压力容器设计.ppt

第二节压力容器设计基础 压力容器的设计是一项非常关键的工作 设计单位必须取得国家颁发的相应资格 并遵守国家有关压力容器的设计 制造和使用等方面的各项规定 一 设计内容 容器应根据工艺过程要求和条件 进行结构设计和强度设计 结构设计 主要选择适用 合理 经济的结构形式 同时满足制造 检测 装配 运输和维修的要求 强度计算 内容包括选择容器的材料 确定主要尺寸 满足强度 刚度和稳定性的要求 以确保容器安全可靠地运行 二 设计方法常规设计 又称规则设计 依据 GB150 钢制压力容器 国家标准进行设计 该标准采用弹性失效准则 对壳体应力不作详细分析 只计算总体应力 并限制壳体的基本 薄膜 应力不超过材料的许用应力值 而由于总体结构不连续引起的附加应力 以应力增强系数引入壁厚计算 或在结构上加以限制 或在材料选择 制造工艺等给以不同要求的控制 强度理论 第一强度理论在容器设计历史上使用最早 有成熟的实践经验 而且由于强度条件不同而引起的误差已考虑在安全系数内 所以至今在容器常规设计中仍采用第一强度理论 即 一 内压簿壁容器 1 承压圆筒形簿壳的受力分析 图1 5薄壁圆筒形壳体在内压作用下的应力状态和环向变形情况 1 轴向拉应力 2 周向拉应力 1 pD 4 2 pD 2 1 非圆形的人孔和手孔的长轴在周向 短轴在径向 2 纵向焊缝质量要求比环向高 2 边缘应力的产生及特性回转薄壳的形成 母线旋转而成 2 边缘应力的产生 由一组合曲线回转而成 母线不连续 从而造成应力不连续 边缘应力 特性 局限性 衰减快 影响范围小 仅在连接边缘边处 自限性 对于塑性材料 不同变形会趋于协调 降低边缘应力的措施 减少两连接件的刚度差 尽量采用圆弧过渡 局部区域补强选择合适的开孔方位 二 内压球形容器 按截面法进行分析 D2p 4 D 计算公式 pD 4 承载能力 制造要求高 例1 1 有一圆筒形和球形压力容器 它们内部均盛有压力为2MPa气体介质 两容器的内径均为1000mm 壁厚均为 20mm 试分别计算两容器的径向应力和环向应力 三 压力容器参数的确定 设计参数 设计压力 计算压力 设计温度 厚度 壁厚附加量 焊接接头系数 许用应力 1 压力参数 工作压力Pw 工作过程中容器顶部达到的最大压力 设计压力P 压力容器的最高压力 与相应的设计温度一起构成设计载荷条件 不得低于工作压力 值的确定见表1 3计算压力Pc 确定承压元件的厚度 Pc P P液 2 设计温度 是设计中选择材料和确定许用应力时的一个不可缺少的基本参数 在生产铭牌上标记的设计温度是壳体金属的最高或最低值 设计温度的选取 见表1 5 3 许用应力是压力容器壳体所用材料的许用强度 它是根据材料各项强度性能指标分别除以标准中所规定的安全系数来确定 t 极限应力 安全系数 一般地 根据GB150 1998 直接查取材料的许用应力 安全系数根据操作工况 材料 制造质量 和计算方法等多方面因素确定 标准规定 对碳素钢及低合金钢 对奥氏体高合金钢 4 焊接接头系数 反映了焊缝区材料的削弱程度 与接头 检测有关 双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透的对接接头 单面焊的对接接头 沿焊缝根部全长有紧贴基本金属垫板 焊缝类型与检测要求 按照GB150 1998中 制造 检验与验收 的规定 容器主要受压部分的焊接接头分为ABCD四类 分别有不同的检验要求 5 壁厚附加量 C C1 C2C1 钢板厚度负偏差 见表1 8 1 9 1 10 C2 腐蚀裕量C2 kaBKa 腐蚀速率 见相关手册B 设计寿命 不低于15年 腐蚀裕量的选取原则 1 根据腐蚀程度不同 可选取不同的腐蚀裕量 2 介质为压缩空气 水蒸气或水的碳素钢或低合金钢容器 腐蚀裕量不小于1mm 3 对于不锈钢容器 当介质腐蚀性极微时 腐蚀裕量 04 难以确定时 按表1 11选取 6 压力容器的公称压力 公称直径 便于设计和成批生产压力容器零部件标准化的基本参数是公称压力 公称直径 1 公称直径DN筒体 钢板卷制 内径为公称直径表1 12 13无缝钢管 外径为公称直径表1 