1、 第二篇 化工容器設計 第二章 容器設計基本知識12.1 壓力容器的基本結構與分類（一） 基本結構一般容器的結構以臥式容器為例（二） 壓力容器分類1.按容器的形狀6圓筒形容器7球形容器8異形容器 （二） 壓力容器分類2.按工藝要求分類： 9根據容器在生產工藝過程中的作用原理，將容器分為四種：（1）反應容器（R）：用于完成截至化學反應的壓力容器。如反應釜、合成塔等。（2）換熱容器（E）：用于完成介質的熱量交換的壓力容器。如管殼式換熱器、冷凝器、蒸發器等。（3）分離容器（S）：用于完成介質的流體壓力平衡和氣體凈化分離的壓力容器。如分離器、過濾器、吸收塔、干燥塔等。（4）貯存容器（C、B）：用于盛裝

2、生產用的原料氣、液體等。如各種形式貯罐。10 加氫裂化反應器 R11氨合成塔R 12換熱器 E 13冷卻器 E14油水分離器 S 15氯尾氣吸收塔 S 16計量槽 壓縮空氣包 液氯貯罐液化氣體貯罐（槽） 壓力緩沖器等C3.按承壓性質和能力（1）內壓容器：當容器內部介質的壓力大于外部壓力時，為內壓容器，容器設計時主要考慮強度問題。（2）外壓容器：當容器外部壓力大于內部介質壓力時為外壓容器，設計時主要考慮穩定問題。通常內壓容器按照其設計壓力的大小分為：低壓容器（L）：0.1MPa p 1.6MPa；中壓容器（M）：1.6MPa p 10MPa；高壓容器（H）：10MPa p 100MPa；4.按容

3、器壁溫（1）常溫容器 -20壁溫2000C;（2）高溫容器 壁溫蠕變溫度 碳鋼，低合金鋼 - 4200C， 奧氏體不銹鋼- 5500C。（3）低溫容器 壁溫-200C -200C-400C為淺冷容器， 壁溫-400C為深冷容器。5.按技術監督和管理分為三類 見書P5318壓力等級介質性質氣體、液化氣體或最高工作溫度高于常壓沸點的液體非易燃無毒或微毒易燃中高毒性高毒或劇毒pV/MJ0.50.510 100.50.5100.2 0.2低壓 0.11.6分離容器換熱容器貯存容器反應容器管殼廢熱鍋爐1m1m中壓 1.610搪玻璃容器分離容器換熱容器貯存容器反應容器管殼廢熱鍋爐高壓 10100分離容器換

4、熱容器貯存容器反應容器管殼廢熱鍋爐超高 100超高壓容器 易燃及有毒介質分類：常見易燃介質：一甲胺，乙烷，乙烯，氯甲烷，環氧乙烷，環丙烷，氫，丁烷，三甲胺，丁二烯，丁烯，丙烷，丙烯，甲烷等。毒性程度舉例：極度危害、高度危害介質：氟，氫氰酸，光氣，氟化氫，碳酰氟，氯等；中度危害介質：二氧化硫，氨，一氧化碳，氯乙烯，甲醇，氧化乙烯，硫化乙烯，二硫化碳，乙炔，硫化氫等；輕度危害介質：氫氧化鈉，四氟乙烯，丙酮等。206 按制造方法不同焊接容器 整體鍛造容器 鑄造容器搪玻璃容器搪玻璃容器8 按材料不同鋼制容器有色金屬（鈮、鈦、鉭、鎳、銅、鋁）及其合金制容器非金屬（復合材料、塑料、石墨等）容器等全鈦容器襯

5、塑料容器24玻璃鋼容器259 按殼體結構形式不同分類單層容器多層熱套容器多層繞帶容器多層繞絲容器多層繞板容器等26多層包扎式27熱套式28繞板式29型槽繞帶式筒體 30型槽鋼帶示意圖 31扁平鋼帶傾角錯繞式筒體 （三）容器設計計算的一般內容：1.設計壓力容器 根據化工生產工藝提出的條件，確定強度設計所需參數(p，t，D)，選定材料及結構形式，最后通過強度計算確定容器筒體及封頭壁厚。2校核在用容器(1)判定在下一個檢驗周期內，或在剩余壽命期間內，容器是否還能在原設計條件下安全使用。如果容器已不能在原設計條件下使用，應通過強度計算，為容器提出最高允許工作壓力。(2)如果容器針對某一使用條件需要判廢

6、，應為判廢提供依據。（四） 壓力容器的失效設計時，應先確定容器最有可能發生的失效形式，選擇合適的失效判據和設計準則，確定適用的設計規范標準，再按規范標準要求進行設計和校核。壓力容器失效失效的最終表現形式：泄漏、過度變形和斷裂。壓力容器可能同時發生多種形式的失效，即交互失效，如腐蝕介質和交變應力同時作用時引發的腐蝕疲勞、高溫和交變應力同時作用時引發的蠕變疲勞等。失效 設計準則分類強度失效設計準則（彈性失效設計準則 、塑性失效設計準則 、爆破失效設計準則 、彈塑性失效設計準則 、疲勞失效設計準則 蠕變失效設計準則 、脆性斷裂失效設計準則 ）剛度失效設計準則穩定失效設計準則泄漏失效設計準則1 強度失

