1、西安石油大學院(系)：機械工程學院 教研室(系)：化工機械系課程名稱過程設備設計基礎課程類別必修課（V）限選課（ ）公共任選課（ ）總學時36學分2講授學時30上機學時實驗學時6專 業過程裝備與控制工程班 級裝備0401，0402，0403,0404任課教師李臻、樊玉光、李曉紅職 稱副教授、教授、副教授教學目的和要求本課程是過程設備與控制工程專業的學科大類基礎課程。其目的是綜合運用基礎課和技術基礎課的基本理論，培養學生具有進行壓力容器設備的工程設計初步能力，主要包括：1、 遵從國家標準進行壓力容器的結構、強度設計及穩定性設計。2、 能從材料、強度、結構、制造、檢驗等各個方面對壓力容器進行綜合分

2、析和設計，保證設計質量。過程設備設計基礎課程的數學目的是使學生獲得基礎力學和金屬材料知識，同時具備常壓、中低壓化工容器設備的初步設計和與機械專業人員的溝通能力，并了解壓力容器監察管理法規，。過程設備設計基礎包括金屬材料基礎和中低壓容器設備結構設計、強度計算。本課程的教學重點為這些內容的基本概念基本知識。(1)使學生了解掌握設計化工設備的基本概念和方法，包括：各類設備結構分析、載荷分析、設計方法。(2)對學生進行設備設計初步能力訓練，包括：設計參數確定、工藝計算與設備設計關系、結構設計和設計計算。(3)本課程的教學包括課堂講授、學生自學、作業、輔導答疑、期末考查等教學環節。(4)課堂教學采用啟發

3、式或討論式的教學方法，理論結合實際，引導學生加深對所學知識的理解和應用，提高學生學習本課程的興趣和積極性。教學重點、難點教學重點：封機理、墊片與壓緊面的選擇；開孔補強設計的要求、等面積補強計算；工藝管道溫差應力、工藝管道支承與固定。塔設備設計中的：板式塔塔盤設計、填料塔液體分布和再分布裝置、填料支承裝置結構。換熱設備設計中的：管殼式換熱器機械結構設計。教學難點：鐵碳合金材料的合金狀態圖。回轉殼體的幾何特性理解，薄膜應力理論的基本方程推導；典型殼體的薄膜應力解。內壓圓筒厚度設計、球殼厚度的設計。外壓穩定性概念、外壓圓筒的失效和設計準則、影響臨界壓力的因素。法蘭密封機理、墊片與壓緊面的選擇、螺拴設

4、計、法蘭的設計。板式塔塔盤、填料塔液體分布和再分布裝置、填料支承裝置結構。管殼式換熱器機械結構。管殼式換熱器設計計算方法。教材和參考書建議教材：鄭津洋等編，過程設備設計，化學工業出版社，2005年7月 主要參考書： 1王志文編，化工容器設計（第二版），化學工業出版社，1999年2月；2陳國理等編，壓力容器及化工設備，華南理工大學出版社，1995年5月；3潘永亮，劉玉良.化工設備機械設計基礎.北京：科學出版社.19995GB15098鋼制壓力容器，中國標準出版社，1998年5月；6GB15198鋼制管殼式換熱器，中國標準出版社，1998年；0 引言69 / 69文檔可自由編輯打印過 程 設 備

5、設 計鄭津洋 董其伍 桑芝富(化工出版社)參考資料: 1、化工容器設計；、化工設備設計；、GB150-1998、GB151-1998；、化工設備機械基礎；、化工設備設計全書13冊緒 論 大連工學院天津大學浙江大學華東工學院華南工學院成都工學院杭州化工學院一、過程裝備與控制工程專業的來歷:1952年大學院系調整1951年大連工學院成立”化學生產機器與設備”專業第一批有”化學生產機器與設備”的院校設備1954年蘇聯專家杜馬什涅夫歐美模式工藝方向2簡稱:化機專業設備與工藝相結合蘇聯模式方向1帶12位教師和10位研究生過程裝備與控制工程250余所過程裝備化工機械第一份教學計劃90年代末:1000余所院

6、校化工設備設計化工過程設備設計過程裝備設計二、過程裝備的概念和范圍:過程裝備完成一系列物理或化學的加工處理過程的設備。化工過程設備的范疇化工生產過程中的靜設備。三、過程設備的特點a、功能原理多種多樣;、化機電一體化;、外殼一般為壓力容器; 、單件生產,成本高。1979年9月7日國內某電化廠415升液氯鋼瓶爆炸，擊穿5個，爆炸5個，10200公斤液氯外泄，波及7公里范圍，59人死亡，779人嚴重中毒。 1979年12月18日國內某液化氣站400M3儲罐爆炸，引發3個球罐和一個臥罐爆炸，5000只氣瓶爆炸，600噸液化氣燃燒，32人死亡，54 人傷。 1986年4月28日前蘇聯切爾諾貝利核電站壓力

7、殼發生核泄漏，31人死亡，20個國家4億人受害。 1984年12月3日印度博帕爾市農藥廠異氰甲酸脂儲罐發生泄漏，2,580人死亡，125,000人中毒，5萬人失明。 四、過程設備的基本要求a、 安全可靠材料的強度高、韌性好;材料與介質相容;結構有足夠的剛度和抗失穩能力;密封性能好。b、 滿足過程要求功能要求;壽命要求c、 綜合經濟性好 生產效率高;結構合理;易于運輸、安裝d、 操作簡單、易于維護和控制簡單操作; 可維護性; 便于控制e、 優良的環境性能跑、冒、滴、漏、噪音1、 壓力容器導言1. 1壓力容器總體結構一、 基本組成筒體（Cylinder）;封頭(Formed head);密封裝置(

