第5章壓力容器-2013

化工機(jī)械基礎(chǔ)主講人：郭福平第5章壓力容器壓力容器:

化工生產(chǎn)所用的各種化工設(shè)備外部殼體的總稱?；ぴO(shè)備:

各種貯罐、換熱器、蒸餾塔、沉降器、過濾器、反應(yīng)器、合成爐等。5.1概述5.1.1壓力容器總體結(jié)構(gòu)容器結(jié)構(gòu):由筒體、封頭、法蘭、支座、接管及人孔、視鏡等組成，它們統(tǒng)稱為化工設(shè)備通用零部件。承壓不大的化工設(shè)備通用零部件大都已有標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計時可直接選用。<1>.方形或矩形容器由樣板焊成，制造簡單，但承壓能力差，只用作小型常壓儲槽。<2>.球形容器由數(shù)塊弓形板拼焊而成。承壓能力好，但安置內(nèi)件不便和制造稍難，一般僅用作儲罐。5.1.2壓力容器分類1.按容器形狀分類<3>.圓筒形容器由圓柱形筒體和各種成型封頭（半球形、橢圓、圓錐形）組成。由于制造容易，內(nèi)件安裝方便，而且承壓能力較好，因此這類容器應(yīng)用最廣。塔設(shè)備球罐內(nèi)壓容器與外壓容器兩類2.按承壓性質(zhì)分類內(nèi)壓容器：容器內(nèi)部介質(zhì)壓力＞外界壓力常壓容器：設(shè)計壓力＜0.1MPa；低壓容器（L）：設(shè)計壓力為0.1?1.6MPa；中壓容器（M）：設(shè)計壓力為1.6?10MPa；高壓容器（H）：設(shè)計壓力為10?100MPa；超高壓容器（U）：設(shè)計壓力＞100MPa。外壓容器：（容器內(nèi)部介質(zhì)壓力＜外界壓力）如常減壓蒸餾裝置中的減壓分餾塔，潛水艇，反應(yīng)釜內(nèi)筒。<1>金屬容器：目前廣泛應(yīng)用低碳鋼和低合金鋼制造，在腐蝕嚴(yán)重或產(chǎn)品純度要求較高的場合，使用不銹鋼，不銹復(fù)合鋼板或鋁合金等制造。必要時可采用特種鋼材或鈦等材質(zhì)。<2>非金屬容器：常用的材料有硬聚氫乙烯，玻璃鋼，不透性石墨，化工陶瓷等。也可在鋼制容器內(nèi)加非金屬襯里或涂層。3.按結(jié)構(gòu)材料分類從制造容器的材料來看，可分為：<1>反應(yīng)壓力容器：容器內(nèi)介質(zhì)有物理或化學(xué)反應(yīng)，使介質(zhì)分離為多種產(chǎn)品或幾種物質(zhì)合成為某一種產(chǎn)品。<2>換熱壓力容器：容器內(nèi)介質(zhì)進(jìn)行熱量交換達(dá)到介質(zhì)的加熱或冷卻。例如：原油分離成為汽油、煤油、柴油、石蠟油、瀝青、焦炭等。又如：將水、煤氣、氨氣合成為合成氨。4.按使用場合分類RE<3>分離壓力容器：將介質(zhì)的液體壓力平衡和氣體凈化分離的容器；如分離器、過濾器、集油器、緩沖器、洗滌器、吸收器、干燥塔等。<4>儲存壓力容器：用于盛裝生產(chǎn)或生活用的原料氣體、液體、液化氣體等。如各種型式的儲罐、槽車等。國家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局在《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》中根據(jù)受壓容器的壓力高低、介質(zhì)的危害程度，以及在生產(chǎn)過程中的重要作用，將壓力容器分為三類，進(jìn)行安全技術(shù)管理和監(jiān)督檢查。5.按安全監(jiān)察規(guī)程分類2）中壓，介質(zhì)為劇毒，容積很大的容器。3）低壓，介質(zhì)為極毒，容積很大的容器。4）高壓、中壓管殼式余熱鍋爐。5）使用材料強(qiáng)度級別較高的壓力容器。σb≥540MPa6）移動式壓力容器、各種罐車、集裝箱等。7）球形儲罐。（V≥50m3）8）低溫液體儲存容器。（V>5m3）其中:PV——指壓力與容積的乘積值。<1>第三類壓力容器，屬于下列情況之一者：1）高壓容器、超高壓容器。<2>第二類壓力容器：1）中壓容器。2）低壓容器、反應(yīng)器、介質(zhì)毒性為極度或中度。3）低壓管殼式余熱鍋爐。<3>第一類壓力容器：低壓容器（除以上規(guī)定的低壓容器）對一、二、三類容器的生產(chǎn)與制造，必須由勞動監(jiān)察部門發(fā)給相應(yīng)的資質(zhì)證書才能生產(chǎn)與制造。容器的工藝尺寸由工藝計算確定，容器的機(jī)械設(shè)計主要包括容器總體結(jié)構(gòu)及零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計，為滿足容器的安全及使用要求，零部件應(yīng)滿足以下要求：<1>強(qiáng)度———有足夠的抵抗外力破壞的能力。<2>剛度———有足夠的抵抗外力變形的能力，以防止變形過大。<3>穩(wěn)定性——有保持自身形狀的能力，以防壓癟或皺折。5.1.3容器機(jī)械設(shè)計的基本要求分類<4>耐久性——在介質(zhì)腐蝕下可長期使用，一般使用年限在15年以上。<6>其他———制造性能、操作性能、維修運(yùn)輸性能、經(jīng)濟(jì)性等。<5>氣密性——具有良好的密封性能，防止介質(zhì)泄露。僅限于設(shè)計壓力P<10MPa，設(shè)計溫度高于-20°C的中、低壓容器的機(jī)械設(shè)計。GB150-2011《鋼制壓力容器》容器標(biāo)準(zhǔn)GB151《管殼式換熱器》該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了鋼制壓力容器的設(shè)計、制造、檢驗和驗收要求。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了非直接受火管殼式換熱器的設(shè)計、制造、檢驗和驗收的要求。5.2.內(nèi)壓薄壁容器的應(yīng)力分析回轉(zhuǎn)薄壁殼體：圓筒形、球形、橢球形、圓錐形薄壁殼體。由于內(nèi)壓作用使殼壁的環(huán)向受到拉伸，均勻向外膨脹，在圓周的切線方向產(chǎn)生拉應(yīng)力，使殼壁的縱向截面產(chǎn)生環(huán)向拉伸應(yīng)力，稱為環(huán)向薄膜應(yīng)力，又稱為周向應(yīng)力，用σθ表示。<1>環(huán)向薄膜應(yīng)力<2>徑向薄膜應(yīng)力由于內(nèi)壓作用使殼壁沿徑向也受到拉伸，產(chǎn)生徑向拉應(yīng)力，稱為徑向薄膜應(yīng)力，用σψ表示。在內(nèi)壓作用下，殼壁將產(chǎn)生兩個方向的拉伸應(yīng)力：K1K2σθσθσφσφ

