于安全阀开启压力或取最大工作压力1.051.10倍；倍； 对于盛装液化气体的装置，在规定的充满系数范对于盛装液化气体的装置，在规定的充满系数范围内，设计压力由工作条件下，可能达到的最高金围内，设计压力由工作条件下，可能达到的最高金属温度确定。属温度确定。计算压力计算压力PC 是指在相应设计温度下，用以确定元件厚是指在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，包括液柱静压力，当静压力值小于度的压力，包括液柱静压力，当静压力值小于5的设计的设计压力时，可略去静压力。压力时，可略去静压力。 注意与注意与GB150对设计压力规定的区别；对设计压力规定的区别；钢制压力容器钢制压力容器规定设计压力是指在相应设计温度下，规定设计压力是指在相应设计温度下，用以确定容器壳壁计算厚度的压力，亦是标注在铭牌上的用以确定容器壳壁计算厚度的压力，亦是标注在铭牌上的设计压力，取略高或等于最高工作压力。当容器受静压力设计压力，取略高或等于最高工作压力。当容器受静压力值大于值大于5设计压力时，应取设计压力与液柱静压力之和设计压力时，应取设计压力与液柱静压力之和进行元件的厚度计算。进行元件的厚度计算。 使许多设计人员误将设计压力和液使许多设计人员误将设计压力和液柱静压力之和作为容器的设计压力。柱静压力之和作为容器的设计压力。 一台设备的设计压力只有一个，是整台设备的载荷参一台设备的设计压力只有一个，是整台设备的载荷参数，而计算压力是受压元件的计算参数，反映受压元件的数，而计算压力是受压元件的计算参数，反映受压元件的实际状态，在不同部位可能有所变化。实际状态，在不同部位可能有所变化。 计算压力在压力容器总图的技术特性中不出现，只在计算压力在压力容器总图的技术特性中不出现，只在计计 算书中出现。算书中出现。1.3 设计温度（设计温度（Design temperature） 设计温度是指容器在正常工作情况下，在相应的设计温度是指容器在正常工作情况下，在相应的设计压力下，设定的受压元件的金属温度。主要用于设计压力下，设定的受压元件的金属温度。主要用于确定受压元件的材料选用、强度计算中材料的力学性确定受压元件的材料选用、强度计算中材料的力学性能和许用应力，以及热应力计算时设计到的材料物理能和许用应力，以及热应力计算时设计到的材料物理性能参数。性能参数。 设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的最设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度；高温度；当设计温度在当设计温度在0以下时，不得高于元件金属可能达到以下时，不得高于元件金属可能达到的最低温度；的最低温度； 当容器在各部分工作状态下有不同温度时，可分别设当容器在各部分工作状态下有不同温度时，可分别设定每一部分的设计温度；定每一部分的设计温度； 许许用用应应力力是是以以材材料料的的极极限限应应力力除除以以适适当当的的安安全全系系数数，在在设设计计温温度度下下的的许许用用应应力力的的大大小小，直直接接决决定定容容器器的的强强度度，GB150-1998 对对钢钢板板、锻锻件件、紧紧固固件件均均规规定定了了材材料的许用应力。料的许用应力。 为为了了控控制制螺螺栓栓的的弹弹性性变变形形，螺螺栓栓的的许许用用应力比其他受压元件的要低；应力比其他受压元件的要低； 小直径的螺栓许用应力比大直径的低。小直径的螺栓许用应力比大直径的低。1.4 许用应力许用应力设计温度条件下的许用应力 设计温度下的强度极限 设计温度下的屈服极限 设计温度下的持久极限 设计温度下的蠕变极限 持久极限安全系数 蠕变极限安全系数 以 和 为依据是限制容器不发生过大的变形，在工作条件下完全处于弹性状态。 以 为依据是为了保证容器破裂有一定的安全裕度。 为依据是控制容器发生蠕变时的变形速度。 以 为依据是为了保证容器在长期工作中对断裂的抗力。 压力容器采用的碳素钢和低合金钢，设计温度低于420 ；奥氏体不锈钢低于550 。不考虑持久强度和蠕变强度。在强度极限和屈服极限三个公式中选取小值。