第四讲：压力容器设计课件

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1、《机械设备安全技术》周杰王时龙主编重庆大学出版社主讲教师：周杰Mob:13452885065E_mail:zj@cme.cqu.edu.cn第二部分内压薄壁容器设计一、薄壁容器设计的理论基础㈠　薄壁容器根据容器外径DO与内径Di的比值K来判断，当K≤1.2为薄壁容器K＞1.2则为厚壁容器㈡圆筒形薄壁容器承受内压时的应力只有拉应力无弯曲“环向纤维”和“纵向纤维”受到拉力。s1（或s轴）圆筒母线方向(即轴向)拉应力，s2（或s环）圆周方向的拉应力。㈢　圆筒的应力计算1.轴向应力D-筒体平均直径，亦称中径，mm；2.环

2、向应力分析：（1）薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍。问题a：筒体上开椭圆孔，如何开?应使其短轴与筒体的轴线平行，以尽量减少开孔对纵截面的削弱程度，使环向应力不致增加很多。分析：问题b：钢板卷制圆筒形容器，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，故纵焊缝易裂，施焊时应予以注意。（2）分析式(4-1)和(4-2)也可知，内压筒壁的应力和d/D成反比，d/D值的大小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。(4-1)(4-2)二、无力矩理论基本方程式㈠基本概念与基本

3、假设1．基本概念（1）旋转壳体：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旋转曲面。（2）轴对称壳体的几何形状、约束条件和所受外力都是对称于某一轴。化工用的压力容器通常是轴对称问题。（3）旋转壳体的几何概念一、回转薄壳的几何要素(如图2-3)回转薄壳：中面是由一条平面曲线或直线绕同平面内的轴线回转而成。（3）旋转壳体的几何概念母线：绕轴线（回转轴）回转形成中面的平面曲线。极点：中面与回转轴的交点。经线平面：通过回转轴的平面。经线：经线平面与中面的交线。平行圆：垂直于

4、回转轴的平面与中面的交线称为平行圆。中面法线：过中面上的点且垂直于中面切平面的直线，法线必与回转轴相交（3）旋转壳体的几何概念第一主曲率半径R1：经线上点的曲率半径。第二主曲率半径R2：垂直于经线的平面与中面交线上点的曲率半径。（3）旋转壳体的几何概念平行圆半径r：平行圆半径。同一点的第一与第二主曲率半径都在该点的法线上。曲率半径的符号判别：曲率半径指向回转轴时，其值为正，反之为负。r与R2的关系：r=R2sinø=R2cosa；（4-3）——平衡方程（4-4）——区域平衡方程无力矩理论基本方程式：三、基本方

5、程式的应用1．圆筒形壳体第一曲率半径R1=∞，第二曲率半径R2=D/2代入方程（4-3）和（4-4）得：与式（4-1）、（4-2）同。2．球形壳体2．球形壳体球壳R1＝R2=D/2，得：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。当容器容积相同时，球表面积最小，故大型贮罐制成球形较为经济。3．圆锥形壳体圆锥形壳半锥角为a，A点处半径为r，厚度为δ，则在A点处：代入（4-3）、（4-4）可得A点处的应力：，（4-6）锥形壳体环向应力是经向应力两倍，随半锥角a的增大而

6、增大；a角要选择合适，不宜太大。在锥形壳体大端r=R时，应力最大，在锥顶处，应力为零。因此，一般在锥顶开孔。4．椭圆形壳体椭圆壳经线为一椭圆，a、b分别为椭圆的长短轴半径。由此方程可得第一曲率半径为：（4-7）化工常用标准椭圆形封头，a/b=2，故顶点处：边缘处：顶点应力最大，经向应力与环向应力是相等的拉应力。顶点的经向应力比边缘处的经向应力大一倍；顶点处的环向应力和边缘处相等但符号相反。应力值连续变化。㈠焊接接头系数钢板卷焊。夹渣、气孔、未焊透等缺陷，导致焊缝及其附近区域强度可能低于钢材本体的强度。钢板[s]t乘

7、以焊接接头系数，≤1；㈡容器内径工艺设计确定内径Di，制造测量也是内径，而受力分析中的D却是中面直径。解出d，得到内压圆筒的厚度计算式㈢壁厚考虑介质腐蚀，计算厚度d的基础上，增加腐蚀裕度C2。筒体的设计厚度为式中d-圆筒计算厚度，mm；dd-圆筒设计厚度，mm；Di-圆筒内径，mm；p-容器设计压力，MPa；-焊接接头系数。另一种情况：筒体设计厚度加上厚度负偏差后向上圆整，即为筒体名义厚度。对于已有的圆筒，测量厚度为dn，则其最大许可承压的计算公式为：式中：dn-圆筒名义厚度圆整成钢材标准值；de-圆筒有效厚

8、度C-厚度附加量。设计温度下圆筒的计算应力四、球壳强度计算设计温度下球壳的计算厚度：设计温度下球壳的计算应力五、设计参数厚度设计参数按GBl50-2010中规定取值。设计压力、设计温度、许用应力、焊接接头系数厚度附加量等参数的选取。㈠　设计压力（计算压力）设计压力:相应设计温度下确定壳壁厚度的压力，亦即标注在铭牌上的容器设计压力。其值稍高于最大工作压力。最大