第五章 压力容器 5.1 概述 5.2 内压薄壁容器的应力分析 5.3 内压薄壁容器的设计计算 5.4 外压容器 5.5 储存设备 5.6 简单容器设计举例 第五章 压力容器 5.1 概述 5.1.1 压力容器总体结构 压力容器:凡是含有压力介质的密闭容器都被称作压力容 器。 化工生产所用的各种化工设备外部壳体的总称。 常用结构:圆柱壳、球壳、椭球壳、锥形壳、组合 壳等，多为回转壳体。 5.1.2 压力容器分类 1.按形状分类 1.方形或矩形容器 2.球形容器 —————承压能力好 第五章 压力容器 塔 设 备 第五章 压力容器 球罐 第五章 压力容器 3.圆筒形容器—————制作方便、安装内件 容易、承压能力好、 广泛使用。 2.按承压性质分类 可分为内压容器与外压容器两类 内压容器：容器内部介质压力大于外部压力。 外压容器：容器内部介质压力小于外部压力。 第五章 压力容器 3.按结构材料分类 1金属容器：广泛应用低碳钢和低合金钢制造， 对于腐蚀严重的介质或产品纯度要 求较高的场合，使用不锈钢，不锈 复合钢板或铝合金等制造。 2非金属容器：常用的材料有硬聚氢乙烯，玻璃 钢，化工陶瓷等。或在钢制容器 内加非金属衬里或涂层。 第五章 压力容器 4.按使用场合分类 1反应压力容器：容器内介质有物理或化学反 应，使介质分离为多种产品或 几种物质合成为某一种物质。 例如： 原油分离成为汽油、煤油、柴油、石蜡油、 沥青、焦炭等。 又如： 将水、煤气、氨气合成为合成氨。 2换热压力容器：容器内介质进行热量交换达到 介质的加热或冷却。 第五章 压力容器 3分离压力容器：将介质在混合状态下进行分离。 4储存压力容器：用于装载各种产品或原料的容 器。 5.按安全监察规程分类 一般分为三类进行管理和监督检查。 第五章 压力容器 1第三类压力容器： 1)高压容器、超高压容器。 2)中压，介质为剧毒，容积很大的容器。 3)低压，介质为极毒，容积很大的容器。 4)高压、中压 管壳式余热锅铲。 5)使用材料强度级别较高的压力容器。 σo ≥540 MPa 6)移动式压力容器、各种罐车、集装箱等。 7)球形储罐。(V N 50 m3 ) 8)低温液体储存容器。(V 5 m3 ) 第五章 压力容器 2第二类压力容器： 1)中压容器。 2)低压容器、反应器、介质毒性为极度或中度。 3)低压管壳式余热锅铲。 3第一类压力容器： 低压容器(除以上规定的低压容器) 压力的区分： 超高压： P 100 MPa 高压： 100 P N 10 MPa 中压： 10 P N 1.6 MPa 低压： 1.6 P N 0.1 MPa 常压： P v 0.1 MPa 第五章 压力容器 容器及设备不仅是石油化工生产中的重要生产工具， 在航空、航海、原子能、开云体育 开云官网冶金、机械制造、精细化工、 轻工、交通和农副业产品加工待业也有大量的应用。 容器的结构： 如图示，容器一般可分解为： 这些都是通用标准件。 筒体(筒身) 封头(端盖) 法兰 人孔 手孔 支座 第五章 压力容器 管口等 5.1.3 容器机械设计的基本要求 容器的体积、直径、高度、传热面积、管子 数量、大小、位置尺寸等属于工艺尺寸，由工艺 计算和生产要求确定。 在工艺尺寸确定之后，为了满足安全和使用 要求，还要确定强度尺寸，零部件在机械设计时， 应满足以下要求： 1强度———有足够的抵抗外力破坏的能力。 2刚度———有足够的抵抗外力变形的能力，以防 止变形过大。 3稳定性——有保持自身形状的能力，以防压瘪或 皱折。 第五章 压力容器 4耐久性——在介质腐蚀下可以长期使用，一般使 用年限在15年以上。 5气密性——具有良好的密封性能，防止介质泄露。 