如下圖，為一承受氣壓P作用的圓筒形容器，殼壁上任一點(diǎn)K將在兩個方向上產(chǎn)生拉伸應(yīng)力：5.2.1圓筒形殼體上的薄膜應(yīng)力<1>經(jīng)向薄膜應(yīng)力σψ用一個垂直圓筒軸線的橫截面，將筒體分為兩部分，保留左邊部分。由平衡條件，作用在筒體上的軸向外力為：作用在截面上的軸向內(nèi)力為：，沿軸向兩力相等，故可以得到：其中：P——內(nèi)壓，MPaD——筒體平均直徑，即中徑，mmδ——筒體壁厚，mmσψ——筒體經(jīng)向應(yīng)力，MPa。<2>環(huán)向薄膜應(yīng)力σθ假想將圓筒沿軸線對稱剖開，取下半部分進(jìn)行分析?？芍?，作用在下半部分殼體上的y軸方向的合外力為：作用在下半部分殼體上y軸方向的合內(nèi)力為：它們沿y軸方向必然大小相等，方向相反，故有：（5-2）薄壁圓筒承受內(nèi)壓時，環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力的兩倍。因此在圓筒上如果要開橢圓孔時，應(yīng)使橢圓孔的短軸平行于筒體的軸線，以減小縱向截面被削弱的程度。

球形殼體各點(diǎn)曲率均相同，故球殼上的兩向應(yīng)力值也是相等的，由受力平衡條件可以求得截面上薄膜應(yīng)力為：（5-3）

與圓筒形殼體相比，球形殼體上薄膜應(yīng)力只有圓筒形殼體上最大薄膜應(yīng)力的一半

在同樣直徑和壓力情況下，殼體的厚度可以減小很多，故可以節(jié)省一定的金屬材料。5.2.2受氣壓作用的球形殼體

在化工容器中，橢球形殼體主要是用它的一半作容器的封頭，其形狀如圖5-5，橢球殼體由長短軸a、b組成的橢圓曲線繞y軸旋軸一周形成的半個橢球形殼體，橢球殼從頂點(diǎn)到赤道各點(diǎn)處的半徑值并不相同，故各點(diǎn)處應(yīng)力大小也不相同。（5-5）5.2.3受內(nèi)壓作用的橢球形殼體由橢圓曲線方程及受力推導(dǎo)可得到橢球形殼體上任一點(diǎn)的薄膜應(yīng)力為：（5-4）對于標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，封頭頂點(diǎn)的經(jīng)向應(yīng)力比邊緣處的經(jīng)向應(yīng)力值大一倍。橢圓形封頭頂點(diǎn)處的環(huán)向應(yīng)力和邊緣上的環(huán)向應(yīng)力值相等，符號相反。

錐形殼體，如圖5-6所示，由分析推導(dǎo)可得其兩向薄膜應(yīng)力為：5.2.4受氣壓作用的錐形殼體其中：r——?dú)んw在A點(diǎn)處的半徑，mmα——圓錐殼體的半錐角P——作用在殼體內(nèi)的氣壓力，MPaδ——?dú)んw的壁厚，mm在錐殼上任一點(diǎn)處的兩向應(yīng)力為：

