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1、第七章 过程设备设计基础,第一节 压力容器特点,压力容器特点之一应用广泛,压力容器不仅被广泛用于化学、石油化工、医药、冶金、机械、采矿、电力、航天航空、交通运输等工业生产部门，在农业、民用和军工部门也颇常见，其中尤以石油化学工业应用最为普遍，石油化工企业中的塔、釜、槽、罐无一不是贮器或作为设备的外壳，而且绝大多数是在一定的压力温度下运行。如一个年产30万吨的乙烯装置，约有793台设备，其中压力容器281台，占了35.4%。蒸汽锅炉也属于压力容器，但它是用直接火焰加热的特种受压容器，至于民用或工厂用的液化石油气瓶，更是到处可见。,压力容器特点之二工况条件复杂,压力容器的操作条件十分复杂，甚至近于
2、苛刻。压力从1210-5Pa的真空到高压、超高压，如石油加氢为10.521.0 MPa；高压聚乙烯为100200 MPa；合成氨为10100 MPa；人造水晶高达140 MPa；温度从-196低温到超过1000的高温；而处理介质则包罗爆、燃、毒、辐(照)、腐(蚀)、磨(损)等数千个品种。操作条件的复杂性使压力容器从设计、制造、安裝到使用、维护都不同于一般机械设备，而成为一类特殊设备。,压力容器 特点之三数量巨大,1996年12月的统计资料表明，国内在用固定式压力容器多达122.22万台，移动式压力容器中罐车16910辆，在用气瓶5498.7571万只；锅炉总台数也高达51.57万台。此外全国持
3、有压力容器制造许可证的企业合计2432个，设计单位1380个。如此庞大且潜在隐患容器的存在，以及地域广泛的制造设计部门，自然成为国内外政府部门特别重视其安全管理和监察检查的原因。,压力容器特点之四安全性要求高,压力容器因其承受各种静、动载荷或交变载荷，还有附加的机械或温度载荷；其次，大多数容器容纳压缩气体或饱和液体，若容器破裂，导致介质突然卸压膨胀，瞬间释放出来的破坏能量极大，加上压力容器极大多数系焊接制造，容易产生各种焊接缺陷，一旦检验、操作失误容易发生爆炸破裂，器内易爆、易燃、有毒的介质将向外泄漏，势必造成极具灾难性的后果。因此，对压力容器要求很高的安全可靠性。,第二节 内压薄壁容器设计,
4、一、薄壁容器设计的理论基础薄壁容器根据容器外径DO与内径Di的比值K来判断:当K1.2为薄壁容器 K1.2则为厚壁容器,圆筒形薄壁容器承受气体内压时的应力,远离筒体两端的某点，只有拉应力无弯曲,“环向纤维”和“纵向纤维”受到拉力。s2（或sj）圆筒纵方向(即轴向)拉应力，s1（或sq）圆周方向的拉应力。,sj:轴向应力，s：环向应力,9,过程设备设计,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
5、多。,（2）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。,11,（3）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。,12,二、回转壳体的几何特性,基本概念与基本假设 1 基本概念（1）回转曲面：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。回转壳体（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。,母线与经线法线、纬线、平行圆第一曲率半径R1：经线曲率半径
6、第二曲率半径R2：通过经线上一点B的法线作垂直于经线的平面，与回转曲面（中面）相割形成的曲线ABE的曲率半径（R2的中心一定在回转轴上）,（3）回转壳体的几何概念,2 基本假设 假定壳体材料有连续性、均匀性和各向同性，即壳体是完全弹性的。(1)小位移假设 各点位移都远小于厚度。可用变形前尺寸代替变形后尺寸。变形分析中高阶微量可忽略。(2)直线法假设 变形前垂直于中面直线段，变形后仍是直线并垂直于变形后的中面。变形前后法向线段长度不变。沿厚度各点法向位移相同，厚度不变。(3)不挤压假设 各层纤维变形前后互不挤压。,三、回转壳体薄膜应力分析,无力矩理论所讨论的问题都是围绕着中面进行的。因壁很薄，沿
