化工设备

内容主要包括工程力学、化工设备材料和容器设计这3章的知识内容。每章内容具体为：第一章主要从设备的力学性能分析受力情况，从而得出设计构件许满足的力学条件。第二章主要介绍设备材料，在考虑力学及经济的条件下选择最好最经济的材料。而第三章则主要介绍如何设计容器的结构以及如何选用零部件标准。

通过总结，得出化工设备设计基础的基本内容及在设计容器时考虑的各方面内容等。设计容器时要在满足力学性能的基础上，对容器各个部件进行材料的选择。

关键字：工程力学

化工设备材料 容器设计 化工设备设计基础

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第一章

目 录

工程力学 ........................................................................................................ 4

第一节 物体的手里分析及其平衡条件 .................................................................... 4

1.1.1 力的概念和基本情况 ............................................................................ 4 1.1.2 力矩与力偶 ......................................................................................... 4 1.1.3 物体的受力分析 .................................................................................. 5 第二节 直杆的拉伸和压缩 ...................................................................................... 5

1.2.1 直杆的拉伸 ......................................................................................... 5 1.2.2 拉伸和压缩时材料的力学性能 ............................................................ 6 1.2.3 拉伸和压缩的强度条件 ....................................................................... 6 第三节 直梁的弯曲 ................................................................................................. 6

1.3.1 梁的弯曲实例与概念........................................................................... 7 1.3.2 梁横截面上的内力——剪力与弯矩 ..................................................... 7 1.3.3 梁弯曲时横截面上的正应力及其分布规律........................................... 7 1.3.4 梁的弯曲和变形 .................................................................................. 8 第四节 剪切 .......................................................................................................... 8 第五节 圆轴的扭曲 ............................................................................................... 8

1.5.1 圆轴扭转的特点 .................................................................................. 8 1.5.2 扭转时的外力和内力........................................................................... 8 1.5.3 扭转时横截面上的应力 ....................................................................... 9

第二章 化工设备材料 .................................................................................................... 9

第一节 概述 ........................................................................................................ 9 第二节 材料的性能 ............................................................................................... 9

2.2.1 力学材料 ............................................................................................ 9 2.2.2 物理性能 .......................................................................................... 10 2.2.3 化学性能 .......................................................................................... 10 2.2.4 加工工艺性能 ................................................................................... 10 第三节 碳钢与铸钢 ............................................................................................. 10

2.3.1 钢的热处理 ....................................................................................... 11 2.3.2 碳钢.................................................................................................. 12 2.3.3 铸铁.................................................................................................. 12 第四节 合金钢 .................................................................................................... 12

2.4.1 合金钢的分类、牌号、性能和用途 ................................................... 12 2.4.2 合金元素对钢的影响......................................................................... 13

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2.4.3 特殊性能钢 ....................................................................................... 13 第五节 有色金属 ................................................................................................. 14 第六节 化工设备的腐蚀及防腐措施 .................................................................... 14

2.6.1 金属的腐蚀 ....................................................................................... 14 2.6.2 金属设备的防腐措施......................................................................... 15 第七节 化工设备材料选择 .................................................................................. 15 第三章 容器设计 ......................................................................................................... 15

第一节 概述 .................................................................................................... 15

3.1.1 容器的结构与分类 ............................................................................ 15 3.1.2 容器的零部件标准化......................................................................... 16 第二节 内压薄壁容器设计 ............................................................................... 16

3.2.1 薄壁容器设计的理论基础 ................................................................. 16 3.2.2 无力矩理论基本方程......................................................................... 17 3.2.3 基本方程式的应用 ............................................................................ 18 3.2.4 圆筒强度计算 ................................................................................... 19 3.2.5 压力试验 .......................................................................................... 20 第三节 封头的设计.......................................................................................... 20

3.3.1 半球形封头 ....................................................................................... 20 3.3.2 椭圆形封头 ....................................................................................... 20 3.3.3 碟形封头 .......................................................................................... 21 3.3.4 球冠形封头 ....................................................................................... 21 3.3.5 锥形封头 ............................................................................................ 21 3.3.6 平板封头 ............................................................................................ 21 第四节 法兰连接 ............................................................................................. 21

3.4.1 法兰连接结构与密封原理 ................................................................... 21 3.4.2 法兰的分类......................................................................................... 22 3.4.3 法兰标准及选用.................................................................................. 22 第五节 容器支座 ............................................................................................. 22

3.5.1 卧式容器支座 ..................................................................................... 22 3.5.2 立式容器支座 ..................................................................................... 23 第六节 容器的开孔与附件 ............................................................................... 23

