《设计结构设计》PPT课件.ppt

第二章 设 计,第二节 结构设计,整体结构,单层式,多层式,绕板式,型槽绕带式,热套式,锻焊式,安全性高，但是生产工序多，劳动生产率低。,不必逐层包扎层板和焊接每层层板的焊缝,型槽钢带层层啮合，可使钢带层承受容器的一部分轴向力；筒体上没有贯穿整个壁厚的环焊缝；使用安全性高；但是需要特殊轧制的型槽钢带和专用机床。,成为轻水反应堆压力容器，石油工业加氢反应器和煤转化反应器的主要结构形式,一、压力容器的结构,2、制造： 用装置将层板逐层、同心地 包扎在内筒上； 借纵焊缝的焊接收缩力使层 板和内筒、层板与层板之间 互相贴紧，产生一定的预紧 力； 筒节上均开有安全孔报 警。,筒体,深环焊缝,筒节,内层1225mm,外层412mm的多层层板,为避免裂纹沿壁厚 方向扩展，各层板 之间的纵焊缝应相 互错开75。,筒节的长度视钢板的 宽度而定，层数则随 所需的厚度而定。,一、多层包扎式,1、结构：,图2-1 多层包扎筒节,一、多层包扎式(续),一、多层包扎式(续),5、应用情况： 目前世界上使用最广泛、制造和使用经验最为丰富的组合式筒体结构。,3、优点： 制造工艺简单，不需大型复杂加工设备； 安全可靠性高，层板间隙具有阻止缺陷和裂纹向厚度方向扩展的能力； 减少了脆性破坏的可能 性； 包扎预应力改善筒体的应力分布； 对介质适应性强，可选 择合适的内筒材料。,4、缺点： 筒体制造工序多、周期长、效率 低、钢材利用率低（仅60%左 右）； 深环焊缝对制造质量和安全有显 著影响。 无损检测困难，环焊缝的两侧均有层板，无法用超声检测，只能射线检测；焊缝部位存在很大的焊接残余应力，且焊缝晶粒易变得粗大而韧性下降；环焊缝的坡口切削工作量大，且焊接复杂。,1、结构，制造： 内筒（厚度 30mm）卷焊成直径不同但可过盈配合的筒节， 将外层筒节加热到计算的温度进行套合，冷却收缩后得到紧密 贴合的厚壁筒节。,图2-2 热套筒节,二、热套式,二、热套式(续),1、结构：由内筒、绕板层和外筒三部分组成，是在多层包扎式 筒体的基础上发展起来的。 2、制造：内筒与多层包扎式内筒相同，外层是在内筒外面连续 缠绕若干层35mm厚的薄钢板而构成筒节，只有内外两道 纵焊缝，需要2个楔形过渡段，外筒为保护层，由两块半圆 或三块“瓦片”制成。 3、优点：机械化程度高，制造效率高，材料利用率高（可达 90%以上）。 4、缺点：中间厚两边薄，累积间隙。,图23绕板式,三、绕板式,1、结构：错开环缝和采用液压夹钳逐层包扎的圆筒结构。 2、制造： 将内筒拼接到所需的长度，两端焊上法兰或封头； 在整个长度上逐层包扎层板，待全长度上包扎好并 焊完磨平后再包扎第二层，直至所需厚度。 3、优点：环、纵焊缝错开，筒体与封头或法兰间的环焊缝为一 定角度的斜面焊缝，承载面积增大。,图24 整体多层包扎式厚壁容器筒体,四、整体多层包扎式,以钢带缠绕在内筒外面获得所需厚度筒壁,两种结构,型槽绕带式,扁平钢带倾角错绕式,型槽绕带式 用特制的型槽钢带螺旋缠绕在特制的内 筒上，端面形状见图2-5（a），内筒外表面上预先加 工有与钢带相啮合的螺旋状凹槽。,缠绕时，钢带先经电加热，再进行螺旋缠绕，绕制后依次 用空气和水进行冷却，使其收缩产生预紧力，可保证每层 钢带贴紧；各层钢带之间靠凹槽和凸肩相互啮合(见图2-5 （b）)，缠绕层能承受一部分由内压引起的轴向力。,五、绕带式,图2-5 （a）型槽绕带式筒体 （b）型槽钢带结构示意图,缩套环,双锥面垫片,焊缝,（a）,（b）,五、绕带式（续）,（2）扁平钢带倾角错绕式 中国首创的一种新型绕带式筒体；该结构已被列入 ASME -1和ASME -2标准的规范案例，编号分别 为 2229和2269。