内压薄壁容器的设计计算.ppt

1,内压薄壁容器的设计计算,2,一、内压薄壁容器 1、容器：容器是制浆造纸生产中所用的各种设备外部壳体的总称。 一般由筒体（壳体）、封头（端盖）、法兰、支座、接口管、人孔、手孔、视镜等组成。,1-端盖 2-进料管 3-推料螺旋 4-壳体 5-仪表接孔 6-手孔 7-备用排气管 8-传动链条 9-出料管 10支座 11-进汽管 12-轴承,3,2、容器的分类 （1）按受力情况：内部介质的压力大于外界压力，称为内压容器。反之称为外压容器。 常压容器：压力p10MPa；高压容器 外压容器,4,（2）按壁厚分为薄壁容器、厚壁容器 按照容器的外径（Do）和内径（Di）的比值K= Do/ Di 薄壁容器：K1.2 厚壁容器多用于高温、高压条件，制浆造纸应用较多的是薄壁容器。,5,（3）按照容器的形状 方形或矩形：由平板焊接而成，制造简单，但承压能力低，用于小型常压贮槽。 球形：节省材料，承压能力强，但制造困难，设备内件安装不方便，一般用作贮罐。 圆筒形：主体为圆柱形筒体，加各种形式的封头（半球形、椭圆形、锥形、碟形、平盖板）。制造容易，设备内件安装方便，承压能力强，应用广泛。,6,（4）按容器所用的材料 金属材料：低碳钢、低合金钢、不锈钢、复合钢板、铜、铝等； 非金属材料：聚氯乙烯、玻璃钢、陶瓷、石墨、橡胶等；可用作容器的构件或衬里等。 内压薄壁容器： 容器的外径和内径之比 K1.2的内压容器，称为内压薄壁容器。 内压薄壁容器的设计主要是根据操作条件和制造工艺来确定筒体的结构和壁厚。对于已有容器可以进行强度校核或最大允许操作压力的验算。,7,二、内压圆筒体的强度计算 制浆造纸过程中，圆筒形容器主要有： 立式蒸煮锅、塔式连蒸设备、横管连蒸设备、烘缸（焊接）、加压溶气气浮的溶气罐、氧漂白塔。 氧漂的通常工艺条件：浆浓：10-14%；反应温度：90-120；氧压：0.4Mpa；氧用量：2-3%。,8,氧漂白塔的结构 中浓氧漂白塔为带压的升流式漂白塔，氧漂白塔塔体为圆筒形容器。,升流式氧漂白塔外形 1塔体 2进浆口 3纸浆分散器 4卸料器 5喷浆管,9,氧漂白塔的强度设计计算 中浓纸浆氧漂白是在一定压力下进行的，工艺上一般要求塔顶表压力在0.4MPa以上，因此氧漂白塔属于压力容器。 在设计氧漂白塔时，除了工艺设计以外，还要进行强度设计计算，以保证氧漂白塔在运行时具有可靠性和安全性。 氧漂白塔的强度设计计算，主要是圆筒体部分的壁厚计算。,10,圆筒形容器，半径为R（直径为D） 径向应力： 周向应力： 周向应力是径向应力的2倍，因此在设计圆筒形容器时注意： （1）径向（轴向）焊缝的强度应高于环向焊缝。 （2）在筒身上开椭圆形人孔，其短轴应在轴线方向。,11,强度理论 第一强度理论 最大拉应力理论： 第二强度理论 最大拉应变理论： 第三强度理论 最大剪应力理论： 第四强度理论 最大形状改变比能理论：,12,（一） 运用第一强度理论计算氧漂白塔塔体部分壁厚 把氧漂白塔塔体部分看为内压圆筒体。根据第一强度理论，内压圆筒体的强度条件为： (7-2) 式中 P设计压力，MPa S内压圆筒体壁厚，mm D压力容器的壁厚中间面直径，mm 容器所用材料的许用应力，MPa，许用应力的数值，可查有关手册； 考虑到圆筒体焊缝处强度的降低，设计时引入焊缝系数 （1）,则式(7-2)就成为： (7-3) 若以圆筒体内径Di(D=Di+S)表示,则式(7-3)就可改写为：,13,(7-4) 若考虑到介质对圆筒的腐蚀作用，以及钢板厚度的不均匀和制造过程中的损耗等原因，在最后确定所计算的壁厚时,要增加一壁厚附加量C。则按第一强度理论设计计算内压圆筒体的壁厚为： （7-5） 式中 Di圆筒体内径，mm Sc考虑了腐蚀裕度时圆筒体设计壁厚，mm 焊缝系数 C壁厚附加量，mm 其他符号意义同式（7-2）。,14,（二） 运用第四强度理论计算氧漂白塔圆筒体部分壁厚 如根据第四强度理论，圆筒体的强度条件为： （76） 把 ， 代入上式，并且也作如运用第一强度理论时一样的运算，就可得： （77） 比较式（7-5）和式（7-7），分母右边第一项相差0.3 。也就是说，按式（7-7）计算的圆筒壁厚Sc要小于按式（7-5）计算的Sc。 在工程设计中，目前常用式（7-5）进行设计计算，即采用第一强度理论推出的设计公式。