即錐形殼體上環(huán)向應(yīng)力是徑向應(yīng)力的兩倍，與圓筒形殼體相同。由應(yīng)力計算公式可知，α角增大，應(yīng)力也隨著增加,α角應(yīng)根據(jù)制造，使用需要合理選取。另外還可以看出，兩向應(yīng)力隨著r的增加而增加。在r=R,錐殼開口處，兩向應(yīng)力有最大值，在錐頂端r=0處，兩向應(yīng)力為零。邊緣應(yīng)力：當(dāng)薄壁殼體的幾何形狀發(fā)生突變，或載荷分布發(fā)生突變、殼體厚度有突變，材料有突變等，都會在突變處產(chǎn)生附加的局部應(yīng)力。

這種局部應(yīng)力有時數(shù)值較高，會導(dǎo)致容器破壞，因此在設(shè)計中應(yīng)予以重視。5.2.5邊緣應(yīng)力的概念邊緣應(yīng)力的兩個特點(diǎn)<1>邊緣應(yīng)力具有局限性

在某些情況下，邊緣應(yīng)力值可能會相當(dāng)大，但其作用范圍是很小的。研究表明，隨著離邊緣距離的增大，邊緣應(yīng)力會迅速衰減。殼壁愈薄，衰減就愈快，這是邊緣應(yīng)力的一個特點(diǎn)。<2>邊緣應(yīng)力的自限性

邊緣應(yīng)力是由邊緣部位變形不連續(xù)，以及由此而產(chǎn)生的彈性變形相互約束作用所引起的。一旦材料在邊緣應(yīng)力作用下發(fā)生了塑性變形。這種彈性相互約束就會緩解，邊緣應(yīng)力也就自然受到限制。根據(jù)邊緣應(yīng)力的兩個特點(diǎn)，使邊緣應(yīng)力降低的措施有：a）改變連接處的結(jié)構(gòu)，以降低突變程度。如圓弧過渡。b）采用局部加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)，使殼體上應(yīng)力可以盡可能的均勻分布。d）降低邊緣區(qū)的殘余應(yīng)力。c）保證邊緣區(qū)的焊縫質(zhì)量。e）在邊緣區(qū)盡可能避免附加其他局部應(yīng)力或開孔。對于內(nèi)壓薄壁容器的設(shè)計計算重點(diǎn)是殼體、封頭的強(qiáng)度計算，通過合理選取材料進(jìn)行殼體和封頭的壁厚計算以確定殼體、封頭的結(jié)構(gòu)尺寸及壁厚。設(shè)計壓力：一般是指設(shè)定的容器頂部的最高壓力，但不能等同于容器的工作壓力。它是用于容器壁厚計算的壓力值，其值不得低于最大工作壓力。工作壓力：由工藝過程計算得到的，設(shè)備工作過程中的最高工作壓力。5.3內(nèi)壓薄壁容器設(shè)計計算5.3.1設(shè)計參數(shù)的確定1.設(shè)計壓力P<1>.對于裝有安全閥的內(nèi)壓容器：

<2>.對于兩側(cè)受壓的壓力容器元件：P分別取兩側(cè)設(shè)計壓力值進(jìn)行設(shè)計<3>.對于真空容器有安全閥控制：或

中的較小值。<4>.對于無安全閥控制的真空設(shè)備：設(shè)計壓力值的選?。?/p>

設(shè)計溫度:容器正常工作情況下，在相應(yīng)的設(shè)定壓力下殼壁可能達(dá)到的最高或最低的（指-20°以下）平均壁溫。當(dāng)設(shè)計溫度無法通過傳熱計算或測試測定時，對于容器壁與介質(zhì)直接接觸，且容器有保溫設(shè)施時，可按介質(zhì)的最高（或最低）工作溫度加減一定余量而確定，如表5-2。2.設(shè)計溫度t介質(zhì)溫度-20℃≤t≤15℃時，取介質(zhì)最低工作溫度減5-10℃為設(shè)計溫度。介質(zhì)溫度t≥15℃,取介質(zhì)最高工作溫度或介質(zhì)工作溫度加15-30℃為設(shè)計溫度。

許用應(yīng)力是材料在設(shè)計溫度下，已考慮了一定安全系數(shù)的應(yīng)力值，一般由查表得到，如表5-3。

許用應(yīng)力是決定容器強(qiáng)度條件是否滿足的重要參數(shù)。查表5-316MnR材料,6-16板厚,200℃時,[σ]t=170Mpa。16MnR材料,6-36板厚,200℃時,[σ]t=159Mpa。3.許用應(yīng)力4.焊接接頭系數(shù)φ表示鋼板卷焊時，筒體與封頭焊接接頭處由于有夾渣、氣孔、未焊透或焊縫兩側(cè)過熱區(qū)的影響等，造成材料強(qiáng)度的削弱(≤1)；對于雙面對接焊，全焊透的焊縫，其焊縫系數(shù)在100%無損檢測情況下，取φ=1，做局部無損檢測情況下，取φ=0.85。5.厚度附加量C考慮到鋼板厚度在軋制時的負(fù)偏差、生產(chǎn)過程中各種介質(zhì)的腐蝕而減薄等影響。厚度附加量C由兩部分組成，即<1>.鋼板厚度負(fù)偏差C1

