过程装备机械设计基础——8压力容器.pptVIP

压力容器设计,8.2 压力容器结构与分类,8.3 典型薄壁壳的应力分析,8.3 内压圆筒型薄壁壳的设计,8.4 外压圆筒型薄壁壳的设计,8.5 压力容器的使用与管理,8.2 压力容器的结构与分类,8.2.1 压力容器的结构,典型反应器结构,反应器31603,工业纯镍换热器,扬子石化HE302冷凝器,采用大片法进行球罐施工,南京扬子石化公司1000 m3 SPV50Q钢球罐群,8.2.2 压力容器分类,1、 按承压性质分,2、 按形状分 圆筒，球形，矩形； 3、 按材料分 金属材料，非金属材料 4、 按壁厚分 薄壁容器（Ro/Ri=1.2） 5、 按作用原理分 反应器（R），换热器（E）， 分离器（S），储存容器（C，B）,反应器（R）：完成介质物理化学反应的压力容器。如反应器，反应釜，分解锅，硫化罐，分解塔，聚合釜，高压釜，合成塔 换热器（E）：用于完成介质的热量交换的压力容器，如余热锅炉，热交换器，消毒罐，染色器，烘缸，预热锅，蒸汽发生器，煤气发生炉的水夹套，冷凝器等 分离器（S）：用于介质的流体压力平衡和气体净化分离的压力容器，如过滤器，集油器， 储存容器（C，B）：主要用于储存和盛装气体，液体和液化气体等介质的压力容器，如：各种形式的储罐等,6、 按监察规程分,1. 最高工作压力Pw0.1MPa,2. 内直径Di0.15m，且V0.025m3,3. 盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体。,监察规程的管辖范围,GB5044职业性接触毒物危害程度分级/HG20660压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类 (1)极度危害10mg/m3,氢氧化钠、丙酮等,一类容器,1.非易燃或低毒的低压反应容器和储存容器;,2 .有毒和有危害的低压容器,1、一般中压容器；,二类容器,2、 介质为易燃或毒性程度为中度危 害的低压反应容器和储存容器；,3、 毒性程度为极度和高度危害介质 的低压容器；,4 、低压管壳式余热锅炉；,5、低压搪玻璃压力容器。,三类容器,1、 高压容器；,2 、低压容器(毒性为极度或高度危害介质， 且PV大于0.2MPam3)；,3、 中压反应容器(易燃或毒性程度为中度危 害介质且PV0.5MPam3)；,4、 中压储存容器(易燃或毒性程度为中度危 害介质，且PV10MPam3)；,5、 高压、中压管壳式余热锅炉；,三类容器(续）,6、 中压搪玻璃压力容器；,7 、球形（V=50m3) ；,8、移动式压力容器。,9、中压容器（仅限毒性程度为极度或 高度危害介质。,10、使用强度级别较高的材料制造的压 力容器。,11、低温储存容器(V5m3) 。,8.3 典型薄壁容器应力分析,1、按容器的外径Do和内径Di的比值K 不同，可将容器分为： 厚壁容器：K1.2 薄壁容器：K1.2,2、应力分析理论 无力矩理论或薄膜理论 力矩理论,1、 受气压圆筒壳体,静力平衡方程：,环向应力为:,环向应力 周向应力,静力平衡方程：,经向应力为,经向应力/轴向应力,薄壁圆筒形压力容器环向应力 为经向应力的二倍,2、承受内压的球形壳体,球形壳体的厚度仅需圆筒形壳体的一半；球形容器的表面积最小；所以耗材是最少的。,3、承受内压的椭球形壳体,在顶点：,在赤道：,椭圆形封头的应力分布,标准椭圆形封头 取顶点处的周向应力与赤道处的周向应力相等，,得: a=2b,4、承受内压的锥形壳体,由此可见，锥形壳体的周向应力是经向应力的两倍。 在锥顶处应力为零。 应力随半锥角的增大而增大。,8.3.2 边缘应力及其处理,1. 边缘应力的产生原因 几何非线性 载荷非线性 约束非线性 材料非线性,2. 边缘应力的特点 局部性 自限性 3. 工程上的处理方法 危害性较小，不做特殊处理 仅作局部结构调整，p124 图8-10,几个前提 不大于35MPa的内压容器的筒体和封头 设计准则为弹性失效 一般不考虑边缘应力，必要时以应力增强系数的形式引入设计计算。 依据：GB150-1999钢制压力容器,8.3.3 内压圆筒形薄壁壳体设计,8.3.4. 强度设计公式,强度条件：,设计公式：,8.3.5 设计参数确定,1、 设计压力(P),通常：P(1.01.1)PW,安全阀：P= (1.051.1)PW. 且不低于安全阀 开启压力。 爆破片：(1.051.75)PW. 爆破压力制造偏差 介质为液化气：TMAX时液化气饱和蒸汽压 介质为液体：当液柱静压大于0.05P时，应 计入液体静压力。,指容器正常工作时，在相应的设计压力下，器壁金属可能达到的最高和最低温度（低于或等于-20),2 设计温度,3 、许用应力,影响许用应力的因素： 1 使用温度 2 钢板厚度,许用应力由材料的强度极限除以相应 的安全系数而得。 强度极限根据材料的失效类型确定 安全系数则受工况、材料、制造质量 和计算方法的影响；,4 焊缝系数,焊缝系数决定于二个因素： 1）焊缝的结构形式 2）无损探伤水平,5 .厚度(t),a. 壁厚附加量 CC1C2 C1：钢板负偏差, 表8-2 C2：腐蚀裕量,b. 