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过程设备设计总复习,第一章 压力容器导言,基本组成,筒体,封头,密封装置,开孔与接管,支座,安全附件,其功能是提供能承受一定温度和压力的密闭空间。,1.1 压力容器总体结构,1.1.1 压力容器基本组成,1-法兰； 2-支座； 3-封头拼接焊缝； 4-封头； 5-环焊缝； 6-补强圈； 7-人孔；8-纵焊缝； 9-筒体； 10-压力表； 11-安全阀；12-液面计,筒体 封头 密封装置 开孔接管 支座 安全附件,压力容器的外壳,内件,反应、传热、传质、分离等容器,储运容器,1.2.2 压力容器分类,世界各国规范对压力容器分类的方法各不相同，本节着重介绍我国压力容器安全技术监察规程中的分类方法,按压力等级,按容器在生产中的作用,按安装方式,按安全技术管理,分类,第二章 压力容器应力分析,压力容器受到介质压力，支座反力等多种载荷的作用。分析载荷作用下压力容器的应力和变形，是压力容器设计的重要理论基础,2.1 载荷分析,2.1.1,载荷,压力,内压,外压,非压力载荷,整体载荷,重力载荷,风载荷,地震载荷,运输载荷,波动载荷,局部载荷,管系载荷,支座反力,吊装力,交变载荷,载荷,能够在压力容器上产生应力、应变的因素,作用于整台容器上的载荷。,作用于容器局部区域上的载荷。,载荷工况,正常操作工况,特殊载荷工况,压力试验,开停车及检修,意外载荷工况,紧急状态下快速启动,紧急状态下突然停车,设计压力,液体静压力,重力载荷,风载荷,地震载荷,隔热材料、衬里、内件、物料、平台、梯子、管系、支承在容器上的其他设备重量等,容器内发生化学爆炸,容器周围的设备发生燃烧或爆炸等,2.1.2,载荷工况,2.2 回转薄壳应力分析,概念,薄壳：,壳体厚度t与其中面曲率半径R的比值为（t/R）max1/10。 反之为厚壳,薄壁圆筒：,外直径与内直径的比值Do/Di1.2。,厚壁圆筒：,外直径与内直径的比值Do /Di1.2 。,2.2.1 薄壳圆筒的应力,1. 基本假设：,a.壳体材料连续、均匀、各向同性； b.受载后的变形是弹性小变形； c.壳壁各层纤维在变形后互不挤压。,图2-1 薄壁圆筒在内压作用下的应力,薄壳圆筒B点受力简化成二向应力和(见图2-1),横向剪力,弯矩转矩,内力,薄膜内力,弯曲内力,N、N、N、N,Q、Q,M、M、 M、M、,无力矩理论或 薄膜理论（静定）,有力矩理论或 弯曲理论（静不定）,由中面的拉伸、压缩、剪切变形而产生,由中面的曲率、扭率改变而产生,N,图2-4 壳中的内力分量,2.2.2 回转薄壳的无力矩理论,求解思路：,1.取微元 力分析 法线方向：内力=外力 微元平 衡方程,2.取区域 力分析 轴线方向：内力=外力 区域平衡方程,求得：,2.2.3 无力矩理论的基本方程,一、微元平衡方程,微元平衡方程。又称,拉普拉斯方程。,三、区域平衡方程（图2-6）,区域平衡方程式：,（2-3）,（2-4）,求解步骤：,a.由 求轴向力,b.由(2-4)式求得,c.将 代入(2-3)式求得,无力矩理论的两个基本方程,微元平衡方程 区域平衡方程,2.2.4 无力矩理论的应用,分析几种工程中典型回转薄壳的薄膜应力：,承受气体内压的回转薄壳,球形薄壳,薄壁圆筒,锥形壳体,椭球形壳体,储存液体的回转薄壳,圆筒形壳体,球形壳体,一、承受气体内压的回转薄壳,回转薄壳仅受气体内压作用时，各处的压力相等，压力产生的轴向力V为：,由式（2-4）得：,（2-5）,将式（2-5）代入 式（2-3）得：,（2-6）,A、球形壳体,（2-7）,B、薄壁圆筒,（2-8）,结论:,a.,应用,(a)开椭圆孔时,应使短轴轴线。,b.变形后仍为圆筒壳,推导思路：,椭圆曲线方程,R1和R2,式（2-5）（2-6）,（2-10）,又称胡金伯格方程,C、锥形壳体,D、椭球形壳体,图2-9 椭球壳中的应力随长轴与短轴之比的变化规律,椭球壳承受均匀内压时，在任何ab值下: 恒为正值，即拉伸应力，且由顶点处最大值向赤道逐渐 递减至最小值。 当 时，应力 将变号。从拉应力变为压应力。 随周向压应力增大，大直径薄壁椭圆形封头出现局部屈曲。 (即:内压椭球有可能周向失稳) 措施：整体或局部增加厚度，局部采用环状加强构件。,工程上常用标准椭圆形封头，其a/b=2。 的数值在顶点处和赤道处大小相等但符号相反， 即顶点处为 ，赤道上为 - ， 恒是拉应力，在顶点处达最大值为 。,二、储存液体的回转薄壳,与壳体受内压不同，壳壁上液柱静压力随液层深度变化。,a. 圆筒形壳体,b. 球形壳体,见课本P34-35,与壳体受内压不同，壳壁上液柱静压力随液层深度变化。