7、效及其主要形式在常溫、靜載作用下，屈服和斷裂是壓力容器強度失效的兩種主要形式。因材料屈服或斷裂引起的壓力容器失效-強度失效（1）韌性斷裂韌性斷裂：壓力容器在載荷作用下，產生的應力達到或接近所用材料的強度極限而發生的斷裂。特征：斷后有肉眼可見的宏觀變形，如整體鼓脹，周長延伸率可達 1020，斷口處厚度顯著減薄；沒有碎片，或偶爾有碎片；按實測厚度計算的爆破壓力與實際爆破壓力相當接近。韌性斷裂的原因：厚度過薄和內壓過高。壓力容器若能嚴格按照規范進行設計、選材，配備相應的安全附件，且運輸、安裝、使用、檢修遵循有關的規定，在設計壽命內可以避免韌性斷裂。40薄壁容器韌性撕裂外觀（2）脆性斷裂（或低應力脆斷

8、）變形量很小、且在殼壁中的應力值遠低于材料的強度極限時發生的斷裂。這種斷裂是在較低應力狀態下發生，故又稱為低應力脆斷。脆性斷裂的特征斷裂時容器沒有鼓脹，即無明顯的塑性變形；斷口齊平，并與最大應力方向垂直；斷裂的速度極快，常使容器斷裂成碎片。脆性斷裂時容器的實際應力值往往很低，爆破片、安全閥等安全附件不會動作，其后果要比韌性斷裂嚴重得多！42厚壁容器脆性斷裂外觀4344（3）疲勞斷裂壓力容器在服役中，在交變載荷作用下，經一定循環次數后產生裂紋或突然發生斷裂失效的過程，稱為疲勞斷裂。交變載荷：大小和（或）方向都隨時間周期性（或無規則）變化的載荷。 它包括： 壓力波動、開車停車； 加熱或冷卻時溫度變

9、化引起的熱應力變化； 振動或容器接管引起的附加載荷的交變而形成的交變載荷等。原材料或制造過程中產生的裂紋，也會在交變載荷的反復作用下擴展而導致壓力容器疲勞46 由于疲勞源于局部應力較高的部位，如接管根部，往往在壓力容器工作時發生，因而破壞時容器總體應力水平較低，沒有明顯的變形，是突發性破壞，危險性很大。隨著交變載荷反復作用次數的增加，疲勞裂紋不斷擴展。只有當疲勞裂紋擴展到一定值時，才會發生疲勞破壞。疲勞破壞需要有一定時間。（4）蠕變斷裂4950（5）腐蝕斷裂因均勻腐蝕導致的厚度減薄，或局部腐蝕造成的凹坑，所引起的斷裂一般有明顯的塑性變形，具有韌性斷裂特征；因晶間腐蝕、應力腐蝕等引起的斷裂沒有明

10、顯的塑性變形，具有脆性斷裂特征。2 剛度失效 由于構件過度的彈性變形引起的失效，稱為剛度失效。例如，塔在風載荷作用下，若發生過大的彎曲變形，會破壞塔的正常工作或塔體受到過大的彎曲應力。 523 失穩失效在壓應力作用下，壓力容器突然失去其原有的規則幾何形狀引起的失效稱為失穩失效。容器彈性失穩的一個重要特征是彈性撓度與載荷不成比例，且臨界壓力與材料的強度無關，主要取決于容器的尺寸和材料的彈性性質。4 泄漏失效由于泄漏而引起的失效，稱為泄漏失效。泄漏不僅有可能引起中毒、燃燒和爆炸等事故，而且會造成環境污染。設計時應重視各可拆式接頭和不同壓力腔之間連接接頭（如換熱管和管板的連接）的密封性能。54（五）

11、壓力容器的設計準則5556571.強度失效設計準則（1）彈性失效設計準則將容器總體部位的初始屈服視為失效。596061（2）塑性失效設計準則設材料是理想彈塑性的，以整個危險面屈服作為失效狀態的設計準則，稱為塑性失效準則。對于內壓厚壁圓筒，整個截面屈服時的壓力就是全屈服壓力pso63彈性失效準則與塑性失效準則比較（3）爆破失效設計準則 壓力容器韌性材料一般具有應變硬化現象，爆破壓力大于全屈服壓力。爆破失效設計準則以容器爆破作為失效狀態。設計準則： （4）彈塑性失效設計準則（安定性準則）66安定狀態：當容器承受稍大于初始屈服載荷的載荷時，容器內將產生少量的局部塑性變形。因局部塑性區周圍的廣大區域仍

