1、1l4-1 概述概述壓力容器設計壓力容器設計基本要求基本要求合理選取結構、合理選取結構、材料、參數等材料、參數等合理選擇設計方法合理選擇設計方法2常規設計和分析設計結果比較常規設計和分析設計結果比較3適的密封材料。結構，選擇合選擇或設計合理的密封密封設計適的材料。部件結構尺寸，選擇合確定零通過強度和剛度計算，強度和剛度設計理、經濟的結構形式。的要求，設計簡單、合、檢驗等方面滿足工藝、制造、使用結構設計主要設計內容壓力容器設計壓力容器設計基本內容基本內容4用戶提出基本設計要求用戶提出基本設計要求 分析容器的工作條件，確定設計參數分析容器的工作條件，確定設計參數 結構分析、初步選材結構分析、初步選

2、材 選擇合適的規范和標準選擇合適的規范和標準 應力分析和強度計算應力分析和強度計算 確定構件尺寸和材料確定構件尺寸和材料 繪制圖紙，提供設計計算書和其它技術文件繪制圖紙，提供設計計算書和其它技術文件 壓壓力力容容器器設設計計的的基基本本步步驟驟5攪拌容器條件圖塔器條件圖換熱器條件圖一般容器條件圖設計條件圖等）、腐蝕速率、保溫條件其它（材料、設計壽命操作方式和要求壓力和溫度工作介質設計要求設計條件設計條件6789交互失效泄漏失效失穩失效剛度失效強度失效壓力容器的失效形式10壓力容器失效判據壓力容器失效判據判斷壓力容器是否失效判斷壓力容器是否失效由力學分析得到力學分析結果由力學分析得到力學分析結果

3、由實驗測得失效數值由實驗測得失效數值失效判據失效判據11泄漏失效設計準則穩定失效設計準則剛度失效設計準則強度失效設計準則壓力容器設計準則壓力容器設計準則壓力容器設計準則12l一、概述一、概述基于彈性失效設計準則基于彈性失效設計準則不連續應力的考慮不連續應力的考慮1314扁平鋼帶傾角錯繞式槽形繞帶繞帶式繞板式熱套式整體多層包扎式多層包扎式組合式無縫鋼管式鍛焊式整體鍛造式單層卷焊式單層式圓筒結構形式15單層式圓筒的優點：單層式圓筒的優點：不存在層間不存在層間松動等薄弱環節，能較好地保證松動等薄弱環節，能較好地保證筒體的強度。筒體的強度。單層式圓筒的缺點：單層式圓筒的缺點：1、單層厚壁圓筒對制造設備

4、的要、單層厚壁圓筒對制造設備的要求高。求高。2、材料的浪費大。、材料的浪費大。3、鍛焊式圓筒存在較深的縱、環、鍛焊式圓筒存在較深的縱、環焊縫，不便于焊接和檢驗。焊縫，不便于焊接和檢驗。16層板包扎式層板包扎式 （1）包扎工序繁瑣，費工費時，效率低。）包扎工序繁瑣，費工費時，效率低。 （2）層板材料利用率低。）層板材料利用率低。3）層間松動問題。）層間松動問題。缺點缺點 （1）對加工設備的要求不高。對加工設備的要求不高。 （2）壓縮預應力可防止裂紋的擴展。）壓縮預應力可防止裂紋的擴展。 （3）內筒可采用不銹鋼防腐。）內筒可采用不銹鋼防腐。 （4）層板厚度薄，韌性好，不易發）層板厚度薄，韌性好，不

5、易發生脆性斷裂。生脆性斷裂。優點優點17整體多層包扎式整體多層包扎式18 （1）套合層數少，效率高，成本低。）套合層數少，效率高，成本低。 （2）縱焊縫質量容易保證。）縱焊縫質量容易保證。 （1）只能套合短筒，筒節間深環焊縫多。）只能套合短筒，筒節間深環焊縫多。 （2）要求準確的過盈量，對筒節的制造要求高。）要求準確的過盈量，對筒節的制造要求高。熱套式熱套式優點優點缺點缺點19優點：優點：（1）機械化程度高，操作簡便，材料利用率高。）機械化程度高，操作簡便，材料利用率高。 （2）縱焊縫少。）縱焊縫少。缺點：缺點：（1）繞板薄，不宜制造壁厚很大的容器。）繞板薄，不宜制造壁厚很大的容器。 （2）層

