《内压容器设计》PPT课件.ppt

第十四章 内 压 容 器 设 计 14.1概述 14.1.1容器的结构 通用零部件筒体，封头，法兰，人 孔，手孔，支座及管口。设计时尽可能 直接选用这些通用零部件。 14.1.2容器的分类： A按容器形状分类 方形，球形，圆筒形 B按承压性质分类 内，外压容器 内压容器习惯上又分为： 常压: P100MPa C按结构材料分类 金属，非金属 D按使用场合分类 反应、换热、分离、贮运 E按安全监察分类 一类容器、 二类容器、 三 类容器 一类容器：（1）非易燃，无毒介质，低 压容器 （2）易燃，有毒介质， 低压 分离容器或换热器 二类容器：（1）中压 （2）剧毒介质低压 （3）易燃，有毒介质低压反 映器或贮运容器 （4）内径小于1米的低压废 热锅炉 三类容器： （1）高压，超高压 （2）剧毒介质, P*v200LMPa的低压 容器或剧毒介质中压容器 （3）易燃有毒介质，P*v500LMPa的 中压反应容器，P*v500LMPa中压贮运 容器 （4）中压废热锅炉或内径小于1米的 低压废热容器 14.1.3容器机械设计的基本要求 1.确定工艺尺寸； 2.强度、刚度、稳定性、耐久性、气密性 、其他。 14.2容器的受力分析 14.2.1薄壁容器的应力分析 A薄壁容器的概念 （1）厚壁容器 K1.2 （2）薄壁容器 K1.2 B回转薄壁壳体的应力分析 化工上常用的圆筒形、圆锥形、球形 等薄壁容器，都属于回转薄壁壳体。 假设：壳体简化成薄膜，在内里的作用下 ，均匀膨胀，薄膜的横截面几乎不能承 受弯矩，因此壳体在内压作用下产生的 主要内力是拉力。沿着厚度方向是均匀 分布的。 R1 d1 a b Q1 d1/2 d1/2 Q1 R2 d2 b c Q2 d2/2 d2/2 Q2 R1 R2 r 2 2 1 1 d1 d2 d dl1 dl2 1 1 22 a b c d k2 K1 在内压力的作用下，在微体abcd面积上受力为： F=Pdl1dl2 在微体四个截面上的拉力分别为： bc与ad截面上的经向力Q1=1dl2 ab与cd截面上的环向力Q2=2dl1 根据力的平衡原理，所有作用在微体上的力沿微体法线方 向 投影的代数和应等于零。 R1 R2 r 2 2 1 1 d1 d2 d dl1 dl2 F X Y Z F 1 1 d2 d2 2 2 d1 d1 因为微体的曲率半径夹角d1和d2很小， Oz轴的分力为： dQ=P2rdlcos 由图可知： cos=dr/dl 故 dQ= 2rPdr 如果壳体只承受气压，则 在内力的作用下，non壳体的截面上必 将产生内力，其值在oz轴方向的分力为： Q=2rK 1cos 根据分离体平衡条件 Q= Q dl dr r 1 1 r0 r n n、 rk k、 k dl z o Q=2rK 1cos 根据分立体平衡条件 Q= Q得： 如果壳体承受液体，则 1 1 r0 r n n、 rk k、 k dl z o dl dr r 14.2.2薄壁容器应力分析的实例 A 受气压的圆筒形壳体 R1= , R2= R 代入 取圆筒体下半为分离体 对于 Rk=R , cos=cos0=1 故径向应力 1 1 r 0 r n n 、 r k k 、 k dl z o B 受气压的球形壳体 R1= R2=R 1= 2= 则： C受气压的锥形壳体 对于锥形壳体 R1= , R2=r/cos 2 R2 r D 受气压的椭球形壳体 椭圆形曲线方程为： b a x R1R2 1 1 2 2 14.2.3边缘应力的概念 M0M0 Q0 Q0 14.3 内压薄壁壳体的厚度设计 c +c D1 D D0 （一）强度设计 A :内压圆筒的厚度计算 径向应力： 环向应力： 2 = 21 因强度理论规定: 2t p 设计压力（MPa） D 中径 圆筒的计算厚度（mm） t许用应力（MPa） 考虑若干因素： 焊缝系数: 由于有夹渣、气孔、未焊透以及焊缝两侧过热区的 影 响，造成强度的减弱，因此要将钢材的需用应力适当的 减 少。 设= （ 1） 适用于设计压力p0.4 中的范围 厚度的附加量c: 由于考虑到钢板在轧制过程的负偏差、生 产 过程各种介质的腐蚀等因素的影响； d = + c 式中：d 设计厚度 圆筒纵焊缝系数 B 内压球壳的厚度计算 球形壳体受气压时，径向压力=环向压力 球形容器比圆筒形容器具有表面积小，厚度薄， 材 料节省的优点。 考虑焊缝系数及厚度附加量 适用于设计压力p0.6 中的范围 （二）设计参数确定 A 设计压力P 无安全泄放装置 P = （1.01.1）PW 使用安全泄放装置 P = （1.051.1）PW 工程单位：kgf/cm2国际单位：MPa 圆整前圆整后圆整前圆整后 小于60.1小于0.60.01 6-160.50.6-1.60.05 大于161大于1.60.1 B 设计温度 设计温度是指容器正常工作，在相应 设计压力作用下，器壁金属可能达到的最 高温度或最低温度。