8、Seal Units);開孔與接管;支座(support);安全附件(Safe attachment)壓力容器零部件的連接焊接、法蘭連接和螺紋連接1.2壓力容器的分類一、介質的危害性毒性 毒性是指某種化學毒物引起機體損傷的能力，用來表示毒物劑量與毒性反應之間的關系。毒性大小一般以化學物質引起實驗動物某種毒性反應所需要的劑量來表示。介質分為極度危害(L級)、高度危害(級)、中度危害(級)、輕度危害(iv級)等四個級別。以每立方米的空氣中含毒物的毫克數來表示，單位是mgm3。一般劃分標準為： 極度危害(I級) 最高容許質量濃度 <0.1 mgm3； 高度危害(級) 最高容許質量濃度 0.1&

9、lt;1.mgm3； 中度危害(級) 最高容許質量濃度 1.0<10mgm3； 輕度危害(1V級) 最高容許質量濃度 10mgm3。如Q235-A或Q235B鋼板不得用于制造毒性程度為極度或高度危害介質的壓力容器；盛裝毒性程度為極度或高度危害介質的容器制造時，碳素鋼和低合金鋼板應逐張進行超聲檢測，整體必須進行焊后熱處理，容器上的A、B類焊接接頭還應進行l00射線或超聲檢測，且液壓試驗合格后還得進行氣密性試驗。毒性程度對法蘭的選用影響也甚大，主要體現在法蘭的公稱壓力等級上，如內部介質為中度毒性危害，選用的管法蘭公稱壓力應不小于1.0MPa；內部介質為高度或極度毒性危害，選用的管法蘭的公稱壓

10、力應不小于1.6MPa，且還應盡量選用帶頸對焊法蘭等。易燃性 可燃氣體或蒸氣與空氣的混合物遇著明火能夠發生爆炸的濃度范圍稱爆炸濃度極限，爆炸時的最低濃度稱為爆炸下限，最高濃度稱為爆炸上限。爆炸極限一般用可燃氣體或蒸氣在混合物中的體積分數來表示.爆炸下限小于10，或爆炸上限和下限之差值大于等于20的介質，一般稱為易燃介質。二、壓力容器的分類按厚度分類薄壁容器DO/Di<1.2厚壁容器DO/Di1.2按壓力等級分類 按承壓方式分類，壓力容器可分為內壓容器與外壓容器。具體劃分如下： 低壓(代號Low)容器 0.1MPap<1.6MPa； 中壓(代號Middle)容器 1.6MPap<

11、;10.0MPa； 高壓(代號High)容器 10MPap<100MPa； 超高壓(代號Ultra)容器 p100MPa 外壓容器中，當容器的內壓力小于一個絕對大氣壓(約0.1MPa)時又稱 為真空容器。按容器在生產中的作用分類根據壓力容器在生產工藝過程中的作用，可分為反應壓力容器、換熱壓 力容器、分離壓力容器、儲存壓力容器4種。a反應壓力容器(代號Reactor)主要是用于完成介質的物理、化學反應的壓力容器，如反應器、反應釜、聚合釜、高壓釜、合成塔、蒸壓釜、煤氣發生爐等。b換熱壓力容器(代號Exchanger) 主要是用于完成介質熱量交換的壓力容器。如管殼式余熱鍋爐、熱交換器、冷卻器、

12、-冷凝器、蒸發器、加熱器等。c分離壓力容器(代號Separator) 主要是用于完成介質流體壓力平衡緩沖和氣 體凈化分離的壓力容器。如分離器、過濾器、集油器、緩沖器、干燥塔等。d儲存壓力容器(代號Collector，其中球罐代號Ball)主要是用于儲存、盛裝氣體、液體、液化氣體等介質的壓力容器。如液氨儲罐、液化石油氣儲罐等。 在一種壓力容器中，如同時具備兩個以上的工藝作用原理時，應按工藝過程中的主要作用來劃分品種。按安裝方式分類 根據安裝方式可分為固定式壓力容器和移動式壓力容器。 a固定式壓力容器 有固定安裝和使用地點，工藝條件和操作人員也較 固定的壓力容器。如生產車間內的臥式儲罐、球罐、塔器

13、、反應釜等。 b移動式壓力容器也稱為經常搬運的壓力容器，諸如汽車槽車、鐵路槽車、槽船等。這類壓力容器使用時不僅承受內壓或外壓載荷，搬運過程中還會受到由于內部介質晃動引起的沖擊力，以及運輸過程帶來的外部撞擊和振動載荷，因而在結構、使用和安全方面均有其特殊的要求。 按安全技術管理分類壓力容器的危害性還與其設計壓力P和全容積V的乘積有關，pV值愈大，則容器破裂時爆炸能量愈大，危害性也愈大，對容器的設計、制造、檢驗、使用和管理的要求愈高。壓力容器安全技術監察規程采用既考慮容器壓力與容積乘積大小，又考慮介質危害程度以及容器品種的綜合分類方法，有利于安全技術監督和管理。該方法將壓力容器分為三類。a.第三類

14、壓力容器 具有下列情況之一的，為第三類壓力容器：高壓容器；中壓容器(僅限毒性程度為極度和高度危害介質)；中壓儲存容器(僅限易燃或毒性程度為中度危害介質，且pV乘積大于等于10MPa·m3)；中壓反應容器(僅限易燃或毒性程度為中度危害介質，且pv乘積大于等于0.5MPa·m3)；低壓容器(僅限毒性程度為極度和高度危害介質，且pv乘積大于等于0.2MPa·m3)；高壓、中壓管殼式余熱鍋爐；中壓搪玻璃壓力容器；使用強度級別較高(指相應標準中抗拉強度規定值下限大于等于540MPa)的材料制造的壓力容器； 移動式壓力容器，包括鐵路罐車(介質為液化氣體、低溫液體)、罐式汽車正

