eq情商_浅谈压力容器设计基础知识

D级压力容器设计简介2013 11 5 提纲一 压力容器设计基础知识二 压力容器设计条件内容三 压力容器设计主要内容四 压力容器设计主要标准规范及近期修订情况五 常压容器设计 一 压力容器设计基础知识 1 压力容器的定义压力作用下盛装介质的密闭容器 2 压力容器的典型结构 一般的压力容器至少由筒体 件9 封头 件4 接管 管法兰 件1 支座 件2 组成 上图中还有人孔 件7 补强圈 件6 压力表 件10 安全阀 件11 液位计 件12 等 3 压力容器的主要构件1 筒体形状以圆柱形或球形为主 D级压力容器设计多为圆柱形 结构分单层和组合式两大类 D级压力容器设计多为单层结构 压力容器筒体一般以内径做为标准系列 例如DN1000 直径小于DN500的容器一般选用无缝钢管做筒体 这时以外径做为标准系列 例如DN426 筒壁结构分以下几种 2 封头 压力容器封头有半球形 椭圆形 碟形 锥形和平封头 一般设计以选用标准椭圆形封头最为普遍 受力最好 最常用 以上是GB T25198 2010 压力容器封头 中包含的标准封头 GB150 3 2011 压力容器第三部分设计 中还列有平盖 偏心锥壳等封头形式 从受力来说 最好到最差的排序是半球形 椭圆形 碟形 锥形和平封头 D级压力容器设计最常用的是标准椭圆形封头 3 接管为满足工艺 制造和检验的要求 压力容器上需要开设物料进 出口 人 手孔 测压 测温仪表口 安全阀 爆破片接口 液位计接口等等 这些开孔一般都要焊接不同规格的接管 一般接管 根据工艺需要按标准钢管系列确定其规格尺寸 最好选用常用的壁厚规格 例如DN100的碳钢管 选用 108 4 人 手孔按零部件标准选用合适的规格 人孔最小DN400 手孔最小DN150 接管与壳体 筒体 封头 的连接一般有插入式 嵌入式和安放式三种形式 插入式嵌入式安放式 4 法兰 分设备法兰和管法兰 从密封面的宽度分窄面法兰和宽面法兰 从整体性程度分松式法兰 整体法兰和任意式法兰 窄面法兰 宽面法兰 松式法兰 整体法兰 任意式法兰 5 支座 支座用于把压力容器支承和固定在基础上 用于圆筒形容器的支座分为立式容器支座和卧式容器支座 立式容器支座又有腿式支座 支承式支座 耳座和裙式支座 卧式容器支座称为鞍式支座 标准腿式支座又分为角钢形 钢管形和H钢形 支承式支座分为板式和钢管式 腿式 支承式 耳式 鞍式 6 密封装置 压力容器无论承受内压还是真空载荷 只要存在可拆卸的连接面 就需要密封装置 常用的有静密封和动密封 设备法兰之间 接管法兰之间及螺纹密封都是静密封 带有搅拌装置的轴封 一般用填料密封 或机械密封 属动密封 填料密封 机械密封 7 安全附件 压力容器的安全附件包括 1 安全阀 储存容器 反应容器一般要求设置安全阀 分汽缸 换热器等可在系统管路中设置 2 爆破片装置 在压力有可能迅速升高的情况 或介质粘稠度较高的情况下要选用爆破片做为安全泄放装置 3 紧急切断装置 如遇突发事故 可以紧急切断压力或其他危险来源 4 安全联锁装置 主要用于快开门结构 5 压力表 一般压力容器上都装设 有现场表 也有远传表 6 液位计 有现场液位计 也有远传测液位装置 7 测温仪表 同样也有现场和远传测温仪表装置 8 其他零部件 1 吊耳 2 人 手孔 3 补强圈 4 视镜 5 换热器中的管板 换热管和膨胀节等 6 搅拌容器中的搅拌器等 4 压力容器的压力等级 品种和类别的划分 1 按设计压力P划分为四个压力等级 1 低压 代号L 0 1MPa P 1 6MPa 2 中压 代号M 1 6MPa P 10MPa 3 高压 代号H 10MPa P 100MPa 4 超高压 代号U 100MPa P 2 按工艺作用划分为四个品种 1 反应压力容器 代号R 用于介质的物理 化学反应 例如反应釜 合成塔等 2 换热压力容器 代号E 用于介质的热交换 例如加热器 冷凝器 蒸发器等 3 分离压力容器 代号S 用于完成介质的压力平衡缓冲和气体净化分离 例如分离器 过滤器 干燥塔 分汽缸等 4 储存压力容器 代号C 球罐代号B 用于储存气体 液体和液化气体 例如储罐 缓冲罐等 3 按设计 制造和检验管理体系即 固容规 划分为 类 首先判断介质的分组 第一组按图A 1查定 第二组按图A 2查定 第一组介质 极度 高度危害化学介质 易爆介质 液化气体 第二组介质 除第一组外的介质 压力容器的类别越高 其设计 制造和检验的要求也越高 从选材 焊接 无损检测比例 消除应力热处理等方面要求都要提高 5 GB150 1 4 2011 压力容器 和 固容规 的管辖范围1 GB150管辖范围 0 1MPa P 35MPa 真空度 0 02MPa 内直径 150mm的压力容器 GB150规定不适用的除外 2 固容规 管辖范围 1 工作压力 0 1MPa 2 工作压力 容积 2 5MPa L 3 介质为气体 液化气体和最高工作温度 其标准沸点的液体 以上3条同时具备 才归 固容规 管理 即需特检所监检 注意 判断压力容器是否归 固容规 管辖 用工作压力 进了 固容规 的门槛后 划类用设计压力 不归 固容规 管辖的也是压力容器 也按GB150设计 只是不需报检 6 压力容器设计许可级别TSGR1001 2008 压力容器压力管道设计许可规则 中对压力容器划分为 1 A级 1 A1级 指超高压容器 