第14章 压力容器设计14-1 某化工厂需设计一台液氨储槽，其内直径为2600mm ，工作温度为-10°C ～50°C ，最高工作压力为1.6MPa ，材料选用Q345R ，若封头采用椭圆形封头，试设计筒体与封头的厚度。

解：（1）由题可知：所需设计的液氨储槽内径mm D i 2600=，工作温度为-10°C ～50°C ，设计压力的选取要视有无安全泄放装置而定。

因题目中未提有安全泄放装置，则可按无安全泄放装置来设计，其设计压力应不低于最高工作压力，取p=1.7 MPa ；由于一般液氨储槽液柱静压力不高，可忽略不计，故取计算压力p c = 1.7 MPa 。

（2）由于液氨储槽材料选用Q345R ，假定储槽厚度范围为3～16mm ，取设计温度为50°C ，查得材料的许用应力[]MPa t189=σ；考虑液氨对Q345R 材料有一定的腐蚀性，根据工作经验取腐蚀裕量mm C 22=；壳体采用采用双面焊对接接头、100%无损探伤，则其焊接接头系数0.1=φ根据圆筒厚度的设计公式可得液氨储槽筒体的计算厚度[]mm p D p c t i c 75.117.10.1189226007.12=-⨯⨯⨯=-=φσδ 由于Q345R 钢板厚度负偏差C 1=0.30mm ，腐蚀裕量mm C 22=，故可选用δn =15mm 厚的钢板，此厚度在假定的范围内，故计算有效。

根据标准椭圆形封头厚度的设计公式可得液氨储槽封头的计算厚度[]mm p D p c t i c 72.117.15.00.1189226007.15.02=⨯-⨯⨯⨯=-=φσδ 由于Q345R 钢板厚度负偏差C 1=0.30mm ，腐蚀裕量mm C 22=，因此，封头也可选用δn =15mm 厚的钢板。

应当指出，这个厚度仅是满足承压强度要求所需的厚度，不是最终设计所确定的厚度。

14-2 设计一台不锈钢（06Cr19Ni10）制承压容器，最大工作压力为1.2MPa ，装设安全阀，工作温度为150°C ，容器内直径为1m ，筒体纵向对接焊缝采用双面焊对接接头、局部无损检测，试确定筒体厚度。

解：（1）由题可知：承压容器内直径mm D i 1000=，工作温度为150°C ，最高工作压力MPa p w 2.1=，由于承压容器装设安全阀，则其设计压力p= (1.05～1.10) p w = (1.05～1.10)×1.2=1.26～1.32 MPa取设计压力p= 1.32 MPa ，计算压力p c = 1.32 MPa 。

（2）由于承压容器材料选用06Cr19Ni10 ，假定其厚度范围为1.5～80mm ，取设计温度为150°C ，查附录2得材料的许用应力[]MPa t111=σ；考虑采用不锈钢，取腐蚀裕量02=C ；筒体纵向焊缝采用双面焊对接接头、局部无损检测，则其焊接接头系数85.0=φ。

根据圆筒厚度的设计公式可得承压容器的器壁的计算厚度[]mm p D p c t i c 04.732.185.01112100032.12=-⨯⨯⨯=-=φσδ GB24511《承压设备用不锈钢钢板和钢带》中对于热轧不锈钢厚钢板（公称厚度≥5mm ）的负偏差规定为0.30mm ，故可选用δn =7mm 厚的钢板（处于原假设厚度范围内）。

因此，为满足最大工作压力为1.2MPa 的强度要求所需的该不锈钢制容器的筒体名义厚度可确定为8mm 。

14-3 试设计一圆筒形容器，已知圆筒的内直径D i = 800mm ，设计压力p = 3MPa ，设计温度为100°C ，材料选为Q245R ，腐蚀裕量可取C 2=2mm ，试确定：（1）筒体的厚度；（2）分别计算半球形封头、标准椭圆形封头、碟形封头的厚度，并将计算结果进行比较。

解：（1）由题可知：圆筒形容器内直径mm D i 800=，设计温度为100°C ，设计压力p= 3 MPa ，腐蚀裕量mm C 22=，可取计算压力p c = 3 MPa 。

（2）圆筒体厚度的确定由于圆筒体的材料选为Q245R ，假定其厚度范围为3～16mm ，查附录2得材料的许用应力[]MPa t147=σ；选取筒体采用双面焊对接接头、局部无损检测，则其焊接接头系数85.0=φ。

根据圆筒体厚度的设计公式，可得其计算厚度为：[]mm p D p c t i c 72.9385.0147280032=-⨯⨯⨯=-=φσδ由于Q245R 钢板厚度负偏差C 1=0.30mm ，腐蚀裕量mm C 22=，故可选用δn =13mm （在原假设厚度范围内）厚的钢板。

因此，满足承压要求的筒体名义厚度可确定为13mm 。

（3）封头厚度的确定若采用半球形封头，由于其内径mm D i 800=，故可整体冲压成型，则焊接接头系数0.1=φ，由于封头材料选为Q245R ，假定其厚度范围为3～16mm ，查附录2得材料的许用应力[]MPa t147=σ，根据半球形封头厚度的设计公式，可得其计算厚度为： []mm p D p c t i c 10.430.1147480034=-⨯⨯⨯=-=φσδ 由于Q245R 钢板厚度负偏差C 1=0.30mm ，腐蚀裕量mm C 22=，故可选用δn =7mm 厚的钢板。

