过程装备基础第14章习题解答

第14章 压力容器设计

14-1 某化工厂需设计一台液氨储槽，其内直径为2600mm，工作温度为-10°C～50°C，最高工作压力为1.6MPa，材料选用Q345R，若封头采用椭圆形封头，试设计筒体与封头的厚度。

解：（1）由题可知：所需设计的液氨储槽内径Di?2600工作温度为-10°C～50°C，mm，设计压力的选取要视有无安全泄放装置而定。因题目中未提有安全泄放装置，则可按无安全泄放装置来设计，其设计压力应不低于最高工作压力，取p=1.7 MPa；由于一般液氨储槽液柱静压力不高，可忽略不计，故取计算压力pc= 1.7 MPa。

（2）由于液氨储槽材料选用Q345R，假定储槽厚度范围为3～16mm，取设计温度为50°C，查得材料的许用应力????189MPa；考虑液氨对Q345R材料有一定的腐蚀性，根

t据工作经验取腐蚀裕量C2?2mm；壳体采用采用双面焊对接接头、100%无损探伤，则其焊接接头系数??1.0

根据圆筒厚度的设计公式可得液氨储槽筒体的计算厚度

??2?????pctpcDi?1.7?2600?11.75mm

2?189?1.0?1.7由于Q345R钢板厚度负偏差C1=0.30mm，腐蚀裕量C2?2mm，故可选用δn=15mm厚的钢板，此厚度在假定的范围内，故计算有效。

根据标准椭圆形封头厚度的设计公式可得液氨储槽封头的计算厚度

??2?????0.5pctpcDi?1.7?2600?11.72mm

2?189?1.0?0.5?1.7由于Q345R钢板厚度负偏差C1=0.30mm，腐蚀裕量C2?2mm，因此，封头也可选用δn=15mm厚的钢板。

应当指出，这个厚度仅是满足承压强度要求所需的厚度，不是最终设计所确定的厚度。 14-2 设计一台不锈钢（06Cr19Ni10）制承压容器，最大工作压力为1.2MPa，装设安全阀，工作温度为150°C，容器内直径为1m，筒体纵向对接焊缝采用双面焊对接接头、局部无损检测，试确定筒体厚度。

解：（1）由题可知：承压容器内直径Di?1000C，最高工作压mm，工作温度为150°

力pw?1.2MPa，由于承压容器装设安全阀，则其设计压力 p= (1.05～1.10) pw = (1.05～1.10)×1.2=1.26～1.32 MPa 取设计压力p= 1.32 MPa，计算压力pc= 1.32 MPa。

（2）由于承压容器材料选用06Cr19Ni10 ，假定其厚度范围为1.5～80mm，取设计温度为150°C，查附录2得材料的许用应力????111MPa；考虑采用不锈钢，取腐蚀裕量

t C2?0；筒体纵向焊缝采用双面焊对接接头、局部无损检测，则其焊接接头系数??0.85。

根据圆筒厚度的设计公式可得承压容器的器壁的计算厚度

??2?????pctpcDi?1.32?1000?7.04mm

2?111?0.85?1.32GB24511《承压设备用不锈钢钢板和钢带》中对于热轧不锈钢厚钢板（公称厚度≥5mm）的负偏差规定为0.30mm，故可选用δn=7mm厚的钢板（处于原假设厚度范围内）。

因此，为满足最大工作压力为1.2MPa的强度要求所需的该不锈钢制容器的筒体名义厚度可确定为8mm。

14-3 试设计一圆筒形容器，已知圆筒的内直径Di = 800mm，设计压力p = 3MPa，设计温度为100°C，材料选为Q245R，腐蚀裕量可取C2=2mm，试确定：

（1）筒体的厚度；

（2）分别计算半球形封头、标准椭圆形封头、碟形封头的厚度，并将计算结果进行比较。

解：（1）由题可知：圆筒形容器内直径Di?800mm，设计温度为100°C，设计压力p= 3 MPa，腐蚀裕量C2?2mm，可取计算压力pc= 3 MPa。

（2）圆筒体厚度的确定

由于圆筒体的材料选为Q245R，假定其厚度范围为3～16mm，查附录2得材料的许用应力????147MPa；选取筒体采用双面焊对接接头、局部无损检测，则其焊接接头系数

t??0.85。

根据圆筒体厚度的设计公式，可得其计算厚度为：

??2?????pctpcDi?3?800?9.72mm

2?147?0.85?3由于Q245R钢板厚度负偏差C1=0.30mm，腐蚀裕量C2?2mm，故可选用δn=13mm（在原假设厚度范围内）厚的钢板。因此，满足承压要求的筒体名义厚度可确定为13mm。

