Transcript 4章教案内压容器设计

第四章 内压薄壁圆筒
与封头的强度设计
4.1强度设计的基本知识
4.1.1 关于弹性失效的设计准则
容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下
的屈服点，该容器即告破坏。
强度安全条件：
当 

0
n
  
1
4.1.2 强度理论及其相应的强度条件
由薄膜理论,圆筒壁内应力为经向应力、环向应力、
法向应力（被认为是0）。
则三项主应力为：
pD
1   
2S
3   z  0
pD
m 
4S
Z  0
pD
2 m 
4S
pD
 
2S
2
第三强度理论的强度条件为：
 当  1   3   
因此圆筒强度条件为：
pD
  
2S
3
4.2 内压薄壁圆筒壳与球壳的强度设计
4.2.1 强度计算公式
依据第三强度理论，强度公式为：
参数变换：
pD
S
2 
1.将中径换算为圆筒内径，D=Di+S;
2.压力换为计算压力Pc ；
3.考虑到焊缝处因气孔、夹渣等缺陷以及热影响区晶
粒粗大等造成的强度削弱，引进焊缝系数f 1；
4.材料的许用应力与设计温度有关。
4
内压圆筒强度计算公式：
计算壁厚公式：
pc Di
S
t


2  f  pc
(m m )
(4  1)
再考虑腐蚀裕量C2 ,于是得到圆筒的设计壁厚为：
pc Di
Sd 
 C2
t
2  f  pc
(m m )
(4  2)
5
在公式（42）基础上，考虑到钢板的负偏差C1
（钢板在轧制时产生了偏差）
——名义壁厚公式：
pc Di
Sn 
 C2  C1 (mm)
t
2   f  pc
(4  3 )
再根据钢板标准规格向上圆整。
——最终名义厚度。
这是写在图纸上的钢板厚度！
6
强度校核公式：
1）在工作压力及温度下，现有容器强度够否？
pc Di  S e 
t
 
  
2S e
(4  5)
t
2）现有容器的最大允许工作压力如何？
2  f Se
 pw  
Di  Se
t
(4  6)
(MPa)
式中Se——有效壁厚，
Se=圆整后的壁厚（Sn）－C1－C2
。
7
球形容器强度计算公式？
由薄膜理论：
pD
 m   
4S
pD
 z  0 即 1   2 
4S
由第三强度理论，强度条件：
当
3  0
pD

  
4S
则导出壁厚计算公式：
计算壁厚
设计壁厚
名义壁厚
S
p c Di
4  f  p c
Sd 
Sn 
t
p c Di
4  f  p c
t
p c Di
4  f  p c
t
(m m )
 C 2 (m m )
 C 2  C1 (m m )
8
球壳应力校核公式：
pc Di  S e 
t
 