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第一章 工程力学

第一节 物体的手里分析及其平衡条件

1.1.1 力的概念和基本情况

力是通过物体间相互作用所产生的效果体现出来的。力的三要素：①力的大小；②力的方向；③力的作用点。

力有集中力和分布力之分。按国际单位制，集中力的单位用“牛顿”（N），“千牛顿”（KN）；分布力的单位是“牛顿/米”（N/m），又称帕斯卡（Pa）和兆帕斯卡（MPa）。

力的基本性质：⑴作用于反作用定律；⑵而立平衡定律；⑶力的平行四边形定律。

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1.1.2 力矩与力偶

力矩的定义：力对O点的矩是力使物体产生绕O点转动的效应度量。它可以用一个代数量表示，其绝对值等于力矢的模与力矩的乘积，它的正负分别表示该力矩使物体产生逆时针和顺时针的两种转向。O点叫做力矩中心；力的作用线到O点的垂直距离d叫做力臂；力臂和力的乘积叫做力对O点的力矩。可以表示为

MO(F)Fd

式中正负号表示力矩转动的方向，一般规定：逆时针转动的力矩取正号；顺指针转动的力矩取负号。力矩的单位为N·m或KN·m。

力偶就是受到大小相等、方向相反、互相平行的两个力的作用时，它对物体产生的纯转动效应。力偶中二里之间相距的垂直距离称为力偶臂。力偶矩是力偶对物体转动效应的度量。

mFl

力偶的3个主要性质：

⑴只要保持力偶矩的大小及其转向不变，力偶的位置可以在其作用平内任意移动或转动，还可以任意改变离得大小和臂的长短，而不会影响该力偶对刚体的效应。

⑵组成力偶的两个力既不平衡，也不能合成为一个合力。

⑶组成力偶的两个力对作用面内的任意点的力矩之和等于力偶矩本身。

力的平衡定理：一个力可以用一个与之平行且相等的力和一个附加力偶来等效代替，反之，一个力和一个力偶也可以用另一个力来等效代替。

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1.1.3 物体的受力分析

如果物体只受主动力作用，而且能够在空间沿任何方向完全自由地运动，则称该物体为自由体。如果物体的运动在某些方向上受到了而不能完全自由地运动，那么该物体就称为非自由体。非自由体运动的物体叫约束。

工程中的各种约束，可以归纳为以下几种基本形式。 1．

柔性体约束

这类约束由柔性物体如链条、皮带、钢丝绳等构成。这种约束的特点是：①只有当绳索被拉直时才能起到约束作用；②这种约束只能阻止非自由体沿绳索拉直的方向朝外运动，而不了非自由体在其他方向的运动。

2．

光滑接触面的约束（受一个约束反力）

这类约束是由光滑支撑面如滑槽、导轨等构成。它的特点是只能约束物体沿接触面公法线方向向着支撑面内的运动。

3．

铰链约束

(1)固定铰链支座约束（受2个约束反力），它的特点是被约束物体只能绕销钉的轴线转动，而不能上下左右移动

(2)活动铰链支座约束（受1个约束反力），它的特点是指被约束物体沿垂直支撑面方向的运动，因此约束反力的方向必垂直于支撑面，并通过铰链中心。

4． 固定端约束（受3个约束反力）

第二节 直杆的拉伸和压缩

1.2.1 直杆的拉伸

拉伸与压缩时的受力特点是：沿着杆件的轴线方向作用一对大小相等、方向相反得外力。变形特点：拉伸时杆件沿轴向伸长，横向尺寸缩小；压缩时杆件沿轴向缩短，轴向尺寸增大。

用截面法求内力的步骤是：①在需要求内力出假想用以横截面将构件截开，分成两部分；②以任一部分为研究对象；③在截面上加上内力，以代替另一部分对研究对象的作用；④写出研究对象的平衡方程式，解出截面上的内力。

均匀分布的内力的合力为N。如横截面面积为A，则作用在单位横截面面积上的内力大小为

NA

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应力是单位面积上的内力，它的大小可以表示内力分布的密集程度。 单位长度上的伸长量：LL

