化工设备机械基础课件-容器概述和薄膜应力.pptx

1、第七章第七章 压力容器中的薄膜应力、压力容器中的薄膜应力、弯曲应力与二次应力弯曲应力与二次应力7.1 7.1 容器的概述容器的概述7.2 7.2 回转壳体中的薄膜应力回转壳体中的薄膜应力7.3 7.3 圆形平板承受均布载荷时的弯曲圆形平板承受均布载荷时的弯曲 应力应力7.4 7.4 边界区内的二次应力边界区内的二次应力 7.1 容器概述装装 置置机器机器：运动的装置：运动的装置设备设备：静止的装置：静止的装置设备设备反应设备反应设备：主要用于完成介质的物理、化学反应主要用于完成介质的物理、化学反应换热设备换热设备：主要是用于完成介质的热量交换主要是用于完成介质的热量交换 分离设备分离设备：主要

2、是用于完成介质的净化分离主要是用于完成介质的净化分离 储存设备储存设备：主要用于储存、盛装液化气体等介质主要用于储存、盛装液化气体等介质 容器容器是指储存设备和其他各种化工设备的外壳。是指储存设备和其他各种化工设备的外壳。反应釜反应釜管板换热器管板换热器 n精馏塔：精馏主要是利用混合物中各组分的挥发度不同而进行分离。储储 罐罐 一般是由筒体、封头、法兰、支座、接管及人孔(或手孔)等组成。一、容器的结构一、容器的结构二、容器的分类 n按容器的形状 名称名称名称名称矩形容器矩形容器由平板焊成，制造简便，但承压能力差，只用作小型常压贮槽 球形容器球形容器承压能力好，但由于安装内件不便，制造稍难，一般

3、多用作贮罐 圆筒形容器圆筒形容器 由圆柱形筒体和各种凸形封头(半球形、椭球形、碟形、圆锥形)或平板封头所组成。作为容器主体的圆柱形筒体，制造容易，安装内件方便，而且承压能力较好，因此 按承压性质分类 内压容器内压容器：内部介质压力大于外界压力：内部介质压力大于外界压力 低压：低压：0.1MPap1.6MPa 中压：中压：1.6MPap10MPa 高压：高压：10MPap100MPa 超高压：超高压：100MPap外压容器外压容器：内部介质压力小于外界压力：内部介质压力小于外界压力真空容器真空容器：内部压力小于一个绝：内部压力小于一个绝对大气压(0.1MPa)的外压容器的外压容器按监督管理 n根

4、据设计压力设计压力p和容积和容积V、介质的性质将容器划分为I类、II类和III类。低温容器 低于-20 条件下常温容器-20200 高温容器 达到材料蠕变温度中温容器 壁温介于常温和高温之间按容器壁温按容器壁温按制造容器所用的材料 容器有金属制的和非金属制的两类。按应用情况可分为反应压力容器、换热压力容器、分离压力容器和储存压力容器。其它常见的分类方法7.2 回转壳体中的薄膜应力n一、回转壳体的定义与实例n1.回转曲面：以任意直线或平面曲线作母线，绕其同平面内的轴线（回转轴）旋转一周而成的曲面。n平面曲线不同，得到的回转曲面的形状也不同。n2.回转壳体以回转曲面为以回转曲面为中间面中间面的壳体

5、就是回转壳体。的壳体就是回转壳体。二、回转壳体的几何概念母线母线、经线、平行圆、纬线、经线、平行圆、纬线母线平面母线平面经线平面经线平面横截面横截面圆锥面圆锥面纵截面纵截面 横截面横截面 锥截面锥截面n工程实际中的压力容器大多为薄壁容器薄壁容器。通常根据K=DO/Di的大小来判断，K1.2为薄壁容器。如：1000+2x6=1012（mm）1012/1000=1.012 1.2 为薄壁容器n由于薄壁容器的壳体壁厚相对直径来说很小，可近似比作薄膜，这时可以认为应力应力沿壁厚均匀分布，这种应力称之为薄膜应力。三、回转薄壳的薄膜应力三、回转薄壳的薄膜应力三、回转薄壳的薄膜应力n回转壳体在其内表面受到介

6、质均匀的内压作用时，其经向纤维和环向纤维都要发生伸长变形。n环向纤维（纬线）受到拉伸，因而在壳壁的纵截面上将产生环向应力，用s s表示。n经向纤维受到拉伸，因而在壳壁的锥截面内将产生经向应力，用s sm m表示。（一）圆筒形壳体上的薄膜应力1.环向薄膜应力s sn作用在筒体内表面上介质压力p产生的合力N为0sin2iiiNRdl pRl pD l p n这表明：由作用于任一曲面上介质压力所产生的合力等于介质压力与该曲面沿合力方向所得投影面积的乘积，而与曲面形状无关。s2ipDplDNislT2n筒壁纵截面上的环向薄膜应力s s之合力T为slplDi2n利用平衡条件N=T2.经向薄膜应力s sm