若采用标准椭圆形封头，由于其内直径mm D i 800=，故可采用整体冲压成型，则焊接接头系数0.1=φ，由于封头材料选为Q245R ，假定其厚度范围为3～16mm ，查附录2得材料的许用应力[]MPa t147=σ，根据标准椭圆形封头厚度的设计公式，可得其计算厚度为：[]mm p D p c t i c 21.835.00.1147280035.02=⨯-⨯⨯⨯=-=φσδ 由于Q245R 钢板厚度负偏差C 1=0.30mm ，腐蚀裕量mm C 22=，故可选用δn =11mm 厚的钢板（厚度处于原假设范围内）。

若采用标准碟形封头，由于封头材料选为Q245R ，假定其厚度范围为3～16mm ，查附录2得材料的许用应力[]MPa t147=σ；由于其内直径mm D i 800=，故可采用整体冲压成型，则焊接接头系数0.1=φ。

根据标准碟形封头厚度的设计公式[]c t i c p R Mp 5.02-=φσδ取mm D R i i 7209.0==，mm D r i 13617.0==，则33.1136720341341=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=r R M i 代入标准碟形封头厚度的设计公式，可得其计算厚度为：[]mm p R Mp c t i c 91.1035.00.11472800333.15.02=⨯-⨯⨯⨯⨯=-=φσδ 由于Q245R 钢板厚度负偏差C 1=0.30mm ，腐蚀裕量mm C 22=，故可选用δn =14mm 厚的钢板（厚度处于原假设范围内）。

将上面各种封头的计算结果列表比较如下：由表可见，半球形封头单位容积的表面积最小、壁厚最薄、最节省材料，但制造困难。

椭圆形封头材料的消耗，仅次于半球形，但制造容易，因此，综合比较后选用椭圆形封头为宜。

14-4 试确定某一圆筒形容器的名义厚度。

已知该容器内直径为1600 mm ，计算压力为0.2MPa ，设计温度为100°C ，材料为Q345R ，容器纵向对接焊缝采用双面焊对接接头、局部无损检测，腐蚀裕量为2mm 。

解：（1）由题可知：圆筒形容器内径mm D i 1600=，设计温度为100°C ，计算压力p c = 0.2 MPa ，取腐蚀裕量mm C 22=，由于焊缝采用双面焊对接接头、局部无损探伤，则焊接接头系数85.0=φ。

由于封头材料选为Q345R ，假定其厚度范围为3～16mm ，查附录2得材料的许用应力[]MPa t 189=σ。

（2）根据圆筒体厚度的设计公式，可得圆筒体的计算厚度为：[]mm p D p c t i c 00.12.085.0189216002.02=-⨯⨯⨯=-=φσδ 由于Q345R 钢板厚度负偏差C 1=0.30mm ，腐蚀裕量mm C 22=，故可初选用δn =4mm 厚的钢板。

另外，由于Q345R 为低合金钢，根据GB150的规定，容器最小厚度mm 3min ≥δ，腐蚀裕量另加。

因此，容器厚度应为：mm d 523=+≥δ，再考虑厚度负偏差，故应选用δn =6mm厚的钢板。

综合考虑，可取其名义厚度为mm n 6=δ。

14-5 一材质为Q245R 的反应釜内直径为1600 mm ，正常操作压力为1.3MPa ，安全阀的开启压力为1.4MPa ，反应温度为200°C ，介质有轻微腐蚀性，取C 2=2mm ，反应釜纵向对接焊缝采用双面焊对接接头、局部无损检测，经检修实测最小厚度为12 mm ，试判断该反应釜能否继续使用?解：反应釜材质为Q245R ，在200°C 下的许用应力[]MPa t131=σ，焊缝采用双面焊对接接头、局部无损检测，则其焊接接头系数85.0=φ。

实测最小厚度为12 mm 时，若继续使用，考虑2mm 的腐蚀裕量，则有效厚度mm e 10=δ，该反应釜在使用期内能够承受的最大压力由强度条件决定，即φσδδt e e i D p ][2)(≤+MPa D p e i t e 38.110160085.0131102][2=+⨯⨯⨯=+≤δφσδ 因此，在继续使用期内允许承受的最大工作压力为1.38MPa ，所以该反应釜可以继续使用。

14-6 用Q245R 钢制造的圆筒形容器，其内直径为1600mm ，长10000mm ，两端为标准椭圆形封头，直边高度为40mm ，在室温下真空操作，无安全控制装置，腐蚀裕量C 2 = 2mm 。

试用图算法求筒体厚度。

解：（1）假设筒体名义厚度mm n 14=δ，题中已知C 2=2 mm ，Q245R 钢板的C 1=0.30mm ，则有效厚度mm e 7.11230.014=--=δ，筒体外径mm D o 16281421600=⨯+=，筒体计算长度mm L 7.103474003210080=⨯+=；设计外压MPa p 1.0=。

（2）计算L/D 0、D 0/δe36.616287.101347==o D L ，15.1397.111628==e o D δ（3）查图14-6得00011.0≈A 。

由系数A 查图14-7，以得到系数B 的值。

由于00011.0≈A ，A 值落在温度材料线的左方，则外压应力计算系数（室温下Q245R 的弹性模量E=2×105MPa ）MPa AE B 67.14100.200011.032325=⨯⨯⨯==许用外压力 []MPa D Bp e o 105.015.13967.14==⎪⎭⎫ ⎝⎛=δ 由于[]p p <且接近于[]p ，所选壁厚合适，即mm n 14=δ。