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1、第七章第七章 过程设备设计基础过程设备设计基础第一节第一节 压力容器特点压力容器特点压力容器特点之一压力容器特点之一应用广泛应用广泛v压力容器不仅被广泛用于化学、石油化工、医药、冶金、压力容器不仅被广泛用于化学、石油化工、医药、冶金、机械、采矿、电力、航天航空、交通运输等工业生产部门，机械、采矿、电力、航天航空、交通运输等工业生产部门，在农业、民用和军工部门也颇常见，其中尤以在农业、民用和军工部门也颇常见，其中尤以石油化学石油化学工业工业应用最为普遍，石油化工企业中的塔、釜、槽、罐无一不是应用最为普遍，石油化工企业中的塔、釜、槽、罐无一不是贮器或作为设备的外壳，而且绝大多数是在一定的压力温度贮
2、器或作为设备的外壳，而且绝大多数是在一定的压力温度下运行。下运行。v如一个年产如一个年产3030万吨的乙烯装置，约有万吨的乙烯装置，约有793793台设备，其中台设备，其中压力容器压力容器281281台，占了台，占了35.4%35.4%。蒸汽锅炉也属于压力容器，。蒸汽锅炉也属于压力容器，但它是用直接火焰加热的特种受压容器，至于民用或工厂用但它是用直接火焰加热的特种受压容器，至于民用或工厂用的液化石油气瓶，更是到处可见。的液化石油气瓶，更是到处可见。压力容器特点之二压力容器特点之二工况条件复杂工况条件复杂压力容器的操作条件十分复杂，甚至近于苛刻。压力从1210-5Pa的真空到高压、超高压，如石油
3、加氢为10.521.0 MPa；高压聚乙烯为100200 MPa；合成氨为10100 MPa；人造水晶高达140 MPa；温度从-196低温到超过1000的高温；而处理介质则包罗爆、燃、毒、辐(照)、腐(蚀)、磨(损)等数千个品种。操作条件的复杂性使压力容器从设计、制造、安裝到使用、维护都不同于一般机械设备，而成为一类特殊设备。压力容器压力容器 特点之三特点之三数量巨大数量巨大1996年12月的统计资料表明，国内在用固定式压力容器多达122.22万台 ，移动式压力容器中罐车16910辆，在用气瓶5498.7571万只；锅炉总台数也高达51.57万台 。此外全国持有压力容器制造许可证的企业合计2
4、432个，设计单位1380个。如此庞大且潜在隐患容器的存在，以及地域广泛的制造设计部门，自然成为国内外政府部门特别重视其安全管理和监察检查的原因。压力容器特点之四压力容器特点之四安全性要求高安全性要求高压力容器因其承受各种静、动载荷或交变载荷，还有附加的机械或温度载荷；其次，大多数容器容纳压缩气体或饱和液体，若容器破裂，导致介质突然卸压膨胀，瞬间释放出来的破坏能量极大，加上压力容器极大多数系焊接制造，容易产生各种焊接缺陷，一旦检验、操作失误容易发生爆炸破裂，器内易爆、易燃、有毒的介质将向外泄漏，势必造成极具灾难性的后果。因此，对压力容器要求很高的安全可靠性。第二节第二节 内压薄壁容器设计内压薄
5、壁容器设计一、一、薄壁容器薄壁容器设计的理论基础设计的理论基础v 薄壁容器薄壁容器v 根据容器外径根据容器外径D DO O与内径与内径D Di i的比值的比值K K来判断来判断: :v 当当K1.2K1.2为薄壁容器为薄壁容器 v K K1.21.2则为厚壁容器则为厚壁容器iiiiDDDDDK2120 圆筒形薄壁容器承受圆筒形薄壁容器承受气体内压气体内压时的应力时的应力 远离筒体两端的某点，远离筒体两端的某点，只有拉应力无弯曲只有拉应力无弯曲, ,“环向纤维环向纤维”和和“纵向纤维纵向纤维”受到拉力。受到拉力。s s2 2 （或（或s sj j）圆筒纵方向）圆筒纵方向( (即即轴向轴向) )拉