6、間松動問題。）層間松動問題。繞板式繞板式優點優點缺點缺點20槽形繞帶式槽形繞帶式（1）筒壁應力分布均勻且能承受一部分由內壓）筒壁應力分布均勻且能承受一部分由內壓 產生的軸向力。產生的軸向力。（2）機械化程度高，材料利用率高。）機械化程度高，材料利用率高。（1）鋼帶成本高，公差要求嚴格。）鋼帶成本高，公差要求嚴格。（2）繞帶時鋼帶要求嚴格嚙合，否則無法貼緊。）繞帶時鋼帶要求嚴格嚙合，否則無法貼緊。優點優點缺點缺點21 （1）機械化程度高，材料利用率高。）機械化程度高，材料利用率高。 （2）整體繞制，無環焊縫。）整體繞制，無環焊縫。 （3）帶層呈網狀，不會整體裂開。）帶層呈網狀，不會整體裂開。 （

7、4）扁平鋼帶成本低，繞制方便。）扁平鋼帶成本低，繞制方便。扁平鋼帶傾角錯繞式扁平鋼帶傾角錯繞式特點特點22cticpDp2單層內壓圓筒單層內壓圓筒焊接接頭系數計算壓力cptcp0.4適用范圍：壁厚計算壁厚計算23強度校核強度校核工作應力工作應力teeictDp2)(最大允許工作壓力最大允許工作壓力eitewDp224時（單層厚壁圓筒）tcp0.4按塑性失效設計準則：按塑性失效設計準則：)1()1(230pniisseRKR按爆破失效設計準則：按爆破失效設計準則：)1()1()2(23pniibssbeRKR25cticpDp2注意注意000tnitinit2627最小厚度最小厚度碳素鋼、低合金

8、鋼制容器：碳素鋼、低合金鋼制容器：min3mm高合金鋼制容器：高合金鋼制容器：min2mm28設計壓力設計壓力p1 1、設計壓力由工藝條件確定，在設計過程中是一個、設計壓力由工藝條件確定，在設計過程中是一個定值；工作壓力在容器正常工作過程中可能變動，容定值；工作壓力在容器正常工作過程中可能變動，容器頂部和底部的工作壓力也可能不同。器頂部和底部的工作壓力也可能不同。2 2、要求設計壓力不低于最大工作壓力。、要求設計壓力不低于最大工作壓力。 即：即：P PP PW W3 3、P PC C= P+P= P+PL L ( (當當P PL L5%5% P P時，時， P PL L可忽略不計可忽略不計)

9、)29設計壓力的規定設計壓力的規定1、容器上裝有安全閥時、容器上裝有安全閥時 P=(1.051.10)PW2、容器上裝有爆破膜時、容器上裝有爆破膜時 P=(1.151.30)PW3、盛裝液化氣體的容器、盛裝液化氣體的容器 設計壓力取工作時可能達到的最高溫度下設計壓力取工作時可能達到的最高溫度下液化氣體的飽和蒸氣壓液化氣體的飽和蒸氣壓30設計溫度設計溫度t-容器在正常工作情況下設定元件的金屬溫度。容器在正常工作情況下設定元件的金屬溫度。元件金屬溫度高于零度時，設計溫度不得低于元元件金屬溫度高于零度時，設計溫度不得低于元件可能達到的最高溫度；件可能達到的最高溫度；元件金屬溫度低于零度時，設計溫度不

