设备管理_化工设备设计基础--内压薄壁容器设计

1 第二节内压薄壁容器设计 2 一 薄壁容器设计的理论基础 一 薄壁容器根据容器外径DO与内径Di的比值K来判断 K 1 2为薄壁容器 K 1 2为厚壁容器 3 二 圆筒形薄壁容器承受内压时的应力 只有拉应力无弯曲 环向纤维 和 纵向纤维 受到拉力 1 或 轴 圆筒母线方向 即轴向拉应力 2 或 环 圆周方向的拉应力 4 三 圆筒的应力计算 1 轴向应力 D 筒体平均直径 亦称中径 mm p 内压 MPa 壁厚 mm 2 环向应力 5 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 6 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 7 二 无力矩理论基本方程式 一 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 8 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 9 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 尺寸不变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 直线法假设 厚度不变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 两向应力各层纤维变形前后互不挤压 10 二 无力矩理论基本方程式 1 无力矩理论 称薄膜理论 定义 它假设壁厚与直径相比很小 薄壳像薄膜一样 只能承受拉应力和压应力 完全不能承受弯矩和弯曲应力 即在薄壳的内力素中忽略了弯矩的作用 2 无力矩理论 称薄膜理论 是设计压力容器的基础 无力矩理论基本方程式 3 3 平衡方程 3 4 区域平衡方程 11 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 3 3 和 3 4 得 12 2 球形壳体 球壳R1 R2 D 2 得 直径与内压相同 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 13 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 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 14 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 15 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 16 四 筒体强度计算 t 设计温度t 下材料许用应力 MPa 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 17 1 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 t乘以焊接接头系数 1 2 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 得到内压圆筒的厚度计算式 18 3 壁厚 考虑介质腐蚀 计算厚度 的基础上 增加腐蚀裕度C2 筒体的设计厚度为 式中 圆筒计算厚度 mm d 圆筒设计厚度 mm Di 圆筒内径 mm p 容器设计压力 Mpa 焊接接头系数 筒体设计厚度 d C1 厚度负偏差 后向上圆整 即 筒体名义厚度 n 对于已有的圆筒 测量厚度为 n 则其最大许可承压的计算公式为 e 圆筒有效厚度 19 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 2010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 1 设计压力 计算压力 设计压力 相应设计温度下确定壳壁厚度的压力 亦即标注在铭牌上的容器设计压力 其值稍高于最大工作压力 最大工作压力 指容器顶部在工作过程中可能产生的最高压力 表压 21 1 使用安全阀时 设计压力 安全阀开启压力设计压力 1 05 1 10 最大工作压力 使用爆破膜根据其型式 设计压力 1 15 1 4 最大工作压力 2 容器内盛有液体 若其静压力 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 3 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 22 2 设计温度 1 设计温度对选择材料和许用应力的确定直接有关 2 设计温度 容器正常工作 在相应的设计条件 金属器壁可能达到的最高或最低温度 3 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 23 3 许用应力 1 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 2 抗拉强度 屈服强度 蠕变强度 疲劳强度 取其中最低值 3 当设计温度低于0 时 取20 时的许用应力 24 4 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 25 5 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 26 腐蚀裕量C2 1 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 2 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 3 当腐蚀速度 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 4 不锈钢取C2 0 27 七 最小壁厚 1 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 2 壳体加工成形后 不包括腐蚀裕量 的最小厚度 min a 碳素钢和低合金钢制容器不小于3mm b 对高合金钢制容器 不小于2mm 28 八 压力试验 1 制造加工过程不完善 导致不安全 发生过大变形或渗漏 2 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 3 不适合作液压试验 可用气压试验代替液压试验 a 装入贵重催化剂要求内部烘干 b 容器内衬耐热混凝土不易烘干 c 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 4 致密性试验 检查密闭性 主要有气密性试验和煤油渗漏试验 29 二 压力试验的相关规定 30 三 液压试验要求和步骤 1 液压试验时水温不能过低 碳素钢 16MnR T 5 其它低合金钢 T 15 试验过程外壳应保持干燥 2 试验步骤 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 3 对于夹套容器 先进行内筒液压试验 合格后再焊接夹套 然后进行夹套内的液压试验 4 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 31 四 气压试验要求和步骤 1 必须对容器焊缝进行100 的无损检测 2 试验使用气体 干燥洁净的空气 氮气和其他惰性气体 3 对高压及超高压容器不宜采用气压试验 4 试验步骤 压力缓慢升至规定试验压力的10 且不超过0 05MPa时 保压5min 进行检查 继续缓慢升至规定试验压力的50 保压5min 进行检查 其后按照每级为规定试验压力的10 的级差逐级增至规定试验压力 保压10min 进行检查 将压力降至规定试验压力的87 保压较长时间 进行检查 32 五 致密性试验要求和步骤 1 气密性试验试验压力一般为设计压力的1 05倍 没装有安全阀时试验压力为设计压力 装有安全阀时试验压力为容器最高工作压力 步骤 a 压力缓慢升至规定试验压力后 保压10min 进行检查 b 然后压力降至设计压力 保压较长时间 进行检查 2 煤油渗漏试验步骤 将待检查的面清理干净 涂上白粉浆 晾干后在其对面涂抹煤油 使表面足够润湿 30min后进行检查 33 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 但对图中所示的一些情况 就须考虑弯矩的影响 34 a b c 是壳体与封头联接处经线突然折断 d 是两段厚度不等的筒体相连接 e f g 有法兰 加强圈 管板等刚度大的构件 相邻两段性能不同 或所受温度或压力不同 导致两部分变形量不同 但又相互约束 从而产生较大的剪力与弯矩 边缘应力数值很大 有时导致容器失效 35 边缘应力具有局限性和自限性两个基本特性 1