6、应力，拉应力，s s1 1 （或（或s sq q）圆周方向的拉）圆周方向的拉应力。应力。sj: 轴向应力，sq：环向应力sjsjsqsqppa(a)(b)yxDi t圆筒的应力计算圆筒的应力计算 1. 1. 轴向应力轴向应力D筒体平均直径， 亦称中径，mm；2. 2. 环向应力环向应力202pDllpDqqssssjj4042pDDDp分析：分析：（1 1）薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍。）薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍。问题问题a a：筒体上开椭圆孔，如何开？：筒体上开椭圆孔，如何开？应使应使其短轴与筒体的轴线平其短轴与筒体的轴线平行行，以尽量减少开孔对纵截，以尽量减少开孔对纵截
7、面的削弱程度，使环向应力面的削弱程度，使环向应力不致增加很多。不致增加很多。（2 2）钢板卷制圆筒形容器，）钢板卷制圆筒形容器， 纵焊缝与环焊缝哪个易裂？纵焊缝与环焊缝哪个易裂？ 筒体纵向焊缝受力大于环向焊缝，故筒体纵向焊缝受力大于环向焊缝，故纵焊缝纵焊缝易易裂，施焊时应予以注意。裂，施焊时应予以注意。ssqj24pDpD（3 3）内压筒壁的应力和）内压筒壁的应力和 / /D D成反比，成反比， / /D D 值的大小值的大小体现着圆筒承压能力的高低。因此，分析一个设体现着圆筒承压能力的高低。因此，分析一个设备能耐多大压力，不能只看厚度的绝对值。备能耐多大压力，不能只看厚度的绝对值。/2/pD
8、qs二、回转壳体的几何特性二、回转壳体的几何特性 基本概念与基本假设基本概念与基本假设 1 1 基本概念基本概念 （1 1） 回转曲面回转曲面 ：壳体中面（等分壳体厚度）是任意直线：壳体中面（等分壳体厚度）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。旋转曲面。 回转壳体回转壳体 （2 2） 轴对称轴对称壳体的几何形状、壳体的几何形状、约束条件和所受外约束条件和所受外力都是对称于某一力都是对称于某一轴。轴。化工用的压力容器通常是轴对称问题。化工用的压力容器通常是轴对称问题。 母线与经线母线与经线法线、纬线、平行圆法线、纬
9、线、平行圆第一曲率半径第一曲率半径R R1 1：经线曲率半：经线曲率半径径第二曲率半径第二曲率半径R R2 2：通过经线上：通过经线上一点一点B B的的法线法线作作垂直于经线的垂直于经线的平面，平面，与与回转曲面回转曲面（中面）相中面）相割割形成的形成的曲线曲线ABEABE的曲率半径的曲率半径（R R2 2的中心一定在回转轴上）的中心一定在回转轴上）（3 3）回转壳体的几何概念）回转壳体的几何概念 2 2 基本假设基本假设 假定壳体材料有连续性、均匀性和各向同性，即壳体假定壳体材料有连续性、均匀性和各向同性，即壳体是完全弹性的。是完全弹性的。(1)(1)小位移假设小位移假设 各点位移都远小于厚
