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过 程 机 械. 第三章. 压力容器常规设计. 3 压力容器常规设计. 计算 , 校核. 半球 , 椭圆 , 碟形 , 球冠 , 锥形 , 平盖. ● 圆筒形容器筒体的强度设计 ● 压力容器封头的强度设计 ● 法兰连接及密封设计 ● 开孔接管及补强设计 ● 容器支座的结构与选型 ● 外压容器稳定性设计 ● 设计参数及压力试验. 垫片 , 压紧面 , 螺栓 , 法兰强度. 结构 , 等面积补强设计. 悬卦式 , 支承式 , 鞍式. 圆环与筒体稳定 , 圆筒与封头设计. 压力 , 温度 , 许用应力 , 试验压力.
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过程机械 第三章 压力容器常规设计
3 压力容器常规设计 计算,校核 半球,椭圆,碟形,球冠,锥形, 平盖 ● 圆筒形容器筒体的强度设计● 压力容器封头的强度设计● 法兰连接及密封设计● 开孔接管及补强设计● 容器支座的结构与选型● 外压容器稳定性设计● 设计参数及压力试验 垫片,压紧面,螺栓,法兰强度 结构,等面积补强设计 悬卦式,支承式,鞍式 圆环与筒体稳定,圆筒与封头设计 压力,温度,许用应力,试验压力 大连理工大学DALIAN UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
非常重要 3 压力容器常规设计 常规设计：Design by Rules，规则设计，规范设计 设计思想：先拆开，后组合
有限元法 设计思想：先拆开，后组合 非常重要 3 压力容器常规设计
设计思路 容器整体 简单壳体 应力分析 强度设计 强度条件 基本应力 容器整体 边缘应力 适当考虑 3 压力容器常规设计 柱,球,锥,椭圆 薄膜,边缘 求各厚度 失效准则,强度理论 薄膜,弯曲 组合起来 边缘,局部 局部加强,限定结构
3 压力容器常规设计 补救措施 （Ⅰ）规定了不适用的容器种类 （Ⅱ）规定了材料，保证其性能 （Ⅲ）规定了结构和制造规程 （Ⅳ）采用较大的安全系数 （Ⅴ）必要时要试制或模拟实验
3 压力容器常规设计 3.1 圆筒形容器筒体的强度设计 第一步：确定主应力 第二步：建立强度条件 第三步：建立强度计算式 强度设计三大步
3 压力容器常规设计 3.1 圆筒形容器筒体的强度设计 强度计算式 思考题：此式基于薄膜应 力，但GB150将其推广 至高压（小于35MPa）范 围，且限定 为什么？
3 压力容器常规设计 3.1 圆筒形容器筒体的强度设计 强度校核式 ： 最大允用工作压力 ：
3 压力容器常规设计 3.2 压力容器封头的强度设计
3 压力容器常规设计 3.2 压力容器封头的强度设计 2 3.2.1 半球形封头 强度计算式 强度校核式 ： 最大允用工作压力 ：
3.2 压力容器封头的强度设计 3.2.2 椭圆形封头 ？ 标准椭圆封头等强度
3.2 压力容器封头的强度设计 3.2.2 椭圆形封头 应力增强系数 ～ 2.6 强度计算式基于球形封头 2k 对于标准椭圆封头乘以2，非标准椭圆封头乘以
3.2 压力容器封头的强度设计 3.2.2 椭圆形封头 为防止内压作用下椭圆形封头在环向压应力区发生失稳破坏， GB150对封头的有效厚度作了如下限定： 对于标准椭圆形封头： 对于非标准椭圆形封头： ？
3.2 压力容器封头的强度设计 3.2.3 碟形封头
3.2 压力容器封头的强度设计 3.2.3 碟形封头 引入应力增强系数
3.2 压力容器封头的强度设计 3.2.3 碟形封头 GB150限定 (通常取 ) 且 （ 为名义壁厚）。当 ， 时，碟形封头与标准椭圆形封头具有相同的深度，此时亦称标准碟形封头。 对于标准碟形封头： 对于非标准碟形封头： ?