制造容器，封頭等構(gòu)件的鋼板，其根據(jù)鋼材尺寸標(biāo)準(zhǔn)，必然存在正、負(fù)偏差，因此，在厚度計算時，為了容器設(shè)計的厚度值要求，應(yīng)將可能存在的負(fù)偏差值C1預(yù)先增加在計算中。鋼板厚度的負(fù)偏差在制造標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中可以查表得到，如表5-5.當(dāng)C1值不大于0.25mm時，且不超過名義厚度的6%時，取。<2>.腐蝕余量C2

設(shè)備在工作過程中，由于工作介質(zhì)的腐蝕，鋼板會按工作年限逐年減薄，因此，設(shè)計時應(yīng)將腐蝕引起的總減薄量預(yù)先增加在設(shè)計厚度中。腐蝕裕量可以根據(jù)介質(zhì)對鋼材的腐蝕速度和容器使用年限來計算得出，也可以根據(jù)使用經(jīng)驗選取。化工設(shè)備主要容器一般使用年限為15∽20年，普通設(shè)備使用年限在10年左右。表5-6根據(jù)經(jīng)驗列取了腐蝕裕量的選取參考值。

當(dāng)容器在低壓或常壓時，按強(qiáng)度計算得到的厚度值往往也很小，但由于設(shè)備在制造，安裝，運(yùn)輸?shù)冗^程中，要求設(shè)備必須具有足夠的剛度，因此，當(dāng)大型容器殼壁厚度太薄時，為了保證剛度要求，而對容器殼體的最小厚度δmin的要求：容器：碳素鋼、低合金鋼：高合金鋼：6.最小厚度δmin當(dāng)設(shè)備直徑較大，厚度較薄時，在制造、運(yùn)輸、安裝中，應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)夭扇∠嚓P(guān)臨時加固措施，以防容器變形。塔式容器：碳素鋼，低合金鋼制塔式容器：不銹鋼制塔式容器：管殼式換熱器：且按GB151《管殼式換熱器》相關(guān)規(guī)范確定。按有關(guān)強(qiáng)度公式計算得到的厚度值，不包括厚度附加值C。<2>.設(shè)計厚度δd，計算厚度與腐蝕裕量之和。殼體的有關(guān)厚度關(guān)系：<1>.計算厚度δ<3>.名義厚度δn根據(jù)設(shè)計厚度，加上鋼板厚度負(fù)偏差C1并向上圓整至鋼板標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度，即為名義厚度。圖紙上標(biāo)注的厚度就是名義厚度。鋼板常用標(biāo)準(zhǔn)厚度值見表5-8。在任何情況下都應(yīng)使：將名義厚度減去厚度附加量C得到的厚度值稱為有效厚度，即殼體有關(guān)厚度值之間關(guān)系為：<4>.有效厚度δe名義厚度厚度負(fù)偏差腐蝕余量厚度附加量計算厚度厚度圓整值設(shè)計厚度有效厚度滿足強(qiáng)度條件所需厚度由已知，內(nèi)壓薄壁圓筒上環(huán)向應(yīng)力與縱向應(yīng)力的關(guān)系為：，故應(yīng)按環(huán)向應(yīng)力進(jìn)行強(qiáng)度計算，即5.3.2內(nèi)壓薄壁殼體的厚度設(shè)計1.內(nèi)壓薄壁圓筒的厚度設(shè)計其中：P——設(shè)計壓力，MPa；D——圓筒中徑，mm；Do——圓筒外徑，mm；Di——圓筒內(nèi)徑，mm；δ——圓筒的計算厚度，mm；[σ]t——設(shè)計溫度下圓筒材料的許用應(yīng)力，MPa，可查有關(guān)手冊。在制造過程中，焊縫影響可能使容器強(qiáng)度改變，故取[σ]t乘以焊縫系數(shù)φ，即：設(shè)計時，圓筒常用內(nèi)徑為設(shè)計參數(shù)，故用Di代替D，于是代入公式，得：此計算式是在彈性變形狀態(tài)下推導(dǎo)得到的計算式，故其適用范圍為：設(shè)計壓力的情況。考慮到操作過程中介質(zhì)對筒體的腐蝕影響，得到設(shè)計厚度為：在選取筒體名義厚度時，應(yīng)根據(jù)：進(jìn)行筒體厚度的確定。2.內(nèi)壓薄壁球殼的厚度設(shè)計內(nèi)壓球形殼體承受氣壓時，其經(jīng)向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力相等，即：

同理，將，并考慮焊縫系數(shù)及腐蝕余量，則球殼的厚度設(shè)計公式為：mm同樣，球殼名義厚度應(yīng)根據(jù)進(jìn)行確定。本計算公式使用范圍：比較可知，在相同壓力、相同直徑情況下，球殼的厚度可小很多，故更加節(jié)省材料。圓筒球殼封頭是容器的重要組成部分，按形狀可分為三類：凸形封頭、錐形封頭和平板封頭。凸形封頭：半球封頭、橢圓封頭、碟形封頭、球冠封頭。錐形封頭：無折邊錐形封頭、有折邊錐形封頭。封頭設(shè)計其設(shè)計參數(shù)的確定與殼體設(shè)計取法相同。5.3.3內(nèi)壓容器封頭的厚度設(shè)計優(yōu)點(diǎn)：受力均勻，但因深度較大，整體沖壓成型較困難，中上直徑容器很少采用，直徑較大的設(shè)備（Di>2.5m）可以分塊沖壓，拼焊而成，一般常用于高壓容器上，或有特殊要求的場合。