安全系数 选取安全系数考虑了下列因素： 应力计算的正确性（计算精确性）； 材料的质量（国内外材料生产水平）； 制造工艺和使用管理的先进性（获得制造许可证的厂商制造水平）； 容器在生产中的地位和危险安全程度； 检验水平； 载荷的确切程度。随着生产的发展和科学研究的深入，安全系数也在逐步地降低；例如：20世纪50年代，Nb为4.0，Ns为3.0。安全系数的选取应该视具体问题具体分析，不仅有理论分析还需要有长期的工作经验；中国GB150-和ASME的一个主要区别为中国的安全系数比ASME小，美国的技术比中国落后？日本地震根源问题以及双汇与锦湖轮胎的问题。 （1）焊接接头金属的强度和基本金属强度相等，甚至超过基本金属强度。 （2）热影响区有热应力，焊接接头金属晶粒粗大； （3）焊接接头中心出现气孔和未焊透缺陷； 所以焊接接头成为薄弱环节，须采用焊接接头强度系数，补偿焊接时可能产生的强度消弱。焊接接头系数是指焊接接头强度与母材强度的比值，用于反映由于焊接原因使焊接接头强度被消弱的程度。应该根据受压元件的焊接接头型式及无损检测的长度比例确定。1.5 焊接接头消弱系数（Joint efficiency）Contents 第一节第一节 焊接接头及其分类焊接接头及其分类 第二节第二节 GB150 关于压力容关于压力容 器上的焊接接头的分类器上的焊接接头的分类 第三节第三节 压力容器焊接的注意事项压力容器焊接的注意事项 第三节第三节 焊接接头的检验焊接接头的检验 第四节第四节 几种常用的压力容器焊接结构几种常用的压力容器焊接结构 第七节 容器的焊接结构（Weldedstructureofpressurevessels）1 焊接接头及其分类焊接接头及其分类 焊接接头焊接接头（welded joints）：指两个零件或者一个零件指两个零件或者一个零件的两个部分在焊接连接部位处的结构总称。其包括：焊的两个部分在焊接连接部位处的结构总称。其包括：焊缝、熔合线与热影响区。全面描述一个焊接接头应包括：缝、熔合线与热影响区。全面描述一个焊接接头应包括：接头形式、坡口形式和焊接形式。接头形式、坡口形式和焊接形式。 （1）接接头头形形式式（types of welded joints）：焊焊接接接接头头中中两两个个相相互互连连接接零零件件的的相相对对位位置置关关系系。有有对对接接焊焊、角角接接焊、焊、 丁字接丁字接焊与搭接焊。焊与搭接焊。对接对接焊：两个相互连接零件在接头处的中面基本处于同焊：两个相互连接零件在接头处的中面基本处于同一平面或者同一曲面内；图（一平面或者同一曲面内；图（a）角接角接焊、焊、 丁字接丁字接焊；两个相互连接零件在接头处的中面焊；两个相互连接零件在接头处的中面相互垂直或者相交于一个角度图（相互垂直或者相交于一个角度图（b）。）。搭接焊搭接焊 两个相互连接零件在接头处的中面有部分相互两个相互连接零件在接头处的中面有部分相互重合在一起，他们的中面相互平行。重合在一起，他们的中面相互平行。（2）坡口形式：坡口形式： 为了保证全熔透和焊接的质量，减少焊接变为了保证全熔透和焊接的质量，减少焊接变形，进行焊接前，一般需将焊件连接处加工成形，进行焊接前，一般需将焊件连接处加工成各种形状，称为焊接坡口。如图所示五种基本各种形状，称为焊接坡口。如图所示五种基本形式。形式。 等厚度板的对接缝等厚度板的对接缝 为了确保焊缝的质量为了确保焊缝的质量,应尽量采用等厚应尽量采用等厚度对接。厚度在度对接。厚度在6mm以下的对接缝可以以下的对接缝可以不开坡口。板厚度大于不开坡口。板厚度大于6时时,为了防止为了防止焊缝出现焊不透的现象焊缝出现焊不透的现象,根据不同板厚根据不同板厚,开开不同形式的坡口不同形式的坡口。采用单面坡口采用单面坡口原则：原则： 对对于于容容器器内内空空间间过过小小, ,无无法法从从内内部部进进行行焊焊接接时时的的焊焊缝缝, ,采采用用单单面面坡坡口口。板板厚厚 s2Omms2Omm,S2Omm时时用用U U型型坡口坡口。图图 单面坡口型式单面坡口型式 采用双面坡口采用双面坡口原则：原则： 当两面都可以进行焊接当两面都可以进行焊接时时, ,为了保证焊缝质量为了保证焊缝质量, ,要采用双面坡口要采用双面坡口。