15、液化氣體運輸(半掛)車、低溫液體運輸(半掛)車、永久氣體運輸(半掛)車和罐式集裝箱(介質為液化氣體、低溫液體)等；球形儲罐(容積大于等于50m3)；低溫液體儲存容器(容積大于5m3)。b第二類壓力容器 下列情況之一的，為第二類壓力容器： 中壓容器；低壓容器(僅限毒性程度為極度和高度危害介質)；低壓反應容器和低壓儲存容器(僅限易燃介質或毒性程度為中度危害介質)； 低壓管殼式余熱鍋爐； 低壓搪玻璃壓力容器。c第一類壓力容器 除上述規定以外的低壓容器為第一類壓力容器。壓力容器的分類方法分類方法容器種類按厚度分類薄壁容器，厚壁容器按承壓方式分類內壓容器，外壓容器按工作壁溫分類高溫容器，中溫容器，常溫容

16、器，低溫容器按幾何形狀分類球形容器，圓筒形容器，圓錐形容器，輪胎形容器按制造方法分類焊接容器，鑄造容器，鍛造容器，鉚接容器，組合式容器按材質分類鋼制容器，鑄鐵容器，有色金屬容器，非金屬容器按安放形式分類立式容器，臥式容器按安全管理和技術監督角度分類固定式容器，移動式容器按壓力等級分類低壓容器，中壓容器，高壓容器，超高壓容器按用途分類盛裝容器，反應容器，換熱容器，分離容器按安全綜合分類一類容器，二類容器，三類容器1. 3壓力容器規范標準介紹一、 國外標準ASME;JIS;BS;AD二、 國標GB1501998鋼制壓力容器;GB1511998管殼式換熱器;JB4732;JB/T4735GB1501

17、998鋼制壓力容器壓力、溫度范圍該標準適用于設計壓力不大于35MPa的鋼制壓力容器的設計、制造、檢驗及驗收。適用的設計溫度范圍根據鋼材允許的使用溫度確定，從一196°C到鋼材的蠕變限用溫度。功能范圍不適用于以下8種壓力容器：直接用火焰加熱的容器；核能裝置中的容器；旋轉或往復運動的機械設備中自成整體或作為部件的受壓器室；經常搬運的容器；設計壓力低于0.1MPa的容器；真空度低于0.07MPa的容器；內直徑小于150mm的容器；要求作疲勞分析的容器等。幾何范圍包括容器與處部管道焊接連接的第一道環向接頭坡口端面、螺紋連接的第一個螺紋接頭端面、法蘭連接的第一個法蘭密封面，以及專用連接件或管件

18、連接的第一個密封面。GB1501998鋼制壓力容器、GB1511998管殼式換熱器和JB4732;JB/T4735的比較項 目GB 150JB 4732JBT 4735設計壓力0.1MPap35MPa真空度不低于0.02MPa0.1MPap<1.00MPa真空度不低于0.02MPa-0.02MPa<p<0.1MPa設計溫度按鋼材允許的使用溫度確定(最高為700°C，最低為一196°C)低于以鋼材蠕變控制其設計應力強度的相應溫度(最高475°C)大于-20350°C (奧氏體高合金鋼制容器和設計溫度低于一20°C，但滿足低溫低應

19、力工況，且調整后的設低應力工況，且調整后的設計溫度高于一20°C的容器不受此限制)對介質的限制不限不限不適用于盛裝高度毒性或極度危害介質的容器設計準則彈性失效設計準則和失穩失效設計準則塑性失效設計準則、失穩失效設計準則和疲勞失效設彈性失效設計準則和失穩失效設計準則計準則，局部應力用極限分析和安定性分析結果來評定應力分析方法以材料力學、板殼理論公式為基礎，并引 ，人應力增大系數和形狀系數彈性有限元法；塑性分析；彈性理論和板殼理論公式實驗應力分析 以材料力學、板殼理論公式為基礎，并引人應力增大系數和形狀系數強度理論最大主應力理論最大切應力理論最大主應力理論是否適用于疲勞分析容器不適用適用

20、，但有免除條件不適用GB1501998鋼制壓力容器是設計、制造壓力容器的依據;壓力容器安全技術監察規程(容規)是政府對壓力容器實施安全技術監督和管理的依據,屬技術法規范疇。第3章 壓力容器材料及環境和時間對其性能的影響§3-1 壓力容器材料主要教學內容授課方式授課時數1、壓力容器常用材料2、有色金屬和非金屬講授1.5教學目的和要求1、掌握壓力容器常用材料的分類、牌號和性能2、了解有色金屬和非金屬的種類教學重點和難點壓力容器常用材料課外作業思考題材料是制造壓力容器的基礎，正確選用壓力容器材料是保證壓力容器長期安全運行的基本條件。壓力容器的應力分析可以為選材提供最基本的依據和要求，同時，

21、選擇材料時還應考慮容器工作時的環境、介質及其它具體條件的要求。不同的材料具有不同的化學成分、力學性能和使用條件，選擇材料最基本的要求是能夠保證壓力容器安全工作，同時做到經濟、適用。一、鋼材形狀1、鋼板壓力容器用鋼板的要求：（1）必須用規定的鋼板制造壓力容器規定允許用于制造壓力容器的鋼板有兩類：壓力容器專用鋼板，如16MnR、20R等可用于制造壓力容器的非容器專用鋼板，如普通碳素鋼中的Q235-A、Q235-B，優質碳素鋼中的10、15、20、20g等。（2）鋼板必須按規定的限制條件使用，如設計壓力、設計溫度、厚度、介質限制、冶煉方法等。（3）制造壓力容器的鋼板必須有符合相應國家標準或行業標準規