1.2.2 拉伸和压缩时材料的力学性能

1、弹性变形阶段和虎克定律

在弹性阶段内应力与应变正比，即 E

E为比例常数，称为材料的弹性模量。上式还可以鞋厂另一种形式：

APELL,LPLEA

虎克定律可简述为：若应力为超过弹性极限，则应力和应变成正比。

2、屈服阶段及屈服极限s

试件内的应力达到屈服极限后所发生的形变，经试验证明是不可恢复的。一般零件的实际工作应力都必须低于s。规定出现0.2%塑性变形的应力作为名义应力。

3、强化阶段及强度极限b

4、颈缩阶段及延伸率和截面收缩率

L1L0L0100%,A0A1A0100%

强度性能：用屈服极限和强度极限来表示，反映材料抵抗破坏的能力。 弹性性能：用弹性模量E来表示，反映材料抵抗弹性变形的能力。

塑性性能：用延伸率和截面收缩率来表示，反映材料具有的塑性变形能力。

1.2.3 拉伸和压缩的强度条件

为了保证拉杆的正常工作，必须使最大工作应力不超过材料在拉伸时的许用应力，即

,NA

如果杆件是脆性材料制成的，那么bn

第三节 直梁的弯曲

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1.3.1 梁的弯曲实例与概念

1、概念：当杆件受到垂直于杆件轴线的力或力偶作用时，杆的轴线由直线变为曲线，这样的变形称为弯曲，以弯曲变形为主的杆件称为梁。 2、类型：

①简支梁：一端固定铰链，一端活动铰链组成的梁。 ②外伸梁：一端或两端伸出支座以外的简支梁。 ③悬梁臂：一端固定，另一端处于自由状态。

1.3.2 梁横截面上的内力——剪力与弯矩

直梁在横向力或弯矩作用下产生弯曲变形，同时，在梁的横截面上产生相应的内力，这种内力称为弯曲内力。 弯曲内力包括剪力和弯矩

①剪力Q：在梁的横截面上，与外力平行，且使横截面有被剪断的趋势。

规定：Q使该截面的相邻微段（也就是所取的用来作内力分析的段）有作顺时针转动的趋势为正，反之为负。

②弯矩M：作用在梁的纵向截面，并使截面产生转动而弯曲。

规定：不论是截面的左侧还是右侧，只要产生向上的外力均产生正弯矩，而不论看截面哪侧，只要是向下的外力均产生负弯矩

计算横截面上弯矩的法则：梁在外力作用下，起任意指定横截面上的弯矩等于该截面一侧所有外力对该截面中性轴取矩的代数和；凡是向上的外力，其矩取正值；向下的外力，其矩取负值。若梁上作用有集中力偶，则截面左侧顺时针转向的力偶或截面右侧逆时针转向的力偶取正值，反之取负值。

1.3.3 梁弯曲时横截面上的正应力及其分布规律

弯矩是横截面上的内力总和，应力包括正应力和剪应力。剪应力：平行作用平面的应力。正应力：垂直作用平面的应力。

MmaxymaxJZ,maxMymaxJZ

maxMWZ

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1.3.4 梁的弯曲和变形

梁的横截面相对于原来位置绕中性轴转过的角度称为转角，用表示，它的单位是弧度（rad）。悬臂梁的自由端的最大挠度，最大转角，分别用fmax与B表示。EJ为梁的抗弯刚度，EJ越大。抵抗弯曲变形的能力越大，则变形越小。

只要最大挠度不超过许用挠度，最大转角不超过许用转角，就认为有足够的刚度，即 fmaxf,

第四节 剪切

剪应力的计算公式 QA

jy局部接触面受压称为挤压。由挤压引起的应力称为挤压应力，用表示，塑性材料

的许用挤压应力为（1.7~2.0）许用应力，脆性材料的的许用挤压应力为（2.0~2.5）许用应力。

剪切虎克定律：当剪应力在小于弹性极限时，剪应力与剪应变形成正比。

弹性模量E、横向变形系数和剪切弹性模量G，对于各向同性材料，他们之间存在的关系：

GE21

第五节 圆轴的扭曲

1.5.1 圆轴扭转的特点

扭转有两个特点：

受力。在垂直杆轴的截面上作用着大小相等、方向相反的力偶矩。

变形。构件受扭时，个横截面绕轴线产生相对转动，这种变形称为扭转变形。

1.5.2 扭转时的外力和内力

60N2n3外力矩的计算公式 M9.5510Nn

如轴的功率n一定，转速n越大，则外力矩越小，反之，转速越低，则外力矩越大。

在扭转时，圆轴横截面上必有内力偶矩存在，这个内力偶矩叫做扭矩。它的大小等于

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横截面一侧上外力矩的代数和。扭矩的正负号可以用右手螺旋法则用矢量来表示，并规定当指向的方向离开截面时扭矩为正，反之为负。

1.5.3 扭转时横截面上的应力

横截面上应力计算公式 MW4,MJ

对于实心圆轴来说 Jd32,WdJ3 32D对于内径为d，外径为D的实心圆轴 JD4d4,W16DD4d4

在材料相同，截面面积相等的情况下，空心轴比实心轴的抗扭能力强，能够承受较大的外力矩。

第二章 化工设备材料

第一节 概述

化工设备大多数是由金属材料制成，一小部分由非金属材料制成。 金属材料

黑色金属：碳钢、合金钢 有色金属：铝、铜及其合金 非金属材料

化工陶瓷、化工搪瓷

第二节 材料的性能

2.2.1 力学材料

1、强度：材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。强度随温度的升高而下降。 强度常用指标：屈服极限s和强度极限b