6其他———制造性能、操作性能、维修运输性能、 经济性等。 本书仅限于设计压力P 10 MPa，设计温度高 于-20°C的中、低压容器的机械设计。 第五章 压力容器 5.2内压薄壁容器的应力分析 1. 薄壁容器(按容器D0与内径Di的比值K的不同分) 厚壁容器： 薄壁容器： K≤1.2 2. 回转壳体 母线绕同平面内的轴线旋 转一周后形成的曲面称回转曲 面，以回转曲面为中间面的壳 体称为回转壳体。 第五章 压力容器 回转薄壁壳体：圆筒形、球形、椭球形、圆 锥形薄壁壳体。在内压作用下，壳壁将产生两个 方向的拉伸压力： K1 σφ K2 σφ σθ σθ 第五章 压力容器 1环向薄膜应力 由于内压作用使壳壁的环向受到拉伸，均匀 向外膨胀，在圆周的切线方向产生拉应力，使壳 壁的纵向截面产生环向拉伸应力，称为环向薄膜 应力，又称为周向应力，用 σ θ表示。 2径向薄膜应力 由于内压作用使壳壁沿径向也受到拉伸，产 生径向拉应力，称为径向薄膜应力，用 σ
表示。 第五章 压力容器 5.2.1圆筒形壳体上的薄膜应力 如图5-2，为一承受气压P作用的圆筒形容器， 壳壁上任一点K将在两个方向上产生拉伸应力： 第五章 压力容器 1径向薄膜应力σ
，沿轴 (5-1 ) 其中： P—— 内压， MPa D——筒体平均直径，即中径， mm δ——筒体壁厚， mm σ
——筒体径向应力， MPa。 第五章 压力容器 用一个垂直圆筒轴线的横截面，将筒体分 为两部分，保留左边部分。由平衡条件，作用 在筒体上的轴向外力为： 作用在截面上的轴向内为： 向两力相等，故可以得到： 2环向薄膜应力σ θ 假想将圆筒沿轴线对称剖开，取下半部分 进行分析。可知，作用在下半部分壳体上的y轴 方向的合外力为： 作用在下半部分壳体上y轴方向的合内力为： 它们沿y轴方向必然大小相等，方向相反，故有： (5-2) 从计算公式可知，薄壁圆筒承受内压时，环向应力是 轴向应力的两倍。因此在圆筒上如果要开椭圆孔时，应使 椭圆孔的短轴平行于筒体的轴线，以减小纵向截面被削弱 的程度。 第五章 压力容器 5.2.2 受气压作用的球形壳体 球形壳体各点曲率均相同，故球壳上的两向 应力值也是相等的，由受力平衡条件可以求得截 面上薄膜应力为： (5-3) 球形壳体与圆筒形壳体相比，薄膜应力只有圆筒 形壳体上最大薄膜应力的一半，在同样直径和压力情 况下，壳体的厚度可以减小很多，故可以节省一定的 金属材料。 第五章 压力容器 R 5.2.3受内压作用的椭球形壳体 在化工容器中，常用椭球形壳体作容器的封头， 其形状如图5-5，椭球壳体由长半轴为a，短半轴为 b的曲线，绕y轴旋轴一周形成的椭球曲线组成，为 了使封头与圆筒壳体连接处减少应力集中。采用加 一段直边部分的结构。 椭球形壳体上任一点的两向薄膜应力为： (5-4) 第五章 压力容器 由式(5-4)可知，椭球封头上的应力是随x的 变化而变化的。对于标准椭圆形封(a/b=2)，封头 顶点处的(x=0)，两向应力有最大拉应力值，在封 头边缘处(x=a)，径向应力为顶点处的1/2，环向 应力为负应力，且其值与顶点处值相等。 5.2.4受气压作用的锥形壳体 锥形壳体，如图5- 6所示，由推到可得其 两向薄膜应力为： (5-5) 第五章 压力容器 其中： r——壳体在A点处的半径， mm α——圆锥壳体的半锥角 P——作用在壳体内的气压力， MPa δ——壳体的壁厚， mm 由比较可知，在壳体上任一点处的两向应力为： 即锥形壳体上环向应力是径向应力的两倍。由应 力计算公式可知，应力与 α角成正比， α角增大，应 力也随着增加。两向应力随着r的增加而增加。