10、得高于元元件金屬溫度低于零度時，設計溫度不得高于元件可能達到的最低溫度。件可能達到的最低溫度。31根據規定：當鋼板厚度負偏差不大于根據規定：當鋼板厚度負偏差不大于0.25mm，且不超過名且不超過名義厚度的義厚度的6%時，可取時，可取C1=0。所以在設計計算中，對于所以在設計計算中，對于GB6654-1996、GB3531-1996種的鋼板（如種的鋼板（如20R、16MnR、16MnDR等），均可取等），均可取C1=0。鋼板厚度負偏差鋼板厚度負偏差3233焊接接頭系數焊接接頭系數34材料許用應力材料許用應力安全系數強度極限值安全系數安全系數碳素鋼、低合金鋼及鐵素體高合金鋼：碳素鋼、低合金鋼及鐵素

11、體高合金鋼：nb3.0 ns1.6 nD1.5 nn1.0 奧氏體高合金鋼：奧氏體高合金鋼：nb3.0 ns1.5 nD1.5 nn1.0 3536氣密性試驗氣壓試驗液壓試驗耐壓試驗壓力試驗371、試驗壓力、試驗壓力 內壓容器：內壓容器： tTpp25. 1 外壓容器和真空容器外壓容器和真空容器： ppT25. 1 夾套容器：視內筒為內壓或外壓容器，分別按內壓夾套容器：視內筒為內壓或外壓容器，分別按內壓或外壓容器的試驗壓力公式確定試驗壓力；夾套按內或外壓容器的試驗壓力公式確定試驗壓力；夾套按內壓容器確定試驗壓力。壓容器確定試驗壓力。 * 需校核內筒在夾套液壓試驗壓力下的穩定性，如不需校核內筒在

12、夾套液壓試驗壓力下的穩定性，如不滿足穩定性要求，則需在夾套液壓試驗時，內筒內保滿足穩定性要求，則需在夾套液壓試驗時，內筒內保持一定的壓力。持一定的壓力。液壓試驗液壓試驗38)(9 .02)(2 .0SeeiTTDp如果直立容器臥置進行液壓試驗，則在應力校如果直立容器臥置進行液壓試驗，則在應力校核時，核時，PT應加上容器立置充滿水時的最大液柱應加上容器立置充滿水時的最大液柱壓力。壓力。2、強度校核、強度校核39 內壓容器：內壓容器： tTpp15. 1 外壓容器和真空容器外壓容器和真空容器： ppT15. 11、氣壓試驗、氣壓試驗 2、強度校核、強度校核 )(8 . 02)(2 . 0SeeiT

13、TDp40 容器上沒有安全泄放裝置，氣密性試驗壓力容器上沒有安全泄放裝置，氣密性試驗壓力 PT=1.0P。 容器上設置了安全泄放裝置，氣密性試驗壓力應容器上設置了安全泄放裝置，氣密性試驗壓力應低于安全閥的開啟壓力或爆破片的設計爆破壓力。低于安全閥的開啟壓力或爆破片的設計爆破壓力。 通常取通常取PT=1.0PW。氣密性試驗氣密性試驗41設計壓力為設計壓力為1.6 Mpa的儲液罐罐體，材料的儲液罐罐體，材料Q235-A， Di=1800mm，罐體高度罐體高度4500mm，液料高度液料高度3000mm，C1=0.8mm，腐蝕裕量腐蝕裕量C2=1.5mm，焊縫系數焊縫系數=1.0，液體密液體密度為度為

14、1325kg/m3，罐內最高工作溫度罐內最高工作溫度50C 。 試計算罐體厚度并進行水壓試驗應力校核。試計算罐體厚度并進行水壓試驗應力校核。注：注：Q235-A材 料的許用應力材 料的許用應力 2 0=113MPa ， 50=113MPa，屈服極限屈服極限S=235 Mpa試確定罐體厚度并進行水壓試驗校核。試確定罐體厚度并進行水壓試驗校核。 42斷裂前發生較大的塑性變形，容器發生明顯的鼓斷裂前發生較大的塑性變形，容器發生明顯的鼓脹，斷口處厚度減薄，斷裂時幾乎不形成碎片。脹，斷口處厚度減薄，斷裂時幾乎不形成碎片。返回韌性斷裂韌性斷裂壓力容器在載荷作用下，應力達到或接近材料壓力容器在載荷作用下，應