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此外还有蠕变极限、持久极限、疲劳极限。 2、硬度

材料抵抗硬物压入的能力。材料越硬，材料就越耐磨。

指标分为：①布氏硬度（HB） ②洛氏硬度（HR） ③维氏硬度（IIV） 区别是实验中采用的压头和压力不同而测的值不同。 3、塑性

概念：材料在外力作用下产生塑性变形而不产生破坏的能力。 指标：

a、延伸率（δ）：试件拉断后，总的伸长长度与原始长度比值的百分率。 b、断面收缩率（ψ） ：断面缩小的面积与原始截面积比值的百分率。 δ与ψ越大，表明金属材料的塑性越好，可弯卷、锻压、冷冲、焊接等加工。 4、冲击韧性

材料对裂纹及缺口敏感程度的反映。是衡量材料抗裂纹扩展的能力。 指标：

①冲击韧性：抵抗冲击力作用而不致破坏的能力。 ②断裂韧性：抵抗材料存有微裂纹时而不致破坏的能力。

③无塑性转变温度：材料在某一温度区间随温度的降低，其韧性值突然降低，此温度为无塑性转变温度。用于确定材料的最低使用温度。

韧性对压力容器用材料十分重要，是压力容器用钢必检项目。塑性好的材料，一般韧性好，但塑性不等于韧性。

2.2.2 物理性能

材料的物理性能指金属的密度、熔点、导热、导电、热膨胀性、弹塑性模量等。

2.2.3 化学性能

指材料的化学稳定性。主要指耐蚀性能和抗氧化性能。

2.2.4 加工工艺性能

指材料的铸造性、煅造性、可焊性、切削加工性和冷弯曲性能等。

第三节 碳钢与铸钢

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2.3.1 钢的热处理

概念：利用加热、保温、冷却等过程，使钢材在固态下发生内部晶体组织的结构变化，从而达到改变钢材性能的工艺。

热处理分为普通热处理和表面热处理。普通热处理又分为退火、正火、淬火、回火；表面热处理又分为表面淬火和化学热处理。 1、退火与正火

①退火——将钢材加热至800℃+（30~50℃），热透后随炉温缓冷。 作用：

a、用来消除焊接、铸造等留下的粗大组织和所残留的内应力。 b、降低硬度，提高塑性。

②正火——将钢材加热至800℃+（30~50℃），热透后将工件从炉中取出，置于空气中冷却。

作用：

a、冷却速度较退火快，钢的晶粒较细，更好地降低硬度，提高塑性。

b、周期短，经济，但消除内应力不够彻底，用于对焊接结构和要求不高的零件。 2、淬火与回火

①淬火——将钢加热至淬火温度（临界点以上30~50℃），并保温一定时间，然后在淬火剂中冷却。

淬火剂一般为：空气，油，水，盐水等（冷却能力依次递增）

作用：极大的提高钢材的强度和硬度，但塑性和韧性降低。 ②回火——将零件淬火后再进行一次较低温度的加热与冷却过程。 作用：降低或消除工件淬火后的内应力，使组织趋于稳定。 回火一般与淬火联合运用，按加热温度不同，回火分三种：

a、低温回火（强度大、塑性差） b、中温回火（强度较大、韧性较好） c、高温回火（强度大、塑性好） 3、表面淬火

钢的表面淬火时将工件的表面通过快速加热到临界温度以上，在热量还来不及传导致中心部之前，迅速冷却来改变钢的表层组织和组织结构，而中心部没有发生相变仍保持原有的组织状态。 4、化学热处理

通过加热、保温、冷却等过程，将某些化学元素渗入到零件表面，以改善其表面的化学成分和组织结构，从而使零件表面具有某些化学性能的方法。 分为：渗碳、渗铝、渗铬、渗氮等。

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2.3.2 碳钢

普通碳素钢除含碳以外，还含有少量的锰（Mn）、硅（Si）、硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）和氢（H）。 分类：

按用途分为建筑钢、结构钢、弹簧钢、轴承钢，工具钢和特殊性能钢 按含碳量分为低碳钢、中碳钢和高碳钢 按脱氧方式分为镇静钢和沸腾钢

按冶炼质量分为碳素结构钢、优质碳素钢和高级优质钢

碳钢的品种有钢板、钢管、型钢、铸钢和锻钢。

2.3.3 铸铁

工业上常用的铸铁含碳量一般在2%以上，并含有S、P、Si、Mn等杂质。铸铁课分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、高硅铸铁等

灰铸铁中的碳大部分或全部以自由状态的片状石墨形式存在，断口成暗灰色。球墨铸铁在酸性介质中耐腐蚀性较差，它的拍好用QT、抗拉强度、延伸率表示。高硅铸铁是往灰铸铁或球墨铸铁中加入一定量的合金元素硅等炼制而成，随含硅量的增加耐蚀性能增加。