<1>.封頭結(jié)構(gòu)1.半球形封頭計算得到的厚度較薄，但考慮到焊接需要，一般取與相連接的筒體等厚。<2>.厚度設(shè)計

與球形容器相同，設(shè)計厚度的計算公式為：<1>.封頭結(jié)構(gòu)由半個橢圓殼體和一段高度為h的短圓筒節(jié)組成。橢圓形封頭深度比半球形封頭小得多，沖壓成形容易，是目前應(yīng)用最廣泛封頭之一，它有專門尺寸規(guī)格的壓模進(jìn)行沖壓，其受力也較均勻。2.橢圓封頭

由推導(dǎo)可知，橢圓形封頭的最大應(yīng)力值與橢圓的長短軸之比a/b有關(guān)。其計算公式為：<2>.厚度設(shè)計當(dāng)橢圓封頭時，一般可用整塊鋼板沖壓成型，此時可取，當(dāng)時，鋼板要先拼焊，后沖壓，焊縫系數(shù)按有關(guān)規(guī)定選取。式中：K——橢圓形封頭形狀系數(shù)，標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭a/b=2,K=1。由于碟形封頭一般多被橢圓形封頭取代，故不作詳細(xì)介紹。3.碟形封頭又稱有折邊的球形封頭以半徑Ri構(gòu)成的部分球冠形封頭與筒體直接焊接，而成為無折邊球形封頭，或拱形封頭放置在兩相鄰獨(dú)立承壓的中間封頭。一般多用于壓力不高，直徑不太大的容器上。<1>.封頭結(jié)構(gòu)4.球冠形封頭又稱無折邊的球形封頭封頭的設(shè)計厚度為：<2>.厚度設(shè)計其中：Q——應(yīng)力修正系數(shù)，由圖5-14查取。

與無折邊球形封頭連接的圓筒厚度應(yīng)不小于封頭厚度，否則應(yīng)在封頭與圓筒間設(shè)置加強(qiáng)段，加強(qiáng)段厚度應(yīng)與封頭等厚，加強(qiáng)段長度不小于

圓錐形封頭廣泛應(yīng)用于固體缷料的立式容器底部，或用于兩段不同直徑的塔體連接段，稱為變徑段。<1>.封頭結(jié)構(gòu)5.圓錐形封頭根據(jù)錐形封頭是否有無過渡圓弧和直邊部分，分為不帶折邊和帶折邊錐形封頭兩種。帶折邊錐形封頭與筒體連接處附加應(yīng)力峰值可以大大降低，但加工相對困難。無折邊錐形封頭的設(shè)計計算公式為：<2>.厚度設(shè)計其中：α——錐形封頭半錐頂角。帶折邊錐形封頭的設(shè)計公式參照有關(guān)資料進(jìn)行。<1>.封頭結(jié)構(gòu)

圓平板可作為筒體的封頭或人孔、手孔的平蓋，在制造上很方便，可用螺栓或直接焊，連接在筒體上。但在連接處會產(chǎn)生附加應(yīng)力。6.平板封頭平板的形狀有圓平板，橢圓平板、短形平板等。其中：Dc——計算直徑，見表5-9.K——平蓋系數(shù)，見表5-9查取。設(shè)計厚度計算公式為：<2>.厚度設(shè)計

以上各封頭在計算得到設(shè)計厚度值之后，應(yīng)再加上鋼板負(fù)偏差值，然后才可選取封頭的實(shí)際需要的鋼板厚度δn值。5.3.4壓力試驗壓力容器在制造安裝完成后，或在檢修完成后,都必須進(jìn)行壓力試驗。檢驗容器超過工作壓力條件下密封結(jié)構(gòu)的嚴(yán)密性，焊縫的致密性，以及容器的宏觀強(qiáng)度，是對材料設(shè)計、制造或檢修的綜合性檢查，是對壓力容器的不安全因素在投產(chǎn)前作全面的安全檢查，防患于未然。容器經(jīng)過壓力試驗合格后才能交付使用。壓力試驗的目的：壓力試驗包括耐壓試驗和氣密性試驗。耐壓試驗又分為液壓試驗和氣壓試驗。1.壓力試驗的分類<1>.液壓試驗液壓實(shí)驗的步驟

液壓實(shí)驗時，壓力應(yīng)緩慢上升，達(dá)到規(guī)定試驗壓力后，保壓時間一般不少于30分鐘，然后降至規(guī)定試驗壓力的80%，并保持足夠長的時間，以檢查所有焊縫和連接部位有無泄漏，如有泄漏，修補(bǔ)后重新試驗。是壓力容器最常用的壓力試驗方法絕大部分為水壓實(shí)驗<2>.氣壓試驗氣壓實(shí)驗的步驟