7、 m n作用在封头内表面上的介质压力p的轴向合力N为 pDNi42n式中的D是圆筒的平均直径，通常称其为中径。且D=Di+,与D相比甚小。n作用在筒壁环形横截面上的经向薄膜应力的合力T为为mDTsmDpDs42s4pDmpD42pDNi42n利用平衡条件NTs4pDmDps2Dpms4s2ipD圆柱壳薄膜应力分布结论圆柱壳薄膜应力分布结论s2pD1、=2 m 圆柱壳的纵向截面是薄弱截面。圆柱壳的纵向截面是薄弱截面。2、圆柱壳的承压能力取决于（、圆柱壳的承压能力取决于（/D），），并非厚度越大承压能力越好。并非厚度越大承压能力越好。实例实例问题问题a a：筒体上开椭圆孔，如何开：筒体上开椭圆孔，

8、如何开?应使其短轴与筒体的轴线应使其短轴与筒体的轴线平行，以尽量减少开孔对平行，以尽量减少开孔对纵截面的削弱程度，使环纵截面的削弱程度，使环向应力不致增加很多。向应力不致增加很多。思考思考问题问题b b：钢板卷制圆筒形容器，：钢板卷制圆筒形容器，纵焊缝与环焊缝哪个易裂？纵焊缝与环焊缝哪个易裂？筒体纵向焊缝受力大于环筒体纵向焊缝受力大于环向焊缝，故纵焊缝易裂，向焊缝，故纵焊缝易裂，施焊时应予以注意。施焊时应予以注意。（二）圆球形壳体上的薄膜应力n如果过一点和球心，在相互垂直的两个方向上截开球形壳体，分别用s和sm表示，则球形壳体任一点处的薄膜应力为s4pDms4pDs4pDsDpD42球壳应力分

9、布结论球壳应力分布结论1 1、球壳各点、球壳各点=m m 说明球壳的薄膜应力分布十分均匀说明球壳的薄膜应力分布十分均匀。2 2、在载荷和几何条件相同的情况下，球、在载荷和几何条件相同的情况下，球壳的最大应力只是圆柱壳的一半，故球壳的最大应力只是圆柱壳的一半，故球壳的承压能力比圆柱壳好。壳的承压能力比圆柱壳好。（三）椭球形壳体上的薄膜应力常用常用椭球壳上的薄膜应力分布及其与球壳应力分布分椭球壳上的薄膜应力分布及其与球壳应力分布分布规律的对比布规律的对比椭球壳上各点s和sm的分布规律n1.椭球形壳体的顶点B处当a/b 2，顶点处的应力最大；该点处的ssm；可见，椭球越扁，顶点处的薄膜应力越大。)(

10、4)(2bapDbapamss2.椭球形壳体的赤道处C点在直径不变的条件下，圆球形壳体向椭球形壳体过渡时，赤道处的经向薄膜应力不变。在直径不变的条件下，赤道处的环向薄膜应力随着椭球变扁（即a/b增大），开始是逐渐减少，当a/b超过1.414后，赤道处的环向薄膜应力变为负值，即成为环向薄膜压缩应力。s42pDpam（三）椭球壳上的薄膜应力（三）椭球壳上的薄膜应力1、椭球壳上各点应力大小与点、椭球壳上各点应力大小与点的坐标（的坐标（x，y）有关）有关2 2、椭球壳上各点应力大小及分、椭球壳上各点应力大小及分布状况与布状况与a/ba/b有关有关3、m恒为正，最大值在顶点，最小恒为正，最大值在顶点，最

11、小值在赤道。值在赤道。在顶点恒为正，在赤道在顶点恒为正，在赤道有大于零、等于零、小于零三种情况。有大于零、等于零、小于零三种情况。椭圆形封头=半个椭球壳+高度为h0的短圆筒(直边)取取a/b2的半椭球封头为的半椭球封头为标准标准为什么选择a/b2的半椭球封头为标准的椭圆形封头？n从降低封头高度、便于冲压制造考虑，封头的深度浅一些好，即a/b 大一些比较好。但a/b过大时，在赤道处会出现较大的压缩环向应力，有可能把椭球压瘪。当a/b2时，ss2)(4)(2pDbapDbapamn可见，标准半椭球内的最大薄膜应力值与同直径、同厚度的圆筒形壳体的最大薄膜应力值相等。两者强度计算完全相同。（四）圆锥形

12、壳体中的薄膜应力r讨论点所在处的锥形壳体中面半径半锥角scos12prmscos1pr圆锥壳应力分布结论圆锥壳应力分布结论1、r，两向均应力，两向均应力，在锥顶处应力为零，在锥顶处应力为零，因此一般因此一般开孔在锥顶开孔在锥顶。2、，两向应力两向应力，故锥壳的半顶角不宜过大。，故锥壳的半顶角不宜过大。scos12prmscos1pr锥顶开孔锥顶开孔四、薄膜应力的强度条件1）弹性失效理论 对于中、低压薄壁容器，目前通用的是弹性失效理论。依据这一理论，容器上一点处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点，容器即告失效(失去正常的工作能力)，也就是说，容器的每一部分必须处于弹性变形范围内。sr r t t2）按第三强度理论建立的薄膜应力强度条件n讨论过的几种典型回转壳体中，承受内压时，危险点处的薄膜应力s s和sm都是拉伸应力，所以该点处的三个主应力分别是1 1=s s，2 2=sm，3 3=0=0。n 根据第三强度理论 r3r3=1 1-3 3=s sn所以，薄膜应力强度条件 r3r3=s s t t 薄膜应力强度条件：薄膜应力强度条件：r3r3=s s t t焊接接头系数焊接接头系数 l因此在钢板许用应力基础上乘以一个等于或小于1的焊接接头系数来作为焊接接头处金属的许用应力。