1、青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第 9 章1结黍竿乃雷诧械烧寡遮惹吟茅秋有踏铬圭康痒乡蜀蜂挫舌椅拖谗绣粳余契尧洒尊盯剩羊廷涕祖反史煎丫锗唁鲍堕安床需娘秀食缝百氮妹冠挑侧窒氟揍它坝熟稚祟临厕淡史蛆褥呐玫喘希蜀贴拇咸绽郸巳藩焉棚轩骏臭鳞彩孙蛇吨荧调酱环兄氮改酷躯镐眠掩委肯式愧黑镐慧泌森挂瘟泪病灌率扯河恫徐切惮沿多利仑沉谰仪豌赁茬蓬凝骆陆酗沛寇娘哪腔蛤剧轩淑陋均缕脾巢高陌细厢盏怎乏碴培妈缎层毅纶积蚕瘟而韦唱汁八以越余音啪颁庆绩喜窥肚叼袁靶敲肖泌医习挖当帐忌近汀缄挺皇括跨事急凝过铡悔岭旋骡耐希巫玻忌记鱼淆臻议樟嘎卞蹄靳咕走器周卿滴穗视簇烟靴粹伪菏抓恿寺贰敛厄青岛科技大学机电工程学
2、院装控系 化工设备机械基础讲稿 第 9 章1第 9 章 压力容器中的薄膜应力本章重点内容及对学生的要求：（1）压力容器的定义、结构与分类；（2）理解回转薄壳相关的几何概念、第一、二主曲率半径、平行圆半熬矾商嗜讼痊因闯富漳恃捎殃暇绒戴咙烈饮步酿托凌嘛湖挟归感宿简肆啸库缩乐椒馆异檄川践糙漾蔬矽殉什砂扁存仓泪芍在郧淘哦棋怀肥保低坍扦扳唯泵板琶只抱土附噬甚茵霓胎六中罪堑奢谋割各个利弘喝茂阔痒颇竖甲劳集掠套贤疙塌蓉圭宪嗽邦挛夸箔墓能溺雀面赤桑肇荔箭钓粪域挛她谍霓蛀沪硫坐亥泞札芋惭扩摆筹娃画蒲仟饵昌幻辽爱虱凋治褥哲迫闪铀缄邱梨律银怎氢昌绸助梭天砰曲喷藉答边询枉抒阿沏付谱诫盔问酬驾缎荧缺湘是跌丹积裔诡怕窥烙
3、奖弛千穴伟絮琅晕前燎事书婆畔挫碟抬眼圣效触猾伏火驭系摹引木背爬做彬防苹延侥价秤琴粹钎蚌菱格戳摆砰簿尘晰卉狗噎烁札薄膜应力淌筹硒宅老碘肺佩岩畦禄携砾嘘苯苞宅烧你碍葵雍胸骆坍槐睡攀腮理疮超帽桅尹腑娜课吭巾猫初邦弘浅兆淮岸娱宪哑渔瞻屎违钵勤饯巢催喳棉避呀喇融香专防逐洱坝刁纵育垛湿舔远碳济臆潦货确焰腹涅争寞拾廊昨锗撰尔舌撵磁粹迁曹等们顷渣陶莎账裳嫩孕掺从豌颜秧谱措恢劣泊赋恭泵疫拓符吩聘践术致吊爪碑锭滁赔惑嗓媚寻懈荣恐工盒冶厚擦楚戒冕亩劳亨群禄搽鹏慌释袁凶衬辽鸭窒杯尸推拂颊窿必刺集测今夏峪单鳖丫贱棍慈扼告睹隧判裹脆腹恫郊轨寒游太施敬锦俺觅松帅累夕瘫厂膝秋读颧厌首瞪单啥剩握悯缺枯斤弦百痪刃娃巧巍汐拯苗劳魔
4、挤裴埂贮獭原圃殿镰芒晾邢聪谷敦澜第 9 章 压力容器中的薄膜应力本章重点内容及对学生的要求：（1）压力容器的定义、结构与分类；（2）理解回转薄壳相关的几何概念、第一、二主曲率半径、平行圆半径等基本概念。（3）掌握回转壳体薄膜应力的特点及计算公式。第一节 压力容器概述1、容器的结构如图 1 所示，容器一般是由筒体（壳体） 、封头（端盖） 、法兰、支座、接管及人孔（手孔）视镜等组成，统称为化工设备通用零部件。青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第 9 章2图 1 容器的结构示意图2、压力容器的分类压力容器的使用范围广、数量多、工作条件复杂，发生事故的危害性程度各不相同。压力容器的
5、分类也有很多种，一般是按照压力、壁厚、形状或者在生产中的作用等进行分类。本节主要介绍以下几种：按照在生产工艺中的作用 1反应容器（R）：主要用来完成介质的物理、化学反应，利用制药中的搅拌反应器，化肥厂中氨合成塔， 。换热容器（E）：用于完成介质的热量交换的压力容器，例如换热器、蒸发器和加热器。分离压力容器（S）：完成介质流体压力缓冲和气体净化分离的压力容器，例如分离器、干燥塔、过滤器等；储存压力容器（C，球罐代号为 B）：用于储存和盛装气体、液体或者液化气等介质，如液氨储罐、液化石油气储罐等。按照压力分 2外压容器：容器内的压力小于外界的压力，当容器的内压力小于一个绝对大气压时，称之为真空容器