s=20s=2040mm40mm时用对称时用对称X X型型,s=30,s=306Omm6Omm时用对称时用对称U U型型。 双面坡口型式双面坡口型式(手工焊手工焊) 必必须须注注意意, ,自自动动焊焊和和手手工工焊焊对对于于板板厚厚的的适适用用范范围围和和坡坡口口尺尺寸寸均均不不相相同同, ,设设计计时时可可参参考考“GB985GB9858888”气气焊焊、手手工工焊焊电电弧弧焊焊及及气气体体保保护护焊焊焊焊缝缝坡坡口口的的基基本本形形式式与与尺尺寸寸，“GB986GB9868888”埋埋弧弧焊焊焊焊缝缝坡坡口口的的基本形式与尺寸。基本形式与尺寸。 衬垫板的对接焊缝衬垫板的对接焊缝 当容器内侧无法当容器内侧无法进行进行焊接而采用单面坡口时焊接而采用单面坡口时, ,为了为了保证焊缝根部焊透保证焊缝根部焊透, ,常采用带垫板的对接焊缝常采用带垫板的对接焊缝, ,以提高以提高焊缝质量焊缝质量，垫板材料可用钢或紫铜。应注意垫板与焊垫板材料可用钢或紫铜。应注意垫板与焊接件的密合接件的密合, ,焊后最好将垫板拆除焊后最好将垫板拆除, ,但却不一定都能做但却不一定都能做到。到。 图 带垫片的对接焊缝(手工焊) 不等厚钢板的对接焊缝不等厚钢板的对接焊缝 在不等厚钢板对接时在不等厚钢板对接时, ,应将厚板削薄应将厚板削薄, ,使对接处的厚度相同。当薄使对接处的厚度相同。当薄板厚度板厚度s s2 2lOmm,s33或或s s2 2lOmm,lOmm, s s1 1-s-s2 20.3s0.3s2 2或或s s1 1-s-s2 255时，均时，均应按图的要求应按图的要求, ,削薄厚板边缘。削薄厚板边缘。 图图 不等厚度板的对接不等厚度板的对接 坡口设计原则坡口设计原则尽量减少填充金属量。尽量减少填充金属量。保证焊透，避免产生各种焊接缺陷。保证焊透，避免产生各种焊接缺陷。便于施焊，改善劳动条件。便于施焊，改善劳动条件。减少焊接变形和残余变形量。减少焊接变形和残余变形量。（3）焊缝形式焊缝形式定义：表明焊接接定义：表明焊接接头中熔化面间的关头中熔化面间的关系。与接头形式有系。与接头形式有区别。区别。 对接对接焊缝焊缝 由两个相对的由两个相对的熔化面及其中间的熔化面及其中间的焊缝金属组成；焊缝金属组成；角接角接焊缝焊缝 由相互垂直或者由相互垂直或者相交为某一角度的相交为某一角度的两个熔化面及呈三两个熔化面及呈三角形断面形状的焊角形断面形状的焊缝金属所构成。缝金属所构成。组合焊缝组合焊缝 是由对接焊缝是由对接焊缝和角焊缝组合而和角焊缝组合而成的焊缝。成的焊缝。2 GB150关于压力容器上的焊接接头的分类关于压力容器上的焊接接头的分类根据压力容器上的焊接接头仅仅按其所根据压力容器上的焊接接头仅仅按其所处的位置进行划分处的位置进行划分A、B、C、D四类；四类；分类目的：对焊接接头在对口错边量、分类目的：对焊接接头在对口错边量、热处理、检验等方面有针对性地。热处理、检验等方面有针对性地。（1）焊接接头布置应避免交叉和密集）焊接接头布置应避免交叉和密集 主要受压元件上的主要受压元件上的A、B类焊接接头应避免十字交叉类焊接接头应避免十字交叉 几条焊缝汇集在一起时应设法避开几条焊缝汇集在一起时应设法避开（2）焊接接头应尽量避开高应力区）焊接接头应尽量避开高应力区（3）尽量降低焊件刚度）尽量降低焊件刚度焊接接头布置原则焊接接头布置原则3 压力容器焊接的注意事项压力容器焊接的注意事项 纵焊缝间的距离纵焊缝间的距离 在同一小区内尽量避免多次焊接在同一小区内尽量避免多次焊接，两相邻两相邻筒节的纵焊缝要错开一段距离筒节的纵焊缝要错开一段距离a,a3s,a,a3s,且且a a40mm40mm(S(S为板厚为板厚) )以避免十字交叉焊缝以避免十字交叉焊缝，如图如图1.201.20示。示。 图 纵焊缝间的距离 焊缝要尽量离开容器的几何形状和焊缝要尽量离开容器的几何形状和壁壁厚突变厚突变的地方的地方，例如当椭圆形封头与简体对焊例如当椭圆形封头与简体对焊时，时，一定要加一个直边过渡部分一定要加一个直边过渡部分，让两个圆柱体让两个圆柱体相连相连，以使焊缝避开应力复杂的区域。以使焊缝避开应力复杂的区域。 