高压容器 注明单层 多层 2 A2级 指第 类低 中压容器 3 A3级 指球形储罐 4 A4级 指非金属压力容器 2 C级 1 C1级 指铁路罐车 2 C2级 指汽车罐车 长管拖车 3 C3级 指罐式集装箱 3 D级 1 D1级 指第 类压力容器 2 D2级 指第 类压力容器 4 SAD级指压力容器分析设计 D级压力容器设计许可证 由省级主管部门评审颁发 A C SAD级压力容器设计许可证 由国家级主管部门评审颁发 设计许可证的有效期均为四年 7 压力容器设计的几个基本概念 1 厚度 1 计算厚度 由强度计算公式计算出的厚度 2 设计厚度 计算厚度 腐蚀裕量C2 3 名义厚度 设计厚度 材料厚度负偏差C1 再向上圆整到材料标准规格的厚度 即图样上标注的厚度 4 有效厚度 名义厚度 腐蚀裕量C2 材料负偏差C1 开孔补强 支撑局部强度校核 外压刚度校核和计算最大允许工作压力等会用到 5 最小成形厚度 加工成形后的受压元件 保证设计要求的最小厚度 图样上的封头要求标注最小成形厚度 目的是节省材料 2 压力容器焊接接头的分类 压力容器受压元件之间的焊接接头分A B C D四类 非受压元件与受压元件之间的焊接接头为E类 3 焊接接头系数 焊接接头系数表示焊缝金属与母材强度的比值 反映容器强度受焊缝缺陷削弱的程度 应根据对接接头的焊缝形式及无损检测的长度比例确定 图样上技术特性表中的焊接接头系数 不注明的话是指A类焊接接头系数 厚度计算公式中的焊接接头系数都是A类焊接接头系数 4 腐蚀裕量C2为防止压力容器由于腐蚀 机械磨损导致厚度削弱 增加的厚度裕量 1 对于均匀腐蚀或磨损的元件 C2 腐蚀速率 设计使用年限 2 不同的部件可取不同的C2 例如 只有下封头带夹套的容器内筒的上封头的C2只考虑单面腐蚀 下封头要考虑双面腐蚀 搅拌容器的介质如果有磨蚀性 下封头的C2可比上封头的取值大些 3 介质为压缩空气 水蒸汽或水时 碳钢取C2 1mm 4 对不锈钢 有衬层的容器一般取C2 0 5 钢板负偏差C1钢板负偏差是设计时考虑壁厚附加量之一 其值按相应的钢材标准选取 GB T709 2006 热轧钢板和钢带的尺寸 外形 重量及允许偏差 中的钢材厚度偏差分为N A B C四类 N类 同一厚度 允许的正 负偏差值相等 A类 同一厚度 允许的正 负偏差不相等 B类 不同厚度 允许的正偏差值不同 所有厚度允许的负偏差都为0 3mm C类 不允许负偏差 不同的厚度允许的正偏差不同 GB713 2008 锅炉和压力容器用钢板 规定厚度偏差B类 即 0 3mm 常用钢号Q245R Q345R等 GB T3274 2007 碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板及钢带 规定可按以上四种类供货 但如果供货合同未注明 则按N类供货 所以选用Q235系列钢板时按下表取C1值 6 压力 1 工作压力 在正常工作情况下 容器顶部可能达到的最高压力 有时亦称操作压力 2 设计压力 设定的容器顶部最高压力 与相应的设计温度一起作为该容器的基本设计条件 其值不低于工作压力 一台压力容器或一个独立的压力腔室 在某一操作工况设计条件下 具有唯一的设计压力值 设计压力的确定 可参照HG T20580 2011 钢制化工容器设计基础规定 中的表4 0 1 常用 3 计算压力Pc 用于确定元件厚度的压力 包括液柱静压力等附加载荷 液柱静压力小于5 设计压力时可不计入计算压力 多腔压力容器工作压力不同时要考虑最大压力差做为计算压力 4 试验压力PT 在进行压力试验时容器顶部的压力 5 最大允许工作压力MAWP 在指定的相应温度下 容器顶部所允许承受的最大压力 该压力是根据容器各受压元件的有效厚度 考虑了该元件承受的所有载荷而计算得到的 且取最小值 最大允许工作压力的作用是设定容器超压限度的起始压力 充分利用容器的圆整厚度 尽量拉大工作压力与泄放压力的压力差 使压力容器工作更为平稳 当压力容器的设计文件没有给出最大允许工作压力时 则可以认为该容器的设计压力即是最大允许工作压力 6 安全阀的整定压力 开启压力 Pz 安全阀瓣在运行条件下开始升起的设定压力 也是在设计图样的技术特性表中填写的压力 7 安全阀的泄放压力Pf 爆破片的爆破压力 泄放装置的泄放压力 即介质连续排放时的压力 包括设计压力和超压限度两部分 安全泄放量计算时用到 各压力间的关系如下图示 最大允许工作压力MAWP可能大于也可能小于PT 单腔容器计算压力Pc P 7 压力试验压力试验包括耐压试验和泄漏试验 耐压试验包括液压试验 气压试验和气液组合试验 泄漏试验包括气密性试验 氨检漏试验 卤素检漏试验和氦检漏试验等 压力试验目的 压力容器制造完毕后或定期检验时 都要进行压力试验 其目的是考核缺陷对压力容器安全性的影响 压力试验值 1 内压容器 a 液压试验 b 气压或气液组合试验 2 外压或真空容器 a 液压试验 PT 1 25Pb 气压试验 PT 1 1P外压容器或真空容器以内压进行耐压试验 夹套容器 视内筒为内压或外压容器 分别按内压或外压容器的试验压力公式确定试验压力 夹套按内压容器确定试验压力 需校核内筒在夹套液压试验压力下的稳定性 如不满足稳定性要求 则需在夹套液压试验时 内筒内保持一定的压力 对于有特殊要求的设备按行业标准的规定执行 例如乙炔设备 水压试验压力值很高 