在锥壳 开口处，两向应力有最大值，在锥顶端r=0处，两向应 力为零。 第五章 压力容器 5.2.5边缘应力的概念 由应力分析及推导可知，当薄壁壳体的几何形状 发生突变，或载荷分布发生突变；或壳体厚度发生突 变，材料发生突变等，都会在突变处产生附加的局部 应力，我们称为边缘应力。这种局部应力有时会是薄 膜应力的数倍，甚至会导致容器失效，设计中应予以 重视。 边缘应力的两个特点： 1边缘应力具有局限性 在某些情况下，边缘应力值可能会相当大，但其作用 范围是很小的。研究表明，随着离边缘距离的增大，边缘 应力会迅速衰减。壳壁愈薄，衰减就愈快，这是边缘应力 的一个特点。 第五章 压力容器 2边缘应力的自限性 边缘应力是由边缘部位变形不连续，以及由此而产生 的弹性变形相互约束作用所引起的。一旦材料在边缘应力 作用下发生了塑性变形。这种弹性相互约束就会缓解，边 缘应力也就自然受到限制。 根据边缘应力的两个特点，在设计中，我们可以 在结构上作一定的局部处理，使边缘应力降低的措施 有： a)在壳体曲率或经线发生突变处，采用圆弧过度， 使连接处边缘应力值降低。 b)在壳体壁厚发生突然改变的连接处，采用切坡口 的方法，使连接处壁厚改变程度减缓，使边缘应 力减小。 第五章 压力容器 c)在载荷发生突变的局部，采用局部加强的结构， 使壳体上应力可以尽可能的均匀分布。 d)在边缘应力值高的区域内，尽量避免其他局部应 力的作用或产生，例如，焊缝引起的焊接残余应 力，开孔引起的开孔应力集中应力，支座引起的 载荷集中等附加应力，应避免同时作用在相同位 置。 第五章 压力容器 5.3 概述 5.3.1 设计参数的确定 1.设计压力P 设计压力时，一般是指设定的容器顶部的最 高压力，用以确定壳壁厚度的压力值，其值不得 低于最大工作压力。 工作压力是由工艺过程决定的，设备工作过 程中的最高工作压力。 对于内压薄壁容器的设计计算主要是确定有 关设计参数，并在合理选取材料后，进行壳体和 封头的壁厚计算。 第五章 压力容器 1.对于装有安全阀的内压容器： 3.对于真空容器有安全阀控制： 或 中的较小值。 4.对于无安全阀控制的线.设计温度t 设计温度是指容器正常工作情况下，在相应 的设定压力下壳壁可能达到的最高或最低的(指- 20° 以下)平均壁温。 2.对于两侧受压的压力容器元件： P 分别取两侧设计 压力值进行设计 第五章 压力容器 当设计温度无法通过传热计算或测试测定时， 对于容器壁与介质直接接触，且容器有保温设施 时，可按介质的最高(或最低)工作温度加减一 定余量而确定，如表5-2. 3.许用应力 许用应力是材料在设计温度下，已考虑了一 定安全系数的应力值，一般由查表得到，如表5-3. 许用应力是决定容器强度条件是否满足的重要参数。 第五章 压力容器 4.焊接街头系数 焊接接头系数是为了补偿焊接时可能出现的 焊接缺陷对容器强度的影响而引入的，其值大小 由焊缝的结构及检验要求来确定，一般也可查表 得到，如表5-4. 5.厚度附加量 厚度附加量由两部分组成，即 1.钢板厚度负偏差C1 第五章 压力容器 钢板在制造过程中，其厚度存在负偏差，为 了保证容器设计中厚度值的要求，在厚度计算时， 应加上其可能存在的负偏差值。常用钢板厚度的 负偏差都有统一的标准，可查表得到，如表5-5. 当钢板的负偏差不大于0.25mm时，且不超过 名义厚度的6%时，取 2.腐蚀余量 C2 设备在工作过程中，由于工作介质的腐蚀， 钢板会按工作年限厚度被削弱和减薄，因此设计 时，应考虑介质对钢板的腐蚀减薄，一般根据刚 才在介质中的腐蚀速度和容器使用年限来确定腐 第五章 压力容器 蚀余量的值，也可以根据经验合理选取腐蚀余量。 