   f
4Se
t
球壳允许工作压力：
4  f S e
 pW  
 pc
Di  S e
t
9
4.2.2.设计参数的确定
1.压力
10
• 工作压力pw
---正常工作情况下，容器
顶部可能达到的最高压
力。
• 由工艺计算确定：
• 化学反应所要求的；
• 传递过程所必需的；
• 由液化气体的饱和蒸
汽压所决定的。
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设计压力p：设定的容器顶部的最高压力---设计载荷。
取值方法：
（1）容器上装有安全阀
取不低于安全阀开启压力 ： p ≤（1.05～1.1）pw
系数取决于弹簧起跳压力 。
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（2）容器内有爆炸性介质，安装有防爆膜时：
防
爆
膜
装
置
示
意
图
取 设计压力为爆破片设计爆破压力加制造范围上限。
P89 表-3，表4-4。
13
（3）无安全泄放装置——取 p=（1.0~1.1）pw 。
（4）盛装液化气容器—— 设计压力应根据工作条件下
可能达到的最高金属温度确定。（地面安装的容器按
不低于最高饱和蒸汽压考虑，如40℃，50℃，60℃时的
气体压力）。
注意：要考虑实际工作环境，如放置地区，保
温，遮阳，喷水等。
例如：液氨储罐。金属壁温最高工作为50℃，氨的饱
和蒸汽压为2.07MPa。
1.容器的设计压力？
2.若容器安放有安全阀，设计压力？
14
（5）外压容器——取 p≥正常操作下可能产生的
最大压差。
注意：“正常操作”——含空料，真空检漏，
稳定生产，中间停车等情况。
（6）真空容器—
※不设安全阀时，取0.1MPa ；
※设有安全阀时 取Min（1.25×△p ,0.1MPa) 。
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（7）带夹套容器——取正常操作时可
能出现的最大内外压差。例如 带夹套
的反应釜：夹套内蒸汽压力为0.2MPa,
釜内开始抽真空，然后釜内升压至
0.3MPa。该釜壁承受压力如何？
釜壁可能承受压力情况：
※釜内空料，夹套内充蒸汽-----外压0.2MPa;
※釜内真空，夹套内充蒸汽-----外压0.3MPa;
※釜内0.3MPa，夹套内0.2MPa----内压0.1MPa;
※釜内0.3MPa，夹套内空料—--内压0.3MPa;
釜壁承受的最大压差:内压0.3MPa或外压0.3MPa.
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计算压力pc在相应设计温度下，用以确定元件厚度的
压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静
压力小于5%设计压力时，可忽略不计。
即计算压力设计压力液柱静压力 5%P时计入)
可见，计算压力 设计压力 工作压力容器顶部表压
例：一立式容器，工作压力0.5MPa，液
体深10m， 重度为10,000N/m3。
pw=0.5MPa,
p=0.5MPa
pc=0.5+(10×10,000)/1,000,000=0.6MPa
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2.设计温度
——指容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温
度（沿元件金属截面的温度平均值）。
※设计温度在容器设计中的作用：
①选择材料； ②确定许用应力。
※确定设计温度的方法：
（1）对类似设备实测；（2）传热计算；（3）参照
书P90表4-5。
例如：不被加热或冷却的器壁，且壁外有保温，取
介质温度；用水蒸气、热水或其它液体加热或冷却
的器壁，取热介质的温度；等等。
18
3.许用应力和安全系数
极限应力（ 0）
  
定义式：
安全系数（n）
（1）许用应力〔〕的确定：
 工作温度为常温（＜200）
取
 工作温度为中温，取
 s ( 0.2 )  b 
Min 
, 
nb 
 ns
 st ( 0t .2 )  bt 
Min 
, 
nb 
 ns
19
 工作温度为高温，取
 (
Min 
 ns
t
s
t
0 .2
)   
,
,

nn n D 
t
n
t
D
式中 nt Dt----设计温度下材料的蠕变强度和 持
久强度。
nn,nD----蠕变强度和持久强度的安全系数。
20
（2）安全系数及其确定：
影响安全系数的因素：
①计算方法的准确性、可靠性和受力分析的精度；
②材料质量和制造的技术水平；
③容器的工作条件及其在生产中的重要性和危险性。
安全系数
材料
碳素钢、低合金钢
高合金钢
nb
ns
nD
nn
≥3.0
≥1.6
≥1.5
≥1.0
≥3.0
≥1.5
≥1.5
≥1.0
21
4.焊接接头系数（f）
容器上存在有：
纵焊缝A类焊缝
环焊缝B类焊缝
需要进行无损检验。
检验方法主要是：
X射线检查和超声波检查。
22
常见的焊接形式：
23
24
25
26
27
28
①缺陷，夹渣，未焊透，晶粒粗大等，
在外观看不出来；
②熔池内金属从熔化到凝固的过程受到
熔池外金属的刚性约束，内应力很大。
——焊缝区强度比较薄弱。
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焊接缺陷
30
为综合考虑筒体强度，
设计公式中将钢板母材的许
用应力乘以f（ 1）。