7、壁厚方向的应力与其它应力相比很小，因此中面上的应力和变形可以代表薄壳的应力和变形。,内力,薄膜内力,横向剪力,弯曲内力,N、N,Q,M、M、,无力矩理论或薄膜理论（静定）,有力矩理论或弯曲理论（静不定）,弯矩,5个,2个,3个,由中面的拉伸、压缩变形而产生,由中面的曲率改变而产生,微原体平衡方程,区域平衡方程,回转薄壳无力矩理论基本方程式：,回转薄壳仅受气体内压作用时，各处的压力相等，压力产生的轴向力V为：,P,rm,无力矩理论又称薄膜理论；两向应力称为薄膜应力。,（本式仅适于气压）,四、无力矩理论应用条件,壳体的厚度、中面曲率和载荷连续，没有突变，且构成壳体的材料的物理性能相同。壳体的边界处
8、不受横向剪力、弯矩和转矩作用。壳体的边界处的约束可沿经线的切线方向，不得限制边界处的转角与挠度。对很多实际问题：无力矩理论求解+有力矩理论修正,五、典型回转壳体应力分析,1承受气体内压圆筒形壳体 第一曲率半径R1=，第二曲率半径R2=D/2 代入方程无力矩理论基本方程式得：,2球形壳体 球形壳体上各点的第一曲率半径与第二曲率半径相等，即R1=R2=R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。,3.锥形壳体,锥形壳体环向应力是经向应力两倍，随半锥角a的增大而增大；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。
9、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：,椭球壳中的应力随长轴与短轴之比的变化规律,，,椭球壳应力与内压p、壁厚d有关，与长轴与短轴 之比a b有关:a b时，椭球壳 球壳，最大应力为圆筒壳中 的一半，ab，椭球壳中应力，如上图所示。,椭球壳承受均匀内压时，在任何ab值下，恒为正值，即拉伸应力，且由顶点处最大值向赤道逐渐递减至最小值。当 时，应力 将变号。从拉应力变为压应力。随周向压应力增大，大直径薄壁椭圆形封头出现局部屈曲。措施：整体或局部增加厚度，局部采用环状加强构件。,5.受液体静压的圆筒形壳体的受力分析,与壳体
10、受内压不同，壳壁上液柱静压力随液层深度变化。筒壁上任一点A承受的压力:,作垂直于回转轴的任一横截面，由上部壳体轴向力平衡得：,底部支承的圆筒，液体重量由支承传递给基础，筒壁不受液体轴向力作用。上部支承圆筒，液体重量使得圆筒壁受轴向力作用，在圆筒壁上产生经向应力：,例：有一外径为219mm的氧气瓶，最小厚度为6.5mm，材料为40Mn2A，工作压力为15MPa，试求氧气瓶壁应力.,解：平均直径 mm,经向应力 MPa,环向应力 MPa,第三节 内压圆筒边缘应力的概念,无力矩理论忽略了剪力与弯矩的影响，可以满足工程设计精度的要求。但对图中所示的一些情况，就须考虑弯矩的影响。,(a)、(b)、(c)
11、是壳体与封头联接处经线突然折断；(d)是两段厚度不等的筒体相连接；(e)、(f)、(g)有法兰、加强圈、管板等刚度大的构件。,相邻两段形状不同，或所受温度或压力不同，导致两部分变形量不同，但又相互约束，从而产生较大的剪力与弯矩。筒体与封头联接为例。边缘应力数值很大，有时导致容器失效。,不连续效应:由于总体结构不连续，组合壳在连接处附近的局部区域出现衰减很快的应力增大现象，称为“不连续效应”或“边缘效应”。不连续应力:由此引起的局部应力称为“不连续应力”或“边缘应力”。有力矩理论。边缘应力两个基本特性：1局限性 大多数都有明显的衰减波特性，随离开边缘的距离增大，边缘应力迅速衰减。,例如，当 时，
12、钢制圆柱壳中纵向弯矩的绝对值已衰减掉95.7%；,不连续应力是由弹性变形受到约束所致，因此对于用塑性材料制造的壳体，当连接边缘的局部区产生塑变形，这种弹性约束就开始缓解，变形不会连续发展，不连续应力也自动限制2自限性 弹性变形相互制约，一旦材料产生塑性变形，弹性变形约束就会缓解，边缘应力自动受到限制，即边缘应力的自限性。,可在结构上作局部处理，如：改变连接边缘的刚性结构；边缘应力区局部加强；保证边缘焊缝的质量；降低边缘区的残余应力；避免边缘区附加局部应力、开孔等。,设计中的考虑：,板厚不等时的对接接头,只要是塑性材料，即使边缘区局部点的应力超出材料的屈服极限，周围尚未屈服的弹性区也能抑制塑性变形的发展，使容器处于安定状态。故多数有塑性较好材料制成的容器，除结构上做局部处理外，一般不对边缘应力作特殊考虑。然而，对于由于边缘应力较大，可能引起脆性破坏或疲劳破坏的容器，则需详细计算边缘应力，按分析设计。由于边缘应力的自限性，其危害不如薄膜应力，应力分析设计中可取较大需用应力值。不论设计中是否计算边缘应力，都要尽可能改进连接边缘结构，使边缘应力处于较低水平。,