15、力達到或接近材料的強度極限而發生的斷裂。的強度極限而發生的斷裂。 容器厚度不夠。容器厚度不夠。 壓力過大。壓力過大。43 斷口平齊，且與最大主應力方向垂直。斷口平齊，且與最大主應力方向垂直。 容器斷裂時可能裂成碎片飛出，往往引起嚴重容器斷裂時可能裂成碎片飛出，往往引起嚴重后果。后果。 斷裂前沒有明顯塑性變形，斷裂時應力很低，斷裂前沒有明顯塑性變形，斷裂時應力很低，安全閥、爆破膜等安全附件不起作用，斷裂具有安全閥、爆破膜等安全附件不起作用，斷裂具有突發性。突發性。脆性斷裂脆性斷裂（低應力脆斷）（低應力脆斷）器壁中的應力遠低于材料強度極限時發生的斷裂。器壁中的應力遠低于材料強度極限時發生的斷裂。

16、材料的脆性。材料的脆性。 材料中的裂紋、未焊透、夾渣等缺陷。材料中的裂紋、未焊透、夾渣等缺陷。44返回45 交變載荷。交變載荷。 疲勞裂紋。疲勞裂紋。疲勞斷裂疲勞斷裂在交變載荷作用下，由于材料中的裂紋擴展導致容器的斷裂。在交變載荷作用下，由于材料中的裂紋擴展導致容器的斷裂。 斷口上有貝紋狀的疲勞裂紋。斷口上有貝紋狀的疲勞裂紋。 斷裂時容器整體應力較低，斷裂前無明顯塑斷裂時容器整體應力較低，斷裂前無明顯塑性變形。性變形。 如果材料韌性較好，通過合理設計可實現如果材料韌性較好，通過合理設計可實現“未爆先漏未爆先漏”。46返回47返回 在恒定載荷和低應力（應力低于屈服點）下在恒定載荷和低應力（應力低

17、于屈服點）下也會發生蠕變斷裂。也會發生蠕變斷裂。 蠕變斷裂前材料會由于蠕變變形而導致蠕變蠕變斷裂前材料會由于蠕變變形而導致蠕變損傷，使材料在性能上產生蠕變脆化。損傷，使材料在性能上產生蠕變脆化。 斷裂前發生較大的塑性變形，具有韌性斷裂斷裂前發生較大的塑性變形，具有韌性斷裂的特征；斷裂時又具有脆性斷裂的特征。的特征；斷裂時又具有脆性斷裂的特征。蠕變斷裂蠕變斷裂壓力容器長時間在高溫下受載，材料的蠕變變形會壓力容器長時間在高溫下受載，材料的蠕變變形會隨時間而增長，容器發生鼓脹變形，厚度明顯減薄，隨時間而增長，容器發生鼓脹變形，厚度明顯減薄，最終導致壓力容器斷裂。最終導致壓力容器斷裂。高溫蠕變高溫蠕變

18、48 對于全面腐蝕和局部腐蝕，容器斷裂前發對于全面腐蝕和局部腐蝕，容器斷裂前發生明顯的塑性變形，具有韌性斷裂的特征。生明顯的塑性變形，具有韌性斷裂的特征。 對于晶間腐蝕和應力腐蝕，斷裂前無明顯對于晶間腐蝕和應力腐蝕，斷裂前無明顯塑性變形，具有脆性斷裂的特征。塑性變形，具有脆性斷裂的特征。返回腐蝕斷裂腐蝕斷裂材料受到介質腐蝕（全面腐蝕或局部腐蝕），形成容器整材料受到介質腐蝕（全面腐蝕或局部腐蝕），形成容器整體厚度減薄或局部凹坑、裂紋等，從而造成容器的斷裂。體厚度減薄或局部凹坑、裂紋等，從而造成容器的斷裂。介質腐蝕介質腐蝕49解析法解析法圖解法圖解法50)()(59. 205 . 20DLDEpe