 × f
31
焊接接头系数（f）：
焊接接头结构 100%无损检验 局部无损检验 示意图
双面对接焊
1.0
0.85
带垫板单面对
接焊
0.90
0.80
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1.可否采用搭接焊结构制作压力容器壳
体？为什麽？
2.焊缝处为什麽要进行无损探伤检查？
3.焊缝系数（φ）为什麽小于等于1？
4.取焊缝系数的依据是什麽？
5.壁厚计算公式中的[σ]t是钢板的许用
应力，还是焊缝材料的许用应力？
6.带垫板的焊缝结构中，垫板的作用是
什麽？是否起加强作用？
33
5.壁厚附加量
容器壁厚附加量——
（1）钢板或钢管厚度负偏差 C1:
例如，
34
在设计容器壁厚时要
预先考虑负偏差。
钢板负偏差参见p93表4-9选取；
钢管厚度负偏差参见P93表4-10。
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（2）腐蚀裕量C2
容器元件由于腐蚀或机械磨损——厚度减薄。
——在设计壁厚时要考虑容器使用寿命期内的安全性！
具体规定如下：
对有腐蚀或磨损的元件:
C2=KaB
Ka---腐蚀速率（mm/a），由材料手册或实验确定。
B----容器的设计寿命，通常为10～15年。
一般情况, Ka=0.05～0.13mm/a的轻微腐蚀时，
对单面腐蚀取C2=1～2mm;
对双面腐蚀取C2=2～4mm。
对于不锈钢，一般取0。
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1. 确定腐蚀裕度的依据？
2.腐蚀裕度的有效期？
3.列管换热器的管子、壳体腐蚀裕度如何定？
＊容器各元件受到的腐蚀程度不同时，设
计中可采用不同的腐蚀裕量。
＊介质为压缩空气、水蒸气或水的碳钢
或低合金钢容器，单面腐蚀裕量不小于1mm；
＊ 对不锈钢容器，腐蚀轻微时可取C2=0。
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6.直径系列与钢板厚度
压力容器的直径系列已经施行标准化（GB9019-88)，
筒体与封头的公称直径配套。见P56表2-5。
要按照钢板厚度尺寸系列标准GB709-88的规
定选取。P95表4-13。
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4.2.3 容器的壁厚和最小壁厚


1.容器壁厚
求去
先
考热 ！钢 实
板际
虑加
负壁
加工
偏厚
工封
差不
减头
，得
薄时
可小
量，
保于
！加
工
证名
单
强义
位
度壁
应
要厚
预
减
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2.最小壁厚
为保证容器制造、运输、安装时的刚度要求，
限定容器实际最小壁厚（指不含腐蚀裕量的壁
厚）：●碳钢和低合金钢制容器 3mm。
●高合金钢制容器≥2mm。
1.标注在图纸上的容器壁厚是如何确定的？
2.壁厚加工减薄量由谁定？
3.加工后容器的实际壁厚不能小于多厚才可以在使用寿
命期内保证安全？
4.规定容器最小壁厚的目的是什麽？
40
4.2.4 压力试验及强度校核
※压力试验的时机：1）容器制成后；
2）检修后。
※试验目的：1）检验容器宏观强度—是否出现裂
纹,是否变形过大；
2）密封点及焊缝的密封情况。
• 要知道！
（1）需要焊后热处理的容器，须热处理后进
行 压力试验和气密试验；
（2）须分段交货的容器，在工地组装并对环
焊 缝进行热处理后，进行压力试验；
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（3）塔器须安装后进行水压试验；
压力试验分类：
①液压试验介质：一般为水；
过程： 开始
试验压力的80%
保压检查
充水排气
卸压
设计压力
无泄漏
试验压力下
保压30分钟
吹净
结束
42
注意：
不锈钢容器——水中氯离子不得超过25mg/L。
※ 试压合格的条件：
1）无渗漏；
2）无可见变形；
3）试验过程中无异常响声；
σ
4）
b
≥540MPa的材料，表面经无损检验
无裂纹。
43
②气压试验
——不适合液压试验的，如因结构缘故排液或
充液困难，或容器内不允许残留微量液体时采用。
③气密试验
—针对介质具有毒性程度为极度或具有高度危
害的容器；
——在液压试验后进行；
——气密试验压力取设计压力。
44
④ 压力试验强度校核
——名义壁厚确定后，校核压力试验条件下的强度
是否满足要求，以免进行压力试验时出现危险。
1). 试验压力的确定：
内压容器的试验压力：
液压试验
pT
气压试验
pT