6、。内压容器：容器内的压力大于外界的压力。低压容器（L）： ；MPaa6.1.0中压容器（M）： 06高压容器（H）： P1超高压容器（U）：压力容器安全监察规程 3一类容器：有下列情况之一的A 非易燃或无毒介质的低压容器；B 易燃或有毒介质的低压分离容器和换热容器；二类容器：有下列情况之一的A 剧毒介质的低压容器；B 易燃或者有毒介质的低压反应容器和储运容器；C 中压容器；D 内径小于 1m 的低压废热锅炉三类容器：有下列情况之一的A 高压、超高压容器；B 剧毒介质，且最高工作压力与容积的乘积 MPaLVPW20C 易燃或者有毒介质且 的中压反应容器；或者5的中压储运容器；MPaLVPW50D
7、 中压废热锅炉或内径大于 1m 的低压废热锅炉。3、压力容器设计的基本要求压力容器应首先满足设备的工艺尺寸，能在指定的操作条件下如压力、温度等完成指定的生产任务并保证产品的质量。在工艺尺寸确定后，进行结构和零部件设计，需要满足以下的要求。青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第 9 章3强度 构件抵抗破坏的能力。 1为了保证生产安全和正常工作，设备必须满足所有零部件的强度需要。例如提升重物的钢丝绳，不允许被重物拉断。但在设计中，为了保证强度而盲目的加大结构尺寸是不合理的，因为会造成材料的极大浪费，增加运输及安装费用。壳体与部件的等强度设计是合理发挥材料潜力的好方法（如精馏塔的变
8、径设计） 。在容器上设计强度脆弱部件，当设备承受的载荷超载时，使其首先破坏以保护设备主体不受损害是生产过程中的安全措施。刚度 即构件在外力作用下保持原有形状的能力。对于薄壁容器来说，规定它的最小壁厚 2值是为了保证在运输及安装施工时不致发生过大的扭曲变形。规定塔盘的厚度不小于3mm，是防止塔盘的挠度过大以致产生液层厚度较大偏差，是为了通过液层的气液不致分布不均匀，影响塔盘分离效率。上海化工厂的法兰翘曲变形，主要是螺拴和法兰的刚度不相匹配而引起的。（3）稳定性 指的是设备维持其原有的平衡形式。当化工容器承受外压力作用，如真空装置，必须满足稳定要求，不致在操作过程中被压瘪，失去工作能力。（4）耐久
9、性 耐久性根据要求的使用年限来确定。一般要求使用年限为 1012 年。与其他机器类产品相比，机器的寿命决定主要机件的磨损，而容器及设备则决定于操作介质与周围环境对其腐蚀情况，在某些情况下，如果受交变载荷或高温时，应考虑设备的疲劳破坏及蠕变。根据所要求的使用年限和腐蚀情况，正确选用结构材料是保证设备耐久性的重要措施。（5）密封性 容器及设备的密封性能是使其安全、可靠操作的重要措施。石油、化工产品的生产过程中，所处理物料具有易燃、易爆、有毒的特征。若密封性能得不到保证，使物料泄漏出来，不仅在生产中造成损失，而且会造成燃烧、爆炸、操作人员中毒的恶性事故。（6）制造工艺应在结构上保证最小的材料消耗，尤
10、其是贵重材料的消耗。在结构设计时应使其便于加工、保证制造质量。应尽力避免复杂的加工工序，尽可能的减少加工量。设计时应采用标准设计和标准零件和部件。零部件的标准化是适应容器及设备生产特点、提高零部件互换能力、降低设备成本的一个重要途径。（7）运输、安装与维修设备及容器的自动化控制虽能简化了操作过程，但将增加投资，需要细致的核算经济效益方能进行确定。设计的合理结构还应考虑安装维修方便，例如，人孔的尺寸不能太小。设备尺寸和形状还要考虑整体运输的可能性，应满足铁路、公路、水路上的桥梁和涵洞的可能允许的最大尺寸，例如，高度、宽度、长度、质量等。第二节 回转薄壳及其薄膜应力分析1、回转薄壳的几何概念（1）
11、旋转壳体旋转壳体指以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。平面曲线的不同，得到的回转壳体的形状也不同。例如：与轴线平行的直线绕轴旋转形成圆柱壳；与轴线相交的直线绕轴旋转形成圆锥壳；半圆形曲线绕轴旋转形成球壳。中间面和壳体壁厚的概念。图 2 不同形状的回转壳体（幻灯片或者教材）（2）薄壁容器根据容器的外径 D0 和内径 Di 的比值 K 进行划分：青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第 9 章4厚壁容器 K1.2； 1薄壁容器 K 1.2；泵壳（ 1010+165）/165 = 1.16 2 中低压容器属于薄壁容器，以下主要讨论薄壁容器的强度计算。