,圆筒形壳体,图2-10 储存液体的圆筒形壳,(气+液)联合作用,筒壁上任一点A承受的压力:,由式（2-8）得,(2-11a),作垂直于回转轴的任一横截面，由上部壳体轴向力平衡得：,(2-11b),三、无力矩理论应用条件, 壳体的厚度、中面曲率和载荷连续，没有突变，且构成壳 体的材料的物理性能相同。, 壳体的边界处不受横向剪力、弯矩和扭矩作用。, 壳体的边界处的约束可沿经线的切线方向，不得限制边界处的转角与挠度。（即边界的固定形式为自由支撑）,对很多实际问题：无力矩理论求解 有力矩理论修正,联合使用无力矩理论和有力矩理论，解决了大量的薄壳问题,无力矩理论是近似的理论，用它分析壳体中的应力极为方便，在某些允许忽略内力矩的情况下，能给出正确的结果。不过必须满足以下条件,2.2.5 回转薄壳的不连续分析,图2-12 组合壳,一、不连续效应与不连续分析的基本方法,实际壳体结构（图2-12）,壳体组合,结构不连续,1、不连续效应,由此引起的局部应力称为“不连续应力”或“边缘 应力”。分析组合壳不连续应力的方法，在工程 上称为“不连续分析”。,不连续效应:,由于结构不连续，组合壳在连接处附近的局部区 域出现衰减很快的应力增大现象，称为“不连续 效应”或“边缘效应”。,不连续应力:,2、不连续分析的基本方法（详见教材，需掌握）,变形协调方程,圆柱壳受边缘力和边缘力矩作用的弯曲解,分析思路：,不连续应力的特性,1、局部性：,随着离边缘距离x的增加，各内力呈指数函数迅速衰减 以至消失，它的影响范围比较小，只存在于连接处附近的局部区域，这种性质称为不连续应力的局部性。,局部性,自限性,2、自限性：,不连续应力是由弹性变形受到约束所致，因此对于 用塑性材料制造的壳体，当连接边缘的局部区产生塑变 形，这种弹性约束就开始缓解，变形不会连续发展，不 连续应力也自动限制，这种性质称不连续应力的自限性。,不连续应力的危害性：,脆性材料制造的壳体、经受疲劳载荷或低温的壳体等 因对过高的不连续应力十分敏感，可能导致壳体的疲劳失 效或脆性破坏，因而在设计中应安有关规定计算并限制不 连续应力。,2.3 厚壁圆筒应力分析,厚壁容器：,应力特征：,a. 应考虑径向应力，是三向应力状态； b. 应力沿壁厚不均匀分布； c.若内外壁间的温差大，应考虑器壁中的热应力。,分析方法：,静不定问题，需平衡、几何、物理等方程 联立求解。,在某些实际工程中，由于承受高温高压，有些设备器壁厚度较大，如，合成氨、合成尿素、合成甲醇、油类加氢及压水反应堆等工程使用的容器 属于厚壁容器。,2.3.1 弹性应力,一、压力载荷引起的弹性应力,二、温度变化引起的弹性热应力,表2-1 厚壁圆筒的筒壁应力值,当仅有内压或外压作用时，拉美公式可以简化，此时，厚壁圆筒应力值和应力分布分别如表21和图217。表中采用了径比 ，k值可表示厚壁圆筒的厚度特征。,一、压力载荷引起的弹性应力,图2-17 厚壁圆筒中各应力分量分布,(a)仅受内压 (b)仅受外压,二、温度变化引起的弹性热应力,表2-2 厚壁圆筒中的热应力,图2-20 厚壁圆筒中的热应力分布,（a）内加热 (b)外加热,3、内压与温差同时作用引起的弹性应力,表2-3 厚壁圆筒在内压与温差作用下的总应力,图2-21 厚壁筒内的综合应力 （a）内加热情况；(b)外加热情况,4、热应力的特点,a. 热应力随约束程度的增大而增大,b. 热应力与零外载相平衡，是自平衡应力，在温度高处发生收缩，温度低处发生拉伸变形。,c. 热应力具有自限性，屈服流动或高温蠕变可使热应力降低,d. 热应力在构件内是变化的,5、不计热应力的条件:,a. 有良好保温层,b. 已蠕变的高温容器,6、减少热应力的措施:,除严格控制设备的加热、冷却速度外,a. 避免外部对热变形的约束,b. 设置膨胀节(或柔性元件),c. 采用良好保温层,2.3.2 弹塑性应力,图2-22 处于弹塑性状态的厚壁圆筒,材料的屈服点,二、残余应力,当厚壁圆筒进入弹塑性状态后，卸除内压力pi 残余应力,卸载定理:,卸载时应力改变量 和应变的改变量 之间存在着弹性关系,2.3.3屈服压力和爆破压力,OA：弹性变形阶段,AC：弹塑性变形阶段（壁厚减薄+材料强化）,C: 塑性垮塌压力容器所能承受的最大压力,D: 爆破压力,2.3.4 提高屈服承载能力的措施,适当增加壁厚：径比大到一定程度后效果不明显,对圆筒施加外压：如采用多层圆筒结构,自增强：通过超工作压力处理，由筒壁自身外层材料的弹性收缩引起残余应力。工程上常用。,载荷与内力,载荷,平面载荷,横向载荷,复合载荷,（作用于板中面内的载荷）,（垂直于板中面的载荷）,内力,薄 膜 力,弯曲内力,中面内的拉、压力和面内剪力， 并产生面内变形,弯矩、扭矩和横向剪力， 且产生弯扭变形,2.4 平板应力分析,2.4.2 圆平板对称弯曲微分方程（详见教材）,求解思路,2.4.3 圆平板中的应力,（圆平板轴对称弯曲的小挠度微分方程的应用）,一、承受均布载荷时圆平板中的应力,二、承受集中载荷时圆平板中的应力,简支,固支,1、周边固支圆平板,在支承处不允许有挠度和转角,周边固支圆平板,图2-34 圆板的弯曲应力分布（板下表面）,最大应力在板边缘上下表面,2、周边简支圆平板,周边简支圆平板,图2-34 圆板的弯曲应力分布（板下表面）,最大弯矩和相应的最大应力均在板中心处,表明: 周边简支板的最大挠度远大于周边固支板的挠度。