容器上凡被补强圈、支座、垫板等覆盖的焊缝，均应打磨至与母材齐平，详见下图（1）尽量采用对接接头）尽量采用对接接头（2）尽量采用全焊透结构）尽量采用全焊透结构 （3）尽量减小焊缝处的应力集中）尽量减小焊缝处的应力集中 （4）便于进行无损检验）便于进行无损检验焊接结构设计原则焊接结构设计原则n尽量采用对接接头尽量采用对接接头 例如在壳体和接管的连接焊缝，一般为角焊缝，但例如在壳体和接管的连接焊缝，一般为角焊缝，但改为整煅件补强接管，如下图所示，则可以减少应改为整煅件补强接管，如下图所示，则可以减少应力集中程度，而且也方便了无损探伤。力集中程度，而且也方便了无损探伤。n尽量采用全熔透的结构，采取的措施为开各种适当尽量采用全熔透的结构，采取的措施为开各种适当的坡口；的坡口；n减量减少焊缝处的应力集中，例如等厚度焊接。减量减少焊缝处的应力集中，例如等厚度焊接。（1 1）焊接接头缺陷）焊接接头缺陷 外部缺陷外部缺陷焊缝截面不丰满或者余高过高。焊缝截面不丰满或者余高过高。4 焊接接头的检验焊接接头的检验焊缝漫溢。焊缝漫溢。咬边；咬边；表面气孔和裂纹表面气孔和裂纹n焊缝检验尺焊缝检验尺 主要指气孔、裂纹、未焊透、夹渣及未熔主要指气孔、裂纹、未焊透、夹渣及未熔合等，一般需要采用射线拍片或者超声波合等，一般需要采用射线拍片或者超声波探伤来发现。探伤来发现。内部缺陷内部缺陷l常用的无损检测方法的比较5 几种常用的压力容器焊接结构几种常用的压力容器焊接结构筒体、封头及其相互间连接的焊接结构：筒体、封头及其相互间连接的焊接结构： 纵、环焊缝必须采用对接接头。纵、环焊缝必须采用对接接头。接管与壳体及补强圈间的焊接结构：一般只能接管与壳体及补强圈间的焊接结构：一般只能 采用角接焊和搭接焊，具体的焊接结构还与容器采用角接焊和搭接焊，具体的焊接结构还与容器的强度和安全性要求有关。的强度和安全性要求有关。 （1）不带补强圈的插入式接管焊接结构）不带补强圈的插入式接管焊接结构中低压容器中低压容器不需另作补强的小直径接管用得最多的焊接不需另作补强的小直径接管用得最多的焊接结构，接管与壳体间隙应小于结构，接管与壳体间隙应小于3mm，否则易产生裂纹或，否则易产生裂纹或其它焊接缺陷。其它焊接缺陷。（2）不带补强圈的插入式接管焊接结构）不带补强圈的插入式接管焊接结构尽量与壳体贴合紧密，焊接结构力求完善合理。尽量与壳体贴合紧密，焊接结构力求完善合理。但只能采用搭接和角接，难保全熔透，也无法进但只能采用搭接和角接，难保全熔透，也无法进行无损检测，焊接质量不易保证。行无损检测，焊接质量不易保证。 （3）安放式接管的焊接结构）安放式接管的焊接结构结构拘束度低、焊缝截面小、较易进行射线检测。结构拘束度低、焊缝截面小、较易进行射线检测。 （4）嵌入式接管的焊接结构）嵌入式接管的焊接结构 属于整体补强结构中的一种，适用于承受交变属于整体补强结构中的一种，适用于承受交变载荷、低温和大温度梯度等较苛刻的工况。载荷、低温和大温度梯度等较苛刻的工况。 （5）凸缘与壳体的焊接结构）凸缘与壳体的焊接结构 1）角焊连接：连接不承受脉动载荷的容器凸缘与）角焊连接：连接不承受脉动载荷的容器凸缘与壳体，如图壳体，如图4-54所示。所示。2）对接连接：连接压力较高或要求全熔透的容器）对接连接：连接压力较高或要求全熔透的容器凸缘与壳体，凸缘与壳体，如图如图4-55（扫描后加入）。（扫描后加入）。 双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头： 100无损探伤， 1.00； 局部无损探伤， 0.85； 单面焊的对接接头，沿焊接接头根部全长具有紧贴基本金属的垫板： 100无损探伤， 0.90； 局部无损探伤， 0.8；思考题思考题（1）化工压力容器焊接结构设计的基本原则是什）化工压力容器焊接结构设计的基本原则是什么？么？（2）焊缝的外部缺陷主要有哪几种？）焊缝的外部缺陷主要有哪几种？（3） 简述焊接接头形式；简述焊接接头形式； 核心：采用塑性失效设计准则：核心：采用塑性失效设计准则：Mises屈服失效判据的全屈服压力：屈服失效判据的全屈服压力： 圆筒计算厚度：圆筒计算厚度：（4-16）nso2.02.2。ASME -3 采用式（采用式（4-16）。