化工设备主要容器一般使用年限为15∽20年， 可按设计要求计算，表5-6列取了有关腐蚀余量的 选取参考值。 6.最小厚度 当容器上作用的载荷很小时，按强度计算得 到的厚度值往往也很小，但由于设备在制造，安 装，运输等过程中，要求设备必须具有足够的刚 度，因此，当大型容器壳壁厚度太薄时，为了保 证刚度要求，而对容器壳体的最小厚度有以下规 定： 第五章 压力容器 碳素钢、低合金钢： 高合金钢： 碳素钢，低合金钢制塔式容器： 且 不锈钢制塔式容器： 管壳式换热器： 根据有关规范确定 对于直径较大，厚度较薄的容器在制造、运 输、安装时，应考虑适当地采取相关临时加固措施。 第五章 压力容器 1.计算厚度 按有关强度公式计算得到的厚度值，不包括 厚度附加值C。 2.设计厚度 计算厚度与腐蚀余量之和，即 3.名义厚度 名义厚度是将设计厚度加上钢板厚度负偏差 后向上圆整至钢板标准规格的厚度，也是图纸上 标注的厚度。 对于容器壳体，在任何情况下都应使： 第五章 压力容器 4.有效厚度 有效厚度是指名义厚度减去厚度附加量，即 各项名义厚度之间关系为： 名 厚度负偏差 厚度附加量 腐蚀余量 设计厚度 计算厚度 有效厚度 厚度圆整值 第五章 压力容器 满足强度条件所需厚度 义厚度 5.3.2 内压薄壁壳体的厚度设计 1.内压薄壁圆筒的厚度设计 内压薄壁圆筒，由前介绍可知，环向应力与 纵向应力的关系为： ，故应按环向应 力进行强度计算，即 第五章 压力容器 其中： P——设计压力， MPa； D—— 圆筒中径， mm； Do—— 圆筒外径， mm； Di—— 圆筒内径， mm； δ—— 圆筒的计算厚度， mm； [σ] ——设计温度下圆筒材料的许用应 力， MPa，可查有关手册。 考虑容器在制造过程中，焊缝对容器整体强 度的影响，故取[σ]乘一个小于或等于1的焊缝系 数，即 第五章 压力容器 由于，一般工艺条件确定的直径尺寸为圆筒 内径Di，用 代入上式，解得内压圆 筒的计算厚度为： 此式是在弹性变形状态下推导得到的计算式， 故其适用范围为： 设计压力 的情况。 第五章 压力容器 考虑到操作过程中介质的腐蚀影响，得到设 计厚度为： 在选取筒体名义厚度时，应根据： 进行筒体厚度的确定 第五章 压力容器 (5-7) 2.内压薄壁球壳的厚度设计 内压球形壳体承受气压时，球壳上径向应力 与环向应力相等，即： 同理，将 ，考虑焊缝系数及腐 蚀余量，则球壳的厚度设计公式为： mm (5-8) 第五章 压力容器 选取球壳名义厚度时，应根据： 进行球壳名义厚度的确定。 本计算公式使用范围： 比较可知，在相同压力、相同直径情况下， 球壳的厚度可小很多，故更加节省材料。 第五章 压力容器 5.3.3 内压容器封头的厚度设计 封头是容器重要受力构件，按形状可分为三 类： 凸形封头：半球封头、椭圆封头、碟形封头、球 冠封头。 锥形封头：无折边锥形封头、有折边锥形封头。 封头设计其设计参数的确定与壳体设计取法 相同。 凸形封头、锥形封头和平板封头。 第五章 压力容器 1.半球形封头 1.封头结构 形状：以半径Ri为内半径的球 壳，如图5-9. 特点：由多块钢板拼焊而成， 用于直径较大的设备或 由于工艺要求而选用， 制造加工要求较高。 第五章 压力容器 2.厚度设计 与球形容器相同，设计厚度的计算公式为 (5-9) 计算得到的厚度较薄，但考虑到焊接需 要，一般取与相连接的筒体等厚。 第五章 压力容器 2.椭圆封头 1.封头结构 形状：由长轴半径为a，短轴半径为b的椭圆曲线 绕回转轴oo‘形成的半个椭球壳体和一段 高 度为h的短圆筒节组成。采用钢板冲压而成。 特点：制造方便，受力较好，被广泛应用于筒体 的封头。 