氣壓實(shí)驗時，升壓至規(guī)定試驗壓力的10%且不超過0.05MPa，保持5分鐘進(jìn)行初檢，合格后繼續(xù)升壓到規(guī)定試驗壓力的50%，其后按每級為規(guī)定試驗壓力的10%為級差，逐級升到試驗壓力保持10分鐘，然后再降至規(guī)定試驗壓力的87%，并保持足夠長的時間后再一次進(jìn)行檢查。<3>.氣密性檢驗當(dāng)壓力容器內(nèi)介質(zhì)為極度或高度危害的毒性介質(zhì)時，在液壓試驗合格后，必須再次進(jìn)行氣密性試驗，經(jīng)檢查無泄露，方可用于正常生產(chǎn)。<1>.液壓試驗2.內(nèi)壓容器試驗壓力式中：PT——容器的試驗壓力，MPa；P——容器的設(shè)計壓力，MPa；[σ]——容器材料在試驗溫度下的許用應(yīng)力，MPa[σ]t——容器材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力，MPa<2>.氣密性檢驗液壓試驗的應(yīng)力校核條件：由于壓力試驗是在高于設(shè)計壓力的情況下進(jìn)行的，所以在進(jìn)行試驗前應(yīng)對容器的試驗強(qiáng)度進(jìn)行校核。3.壓力試驗的應(yīng)力校核—液壓試驗應(yīng)力校核式中：t——圓筒在液壓試驗下的應(yīng)力，MPa。本節(jié)結(jié)束練習(xí)5-15-25-4[例5-1]液氨儲罐的筒體設(shè)計已知條件：設(shè)計壓力P=2.5MPa,操作溫度-5-44℃，儲罐內(nèi)徑Di=1200mm，設(shè)計要求：解:

（1）確定筒體厚度，鋼材牌號；a)根據(jù)液氨對鋼材的腐蝕情況不是很大，設(shè)計壓力為中壓，操作溫度屬于常溫的工作條件，選用容器材料為16MnR。b)根據(jù)16MnR鋼材在板厚6-16mm之間，溫度在-5-44℃范圍內(nèi)，查得[σ]t=170MPa,焊縫采用雙面對接焊，局部無損檢測，取φ=0.85，鋼板負(fù)偏查得C1=0.8mm,腐蝕裕量選取C2=1mm。c)計算筒體厚度查鋼材厚度表取δn=14mmd)水壓試驗強(qiáng)度校核查16MnR材料的[σ]=170MPa,采用水壓試驗，故試驗壓力為：水壓試驗時的應(yīng)力故筒體厚度滿足水壓試驗強(qiáng)度要求。（2）確定封頭型式和壁厚根據(jù)各種封頭比較，選用橢圓形封頭為儲罐的封頭，并且根據(jù)儲罐外形尺寸，儲罐選用臥式放置。封頭材料選用16MnR，各參數(shù)與筒體相同。橢圓形封頭壁厚：課堂練習(xí)：某液氨貯罐，設(shè)計壓力P=2.5MPa，操作溫度-3～50℃，貯罐內(nèi)徑Di=2200mm，筒體材料為16MnR，=163MPa，焊縫系數(shù)，鋼板負(fù)偏差為C1=0.8mm，腐蝕裕量C2=1mm，材料的=345MPa，試確定筒體的壁厚，并進(jìn)行水壓試驗的強(qiáng)度校核。(1)確定筒體的壁厚C1=0.8，故取筒體壁厚

(2)水壓試驗強(qiáng)度校核PT=1.25P=1.25×2.5=3.125MPa

0.9=310.5MPa

=202MPa＜0.9

故所選壁厚合理在化工生產(chǎn)中，除了大量使用內(nèi)壓容器，還常使用一些外壓容器。例如真空工作儲罐、減壓塔、冷凝器等，這些容器外面的壓力大于容器內(nèi)部的壓力，是處于外壓操作的容器。

當(dāng)容器在外壓作用下，筒壁上也將產(chǎn)生經(jīng)向和環(huán)向的壓縮應(yīng)力，由推導(dǎo)可知，其值為5.4.1臨界壓力計算5.4外壓容器1.失穩(wěn)實(shí)驗表明，當(dāng)外壓逐漸增大到某臨界值時，筒壁就會突然發(fā)生壓癟或瞬間的失去自身原來形狀的情況，這種現(xiàn)象稱為失穩(wěn)。在均勻外壓作用下，薄壁圓筒的變形是有規(guī)律的，其失穩(wěn)后出現(xiàn)多種變形波的形狀，這種變形波數(shù)用n表示，可以用有關(guān)公式推導(dǎo)得到。影響筒體臨界壓力的因素主要有筒體尺寸（筒體長度、壁厚、直徑）、材料性能以及筒體的形狀精度等。

當(dāng)圓筒長度超過某一極限長度Lcr值后，兩端封頭或剛性構(gòu)件對筒體中部的支撐作用將消失，此時圓筒的變形波為n=2，這類圓筒為長圓筒，當(dāng)筒體長度小于Lcr值時，圓筒的變形收到封頭的支撐作用，其變形波n>2，這類圓筒為短圓筒。2.臨界壓力的計算<1>.長圓筒