22、定的、內容齊全的質量證明書。2、鋼管 用于過程設備較高壓力的流體輸送，材料通常為10、20號鋼。l 根據用途和材質，有多個無縫鋼管標準，對所使用的無縫鋼管，應注明屬于哪個標注。過程設備常用標準：GB8163-87輸送流體用無縫鋼管GB9948-88石油裂化用無縫鋼管GB6479-86化肥設備用高壓無縫鋼管l 鋼管使用時要用法蘭、管件、閥門等連接，相連接的兩個構件必須具有相同的公稱直徑（DN）。eg：DN200的鋼管和法蘭連接，鋼管外徑219，法蘭內直徑220。（2）焊接鋼管 輸送水、煤氣、空氣、取暖蒸汽等較低壓力的流體（p<0.6Mpa）,材料可用Q235制造。3、鍛件 （1） 根據鍛件

23、檢驗項目和數量的不同，鍛件分為、四個級別。（2） 需焊接的鍛件，材料用20號鋼，不許焊接的鍛件，材料用35或45號鋼。（3） 壓力容器上使用的鍛件不得低于級，若鍛件截面尺寸大于300mm，或容器盛裝高度或極度危害介質，且鍛件截面尺寸達50mm時，級別不得低于級。4、圓鋼、型鋼用于制作支承件、加強圈等，圓鋼還可用于制作小尺寸的緊固件。圓鋼材料為Q235-A、20、35號鋼等，型鋼材料多為Q235-A。二、鋼材類型按化學成分，壓力容器用鋼分為三類：1、碳素鋼（C%2.06% 普通碳素鋼的Q235系列鋼板和優質碳素鋼均可用于制作壓力容器2、低合金鋼 在優質碳素鋼的基礎上，加入一種或多種合金元素（合金

24、元素總含量在3%以下），以提高鋼的強度和改善綜合性能。 低合金鋼是目前制造壓力容器的主要鋼材，其強度、韌性、耐腐蝕性等均優于相同含碳量的碳素鋼，減輕裝備的重量，可節省鋼材1/32/3。GB1501998鋼制壓力容器推薦適用的低合金鋼板有：16MnR、15MnVR、15MnVNR、18MnMoNbR、13MnNiMoNbR、07MnCrMoVR，其中16MnR是s350Mpa級的普通低合金高強度鋼，具有優良的力學性能、焊接性能、工藝性能及低溫沖擊韌性，是中國壓力容器專用鋼板中用量最大的鋼種。3、高合金鋼（合金元素總含量大于10%） 主要有鉻鋼、鉻鎳鋼、鉻鎳鉬鋼等，如0Cr13、0Cr18Ni9、

25、0Cr18Ni10Ti等，主要用于耐腐蝕和耐高溫等特殊場合，如不銹鋼、耐熱鋼等。* 不銹鋼中的主要元素是Cr、Ni、Mo、Ti，其中Cr、Ni含量較高。* 不銹鋼的耐蝕性主要來源于Cr，實驗證明，只有當Cr的含量大于12%時鋼的耐蝕性才會大幅度地提高，所以不銹鋼中Cr的含量均不低于12%。 Ni可以擴大不銹鋼的耐蝕范圍，特別是提高抗堿腐蝕的能力。 Mo能提高不銹鋼抗氯離子腐蝕的能力，并提高鋼的耐熱強度。Ti是為防止焊接用不銹鋼發生晶間腐蝕而加入的元素。* 復合鋼板及其應用三、有色金屬和非金屬1、有色金屬* 鈦合金的焊接應在惰性氣體的保護下或在真空中進行，以防止氫、氮、氧等進入焊縫，保護焊縫的塑

26、性。銅及銅合金的特點：純銅：又稱紫銅，具有較高的導電性、導熱性和良好的塑性。特點：低溫下能保持較高的塑性和沖擊韌性，是制造深冷設備的良好材料。耐蝕性： 在沒有氧存在的情況下，在許多非氧化性酸中比較耐腐蝕。 在氨和銨鹽溶液中，當有氧存在時，由于生成可溶性的絡離子，故不耐蝕。所以在氨生產中使用的儀表、泵、閥門等均不能用銅制造。 銅在大氣、水、中性鹽及苛性堿中均相當穩定，但在氯、溴、二氧化硫、硫化氫等氣體及潮濕大氣中將會受到腐蝕。黃銅（銅-鋅合金）：特點：具有較高的機械性能，價格較便宜，可用于制作深冷設備筒體、管板、法蘭及螺母等。青銅：（1）錫青銅（銅-錫合金）特點：具有很高的耐蝕性和良好的抗磨性，

27、多用于制造耐磨零件（如軸瓦、軸套、蝸輪等）和與酸、堿等腐蝕性介質接觸的零件。古代的青銅器即是用錫青銅制造。（2）無錫青銅（銅中加入鉛、鋁等其它元素：特點：強度好、耐蝕性好，價格低廉，常用于制造在蒸氣和海水工作條件下的零件及受摩擦耐腐蝕零件。鋁及鋁合金的特點：純鋁（L）：特點：密度小、重量輕（約為鋼的1/3），導電、導熱性能好，強度較差，塑性好，有極好的耐蝕性（但不耐堿及鹽水），可用于制作儲罐、塔、熱交換器等設備，也可用于制作防止污染的設備和深冷設備。鋁合金：（1）防銹鋁（LF）：Al-Mn、Al-Mg合金特點：具有適中的強度、優良的塑性和耐蝕性，多用于制作深冷設備入液空吸附過濾器、分餾塔等。（