见表14-2 C 许用应力t 见表14-3 D焊缝系数 表14-5 焊缝系数 接头型式全部无损探伤局部无损探伤 双面焊1.000.85 带垫板的单面 焊 0.900.80 E厚度 a.附加量c c=c1 +c2 (mm) C1-负偏差 表14-5 C2-腐蚀裕量 表14- 6 钢板标准 GB6654-96 GB3631-96 GB3274-88 GB3280-92 GB4237-92 GB4238-92 钢板厚度全部厚度5.57.57.525253030343440405050606080 负偏差C10.250.60.80.91.01.11.21.31.4 腐蚀程度不腐蚀轻微腐蚀腐蚀重腐蚀 腐蚀速率（mm/a ） 0.050050.130.130.250.25 腐蚀余量（mm ） 0123 b.最小厚度 碳素钢和低合金钢容器 Di3800mm时 Di3800mm时 不锈钢 3 计算厚度 按有关公式计算得到 4 设计厚度 5 名义厚度 6 有效厚度 7 实际厚度 c1c2 d n e 实 14.3.3压力试验 水压和气压两种实验方法 液压 PT=1.25P/ t 气压 PT=1.15P/ t 例14-1液氨贮罐的桶体设计 已知条件：设计压力p=2.5MPa，操作温 度 -544，贮罐内径Di=1200mm。设计要 求： 确定桶体厚度、钢材牌号。 解：纯液氨腐蚀性很小，压力较高，可以考虑 采用20R、16MnR、15MnVR等钢种。 第一方案 采用16MnR在-544，取=170MPa, =0.85, C2=1mm, C1=0.8mm, C= C1 + C2= 1.8mm d= +c=10.47+1.8=12.27mm 根据钢板厚度规格, 取n=14mm, 水压试验强度校核：PT=1.25P=3.13MPa. 水压试验时的应力 16MnR在常温水压试验时的许用应力 T=0.9s=0.9345=310.5MPa 因为T T, 故桶体厚度满足水压试验强度试验。 第二方案 20R钢板的=133MPa，=0.85。 C1=0.8mm, C= C1 + C2= 1.8mm d= +c=13.42+1.8=15.22mm 按钢板厚度规格，园整为n=16mm。 水压试验时的应力 20R钢制容器常温水压试验时的许用应力 T=0.9s=0.9245=220.5MPa 因为T T, 故桶体厚度满足水压试验强度试验。 两种方案的比较： 3 内压封头的厚度设计 凸形：半球形、椭圆形、碟形 圆锥形 平板形 14-6 某厂需要设计一台液氨贮罐，其内 径为1800mm，总容积12m3，最大工作压力 1.6MPa，工作温度-1040 ，试选 择筒体材料和型式，并计算筒体厚度。 解：根据容器承装的物品性质及特点，选 用圆筒形容器，选用20R，Di1800mm ，设计压力选取最大工作压力1.1倍， P=1.11.6=1.76MPa， =133MPa,焊缝 采用V型坡口双面焊接， 局部无损探伤，0.85， =PDi/2 t-P =1.76 1800/ /2 133 0.85- 1.76=14.1mm 查表14-6可知：负偏差取0.25mm，腐蚀余 量取1mm，则设计 厚度为 d=14.1+0.25+1=15.35mm 取n=16mm ， e=16-0.25-1=14.75mm 水压试验强度校核： PT=1.251.76=2.2MPa T=PTDi+ e/2 e =2.2 1800+ 15.75/2 14.750.85=159.3MPa 20R钢制容器常温水压试验时的许用应力 T=0.9s=0.9245=220.5MPa 因为T T, 故桶体厚度满足水压试验强度试验 14-7某厂脱水塔的塔体内径700mm，实际 厚度为12mm，材料为20R，其200时 的s=245MPa，塔的工作压力P=2MPa， 工作温度180，塔体采用单面对接焊 （带垫板），局部无损检测，腐蚀余量 1mm，试校核塔体工作与试压时的强度 。 解：Di700mm，实际厚度12mm， C2=1mm，P=2MPa， s=245MPa， 0.80 e=12-1=11mm 塔体工作强度为： 采用液体试压 试压时强度：设计压力取1.1倍工作压力 ，则P=1.12=2.2MPa 14-8设计一台不锈钢（0Cr18Ni10Ti）制承 压容器，最大工作压力1.6MPa，装有安 全阀，工作温度150 ，容器内径1.2m ，筒体纵向焊缝为双面对接焊，做局部 透视，试确定容器厚度。 解：Di1200mm，Pw=1.6MPa，0.85 ，t=103MPa ，腐蚀余量为0mm； 查表得：s=205MPa， 设计压力取1.1倍工作压力，则 P=1.1Pw=1.11.6=1.76MPa 采用液体试压 试压时强度： 答：器壁厚度为14mm。 14-9 一材质为20R的反应釜，内径为 1600mm，正常操作压力为1.3MPa，安 全阀的开启压力为1.4MPa，反应温度 200 ，介质有轻微腐蚀，取C2=1mm ，焊缝为双面对接焊，局部无损探伤， 经检修实测最小厚度为12mm，试判断 该釜能否继续使用。 14-9解：Di1600mm，实际厚度12mm, C2=1mm， 设计压力