,挠度,应力,表明: 周边简支板的最大正应力大于周边固支板的应力。,工程中较多的是采用改变其周边支承结构，使它更趋近于固支条件,周边固支的圆平板在刚度和强度两方面均优于周边简支圆平板,2.5 壳体的稳定性分析,承受外压壳体失效形式：,强度不足而发生压缩屈服失效,刚度不足而发生失稳破坏 （讨论重点）,m稳定性安全系数，圆筒m=3,外压圆筒的稳定条件,外压圆筒分成三类：,长圆筒,L/Do和Do/t较大时，其中间部分将不受两端约束或刚性构件的支承作用，壳体刚性较差，失稳时呈现两个波纹，n=2。,短圆筒,L/Do和Do/t较小时，壳体两端的约束或刚性构件对圆柱壳的支持作用较为明显，壳体刚性较大，失稳时呈现两个以上波纹，n2。,刚性圆筒,L/Do和Do/t很小时，壳体的刚性很大，此时圆柱壳体的失效形式已经不是失稳，而是压缩强度破坏。,2.5.2 外压薄壁圆柱壳弹性失稳分析（详见教材）,2.6 典型局部应力,1、局部应力的产生,局部载荷,在压力作用下，压力容器材料 或结构不连续处，在局部区域 产生的附加应力，如截面尺 寸、几何形状突变的区域、两 种不同材料的连接处等,附加应力,局部应力危害性,过大的局部应力使结构处于不安定状态， 在交变载荷下，易产生裂纹，可能导致 疲劳失效。,2.6.3 降低局部应力的措施,方法,合理的结构设计,减少附件传递的局部载荷,尽量减少结构中的缺陷,一、合理的结构设计,（1）减少两连接件的刚度差,（2）尽量采用圆弧过渡,（3）局部区域补强,（4）选择合适的开孔方位,二、减少附件传递的局部载荷,如果对与壳体相连的附件采取一定的措施，就可以减少附件所传递的局部载荷对壳体的影响，从而降低局部应力。,例如： 对管道、阀门等设备附件设置支撑或支架，可降低这 些附件的重量对壳体的影响； 对接管等附件加设热补偿元件可降低因热胀冷缩所产 生的热载荷。,第三章 压力容器材料 及环境和时间对其性能的影响,3.1 压力容器材料（详见教材）,3.2 压力容器制造工艺对钢材性能的影响,压力容器制造,冷、热加工,焊接组对,热处理（必要时）,塑性变形,焊接工艺,热处理,3.2.1 塑性变形,材料在载荷下的变形,弹性变形,塑性变形或永久变形,一、应变硬化,二、热加工和冷加工,三、各向异性,四、应变时效,材料在塑性变形中内部性能的变化：,一、应变硬化,加工硬化可提高材料的抗变形能力， 但塑性降低,在再结晶温度以下进行的塑性变形,二、冷加工和热加工,热加工或热变形,特点:,热变形时加工硬化和再结晶现象同时出现，但加工 硬化被再结晶消除，变形后具有再结晶组织，因而 无加工硬化现象。,冷加工或冷变形,特点:,冷变形中无再结晶出现，因而有加工硬化现象。 由于冷变形时有加工硬化现象，塑性降低，每次 的冷变形程度不宜过大，否则，变形金属将产生 断裂破坏。,三、各向异性,非金属夹杂物,热加工,纤维组织,呈纤维状,金属再结晶,带状组织,金属材料力学性能产生方向性,a、平行纤维组织方向的强度、 塑性和韧性提高， b、垂直方向的塑性和韧性降低 c、变形越大，性能差异越明显,因势利导：纤维组织的稳定性高，不能用热处理方法加以消除。 压力容器设计时，应尽可能使零件在工作时产生的最大正应力 与纤维方向重合，最大切应力方向与纤维方向垂直。,第二项合金,四、应变时效,冷加工应用举例：,筒节冷卷,封头冷旋压,应变时效,经冷加工塑性变形的碳素钢、低合金钢，在室温下停留较长 时间，或在较高温度下停留一定时间后，会出现屈服点和 抗拉强度提高，塑性和韧性降低的现象，称为应变时效。,应变时效危害,降低应变时效的措施,发生应变时效的钢材，不但冲击吸收功大幅度下 降，而且韧脆转变温度大幅度上升，表现出常温 下的脆化。,一般认为，合金元素中，碳、氮增加钢的应变 时效敏感性。减少碳、氮含量; 加入铝、钛、 钒等元素，使它们与碳、氮形成稳定化合物， 可显著减弱钢的应变时效敏感性。,3.2.2 焊接,焊接方法：,熔焊 （压力容器制造中应用最广）,压焊,钎焊,一、焊接接头的组织和性能,熔合区,焊接接头中，焊缝向热影响区过渡的区域。,塑性差、强度低、脆性大、易产生焊接裂纹，是焊接接头中最薄弱的环节之一,性能：,热影响区,组织及性能,在热影响区内，各处离开焊缝金属距离不同，材料被加热和冷却速度也不同，从而形成了多种金相组织区，使其力学性能也不同。,局部区域应力过高，使结构承载能力 下降，引起裂纹，甚至导致结构失效,焊接残余应力,焊接变形使焊件形状和尺寸发生变化，需要进行矫形。