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第十章容器设计基础 第一节概论 一容器的结构 壳体 筒体 封头 端盖 法兰 支座 接口管及人孔等组成 常低压化工设备通用零部件标准直接选用 二容器的分类 压力容器分类 按容器的形状按承压性质按管理其它 按容器壁温按金属材料按应用情况 按容器的形状 按承压性质 内压 内部介质压力大于外界压力外压 内部介质压力小于外界压力真空 内部压力小于一个绝压的外压容器 表10 1内压容器的分类 按管理 表10 2安全检查规程使用范围 根据压力等级 介质毒性危害程度以及生产中的作用 压力容器可分为三类 第一类压力容器 第二类压力容器 第三类压力容器 不包括核能 船舶专用 直接受火焰加热的容器 按容器壁温 常温容器 壁温 20 至200 高温容器 壁温达到蠕变温度 碳素钢或低合金钢容器 温度超过420 合金钢超过450 奥氏体不锈钢超过550 均属高温容器 中温容器 在常温和高温之间 低温容器 壁温低于 20 20 至 40 为浅冷容器 低于 40 者为深冷容器 按材料 金属容器 钢制 铸铁 有色金属容器 非金属材料 既可作为容器的衬里 又可作为独立的构件 三容器的零部件标准 容器的零部件 例如封头 法兰 支座 人孔 手孔 视镜 液面计等 进行标准化 系列化许多化工设备 例如贮槽 换热器 搪玻璃与陶瓷反应器 也有了相应的标准 两个基本参数 公称直径DN 指标准化以后的标准直径 以DN表示 单位mm 例如内径1200mm的容器的公称直径标记为DN1200 公称压力PN 容器及管道的操作压力经标准化以后的标准压力称为公称压力 以PN表示 单位MPa 公称直径 1 压力容器的公称直径由钢板卷焊制成的筒体 公称直径是指它的内径 当筒体的直径较小 直接采用无缝钢管制作时 容器的公称直径应是指无缝钢管的外径 封头的公称直径与筒体一致 容器直径较小 可直接用无缝钢管制作 公称直径指钢管外径 设计时 应将工艺计算初步确定的设备内径 调整为符合表10 4或表10 5所规定的公称直径 封头的公称直径与筒体一致 2 管子的公称直径 也称公称口径 公称通径 有缝管 电焊钢管 化工厂用来输送水 煤气 空气 油以及取暖用蒸汽等一般压力的流体管道 无缝管 分热轧管和冷拔管两种 如输送流体用无缝钢管 GB8163 87 石油裂化用无缝钢管 GB9948 88 化肥设备用高压无缝钢管 GB647986 等 有缝管的公称直径 公称直径近似普通钢管内径的名义尺寸 公制mm 英制in 见表10 6 公称直径15mm或1 2英寸 外径21 3mm 壁厚2 75mm 普通 3 25mm 加厚 有缝管的公称直径 每一公称直径对应一外径 其内径数值随厚度不同而不同 有缝管按厚度可分为薄壁钢管 普通钢管和加厚钢管 管路附件也用公称直径表示 意义相同 无缝钢管的公称尺寸 分热轧管和冷拔管 无缝钢管不用公称直径 而是以外径乘厚度表示为公称外径与公称厚度 在管道工程中 管径超过57mm时 常采用热轧管 管径在57mm以内常选用冷拔管 冷拔管的最大外径为200mm 热轧管的最大外径为630mm 3 容器零部件的公称直径 法兰 支座等公称直径是相配的筒体 封头的公称直径 DN2000法兰 DN2000鞍座还有一些零部件的公称直径是与它相配的管子公称直径DN200管法兰另有一些容器零部件公称直径是指结构中某一重要尺寸 DN80 Dg80 视镜是指窥视孔的直径为80mm 公称压力 工作压力不同 相同公称直径的压力容器其筒体及其零部件的尺寸也不同 将承受的压力范围分为若干个标准压力等级 即公称压力 表10 7压力容器法兰与管法兰的公称压力 设计时如果选用标准零部件 必须将操作温度下的最高操作压力 或设计压力 调整为所规定的某一公称压力等级 然后根据DN与PN选定该零部件的尺寸 如果零部件不选用标准零部件 而是自行设计 设计压力就不必符合规定的公称压力 四 压力容器的标准简介 它是压力容器设计 制造 验收等必须遵循的准则 压力容器标准涉及设计方法 选材及制造 检验方法等 国内标准 1989我国压力容器标准化技术委员会制订了GB150 89 钢制压力容器 1998年修订成GB150 1998 使标准更加完善 GB150 钢制压力容器 内容包括 压力容器板壳元件的计算容器结构要素的确定密封设计超压泄放装置的设置容器的制造与验收的要求等 国外主要规范 国外的规范主要有四个 美国机械工程师协会规范 ASME 英国压力容器规范 