3 泄漏试验 PT P 8 无损检测无损检测分焊缝内部检测和表面检测 内部检测又分射线检测 RT 和超声检测 UT 表面检测常用的是磁分检测 MT 和渗透检测 PT 检测方法和合格级别执行标准JB T4730 1 4730 5 2005 承压设备无损检测 1 焊缝内部检测焊缝内部内部缺陷主要指裂纹 气孔 未焊透 夹渣等 UT被检测部位需表面加工到Ra6 3 且靠波形判断缺陷位置和大小 不直观 RT被检测部位不需要表面加工 但要正反面可接近 放置探头和底片 可从底片上直接判断缺陷的各类 大小和分布小 焊缝内部检测多采用射线检测 检测分为局部检测和全部检测 一般容器的局部检测比例 各条焊接接头长度20 且不少于250mm 低温容器为 各条焊接接头长度50 局部检测合格级别为 级 100 检测合格级别为 级 2 焊缝表面检测焊缝表面或近表面的缺陷是指贯穿表面的微裂纹 气孔等 表面检测不需被测表面加工 内能用肉眼判断缺陷位置 不能确定深度 有磁性的金属材料优先采用磁粉表面检测 无磁性材料采用渗透检测 表面检测的合格级别为 级 二 压力容器设计条件内容用户提供的设计条件图是压力容器设计的重要依据 GB150 1 2011中明确规定了设计条件至少包含以下内容 容器设计所依据的主要标准和规范 是指常规设计还是分析设计 操作参数 包括工作压力 工作温度 液位高度 接管载荷等 高温容器一定要注意接管载荷 压力容器使用地及其自然条件 包括环境温度 抗震设防烈度 风和雪载荷等 容器置于室内还是室外 北方要考虑冬季低温 介质组分与特性 介质的毒性与腐蚀性等 预期使用年限 根据使用经验和介质腐蚀特性 几何参数和管口方位 容积 直径 立式或卧式等要求 设计需要的其他必要条件 换热器的换热面积 搅拌釜的电机功率等 辽表的压力容器设计条件图有4种 普通容器 换热器 搅拌容器和塔器 其中并不是所有内容都必填 但设计必需的内容一定要填写 1 所有容器共性的必填内容1 介质介质的性质直接关系到容器的选材 对于腐蚀性介质要注明浓度 对于有毒有害和易燃易爆介质 要根据HG20660 2000 压力容器中化学介质毒性和爆炸危险程度与分类 注明毒性级别和易燃易爆性 对于蒸汽要注明是饱和蒸汽还是过热蒸汽 这关系到确定工作温度 对于搅拌容器中的介质要注明粘度 对于反应容器的介质要注明反应物和生成物 清楚是放热反应还是吸热反应以及是否增压 2 工作压力在不考虑管路压力损失的情况下 压缩空气储罐的工作压力是压缩机的标定压力 蒸汽分汽缸的工作压力是锅炉的产汽压力 普通储罐和过滤器的工作压力是进料泵的扬程 液化气和液化石油气的工作压力是工作温度下的饱和蒸汽压力 一般用户不必提出设计压力 但特殊用户可能提出要求 比如石油系统的设计条件单 往往设计压力远远高于工作压力 3 工作温度工作温度是设计的重要依据之一 值得注意的几个问题 对于饱和蒸汽 工作温度与工作压力是对应关系 对于压缩空气储罐 如果与压缩机直连 工作温度可能高于100 这关系到安全阀选型计算中介质密度的确定 对于换热器 管 壳程介质的进 出口温度都要注明 这不但体现出工艺的合理性 还关系到温差应力的计算 腐蚀性介质的选材与工作温度和介质浓度直接相关 根据工作温度考虑设备保温或保冷的问题 4 结构简图 反应出主要结构尺寸 直径 高度 立式 或长度 卧式 接管定位尺寸和管口方位 支撑方式 和地脚方位 附件的位置和要求 压力表 测温仪表 安全阀和液位计等 内件结构和要求 隔板 孔板 内伸管等 5 管口表 接管的连接形式 是法兰还是螺纹 连接法兰标准 PN DN及法兰密封面形式 螺纹规格 是内螺纹还是外螺纹 管口用途 若在简图中将以上信息都表达清楚了 也可不填写管口表 在条件图的管口表处注明 见附图 6 主体材质 一般非腐蚀性介质选用碳钢或低合金钢 例如Q245R Q345R Q235B等 一般腐蚀性介质 或食品工业选用不锈钢或不锈钢 碳钢复合钢板 例如06Cr19Ni10 304 一般医药工业选用铬钼不锈钢 例如022Cr17Ni12Mo2 316L 7 预期使用年限根据HG T20580 钢制化工容器设计基础规定 给出的参考值如下 一般容器 换热器 10年 分馏塔类 反应器和高压换热器 20年 环形容器 25年 重要的反应容器 如加氢反应器 氨合成塔等 30年 2 换热器条件除以上的共性条件外 还要提供如下内容 1 换热面积 按GB151 1999 钢制管壳式换热器 的规定 换热器的换热面积用换热管的有效传热部分外径计算 2 结构形式 常用的有固定管板式 U形管式 浮头式和填函式 3 换热管规格 长度 数量 排布方式 管间距 尽量选用GB151中的标准尺寸 4 管 壳程的程数 5 折流板或支持板的数量 6 是否保温 及保温材料名称和容重 保温层厚度 7 其他特殊要求 3 搅拌器的条件除之前所述的共性条件外 还要提供如下内容 1 搅拌器的电机功率 2 搅拌桨形式 3 搅拌器转速 转向 4 其他特殊要求 4 应注意的其他特殊条件1 卧式容器要注明是放置在水泥平面上还是钢平台上 若放置在水泥基础上 应预埋基础垫板 2 内装填料的容器要注明填料的规格和容重 以便确定孔板的孔径和支撑 3 是否存在循环载荷 例如压力或温度循环载荷 判断是否存在疲劳问题 4 是否设置安全阀 若系统中设置 要在条件图中注明 若在设备上设置 对于压缩空气储罐最好提供压缩机的产气量 