单层厚壁筒体（计算压力大于单层厚壁筒体（计算压力大于0.4t），），常采用常采用塑性失效设计准则塑性失效设计准则或或爆破失效设计准则爆破失效设计准则进行设计。进行设计。厚壁容器的设计尽量采用公式，与试验值很接近；热套式、多层包扎、绕板式、扁平钢带的圆筒计算方法与单层薄壁圆筒相同，计算压力 可以直接采用薄壁的计算公式，但是许用应力计算不同：多层圆筒的计算多层圆筒的计算式中式中 i多层圆筒多层圆筒内筒内筒的名义厚度，的名义厚度，mm； o多层圆筒多层圆筒层板总厚层板总厚度，度，mm； it设计温度下多层圆筒设计温度下多层圆筒内筒内筒材料的许用应力，材料的许用应力，MPa； ot设计温度下多层圆筒设计温度下多层圆筒层板或带层材料层板或带层材料的许用应力，的许用应力， 对扁平钢带倾角错绕式筒体，应乘以钢带倾角错绕对扁平钢带倾角错绕式筒体，应乘以钢带倾角错绕 引起的环向削弱系数引起的环向削弱系数0.9，MPa； i多层圆筒多层圆筒内筒内筒的焊接接头系数，一般取的焊接接头系数，一般取i=1.0； o多层圆筒多层圆筒层板层板层或带层的焊接接头系数，对于多层层或带层的焊接接头系数，对于多层 包扎式筒体，取包扎式筒体，取o=0.95，其余筒体取，其余筒体取o=1.0。圆筒设计厚度: (2-12) design thickness 计算壁厚与腐蚀余量C2之和称为设计壁厚。可以将其理解为同时满足强度、刚度和使用寿命的最小厚度。 nC2为腐蚀裕度 根据介质对选用材料腐蚀速度和设计使用寿命共同考虑。nC2=k a， mm； nk腐蚀速度（corrosion rate），mm/a； a设计年限（desired life time）。n对碳素钢和低合金钢，C2 1mm；对于不锈钢，当介质腐蚀性能极微时，取C20。圆筒的名义厚度: （2-13） normal thickness 设计厚度加上钢板负偏差C1后向上圆整至刚才标准规格的厚度，即标注在设计图样上的壳体厚度。 。C1钢板负偏差。任何名义厚度的钢板出厂时，都允许有一定的负偏差。钢板和钢管的负偏差按钢材标准的规定。当钢板负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6时，负偏差可忽略不计。 钢板负偏差以名义厚度为依据进行选取。圆筒的有效厚度：圆筒的有效厚度： 名义厚度减去腐蚀裕量和钢材厚度负偏差，从性质上可以理解为真正可名义厚度减去腐蚀裕量和钢材厚度负偏差，从性质上可以理解为真正可以承受介质压强的厚度，成为有效厚度。数值上可以看作是计算厚度以承受介质压强的厚度，成为有效厚度。数值上可以看作是计算厚度加上向上钢材圆整量。加上向上钢材圆整量。 厚度系数：圆筒的有效厚度和计算厚度之比称为圆筒的厚度系数。厚度系数：圆筒的有效厚度和计算厚度之比称为圆筒的厚度系数。容器最小壁厚：n规定容器的最小壁厚是为了满足制造、运输及安装过程中感度要求，根据工程经验所规定的不包括腐蚀裕量的最小壁厚。n1碳素钢和低合金钢制造的容器，最小壁厚不小于3mm； n2高合金钢制容器，（如不锈钢制造的容器），最小壁厚不小于2mm。表5 钢板的常用厚度表(2)内压作用下球壳的计算公式 若K 1.5时，球壳的壁厚可用中径公式进行计算的薄膜应力作为相当应力而建立强度条件。 (2-17) 式中：Di球壳的内直径。(3) 球壳的校核公式： (2-18) 式中，符号同前。3 封头设计公式封头设计公式压力容器封头有：凸形封头、锥形封头及平盖。压力容器封头有：凸形封头、锥形封头及平盖。(1)凸形封头凸形封头凸形封头：凸形封头： 半球形封头。半球形封头。 椭圆形封头。椭圆形封头。 碟形封头。碟形封头。 球冠形封头，球冠形封头，椭圆形封头推荐用长短轴比值为椭圆形封头推荐用长短轴比值为2的标准形。的标准形。半球形封头半球形封头半球形封头的厚度采用球壳的壁厚设计公式进行计算。从受力方面：是最理想的结构形式；多用于高压容器。缺点：（1）深度大，小直径的冲压困难；（2）大直径采用分瓣安装的拼焊工作量大。内压内压(凹面受压凹面受压)椭圆形封头椭圆形封头标准椭圆形封头的计算厚度按式标准椭圆形封头的计算厚度按式2-19计算：计算： (2-19)非标准椭圆形封头计算厚度按式非标准椭圆形封头计算厚度按式2-20计算：计算： (2-20)式中：式中：K 椭圆形封头形状系数，推导详见教材椭圆形封头形状系数，推导详见教材140。 