19、cr短圓筒的臨界壓力短圓筒的臨界壓力302 . 2DEpecr長圓筒的臨界壓力長圓筒的臨界壓力51幾何參數計算圖幾何參數計算圖52壁厚計算圖壁厚計算圖53薄壁圓筒薄壁圓筒)20(0eD假設假設n計算計算e計算（計算（D0/e)和（和（L / D0)幾何參數計算圖（幾何參數計算圖（A）壁厚計算圖（壁厚計算圖（B）驗算驗算PCP，若滿足，則假設若滿足，則假設n合適，否則重新計算。合適，否則重新計算。54厚壁圓筒厚壁圓筒)20(0eD需同時考慮穩定性和強度需同時考慮穩定性和強度)1 (/2)0625. 0/25. 2(min0000eeeDDBDPttst2 . 009 . 09 . 0 2min或

20、（穩定性）（穩定性）（強度）（強度）其中：其中：55iecrRE25. 0(m=4)圖算法圖算法561、真空容器、真空容器有安全裝置時：有安全裝置時：無安全裝置時：無安全裝置時：p=0.1Mpa MPapppi1 . 0)(25. 1minmax02、帶夾套的真空容器、帶夾套的真空容器p取真空容器的設計壓力加上夾套壓力取真空容器的設計壓力加上夾套壓力3、其它外壓容器（包括帶夾套的外壓容器）、其它外壓容器（包括帶夾套的外壓容器）p應不小于容器正常工作過程中可能出現的最大應不小于容器正常工作過程中可能出現的最大內外壓力差內外壓力差即：即：p(p0-pi)max設計壓力設計壓力注意：最大內外壓差的取

21、值注意：最大內外壓差的取值設計參數設計參數的規定的規定57穩定性安全系數穩定性安全系數圓筒：圓筒：m m = = 3.03.0球殼：球殼： m m = = 14.5214.5258計算長度計算長度59帶加強圈的外壓圓筒6061兩個條件兩個條件1、筒體不失穩、筒體不失穩要求：要求：LS Lmax2、加強圈不失穩、加強圈不失穩要求：要求：ISI621、筒體不失穩、筒體不失穩要求：要求：LS Lmax5.200max)(59.2DmpEDLec632、加強圈不失穩、加強圈不失穩要求：要求：ISIALALDIsses)(9.1020ssecLADpB0641、初步取加強圈的數目和間距、初步取加強圈的數

22、目和間距 1maxLLn1nLLs3、計算加強圈和圓筒組合而成的當量圓筒、計算加強圈和圓筒組合而成的當量圓筒所需的組合截面慣性矩所需的組合截面慣性矩I 。2、選擇加強圈材料，按型鋼規格初定加強圈的、選擇加強圈材料，按型鋼規格初定加強圈的截面形狀和尺寸，計算實際組合截面慣性矩截面形狀和尺寸，計算實際組合截面慣性矩IS。 4、比較、比較IS和和I，若若IS I且比較接近，則加強圈的且比較接近，則加強圈的尺寸、數目和間距滿足要求，否則重新選擇加尺寸、數目和間距滿足要求，否則重新選擇加強圈，重復以上步驟，直到滿足要求為止。強圈，重復以上步驟，直到滿足要求為止。 加強圈設計步驟加強圈設計步驟651、加強

23、圈可采用扁鋼、角鋼、工字鋼或其它型鋼，、加強圈可采用扁鋼、角鋼、工字鋼或其它型鋼，這樣材料供應方便且型鋼具有較大的截面慣性矩。這樣材料供應方便且型鋼具有較大的截面慣性矩。加強圈可設置在容器的內部或外部，并應環繞容器加強圈可設置在容器的內部或外部，并應環繞容器整個圓周。整個圓周。 2、加強圈和殼體的連接必須足夠緊密，以保證加、加強圈和殼體的連接必須足夠緊密，以保證加強圈和殼體一起承載，加強圈和殼體之間可采用連強圈和殼體一起承載，加強圈和殼體之間可采用連續焊或間斷焊。續焊或間斷焊。 3、為保證筒體和加強圈的穩定性，加強圈不得被、為保證筒體和加強圈的穩定性，加強圈不得被任意削弱或割斷。任意削弱或割斷