長圓筒易失穩(wěn)時臨界壓力Pcr值按下式計算：式中：Pcr——臨界壓力，MPa；E——材料在設(shè)計溫度下的彈性模量，MPa；δe——圓筒的有效厚度，mm；Do——圓筒的外直徑，mm。

<2>.短圓筒

短圓筒的臨界壓力值按下式計算：式中：L——圓筒的計算長度，mm，由圖5-19確定；其他符號含義同式（5-20）對于真空設(shè)備，裝有真空泄放閥安全裝置時，P=1.25P壓差，或P=0.1MPa兩者中的較小值；當(dāng)無安全控制裝置時，設(shè)計壓力P=0.1MPa，在以上基礎(chǔ)上考慮相應(yīng)的液體靜壓力，得到設(shè)計壓力P。5.4.2外壓容器設(shè)計1.設(shè)計參數(shù)的確定對于外壓容器，設(shè)計壓力P是確定厚度的重要依據(jù)，設(shè)計壓力應(yīng)取正常工作時，容器內(nèi)外可能出現(xiàn)的最大壓差。對于由兩室或兩個以上的壓力室組成的容器，如夾套容器，其設(shè)計壓力應(yīng)考慮各室之間的最大壓差。外壓力容器的其他設(shè)計參數(shù)，如設(shè)計溫度，焊接接頭數(shù)，許用應(yīng)力等與內(nèi)壓容器相同。外壓薄壁圓筒的壁厚計算有解析法和圖算法，圖算法是借助計算圖來確定壁厚，這種方法比較簡單，我國壓力容器設(shè)計規(guī)定采用圖算法進(jìn)行外壓壁厚設(shè)計。2.外壓圓筒圖算法設(shè)計方法與步驟：1）假設(shè)外壓圓筒或管子的名義厚度，則；2）計算外徑，計算和；3）在圓筒幾何參數(shù)計算圖縱坐標(biāo)上找到L/Do值，過此點(diǎn)向右作水平線與Do/δe線相交得到交點(diǎn)，過此點(diǎn)作鉛垂線與橫坐標(biāo)相交得到系數(shù)A。<1>.的外壓圓筒和管子4）按筒體所用材料選相應(yīng)厚度計算圖，在圖的橫坐標(biāo)上找到系數(shù)A，若A值位于設(shè)計溫度線下方的右邊，且A值與溫度線有交點(diǎn)，則向上作鉛垂線，與溫度相交，得到交點(diǎn)作水平線向右側(cè)得到相應(yīng)系數(shù)B值。并按下式計算許用外壓力[P]：MPa(5-22)MPa(5-23)若所得A值位于設(shè)計溫度下材料線與橫坐標(biāo)交點(diǎn)的左方，則許用外壓力[P]為：5）比較P與[P]，[P]應(yīng)大于并接近P，所選名義厚度合理，否則應(yīng)重新假設(shè)圓筒的名義厚度值，再重復(fù)以上步驟，直到[P]大于并接近P為止。

<2>對于Do/δe<20的外壓圓筒和管子其設(shè)計方法與上相同，但應(yīng)做一定的強(qiáng)度校核，詳細(xì)內(nèi)容請參閱國家標(biāo)準(zhǔn)。外壓容器封頭的結(jié)構(gòu)形式與內(nèi)壓容器相同，在外壓作用下，封頭與筒體一樣，也存在失穩(wěn)問題。故也是采用圖算法進(jìn)行封頭壁厚的設(shè)計。<1>.半球形封頭受外壓的半球形封頭壁厚的設(shè)計步驟如下：1）假設(shè)半球形封頭名義厚度為，則2）由，確定；3.外壓封頭圖算法3）按（5-24）式計算A值：（5-24）4）根據(jù)封頭材料，選取壁厚計算圖，在橫坐標(biāo)上找到系數(shù)A值點(diǎn)，若A值在設(shè)計溫度下材料線與橫坐標(biāo)交點(diǎn)在右方，過此點(diǎn)作鉛垂線與溫度線相交，得到交點(diǎn)后作水平線與右側(cè)縱坐標(biāo)相交得到B值。于是許用外壓[P]為（5-25）若A值在溫度線與橫坐標(biāo)交點(diǎn)的左方，則用下式計算許用外壓力[P]（5-26）5）比較計算外壓P與許用外壓[P]，[P]大于P，且接近P，則所設(shè)名義厚度合理，否則應(yīng)重新假設(shè)封頭名義厚度值，重復(fù)以上步驟，直到[P]大于P，且接近P值為止。<2>.橢圓形封頭 受外壓作用的橢圓封頭厚度計算，設(shè)計步驟與半球形封頭相同，只是半徑Ro取橢圓形封頭的當(dāng)量外半徑。即其中：K1——橢圓形長短軸比值不同而設(shè)的修正系數(shù)。對于標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭K1=0.9<1>.改變?nèi)萜鞯膸缀纬叽缭谕鈮簣A筒材料和直徑都已確定的條件下，增加筒體壁厚或者縮短筒體計算長度，都能提高筒體的臨界壓力，因而提高筒體的穩(wěn)定性，從節(jié)約成本的角度看，減小計算長度更加有利。4.提高外壓容器穩(wěn)定性的途徑<2>.增設(shè)加強(qiáng)圈將長圓筒變成短圓筒的有效措施是在筒體上焊加強(qiáng)圈，可以焊在外側(cè)，也可以焊在內(nèi)側(cè)，使加強(qiáng)圈提高筒體的剛度，達(dá)到提高筒體穩(wěn)定性的目的，加強(qiáng)圈可以采用工字鋼、角鋼、扁鋼等.例5-2已知某外壓圓筒形塔體，，筒體總長（不包封頭），兩邊為標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，高，直邊高，設(shè)計溫度，材料為20R鋼，真空操作，無安全控制裝置，取腐蝕余量，試計算筒體與標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭厚度。解：采用圖算法，根據(jù)題目條件及設(shè)計壓力選取規(guī)定，塔的設(shè)計壓力1）假設(shè)筒體名義厚度，表5-5查得，故C=C1+C2=2mm(1)筒體厚度計算筒體有效厚度：筒體外徑：筒體計算長度：故2）由圖5-20，根據(jù)，