其值列于表其值列于表2-2。考虑周向压应力的存在，标准椭圆形封头的有效厚度应不小于封头内直径的0.15，其他椭圆形封头的有效厚度应不小于0.30。但当确定封头厚度时已考虑了内压下的弹性失稳问题，可不受此限制。 椭圆形封头的最大允许工作压力按式(2-21)计算： (2-21)碟形封头(带折边球形封头)有：球面体，过渡段和圆柱体组成。 封头计算厚度按式(2-22)计算： 式中：M碟形封头形状系数 其值列于表2-3。 对于Ri=0.9Di、r=0.17Di的碟形封头，其有效厚度不小于封头内直径的0.15，其他碟形封头的有效厚度应不小于0.30。但当确定封头厚度时已考虑了内压下的弹性失稳问题，可不受此限制。 碟形封头的最大允许工作压力按式(2-23)计算： (2-23) 球冠形封头 球冠形封头在大多数情况下，用作容器中两独立受压室的中间封头，也可用作端封头。其结构形式如图(2-6)所示。应用的场所。图2-6 球冠形封头示意图 封头和筒体连接的角焊接接头应采用焊透结构，因此，应适当控制封头厚度，以保证焊接质量。 受内压（凹面受压）球冠形中间封头 封头的设计厚度按式（2-24）计算 （2-24） 式中Q值查图2-7 两侧受压的球冠形中间封头 当不能保证在任何情况下封头两侧的压力都同时作用时，封头计算厚度应分别按下列两种情况计算，取较大值： a)只考虑封头凹面侧受压，计算厚度按式（2-24）确定，Q值由图查取； （2-24） b)只考虑封头凸面侧受压，Q查相应的图需要进行稳定性计算 （见GB150-1998）。 Q值图 如果两端都受压力，就应该按照压力差计算，然后分别按前面两种情况计算。 与封头连接的圆筒 在任何情况下，与球冠形封头连接的圆筒厚度应不小于封头厚度。否则，应在封头与圆筒间设置加强段过渡连接。圆筒加强段的厚度应与封头等厚；端封头一侧或中间封头两侧的加强段长度L均应不小于 。(2)锥形封头锥形封头 锥形封头有三种形式锥形封头有三种形式 无折边锥壳；（无折边锥壳；（a）与（）与（b） 折边锥壳折边锥壳（c） 锥形封头和椭圆形、半球形封头相比强度较差。 在工业生产中，但当操作介质含有固体颗粒或当介质粘度很大时，采用锥形封头有利于出料，亦有利于流体的均匀分布。此外，顶角较小的锥壳还可用来改变流体的流速，因此，锥形封头仍得到广泛应用。锥壳厚度锥壳的计算厚度按下式计算 (2-25)式中： 锥壳的计算厚度，mm； Pc 计算压力，MPa； 同前； Dc 锥壳计算内直径，mm； 锥壳半顶角，。 当锥壳由同一半顶角的几个不同厚度的锥壳段组成时，式中Dc分别为各锥壳段大端内直径。 受内压的无折边锥壳 锥壳大端 无折边锥壳大端与圆筒连接时，按下述步骤确定连接处的大端的厚度， 按图2-13确定是否需要在连接处进行加强。图2-13 确定锥壳大端与圆筒连接处的加强图 当确定不需要加强时，大端锥壳的厚度按式（2-25）计算： 当需要增加厚度予以加强时，则应在锥壳与筒体之间设置加强段，锥壳加强段与圆筒加强段具有相同的厚度，按式（2-26）计算： （2-26） 式中：Q 应力增值系数，由图2-14查取。 Di锥壳与筒体连接处，筒体内径。 在任何情况下，加强段的厚度不得小于相连接的 锥壳厚度。锥壳加强段的长度L1应不小于 ； 圆筒加强段的长度L应不小于 。锥壳小端 无折边锥壳小端与圆筒连接时,按下述步骤确定连接处的锥壳小端的厚度。 按图2-15确定是否在连接处进行加强。注：曲线系按连接处每侧0.25 范围内的薄膜应力强度（由平均环向拉应力和平均径向压应力计算所得）绘制，控制值为1.1 t 图2-15 确定锥壳小端连接处的加强图 无需加强时，锥壳小端锥壳厚度按式（2-25）确定。需要增加厚度予以加强时，则应在锥壳与圆筒之间设置加强段，锥壳加强段与圆筒加强段应具有相同的厚度，按式（2-27）计算： （2-27） 式中：Q 应力增值系数，由图2-15查取。 在任何情况下，加强段的厚度不得小于相连接的锥壳厚度。锥壳加强段的长度L1应不小于 ；圆筒加强段的长度L应不小于 。