化工设备基础-第四章 王绍良 教案

第四章 压力容器

一、容器的分类与结构

（一）结构

图2-1 卧式容器的结构简图

（二）分类

第一种：按设计压力分类

按承压方式，压力容器可分为内压容器与外压容器。内压容器又可按设计压力（P）大小分为四个压力等级。

外压容器中，当容器的内压力小于0.1MPa时又称为真空容器。 第二种：按作用原理（即用途）分类 第三种：按安全技术管理分类

第四种：按容器壁温分类，可分为常温、中温、高温和低温容器四种。 第五种：按壁厚分类，分为薄壁容器（δ/Di≤0.1）和厚壁容器δ/Di＞0.1

二、容器机械设计的基本要求

在进行压力容器机械设计时,它的总体尺寸、零部件尺寸由工艺条件决定或由经验所得，

因此我们这里主要是指结构设计。 要求有以下几个方面。 （一）安全性

1、强度：强度就是容器抵抗外力破坏的能力。容器应有足够的强度，否则造成事故。

2、刚度：是指容器或构件在外力作用下维持原有形状的能力。承受压力的容器或构件，必须保证足够的稳定性，以防止被压瘪或出现折皱。

3、密封性：设备密封的可靠性是安全生产的重要保证之一，因为化工厂中所处理的物料中很多是易燃、易爆或有毒的，

设备内的物料如果泄漏出来，不但会造成生产上的损失，更重要的是会使操作人员中毒，甚至引起爆炸；

反过来，如果空气混入负压设备，亦会影响工艺过程的进行或引起爆炸事故。 因此，化工设备必须具有可靠的密封性，以保证安全和创造良好的劳动环境以及维持正常的操作条件。

4、耐久性：化工设备的设计使用年限一般为10年一15年，但实际使用年限往往超过这个数字，

腐蚀、疲劳、蠕变或振动等，都会影响耐久性，尤其是腐蚀，所以以后的设计中会看到考虑腐蚀余量。 （二）可行性

包括制造、安装、操作、维修及运输的可能性、方便性。 （三）经济性 指五个方面。 ①单位生产能力； ②消耗系数； ③设备价格；

④管理费用：包括劳动工资、维护和检修费用等。管理费用降低，产品成本也随之降低。但管理费用不是一个孤立的因素，

例如有时采用高度自动化的设备，管理费用是降低了，但投资则会增加。

⑤产品总成本：是生产中一切经济效果的综合反映。一般要求产品的总成本愈低愈好，但如果一个化工设备是生产中间产品，

则为了使整个生产的最终产品的总成本为最低，此中间产品的成本就不一定选择最低的指标，而应从整个生产系统的经济效果来确定。

三、容器零部件的标准化

1．标准化的意义

①组织现代化生产的重要手段之一。实现标准化，有利于成批生产，缩短生产周期，提高产品质量，降低成本从而提高产品的竞争能力。

②标准化为组织专业化生产提供了有利条件。有利于合理地利用国家资源，节省原材料，能够有效地保障人民的安全与健康；

采用国际性的标准化．可以消除贸易障碍提高竞争能力，实现标准化可以增加零部件的互换性。

有利于设计、制造、安装和检修，提高劳动生产率。我国有关部门已经制定了一系列容器零部件的标准，

例如圆简体、封头、法兰、支座、人孔、手孔、视镜和液面计等。 2、容器零部件标准化的基本参数——公称直径DN和公称压力PN。 ①公称直径：是将容器及管子直径加以标准化以后的标准直径。

A． 压力容器(筒体、封头)的公称直径：由钢板卷制的筒体，公称直径是指它的内径； B． 当筒体的直径较小，直接采用无缝钢管制作时，容器的公称直径应是指无缝钢管的外径；