28、2）硬鋁（LY）: Al-Cu-Mg合金特點：強度較高，可用于制作深冷設備中的螺栓及其它受力構件。鎳及鎳合金：純鎳：耐蝕性、耐磨性和硬度都很高，但價格很貴，很少用于制作壓力容器。鎳合金：Ni-Mn、Ni-Cu合金特點：具有很好的耐腐蝕性能和抗高溫性能，但價格較高，一般只用于制造特殊要求的壓力容器。鈦及鈦合金：純鈦：特點： 密度小、強度高。 工作溫度范圍寬，可在-196-350范圍內使用。 鈦是具有強烈鈍化傾向的金屬，在氧化性和中性介質中具有優良的耐蝕性，特別是鈦不發生晶間腐蝕的特點。鈦合金：Ti-0.2Pd、Ti-0.3Mo-0.8Ni合金（1）鈦合金可以承受鍛造、沖壓等壓力加工。（2）鈦合金

29、的焊接應在惰性氣體的保護下或在真空中進行，以防止氫、 氮、氧等進入焊縫，保護焊縫的塑性。2、非金屬材料非金屬材料的優點：資源豐富、耐蝕性好、品種多、價格便宜。缺點：機械強度較低，耐熱性不好，對溫度波動比較敏感。非金屬材料通常用于承壓不高的結構材料、金屬保護村里或涂層、密封材料、保溫材料、耐火材料等。（1）涂料 涂料是一種有機高分子膠體的混合物，將其均勻地涂在容器表面上能形成完整而堅韌的薄膜，起耐蝕和保護作用。(2)工程塑料 工程塑料可分為熱塑性塑料和熱固性塑料。熱塑性塑料的特點是在一定溫度下可以變軟，而不發生化學變化，冷卻后又變硬，再加熱又軟化。如聚氯乙烯、聚四氟乙烯、ABS等，可用作制造低壓

30、容器的殼體、管道,也可用作密封元件、攪拌器等的材料。(3)不透性石墨 具有良好的化學穩定性、導電性和導熱性，被用來制造熱交換器。(4)陶瓷 具有良好的耐腐蝕性能，一定的強度，被用來制造塔、貯槽、反應器和管件。(5)搪瓷 搪瓷設備是由含硅量高的瓷釉通過9000C左右的高溫鍛燒，使瓷釉密著于金屬胎表面而制成的。它具有優良的耐蝕性，較好的耐磨性，廣泛用作耐腐蝕、不掛料的反應罐、貯罐、塔和反應器等。§3-2 壓力容器制造工藝對鋼材性能的影響主要教學內容授課方式授課時數1、塑性變形2、焊接3、熱處理講授自學1教學目的和要求1、了解塑性變形對鋼材性能的影響2、了解焊接對鋼材性能的影響3、了解熱處

31、理對鋼材性能的影響教學重點和難點焊接對鋼材性能的影響課外作業思考題在壓力容器制造中，往往先將鋼板經過冷加工或熱加工，使它變成所要求的零件形狀，再通過焊接將各零部件連接在一起。因此，有必要研究冷、熱加工造成的塑性變形和焊接工藝對材料性能的影響。一、塑性變形1、加工硬化 在常溫下鋼經過塑性變形后，內部組織將發生變化，晶粒沿變形最大的方向伸長，晶格和晶粒扭曲，產生內應力，從而引起力學性能的變化。隨著變形程度增大，鋼的強度及硬度升高，而塑性下降。這種隨變形程度的增大，強度增加而塑性降低的現象稱為加工硬化。熱變形和冷變形 凡是在重結晶溫度以上進行的塑性變形，稱為熱變形或熱加工 ;反之，在重結晶溫度以下進

32、行的塑性變形稱之為冷變形或冷加工。2、各向異性 纖維組織和帶狀組織使金屬材料的力學性能產生方向性，平行纖維組織方向的強度、塑性和韌性提高高，而垂直纖維組織方向的塑性和韌性降低。變形程度越大，纖維組織越明顯，性能差異也越顯著。二、焊接焊接是兩種或兩種以上材料，在加熱或（和）加壓的狀態下，通過原子或分子之間的結合和擴散，形成永久性連接的工藝過程。1、焊接接頭的組織和性能 2、焊接應力與變形、減少焊接應力和變形的措施 （1） 盡量減少焊接接頭數量；（2） 相鄰焊縫間應保持足夠的間距；（3） 盡可能避免交叉；焊縫不要布置在高應力區；（4） 焊前預熱等。3、焊接缺陷和焊接接頭的檢驗§3-3 環

33、境對壓力容器用鋼性能的影響主要教學內容授課方式授課時數1、溫度2、介質3、加載速率講授自學1教學目的和要求1、了解溫度對壓力容器用鋼性能的影響2、掌握介質對壓力容器用鋼性能的影響3、了解加載速率對壓力容器用鋼性能的影響教學重點和難點1、 溫度對壓力容器用鋼性能的影響2、 介質對壓力容器用鋼性能的影響課外作業思考題一、 溫度1、 短期靜載下溫度對鋼材力學性能的影響（1）低溫變脆現象（2）脆性轉變溫度2、 高溫、長期靜載下鋼材的性能（1）蠕變現象（2）蠕變曲線（3）蠕變極限與持久強度3、 高溫下材料性能的劣化二、 介質1、 腐蝕的類型（1）電化學腐蝕指金屬在電解質中，由于各部位電位不同，造成微電池

34、，在電子交換過程中產生電流，作為負極的金屬被逐漸溶解的一種腐蝕（2）化學腐蝕指金屬在干燥氣體或無電解質存在的環境中，受物質的直接作用，作用過程中不產生電流，而腐蝕的產物直接生成在反應的表面區域。 晶間腐蝕晶間腐蝕是一種常見的局部腐蝕，腐蝕是沿晶粒邊界和它的鄰 近區域產生和發展，而晶粒本身的腐蝕則很輕微。引起晶間腐蝕的環境有電解質溶液、過熱水蒸氣、高溫水和熔融金屬等。晶 間腐蝕必須在腐蝕環境中，并且晶界物質的物理化學狀態與晶粒本體不同時， 才能產生。 小孔腐蝕又稱孔蝕,腐蝕集中在金屬表面的局部地區的小孔上，小孔腐蝕可以使金屬材料穿孔破壞，而重量丟失卻往往很少，因此也是一種破壞性大的局部性腐蝕。孔