变形过大会因无法矫形而报废。,与外载荷产生的应力叠加,焊接残余应力的危害：,焊接变形的危害:,由于焊缝和近焊缝区的热变形受到约束，会产生焊接残余 变形。如果在焊接过程中，焊件能较自由伸缩，则：焊后的 变形较大而焊接应力小；反之，变形小，焊接应力大。,三、减少焊接应力和变形的措施,如： 尽量减少焊接接头数量 相邻焊缝间应保持足够的间距 尽可能避免交叉，避免出现十字焊缝 焊缝不要布置在高应力区 焊前预热等等 当焊接造成的残余应力会影响结构安全运行时，还需设法消除 焊接残余应力。,设计,焊接工艺,四、焊接接头常见缺陷,常见焊接缺陷,五、焊接接头检查,破坏性检查：从焊件上取试样或以产品的整体破坏做实验,非破坏性检查,外观检查,密封性检验,无损检测,直观检验,量具检验,射线透照检测,超声检测,表面检测,磁粉检测,渗透检测,涡流检测,测内部缺陷,测表面和近表面缺陷,设计中要给出相应 的检测方法,（用水、气、油等）,3.2.3 热处理,改善综合性能热处理,压力容器制造中的热处理,焊后消除应力热处理,固溶处理,稳定化处理,二、改善综合性能热处理,1、固溶处理,将合金加热到一定温度并保持足够长时间,使过剩相充分溶解到固溶体中,然后在水中或空气中快速冷却,以抑制这些被溶物质重新析出,从而得到在室温下的过饱和固溶体的工艺，称为固溶处理。,目的：,提高合金的韧性和抗腐蚀性。,例如，含钛或铌的奥氏体不锈钢在850900温度范围内加热适当时间，使钛或铌以碳化物的形式析出，从而达到稳定组织的目的，提高抗晶间腐蚀的能力。,2、稳定化处理：,目的：稳定组织，防止构件形状和尺寸发生时效性变化。,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响,3.3.1 温度,一、短期静载下温度对钢材力学性能的影响,1、高温下,在温度较高时，仅仅根据常温下材料抗拉强度和屈服点来决定许用应力是不够的，一般还应考虑设计温度下材料的屈服点。,注意:韧脆性转变温度不是在一个特定的温度，而是在一个温度 范围内。,2、低温下,二、高温、长期静载下钢材性能,在高温和恒定载荷的作用下，金属材料会产生随时间而发展的塑性变形，这种现象被称为蠕变现象。,蠕变的结果是使压力容器材料产生蠕变脆化、应力松弛、蠕变变形和蠕变断裂。 因此,高温压力容器设计时应采取措施防止蠕变破坏发生。,蠕变的危害,3.3.2 介质,a. 按腐蚀的机理来分,电化学腐蚀,化学腐蚀,b. 按金属腐蚀的形式来分,全面腐蚀,局部腐蚀,晶间腐蚀,小孔腐蚀,缝隙腐蚀,应力腐蚀,1、金属腐蚀分类,二、应力腐蚀,1、应力腐蚀的特征,三个 阶段,孕育阶段,是逐步形成应力腐蚀裂纹时期；,裂纹稳定扩展阶段,在应力和腐蚀介质作用下，裂纹缓慢扩展；,裂纹失稳阶段,最终发生的突然断裂。,断裂前往往没有明显塑性变形，是突发性的， 因而很难预防，是一种危险性很大的破坏形式。,注意:值得注意的是第三阶段不一定总会发生，因为在第二阶段形成的 裂纹有可能使压力容器泄漏，导致压力（应力）下降，而不出现 第三阶段，即发生未爆先漏（Leak Before Break）。,金属材料在拉应力和特定介质的共同作用下 引起的断裂,3.4.1 压力容器用钢的基本要求,压力容器用钢的基本要求：,较高的强度,良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性,改善钢材性能的途径：,化学成分的设计,组织结构的改变,零件表面改性,3.4 压力容器材料选择,一、化学成分,钢材化学成分对其性能和热处理有较大的影响。,1、碳,压力容器用钢的含碳量一般不应大于0.25%。,碳含量,强度增加,可焊性,焊接时易在热影响区出现裂纹,在钢中加入钒、钛、铌等元素， 可提高钢的强度和韧性。,2、钒、钛、铌等,3、S、P是钢中最主要的有害元素,硫能促进非金属夹杂物的形成，使塑性和韧性降低产生热脆,磷能提高钢的强度，但会增加钢的脆性产生冷脆,将硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，即大大提高钢材的纯净度,可提高钢材的韧性、抗应变时效性能、抗回火脆化性能、 抗中子辐照脆化能力和耐腐蚀性能。,因此，与一般结构钢相比，压力容器用钢对硫、磷、氢等有害杂质元素含量的控制更加严格。,例如，中国压力容器用钢的硫和磷含量分别应低于0.020%和0.030%。 随着冶炼水平的提高，目前已可将硫的含量控制在0.002%以内。,第 四 章 压力容器设计,设计要求 设计文件 设计条件,是设计的基本知识,4.1 概 述（详见教材）,失效形式,失效判据,（选择）,设计准则,（相应）,设计是否合理,（判别）,4.2 设计准则,4.2.1 压力容器失效,失效最终表现形式,(一)、压力容器基本失效形式,（1）强度失效因材料屈服或断裂引起的压力容器失效， 称为强度失效，包括（a）韧性断裂、 （b）脆性断裂、（c）疲劳断裂、 （d）蠕变断裂、（e）腐蚀断裂等。