封头的公称直径与筒体一致。

B．管子：公称直径既不是它的内径，也不是外径，而是小于管于外径的一个数值。

只要管子的公称直径一定，它的外径也就确定了，而管子的内径则根据壁厚的不同有多种尺寸，它们大都接近于管子的公称直径。

C． 其它零部件的公称直径：有些零部件的公称直径，如压力容器法兰，鞍式支座等就是指

与它相配的筒体与封头的公称直径。

D． 而管法兰、手孔等则是指与它相配的管子的公称直径。

公称压力：是将所能承受的压力范围分为若干个等级，因为公称直径相同的同类零件， 只要它们的工作压力不相同，那么它们的其他尺寸也就不会一样。所以规定了若干个压力等级，

这种规定的标准压力等级就是公称压力，以PN表示。

四、压力容器相关的法规与标准

相关标准与规定近300个，其中GB150-1998《钢制压力容器》是我国压力容器标准体系中的核心标准。

在压力容器的标准与规定中，一部分是技术性的规定，另一部分是法规性的规定（有强制性），

目前法规性规定的标准有3个：GB150-1998《钢制压力容器》；《特种设备安全监察条例》；《压力容器安全技术监察规程》。

第三章 内压薄壁容器的应力分析

本章重点：薄膜理论及其应用

本章难点：薄膜理论公式推导 建议学时：6学时

工程实际中，应用较多的是薄壁容器，并且，这些容器的几何形状常常是轴对称的，而且所受到的介质压力也常常是轴对称的，甚至于它的支座，或者说约束条件都对称于回转轴，我们把几何形状、所受外力、约束条件都对称于回转轴的问题称为轴对称问题。

第一节 回转壳体的应力分析—薄膜应力理论 一、 薄膜容器及其应力特点

(一) 内压薄壁容器的结构与受力： (二) 内压薄壁容器的变形： (三) 内压薄壁容器的内力： 结论

在任何一个压力容器中，总存在着两类不同性质的应力：薄膜应力、边缘应力

二、基本概念与基本假设 (一)回转壳体中的基本的几何概念

1、

面 （1）

中间面：平分壳体厚度的曲面称为壳体的中间面，中间面与壳体内外表面

图3-1内压薄膜容器

等距离，它代表了壳体的几何特性。 （2）

回转曲面：由平面直线或平面曲线绕其同平面内的回转轴回转一周所形成

的曲面。 （3） 2、

线 （1） （2） （3）

母线：绕回转轴回转形成中间面的平面曲线。 经线：过回转轴的平面与中间面的交线。

法线：过中间面上的点且垂直于中间面的直线称为中间面在该点的法线。回转壳体：由回转曲面作中间面形成的壳体称为回转壳体。

（法线的延长线必与回转轴相交） （4）

纬线：以法线为母线绕回转轴回转一周所形成的圆锥法截面与中间面的交

线平行圆：垂直于回转轴的平面与 （5） 3、 4、

点 半径 （1）

第一曲率半径：中间面上任一点M处经线的曲率半径为该点的“第一曲率中间面的交线称平行圆。显然，平行圆即纬线。

半径”R1，R1=MK1。

R1?数学公式：（2）

?1?y??y??322

第二曲率半径：通过经线上一点M的法线作垂直于经线的平面与中间面

相割形成的曲线MEF，此曲线在M点处的曲率半径称为该点的第二曲率半径R2。第二曲率半径的中心落在回转机上，其长度等于法线段MK2，即R2=MK2。

二、回转壳体的无力矩理论及两个基本方程式

（一） 壳体理论的基本概念

壳体在外载荷作用下，要引起壳体的弯曲，这种变形由壳体内的弯曲和中间面上的拉或压应力共同承担，求出这些内力或内力矩的理论称为一般壳体理论或有力矩理论，比较复杂；但是，对于壳体很薄，壳体具有连续的几何曲面，所受外载荷连续，边界支承是自由的，壳体内的弯曲应力与中间面的拉或压应力相比，中到可以忽略不计，认为壳体的外载荷只是由中间面的应力来平衡，这种处理方法，称为薄膜理论或无力矩理论。

1． 有力矩理论

不要求。

2． 无力矩理论（应用无力矩理论，要假定壳体完全弹性，材料具有连续性、均匀性各

各向同性，此外，对于薄壁壳体，通常采用以下三点假设使问题简化） 1）小位移假设 2）直法线假设 3）不挤压假设

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