BS 日本国家标准 JIS 德国压力容器规范 AD 五容器机械设计的基本要求 在进行压力容器机械设计时 它的总体尺寸 零部件尺寸由工艺条件决定或由经验所得 因此我们这里主要是指结构设计 要求有以下几个方面 1 强度2 刚度3 稳定性4 耐久性5 密封性6 节省材料和便于制造7 方便操作和便于运输8 技术经济指标合理 第二节内压薄壁容器设计 薄壁容器根据容器外径DO与内径Di的比值K来判断 当K 1 2为薄壁容器K 1 2则为厚壁容器 一 薄壁容器设计的理论基础 圆筒形薄壁容器承受内压时的应力 只有拉应力无弯曲应力 环向纤维 和 纵向纤维 受到拉力 s1 或s轴 圆筒母线方向 即轴向 拉应力 s2 或s环 圆周方向的拉应力 圆筒的应力计算 1 轴向应力 D 筒体平均直径 亦称中径 mm 2 环向应力 分析 1 薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍 问题a 筒体上开椭圆孔 如何开 应使其短轴与筒体的轴线平行 以尽量减少开孔对纵截面的削弱程度 使环向应力不致增加很多 分析 问题b 钢板卷制圆筒形容器 纵焊缝与环焊缝哪个易裂 筒体纵向焊缝受力大于环向焊缝 故纵焊缝易裂 施焊时应予以注意 2 分析式 10 1 和 10 2 可知 内压筒壁的应力和d D成反比 d D值的大小体现着圆筒承压能力的高低 因此 分析一个设备能耐多大压力 不能只看厚度的绝对值 二 无力矩理论基本方程式 基本概念与基本假设1 基本概念 1 旋转壳体 壳体中面 等分壳体厚度 是任意直线或平面曲线作母线 绕其同平面内的轴线旋转一周而成的旋转曲面 2 轴对称 壳体的几何形状 约束条件和所受外力都是对称于某一轴 化工用的压力容器通常是轴对称问题 3 旋转壳体的几何概念 母线与经线法线 平行圆第一曲率半径 经线曲率半径第二曲率半径 垂直于经线的平面与中面相割形成的曲线BE的曲率半径 2 基本假设 假定壳体材料有连续性 均匀性和各向同性 即壳体是完全弹性的 1 小位移假设各点位移都远小于厚度 可用变形前尺寸代替变形后尺寸 变形分析中高阶微量可忽略 2 基本假设 2 直线法假设变形前垂直于中面直线段 变形后仍是直线并垂直于变形后的中面 变形前后法向线段长度不变 沿厚度各点法向位移相同 厚度不变 3 不挤压假设各层纤维变形前后互不挤压 无力矩理论基本方程式 无力矩理论是在旋转薄壳的受力分析中忽略了弯矩的作用 此时应力状态和承受内压的薄膜相似 又称薄膜理论 10 3 平衡方程 10 4 区域平衡方程 无力矩理论基本方程式 三 基本方程式的应用 1 圆筒形壳体第一曲率半径R1 第二曲率半径R2 D 2代入方程 10 3 和 10 4 得 2 球形壳体 球壳R1 R2 D 2 得 直径与内压相同情形下 球壳内应力仅是圆筒形壳体环向应力的一半 即球形壳体的厚度仅需圆筒容器厚度的一半 当容器容积相同时 球表面积最小 故大型贮罐制成球形较为经济 3 圆锥形壳体 圆锥形壳半锥角为a A点处半径为r 厚度为d 则在A点处 代入 10 3 10 4 可得A点处的应力 锥形壳体环向应力是经向应力两倍 随半锥角a的增大而增大 a角要选择合适 不宜太大 在锥形壳体大端r R时 应力最大 在锥顶处 应力为零 因此 一般在锥顶开孔 4 椭圆形壳体 椭圆壳经线为一椭圆 a b分别为椭圆的长短轴半径 由此方程可得第一曲率半径为 4 7 顶点应力最大 经向应力与环向应力是相等的拉应力 顶点的经向应力比边缘处的经向应力大一倍 顶点处的环向应力和边缘处相等但符号相反 应力值连续变化 受液体静压的圆筒形壳体的受力分析 筒壁上任一点的压力值 不考虑气体压力 为 根据式 10 3 10 4 可得 底部支承的圆筒 a 液体重量由支承传递给基础 筒壁不受液体轴向力作用 则s1 0 上部支承圆筒 b 液体重量使得圆筒壁受轴向力作用 在圆筒壁上产生经向应力 例题10 1 有一外径为219mm的氧气瓶 最小厚度为6 5mm 材料为40Mn2A 工作压力为15MPa 试求氧气瓶壁应力 解析 平均直径mm 经向应力MPa 环向应力MPa 四 筒体强度计算 实际设计中须考虑三个因素 1 焊接接头系数 2 容器内径 3 壁厚 筒体内较大的环向应力不应高于在设计温度下材料的许用应力 即 s t 设计温度t 下材料许用应力 MPa 焊接接头系数 钢板卷焊 夹渣 气孔 未焊透等缺陷 导致焊缝及其附近区域强度可能低于钢材本体的强度 钢板 s t乘以焊接接头系数j j 1 