,图2-5（c） 扁平钢带倾角错绕式筒体,五、绕带式（续）,与其它类型厚壁筒体相比，扁平钢带倾角错绕式筒体结构具有设计灵活、制造方便、可靠性高、在线安全监控容易等优点。,结构：,内筒厚度约占总壁厚的1/61/4， 采用 “预应力冷绕”和“压棍预弯贴紧”技术，环向1530倾角在薄内筒外交错缠绕扁平钢带。,钢带宽约80160mm、厚约416mm，其始末 两端分别与底封头和端部法兰相焊接。,五、绕带式（续）,结构设计遵循的原则,结构不连续处应平滑过渡,在引起应力集中或消弱强度的结构应相互错开，避免高应力叠加,避免采用刚性过大的焊接结构,受热系统及部件的涨缩不要受限制,二 主要零部件的结构设计,1.一般要求,各受压部件应有足够的强度，并装有可靠的安全保护设施，防止超压；,受压元件、部件的结构形式、开孔和焊缝的布置应尽量避免或减小复合应力和应力集中；,承重结构在承受设计载荷时应具有足够的强度、刚度、稳定性及防腐蚀性；,容器的结构应便于安装、检修和清洗,2.封头,a.半球形封头,b.椭圆形封头,c.碟形封头,d.球冠形封头,2-6 常见容器封头的形式,封头设计：优先选用封头标准中推荐的型式与参数，根据受 压情况进行强度或刚度计算，确定合适的厚度。,薄膜应力为相同直径圆筒体的一半，最理想的结构形式。,一、半球形封头,半球形封头为半个球壳，如图2-6(a)所示。,1.受内压的半球形封头,优点,缺点,深度大，直径小时，整体冲压困难， 大直径采用分瓣冲压其拼焊工作量也较大。,应用,高压容器。,二、椭圆形封头,二、椭圆形封头（续）,避免封头和筒体的连接焊缝处出现经向曲率半径突变，以改善焊缝的受力状况。,由半个椭球面和短圆筒组成，如图2-6（b）所示。,直边段作用：,中、低压容器。,应用：,(1) 受内压（凹面受压）的椭圆形封头,受力：薄膜应力不连续应力。,结构简单、制造方便，常用作容器中两独立受压 室中间封头，端盖。 无转角过渡，存在相当大的不连续应力，其应力 分布不甚合理。,四、球冠形封头,碟形封头当r=0时，球面与筒体直接连接，如图4-15（d）所示,优点：,缺点：,4锥壳,轴对称锥壳,无折边锥壳,折边锥壳,特点：结构不连续，应力分布不理想,（a）无折边锥壳； （b）大端折边锥壳； （c）折边锥壳,图2-7 锥壳结构形式,平盖,理论分析： 以圆平板应力分析 为基础，分为周边 固支或简支；,实际上：介于 固支和简支之间；,工程计算：采用圆平板理论 为基础的经验公式，通 过系数K来体现平盖周 边的支承情况，K值越 小,平盖周边越接近固支； 反之就越接近于简支。,几何形状： 圆形、椭圆形、长圆形、矩形及正方形等。,焊接接头,一、焊接接头形式,对接接头,角接接头及 T字形接头,搭接接头,焊接接头形式,（a）对接接头； （b）角接接头； （c）搭接接头 图2-8 焊接接头的三种形式,受热均匀，受力对称，便于无损检测，焊接质量容 易得到保证。,1对接接头,结构：,两个相互连接零件在接头处的中面处于同一平面或 同一弧面内进行焊接的接头。,特点：,应用：,最常用的焊接结构形式。,焊接坡口 为保证全熔透和焊接质量，减少焊接变形，施焊前，一般将焊件连接处预先加工成各种形状。 不同的焊接坡口，适用于不同的焊接方法和焊件厚度。,二、坡口形式,图2-11 压力容器焊接接头分类,必须掌握,易于保证焊接质量，所有的纵向及环向焊接接头、凸形封头上的拼接焊接接头，必须采用对接接头外，其它位置的焊接结构也应尽量采用对接接头。