 1.25 p
 t


 1.15 p
 t
p——设计压力 MPa ;
[元件材料在实验温度下的许用应力，MPa;
[t——元件材料在设计温度下的许用应力，MPa。
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【注】（1）容器铭牌上规定有最大允许工作
压力时，公式中应以最大允许工作压力代替
设计压力。
（2）容器各元件（圆筒、封头、接管、
法兰及紧固件）所用材料不同时，应取各元
件材料的[]/[]t比值中较小者。
思考：
1.压力试验目的？压力试验强度校核目的？何时进行？
2.在进行压力试验过程中，检查什麽？何时检查？
3.是否所有压力容器在制成後都要进行气密试验检查？
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2). 压力试验应力校核
计算应力应满足：
pT ( Di  S e ) 0.9f S ( 0.2 )
T 

2S e
0.8f S ( 0.2 )
液压试验
气压试验
式中T圆筒壁在试验压力下的计算应力，MPa；
Di——圆筒内径，mm；
pT——试验压力，MPa；
Se——圆筒的有效壁厚，mm；
s（0.2）——圆筒材料在试验温度下的屈服点
（或条件屈服点），MPa；
f——圆筒的焊接接头系数。
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例题
例1：设计乙烯精馏塔。由工艺计算得出塔体公称直径为
600mm,工作压力为2.2MPa（不计液注高度），工作温度
t=-3～-20℃，塔体保温。确定该塔壁厚及选用的材料。
【解】1.选材
介质腐蚀性——轻微；工作温度——低温；
工作压力——中压。故选用16MnR。
2.确定参数
（1） 由DN=600mm,筒体采用板卷， Di=600mm；
（2） 由题意“不计液注高度”，无安全泄放装置，pc=2.2MPa ；
（3）因压力为中压，直径较小，故采用带垫板单面对接 焊结构，
局部无损探伤，查表48， f0.8 ；
（4）塔体保温，由表45，设计温度取介质温度， [t=170MPa ；
（5）常温屈服点s=345MPa；
（6） 腐蚀轻微，单面腐蚀， C2 =1mm 。
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（3）确定计算壁厚
2.2  600
S

 4.9(mm)
t
2  f  pc 2  170 0.8  2.2
pc Di
由S+C2=4.9+1.0=5.9(mm),
16MnR属GB6654-96标准内的材料，查表4-9，得C1=0.25mm，
则 C=C1+C2=0.25+1.0=1.25(mm)。
名义壁厚Sn=S+C+圆整量 ，
S+C=4.9+1.25=6.15(mm), 圆整为7mm。
（4）校核水压试验强度
水压试验强度条件为：
pT ( Di  S e )
T 
 0.9f S
2S e
49
式中pT=1.25p=1.25×2.2=2.75(MPa),([/t≈1);
Se=Sn-C1-C2=7-0.25-1.0=5.75(mm)
则
2.75  (600  5.75)
T 
 154 .2( MPa )
2  5.4
而 0.9sf0.9×345×0.8248.4（MPa)
可见 T＜ 0.9sf ，所以水压试验强度足够。
结构简图：
50
例2 设计锅炉汽包的筒体壁厚。工作压力为15.6MPa,
工作温度为350℃,其内径为1300mm。
【解】
1.选材：工作温度中温，工作压力为高压，有轻微腐蚀。
故采用低合金钢18MnMoNbR（GB6654-96)。s=410MPa。
2.确定参数
（1）工作压力15.6MPa,是高压容器，属于三类容器。其焊缝结构必
须是双面对接焊结构或其他等强度焊接，100%无损探伤， φ=1 。
（2） 筒体需保温，则筒壁设计温度取介质温度，
[[350190MPa
（3）需安装安全阀，pc=p=1.1×15.6=17.16(MPa)。
（4）水蒸气对低合金钢有轻微腐蚀，且为单面腐蚀，C2=1mm。
51
3.计算壁厚
S
pc Di
2  f  pc
t
17.16 1300