24、。 加強圈結構設計加強圈結構設計66外加強圈外加強圈 加強圈每側間斷焊接的總長不小于圓筒加強圈每側間斷焊接的總長不小于圓筒外圓周長度的外圓周長度的1/2內加強圈內加強圈 加強圈每側間斷焊接的總長不小于圓筒加強圈每側間斷焊接的總長不小于圓筒內圓周長度的內圓周長度的1/36768 某圓筒形容器，內徑某圓筒形容器，內徑2400mm，長長14000mm，兩端為標準橢圓形封頭，直邊高度為兩端為標準橢圓形封頭，直邊高度為50mm，圓圓筒和封頭材料均為筒和封頭材料均為1Cr18Ni9Ti，腐蝕裕量取腐蝕裕量取1mm，設計溫度設計溫度510C ，真空下操作，無安全控制裝置。真空下操作，無安全控制裝置。用圖算法

25、求筒體厚度用圖算法求筒體厚度69 一圓筒形容器，材料為一圓筒形容器，材料為Q235-A，內徑內徑2800mm，長長10m（含封頭直邊段），兩端為標準含封頭直邊段），兩端為標準橢圓形封頭，圓筒和封頭名義厚度均為橢圓形封頭，圓筒和封頭名義厚度均為12mm，其其中壁厚附加量中壁厚附加量C=2mm；容器負壓操作，最高操作容器負壓操作，最高操作溫度溫度50C 。（1）試確定容器最大允許真空度為多少）試確定容器最大允許真空度為多少mmHg？（2）該容器是否應設置安全控制裝置？）該容器是否應設置安全控制裝置？70現有一真空塔，材料為現有一真空塔，材料為Q235-A，Di=2500mm，封頭為標封頭為標準橢圓

26、形封頭，塔體部分高準橢圓形封頭，塔體部分高20m(包括直邊段包括直邊段)，設計溫度，設計溫度250C，腐蝕裕量腐蝕裕量2.5mm。1、確定塔體圓筒壁厚。確定塔體圓筒壁厚。2、塔體上均勻設置、塔體上均勻設置6個加強圈（材料與塔體相同）后的個加強圈（材料與塔體相同）后的筒體壁厚。筒體壁厚。7172平板形封頭帶折邊錐形封頭無折邊錐形封頭錐形封頭無折邊球形封頭頭帶折邊球形（碟形）封半橢球（橢圓形）封頭半球形封頭凸形封頭封頭封頭形式封頭形式733030607475內壓半球形封頭內壓半球形封頭）或（適用范圍：壁厚計算式：33. 1 6 . 0 4KPPDPtcCtiC半球形封頭半球形封頭76直到滿足要求調

27、整非彈性階段：彈性階段：壁厚計算圖假設nceeeenPPRBPREPRA?)()(0833. 0)(125. 00200外壓半球形封頭外壓半球形封頭771)2(2616 . 20 . 12KhhDKbaiii標準橢圓形封頭：直邊）封頭內表面高度（不含則如果eietWCtiCKDPPDKP5 . 0 25 . 0 2最大允許工作壓力：壁厚：橢圓形封頭橢圓形封頭內壓橢圓形封頭內壓橢圓形封頭78標準橢圓形封頭：標準橢圓形封頭：e0.15%Di非 標 準 橢 圓 形 封 頭 ：非 標 準 橢 圓 形 封 頭 ：e0.30%Di橢圓形封頭的最小厚度橢圓形封頭的最小厚度79外壓橢圓形封頭外壓橢圓形封頭與外壓半球形封頭計算方法相同與外壓半球形封頭計算方法相同 R0=K1D0 K1-系數（表系數（表4-5） 80碟形封頭碟形封頭要求：要求