第五章 压力容器 2.厚度设计 由推导可知，椭圆形封头的最大应力值与椭 圆的长短轴之比a/b有关。其计算公式为： (5-10a) 式中： K——椭圆形封头形状系数，标准椭圆封头 a/b=2,K=1. 当椭圆封头 时，一般可用整块钢板冲 压成型，此时可取 ，当 时，钢板要 先拼焊，后冲压，焊缝系数按有关规定选取。 第五章 压力容器 3.碟形封头 由于碟形封头一般多被椭圆形封头取代，故不作 详细介绍。 第五章 压力容器 4.球冠形封头 1.封头结构 形状：半径为Ri，构成的部分球冠形封头，如图 5-12，5-13，冲压成型，直接焊在筒体 上，或筒体的中间位置，作中间封头。或 端面封头。 特点：结构简单，制造方便，凸面高度小，但与 筒体连接处局部应力较大，要求连接处焊 缝全焊透，质量应满足强度要求。必要 时，要采用加强结构，如图5-13. 第五章 压力容器 2.厚度设计 封头的 设计厚度为： (5-12) 其中： Q——应力修正系数，由图5-14查取。 与球冠形风头连接的圆筒厚度应不小于封头 厚度，否则应在风头与圆筒间设置加强段来过渡 连接，加强段厚度应与封头等厚，其长度不小于 ，如图5-12，图5-13所示。 第五章 压力容器 5.圆锥形封头 1.封头结构 形状：无折边锥形封头为锥顶角为2α的锥形壳 体，直接与筒体连接。但由于连接处经线 发生突变会产生一定的局部应力。 有折边锥形封头带有过渡圆弧和直边部 分，可以较好地减小局部应力，使与筒体 连接处附加应力可以降低，如图5-15. 特点：由多块钢板拼焊而成，用于直径较大的设 备或由于工艺要求而选用，制造加工要求 较高。 第五章 压力容器 2.厚度设计 设计计算公式为： (5-13) 其中： α——锥形封头半锥顶角。 第五章 压力容器 6.平板封头 1.封头结构 形状：如表5-9所示，圆平板可作为筒体的平盖或 人孔、手孔的平盖，可用螺栓连接或直接 焊在筒体上。 特点：制造简单，但在连接处有附加应力。 2.厚度设计 设计厚度计算公式为： (5-14) 第五章 压力容器 其中： Dc——计算直径，见表5-9. K ——平盖系数，见表5-9查取。 以上各封头在计算得到设计厚度值之后，应再加上 钢板负偏差值，然后才可选取封头的实际需要的钢板厚 度值。 第五章 压力容器 5.3.4 压力试验 压力容器在制造安装完成后，或在检修完成 后，都必须进行压力试验。 压力试验的目的： 检验容器在超工作压力条件下，器壁上 焊缝强度、致密性和容器结构的密封性能， 以及钢材、制造或检修过程中的缺陷，是对 材料、设计、制造或检修的综合性检查，使 压力容器在投入使用前作全面的安全检查， 防患于未然。 第五章 压力容器 1.压力试验的分类 压力试验包括耐压试验和气密性试验。耐压 试验又分为液压试验和气压试验两种。 1.液压试验 液压试验是压力容器最常用的压力试验方法， 试验介质常为水。液压试验时，压力应缓慢上升， 达到规定试压压力后，保压时间一般不少于30分 钟，然后降至规定实验压力的80%，并保持足够长 时间，以检查所有焊缝和连接部位是否有无泄露， 如有泄露应做好记号，待修补后，再重新试验。 图5-16为水压试验示意图。 第五章 压力容器 2.气密性检验 当压力容器内介质为极度或高度危害的毒性介 质时，在液压试验合格后，必须再次进行气密性试 验，经检查无泄露，方可用于正常生产。 2.内压容器试验压力 1.液压试验 取两者中的较大值 (5-15) 第五章 压力容器 2.气密性检验 式中： PT——容器的试验压力， MPa； P ——容器的设计压力， MPa； [σ],[σ]t——容器材料在试验温度和设计温度 下的许用应力， MPa。 