35、蝕常發生在靜滯的液體中，提高流速就可減輕小孔腐蝕，此外，在不銹鋼中增加鉬的含量和盡量降低介質中的氯離子、碘離子的含量，均可有效地減少小孔腐蝕。 縫隙腐蝕換熱管與管板連接處、法蘭的連接面等縫隙處，如果介質處于停滯狀態引起濃度增加，就會加速這些縫內金屬材料的腐蝕，這種腐蝕被稱為縫隙腐蝕。為了盡量避免縫隙腐蝕，在壓力容器的結構設計中，常采取措施避免或減少縫隙形成，如避免介質的流動死角或死區，要使液體做到能完全排凈；采用脹焊并用，減少管子和管板間的間隙等。（3）應力腐蝕 是金屬材料在拉伸應力和特定腐蝕介質的共同作用下導致韌性材料迅速開裂和發生早期破壞的現象。零件壽命要短于應力或腐蝕環境單獨作用時的壽命

36、，破壞時的應力水平較低，往往沒有明顯預兆，斷裂是突發性的，因而很難預防，是一種危險性很大的破壞形式。 應力腐蝕的特征： a拉伸應力 b特定合金和介質的組合 c一般為延遲脆性斷裂 預防應力腐蝕的措施: a. 合理選擇材料 b.減少或消除殘余拉應力 c. 改善介質條件 d.涂層保護三、 載荷形式（1）加載速率 （2）疲勞破壞 疲勞破環的特征 防止疲勞破壞的措施 四、材料性質劣化石墨化回火脆化§3-4壓力容器材料選擇主要教學內容授課方式授課時數1、壓力容器用鋼的基本要求2、選擇壓力容器鋼材應考慮的因素3、壓力容器選材的基本原則講授0.5教學目的和要求1、了解壓力容器用鋼的基本要求2、了解選

37、擇壓力容器鋼材應考慮的因素3、了解壓力容器選材的基本原則教學重點和難點壓力容器選材的基本原則課外作業思考題一、壓力容器用鋼的基本要求 1、化學成分（C、P、S等） 2、力學性能（強度、鋼度、塑性、韌性等） 3、制造工藝性能（機加工性能、壓力加工性能、焊接性能、鑄造性能、熱處理性能等）二、選擇壓力容器鋼材應考慮的因素（1）材料的性能分析構件的工作條件，確定構件應具有的使用性能。通過失效分析，確定構件的主要使用性能。從構件主要使用性能要求出發，提出對材料使用性能的要求。 （2）材料的加工工藝性能 （3）材料的經濟性 （4）材料的選擇應符合規范標準的要求三、選擇壓力容器材料的原則（1）綜合考慮各種因

38、素 選擇壓力容器用鋼，應綜合考慮容器的結構、環境條件和制造工藝，以及材料的力學性能、焊接性能、冷熱加工性能。（2）符合規范標準要求，使用范圍應符合材料生產國相應規范和標準的規定。（3）強度和塑性、韌性的合理匹配 提高材料強度。（4）合理利用材料性能。補充：壓力容器的失效形式3、壓力容器應力分析(Stress Analyses of pressure vessel)3.1 回轉薄殼應力分析(Stress Analyses of thin shell of revolution )3.2回轉薄殼的幾何要素(1)回轉殼體(thin shell of revolution) (2)軸對稱問題(axia

39、lly symmetric shell)常見容器殼體的一個重要幾何特征是其中面由一條平面曲線或直線繞同平面內的軸線回轉而成，這種殼體稱為“回轉殼”。顯然，這類殼體的幾何形狀是軸成對稱的。容器通常承受軸對稱載荷作用，所謂軸對稱載荷就是指殼體任一橫截面上的載荷對稱于回轉軸,但是沿軸線方向的載荷可以按照任意規律變化，例如均勻的氣體壓力或液體靜壓力等。如果支承容器的邊界也對稱于軸線，則殼體因外載荷作用而引起的內力和變形也必定軸對稱的。分析這種容器殼體的應力和變形問題，稱為回轉殼的軸對稱問題。本節僅對回轉殼的軸對稱問題進行討論。 (3)中間面 所謂中間面即是與殼體內外表面等距離的曲面，內外表面間的法向距

40、離即為殼體厚度，對于薄壁殼體，可以用中間面來表示它的幾何特性。 (4)母線 回轉殼體的中間面是由平面曲線AB繞回轉軸OA旋轉一周而成，形成中間面的平面曲線AB稱為“母線”。 (5)經線如果通過回轉軸作一縱截面與殼體曲面相交所得的交線(如AB和AB”)稱為“經線".顯然，經線與母線的形狀是完全相同的。(6)法線通過經線上任意一點M垂直于中間面的直線，稱為中間面在該點的“法線”(n)，法線的延長線必與回轉軸相交。(7)緯線 如果作圓錐面與殼體中間面正交，得到的交線叫做“緯線”；過N點作垂直于回轉軸的平面與中間面相割形成的圓稱為“平行圓”，顯然平行圓即是緯線，如圖34中的CND圓。(8)第