对于液体储罐要提供液体流量 5 小于DN500的设备 例如分汽缸 最好用无缝钢管做筒体 6 对于立式容器 其上封头上的接管法兰的螺栓孔分布要求 对于有预制管段的衬胶设备尤其重要 三 压力容器设计主要内容 压力容器设计的基本内容 根据给定的工艺设计条件 遵循现行的规范 标准规定 在确保安全的前提下 经济 正确地选择材料 并进行结构 强 刚 度和密封设计 压力容器常规设计的基本步骤 用户提供设计条件图 分析容器的工作条件 确定设计参数 结构分析 初步选材 选择合适的规范和标准 受力分析和强度计算 确定构件尺寸和材料 绘制图纸 提供设计计算书和其它技术文件 1 压力容器设计的理论基础D级压力容器设计遵循的技术标准是GB150 GB150是中国第一部压力容器国家标准 是常规设计方法 1 GB150的主要理论基础设计准则 是弹性失效设计准则和失稳失效设计准则 应力分析方法 以材料力学 板壳理论公式为基础 并引入应力增大系数和形状系数 强度理论 最大拉应力理论 即第一强度理论 分析篇是最大切应力理论 第三强度理论 2 压力容器失效形式 1 强度失效 因材料屈服或断裂引起的压力容器失效 韧性断裂 压力容器在载荷作用下 应力达到或接近材料的强度极限而发生的断裂 厚度过薄和超压是引起压力容器韧性断裂的主要原因 脆性断裂 变形量很小 且在应力值远低于材料的强度极限时发生的断裂 材料脆性和缺陷 夹渣 分层 折叠等 都会引起压力容器的脆性断裂 制造缺陷 焊缝裂纹等 和使用产生的缺陷也会导致脆性断裂的发生 疲劳断裂 在交变载荷作用下 经过一定周期后发生的断裂 压力 温度的波动 振动引起的应力变化等都属疲劳载荷 蠕变断裂 压力容器在高温下长期受载 随时间的增加材料不断发生蠕变变形 造成厚度明显减薄 最终导致断裂 腐蚀断裂 因均匀腐蚀导致的厚度减薄 或局部腐蚀造成的凹坑引起的断裂 2 刚度失效 由于压力容器的变形大到足以影响其正常工作而引起的失效 例如在风载作用下塔发生过大弯曲变形 塔盘倾斜影响正常工作 3 失稳失效 在压力作用下 压力容器突然失去原有的形状引起的失效 例如真空或外压容器被压瘪 4 泄漏失效 由于界面泄漏或渗透泄漏引起的失效 5 交互失效 由于刚度失效引起的泄漏失效 由于腐蚀引起的失稳失效等 压力容器设计时 应先确定容器最可能发生的失效形式 选择合适的失效判据和设计准则 确定适用的设计规范标准 再按规范标准要求进行设计和校审 2 压力容器用钢材压力容器用钢材包括板 管 锻件 棒 1 压力容器用钢基本要求选择压力容器受压元件用钢时 应考虑容器的使用条件 如设计温度 设计压力 介质特性和操作特点等 材料的性能 力学性能 工艺性能 化学性能和物理性能 容器的制造工艺以及经济合理性 压力容器用钢不但要有强度的要求 还要有强度与塑性的配合 还要有良好的可焊性 压力容器焊接用钢大多是低碳钢 要求C 0 025 C能 钢的强度极限和屈服极限 但会降低材料的焊接性能 提高脆性转变温度 所以压力容器用钢限制碳的含量 依靠加入其他低含量合金元素来提高钢的强度 压力容器用钢还要求控制钢中杂质P S的含量 用于焊接的碳素钢和低合金钢 P 0 035 S 0 035 压力容器专用钢的碳素钢和低合金钢 P 0 030 S 0 020 2 常用压力容器钢材的标准GB713 2008 锅炉和压力容器用钢板 如Q245R Q345R钢板 GB T3274 2007 碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板及钢带 如Q235B钢板 GB24511 2009 承压设备用不锈钢钢板及钢带 如06Cr19Ni10钢板 GB T8163 2008 输送流体用无缝钢管 如10 20钢管 厚度 10mm GB9948 2006 石油裂化用无缝钢管 如10 20钢管 厚度 30mm GB6479 2000 高压化肥设备用无缝钢管 如20钢管 厚度 40mm GB T14976 2002 流体输送不锈钢无缝钢管 如0Cr18Ni9钢管 厚度 28mm GB13296 2007 锅炉 热交换器用不锈钢无缝钢管 如0Cr18Ni9钢管 厚度 14mm 3 压力容器常用钢板适用范围 1 2 1 GB150 2 2011中规定 碳素钢和碳锰钢钢材在高于425 下长期使用时 应考虑钢中碳化物相的石墨化倾向 因为碳素钢和碳锰钢在上述情况下 钢中的渗碳体会产生分解 Fe3C 3Fe C 石墨 而这一分解和石墨化 最终会使钢中的珠光体部分或全部消失 使材料的强度及塑性下降 而冲击值下降尤甚 钢材明显变脆 2 GB150 2 2011中规定 奥氏体型钢材的使用温度高于525 时 钢中含碳量应不小于0 04 这是因为高温使奥氏体中的碳溶解度提高 当温度下降时 过饱和的C与晶界附近的Cr化合成Cr23C6 造成晶界附近贫铬 引起晶间腐蚀倾向 奥氏体钢在使用温度500 550 时 若含碳量太低 强度和抗氧化性会显著下降 4 钢材许用应力压力容器钢材的许用应力 是以不同的强度极限值除于不同的安全系数 取其中的最小值确定的 GB150中除奥氏体不锈钢是用Rp0 2 1 5确定的外 大多材料都是Rm 2 7确定的 下表是碳钢 低合金钢和高合金钢的许用应力取值 表中 Rm 材料标准抗拉强度下限值 MPa ReL Rp0 2 材料标准屈服强度 或0 2 非比例延伸强度 MPa