（3）封头厚度的确定

若采用半球形封头，由于其内径Di?800mm，故可整体冲压成型，则焊接接头系数

??1.0，由于封头材料选为Q245R，假定其厚度范围为3～16mm，查附录2得材料的许用

应力????147MPa，根据半球形封头厚度的设计公式，可得其计算厚度为：

t

??4?????pctpcDi?3?800?4.10mm

4?147?1.0?3由于Q245R钢板厚度负偏差C1=0.30mm，腐蚀裕量C2?2mm，故可选用δn=7mm厚的钢板。

若采用标准椭圆形封头，由于其内直径Di?800mm，故可采用整体冲压成型，则焊接接头系数??1.0，由于封头材料选为Q245R，假定其厚度范围为3～16mm，查附录2得材料的许用应力????147MPa，根据标准椭圆形封头厚度的设计公式，可得其计算厚

t度为：

??2?????0.5pctpcDi?3?800?8.21mm

2?147?1.0?0.5?3由于Q245R钢板厚度负偏差C1=0.30mm，腐蚀裕量C2?2mm，故可选用δn=11mm厚的钢板（厚度处于原假设范围内）。

若采用标准碟形封头，由于封头材料选为Q245R，假定其厚度范围为3～16mm，查附录2得材料的许用应力????147MPa；由于其内直径Di?800mm，故可采用整体冲压

t成型，则焊接接头系数??1.0。根据标准碟形封头厚度的设计公式

??2?????0.5pctMpcRi

取Ri?0.9Di?720mm，r?0.17Di?136mm，则

M?1??3?4??Rir?1?????3?720??1.33 ?4?136????代入标准碟形封头厚度的设计公式，可得其计算厚度为：

??2?????0.5pctMpcRi?1.33?3?800?10.91mm

2?147?1.0?0.5?3由于Q245R钢板厚度负偏差C1=0.30mm，腐蚀裕量C2?2mm，故可选用δn=14mm厚的钢板（厚度处于原假设范围内）。

将上面各种封头的计算结果列表比较如下：

所需厚度 封头型式 （mm） 半球形封头 椭圆形封头 碟形封头 7 11 14 最小 次之 与椭圆形封头接近 难 较易 较易 单位容积的表面积 制造难易程度 由表可见，半球形封头单位容积的表面积最小、壁厚最薄、最节省材料，但制造困难。椭圆形封头材料的消耗，仅次于半球形，但制造容易，因此，综合比较后选用椭圆形封头为宜。

14-4 试确定某一圆筒形容器的名义厚度。已知该容器内直径为1600 mm，计算压力为0.2MPa，设计温度为100°C，材料为Q345R，容器纵向对接焊缝采用双面焊对接接头、局部无损检测，腐蚀裕量为2mm。

解：（1）由题可知：圆筒形容器内径Di?1600C，计算压力pc= mm，设计温度为100°0.2 MPa，取腐蚀裕量C2?2mm，由于焊缝采用双面焊对接接头、局部无损探伤，则焊接接头系数??0.85。

由于封头材料选为Q345R，假定其厚度范围为3～16mm，查附录2得材料的许用应力

???t?189MPa。

（2）根据圆筒体厚度的设计公式，可得圆筒体的计算厚度为：

??2?????pctpcDi?0.2?1600?1.00mm

2?189?0.85?0.2由于Q345R钢板厚度负偏差C1=0.30mm，腐蚀裕量C2?2mm，故可初选用δn=4mm厚的

钢板。

另外，由于Q345R为低合金钢，根据GB150的规定，容器最小厚度?min?3mm，腐蚀裕量另加。因此，容器厚度应为：再考虑厚度负偏差，故应选用δn=6mm?d?3?2?5mm，厚的钢板。

综合考虑，可取其名义厚度为?n?6mm。

14-5 一材质为Q245R的反应釜内直径为1600 mm，正常操作压力为1.3MPa，安全阀的开启压力为1.4MPa，反应温度为200°C，介质有轻微腐蚀性，取C2=2mm，反应釜纵向对接焊缝采用双面焊对接接头、局部无损检测，经检修实测最小厚度为12 mm，试判断该反应釜能否继续使用?

解：反应釜材质为Q245R，在200°C下的许用应力????131MPa，焊缝采用双面焊

t对接接头、局部无损检测，则其焊接接头系数??0.85。实测最小厚度为12 mm时，若继续使用，考虑2mm的腐蚀裕量，则有效厚度?e?10mm，该反应釜在使用期内能够承受的最大压力由强度条件决定，即

p(Di??e)?[?]t?2?e

2?e[?]t?2?10?131?0.85p???1.38MPa

Di??e1600?10因此，在继续使用期内允许承受的最大工作压力为1.38MPa，所以该反应釜可以继续使用。

14-6 用Q245R钢制造的圆筒形容器，其内直径为1600mm，长10000mm，两端为标准椭圆形封头，直边高度为40mm，在室温下真空操作，无安全控制装置，腐蚀裕量C2 = 2mm。试用图算法求筒体厚度。

解：（1）假设筒体名义厚度?n?14mm，题中已知C2=2 mm，Q245R钢板的C1=0.30mm，则有效厚度?e?14?0.30?2?11.7mm，筒体外径Do?1600?2?14?1628mm，筒体计算长度L?10080?2?400?10347.7mm；设计外压p?0.1MPa。 3（2）计算L/D0、D0/δe

DL101347.71628??6.36，o??139.15 Do1628?e11.7

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