 61.5(m m )
2  190 1  17.16
4.设计壁厚：
Sd=S+C2=61.5+1.0=62.5(mm),
查表4-9得C1=1.8(mm)
壁厚附加量C=C1+C2=0.25+1.0=1.25(mm)
5.名义厚度
Sn=S+C+圆整量
61.5+1.25=62.75(mm) ，
圆整后为65（mm)。
52
6.校核水压试验强度
水压试验强度条件为：
pT ( Di  S e )
T 
 0.9f S
2S e
式中
pT


 1.25 p
t
 
190
 1.25  17.16 
 21.45( MPa)
190
Se=Sn-C=65-2.8=62.2(mm)
则 T=234.9(MPa)。
而 0.9fs=0.9×1×410=369(MPa)
T＜ 0.9fs
水压试验合格。
53
例3 校验旧气瓶。资料记载该气瓶材质为40Mn2A，系
无缝钢管收口而成。实测其外径为219mm,最小壁厚为
6.5mm。查材料手册得该材料的
b=785MPa,s=510MPa,5=18%。
（1）常温下可否充15MPa氧气？
（2）如强度不够，最高允许工作压力多少？
【解】1.确定参数
pc=15MPa, DO=219mm, Sn=6.5mm,
无缝钢管f1， C2=1mm,
实测壁厚6.5mm ，则C1=0,
Se=6.5-1=5.5mm,
许用应力求取：
[t=min｛b/nb ,s/ns｝=min｛785/3 ,510/1.6｝
=262(MPa) 。
54
2.强度校核
校核公式为  t  pc D0  Se    t f
2Se
15 (219 5.5)
 291( MPa)  262( MPa)
 
2  5.5
t
充15MPa强度不够。
3.确定最高允许工作压力
计算公式为
 
2  fS e
 pw  
D0  S e
t
(MPa)
2  262 1  5.5
 pw  
 13.48( MPa)
219  5.5
该气瓶的最大安全使用压力为13.48MPa。
55
〖注意〗
•“实测壁厚”概念。即无需
考虑负偏差问题，C1=0 。
•无缝钢管制的容器公称直径
为外经，壁厚计算公式中应
采用外径。公式应该如何？
自己试推导一下。
56
4.3 内压圆筒封头的设计
57
4.3.1 半球形封头
1.结构：（1）整体半球壳体；
（2）焊接半球壳体瓜瓣组焊。
2.壁厚计算公式：
Sn 
pc Di
4  f  pc
t
c
(mm)
3.与筒体连接结构：
 与筒体连接部位要圆滑过渡。为什麽？）
 与筒体连接的环焊缝属于球壳内的部分，确定封头
厚度时应考虑这一环焊缝的焊接接头系数。
58
4.3.2 椭圆形封头
——椭圆壳应力分布
59
1.椭圆封头的结构 ：
为什麽要有直边？
（1）保证封头的
制造质量；
（2）不连续点与
环焊缝分开，从而
避免边缘应力与焊
接应力、膜应力集
聚，降低合应力。
2. 壁厚的计算公式
椭球壳壁内应力的大小及变化受a/b值的影响，——形状系数K。
厚度计算公式为：
Sn 
Kp c Di
2  f  0.5 pc
t
 c (m m )
60
名义壁厚计算壁厚壁厚附加量圆整量
标准椭圆封头a/b=2)K1。
椭圆形封头的最大允许工作压力计算公式：
2  fS e
 pw  
KDi  0.5S e
t
(MPa)
注意：1.加工减薄量由制作单位确定。
2.各参数的单位- 公式中只用 MPa 和 mm
。
3.对于同一容器上的圆筒与椭圆形封头，如果壁
厚相同，椭圆形封头的强度高于圆筒。所以，水压试验强
度校核时，校核筒体强度就可以了。（为什麽?）
4.直边高度按P101表4-15选取。
61
4.3.3 碟形封头
碟形壳的应力分布：
62
1.碟形封头的结构：
2.壁厚计算公式：
Sn 
Mpc Ri
 c (m m )
2  f  0.5 pc
t
式中M形状系数。
（①Ri/r值不同；②球面与
摺边连接处的曲率突变。）
标准碟形封头
壁厚计算公式为：
Sn 
1.2 pc Di
2  f  0.5 pc
t
 c (mm)
63
4.3.4 球冠形封头（无折边球形封头）
64
2.壁厚计算公式：
Q pc Di
S
t
2    pc
(mm)
式中 Di——封头和筒体的内直径；
Q —— 系数，见书图4-9。
65
4.3.5 常用锥形封头
锥壳应力分布？
66
为减小边缘应力，锥形封头结构常有如下结构
（1）局部加强
2加过渡圆弧
  30的大端
及  45 的小端
受内压无折边锥形封头
 ＞30的大端
及 ＞45 的小端
受内压带折边锥形封头
67
4.3.6 圆平板封头
68
1.平板内应力状态
周边简支：
根据强度条件：
S D
0 .3 1 p
 