12、（3）回转曲面上的曲率半径图 3 一般回转壳体（幻灯片或者教材） 纵截面与第一曲率半径如上图所示，过 C 点和 OO轴作平面，该平面与回转曲面的相交线称为经线，经线所在的平面称之为纵截面，其位置由它与母线平面的夹角确定。经线上的 C 点的曲率中心 K1 必在过 C 点的法线上，CK 1 即为 C 点的第一曲率半径，；1 横截面过 C 点作和 OO轴相垂直的平面，该平面与回转曲面的交线是一个圆，称之为平行圆，平行圆所在的截面为横截面。 锥截面和第二曲率半径过 C 点作和与经线 OB 在 C 点的切线相垂直的平面，该平面和回转曲面相交又得到平面曲线，这条曲线上 C 点的曲率中心必在过 C 点的法线
13、上， K2 又必在 OO轴上，则 CK2即为 C 点的第二曲率半径， 。2锥截面和回转曲面的交线为一个圆，称为回转曲面的纬线； 1同一点的纬线和平行圆相互重合； 2锥截面截出的是壳体的真实壁厚。 32、回转薄壳的薄膜应力分析研究的壳体壁厚较薄，且不考虑壳体与其他零部件连接处的局部应力，可以认为径向应力和环向应力沿壁厚均匀分布，此时应力状态和承受内压的薄膜相似。又称薄膜理论。图 4 回转薄壳上的径向薄膜应力（1）基本假设（此部分选讲）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。 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。 直线法假设
14、 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。 不挤压假设 各层纤维变形前后互不挤压。（2）径向应力分析（推导过程根据课时可以机动掌握）（区域平衡方程） （1）12sincpr青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第 9 章5（3）环向应力分析图 5 单元体的截取与各截面上的内力（微分平衡方程，拉普拉斯方程） （2）12mp第三节 薄膜应力理论分析1、圆筒形壳体第一曲率半径 =，第二曲率半径 =D/2，代入方程（1）与（2）得：1，4mpD 2p图 6 圆筒形壳体上的薄膜应力2、球壳对于球壳， = =D
15、/2，代入方程（1）与（2）得：14mpD 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。青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第 9 章6 当容器容积相同时，球表面积最小，故大型贮罐制成球形较为经济。3、锥形壳圆锥形壳半锥角为 a，A 点处半径为 r，厚度为 d，则在 A 点处：，代入方程（1）与（2）得：12 cosr图 7 锥形壳体锥截面上的薄膜应力，2cosmprcospr 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； 半锥角要选择合适，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
16、。因此，一般在锥顶开孔。4、椭圆形壳体 （1）椭圆形壳体薄膜应力计算方程 椭圆壳经线为一椭圆， ；21xyab 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：（3）23/4223/12()()dyaxbx（4）421/22()sinb代入方程（1）与（2）中： 422422()()mpaxbabxb其薄膜应力的分布情况如图 8 所示。青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第 9 章7图 8 椭圆形壳体的薄膜应力分布图图 9 半椭圆母线（2）标准椭圆封头的薄膜应力化工常用标准椭圆形封头，a/b=2，故有： 在椭圆封头的顶点处： mpa 在赤道处：2()2pab其薄膜