3.压力试验的应力校核 由于压力试验时容器承受的压力PT高于设计 压力P，故应进行强度校核，其校核公式为 1.液压试验的应力校核条件： (5-17) 第五章 压力容器 式中： t—— 圆筒在液压试验下的应力， MPa。 第五章 压力容器 5.4 外压容器 由于生产过程的需要，在化工生产中，也有 5.4.1 临界压力计算 1.失稳 当容器在外压作用下，筒壁上也将产生径向 和环向的压缩应力，由推导可知，其值为 第五章 压力容器 一些外压容器。例如真空工作储罐、减压塔、冷 凝器等，这些容器外面的压力大于容器内部的压 力，是处于外压操作的容器。 大量实验表明，随着外压逐渐增大到某临界值时， 筒壁就会突然发生压瘪或瞬间的失去自身原来形状的 情况，这种现象称为失稳，是外压容器失效的主要现 象。 在均匀外压作用下，薄壁圆筒的变形是有规律的， 其失稳后出现多种变形波的形状，可以，可以由公式 推导得到相应的失稳后的变形波数，用n表示。 第五章 压力容器 外压容器在失稳时的压力值称 为临界压力，用Pcr表示。在设 计时，应使筒体允许的工作外 压小于该筒体的临界压力，并 且应留有一定的安全储备，故 外压圆筒的计算外压力应当满 足如下条件： (5-19) 其中： m——稳定安全系数，对于圆筒取m=3，对 于凸形封头取m=14.52. 第五章 压力容器 影响筒体临界压力的因素主要有筒体尺寸 ( 筒体长度、壁厚、直径)、 材料性能以及筒体的 形状精度等。 第五章 压力容器 2.临界压力的计算 当圆筒长度超过某一极限长度Lcr值后，封头 对筒壁中部的支撑作用将消失，此时圆筒的变形 波为n=2，这类圆筒为长圆筒，当筒体长度小于Lcr 值时，圆筒的变形收到封头的支撑影响，其变形 波为n2，这类圆筒为短圆筒。 1.长圆筒 长圆筒易被压扁，其临界压力Pcr值按下式计 (5-20) 第五章 压力容器 算： 其中： Pcr——临界压力， MPa； E ——材料在设计温度下的弹性模量， MPa； δe —— 圆筒的有效厚度， mm； Do —— 圆筒的外直径， mm。 2.短圆筒 短圆筒的临界压力值按下式计算： (5-21) 第五章 压力容器 式中： L —— 圆筒的计算长度， mm，由图5-19确 定，按两个刚性构件之间的距离， 取大值。 5.4.2 外压容器的设计 1.设计参数的确定 设计压力P是外压容器厚度计算的重要设计参数， 设计压力应取正常工作时，容器内外可能出现的最 大压差，对于真空设备，装有安全控制装置时， P=1.25P压差，或P=0.1 MPa两者中的小值；当无安 全控制装置时，设计压力P=0.1 MPa ，在以上基础 上考虑相应的液体静压力，得到设计压力P。 第五章 压力容器 对于受到夹套内外压力作用，或两个压力室 作用的容器或容器构件，设计压力P取各压力室可 能出现的最大压差为设计压力值。 2.外压圆筒图算法 外压薄壁圆筒的壁厚计算有解析法和图算法， 图算法是借助计算图来确定壁厚，这种方法比较简 单，且我国压力容器设计规定采用图算法进行外压 壁厚设计。 的外压圆筒和管子 第五章 压力容器 1. 设计方法与步骤： 1)假设外压圆筒或管子的名 义厚度，则 ； 2)计算外径， 计算 和 ； 3)在圆筒几何参数计算图纵 坐标上找到L/Do值，过此 点向右作水平线与Do/δe 线相交得到交点，过此 点作铅垂线与横坐标相交 得到系数A。 第五章 压力容器 4)按筒体所用材料选相应厚度计算图，在图 4)按筒体所用材料选相 应厚度计算图，在图 的横坐标上找到系数 A，若A值位于设计温 度线下方，且A值与温 度线有交点，则向上 作铅垂线，与温度相 交，得到交点作水平 线向右侧得到相应系 数B值。