注：曲线系按连接处每侧0.25 范围内的薄膜应力强度（由平均环向拉应力和平均径向压应力计算所得）绘制，控制值为1.1 t。 图2-15 锥壳小端连接处的Q值图 无折边锥形封头的厚度 当无折边锥壳的大端或小端，或大、小端同时具有加强段时，锥壳厚度应分别按段进行计算： 锥壳厚度 （2-24） 大端与筒体连接处增强厚度 （2-26） 小端与筒体连接处增强厚度 （2-27） 若考虑只由一种厚度组成时，则应取上述各部分厚度中的最大值作为无折边锥壳的厚度。折边锥形封头的厚度 有折边的锥形封头由锥壳、过渡区和高度h的直段边组成。过渡区的作用是减小边缘应力，设计的直段边h是为了使封头和筒体连接焊接接头不出现在边缘应力区。 一般，ri/Di10%，h为2540mm。 锥壳大端 大端的壁厚应同时计算过渡段厚度和与其相连接的锥壳厚度，取二者大值。 过渡段厚度 （7-28）式中：Di 连接筒体内直径， K 系数。 K系数由表2-3所示。表2-3 系数K值 过渡段与相连接处的锥壳厚度 （7-29） 式中：f 系数 其值列于表2-4。锥壳小端 当锥壳半顶角 45时，小端过渡段厚度按式（2-27）计算，此时，Q值按图2-16查取。注：曲线系按过渡区的薄膜应力强度绘制，控制值为1.1 t。 图2-16 锥壳小端带过渡段连接的Q值图 与过渡段相接的锥壳和圆筒的加强段厚度应与过渡段厚度相同。锥壳加强段的长度L1应不小于 ；圆筒加强段的长度L应不小于 。 在任何情况下，加强段的厚度不得小于与其连接处的锥壳厚度。折边锥壳的厚度 当锥壳大端、小端同时具有过渡段时 按（2-24）式计算锥壳厚度 按（2-28）式、（2-29）式分别计算相接处锥壳厚度： 若采用一种厚度时，则取（2-24）式，（2-28）式，（2-29）式计算结果时的大值。 (3) 平盖计算 圆形平盖厚度 在实际工程中，可把圆形平盖简化为受均匀分布横向载荷的圆平板，最大拉应力公式由下式计算： 应用第一强度理论，结合实际工程经验，适用于教材图例者，设计公式为:(4)各种形式封头的比较 选用什么样形式的封头，主要根据设计对象的要求。在满足工艺要求的前提下，应当考虑封头的技术经济指标。各类封头的特点如下： 几何方面 为了节省钢板，要求封头单位容积的表面积越小越好，除平盖和锥形封头外，上述各类凸形封头中，半球形封头单位容积的表面积最小，标准椭圆形封头和碟形封头的单位容积的表面积比半球形大，无折边球形封头最大。 力学方面 为了节省材料，要求封头在相同直径（指和筒体相连接的平行圆直径）、同一材料和相同压力作用下厚度最小。对此，半球形封头最好，它的厚度最小；标准椭圆形封头次之；碟形封头再次之；平盖封头最差，它要求的厚度最大。 制造方面 要求封头制造容易，半球形封头由于深度大，制造比较困难，标准椭圆形封头和其它凸形封头制造较易，而平板封头制造最容易。 综合以上结果，标准椭圆形封头几何形状和受力状态都比较好，制造难度又不大，因此，这种型式的封头在化工生产上得到了广泛的应用。进行压力容器的原因？工地的例子。压力试验类别： 在超设计压力下进行的液压或者气压试验在等于或者低于设计压力下进行的气压试验，须经液压试验合格后方可进行 4 容器压力实验容器压力实验耐压实验的目的耐压实验的目的 内压容器：目的为直接考核耐压性能：超设计压力下，考核缺陷是否会发生快速扩展造成破坏或开裂？焊缝等处是否会发生局部渗漏？检查密封结构的密封性能； 外压容器主要是考察是否存在穿透性缺陷，进行试漏。 压力试验可以选用液压和气压。由于气压试验的危害性大，故一般都采用液压试验，只有不宜不宜做液压试验的容器才采用气压。 容器制成或定期检验或者检修后必须必须进行耐压实验，以检查容器的宏观强度、焊缝致密性及密封可靠性。试验项目和要求在图样中注明。不能按38的规定作压力试验的容器，设计单位应提出确保容器安全运行的措施，经设计单位技术负责人批准，并在图样上注明。 是否能够承受规定的工作压力？是否会发生过大变形？ 在规定的工作压力下，焊缝等处是否会发生局部渗漏？ 压力试验可以选用液压和气压。由于气压试验的危害性大，故一般都采用液压试验，只有不不宜宜做液压试验的容器才采用气压。几点提示：几点提示：1.