3.2 压力容器封头的强度设计 3.2.4 球冠形封头 中间封头 端封头
3.2 压力容器封头的强度设计 3.2.4 球冠形封头
3.2 压力容器封头的强度设计 3.2.5 锥形封头 无折边结构 有折边结构
3.2 压力容器封头的强度设计 3.2.5 锥形封头 限制: 且不小于过渡段厚度的3倍 ？ 有折边结构 （具体GB150）
3.2 压力容器封头的强度设计 3.2.6 平盖封头 平盖系数 统一表达： 周边固支时周边处的径向应力最大： 周边简支时中心处的径向应力最大：
3.2 压力容器封头的强度设计 3.2.6 平盖封头 平盖系数
3.3 法兰连接及密封设计 两种基本形式: 强制,自紧
垫片要有足够的回弹能力 法兰系统要有足够的刚度 3.3 法兰连接及密封设计 3.3.1 法兰密封及失效
法兰密封的条件：介质泄漏阻力降 ＞介质压力 3.3 法兰连接及密封设计 3.3.1 法兰密封及失效 法兰密封设计的目的 ：泄漏率限制在允许的范围内 法兰密封的泄漏途径：垫片的渗漏；密封面的泄漏 材质、密实 刚度、回弹
垫片性能参数：比压力 ，垫片系数 反映了垫片填平密封面微观凹凸不平的能力。预紧时，初始密封比压要大于比压力。比压力越大，垫片的这种能力就越差，初始密封就越难建立。一般来说，垫片越“软”，则比压力越小。例如，橡胶垫片 =1.5MPa～3MPa，而金属垫片 =50MPa～150MPa。 3.3 法兰连接及密封设计 3.3.1 法兰密封及失效
垫片性能参数：比压力 ，垫片系数 操作时，密封面残余密封比压 越小，垫片回弹能力越差，使泄漏流动阻力降 减小。当 =临界值 时， = 。 。 反映垫片回弹能力, 越大，回弹能力越差。例如，橡胶垫片1～2.5，金属4～6.5。 3.3 法兰连接及密封设计 3.3.1 法兰密封及失效
连接件、被连接件及密封元件作用与变形 介质通过密封面的流动阻力 密封接触面的微观变形 垫片性能参数：比压力 ，垫片系数 工程设计：简化处理 预紧工况+操作工况 3.3 法兰连接及密封设计 3.3.2 法兰密封设计 法兰设计：一是强度问题；二是密封问题 强度问题：确定法兰和螺栓载荷，分别进行强度计算 密封问题：复杂的系统问题，刚度+接触+流体力学 局限性
预紧 进行螺栓设计 选垫片和压紧面 确定螺栓载荷 操作 确定法兰设计载荷 确定螺栓直径个数 进行法兰强度设计 依据法兰标准，尽量选用标准法兰，特殊情况自行设计 3.3 法兰连接及密封设计 3.3.2 法兰密封设计 设计思路与程序：
3.3 法兰连接及密封设计 3.3.2法兰密封设计 （1）垫片的选择 垫片类型：非金属垫片，金属垫片，金属-非金属组合垫片 非金属垫片：橡胶垫，石棉橡胶垫，聚四氟乙烯垫和柔性 （膨胀）石墨垫等； 金属垫片：软铝，钢，铁（软钢），铬钢（0Cr13）和不锈 钢（0Cr19Ni，00 Cr17Ni14Mo2）等； 金属-非金属组合垫：金属包垫片，金属缠绕垫片和带骨架 的非金属垫片等。
3.3 法兰连接及密封设计 3.3.2 法兰密封设计 （1）垫片的选择 选择依据：介质特性、操作压力和温度、压紧面的形状， 兼顾价格、制造和更换方便等因素 垫片类型、材料、尺寸选择要点： ① 垫片类型 （Ⅰ）高温高压金属垫，中温（<450℃）中压组合垫或某 些非金属垫，中压一般非金属垫片； （Ⅱ）非金属垫普遍，缠绕式垫次之； （Ⅲ）同一管线尽量同一类型垫，易互换。