,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,角焊缝，改用对接焊缝图2-12（a）改为（b）和（c）。 减小了应力集中，方便了无损检测，有利于保证接头 的内部质量。,举例：,图2-12 容器接管的角接和对接,（a）,（b）,（c）,2尽量采用全熔透的结构，不允许产生未熔透缺陷,选择合适的坡口形式，如双面焊；当容器直径较小，且无法从容器内部清根时，应选用单面焊双面成型的对接接头，如用氩弧焊打底，或采用带垫板的坡口等。,指基体金属和焊缝金属局部未完全熔合而留下 空隙的现象。未熔透导致脆性破坏的起裂点， 在交变载荷作用下，它也可能诱发疲劳破坏。,未熔透,改进,图2-13 板厚不等时的对接接头,开孔带来的问题,削弱器壁的强度,产生高的局部应力,开孔,法 兰,法兰的结构设计必须注意压紧面形状和结构形式的选择,螺栓法兰连接设计,（1）法兰压紧面的选择,压紧面主要根据工艺条件、密封口径以及垫片等进行选择。,全平面（a） 突面（b） 凹凸面（c） 榫槽面（d） 环连接面（或称T型槽）（e）等 其中以突面、凹凸面、榫槽面最为常用。,形式：,图2-16,螺栓法兰连接设计,（a）全平面,（b）突面,（c）凹凸面,（d）榫槽面,（e）环连接面（T型槽）,图2-16,凹凸面法兰连接,榫槽面法兰连接,突面压紧面：,简单，加工方便，装卸容 易，易于防腐衬里。 压紧面可以是平滑的，适用 于PN2.5MPa场合， 带沟槽的（ 24条、宽深 为0.8mm0.4mm、截面为 三角形周向沟槽），防止非金 属垫片被挤出，适用更广。 容器法兰可用至6.4MPa，管 法兰甚至可用至2542MPa， 但随着公称压力的提高，适用 的公称直径相应减小。,由榫面、槽面配合构成，垫片安放在槽内，不会被挤出压紧面，较少受介质的冲刷和腐蚀，所需螺栓力较小，但结构复杂，更换垫片较难，只适用于易燃、易爆和高度或极度毒性危害介质等重要场合。,凹凸压紧面：,榫槽压紧面：,各压紧面结构简介,安装易于对中，有效防止垫片 被挤出，适用于PN6.4MPa 的容器法兰和管法兰。,三 几种典型设备的结构设计要点, 球罐 管壳式换热器,分类,外观,壳体构造方式,支撑方式,球形,椭球形,单数,球壳层数,多数,桔瓣式,足球瓣,混合式,支柱式支座,筒形或锥形裙式支座,球壳组合方案,球 罐,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、 上下温带板、 赤道板,附件,罐体,图2-17 赤道正切柱式支承单层壳球罐 1-球壳；2-液位计导管；3-避雷针； 4-安全泄放阀；5-操作平台；6-盘梯； 7-喷淋水管；8-支柱；9-拉杆,罐体,作用,球形储罐主体，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,罐体,（1）纯桔瓣式罐体,球壳全部按桔瓣片 形状进行分割成型 后再组合,图2-18 赤道正切柱式支承单层壳球罐 1-球壳；2-液位计导管；3-避雷针； 4-安全泄放阀；5-操作平台；6-盘梯； 7-喷淋水管；8-支柱；9-拉杆,特点,缺点,应用,球壳拼装焊缝较规则，施焊组装容易，加 快组装进度并实施自动焊；便于布置支柱， 焊接接头受力均匀，质量较可靠。,球瓣在不同带位置尺寸大小不一，互换有 限；下料成型复杂，板材利用率低；球极 板尺寸往往较小，人孔、接管等容易拥挤， 有时焊缝不易错开。