10、度。可用变形前尺寸代替变形后尺各点位移都远小于厚度。可用变形前尺寸代替变形后尺寸。变形分析中高阶微量可忽略。寸。变形分析中高阶微量可忽略。(2)(2)直线法假设直线法假设 变形前垂直于中面直线段，变形后仍是直线并垂直于变变形前垂直于中面直线段，变形后仍是直线并垂直于变形后的中面。变形前后法向线段长度不变。沿厚度各点法形后的中面。变形前后法向线段长度不变。沿厚度各点法向位移相同，厚度不变。向位移相同，厚度不变。 (3)(3)不挤压假设不挤压假设 各层纤维变形前后互不挤压。各层纤维变形前后互不挤压。三、回转壳体薄膜应力分析无力矩理论所讨论的问题都是围绕着无力矩理论所讨论的问题都是围绕着中面中面进行
11、的。进行的。因壁很薄，沿壁厚方向的应力与其它应力相比很小，因壁很薄，沿壁厚方向的应力与其它应力相比很小，因此因此中面上的应力和变形可以代表薄壳的应力和变形中面上的应力和变形可以代表薄壳的应力和变形。内力内力薄膜内力薄膜内力横向剪力横向剪力弯曲内力弯曲内力N、NQM、M、无力矩理论或薄膜理论（静定）有力矩理论或弯曲理论（静不定）弯矩弯矩5个2个3个由中面的拉伸、压缩变形而产生由中面的曲率改变而产生图 2-2 回 转 壳 中 面 的 几 何 参 数qsjjssdjsqsabcddrpoodloDmnnmaoj微原体微原体平衡方程平衡方程区域平衡方程区域平衡方程 回转薄壳无力矩理论基本方程式回转薄壳
12、无力矩理论基本方程式：ssqjpRR212sinmVVrtsj回转薄壳仅受气体内压作用时，回转薄壳仅受气体内压作用时，各处的压力相等，压力产生的各处的压力相等，压力产生的轴向力轴向力V为：为：qsjjssdjsqsabcdPpprdrVmr2m0r 2rmsj22pR无力矩理论又称薄膜理论；两向应力称为无力矩理论又称薄膜理论；两向应力称为薄膜应力薄膜应力。ssqjpRR21（本式仅适于气压）四、无力矩理论应用条件四、无力矩理论应用条件 壳体的壳体的厚度、中面曲率和载荷连续厚度、中面曲率和载荷连续，没有突变，且构成壳，没有突变，且构成壳体的体的材料的物理性能材料的物理性能相同。相同。 壳体的边界
13、处不受横向剪力、弯矩和转矩作用。壳体的边界处不受横向剪力、弯矩和转矩作用。 壳体的边界处的约束可沿经线的切线方向，不得限制边界壳体的边界处的约束可沿经线的切线方向，不得限制边界处的转角与挠度。处的转角与挠度。 对很多实际问题：无力矩理论求解对很多实际问题：无力矩理论求解 + 有力矩理论修正有力矩理论修正五、典型回转壳体应力分析五、典型回转壳体应力分析1 1承受承受气体内压气体内压圆筒形壳体圆筒形壳体 第一曲率半径第一曲率半径R R1 1=，第二曲率半径第二曲率半径R R2 2= =D D/2/2 代入方程无力矩理论基本方代入方程无力矩理论基本方程式得：程式得： ssqjpRR21sj22pRs
14、sqj24pDpD2 2球形壳体球形壳体 球形壳体上各点的第一曲率半径与第二曲率半径相球形壳体上各点的第一曲率半径与第二曲率半径相等，即等，即R R1 1=R=R2 2=R=R 直径与内压相同，球壳内应力仅是圆筒形壳体环向应力的直径与内压相同，球壳内应力仅是圆筒形壳体环向应力的一半，即球形壳体的厚度仅需圆筒容器厚度的一半。一半，即球形壳体的厚度仅需圆筒容器厚度的一半。ssqj42pDpR3. 3. 锥形壳体锥形壳体R1=2cosrRa22cos22cosmpRprpRprqsasa2mqss锥形壳体环向应力是经向应力两倍，随半锥角锥形壳体环向应力是经向应力两倍，随半锥角a a的增大而增大；的增