RDt 材料在设计温度下经10万小时断裂的持久强度的平均值 MPa Rnt 材料在设计温度下经10万小时蠕变率为1 的蠕变极限平均值 MPa 3 内压圆筒 单层 强度设计1 厚度计算公式其中 计算厚度 mm Pc 计算压力 MPa Di 容器内径 mm Do 容器外径 mm 焊接接头系数 t 设计温度下材料的许用应力 计算公式是由圆筒的薄膜应力 由无力矩理论 对于薄壳 K D 1 2 忽略弯曲内力 只计最大拉应力 按最大拉应力准则导出的 其适用范围是 Pc 0 4 t 即K 1 5 内径 外径 薄壳圆筒的应力 轴向应力 环向应力 其中 P 设计压力 D 中径 t 壁厚 环向应力是轴向应力的二倍 圆筒厚度公式的来源 球壳厚度公式的来源 2 强度校核公式3 最大允许工作压力计算公式 内径 外径 内径 外径 4 厚度的确定图样上注明的厚度是名义厚度 理论上 n C1 C2再向上圆整到钢板的标准厚度 但在设计中还要考虑的因素很多 1 GB150中要求的壳体成形后 不包括C2的最小厚度要求 碳钢 低合金钢制容器不小于3mm 高合金钢制容器不小于2mm 2 换热器标准GB151的最小壁厚要求 碳钢 低合金钢 高合金钢 3 开孔补强的需要 4 支承强度和刚度要求 5 衬里设备的刚度要求 6 选用材料的厚度限制 7 利用制造厂库存材料等 总之筒体壁厚的确定 要在保证安全的前提下 综合考虑经济等各种因素后确定 4 内压椭圆封头强度设计主要介绍常用的以内径为准的椭圆封头 1 厚度计算公式其中 h 椭圆封头计算厚度 mm K 椭圆封头形状系数 标准椭圆封头K 1 其物理意义 K 封头上最大总应力 圆筒上周向薄膜应力 内径 由半球形封头厚度计算公式演变来的 2 椭圆封头的受力特点薄壁椭圆球壳在内压作用下 存在径向应力 r和环向应力 径向应力 r总是大于0 但环向应力 却随着椭圆的形状变化而不同 图1径向应力分布图 在顶点 r最大 且与 相等 在赤道 r最小 环向应力在顶点处总是大于0 但在赤道处却存在三种情况 图2环向应力分布 1 图3环向应力分布 2 图4环向应力分布 3 图2 时 0图3 时 0图4 时 0 可能发生周向皱褶而导致局部屈服失效 这就是为什么GB150规定 Di 2hi 2椭圆形封头 e 0 15 Di Di 2hi 2椭圆形封头 e 0 30 Di 3 厚度的确定和筒体一样考虑诸多因素 一般取与筒体等厚 利于焊接 5 平盖平盖也是压力容器常用的封头形式之一 1 厚度计算公式其中 p 平盖计算厚度 mm Dc 平盖计算直径 mm K 结构特征系数 是以薄板 0 01 p R 0 2 理论为依据 按塑性失效原理确定的 2 平板受力特点 1 板内环向应力 与径向应力 r均为弯曲应力 沿板厚成线性分布 2 薄板结构的最大弯曲应力 薄壳结构的最大拉应力 相同R t R为平板半径 t为平板厚度 条件下 薄板所需厚度比薄壳大 3 平板应力与固定方式有关 4 周边固支的最大正应力为支承处的 r 周边简支的最大正应力为中心处的 r 是固支的1 65倍 5 最大挠度都在中心 周边简支的是固支的4 08倍 6 周边固支的在刚度和强度两方面均优于周边简支的 工程中是介于两者之间的 3 设计应用 1 做备用口接管盲板 按压力等级选用标准件 2 用于低压 小直径设备的封头 但比较厚 换热器用的比较多 3 用于造纸机械的烘缸 但是加筋结构 厚度计算公式有变化 6 开孔补强压力容器上必有开孔 在开孔部位 不但会削弱容器强度 而且由于结构连续性受到破坏 壳体和接管变形不一致 在开孔和接管处将产生较大的附加弯曲应力 局部区域的峰值应力可达器壁基本应力的3倍以上 这种局部的应力增长现象 称为 应力集中 开孔补强就是为降低开孔处的应力集中程度 1 开孔补强计算方法GB150中有等面积法和分析法 HG T20582 六项标准之一 中有压力面积法 1 等面积法的适用范围 a 圆筒Di 1500mm时 开孔最大直径d0p Di 2 且d0p 520mm Di 1500mm时 d0p Di 3 且d0p 1000mm b 凸形封头或球壳上开孔最大直径d0p Di 2 c 锥壳上开孔最大直径d0p Di 3 Di为开孔中心处的锥壳内直径 2 分析法适用范围d 0 9D 开孔率比等面积法大的多 是GB150新增内容 计算复杂 3 压力面积法适用范围又叫大开孔补强 适用于di Di超出GB150等面积补强法的情况 4 等面积法简介它是建立在无限大平板开小孔的弹性分析理论基础上的带有经验性的方法 等面积补强方法规定 局部补强的金属截面积Ae 必须大于或等于开孔削弱所需要的补强截面积A 即Ae A Ae A1 A2 A3 A4其中 A1 壳体的强度富余面积 当A1 A2 A3 A时 不用另加补强 A2 接管的强度富余面积 当A1 A2 A3 A时 另加补强A4 A3 焊缝截面积 当A1 A2 A3 A4 A时 补强计算合格 A4 另加补强面积 从上图中可看出 接管的内伸部分几乎都可做为补强面积 所以 当工艺条件允许 不是向下的排净口 制造条件允许 不是衬里设备 时 在补强面积差的不大的情况下 采用内伸结构可解决问题 但是有限度的 h2内 2 开孔补强结构形式 1 补强圈补强设计采用的最多 2 整体补强a 壳体整体加厚 增加多了不经济 一般加2mm左右可接受 b 厚壁接管补强 计算差的少的可用 