第四节 合金钢

2.4.1 合金钢的分类、牌号、性能和用途

1、分类

①按化学成份分类

低合金钢：合金元素总含量不大于5%；中合金钢：合金元素总含量不大于5~10%；高合金钢：合金元素总含量不大于10% ②按用途分类

普通低合金钢：在普通碳素钢中加入少量合金元素。合金结构钢：在优质碳素钢中加入适量合金元素。特殊性能钢：不锈钢及不锈耐酸钢、耐热钢、低温用钢。 2、牌号

①普通低合金钢及合金结构钢牌号

如：16MnCu Mn——含碳量以万分之几表示：0.16%

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说明：

a、合金元素含量以百分数表示但当合金元素含量小于1.5%时可不标出，但必须标出化学元素符号。

b、有时两种钢除一种主要元素外，其余的均相同，且这些元素含量均在1.5%以下，则含量高的加注“1”以示区别，如： 12Cr1MoV与12CrMoV c、化学元素符号必须标出。

②特殊性能钢（耐热、低温、不锈钢）牌号

如：00Cr18Ni9Ti 含Ti < 1.5% 含Ni 9% 含Cr 18% 含C < 0.03% 说明：

a、含碳量用千分之一表示。

b、若含碳量<0.03%时，则用“00”表示。 c、若含碳量<0.08%时，则用“0”表示。

2.4.2 合金元素对钢的影响

合金钢：在碳素钢中有意加入一些特定的合金元素以改善钢材的性能。 常加入的合金元素有：Cr、Mn、Ni、Si、Mo、V、Ti、B等。 作用：

①提高碳素钢的强度 ②细化晶粒

③改善钢的热处理性能 ④提高钢材的耐蚀性能

⑤提高钢材的高温强度和抗高温氧化性

2.4.3 特殊性能钢

特殊性能钢是指具有特殊物理性能或化学性能的钢 1、不耐锈酸钢

不耐锈酸钢是不锈钢和耐酸钢的总称，严格讲不锈钢是指耐大气腐蚀的钢；耐酸钢是指能抵抗酸及其他强烈腐蚀性介质的钢。不锈钢一所含金属元素不同，分为以铬为主的铬不锈钢及已铬镍为主的铬镍不锈钢。 2、节镍无镍不锈钢 3、耐热钢

耐热性包括抗氧性和抗热性

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第五节 有色金属

铁以外的金属称为非金属，也称有色金属，有色金属及其合金的种类很多，常用的又铝、铜、铅、钛等。

铝属于轻金属，相对密度小（2.71），约为铁的1/3，导电、导热性很高。铝无低温脆性、无磁性、对光和热的反射能力强和耐辐射，冲击不产生火花。铝的种类有纯铝、防锈铝、铸铝。

铜属于半贵金属，相对密度8.94，铜及其合金具有高的导电性和导热性，较好的塑性、韧性及低温力学性能。铜可以分为纯铜、黄铜、青铜等。

钛的相对密度小（4.5）、强度高、耐腐蚀性好、熔点高。

镍是稀有贵重金属，性对密度8.902，具有很高的强度和塑性，有良好的延伸性和可锻性。

第六节 化工设备的腐蚀及防腐措施

2.6.1 金属的腐蚀

腐蚀是材料由于环境作用引起的破坏或变质。 金属材料腐蚀的分类 1、按化学机理分

①化学腐蚀：金属与环境发生化学反应，特点是没有电流产生。如，铅在四氯化碳中的腐蚀。

②电化学腐蚀：金属与电解质发生化学反应，特点是有微电流产生。如，铁在稀硫酸溶液中的腐蚀。 2、按金属破坏特性分

①全面腐蚀：发生在整个金属表面。②局部腐蚀：发生在金属局部区域。 应力腐蚀：如，焊接后造成的应力集中，解决办法：退火。 孔蚀：又叫点蚀，在金属局部区域。

晶间腐蚀：发生在晶粒边界处并沿晶粒边缘向深处发展。如，18-8钢焊接后出现的现象。 氢腐蚀：钢在高温高压氢气作用下而变脆的现象。温度≥200℃，压力≥4.9MPa。 防治措施：