,适用于各种容量的球罐。,（2）足球瓣式罐体,由四边形或六边形组成,图2-19 足球瓣式球罐 1-顶部极板；2-赤道板；3-底部极板；4-支柱；5-拉杆；6-扶梯； 7-顶部操作平台,特点,缺点,应用,每块球壳板尺寸相同，下料成型规格化， 材料利用率高，互换性好，组装焊缝较 短，焊接及检验工作量小。,焊缝布置复杂，施工组装困难，对球壳 板的制造精度要求高。,容积小于120m3的球罐。,（3）混合式罐体,1-上极 2-赤道带 3-支柱 4-下极,图2-20 混合式球罐,特点,赤道带、温带桔瓣式 极板足球瓣式 材料利用率高 焊缝长度缩短 球壳板数量减少 适用于大型球罐,球罐支柱与球壳板焊接接头 避免搭在一起，球壳应力分布均匀,极板尺寸 比纯桔瓣式大，易布置人孔及接管,管壳式换热器,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,一、固定管板式换热器,结构,双管程固定管板换热器,适用于壳侧介质清洁且不易结垢并能进行溶 解清洗，管、壳程两侧温差不大或温差较大但壳 侧压力不高的场合。,优点,结构简单、紧凑、能承受较高的压力，造价 低，管程清洗方便，管子损坏时易于堵管或更换。,缺点,当管束与壳体的壁温或材料的线膨胀系数相 差较大时，壳体和管束中将产生较大的热应力。,应用,为减少热应力，通常在固定管板式换热器中设置柔性元件 （如膨胀节、挠性管板等），来吸收热膨胀差。,二、浮头式,结构,浮头端可自由伸缩，无热应力,浮头式换热器,优点管间和管内清洗方便，不会产生热应力； 缺点结构复杂，造价比固定管板式换热器高， 设备笨重，材料消耗量大，且浮头端小盖 在操作中无法检查，制造时对密封要求较 高。 应用壳体和管束之间壁温差较大或壳程介质易 结垢的场合。,三、U形管式换热器,结构,U形管,U形管式换热器,优点 结构比较简单、价格便宜，承压能力强。 受弯管曲率半径限制，布管少； 管束最内层管间距大，管板利用率低； 缺点 壳程流体易短路，传热不利。 当管子泄漏损坏时，只有外层U形管可更 换，内层管只能堵死，坏一根U形管相当 于坏两根管，报废率较高。 管、壳壁温差较大或壳程介质易结垢需要 应用 清洗，又不宜采用浮头式和固定管板式的 场合。特别适用于管内走清洁而不易结垢 的高温、高压、腐蚀性大的物料。,四、填料函式,结构,填料函式密封,优点 结构较浮头式简单，加工制造方便； 节省材料，造价比较低廉; 管束从壳体内可抽出; 管内、管间都能进行清洗，维修方便。 缺点 填料处易泄漏。 应用 4MPa 以下，且不适用于易挥发、易燃、 易爆、有毒及贵重介质，使用温度受填 料的物性限制。 注：填料函式换热器现在已很少采用。,与浮头式、U形管式换热器一样， 清洗维修方便； 可处理不清洁、易结垢介质，能 承受高温、高压（无温差应力）。,特点,2 管壳式换热器结构,管程与管束中流体相通的空间,壳程换热管外面流体及相通空间,管程,壳程,管程,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,一、换热管,1.换热管型式,光管,强化传热管,翅片管（在给热系数低侧）,螺旋槽管,螺纹管,2.换热管尺寸,192、252.5和382.5mm无缝钢管252和382.5mm不锈钢管,标准管长1.5、2.0、3.0、4.5、6.0、9.0m等,小管径,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,粘性大或污浊的流体,大管径,3.换热管材料,金属材