3.3 法兰连接及密封设计 3.3.2 法兰密封设计 （1）垫片的选择 垫片类型、材料、尺寸选择要点： ② 垫片材料 （Ⅰ）耐用温度要高于操作温度，耐腐蚀； （Ⅱ）不污染介质； （Ⅲ）温度≥200℃的高压氢气选Cr-Ni合金。 ③ 垫片尺寸 （Ⅰ）不宜太厚，以免比压不均，压坏或挤出； （Ⅱ）不宜太宽，以免螺栓载荷太大，但防止压溃。
3.3 法兰连接及密封设计 3.3.2 法兰密封设计 （1）垫片的选择
3.3 法兰连接及密封设计 3.3.2 法兰密封设计 （2）压紧面的选择 常用形式：突面、凹凸面、榫槽面 压力≤2.5MPa常用，2～4条同心三角沟槽（吹出、再用），粗糙度要求不宜高，预紧力大
3.3 法兰连接及密封设计 3.3.2 法兰密封设计 （2）压紧面的选择 常用形式：突面、凹凸面、榫槽面 易对中，不易挤出，仍需较大预紧力，可用于较高压力（ ≤6.4MPa ）
3.3 法兰连接及密封设计 3.3.2 法兰密封设计 （2）压紧面的选择 常用形式：突面、凹凸面、榫槽面 不挤出，易对中，预紧力小，受力均匀，减少介质冲刷腐蚀。更换困难，压紧面变形或翅曲影响大。用于密封要求较严（易燃易爆或有毒介质）和压力较高的重要场合。
3.3 法兰连接及密封设计 3.3.2 法兰密封设计 （3）螺栓设计 内容：选材料，定载荷，定直径和个数 ① 螺栓材料 应强度高，韧性好。螺栓的硬度要比螺母的高HB30以上，避免胶合或咬死。
② 螺栓载荷 预紧时，最小螺栓载荷等于最小预紧力： 操作时，最小螺栓载荷等于由内压产生的轴向力与垫片残余压紧力之和： 3.3 法兰连接及密封设计 3.3.2 法兰密封设计 （3）螺栓设计 内容：选材料，定载荷，定直径和个数
预紧时，最小总截面积为： 操作时，最小总截面积为： 3.3 法兰连接及密封设计 3.3.2 法兰密封设计 （3）螺栓设计 内容：选材料，定载荷，定直径和个数 ③ 螺栓直径与个数
(3.5～4) 螺栓个数选择 最大值受扳手空间限定，最小值受允许最大间距限定 个数应取偶数，最好为4的倍数 螺栓直径选择 根径 圆整为螺纹标准公称直径 符合螺纹标准，细牙，大于M12 3.3 法兰连接及密封设计 3.3.2 法兰密封设计 ③ 螺栓直径与个数 特别注意两点：
松式法兰 整体法兰 任意法兰 3.3 法兰连接及密封设计 3.3.2 法兰密封设计 （4）标准法兰及选用 ① 法兰结构类型
管法兰标准 容器（设备）法兰标准 两大类 欧洲体系（德国DIN标准） 美洲体系（美国ASME B16.5标准） 两体系 国家标准GB9112～9131 化工行业标准HG20592～20635 新 两标准 旧 3.3 法兰连接及密封设计 3.3.2 法兰密封设计 （4）标准法兰及选用 不可混用 ② 法兰标准
容器法兰的公称直径等于容器内径，管法兰的公称直径介于管内外径之间的某一整数。如DN100的无缝钢管的外径为108mm，而内径视壁厚各不同（如φ108×4的内径为100mm, φ108×5的内径为98mm）。 3.3 法兰连接及密封设计 3.3.2 法兰密封设计 （4）标准法兰及选用 ③ 标准法兰的选择 两个问题：选公称直径DN，选公称压力PN
每个PN表示一定材料和工作温度下法兰的最高工作压力。容器法兰的PN是以16Mn在200℃时的最高工作压力为准，材料和工作温度不同，最高工作压力也不同。某一材料在设计温度下的高工作压力： 3.3 法兰连接及密封设计 3.3.2 法兰密封设计 （4）标准法兰及选用 ③ 标准法兰的选择 两个问题：选公称直径DN，选公称压力PN
3.3 法兰连接及密封设计 3.3.3 法兰强度设计 非标准法兰设计主要是刚度问题。Waters弹性分析方法 （1）力学模型