41、一曲率半徑中間面上任一點M處經線的曲率半徑為該點的“第一曲率半徑”R1，R1=MKl。(9)第二曲率半徑通過經線上一點M的法線作垂直于經線的平面與中間面相割形成的曲線MEF，此曲 線在M點處的曲率半徑稱為該點的第二曲率半徑R2。第二曲率半徑的中心K2落在回轉軸上，其長度等于法線段MK2，即R2MK2。 (1) 球(sphere): R1=R R2=R(2) 筒(cylinder): R1=¥ R2=R (3) 錐(cone): R1=¥ R2=r/cosa =x·tga(4) 碟形(dish): 球冠處: R1=R R2=R 過渡圓處: R1=r R2=(R-r)

42、/sinj+r(5) 一般: R2=r/sinj (6) 橢圓(): y=-b2x/(a2y) y”=-b4/(a2y3 ) R1=R23b2/a4 R2=(a4y2+b4x2)0.5/b23無力矩理論與有力矩理論(membrane theory and bending theory)在一般情形下，殼體中面上存在以下十個內力分量：Nj、Nq為法向力，Njq 、Nqj為剪力，這四個內力是因中面的拉伸、壓縮和剪切變形而產生的，稱為薄膜內力(或薄膜力)；Qj、Qq為橫向剪力；Mj、Mq和Mjq、Mqj。分別為彎矩與扭矩，這六個內力是因中面的曲率、扭率改變而產生的，稱為彎曲內力。 般情況下，薄殼內薄膜

43、內力和彎曲內力同時存在。在殼體理淪中，若同時考慮薄膜內力和彎曲內力，這種理論稱為有力矩理論或彎曲理論。當薄殼的抗彎剛度非常小，或者中面的曲率、扭率改變非常小時，彎曲內力很小。這樣，在考察薄殼平衡時，就可省略彎曲內力對平衡的影響，于是得到無矩應力狀態。省略彎曲內力的殼體理論，稱為無力矩理論或薄膜理論。因殼壁很薄，沿厚度方向的應力與其他應力相比很小，其他應力不隨厚度而變，因此中面上的應力和變形可以代表薄殼的應力和變形。3.3.1無力矩理論的基本方程(一)微元平衡方程由微元平衡方程得:SP=0即:p·A=F1+F2abcd的面積為A=dl1·dl2dl1=ab=R1·d

44、j dl2=ac=R2·dq F1= dl2·t· (sj+d sj)·sindj/2+dl2·t· sj·sindj/2 F2= 2·dl1·t· sq·sindq/2sindj/2= dj/2 sindq/2= dq/2P·R1·dj·R2·dq=2·R1·dj·t· sq·dq/2+ 2·R2·dq·t· sj·dj/2 微體平衡方程或Lap

45、lace方程ßÞ(二)區域平衡方程2p rsjVjV=2p r·t·sjsinjV=p r2·P區域平衡方程故 (三)、薄壁容器的薄膜應力1、受均勻氣體內壓作用的容器球形封頭: R1=R R2=R圓柱形容器: R1=¥ R2=R錐形封頭:R1=¥ R2=r/cosa =x·tga碟形封頭: 球冠處: R1=R R2=R 此段為球形,故 過渡圓處: R1=r R2=(R-r)/sinj+r橢圓封頭: R1=R23b2/a4 R2=(a4y2+b4x2)0.5/b2討論:1) 當x=0 y=b 時 R1=R2=a2/b

46、 2)當x=a y=0 時 R1=b2/a R2=a 由于周向應力的正負受1-a2/2b2的影響,所以不同的長短軸之比影響到周向應力是拉還是壓。結論:sI=f(x,y); I=,sI=f(p,t,a/b);sj>0,sq可正可負;在a/b=2時, sqb= -sqa2、受液體內壓作用的容器b(四)薄壁容器的薄膜變形為了下面計算容器不連續應力的需要，此處簡要討論容器薄殼在無力矩應力狀態下中面的變形問題，列出計算薄膜變形的主要關系式。 1變形的幾何描述 回轉殼在均勻壓力作用下，將產生對稱軸線的變形(下圖)。在小變形情況下，殼體中面上任意一點a的位移可分解為經向位移u和法向位移w兩個分量。現假

47、設u和w沿坐標例題:求半徑為R,內壓為P的圓筒形容器、球形容器的徑向變形量Dr對圓筒形容器對球形容器結論:相同內徑的圓筒及球形容器在相同的內壓的作用下其變形是不一致的,若以半球為封頭與筒體組成一容器,在壓力作用下其連接處的變形不協調必然會導致附加力,故無力矩理論在幾何不連續處不適用,此時應采用有力矩理論進行計算。(五)無力矩理論的應用條件在一定條件下，殼體內產生的薄膜應力比彎曲應力和剪應力大得多，以致可以略去不計，此時也近似為無矩應力狀態。實現這種無矩應力狀態，殼體的幾何形狀、加載方式和邊界條件必須滿足以下三個條件： (1)殼體的厚度、曲率與載荷沒有突變，構成同一殼體的材料物理性能(如E、u等

48、)相同。對于集中載荷區域附近無力矩理論不能適用; (2)殼體邊界處不能有垂直于殼面法向力和力矩的作用; (3)殼體邊界處只可有沿經線切線方向的約束,而邊界處轉角與撓度不應受到約束。 如果殼體不滿足上述條件，殼體內將引起顯著的彎曲變形，而彎曲應力，剪應力和薄膜應力屬同一數量級，此時無力矩理論不適用，必須按有力矩理論分析。 3.3.2有力矩理論不連續效應與不連續分析的基本方法 a不連續效應 工程實際中的殼體結構，絕大部分都是由幾種簡單的殼體組合而成，即由球殼、圓柱殼、錐殼及圓板等連接組成。工程實際殼體結構，包含了球殼、圓柱、殼、錐殼和橢球殼等基本殼體。它也可看作是一根曲線繞回轉軸旋轉而得的回轉殼，