但厚壁管要考虑采购是否方便 c 整体锻件补强 一般用于高压场合 D级用的较少 补强圈补强整体锻件补强 3 补强圈的适用范围a 低合金钢的标准抗拉强度下限值Rm 540MPa b 补强圈厚度 1 5 n c 壳体 n 38mm 若条件允许 推荐以厚壁管代替补强圈进行补强 4 不另行开孔补强的条件a P 2 5MPa b 相邻开孔中心距 两孔直径之和 3个以上开孔 任意两孔中心距 2 5两孔直径之和 c d0 89mm d 接管壁厚满足下表 表中C2 1mm e 开孔不得位于A B类焊接接头上 f Rm 540MPa时 全焊透 5 设计时注意的问题a 中 低压容器设计多数是采用补强圈补强 一般采用与壳体相同材料 且等厚 开孔补强计算往往不需要等厚 b 符合前面 4 的条件的开孔 不必计算 c 现在都是利用强度计算软件计算 对于同等条件 都开在筒体上或都开在封头同一半径上 的不同规格的开孔 如果较大的开孔补强计算合格了 则等厚的较小规格的开孔补强可省略不算 d 对于标准人孔的开孔补强计算 要注意接管的焊接接头系数不一定是1 e 对于补强面积差的不多的情况 可将接管所在位置壳体的焊接接头系数取1 计算就能通过 但要在图样上注明 接管避开焊缝 7 安全泄放装置包括安全阀和爆破片安全装置 常规设计中最常用的是弹簧式安全阀 依阀瓣的开启高度分为全启式和微启式 全启式适用于泄放气体 蒸汽及液化气介质 微启式一般适用于泄放液体 安全阀适用于清洁 不含固体颗粒 黏度低的介质 爆破片适用于压力快速增长的场合 如没有特殊要求 优先选用安全阀 弹簧式安全阀的工作原理 当安全阀阀瓣下的介质压力超过弹簧的压紧力时 阀瓣被顶起 排出的气体由于下调节环的反弹而作用在阀瓣夹持圈上 使阀门迅速打开 随着阀瓣的上移 气体冲击在上调节环上 使排气方向趋于垂直向下 排气产生的反作用力推着阀瓣向上 并且在一定的压力范围内使阀瓣保持在足够的提升高度上 随着气体不断排出 系统内的压力逐步降低 此时 弹簧的作用力将克服作用于阀瓣上的气体压力和排气的反作用力 从而关闭安全阀 安全阀的最大优点是泄压后可自动恢复连续操作 而爆破片却不能 1 容器安全泄放量计算对于直连压缩机储气罐 取压缩机单位时间内的最大产气量 对于直连锅炉的储汽罐 取锅炉单位时间内的最大产气量 一般气体储罐 Ws 2 83 10 3 vd2其中 Ws 压力容器的安全泄放量 kg h 气体泄放压力下密度 kg m3 0 气体标准状态 1个大气压 0 下的密度 Tf 气体泄放温度 设计温度 273 K 绝对温标 P0 0 101MPa 绝压 T0 273K 绝对温标 Pf 安全阀的泄放压力 max 1 1P 0 02 0 101MPa 绝压 P 容器的设计压力 对于只装一个安全阀时P Pz Pz 安全阀的整定压力 Pz 1 05 1 1 PwMPa 表压 V 压力容器进口管内气体的流速 m s 一般气体10 15 饱和水蒸汽20 30 过热水蒸汽30 60 d 压力容器进口管的内径 mm 2 安全泄放装置的泄放面积计算a 气体 临界条件下 其中 A 安全泄放装置最小泄放面积 mm2 对于全启式安全阀 是指喉径处的截面积 对于微启式安全阀 是指喉径处的帘面积 h d0 1 40 1 20 为阀瓣开启高度 对于微启式安全阀的阀瓣开启高度GB150上有更详细的规定 注意 对法兰连接的安全阀一般喉径都小于公称直径 C 气体特性系数 可根据气体的绝热指数k 从GB150表B 4中查取 对于常见双原子气体如空气 氮气 氧气等为356 K 泄放系数 安全阀按阀门样本选取 样本上没有时可参照99版 容规 选取 全启式0 6 0 7 微启式带调节圈0 4 0 5 不带调节圈0 25 0 35 爆破片与接口管道形状有关 形状不易确定时取0 62 M 气体摩尔质量 kg kmol 数值就是分子量 Z 气体在操作温度 压力下的压缩系数 根据介质的临界温度 临界压力 和泄放温度 泄放压力 计算出对比温度和对比压力 从右图中查取 介质的临界温度和临界压力从物性手册中可查取 对于空气取1 在中 低压下的双原子气体也可取1 b 饱和蒸汽 当Pf 10MPa时 当10MPa Pf 22MPa时 c 液体其中 液体动力黏度校正系数 见图B 2 当液体黏度不大于20 水的黏度时取 1 P 泄放装置泄放时内 外压差 MPa 1储气罐 3 装有安全泄放装置的压力容器设计压力的确定a 安全阀 当装设一个时 P Pz 当装有多个时其中一个Pz P 其他的Pz 1 05P 注意 当容器要求做气密性试验时 PT P 并要求带安全阀试验 不允许安全阀起跳 这时P Pz Pw 图样上要注明 Pw b 爆破片 首先确定爆破片的最低标定爆破压力Psmin 选定爆破片的制造范围 计算爆破片的设计爆破压力Pb Psmin 制造范围下限 确定设计压力P Pb 制造范围上限 由此可看出 同一Pw时 安装爆破片比安装安全阀时的设计压力大 例如一台工作压力1 0MPa的压力容器 若装一个安全阀 Pz 1 05 1 1 Pw 取Pz 1 08 取P 1 1 若装一个反拱型爆破片 Psmin 1 25Pw 取Psmin 1 25 选全范围Pb 1 25 0 065 1 315P Pb 0 11 1 415 8 卧式容器设计卧式容器的设计执行标准JB T4731 2005 钢制卧式容器 其适用条件 P 35MPa 在均匀载荷作用下 