容器内径 工艺设计确定内径Di 制造测量也是内径 而受力分析中的D却是中面直径 解出d 得到内压圆筒的厚度计算式 壁厚 考虑介质腐蚀 计算厚度d的基础上 增加腐蚀裕量C2 筒体的设计厚度为 式中d 圆筒计算厚度 mm dd 圆筒设计厚度 mm Di 圆筒内径 mm p 容器设计压力 MPa j 焊接接头系数 另一种情况 筒体设计厚度加上厚度负偏差C1后向上圆整 即为筒体名义厚度 对于已有的圆筒 测量厚度为dn 则其最大许可承压的计算公式为 式中 dn 圆筒名义厚度 圆整成钢材标准值 五 球壳强度计算 设计温度下球壳的计算厚度 设计温度下球壳的计算应力 六 设计参数 厚度设计参数按GBl50 1998中规定取值 设计压力 设计温度 许用应力 焊接接头系数厚度附加量等参数的选取 设计压力 计算压力 工作压力pw 指在正常工作情况下 容器顶部可能达到的最高压力 设计压力p 指设定的容器顶部的最高压力 它与相应的设计温度一起作为设计载荷条件 其值不低于工作压力 计算压力pc 指在相应设计温度下 用以确定壳体各部位厚度的压力 其中包括液柱静压力 当壳体各部位或元件所承受的液柱静压力小于5 设计压力时 可忽略不计 最大工作压力 是指容器顶部在工作过程中可能产生的最高压力 表压 设计压力 计算压力 使用安全阀时设计压力不小于安全阀开启压力或取最大工作压力1 05 1 10倍 使用爆破膜根据其型式 一般取最大工作压力的1 15 1 4倍作为设计压力 容器内盛有液体 若其静压力不超过最大工作压力的5 则设计压力可不计入静压力 否则 须在设计压力中计入液体静压力 此外 某些容器有时还必须考虑重力 风力 地震力等载荷及温度的影响 这些载荷不直接折算为设计压力 必须分别计算 设计温度 与选择材料和许用应力的确定直接有关 设计温度指容器正常工作中 在相应的设计条件下 金属器壁可能达到的最高或最低温度 设计温度 器壁温度通过换热计算 不被加热或冷却 筒内介质最高或最低温度 用蒸汽 热水或其它载热体加热或冷却 载体最高温度或最低温度 不同部位出现不同温度分别计算 许用应力 许用应力是以材料的各项强度数据为依据 合理选择安全系数n得出的 抗拉强度 屈服强度 蠕变强度 疲劳强度 取其中最低值 当设计温度低于0 时 取20 时的许用应力 焊接接头系数 焊接削弱而降低设计许用应力的系数 根据接头型式及无损检测长度比例确定 符合 压力容器安全技术检察规程 才允许作局部无损探伤 抽验长度不应小于每条焊缝长度的20 厚度附加量 满足强度要求的计算厚度之外 额外增加的厚度量 包括由钢板负偏差 或钢管负偏差 Cl 腐蚀裕量C2 即C Cl十C2 腐蚀裕量C2应根据各种钢材在不同介质中的腐蚀速度和容器设计寿命确定 塔类 反应器类容器设计寿命一般按20年考虑 换热器壳体 管箱及一般容器按10年考虑 腐蚀速度 0 05mm a 包括大气腐蚀 时 碳素钢和低合金钢单面腐蚀C2 1mm 双面腐蚀取C2 2mm 当腐蚀速度 0 05mm a时 单面腐蚀取C2 2mm 双面腐蚀取C2 4mm 不锈钢取C2 0 七 最小壁厚 设计压力较低的容器计算厚度很薄 大型容器刚度不足 不满足运输 安装 限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求 壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度dmin a 碳素钢和低合金钢制容器不小于3mmb 对高合金钢制容器 不小于2mm 八 压力试验 为什么要进行压力试验呢 制造加工过程不完善 导致不安全 发生过大变形或渗漏 最常用的压力试验方法是液压试验 常温水 也可用不会发生危险的其它液体试验时液体的温度应低于其闪点或沸点 八 压力试验 不适合作液压试验的情形 如装入贵重催化剂要求内部烘干 或容器内衬耐热混凝土不易烘干 或由于结构原因不易充满液体的容器以及容积很大的容器等 可用气压试验代替液压试验 对压力试验的规定情况如下表所示 液压试验时水温不能过低 碳素钢 16MnR不低于5 其它低合金钢不低于15 外壳应保持干燥 设备充满水后 待壁温大致相等时 缓慢升压到规定试验压力 稳压30min 然后将压力降低到设计压力 保持30min以检查有无损坏 有无宏观变形 有无泄漏及微量渗透 水压试验后及时排水 用压缩空气及其它惰性气体 将容器内表面吹干 九 边缘应力 无力矩理论忽略了剪力与弯矩的影响 可以满足工程设计精度的要求 但对图中所示的一