最小壁厚 保证设备在运输和安装过程中的安全 碳素钢和低合金钢：不小于3mm。 高合金钢：不小于2mm。,8.3.6 压力与气密性试验,1 、水压试验,a. 试验压力：,b. 强度条件：,1、 水压试验（续）,c. 对试压介质的要求 方便获得；价格低廉； 无危险；存储方便； 沸点高于试验温度； 洁净，无污染，易于清除； 无腐蚀性。,d. 对试验温度的要求 试验温度应该高于材料的无延性转变温度（NDT）。对于碳钢，16MnR，15MnVR等，试验温度应该大于5 ，其他低合金钢，试验温度应该大于15。 板厚的影响导致试验温度的提高。,2 、气压试验,a. 试验压力：,b. 强度条件：,c. 常用介质 干燥洁净的空气； 氮气 惰性气体。 d. 试验温度 对于碳钢和低合金钢，应大于15。,3压力试验时的应力校核,液压试验时： 气压试验时：,薄膜应力：,4、 气密性试验,b. 试验压力：,a. 用处： 介质毒性程度为极度或高度危害； 设计上不容许有微量泄漏；,c. 其他 介质：干净空气或氮气、惰性气体 温度：碳钢、低合金钢等，不低于15 保压：30min，升压缓慢，稳定。,8.4 外压薄壁圆筒的设计,外压容器的定义：外压大于内压的容器;,失效的主要形式为失稳。其后果是造成容 器几何形状偏离原形状。,8.4.1 外压容器失稳的概念,常见外压容器：减压蒸馏塔；真空冷凝器；结晶器；带蒸汽加热夹套；,长园筒,容器失稳与压杆失稳类似，取决于： 1) 圆筒外径与有效壁厚之比 Do/te； 2) 圆筒长度与外径的比值 L/Do 3) 材料的力学性能 （E，) 其他：形状偏差，圆度,压杆失稳的主要因素： 1）外载大小 2）压杆柔度(细长比) 3）材料的力学性能。,临界压力的计算,1. 长圆筒： 临界压力,钢制圆筒：,临界应力：,2. 短圆筒：,3. 临界长度：,临界应力：,8.4.2 外压薄壁圆筒厚度设计,外压设计的总体思路：保证工作压力P小于许用外压P,而P=Pcr/m,m 决定于Pcr的准确程度、制造技术、焊缝结构形式等因素。我国规定 m=3,一、解析法,2) 求Pcr，确定P,3) 如PP且较为接近，则所假定的 tn符合要求，否则重算，直到符合要求。,1) 假设设计名义厚度tn，则有te=tn-C,求解步骤： 根据工况，确定材料； 假定壁厚为tn，确定有效厚度te， 根据已知条件确定临界长度Lcr； 根据公式确定许用设计外压P； 确定设计外压P，并比较P与P，如果P=P, P与P比较接近，则假设的壁厚可以作为容器的设计厚度。否则重复上述步骤。,二、 图解法（略）,器壁上的应变：,器壁上的应力：,K为特征系数,临界压力：,图解法来源：GB150 钢制压力容器,外压圆筒几何参数计算图,圆筒的许用外压力：,令,则,而,此即为BA图的由来,外压圆筒计算图 (BA图),设计方法和计算步骤,1 假设,2 确定比值：L/Do和D/te,3 查图8-13，确定A值,4 根据不同材料查图8-14,8-15,8-16确定B值，求得许用外压P,A在温度线的右方,5 比较P与P ,以P小于且接近于P为原则,A在温度线的左方，属弹性失稳 .,三 设计参数的规定,1设计外压力P 工作时最大内外压力差； 真空容器取1.25倍内外压差或0.1MPa中的较小值；无安全控制装置时，取0.1MPa； 2 试验压力PT 液压：PT=1.25P 或 气压 PT=1.15P 3 圆筒计算长度 图8-25,四. 轴向受压圆筒的设计（略）,在弹性阶段：,在弹塑性阶段用BA图确定cr 参考 GB150-1999 钢制压力容器,8.4.3 加强圈的作用及设计方法,1加强圈的作用及结构要求 局部设置加强圈可以缩短筒体的计算长度，增加外压圆筒的稳定性且节约材料 加强圈材料通常为碳钢，采用型钢。 加强圈可以和内件合二为一； 加强圈可以设置在外部,也可以设置在内部,2加强圈的设计方法（略）,加强圈与筒体有效段组合截面惯性矩J,设计步骤： 初步设置加强圈的个数，确定间距； 选择加强圈的材料，结构或型钢规格；,3. 利用设计外压，外径和有效壁厚按8-34计算系数B值 4. 利用外压圆筒、管子和球壳的厚度计算图（图8-148-16）根据加强圈的材料和相应的设计温度选择相应的材料温度线，确定A值， 5. 根据A值确定Js。比较J与Js，并根据结果调整使得 Js=J . 例题 例3,8.5 压力容器的安全使用与管理,8.5.1 压力容器的安全技术监察,1 、安全技术监察的依据容规 涉及内容:类别划分，材料选用，结构与强度设计，制造组装，无损检测探伤，压力试验，使用管理，定期检验及安全附件，等等,2 、压力容器的设计监察资格,3 、压力容器的制造监察许可,设计单位证书副本,美国机械工程师协会颁发的ASME“U”钢印证书,欧盟承压设备指令PED-CE资质,8.5.2 压力容器的安全使用与管理,1 、管理体系与职责,2 、建立压力容器技术档案,3、压力容器的使用登记,4 、制订容器的安全操作规程,5 、正确操作容器,8.5.3 压力容器的定期检验,1 、定期检验的目的,2 、定期检验的内容与期限 外部检测，内外部检验，耐压试验； 检验程序 检验报告,今日作业,复习: 例题2 ，3 思考: 3, 7，15 习题: 8-2 预习: 第九章