15、大而增大； a a角要选择合适，不宜太大。角要选择合适，不宜太大。 在锥形壳体大端在锥形壳体大端r r= =R R时，应力最大，在锥顶处，应力为零。因此，时，应力最大，在锥顶处，应力为零。因此，一般在锥顶开孔。一般在锥顶开孔。 jsjs4 4椭圆形壳体椭圆形壳体 椭圆壳经线为一椭圆，椭圆壳经线为一椭圆，a、b分别为椭圆的长短轴半分别为椭圆的长短轴半径。由此方程可得第一曲率半径为：径。由此方程可得第一曲率半径为：12222byax2 3/242223/2141 ( ) ()yax abRya bbbaxaxR2/122242)(sinj1422222()22maxabpRpbs142222442
16、22()22()axabpabaxabqssjqsjsjsjsqsqsqspa/t椭球壳中的应力随长轴与短轴之比的变化规律椭球壳中的应力随长轴与短轴之比的变化规律js椭球壳上各点的应力是不等的，它与各点的坐标有关。椭球壳上各点的应力是不等的，它与各点的坐标有关。 在壳体顶点处（在壳体顶点处（x0，yb）R1R2ba222mpabqss，qs椭球壳应力与内压椭球壳应力与内压p p、壁厚、壁厚 有关，与长轴与短轴有关，与长轴与短轴 之比之比a b有有关关: : a b时，椭球壳时，椭球壳 球壳，最大应力为圆筒壳中球壳，最大应力为圆筒壳中 的一半，的一半， ab b ， 椭球壳中应力椭球壳中应力 ，
17、如上图所示。，如上图所示。椭球壳承受均匀内压时，在任何椭球壳承受均匀内压时，在任何ab值下，值下， 恒为正值，即拉伸应力，且由顶点处最大值向赤道逐渐递减恒为正值，即拉伸应力，且由顶点处最大值向赤道逐渐递减至最小值。至最小值。 当当 时，应力时，应力 将变号。将变号。从拉应力变为压应力。从拉应力变为压应力。 随周向压应力增大，大直径薄壁椭圆形封头出现局部屈曲。随周向压应力增大，大直径薄壁椭圆形封头出现局部屈曲。 措施：整体或局部增加厚度，局部采用环状加强构件。措施：整体或局部增加厚度，局部采用环状加强构件。js2baqs工程上常用标准椭圆形封头，其工程上常用标准椭圆形封头，其a/b=2=2。 的
18、数值在顶点处和赤道处大小相等但符号相反，的数值在顶点处和赤道处大小相等但符号相反， 即顶点处为即顶点处为 ，赤道上为，赤道上为 - - ， 恒是拉伸应力，在顶点处达最大值为恒是拉伸应力，在顶点处达最大值为 。paqsjspapa5.5.受液体静压的圆筒形壳体的受力分析受液体静压的圆筒形壳体的受力分析与壳体受内压不同，壳壁上液柱静压力随液层深度与壳体受内压不同，壳壁上液柱静压力随液层深度变化。筒壁上任一点变化。筒壁上任一点A承受的压力承受的压力: ARtH p 0 xgpp0tRxgp)(0sq作垂直于回转轴的任一横截作垂直于回转轴的任一横截面，由上部壳体轴向力平衡面，由上部壳体轴向力平衡得：得
19、：022mRtR ps02mp Rtsjsjs底部支承的圆筒，液体重量由支承传递给基础，筒壁不受液体轴向力作用。上部支承圆筒，液体重量使得圆筒壁受轴向力作用，在圆筒壁上产生经向应力：2224mmRR HggHRgHD ssjsjs例：有一外径为例：有一外径为219mm219mm的氧气瓶，最小厚度为的氧气瓶，最小厚度为6.5mm6.5mm，材料为材料为40Mn2A40Mn2A，工作压力为，工作压力为15MPa15MPa，试求氧气瓶壁应，试求氧气瓶壁应力力. .解：平均直径解：平均直径 mmmm经向应力经向应力 MPaMPa环向应力环向应力 MPaMPa5 .2125 .62190DD15212.