对称的双鞍座 1 力学模型把卧式容器当做承受均布载荷 双支点的外伸简支梁 同时考虑充满液体静压作用于端封头以及对圆筒水平纵向截面的力矩作用 下图中 F 支反力 是所有重力载荷 物料重量 设备自重 保温层质量等 的一半 q 重力均布载荷 M 重力载荷引起的弯矩 F 重力载荷引起的剪力 危险截面 力学模型 剪力图 弯矩图 2 应力计算只简单介绍常用的不带加强圈的应力计算 如果按JB T4712 2007 容器支座第1部分鞍式支座 选用的鞍座 可不对鞍座进行强度校核 固只介绍圆壳体上的应力 分为三组应力 a 轴向应力 1 圆筒中间截面顶点轴向应力 2 圆筒中间截面最低点轴向应力 3 支座处圆筒横截面内鞍座边角处的轴向应力 4 支座处圆筒横截面内最低点的轴向应力 b 周向应力 5 支座处圆筒横截面内最低点的周向应力 6 无加强圈时鞍座边缘处的圆筒周向应力 6 鞍座边缘处圆筒周向应力 c 剪应力 圆筒切向剪应力 h 封头切向剪应力 轴向应力由两部分组成 第一项是由内压引起的薄膜应力 第二项是由弯矩引起的弯曲应力 各轴向应力作用点如图示 其中 3 当A Ra 2时在支承截面顶点 否则且鞍座处无加强圈时在接近水平位置 1 2 3 3 4 1 轴向应力 轴向应力判据 操作状态 最大拉应力 最大正值 max 1 2 3 4 t最大压应力 最小负值 min 1 2 3 4 tac还有水压试验时的应力校核 A Ra 2时 2 周向应力周向应力判据 5 t 6 1 25 t 6 1 25 t L Ra 8时 L Ra 8时 L Ra 8时 L Ra 8时 3 剪应力剪应力判据 0 8 t h 1 25 t h A Ra 2时 A Ra 2时 3 设计注意问题 1 支座应尽量使A 0 5Ra 当无法满足时 A不宜大于0 2L 2 鞍座一个选用固定式 一个选用滑动式 固定式的鞍座宜放在设备约束较大一侧 如较大接管一侧 3 设备若放置在水泥基础上 在滑动式鞍座下应预埋基础垫板 4 在低压工况下 卧式容器的壁厚往往不是由薄膜应力决定的 可能是由周向应力决定的 5 选用标准鞍座 只能说明鞍座的强度足够 并不代表卧式容本身安全 所以一定要进行卧式容器强度计算 2分汽缸 9 外压容器设计真空容器和带有正压夹套的容器内筒都要进行外压设计计算 外压计算是一个先假设容器壁厚 通过图表法计算出许用外压力 P 直到Pc P 否则反复试算的过程 GB150把外压圆筒分为D0 e 20的薄壁圆筒和D0 e 20的厚壁圆筒 薄壁圆筒仅需进行稳定性校核 厚壁圆筒要同时考虑失稳和强度失效 现在都是利用强度计算软件进行计算 例如利用SW6计算软件 输入假设壁厚后 如果校核计算不合格 计算软件会给出修改设计的选择方案 a 给出在输入的计算压力下满足要求的最大计算长度 b 给出在输入的计算长度条件下壁厚要增加到多少 c 增设加强圈 外压容器 包括夹套容器的设计应注意的几个问题 1 计算压力的确定要考虑可能出现的最大内 外压力差来确定 2 外压计算长度外压容器计算时 外压长度确定的正确与否 直接关系到计算结果的准确性 真空容器 夹套容器 带加强圈容器 3 壁厚的确定一般情况下 按外压确定的壳体壁厚 比按内压确定的壁厚厚的多 而且外压设计计算与材料的强度指标关系不大 主要与材料的弹性模量E相关 所以当外压计算不合格时 不能用选择更高强度的材料来解决问题 4 增设加强圈如果按外压计算壁厚太厚 特别是用不锈钢时 从经济性考虑 增设加强圈更合理 加强圈规格是按抗弯需求计算出来的 加强圈与筒体间一般采用间断焊 5 腐蚀裕量对于不完全夹套容器的内筒和下封头 其C2的取值要考虑双面腐蚀 如果是含有固体物料的搅拌容器 还要考虑介质的磨蚀 6 水压试验对于夹套容器内筒 如果水压试验外压校核不合格 水压试验时内筒要保压 3反应锅 10 管壳式换热器设计GB151 1999 管壳式换热器 快出新标准了 中包含四种主要结构形式的换热器 固定管板式 浮头式 U形管式和填料函式 换热器的设计计算主要是管板的强度计算 比较复杂 如果手算需要几天的时间 现在用计算软件计算 所以这里只简单介绍设计思路 和设计时应注意的问题和结构形式 1 管壳式换热器的主要结构形式 1 固定管板式其典型结构如右图 管束连接在管板上 管板与壳体焊接 其优点是结构简单 紧凑 承受压力较高 造价低 管程清洗方便 管子损坏时易于堵管或更换 缺点是当管 壳程温差或换热管与壳体材料线胀系数相差较大时 热应力较大 适用于壳程介质清洁 管 壳程温差不大或温差较大但壳程压力不高的场合 上管箱 管板 换热管 折流板 膨胀节 拉杆 下管箱 2 浮头式其典型结构如上图 只有一端管板与壳体固定 另一端可自由移动 所以称为浮头 浮头由浮头管板 钩圈和浮头盖组成 是可拆连接 管束可从壳体内抽出 管束与壳体的热变形互不约束 不会产生热应力 其特点是管间和管内清洗方便 但其结构复杂 造价比固定管板式的高 设备比较笨重 材料消耗量大 浮头端小盖在操作中无法检查 制造时对密封要求较高 适用于壳体和管束间温差较大或壳程介质易结垢的场合 浮头管板 钩圈 浮头盖 3 U形管式其典型结构如上图 特点是只有一块管板 管束由多根U形管组成 换热管的两端固定在同一块管板上 不会产生热应力 由于受弯曲半径的限制 换热管排布较少 管板利用率较低 管束最内层间距较大 壳程液体易形成短路 对传热不利 内层换热管不能更换 