49、但其母線不是簡單曲線而是由幾種形狀規則的曲線段，諸如圓弧、橢圓曲線和直線等線段組合而成。此外，在工程的實際殼體中，沿殼體軸線方向的厚度、載荷、溫度和材料的物理性能也可能出現突變。這些因素引起了殼體結構中薄膜應力的不連續。在兩殼體連接處，若把兩殼體作為自由體，即在內壓作用下自由變形，在連接處的薄膜位移和轉角一般不相等，而實際上這兩個殼體是連接在一起的，即兩殼體在連接處的位移和轉角必須相等。這樣在兩個殼體連接處附近形成一種約束，迫使連接處殼體發生局部的彎曲變形，在連接邊緣產生了附加的邊緣力和邊緣力矩及抵抗這種變形的局部應力，使這一區域的總應力增大。 由于這種總體結構不連續，組合殼在連接處附近的局部

50、區域出現衰減很快的應力增大現象，稱為“不連續效應”或“邊緣效應”。由此引起的局部應力稱為“不連續應力”或“邊緣應力”。分析組合殼不連續應力的方法，在工程上稱為“不連續分析”。b不連續分析的基本方法 組合殼的不連續應力可以根據一般殼體理論計算，但較復雜。工程上常采用簡便的解法，把殼體應力的解分解為兩個部分。一是薄膜解或稱主要解，即殼體的無力矩理論的解。求得的薄膜應力與相應的載荷同時存在，這類應力稱為一次應力。它是由于外載荷所產生而必須滿足內部和外部的力和力矩的平衡關系的應力，隨外載荷的增大而增大，因此，當它超過材料屈服點時就能導致材料的破壞或大面積變形；二是有矩解或稱次要解，即在兩殼體連接邊緣處

51、切開后，自由邊界上受到的邊緣力和邊緣力矩作用時的有力矩理論的解，求得的應力稱二次應力。它是由于相鄰部分材料的約束或結構自身約束所產生的應力，有自限性，因此，它超過材料屈服點時就產生局部屈服或較小的變形，連接邊緣處殼體不同的變形就可協調，從而得到一個較有利的應力分布結果。將上述兩種解疊加后就可以得到保持組合殼總體結構連續的最終解，而總應力由上述一次薄膜應力和二次應力疊加而成。現以圖所示一半球殼與圓柱殼連接的組合殼為例說明。在內壓作用下的半球殼和圓柱殼連接邊緣處沿平行圓切開，兩殼體各自的薄膜變形如圖(b)所示。顯然，兩殼體平行圓徑向位移不相等，1p2p，但兩殼體實際是連成一體的連續結構，因此兩殼體

52、的連接處將產生邊緣力。根據變形的連續性條件：1=2 ，1=2圓柱殼受邊緣力和邊緣力矩作用的彎曲解 圓柱殼的邊緣上，受到沿圓周均勻分布的邊緣力Q0和邊緣力矩M0的作用。軸對稱加載的圓柱殼有力矩理論基本微分方程為不連續應力的特性不同結構組合殼，在連接邊緣處，有不同的邊緣應力，有的邊緣效應顯著，其應力可達到很大的數值，但它們都有一個共同特性，即影響范圍很小，這些應力只存在于連接處附近的局部區域。例如，受邊緣力和力矩作用的圓柱殼，隨著離邊緣距離x的增加，各內力呈指數函數迅速衰減以至消失，這種性質稱為不連續應力的局部性。當x/時，圓柱殼中產生的縱向彎矩的絕對值為其縱向彎矩已衰減掉95.7；若離邊緣的距離

53、大于/,則應力更小 。 在多數情況下，2.5（R t）0.5與殼體半徑R相比是一個很小的數字，這說明邊緣應力具有很大的局部性。 不連續應力的另一個特性是自限性。不連續應力是由于毗鄰殼體，在連接處的薄膜變形不相等，兩殼體連接邊緣的變形受到彈性約束所致，因此對于用塑性材料制造的殼體，當連接邊緣的局部區產生塑性變形，這種彈性約束就開始緩解，變形不會連續發展，不連續應力也自動限制，這種性質稱為不連續應力的自限性。由于不連續應力具有局部性和自限性兩種特性，對于受靜載荷作用的塑性材料殼體，在設計中一般不作具體計算，僅采取結構上作局部處理的辦法，以限制其應力水平。但對于脆性材料制造的殼體、經受疲勞載荷或低溫

54、的殼體等，因對過高的不連續應力十分敏感，可能導致殼體的疲勞失效或脆性破壞，因而在設計中應按有關規定計算并限制不連續應力。本節重點：(1) 壓力容器的分類;(2) 壓力容器制造工藝對鋼材性能的影響；(3) 壓力容器用鋼的基本要求;(4) 第一、二曲率半徑的計算;(5) 微元平衡方程;(6) 區域平衡方程;(7) 橢圓、碟形封頭中應力的計算及分布情況;(8) 回轉薄殼的不連續應力的兩個特點。補充作業:1.試求圖所示的回轉薄殼上A點的主曲率半徑R1和R22.現有一離心機轉鼓，用來沉降懸浮料液，物料的密度r=1500kgm3,轉鼓的直徑D800mm，壁厚t8mm，高度H700mm，材料為碳鋼，其彈性模量E2.l×l05MPa，當以1500rmin回轉時，液體的自由表面可近似視為與壁面平行，其回轉半徑r=300mm，試計算轉鼓壁中的薄膜應力。3. 錐形容器盛滿液體，如圖所示，錐殼半頂角為a，高度為H，厚度為t，液體密度為r，試確定:(1)錐殼中的薄膜應力和最大薄膜應力及其位置；(2)若容器中盛部分液體，其離錐頂距離為h(h<H)，則薄膜應力又將如何變化?Thin Shell of Revolution under Internal PressureAx