t
69
周边固支：
SD
根据强度条件：
0.188p
  t
实际情况是介于简支和固支中间，系数在0.1880.31之间，归
结为一个结构特征系数K, 平板壁厚计算公式为：
S p  Dc
Kpc
  f
t
 c (mm)
见表19
70
4.3.7 例题
确定精流塔封头形式及尺寸。塔径Di=600mm，壁厚Sn=7mm，材
质为16MnR（GB6654-96) ，计算压力Pc=2.2MPa, 工作温度
t=-3～-20°C。
【解】确定参数： Pc=2.2MPa， Di=600mm，C2=1mm,[=170MPa 。
封头材质选16MnR（GB6654-96)
1.半球形封头
补充参数：半球形封头与筒体连接的环焊缝属于封头内的部
分，采用带垫板单面对接焊，局部无损探伤， φ=0.8 。
计算壁厚为：
pc Di
S
t
4  f  pc
(m m )
2.2  600
S
 2.4(mm )
4 170  0.8  2.2
Sd=2.4+1.0=3.4(mm)
C1=0.25mm
名义壁厚为 Sn=3.4+0.25=3.65(mm) 取4mm。
71
Sn=3.7mm,板厚仍然为4mm。
2.用标准椭圆形封头
此封头可以整板冲压， 1。
计算壁厚为： S 
pc Di
t
2  f  0.5 pc
(m m )
2.2  600
S 
 3.9( m m)
2  170 1  0.5  2.2
Sd=3.9+1.0=4.9(mm)
取C1=0.25mm
名义壁厚为 Sn=4.9+0.25=5.15(mm)
板厚为6mm。
3.采用标准碟型封头
1.2 pc Di
S
 4.67(m m)
t
2  f  0.5 pc
Sd=4.67+1.0=5.67(mm)
取C1=0.25mm,
名义壁厚为 Sn=5.67+0.25=5.92(mm)
取6mm。
72
（4）采用平板封头
板厚计算公式为：
S p  Dc
Kpc
  f
t
(mm)
选结构形式为表419中第9
种，K=0.3 ，f=1 ，Dc=600mm。
Sp=37.4(mm) .
Sd=37.4+1=38.4(mm)
查得C1=0.25mm,
名义壁厚为Sn=38.65mm,圆整
后取40mm。
73
各种封头计算结果比较
封头形式
壁厚 总深度 理论面积 重量 制造难易程度
（mm) （mm) （ ）
（kg)
半球形
4
300
0.565
17.8
较难
椭圆形
6
175
0.466
21
较易
碟型
6
161
0.410
22.4
较易
平板形
40
-----
0.283
88.3
易
74
4.3.8 封头的选择
1.几何方面——内表面积，容积。
2.力学方面——承载能力。
3.使用方面——满足工艺要求。
4.制造方面——难易程度，标准化程度。
5.材料消耗——金属耗量及其价格。
75