,各种强度实效形式特点见教材，需重点掌握,（2）刚度失效 由于构件过度的弹性变形引起的失效。 （3）失稳失效 在压应力作用下，压力容器突然失去其原有的规则几何形状引起的失效。 （4）泄漏失效泄漏而引起的失效。 危害: 可能引起中毒、燃烧和爆炸等事故，造成环境污染等。,(1)失效判据将力学分析 结果与简单实验测量结果 相比较，判别压力容器是 否会失效。这种判据，称 为失效判据。,（2）设计准则根据失效 判据，再考虑各种不确 定因素，引入安全系数， 得到与失效判据相对应 的设计准则。,分类,强度失效设计准则,刚度失效设计准则,稳定失效设计准则,泄漏失效设计准则,二、失效判据与设计准则,适用的设计标准,压力容器设计时,先确定,最有可能的失效形式,选择,合适的失效叛据和设计准则,确定,进行设计、校核,再按照标准要求,4.2.2 强度失效设计准则,强度失效的两种主要形式：,屈服 断裂,（在常温、静载作用下）,常用的强度失效设计准则：,弹性失效设计准则 塑性失效设计准则 爆破失效设计准则 弹塑性失效设计准则 疲劳失效设计准则 蠕变失效设计准则 脆性断裂失效设计准则,弹性失效设计准则将容器总体部位的初始屈服视为失效。,一、弹性失效设计准则 （韧性材料）,1、单向拉伸最大拉应力准则,失效判据的 数学表达试,相应的设计准则,最大拉应力准则,（4-3）,2、任意应力状态,（1）最大切应力准则,第三强度理论,（4-5）,（2）形状改变比能准则,第四强度理论：,3、应力强度或相当应力,弹性失效设计准则统一：,1、弹性失效准则与塑性失效准则的对比,二、塑性失效设计准则,2、塑性失效设计准则,设计压力,全屈服压力,三、爆破失效设计准则,弹塑性失效设计准则又称为安定性准则，认为载荷变化范 围达到安定载荷，容器就失效。,四、弹塑性失效设计准则,低周疲劳每次循环中材料都将产生一定的塑性应变，疲劳 破坏时的循环次数较低，一般在105次以下。,五、疲劳失效设计准则,六、蠕变失效设计准则,将应力限制在由蠕变极限和持久强度确定的许用应力以内。,七、脆性断裂失效设计准则,脆性断裂属于断裂力学的研究范围，认为材料中存在 缺陷，研究缺陷在载荷和环境作用下的破坏 规律。,4.2.3 刚度失效设计准则,在载荷作用下，要求构件的,4.2.4 稳定失效设计准则 防止失稳发生 周向失稳 轴向失稳 局部失稳 4.2.5 泄漏失效设计准则 密封装置的介质泄漏率不得超过许用泄漏率,失效判据：,设计准则：,4.3.1 概述,一、设计思想,只考虑单一的最大载荷工况，按一次施加的静力载荷处理，不考虑交变载荷，也不区分短期载荷和永久载荷，不涉及容器的疲劳寿命问题。,“按规则设计”（Design by Rules）,区别于分 析设计,应力求解依据材料力学及板壳理论，按最大拉应力准则来 推导受压元件的强度尺寸计算公式。,校核受压元件的应力强度 材料许用应力（强度） 材料许 用外压力（失稳）,对于结构不连续的边缘应力采用分析设计标准中的有关规定 和思想，确定结构的某些相关尺寸范围，或由经验引入各种系数。,4.3 常规设计,二、弹性失效设计准则,压力容器材料韧性较好，在弹性失效准则中，,按理采用式（4-4）或式（4-5）较为合理。,但对于内压薄壁回转壳体，在远离结构不连续处，30 式（4-3）简单，有成熟的使用经验，将该式作为设计准则。,筒体壁厚计算式为,图4-1 各种强度理论的比较,（1）按形状改变比能屈服失效判据计算出的内壁初始屈服压力和实测值最为接近； （2）在同一承载能力下，最大切应力准则计算出的壁厚最厚，中径公式算出的壁厚最薄。,大型锻件、厚钢板性能比薄钢板差，不同方向力学性能差异大，韧脆转变温度较高，发生低应力脆性破坏的可能性也较大；,简单,不存在层间松动等薄弱环 节，能较好地保证筒体的强度。,深环、纵焊缝，焊接缺陷检测和消除困难；且结构本身缺乏阻止裂纹快速扩展的能力；,加工设备要求高。,为此，研制出了组合式圆筒（详见教材）,4.3.2 圆筒设计,4.3.2.1 筒体结构,4.3.2.2 内压圆筒的强度设计（详见教材）,4.3.2.3 设计技术参数的确定,1、设计压力为压力容器的设计载荷条件之一，其值不低于最高工作压力。,容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压。,设计压力应视内压或外压容器分别取值。,计算压力是指在相应设计温度下，用以确定元件最危险截面厚度的压力，其中包括液柱静压力 通常情况下，计算压力=设计压力+液柱静压力 当元件所承受的液柱静压力5%设计压力时，可忽略不计。,2、设计温度为压力容器的设计载荷条件之一，指容器在正常情况下，设定元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。 