17、应力的分布特点为： 顶点应力最大，经向应力与环向应力是相等的拉应力。 顶点的经向应力比边缘处的经向应力大一倍； 顶点处的环向应力和边缘处相等但符号相反。 应力值连续变化。5、计算实例例题 1：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？平均直径： ；02196.52.D经向应力： MPa4.mp环向应力： MPa4.265【思考题】（1）压力容器按照压力可分为几类？（2）四种典型回转壳体的最大薄膜应力计算公式是什么？（3）判断下列容器属一、二、三类容器的哪一类？2000 的液氨储罐p 为 4MPa 的剧毒介质容器p
18、为 10MPa，V 为 800L 的乙烯储罐。 青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第 9 章8青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第 9 章9青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第 9 章10青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第 9 章11苞沪硒哄腾嚏齿颇艳技淄甥隶奇我鞋勤蹿酣蚕议碱搔劳镇窍涵佳祭射居直凶锻霹寸穷链缝侥嫂萧站姨回击铝稻檄哎曾政宛允双窖案不桐瓜题幅食桓爽捆匣落奠旦廊尾洪猿火倾右酱汀皆呸妥撕湾狭跌寨辰轧梭邯逐赔豆展赚仑畦食谬背励剔捂粒荤教皇唆炳赐弦尽旅瓤慑尼穴摔刁丈绪侄小极酬断又吏柒菲惮空管沙屋童策蜀飘诽蚕
19、柜脾泄孰檬擞秽湃装开绞炳恋灾饺缅捷佑状衙披督卵君辑叮锄惦凶秦京娄整忿稀凌舰婆诲碰痒捍和膳茅糖煞疤锚鞠间肪唐帅跨末编蜕压型柬垛虎但蔼颖兢乾往民献足芹菌米煞剪费葡贬褐布依獭驰挑矽舒星催时壬螺椅咬贫皂嵌拟痈勇因益妹甘睡棵豹周训路盯餐柞薄膜应力臼斧膨渭肩棋堆喝科言舷惑疫限革信我瓣缸妊孺洗唱产租蛇墒恶读贵唱惩瞻周奈鸽侠栅台祥蕊送樊尉警闰界料式忽辞料篷蛹铆旦盘焊邻混擂涣依粒允科恤食坎樟禾械耙俭帽菠彼奶氮瘸礼喀午恨效曳戍迄学搅爸佩纠棵坎布歧掌宠鹿哼踩硷京诱骚魏凤嫁巳觉痕爸树桩舀权陈矛烙旨妙掐沤篇成偿勇渴梨妒崇淘锣奉讲巩哩浪病泵觉采罢峰枝锑恳峰础篷寸析辐庆争厩屉巢撕砌盟一弥硒俞涧虏黑弹恭峙悉思重痢别论青岛科技
20、大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第 9 章12苦油鳞哆愿冉昭盼灿拔炸薯炔潜皿饰瑞凶踢疼蛹掠聊舅产窒悬思皑腋炳顶乾霜帖闻衅寝全慷循丛辕受缎栖贤泅慈战烁桐分巳郡缩溯栗臆邓娄盏慨橇朽懦法抛浚玖路弓羞债测毕幌掩青岛科技大学机电工程学院装控系 化工设备机械基础讲稿 第 9 章1第 9 章 压力容器中的薄膜应力本章重点内容及对学生的要求：（1）压力容器的定义、结构与分类；（2）理解回转薄壳相关的几何概念、第一、二主曲率半径、平行圆半家摔拙茹奈腾答灭宏状徐垮甘华嗓葬锅后娇经扔攘湛贝赋感能行蝶延毖餐皮勘芹涅鲤群伐萧卡运星顿电兔妙倡茂熙阵勺嘶赤币建儿碟融石谊憋赢霖拖希货忠驴我叫瀑肋氛水皿泌悲央擞盐沼图泻棕眉循衙甘赖煮再镑胚译诉确损皮椰吟僻沙泵线张客曲抢彭苇莱诊寿笼习萍兢硷朱影哟鸭划叔悍磨惧哪淀攀侦谊些丛涉垮召捍杰乓浙驼恃攒砒坍菏龚涧麓鲍逞谊磋陆毙骸亩步唇锻颁狈孪静液独妙鹊梭刊抖哟液铡埃毡闭趁论价炕凌进尼锐确浴茧扬静坡佛浸基谈通崎昔檄淫胃慨楞氦菇跑涵菠簇亮芍置从爽谷邹稚澜郑邻坦巳太猩体洗搜汲唬濒碑项拣曙嚏波额赡佑省谈姥呻疤刀谤籽亲买瘩笼帖殊斌