14接管 既不是内径也不是外径表1 15 2 公称压力PN 分为常压 0 25 0 6 1 0 1 6 2 5 4 0 6 4在设计或选用压力容器零部件时需要将操作温度下的最高操作压力 或设计压力 调整为所规定的公称压力等级 然后再根据DN与PN选定零部件的尺寸 练一练 P27 1 2 1 3确定计算压力 许用应力P61 6 7P62 2 3确定计算压力 许用应力 四 压力容器的校核 1 圆筒容器的校核筒体的强度计算公式 公式的应用 确定承压容器的厚度对压力容器进行校核计算确定设计温度下圆筒的最大允许工作压力在指定压力下的计算应力 1 厚度的计算 由强度计算公式 引入内径 焊接接头系数 得到厚度计算公式 在实际应用中还应同时考虑影响强度的因素 如材料质量 制造因素 大气及介质的腐蚀等 考虑腐蚀裕量 修正后得设计厚度 考虑制造误差 经圆整到标准厚度 得名义厚度 2 最小壁厚的确定 按照GB150 1998 钢制压力容器 规定 对碳素钢 低合金钢制容器 不得小于3mm 高合金钢不得小于2mm椭圆形封头的规定不小于0 15 Di 3 设计中各类厚度的关系 4 最大允许工作应力 5 设计温度下圆筒的计算应力 例1 2 有一内压容器 已知设计压力p 0 4MPa 设计温度t 70 圆筒内径Di 1000mm 总高为3000mm 内装液体介质 液体静压力为0 03MPa 圆筒材料为16MnR 腐蚀裕量C2取1 5mm 焊缝系数 0 85 试求该容器的筒体厚度 1 计算压力的确定2 计算厚度3 设计厚度4 名义厚度5 校核 例3 对一储罐的筒体进行设计计算 已知 设计压力p 2 5MPa 操作温度 5 44 用16MnR制造 储罐内径Di 1200mm 腐蚀裕量C2 1mm 焊接接头系数 0 85 试确定筒体厚度 练习 P611 9作业 P622 2 2 3 六 封头 按结构形状分为 半球形封头凸形封头椭圆形封头碟形封头锥形封头平盖封头 1 半球形封头是半个球壳 从受力来看 球形封头是最理想的结构 但整体冲压困难 加工工作量大 其厚度计算公式 1 凸形封头 2 碟形封头由球面 过渡段及圆柱直边段三段组成 成型加工方便 但在三部分连接处 由于经线曲率发生突变 受力状况不佳 由于封头深度不大 便于加工成形 部分场合可代替椭圆形封头 3 椭圆形封头由半个椭球面和一圆柱直边段组成 由于椭圆部分经线曲率平滑连续 故封头中的应力分布比较均匀 直边按1 16进行选取 结构特性介于半球形和碟形封头之间 封头深度较小 便于加工 在中低压容器中应用广泛 4 无折边球形封头由部分球面封头与圆筒直接连接 结构简单 制造方便 但在球面与圆筒连接处存在相当大的不连续应力 只能用于压力不高的场合 2 锥形封头有两种 一种是无折边锥形封头 另一种是与筒体连接处有一过圆弧和一圆柱直边段的折边锥形封头 在厚度较薄时 制造比较方便 3 平板封头是最简单 制造最容易的一种封头 但相同直径和压力的容器 平板封头厚度过大 材料耗费过多而且十分笨重 设备的壳体可以采用铸造 锻造或焊接成一个整体 但大多数化工设备是做成可拆的几个部件 然后把它们连接起来 这一方面是设备的工艺操作需要开各种孔 并使之与工艺管道或其他附件相连接 另一方面也是为了便于设备制造 安装和检修 化工设备中的可拆连接应当满足下列基本要求 第四节压力容器附件 能保证在操作温度和操作压力下的紧密不漏 有足够的强度 不因可拆连接的存在而削弱了整个结构的强度 并保证本身能抵抗所有外力的作用 能迅速地并多次装卸 成本低廉 可拆连接的型式很多 如螺纹连接 承插式连接 钎焊连接和法兰连接等 法兰连接的强度和紧密性比较好 装拆也较方便 因而在大多数场合比其他型式的可拆连接显得优越 从而获得了广泛的应用 一 法兰法兰连接由一对法兰 垫片和螺栓组成 借助螺栓把两部分设备连接在一起 并压紧垫片使连接处紧密不漏 在压力容器应力分析中 法兰具有特殊性 不仅法兰本身是一个承受外载荷的结构部件 而且法兰连同螺栓和垫片成为承受初始预紧力的装配结构 螺栓法兰连接系统 它们的失效表现为泄漏 预紧螺栓时 螺栓力通过法兰压紧面作用到垫片上 使垫片发生弹性或塑性变形 以填满法兰压紧面上的不平间隙 