金属温度不低于0设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度； 金属温度低于0不得高于元件金属可能达到的最低温度。 GB150规定：设计温度等于或低于-20的容器属于低温容器。 注解：设计温度与设计压力存在对应关系。当压力容器具有不同的操作工况时，应按最苛刻的压力与温度的组合设定容器的设计条件，而不能按其在不同工况下各自的最苛刻条件确定设计温度和设计压力。,计算厚度（）由公式采用计算压力得到的厚度。必要时还应计入其它载荷对厚度的影响。 设计厚度（d）计算厚度与腐蚀裕量之和。 dC2 名义厚度（n）设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度。 ndC1= C1C2 有效厚度（e）名义厚度减去钢材负偏差和腐蚀裕量。enC1C2 厚度附加量（C）由钢材的厚度负偏差C1和腐蚀裕量C2 组成，不包括加工减薄量C3。C=C1+C2 加工减薄量根据具体制造工艺和板材实际厚度由制造厂而并非由设计人员确定。,成形后厚度制造厂考虑加工减薄量并按钢板厚度规格第二次向上圆整得到的坯板厚度，再减去实际加工减薄量后的厚度，也为出厂时容器的实际厚度。 一般，成形后厚度大于设计厚度d就可满足强度要求。,最小厚度（min） 对于压力较低的容器，按强度计算出的厚度很薄，给制造、运输、吊装带来困难，为此规定了不包括腐蚀裕量的最小厚度（min） ； 碳素钢、低合金钢容器：min不小于3mm； 高合金制容器：min不小于2mm； (不包括腐蚀裕量),4、焊接接头系数焊缝金属与母材强度的比值，反映容器强度受削弱的程度。,5、许用应力容器壳体、封头等受压元件的材料许用强度，取材料强度失效判据的极限值与相应的材料设计系数（又称安全系数）之比。,113,一、解析法设计步骤 ：, 假设筒体的名义厚度n；, 计算有效厚度e；, 求出临界长度Lcr，将圆筒的外压计算长度L与Lcr 进行比较，判断圆筒属于长圆筒还是短圆筒；, 然后根据圆筒类型，选用相应公式计算临界压力 Pcr；, 再选取合适的稳定性安全系数m，计算许用外压p=, 比较设计压力p和p的大小。若p小于等于p且较为 接近，则假设的名义厚度n符合要求；否则应重新 假设n，重复以上步骤，直到满足要求为止。,特点：反复试算，比较繁琐。,4.3.2.4 外压圆筒设计(详见教材),二、图算法原理：（标准规范采用）（详见教材）,三、工程设计方法(详见教材）,定义与内压容器相同，取值方法不同。,外压容器设计压力：考虑正常工作情况下可能出现的最大内外压力差；,真空容器设计压力：按承受外压考虑，当装有安全控制装置时（如真空泄放阀），设计压力取1.25倍最大内外压力差或0.1 MPa两者中的较小 值；当无安全控制装置时，取0.1MPa。,带夹套容器: 考虑可能出现最大压差的危险工况，如内容器突然泄压而夹套内仍有压力时所产生的最大压差。,（1）设计压力,116,（3）外压计算长度,计算长度：筒体外部或内部两相邻刚性构件之间的最大距离， 通常封头、法兰、加强圈等均可视为刚性构件。,图4-11为 外压计算 长度取法 示意图。,取法：,计入直边段封头曲面深度的三分之一；（由于这二种封头与圆筒体对接时，在外压作用下，封头的过渡区产生环向拉应力，因此在过渡区不存在外压失稳问题，所以可将该部位视作圆筒的一个顶端）。,椭圆形封头、 碟形封头,图4-11外压计算长度,六、加强圈的设计计算,将长圆筒转化为短圆筒，可以有效地减小筒体 长度、提高筒体稳定性，即,目的,加强圈设计,加强圈的间距,截面尺寸,结构设计,结论：,加强圈数量增多，Lmax值减小, 筒体厚度减薄； 反之，筒体厚度须增加。,4.3.3封头设计（详见教材）,图4-15 常见容器封头的形式,了解各种封头的优缺点,4.3.4 密封装置设计,密封装置的失效形式主要表现为泄露,泄露量控制在工艺和 环境允许的范围内,一、密封机理,泄漏途径,渗透泄漏,界面泄漏,121,螺栓法兰连接的整个工作过程可用：尚未预紧工况、预紧工况、操作工况来说明,预紧(无内压)时，迫使垫片变形与压紧面密合，以形成初始密封条件，此时垫片单位面积上所需的最小压紧力，称为“垫片比压力”，用y表示，也称为最小压紧应力，单位为MPa。在预紧工况下，如垫片单位面积上所受的压紧力小于比压力y，介质即发生泄漏。,引入概念1“预紧比压y”：,引入概念2 “操作密封比压”：,为保证在操作状态时法兰的密封性能而必须施加（维持）在垫片上的压应力，称为操作密封比压。 操作密封比压往往用介质计算压力的m倍表示， 这里m称为“垫片系数”，无因次。,122,防止流体泄漏的基本方法,当介质通过密封口的阻力大于密封口两侧的介质压力差时，介质就被密封。