①降低钢中的含碳量 ②加入Cr、Mo、Ti、W、V等形成稳定碳化物。

二、金属腐蚀的评价方法 1、根据重量变化

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2、根据腐蚀深度

2.6.2 金属设备的防腐措施

1、衬复保护层：金属保护层、非金属保护层 2、电化学保护

1）阴极保护：附加一直流电源，将电源阴极接入金属壳体。 2）阳极保护：此法技术复杂，应用不多。 3）添加缓蚀剂

第七节 化工设备材料选择

设备的原则考虑的方面有：

材料的物理、力学性能（屈服强度、抗拉强度是决定钢板许用应力的依据）；材料的耐腐蚀性；材料的经济性；其他方面等。

第三章 容器设计

第一节 概述

3.1.1 容器的结构与分类

1、结构

筒身、封头、人孔、支座、接管、液面计等。 2、概念

压力容器：指内部含有压力液体的容器。 3、分类

⑴按容器形状分类

①方形和矩形容器 ②球形容器 ③圆筒形容器 ⑵按容器承压性质分类

①内压容器：内压大于外压 ②外压容器：内压小于外压

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⑶按容器的壁温分类

①常温容器：壁温高于20C~200C条件下工作的容器；②高温容器：壁温达到材料蠕变温度下工作的容器；③中温容器：介于高温与低温之间；④低温容器：壁温低于20C条件下工作的容器。

⑷根据容器的设计压力将内压容器分

①低压容器：0.1≤p＜1.6MPa；②中压容器：1.6≤p＜10MPa；③高压容器：10≤p＜100MPa；④超高压容器：p≥100MPa；⑤按管理分类 ①第一类容器 ②第二类容器 ③第三类容器

3.1.2 容器的零部件标准化

1、目的：为便于设计，有利于成批生产，提高质量，便于互换，降低成本，提高劳动生产率等。

2、零部件标准化的基本参数 ①公称直径（DN）——单位mm 对容器：

a、由钢板卷制的筒体和成形的封头，公称直径指其内径。 b、用无缝钢管作为容器的筒体时，公称直径指无缝钢管的外径。 对接管：

既不是管子的内径也不是管子的外径，是管子的名义直径。 ②公称压力（PN）——单位MPa

将压力容器或零部件承受的压力分成若干个规定的压力等级，这种规定的压力等级为公称压力。

第二节 内压薄壁容器设计

3.2.1 薄壁容器设计的理论基础

压力容器按壁厚可以分为薄壁容器和厚壁容器。根据容器外径DO与内径Di的比值K来判断，当K≤1.2为薄壁容器 ；K＞1.2则为厚壁容器。

圆筒形薄壁容器承受内压时的应力只有拉应力无弯曲，“环向纤维”和“纵向纤维”受到拉力。1（或轴）圆筒母线方向(即轴向)拉应力，2（或环）圆周方向的拉应力。 圆筒的应力设计：

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p4DpD421D0轴向应力

1pDl22l0环向应力

2pD2

由以上式子可知：薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍。

3.2.2 无力矩理论基本方程

㈠ 基本概念与基本假设 1． 基本概念

（1） 旋转壳体 ：壳体中面（等分壳体厚度）是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。

（2） 轴对称 ：壳体的几何形状、约束条件和所受外力都是对称于某一轴。 化工用的压力容器通常是轴对称问题。

（3）旋转壳体的几何概念：母线与经线、法线、平行圆

第一曲率半径：经线曲率半径

第二曲率半径：垂直于经线的平面与中面相割形成的曲线BE的曲率半径 2． 基本假设

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。

(1)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。

(2)直线法假设：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。

(3)不挤压假设：各层纤维变形前后互不挤压。 ㈡ 无力矩理论基本方程式

无力矩理论是在旋转薄壳的受力分析中忽略了弯矩的作用。 此时应力状态和承受内压的薄膜相似。又称薄膜理论。

1R12R2 pr k

12cosp 17

3.2.3 基本方程式的应用

1．圆筒形壳体

第一曲率半径R1=∞，第二曲率半径R2=D/2，带入上式得： 12pPDPD R 1 R 2  1 ,2422．球形壳体

球壳R1＝R2=D/2，得： prkpD12p    1   2     2 2cos4R1R2 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。

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．圆锥形壳体

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：

R1 R2rcos 1prk2cos 2prkcos

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； a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。因此，一般在锥顶开孔。 4．椭圆形壳体

椭圆壳经线为一椭圆，a、b分别为椭圆的长短轴半径。

p2bp2bxa22yb221

12ax(ab)ax(ab)[242224222a42422 ]ax(ab)化工常用标准椭圆形封头，a/b=2，故 顶点处：12pa2pa

pa边缘处：12

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。

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㈡ 受液体静压的圆筒形壳体的受力分析

筒壁上任一点的压力值（不考虑气体压力）为：pgh ghD22

底部支承的圆筒（a），液体重量由支承传递给基础，筒壁不受液体轴向力作用，则s1=0。

上部支承圆筒（b），液体重量使得圆筒壁受轴向力作用，在圆筒壁上产生经向应力：

2R1RHg21gHR2gHD

43.2.4 圆筒强度计算

pD2t筒体内较大的环向应力不应高于在设计温度下材料的许用应力，即㈠ 焊接接头系数

[]