12、處于彈性狀態，會制約塑性變形，當載荷卸除后就形成殘余應力場。若容器所受的載荷較小，即載荷引起的應力和殘余應力疊加后總是小于屈服點，則容器在載荷的反復作用下，始終保持彈性行為，不會產生新的塑性變形，使其處于“安定”狀態67安定載荷 （5）疲勞失效設計準則 低周疲勞：疲勞失效時的循環次數n 105，壓力容器疲勞一般屬于低周疲勞。低周疲勞時，每次循環中材料都將產生一定的塑性應變，根據試驗研究和理論分析結果，可以得到虛擬應力幅與許用循環次數之間的關系曲線，即低周疲勞設計曲線。由容器應力集中部位的最大虛擬應力幅，按低周疲勞設計曲線可以確定許用循環次數，只要該循環次數不小于容器所需的循環次數，容器就不會發

13、生疲勞失效，這就是疲勞失效設計準則圖算法。 nn707172泄漏失效設計準則 密封裝置的介質泄漏率不得超過許用泄漏率。2.剛度失效設計準則 在載荷作用下，要求構件的彈性位移和轉角不超過規定的數值： ww 3.穩定失效設計準則 為防止失穩，外壓圓筒的外壓應小于周向臨界壓力，由彎矩或彎矩和壓力共同引起的軸向壓縮，壓應力應小于軸向臨界應力。（一） 標準化的意義設計無需計算和制圖，按已有標準圖選擇。制造有利于成批生產，降低成本，保證產品質量，提高競爭力。維修備件規格尺寸通用，實現互換性。通商貿易國內、國際間通用，消除貿易障礙。我國已實現容器零部件標準化的有：圓筒體、封頭、法蘭、支座、人孔、手孔、視鏡和

14、液面計等。742.2 容器零部件的標準化（二） 容器零部件標準化的基本參數75公稱直徑（DN)公稱壓力 (PN)。規定:（1）圓筒體的公稱直徑：板卷制的筒體內徑； 無縫鋼管制的筒體外徑。（2）法蘭與其相配的管子或筒體的PN、DN相一致。注意：鋼管的DNDi,D0 對于用鋼板卷焊的筒體，以內徑作為它的公稱直徑。壓力容器的公稱直徑/mm300（350）400450500（550）600（650）7008009001000（1100）1200（1300）1400（1500）1600（1700）1800（1900）2000（2100）2200（2300）240026002800300032003400

15、360038004000注：帶括號的公稱直徑應盡量不采用說明(1).設計時，應將工藝計算初步確定的設備內徑，調整為符合規定的公稱直徑。(2).封頭的公稱直徑與筒體一致。法蘭的公稱壓力系列見表29，P61（一） 壓力容器安全監察的范圍同時具備如下條件：(固定式壓力容器)(1) 最高工作壓力pw0.1MPa（表壓，不含液體靜壓力）；(2).內直徑Di0.15m,且容積V0.025m3;(3).介質為氣體、液化氣體或最高工作溫度高于等于標準沸點（大氣壓力下的飽和溫度）的液體。 上述壓力容器所用的安全附件亦屬于本規程管轄范圍。782.3 壓力容器的安全監察1：工作壓力，是指壓力容器在正常使用過程中，其

16、頂部可能達到的最高壓力（表壓力。2：容積：是指壓力容器的幾何容積，即由設計圖樣標注的尺寸計算（不考慮制造公差）并且圓整。一般應當扣除永久連接在容器內部的內件的體積。3：容器內介質為最高工作溫度低于其標準備沸點的液體時，如果氣相空間容積與工作壓力乘積大于或者等于2.5MPaL時，也屬于本規程的適用范圍 。 （二）相關法規及常用標準1.基本法規：壓力容器安全技術監察規程 國家質量技術監督局 19992. 壓力容器常用標準：GB150-98 鋼制壓力容器國家標準GB151-99 管殼式換熱器 國家標準 JB4709-2000 鋼制壓力容器焊接規程JB4730-2005 壓力容器無損檢測HG20592

17、20635-97 鋼制管法蘭、墊片、緊固件JB/T47004707-2000壓力容器法蘭80 2.4容器機械設計的基本要求 （一） 容器機械設計條件及程序：1.容器機械設計條件：（1）工藝結構要求及基本工藝尺寸；（2）工作壓力、工作溫度及工作介質；（3）容器的工作環境、重要程度；81科學嚴謹的態度 合格的設計質量82確定設計依據及相關標準開始選擇材料確定容器類別結構設計壁厚設計零部件設計壓力試驗核算繪制施工圖校核審核結束合格合格不合格不合格批準2.機械設計程序（二）基本要求：1.強度不發生破壞如焊縫開裂，筒體爆破，螺栓拉斷等。2.剛度不發生過大變形如塔體傾斜，塔盤下凹等。3.穩定性不發生癟塌或褶皺如臥式容器支座之間的筒體發生癟塌，氣柜抽負癟塌，塔體支座在起吊時發生癟塌等。834.耐久性保證使用壽命。一般化工設備設計使用壽命為1015年。大多取決于腐蝕情況，有些取決于疲勞、蠕變或振動。5.密封性包括內漏和外漏。846. 標準化設計 法蘭、螺栓、封頭、筒體、支