而介质通过密封口的阻力是借施加于压紧面上的 比压力 来实现的，作用在压紧面上的密封比压力越大，则介质通过密封口的阻力越大，越有利于密封。,在密封口增加流体流动的阻力,泄漏时介质通过密封口的动力： 密封口内外介质压力差,泄漏时介质通过密封口的阻力： 压紧面上的比压力,预紧比压y,操作密封比压,三、提高高压密封性能的措施（自学）, 改善密封接触表面, 改进垫片结构, 采用焊接密封元件,124,开孔目的,满足工艺要求,满足结构要求,开孔结果,削弱器壁的强度,与接管焊接,及各种缺陷,4.3.5 开孔和开孔补强设计,125,一、补强结构,选择原则：,强度,工艺要求,制造,施工是否方便等,综合考虑和选择,126,4.3.6 支座和检查孔,支座是用来支承容器及设备重量，并使其固定在某一位置的压力容器附件。在某些场合还受到风载荷、地震载荷等动载荷的作用。,一、支座,二、检查孔,目的：,检查容器在使用过程中是否有裂纹、变形、腐蚀等 缺陷产生。,包括：,人孔、手孔等，其位置应便于观察或清理容器内部。,开孔大小：,手孔150 mm (Di1000mm),人孔,圆形400mm,椭圆形350450mm,(Di 1000mm),开孔位置：,满足工艺要求考虑操作方便,避开,应力集中区域,边缘应力区,焊缝处,不必开设检查孔：（符合下列条件之一）,筒体内径小于等于300mm的压力容器；,容器上设有可拆卸的封头、盖板或其它能够开关的 盖子，其封头、盖板或盖子的尺寸不小于所规定检 查孔的尺寸；,换热器。,无腐蚀或轻微腐蚀，无需做内部检查和清理的压力容器；,制冷装置用压力容器；,4.3.7 安全泄放装置,超压时能自动卸压，防止发生超压爆炸，保证压力容器安全运行。,目的：,a. 安全泄放装置的额定泄放量应不小于容器的安全泄放量。 b. 有超压可能的容器，才单独配备安全泄放装置，并非 每台容器都必须直接配置。,a.安全阀 b.爆破件 c.上述两者组合（隔离式安全阀）,要求：,类型：,130,一、安全阀,1. 作用：,通过阀的自动开启排出气体来降低容器内过高的压力,2. 优点：,a.仅排放容器内高于规定值的部分压力，当容器内的压力降至稍低于正常操作压力时，能自动关闭，避免一旦容器超压就把全部气体排出而造成浪费和中断生产,b.可重复使用多次，安装调整也比较容易。,3. 缺点：,a.密封性能较差,b.阀的开启有滞后现象，泄压反应较慢。,131,6.分类方式,132,7. 安全阀的选用,选用原则: 综合考虑压力容器的操作条件、介质特性、载荷 特点、容器的安全泄放量，防超压动作的要求(动 作特点、灵敏性、可靠性、密闭性）、生产运行 特点、安全技术要求，以及维修更换等因素。,全启式,微启式,133,二、爆破片,1. 原理：,利用爆破片在标定爆破压力下发生断裂达到卸压目的。,2. 特点：,(1)密闭性能好，能做到完全密封； (2)破裂速度快，泄压反应迅速。,因此，当安全阀不能起到有效保护作用时，必须使用爆破片或爆破片与安全阀的组合装置。,3. 结构与类型:,爆破片元件:,结构,夹持器:,压力敏感元件，超压时能迅速断裂或脱落,固定爆破片元件,(图4-43),使用场合:,1)介质为不洁气体（用安全阀堵塞或失灵）,2)由于物料化学反应使容器内压力迅速上升（用安全阀动作 滞后，不能安全泄放）。,3)极度、高度危害气体或贵重介质（不允许微量泄漏）。,4)介质为强腐蚀性气体（用爆破件成本低）。,135,一、焊接接头形式,4.3.8 焊接结构设计,（图4-44）,（a）对接接头； （b）角接接头； （c）搭接接头 图4-44 焊接接头的三种形式,136,三、压力容器焊接接头分类,137,图4-47 压力容器焊接接头分类,四、压力容器焊接结构设计的基本原则,1尽量采用对接接头:,2尽量采用全熔透的结构，不允许产生未熔透缺陷,3尽量减少焊缝处的应力集中,一、目的,4.3.9 压力试验,考虑缺陷对压力容器安全性的影响。在制造完毕后或定期检验时，都要进行压力试验。,内容：,1液压试验,液体温度：不得低于韧脆转变温度。,（1）内压容器,（2）外压容器和真空容器,（3）夹套容器,若内筒为外压容器：按式（4-88）确定试验压力； 若内筒为内压容器：按式（4-87）确定试验压力。,夹套：,按内压容器确定试验压力。,2气压试验,（1）内压容器,（2）外压容器和真空容器,石油化工工业中，储罐可按照储存介质的物理状态、储罐形状、储罐内部压力三种方法分类,介质的物理状态,储存气体的,储存液体的,储存固体的,大气环境温度下，储存接近常压气体的储罐气柜,大气环境温度下，储存经过加压气体的储罐,储存气体,储存液体,大气环境温度下,气相压力接近常压的条件下，储存液体（如石油、汽油、煤油、柴油等石油液体产品），一般用立式圆筒形储罐；当在容量不大于100m3条件下，也经常用卧罐。,在低温和接近于常压条件下，储存液化石油气，通常用立式圆筒形储罐。