任何设计方法和公式都有其适用范围，当超出其适用范围后，应进行审慎的分析，方可决定采用与否，或者直接采用分析设计的方法。2、大型容器（无论是否是压力容器）应当严格要求安装资质，并严格管理。 1995年夏天，山东某纯碱厂一台直径36m高近20m壁厚25mm的倒锥台型盐水沉降槽在盛水试验时发生失稳，设备瞬间展成平板，巨大的落水将傍边750mm直径的管道拦腰冲断，两人当场下落不明。因无标准内的设计方法，设备的设计仅参考了一台同类型25m直径的设备，将壁厚按比例放大，建造时设备基础平整度又没有严格保证。1）液压试验试验介质及其要求 试验介质，一般用水，可用不会发生危险的其它液体。 试验的环境和水温必须高于材料的脆性转变温度。 对于碳素钢和16MnR钢制容器，试验介质温度不得低于5 。 对于低合金钢容器，水压实验时，介质温度不低于15 。（不包括低温容器）试验压力 内压容器 Pt1.25P 式中： Pt试验压力，MPa； P 设计压力，MPa； 且不小于P+0.1，MPa。对设计温度t200的内压容器，其试验压力 为 式中： 设计温度下材料的许用应力，MPa； 试验温度下材料的许用应力，MPa。 试验方法 液压试验时，压力应缓慢上升，达到规定试验压力时，保持30分钟，然后将压力降至规定试验压力的80，并保持足够长时间以便对所有焊缝和连接部位进行检查。实验结果以无渗漏和无可见的残余变形为合格。 试验应力校核 水压试验时，容器内产生的最大薄膜应力不应超过所用材料在试验温度下屈服强度的90。校核时所取试验压力应计入所校该点处的液柱静压力。校核公式为 MPa 式中 液压试验温度下材料的屈服极限，MPa。2)气压实验 对于不适合做液压实验的容器，例如:由于工艺要求，容器内不允许有微量残留液体，或由于结构原因，不能充满液体的容器；或者容器体积太大，不宜采用液压试验。如装入贵重催化剂要求内部烘干；容器内衬耐热混凝土不易烘干；才允许用气压实验。凡采用气压实验的容器其焊缝需进行100的无损探伤，且应增加实验场所的安全措施，并在有关安全部门的监督下进行。试验介质及其要求干燥气体；洁净的空气、氮气、惰性气体。试验温度对于碳素钢和低合金钢容器，介质温度不小于15 其他钢种容器，试验温度按图样技术条件选定。外压容器实验压力 PT1.15P （8-19） 内压容器实验压力 PT1.15P （8-20）试验应力校核公式同液压试验公式。气压试验方法气压试验方法 试验时压力应缓慢上升，至规定试验压试验时压力应缓慢上升，至规定试验压力力0.1P，且不超过，且不超过0.05MPa，保压，保压5分钟，分钟，检查焊接接头部位。若存在泄漏，修复，检查焊接接头部位。若存在泄漏，修复，合格后，方可重新进行气压实验。合格后，方可重新进行气压实验。 初次检查合格后，再继续缓慢升压至规初次检查合格后，再继续缓慢升压至规定试验压力的定试验压力的0.5P，其后按每级升压，其后按每级升压0.1P的级差至规定的试验压力，保压的级差至规定的试验压力，保压10分钟后，分钟后，将压力降至将压力降至0.87P，并保持足够长的时间后，并保持足够长的时间后进行泄漏检查。进行泄漏检查。 如有泄漏，修复后重复上述步骤。如有泄漏，修复后重复上述步骤。3）气密性实验 耐压试验合格后，方可进行气密性实验。气密性试验介质与气压试验介质不同，则气压试验后需再做气密性试验。 试验压力、试验介质和试验要求按图样要求，设计图样必须予以明确，否则不予执行。 试验时的方法 试验压力缓缓上升，达到规定的试验压力后保压10分钟，然后降至设计压力，对所有焊接接头和连接部位进行泄漏检查。小型容器可浸入水中检查。如有泄漏，修补后重新进行耐压试验和气密性实验。2、对图示标准椭圆形封头进行应力测试。封头中面处的长轴D1000mm,厚度t=20mm,测得E点（x=0）处的周向应力为50MPa。此时，压力表A指示数为1MPa，压力表B的指示数为2MPa，选出判断正确的一项（ ） nA、压力表A失灵；nB、压力表B失灵；nC、压力表A与B都失灵了；nD、以上答案都不对。思考题思考题1、压力试验的目的是什么？为什么要尽可能采用液压试验？2、简述计算厚度、设计厚度、名义厚度、有效厚度之间的关系。3、试列举出压力容器的五种封头？