20、5122.6446.5mpDs15 212.5245.222 6.5pDqsjs第三节第三节 内压圆筒边缘应力的概念内压圆筒边缘应力的概念无力矩理论忽略了剪力与弯矩的影响，可以满足工程设计精度的要求。但对图中所示的一些情况，就须考虑弯矩的影响。(a)、(b)、(c)是壳体与封头是壳体与封头联接处经线突然折断；联接处经线突然折断；(d)是两段厚度不等的筒体是两段厚度不等的筒体相连接；相连接；(e)、(f)、(g)有法兰、加强有法兰、加强圈、管板等刚度大的构件。圈、管板等刚度大的构件。相邻两段形状不同，或所相邻两段形状不同，或所受温度或压力不同，导致两受温度或压力不同，导致两部分部分变形量不同变形
21、量不同，但又相互，但又相互约束，从而产生较大的剪力约束，从而产生较大的剪力与弯矩。筒体与封头联接为与弯矩。筒体与封头联接为例。例。边缘应力数值很大，有时边缘应力数值很大，有时导致容器失效。导致容器失效。w1w2j12a.12pppb.1212j0w2pMoMoc.d.jw1jp0Q0Q0Q0Q0w1Q0jQ0Q0jM0w1w2Q0M0w2MoMojM0jM01不连续效应不连续效应: :由于总体结构不连续，组合壳在连接处附近由于总体结构不连续，组合壳在连接处附近的局部区域出现衰减很快的应力增大现象，称为的局部区域出现衰减很快的应力增大现象，称为“不连续效不连续效应应”或或“边缘效应边缘效应”。不
22、连续应力不连续应力: :由此引起的局部应力称为由此引起的局部应力称为“不连续应力不连续应力”或或“边缘应力边缘应力”。有力矩理论。有力矩理论。边缘应力两个基本特性：边缘应力两个基本特性：1 1局限性局限性 大多数都有明显的衰减波特性，随离开大多数都有明显的衰减波特性，随离开边缘的距离增大，边缘应力迅速衰减。边缘的距离增大，边缘应力迅速衰减。 2RtRtx5 . 2)1 (342例如，当例如，当 时，时，钢制圆柱壳中纵向弯矩的绝对值钢制圆柱壳中纵向弯矩的绝对值已衰减掉已衰减掉95.7%；v 不连续应力是由弹性变形受到约束所致，因此对于用塑性不连续应力是由弹性变形受到约束所致，因此对于用塑性材料制
23、造的壳体，当连接边缘的局部区产生塑变形，这种材料制造的壳体，当连接边缘的局部区产生塑变形，这种弹性约束就开始缓解，变形不会连续发展，不连续应力也弹性约束就开始缓解，变形不会连续发展，不连续应力也自动限制自动限制v 2 2自限性自限性 弹性变形相互制约，一旦材料产生塑性变弹性变形相互制约，一旦材料产生塑性变形，弹性变形约束就会缓解，边缘应力自动受到限制，即形，弹性变形约束就会缓解，边缘应力自动受到限制，即边缘应力的自限性。边缘应力的自限性。可在可在结构上作局部处理结构上作局部处理，如：改变连接边缘的刚性结构；，如：改变连接边缘的刚性结构；边缘应力区局部加强；保证边缘焊缝的质量；降低边缘区边缘应力
24、区局部加强；保证边缘焊缝的质量；降低边缘区的残余应力；避免边缘区附加局部应力、开孔等。的残余应力；避免边缘区附加局部应力、开孔等。设计中的考虑：设计中的考虑： 板厚不等时的对接接头v 只要是只要是塑性材料塑性材料，即使边缘区局部点的应力超出材料的屈，即使边缘区局部点的应力超出材料的屈服极限，周围尚未屈服的弹性区也能抑制塑性变形的发展，服极限，周围尚未屈服的弹性区也能抑制塑性变形的发展，使容器处于安定状态。故多数有塑性较好材料制成的容器，使容器处于安定状态。故多数有塑性较好材料制成的容器，除结构上做局部处理外，一般不对边缘应力作特殊考虑。除结构上做局部处理外，一般不对边缘应力作特殊考虑。然而，对于由于边缘应力较大，可能引起脆性破坏或疲劳然而，对于由于边缘应力较大，可能引起脆性破坏或疲劳破坏的容器，则需详细计算边缘应力，按分析设计。破坏的容器，则需详细计算边缘应力，按分析设计。v 由于边缘应力的自限性，其危害不如薄膜应力，应力分析由于边缘应力的自限性，其危害不如薄膜应力，应力分析设计中可取较大需用应力值。设计中可取较大需用应力值。v 不论设计中是否计算边缘应力，都要尽可能改进连接边缘不论设计中是否计算边缘应力，都要尽可能改进连接边缘结构，使边缘应力处于较低水平。结构，使边缘应力处于较低水平。