,15,（三） 设计公式中各参数的确定 1. 设计压力 最大允许工作压力是指压力容器在工作过程中可能产生的最高表压力，由工艺过程的技术指标确定，一般设计压力P就取略高于最大允许工作压力。 如氧漂白塔使用了安全阀，就取设计压力为最大工作压力的1.051.10倍。对一般反应容器，当操作压力由于化学反应等原因会突然上升时，按其升压速度的快慢，取最大允许工作压力的1.151.30倍作为设计压力。,16,2. 设计温度 温度在计算公式中没有直接反应出来，但它对选择材料及选取许用应力有直接关系。 设计温度一般取压力容器工作过程中，在相应的设计压力下容器壁可能达到的最高或最低的温度，而且只有在20oC以下时，设计温度才取最低温度。,17,3. 许用应力 在设计温度下的许用应力值 ，可以根据不同材料查有关手册。 许用应力是按材料各项强度数据分别除以相应的安全系数，取其中的最小值，即取下式中的最小值： （7-10） 式中 材料抗拉强度，MPa ， 分别为在常温和设计温度下的屈服极限，MPa 设计温度下材料的持久强度极限，MPa 设计温度下材料的蠕变极限，MPa nb、ns、nD、nn安全系数，可从有关手册中查到。,18,4. 焊缝系数 设计计算中所取焊缝系数的大小，主要是根据压力容器受压部分的焊缝位置、焊接接头和焊缝的无损探伤检验要求而定的。,19,5. 厚度附加量C 厚度附加量按下式确定： C=C1+C2 （7-11） 式中 C1钢板厚度负偏差，mm，可从有关手册中查到 C2腐蚀裕量，mm，根据介质的腐蚀性和容器的使用寿命决定。对于碳素钢和低合金钢，取C2不小于1mm；对不锈钢，当介质的腐蚀性极微时，取C2=0。,20,由内压圆筒体壁厚设计计算公式可以解决三类问题： 1、强度校核：对已有容器，已知材料，壁厚，工作时的负荷，可以由以上公式（75）对容器进行强度校核。根据已知条件求出最大工作应力 ，若 ，则容器工作安全，否则强度不够。 2、壁厚设计计算：已知最大工作载荷（或设计压力）和材料的许用应力，可以设计壁厚。直接使用公式（75）。 3、确定许可载荷：已知壁厚，材料的许用应力，可以确定工作时的最大应力Pmax。由公式（75）计算得到P。,21,某氧漂塔容积为80m3，内径为2200mm，最大工作压力为0.9MPa，筒体材料为316不锈钢， 150下316不锈钢的许用应力为117MPa，在20环境温度下316不锈钢的许用应力为118MPa，筒体采用双面焊对接接头，局部无损检测，取钢板负偏差为0.8mm，取腐蚀裕度为2.0mm。试设计筒体壁厚。 设计压力P0.91.1=1.0MPa 筒体壁厚： 取整数，SC14mm,22,三、内压球形容器的强度计算（蒸球） 蒸球为内压薄壁容器，其应力符合拉普拉斯方程式： 球形壳体各点曲率半径相等，即R1=R2=R，故球壳上各点的径向应力1与周向应力2也相等，即1 = 2 = 将此关系代入 上式，得 ： 按第一强度理论，应满足： 考虑到筒体焊缝处强度的降低，设计时引入焊缝系数（ 1），故有： 上式中D为中间面直径，改为球体内径Di表示，则有： 上式引入壁厚附加量C，得到球体壁厚计算公式为：,23,式中 Sc考虑到腐蚀裕度时容器的壁厚（mm） P设计压力（或最大工作压力）（MPa） Di球体内径（mm） 材料的许用应力（MPa） 焊缝系数 C壁厚附加量（mm） 根据以上公式，可求出蒸球的厚度。,24,例：已知某蒸球用20g锅炉钢板焊接制成，其最高工作压力为7.85105帕，蒸球容积25米3，试求蒸球的厚度。 25米3的蒸球内径为3650毫米，20g锅炉钢板在175时其许应力=1324105Pa.蒸球采用双面焊的对接焊缝，且进行局部无损探伤，故取其焊缝系数为=0.85，将以上数据带入公式得： =7.02+C(mm) 采用硫酸盐蒸煮，其腐蚀余度取57毫米。为保证蒸球的使用寿命，取C=6毫米，则： Sc=13.02mm, 取整数，Sc=14mm 故25米3的蒸球壁厚度为14毫米。,25,1、一个25m3蒸球，已知内径为3650mm，壁厚附加量为6mm，焊缝系数0.9，最大工作压力为0.8MPa，所用材料许用应力115MPa，水压试验压力为1.1MPa，试设计壁厚及计算水压试验产生的最大压力。 （14mm，139.1MPa） 2、已知蒸球内径