只能堵死 且坏一根等于坏两根 报废率较高 其结构比较简单 价格便宜 承压能力强 适用于管 壳程温差较大或壳程介质易结垢需要清洗 又不适宜采用浮头式的场合 U形管 4 填料函式其结构如上图示 与浮头式相似 只是浮头露在壳体之外 滑动部位采用填料函式密封结构 管束可伸缩 不产生热应力 结构较浮头式简单 制造方便 节省材料 造价比较低 且管束可抽出 管内 管间都能进行清洗 维修方便 因填料处易产生泄漏 一般适用于4MPa以下的工作条件 且不适用于易挥发 易燃 易爆 有毒及贵重介质 使用温度也受填料的物性限制 填料函式换热器出在已很少采用 填料函 填料 填料压盖 2 管壳式换热器的主要零部件及设计 1 管板GB151的管板计算公式力学模型是 把实际的管板简化为承受均布载荷 放置在弹性基础上 且受管孔削弱的当量圆平板 同时考虑管束对管板挠度的约束作用 忽略对转角的约束作用 管板周边不布管区对管板应力的影响 管板边缘不同的连接结构对管板边缘转角的约束作用和管板兼作法兰时力矩的影响 管板最小厚度 mina 焊接时 min 12mm b 胀接时 严格场合 min d0 一般场合d0 25时 min 0 75d025 d0 50时 min 0 70d0d0 50时 min 0 65d0 管孔排列形式 常用 机械清洗时 换热管孔中心距SS 1 25d0 常用的中心距 布管限定圆 b3 0 25d且 8 管桥管板加工图的技术要求中要注明管桥宽度偏差 当换热管外径 孔中心距 管板厚度与表中不同时 按标准计算 注意 2011版GB150规定GB T8163管不得用于管壳式换热器的换热管 可用的都是高级管 固不存在 级管 钢管采用强度焊或强度焊加贴胀时 可放宽用 级管的表 管孔公差管板加工图中要注明管孔公差 换热管外径与表中不同时 可按相近的管径选取 管板的固定方式兼作法兰焊接式不作法兰焊接式夹持式 图面其他要求管板密封面与轴线垂直度公差按GB T1184的9级公差选取 若胀接 管孔与管板密封面的垂直度公差按GB T1184的9级公差选取 管孔表面不允许存在贯通的纵向条痕 螺栓孔中心圆及任意两孔弦长的偏差要求 锻制管板级别不低于 级 拼接管板的对接接头100 射线检测 碳钢或低合金钢制拼接管板进行焊后消除应力热处理 不同材料做管板的厚度限制不同 如Q235B不大于30mm Q235C不大于40mm 对于复合材料制作的管板的特殊要求 管板是管壳式换热器的主要构件之一 管板的强度计算是换热器强度计算中的重头戏 计算时要同时考虑到不同的危险工况组合 只有Ps Pt 0 不计温差应力 只有Ps Pt 0 计温差应力 只有Pt Ps 0 不计温差应力 只有Pt Ps 0 计温差应力 在不同危险工况组合下 计算出相应的管板应力 管板径向应力 周边径向应力 周边剪切应力 壳体法兰应力 换热管轴向力 壳程筒体轴向力 换热管与管板连接拉脱力 根据不同的应力性质 不同的判据 一次应力 1 5 t一次应力 二次应力 3 t 进行应力校核 当管板应力超标时 可采用两种方法进行调整 管板 壳体轴向刚度 设置膨胀节 2 换热管换热管有光管 波节管 螺旋槽管等 最常用的是光管 换热管的外径和壁厚按钢管标准系列选用常用规格 长度最好也按GB151推荐的管长选取 常用换热管标准GB150 2 2044中规定 GB T8163中的10 20和Q345D GB T14976中的钢管不得用于管壳式换热器 注 旧图上常用这两个标准 现可选标准 碳钢和低合金钢管 a GB9948 石油裂化用无缝钢管 中的高级管 b GB6479 高压化肥设备用无缝钢管 中的高级管 c GB5310 高压锅炉用无缝钢管 高合金钢管 a GB13296 锅炉 热交换器用不锈钢无缝钢管 b GB T21833 奥氏体 铁素体型双相不锈钢无缝钢管 中的高级管 c GB T24593 锅炉和热交换器用奥氏体不锈钢焊接管 P 10MPa 不得用于极度或高度危害介质 d GB T21832 奥氏体 铁素体型双相不锈钢焊接钢管 中的 钢管 限制条件同上 换热管与管板的连接方式a 强度胀接保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的胀接 常用的胀接方法有机械胀 液压胀 爆炸胀等 胀管器使管头直径增大产生塑性变形 板管只产生弹性变形 撤出胀管器后 管板弹性恢复 挤压力实现贴合 达到坚固与密封的目的 适用范围 P 10MPa 设计温度 300 无剧烈振动 无过大温度变化及无明显的应力腐蚀 b 强度焊保证换热管与管板连接的密封性能及抗拉脱强度的焊接 由于管孔不需要开槽 对管孔的光洁度要求不高 管子端部不需要退火和磨光 加工简单 而且强度高 所以是最常用的连接方式 适用范围 P 35MPa 无较大振动及无间隙腐蚀 c 胀焊并用胀焊并用又分为 强度胀 密封焊 和 强度焊 贴胀 顾名思义 前者以强度胀保证拉脱力 以焊接实现密封 后者焊接承受拉脱力 胀接消除管与板间隙 一般认为先焊后胀为宜 以防胀管用的润滑油清洗不净 焊接时形成气孔 影响焊缝质量 适用范围 密封性能要求高 承受振动或疲劳载荷 有间隙腐蚀 采用复合管板 强度胀 密封焊 强度焊 贴胀 图面其他要求换热器装配图上要注明换热管的精度等级和外径 壁厚偏差要求 装配图的技术特性表中注明换热管与管板的连接方式 换热管拼接时要符合GB151中的相关