查得3）根據(jù)筒體材料20R鋼，設(shè)計溫度，,及查圖5-21圖，系數(shù)A落在設(shè)計溫度與橫坐標(biāo)交點(diǎn)的左方，沒有交點(diǎn)，故4）[P]和P較接近，且，假設(shè)壁厚符合設(shè)計要求，確定筒體壁厚。1）假設(shè)封頭名義厚度，封頭有效厚度(2)標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭厚度計算查得已知標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，則封頭當(dāng)量外半徑為2）計算系數(shù)A計算得到：3）查圖5-21可得，A點(diǎn)在材料溫度線右方，B=47，許用外壓[P]為4）[P]>P,且接近P，假設(shè)封頭壁厚符合設(shè)計要求，考慮到筒體與封頭壁厚焊接要求，取封頭壁厚8mm。某廠脫水塔的塔體內(nèi)徑為700mm，實(shí)際厚度為12mm，材料為20R，其200℃時的σs=25MPa，塔的工作壓力p=2MPa，工作溫度180℃。塔體采用單面對接焊（帶墊板），局部無損檢測，腐蝕裕量1mm，試校核塔體工作與試壓時的強(qiáng)度。5-61.校核塔體工作時的強(qiáng)度p=2MPae=n-C1-C2=12-0.8-1=10.2mmD=Di+e=700+10.2=710.2mm[σ]t

=123MPaΦ=0.82.校核塔體試壓時的強(qiáng)度PT=1.25P=1.25×2=2.5MPa

0.9=220.5MPa

=108.8MPa＜0.9

故筒體厚度滿足水壓試驗時的強(qiáng)度。e=n-C1-C2=12-0.8-1=10.2mm=220.5MPa

5.5.1臥式儲罐儲罐作用：儲存或盛裝氣體、液體、液化氣體等介質(zhì)。如氫氣儲罐、液化石油氣儲罐、石油儲罐、液氨儲罐等。介質(zhì)的特性：易燃、易爆、有毒，壓力受溫度影響。5.5儲存設(shè)備(1)地面臥式儲罐由筒體、封頭、法蘭、人孔、手孔、支座、接管等組成。5.5.1臥式儲罐1.基本結(jié)構(gòu)臥式儲罐的設(shè)計步驟：①根據(jù)壓力初步確定壁厚。②確定支座位置，計算支座反力，選擇支座標(biāo)準(zhǔn)及尺寸。③校核筒體在支座作用下，操作狀態(tài)時的周向、軸向強(qiáng)度和穩(wěn)定性。最后確定設(shè)備的壁厚。(2)地下臥式儲罐地下臥式儲罐的結(jié)構(gòu)基本與地面臥式儲罐相同，所不同的是在臥式儲罐上部專業(yè)將各種工藝接管、儀表管、安全泄放裝置等專門集中設(shè)置在一個或幾個人孔蓋板上，以便安裝、檢修和維護(hù)。優(yōu)點(diǎn)：減少占地面積，更加有利于儲罐的安全防火，避開了環(huán)境溫度對液化氣體壓力的不利影響。缺點(diǎn)：會增加地下物質(zhì)對罐體的腐蝕。地下臥式儲罐防腐蝕措施：犧牲陽極保護(hù)法，在儲罐上焊有專門金屬導(dǎo)線，在導(dǎo)線的一端焊接一塊電位較負(fù)的金屬，（如鋅、鎂、鋁等）使設(shè)備全部表面都成為陰極，從而實(shí)現(xiàn)防止腐蝕效果。形狀上分為：圓球形，橢球形殼層數(shù)分：單層球殼，多層球殼殼體構(gòu)造分為：桔瓣式，足球瓣式和混合式。支座結(jié)構(gòu)分：支柱式支座、筒形或錐形裙式支座。5.5.2球形儲罐1.球罐特點(diǎn)①球罐的表面積最小，相同容積材料最省。②與筒體相比，相同直徑、相同壓力鋼板可以減薄。③球罐占地面積小，有利于地表面積的利用。④基礎(chǔ)簡單、受風(fēng)面小、外觀美觀，但加工較困難。2.球罐分類常溫球罐低溫球罐深冷球罐我國設(shè)