钢板卷焊。夹渣、气孔、未焊透等缺陷，导致焊缝及其附近区域强度可能低于钢材本体的强度。

㈡ 容器内径

工艺设计确定内径Di，制造测量也是内径，而受力分析中的D却是中面直径。 p(Di)2t[] 厚度计算为： pD2[]

tpDi2tp

㈢ 壁厚

考虑介质腐蚀，计算厚度d的基础上，增加腐蚀裕度C2。筒体的设计厚度为

dpDi2ptC

对于已有的圆筒，测量厚度为n，则其最大许可承压的计算公式为：

p2nCtDinC2etDie

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3.2.5 压力试验

液压试验时：pT1.25pt 气压试验时：pT1.15pt

压力试验时，由于容器承受的压力高于设计压力，故必要时需要进行强度校核。 液压试验时要求满足的强度条件是 TpTDie2epTDie2e0.9s

气压试验时要求满足的强度条件是 T0.8s

第三节 封头的设计

封头又称端盖，按其形状可分为凸形封头，锥形封头和平板封头。

3.3.1 半球形封头

受内压球形封头计算壁厚与球壳相同。pDit4p

球形封头壁厚可较圆筒壳减薄一半。但为焊接方便以及降低边缘压力，半球形封头常和筒体取相同的厚度。

受外压的球形封头的厚度设计，步骤同椭圆形封头。球壳外半径R0=K 1D0，其中 K1 =0.5 。

3.3.2 椭圆形封头

由半椭球和高度为h的短圆筒(通称直边)两部分构成，直边保证封头制造质量和避免边缘应力作用。

㈠受内压的椭圆形封头 计算厚度：KpDi20.5pt

pDi4标准椭圆形封头(长短轴之比值为2)，K=1。壁厚计算公式：2tt0.5pC

椭圆形封头最大允许工作压力 p㈡受外压（凸面受压）椭圆形封头

eKDi0.5e

外压椭圆形封头厚度设计步骤同外压圆筒。

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椭圆形封头当量球壳外半径，R0=K1 D0。 K1 由长短轴比值决定，标准椭圆形封头K1 =0.9。

3.3.3 碟形封头

又称带折边球形封头，球面半径Ri、过渡圆弧半径r和高度为h的直边。相同受力，碟形封头壁厚比椭圆形封头壁厚要大些，而且碟形封头存在应力不连续，因此没有椭圆形封头应用广泛。

3.3.4 球冠形封头

降低凸形封头高度，将碟形封头的直边及过圆弧部分去掉，只留下球面部分。 也称无折边球形封头。

3.3.5 锥形封头

广泛用于化工设备(如蒸发器、喷雾干燥器、结晶器及沉降器等)的底盖

便于收集与卸除设备中的固体物料。塔设备上、下部分的直径不等，也常用锥形壳体连接，称为变径段。

3.3.6 平板封头

化工设备常用的一种封头。圆形、椭圆形、长圆形、矩形和方形等，相同(R／d)和受载下，薄板应力比薄壳大得多，即平板封头比凸形封头厚得多。平板封头结构简单，制造方便，在压力不高，直径较小的容器中采用。承压设备人孔、手孔以及在操作时需要用盲板封闭的地方，才用平板盖。 高压容器平板封头用得较为普遍。

第四节 法兰连接

3.4.1 法兰连接结构与密封原理

法兰连接结构是一个组合件，是由一对法兰，若干螺栓、螺母和一个垫片所组成。故法兰连接的设计中主要解决的问题是防止介质泄漏。

法兰密封的原理：法兰在螺栓预紧力的作用下，把处于密封面之间的垫片压紧，当垫片单位面积上所受到的压紧力达到一定的数值会使垫片变形而被压实，把密封面上的凹凸不平处填满，这样就为阻止介质泄漏形成初始密封条件。

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3.4.2 法兰的分类

按整体性质程度分：整体法兰、松式法兰、任意式法兰。 （一） 整体法兰

指法兰盘、颈部与容器(或接管)三者有效地连接成一整体结构的法兰。 （二） 松式法兰

法兰不直接固定在壳体上或者虽固定而不能保证法兰与壳体作为一个整体承受螺栓载荷的结构，均划为松式法兰，如活套法兰、螺纹法兰、搭接法兰。 （三） 任意式法兰

任意式法兰与壳体连成一体，刚性比整体法兰差，如未焊透的焊接法兰。

3.4.3 法兰标准及选用

石油、化工上用的法兰标准有两类，一类是压力容器法兰标准，一类是管法兰标准。 （一） 压力容器法兰标准

压力容器法兰分为平焊法兰和对焊法兰两种。 1． 平焊法兰 可分为甲型和乙型两种

2．长颈对焊法兰 长颈对焊法兰是用根部增厚的颈取代了乙型平焊法兰中的短节，从而更有效地增大了法兰的整体刚度，同时法兰与设备采用对接焊连接，因此用于更高的压力范围(PN 0.6MPa～6.4MPa)和直径范围(DN300mm～2000mm)，适用温度范围为-20℃～450℃。 （二）管法兰标准