,大气环境温度下，压力储存的液化气体（如液化石油气体）容量大于100m3时，通常用球形储罐；容量不大于100m3时，常用卧罐。,储存固体常用料仓,第二节 卧式储罐,地面卧式储罐,支座数量的决定:,双鞍(2个)支座,结构较普遍，多支座结构难于保证各支座受力均匀,固定方式:,注意: 固定支座设置在配管较多的一侧； 活动支座设置在没有配管或配管较少的一侧,双支座,一个固定,一个可轴向移动,鞍座包角的选取,影响鞍座处圆筒截面上的应力分布， 影响稳定性和储罐-支座系统重心的高低,常用包角120、135 、150我国JB/T4712用120、150,典型结构示例,圆球形单层纯桔瓣式 赤道正切球罐,支柱,拉杆,操作平台,盘梯,人孔、接管、液面计 压力计、温度计、 安全泄放装置等,上下极板、 温带板、 赤道板,附件,罐体,5-3 球形储罐,5.3.1 罐体,作用,储罐主体，储存物料、承受物料工作压力和液柱静压力,按其组合方式分,纯桔瓣式罐体,足球瓣式罐体,混合式罐体,第六章 换热设备,蛇管式,套管式,管式,管壳式,缠绕管式,螺旋板式,板式,板式,板翅式,板壳式,一、管式换热器,蛇管式换热器,套管式换热器,缠绕管式换热器,管壳式换热器,二、板面式换热器,螺旋板式换热器,板式换热器,板翅式换热器,板壳式换热器,伞板式换热器,三、其它型式换热器,传热管的结构形式不同,一、管式换热器,优点：,结构坚固、可靠、适应性强、易于制造、能承受较高操作压力和温度。在高温、高压和大型换热器中，管式换热器仍占绝对优势，是目前使用最广泛的一类换热器。,缺点：,换热效率、结构紧凑性、单位传热面积的金属消耗等方面不如其他新型换热器。,分类：,1.蛇管式换热器,2.套管式换热器,3.缠绕管式换热器,4.管壳式换热器,二、板面式换热器,按换热板面结构分类,1.螺旋板式换热器,2.板式换热器,3.板翅式换热器,4.板壳式换热器,5.伞板式换热器,优点,其结构特点可强化传热；采用板材制作，大规模生产时，可降低设备成本,缺点,耐压性能比管式换热器差,压力、温度及允许压力降范围,管壳式换热器：高温、高压、大型换热器,板面式换热器：操作温度、压力不高，处理量不大，物料具有腐蚀性。因为板面式换热器具有传热效率高、结构紧凑和金属材料消耗低等优点。,6.2.1 基本类型,一、固定管板式,二、浮头式,三、U形管式,四、填料函式,五、釜式重沸器,6.2 管壳式换热器,6.2.2.1 管程结构,一、换热管,二、管板,三、管箱,四、管束分程,五、换热管与管板连接,换热管,小管径,可使单位体积传热面积增大、结构紧凑、金属耗量减少、传热系数提高,阻力大，不便清洗，易结垢堵塞,用于较清洁的流体,大管径,粘性大或污浊的流体,换热管排列形式及中心距,正三角形: 最普遍/布管多/声振小/管外流体扰动大传热好 但不易清洗； 转角三角形: 易清洗，但传热效果不如正三角形 正方形及转角正方形: 管外清洗方便/但排管比三角形少,换热管中心距P要保证管子与管板连接时，管桥（相邻两管间的净空距离）有足够的强度,管间还要留清洗通道,P1.25d0,表6-1 常用换热管中心距/mm,管板:,作用: a. 用来排布换热管； b. 分隔管程和壳程流体避免冷、热流体混合 c. 承受管程、壳程压力和温度的载荷作用,换热管与管板连接,强度胀,强度焊,胀焊并用,管束分程布置图,每程管数大致相同，温差不超过20左右为好,流向,6.3 传热强化技术,一、传热强化途径,增大平均传热温差: 采用逆流传热 扩大换热面积 提高传热系数,塔设备的选型:,（1）、在分离程度要求高的情况下，因某些新型填料具有 很高的传质效率，故可采用新型填料以降低塔的高度；,优先选用填料塔的情况：,（2）、对于热敏性物料的蒸馏分离，因新型填料的持液量较小，压降小，故可优先选择真空操作下的填料塔；,（3）、具有腐蚀性的物料，可选用填料塔。因为填料塔可采用非金属材料，如陶瓷、塑料等；,（4）、容易发泡的物料，宜选用填料塔。因为在填料塔内，气相主要不以气泡形式通过液相，可减少发泡的危险，此外，填料还可以使泡沫破碎。,第七章 塔设备,优先选用板式塔的情况：,(1).塔内液体滞液量较大，操作负荷变化范围较宽，对 进料浓度变化要求不敏感，操作易于稳定；,(2).液相负荷较小。因为这种情况下，填料塔会由于填料表面 湿润不充分而降低其分离效率；,(3).含固体颗粒，容易结垢，有结晶的物料，因为板式塔 可选用液流通道较大的塔板，堵塞的危险较小；,(4).在操作过程中伴随有放热或需要加热的物料，需要 在塔内设置内部换热组件，如加热盘管, 需要多个 进料口或多个侧线出料口。这是因为一方面板式塔 的结构上容易实现，此外，塔板上有较多的滞液以 便与加热或冷却管进行有效地传热；,(5).在较高压力下操作的蒸馏塔仍多采用板式塔.因为压力 较高时，塔内气液比过小，以及由于气相返混剧烈等原因，