并按下式计算 许用外压力[P]： MPa (5-22) 第五章 压力容器 若所得A值位于设计温度下材料线与横坐标 交点的左方，则许用外压力[P]为 MPa (5-23) 5)比较P与[P]，[P]应大于并接近P，所选名 义厚度合理，否则应重新假设圆筒的名义 厚度值，再重复以上步骤，直到[P]大于并 接近P为止。 对于Do/δe20的外压圆筒和管子，其设计 方法与上相同。 第五章 压力容器 3.外压封头图算法 外压容器封头的结构形式与内压容器相同，在 外压作用下，封头与筒体一样，也存在失稳问题。 故也是采用图算法进行封头壁厚的设计。 1.半球形封头 受外压的半球形封头壁厚的设计步骤如下： 1)假设半球形封头名义厚度为，则 2)由 ，计算 第五章 压力容器 3)按(5-24)式计算A值： (5-24) 4)根据封头材料，选取壁厚计算图，在横坐 标上找到系数A值点，若A值在设计温度下 材料线与横坐标交点在右方，过此点作铅 垂线与温度线相交，得到交点后作水平线 与右侧纵坐标相交得到B值。于是许用外 压[P]为 第五章 压力容器 (5-25) 若A值在温度线与横坐标交点的左方，则用 下式计算许用外压力[P] (5-25) 第五章 压力容器 5)比较计算外压P与许用外压[P]，[P]大于 P，且接近P，则所设名义厚度合理，否则 应重新假设封头名义厚度值，重复以上 步骤，直到[P]大于P，且接近P值为止。 2.椭圆形封头 受外压作用的椭圆封头厚度计算，设计步骤与半 球形封头相同，只是半径Ro取椭圆形封头的当量 外半径。即 第五章 压力容器 其中： K1——椭圆形长短轴壁纸不同而设的修 正系数。对于标准椭圆形封头 K1=0.9 4.提高外压容器稳定性的途径 1.改变容器的几何尺寸 在外压圆筒材料和直径都已确定的条件下， 增加筒体壁厚或者缩短筒体计算长度，都能提 高筒体的临界压力，因而提高筒体的稳定性。 两者减小计算长度更加有利。 第五章 压力容器 2 .增设圈加强 将长圆筒变成短圆筒的有效措施是在筒体 上焊加强圈，可以焊在外侧，也可以焊在内侧， 使加强圈提高筒体的刚度，达到提高筒体稳定 性的目的，加强圈可以采用工字钢、角钢、扁 钢等，如图5-24. 第五章 压力容器 已知某外压圆筒形塔体， ， (不包封头)，两 ，直边高 ，设计温度 ，材料为20R钢，真空 操作，无安全控制装置，取腐蚀余量 ，开云体育 开云官网试计算筒体与椭圆封头厚度。 解：采用图算法，根据题目条件及设计压力选 取规定，塔的设计压力 第五章 压力容器 筒体总长 边为标准椭圆封头，高 例5-2 (1)筒体厚度计算 1)假设筒体名义厚度 ，表5- 5查得 ， 筒体有效厚度： 筒体外径： 筒体计算长度： 故 第五章 压力容器 2)由图5-20，根据 查得 3)根据筒体材料20R钢，设计温度 ，及 查图5-21图，系数A落在设计温 度与横坐标交点的左方，故 第五章 压力容器 ， 4) [P]和P较接近，且 计要求，确定筒体壁厚 (2)椭圆封头厚度计算 1)假设封头名义厚度 度 第五章 压力容器 ，封头有效厚 查得 ，假设壁厚符合设 。 已知标准椭圆封头 为 计算得到： 2)计算系数A 第五章 压力容器 ，则封头当量外半径 3)查图5-21可得， A点在材料温度线) [P]P,且接近P，假设封头壁厚符合设计要求， 考虑到筒体与封头壁厚焊接要求，取封头壁厚 8mm。 第五章 压力容器 5.5 储存设备 5.5.1 卧式储罐 1.基本结构 储罐作用：储存或盛装气体、液体、液化气体等 介质。 如氢气储罐、液化石油气储罐、石油储罐、液 氨储罐等。 介质的特性：易燃、易爆、有毒，压力受温度影 响。 