由于容器筒体的公称直径和管子的公称直径所代表的具体尺寸不同，所以，同样公称直径的容器法兰和管法兰的尺寸亦不同，二者不能互相代用。

第五节 容器支座

容器的支座，是用来支承容器的重量、固定容器的位置并使容器在操作中保持稳定。支座的结构型式很多，主要由容器的自身的型式决定，分卧式容器支座、立式容器支座和球形容器支座。

3.5.1 卧式容器支座

卧式容器的支座有三种：鞍座、圈座和支腿。 ㈠ 鞍式支座

鞍座是应用最广泛的一种卧式容器支座，常见的卧式容器和大型卧式贮槽，热交换器

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等多采用这种支座。鞍座是由横向筋板、若干轴向筋板和底板焊接而成。在与设备连接处，有带加强垫板和不带加强垫板两种结构。 ㈡ 圈座

在下列情况下可采用圈座：对于大直径薄壁容器和真空操作的容器，因其自身重量可能造成严重挠曲；多于两个支承的长容器。 ㈢ 腿式支座

腿式支座简称支腿，因为这种支座在与容器壳壁连接处会造成严重的局部应力，故只适合用于小型设备（DN≤1600、L≤5m）。

3.5.2 立式容器支座

裙式支座 对高大的塔设备最常用的支座就是裙式支座。它与前两种支座不同，目前还没有标准。它的各部分尺寸均需通过计算或实践经验确定。

第六节 容器的开孔与附件

㈠ 开孔补强的设计与补强结构

在开孔附近区域增加补强金属，提高器壁强度，满足强度设计要求。 容器开孔补强的形式分为：整体补强、补强圈补强。 1．整体补强

增加整个壳体的厚度，或用全焊透将厚壁接管或整体补强锻件与壳体相焊，降低开孔附近的应力。应力集中的局部性，除非制造或结构需要，一般不把整个容器壁加厚。 2．补强圈补强

开孔周围贴焊一圈钢板，即补强圈。补强圈与器壁搭接，材料相同，补强圈尺寸参照标准确定，或等面积补强。为方便焊接，外面单面补强。 ㈡ 允许开孔的范围

筒体及封头开孔最大直径不允许超过：

（1） 圆筒Di≤1500mm，开孔最大直径d≤1/2Di，且d≤520mm；圆筒Di＞1500mm时，开孔最大直径d≤1/3Di，且d≤1000mm；

（2） 凸形封头或球壳的开孔最大直径d＜1/2Di。

（3） 锥壳开孔最大直径d≤1/3Di，Di为开孔中心处的锥壳内直径。 ㈢ 不需补强的最大开孔直径

容器材料有一定塑性储备，允许承受不是十分过大的局部应力，所以当孔径不超过一定数值时，可不进行补强。

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学习感想：

化工设备在化工行业中是必不可少的，要想在化工行业中有好的发展就必须对各种化工设备有比较清楚地认识，而要认识设备就必须知道设备是如何进行设计的。在设计设备时应该从哪些发面进行考虑，最先应该考虑什么，然后依次如何进行设计就是我们必须了解的。

在学习《化工设备设计基础》之前，看到各种容器时只是粗略的知道它们的名字而已，并不知道它们的具体设计过程以及在设计时应该从哪些发面着手。学习之后，在拿到设计题目时，没有像以前那样盲目不知如何下手，而是可以按照所学的步骤一步步进行计算。

通过这一学期的学习，我学习到了在设计容器时，首先是进行筒体壁厚的计算，确定满足条件的材料，然后是封头厚度设计，校核封头与筒体壁厚强度一般选择水压试验，一般封头的材料与筒体材料一样，接着是法兰连接、容器支座设计、容器开孔及附件的设计。最后还要进行所有的校核，以及接管的安排。

只有在了解容器设计的步骤方法及各个部件的安排，才能清楚各种化工设备容器的具体工作流程，这样才能让我们在化工行业有好的发展前程。

参考文献：

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2 董大勤.化工设备机械基础[M].北京:化学工业出版社,1992. 3 北京交通大学材料系.金属材料[M].北京:中国铁道出版社,1982. 4 林肇琦.有色金属材料学[M].沈阳:东北工学院出版社,1991. 5 崔山昆.钢铁材料及有色金属材料[M].北京:机械工业出版社,1981. 6 顾芳珍,陈国桓.化工设备设计基础[M].天津:天津大学出版社,1994. 7 李克勇.化工机械手册[M]. 天津:天津大学出版社,1991. 8 张康达,洪起超.压力容器手册[M].北京：劳动人事出版社,19.

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