第五章 压力容器 (1)地面卧式储罐 由筒体、封头、法兰、人孔、手孔、支座、 接管等组成。 卧式储罐的设计： ① 根据压力初步确定壁厚。 ② 确定支座位置，计算支座反力，选择支座标 准及尺寸。 ③ 校核筒体在支座作用下，操作状态时的周向、 轴向强度和稳定性。最后确定设备的壁厚。 第五章 压力容器 (2)地下卧式储罐 基本结构与地面卧式储罐相同，但安装有工艺 接管，仪表和安全泄放装置等专门接管和接口，并 采用集中安装在一个或几个人孔盖板上。 防腐蚀措施： 牺牲阳极保护法，在储罐上焊有专门金属导线， 在导线的一端焊接一块电位较负的金属，(如锌、 镁、铝等)使设备全部表面都成为阴极，从而实现 防止腐蚀效果。 特点：减少占地面积，具有防火的优点，对温度 影响小，但应注意防腐。 第五章 压力容器 5.5.2 球形储罐 球形储罐分类： 圆球形、椭球形、桔瓣式、足球瓣式等。 1.球罐特点 ① 球罐的表面积最小，所需材料最省。 ② 球壳与筒体相比较承载能力大。 ③ 球罐占地面积小，有利于地表面积的利用。 ④ 基础简单、受风面小、外观美观，但加工较 困难。 第五章 压力容器 5.6 简单容器设计举例 解: (1)罐体壁厚设计 选取储罐材料16MnR，制作罐体和封头。 查得16MnR材料在 时， (表5-3)储罐最高温度t取40°C，此时液氨饱 和蒸气压为 ，取 焊缝为双面对接焊， 100%无损探伤，故 设备内径 第五章 压力容器 ，使用地点：天津。 试设计一液氨储罐，尺寸为：储罐筒体直 径 ，罐体长度(不包括封头) 。 于是罐体计算厚度为： 查表5-5得 根据 ，查钢板厚度，取 第五章 压力容器 ，取 ，则 (2)封头壁厚设计 采用标准椭圆形封头，封头厚度计算 圆整后取 校核罐体与封头水压试验强度： 第五章 压力容器 其中： ，水压试验时强度足够。 第五章 压力容器 故 (3)鞍座 罐体总质量： 其中： m1——罐体质量， kg； m2——封头质量， kg； m3——液氨质量， kg； m4—— 附件质量， kg。 1)罐体质量： 根据 ， 的桶 节，可得每米筒体质量 ，故 第五章 压力容器 2)封头质量： 第五章 压力容器 查标准椭圆封头可得， ，直边高为 椭圆封头质量为 ，所以 ， ， 3)液氨质量： 其中： a——充料系数，取0.7； v——储罐容积， ρ——液氨在-20°C时的密度，为 于是： 第五章 压力容器 4)附件质量： 附件取 设备总质量： 每个鞍座负荷： 第五章 压力容器 选取鞍座为：轻型带垫板，包角为120°的鞍座。 鞍座 (4)人孔 查标准，按 ， 进行选用，选取 水平吊盖人孔，如图5-27结构，标准JB583-79 ，人孔公称直径 ，密封面采用C型。 人孔筒节内径 ，壁厚 。 第五章 压力容器 鞍座 即 人孔补强圈采用内径 厚度为： 考虑到罐体和人孔筒节都有一定的壁厚余量，取 (5)接口管 1)液氨进料口 第五章 压力容器 ，外径 采用 ，查表选法兰：平焊平面密 封管法兰。标准号： ， 2)液氨出料口 采用可拆压出管 体的固定接口管 法兰固定在借口管法兰上。 压出管法兰标准号： 固定接口管标准号： 第五章 压力容器 ，将它套入罐 内，并用一非标准 3)排污管 在储罐最底部，管子规格 管端焊有管法兰： 排污管与截止阀联接。 4)液面计接管 按有关标准查取选用。 第五章 压力容器 ， 5)放空管 采用 设备总装图见图5-28，应标明罐的安装技术要求， 以及接管明细表、材料、零件为明细表等。 第五章 压力容器 无缝钢管，法兰为
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