从而阻止流体泄漏 1 法兰的类型松式法兰 刚度小 厚度尺寸大 只适用于压力较低的场合整体法兰 压力温度较高的场合任意式法兰 结构简单 加工方便 在中低压容器和管道中应用较广泛 2 法兰的标准管法兰 GB T9112 9124 2000HG20592 20635 1997容器法兰 JB4701 4703 2000选择法兰的主要参数是 公称直径和公称压力 1 公称直径DN 2 公称压力容器法兰的公称压力 七个等级 见表1 19管法兰的公称压力 十个等级 见表1 20 3 法兰密封面形式 平面型 结构简单 加工方便 适用于压力及温度较低的设备凹凸型 介于平面型与榫槽型之间 榫槽型 温度高 压力高 密封要求严格的场合 垫片断面的形式 4 法兰垫圈 直接与介质接触 是法兰连接的核心 选择时要考虑工作温度 工作压力 介质的腐蚀性 制造 不更换及成本等因素 使用时要求耐介质的腐蚀 不污染介质 具有一定的弹性和力学性能 在工作温度下不易硬化和软化 5 法兰标记 1 容器法兰 法兰 MFM6002 5JB T4702 2000 2 管法兰HG20593 1997法兰PL100 1 0RFS 4mm20 公称直径600mm 公称压力2 5MPa 乙型平焊法兰 见表1 21 密封面凹凸型 公称压力1 0MPa 板式平焊法兰 见表1 22 密封面为凸面法兰 见图1 31 公称直径100mm 管壁厚4mm 法兰材料20钢 二 人孔与手孔 目的 为了便于内件的安装 清理 检修 取出内件及工作人员的进出 1 人孔 a 常压平盖人孔 b 回转拱盖快开人孔 c 手摇快开人孔 d 旋柄快开人孔 e 回转盖式人孔 f 吊盖式人孔 2 手孔 与人孔类似 3 人孔和手孔的设置原则 根据结构尺寸及使用场合来选用 1 设备内径 900mm 不考虑设置人孔 可设置1 2个手孔 900mm 至少1个人孔 2500mm 顶盖与筒体至少各开1个人孔2 直径较小 压力较高的室内设备 选用DN 450mm的人孔 室外可选用DN 500mm 寒冷地区应选用DN 500mm或DN 600mm的人孔 也可400mm 300mm人孔 3 经常开启的 选用快开式人孔 人孔盖较重 选用回转盖式人孔或吊盖式人孔4 开设位置应便于检查 清洗 进出 三 支座 支承作用 三 容器的开孔与补强 1 补强的原因 开孔后引起应力集中 2 补强方法与补强结构 整体补强 适用于容器上开孔较多且密集的场合 局部补强 经济 合理 补强结构 补强圈补强 厚壁接管补强 整体锻件补强 1 补强圈补强优点 结构简单 制造方便 使用经验丰富 缺点 补强区域分散 与壳体搭焊连接 抗疲劳性能差 不能与壳体表面贴合 在中温以上使用时壳壁局部热应力较大 常用场合 中低压容器 材料的屈服强度低于540MPa 补强圈的厚度小于1 5T 壳体壁厚T不大于38mm 2 接管补强优点 补强区集中于开孔应力最大的地方 比补强圈更能有效地降低应力集中系数 而且结构简单 只需一段厚壁管即可 制造与检验都方便 应用广泛 缺点 必须保证全焊透 常用场合 低合金钢容器或某些高压容器 3 整锻件补强优点 补强区域更集中在应力集中区 能最有效地降低应力集中系数 而且全部焊接接头容易成为对接焊 易探伤 质量易保证 这种补强件的抗疲劳性能最好 疲劳寿命仅降低10 一15 缺点 锻件供应困难 制造烦琐 成本较高 常用场合 只用于重要的设备 如高压容器 核容器及材料屈服强度在500MPa以上的容器等 3 最大开孔的限制由于壳体上开孔越大 应力集中系数也越大 因此规范设计中对开孔的最大值加以限制 各国规范的规定相差不大 中国容器标准中对最大开孔直径的限制如下 开孔应避开焊缝处 孔边缘与焊缝的距离应大于壳估厚度的3倍 且不小于100mm 4 允许不另行补强的最大开孔直径 由于各种强度富余量的存在 容器开孔并非都要补强 a 不设计压力小于或等于2 5MPab 当相邻两孔中心的间距不小于两孔直径之和的两倍c 接管公称外径小于或等于89mmd 接管最小壁厚满足表1 26要求 五 安全装置 安全阀 爆破片六 其他附件 视镜 液面计 一 试验内容包括强度试验和致密性试验二 试验目的1 强度试验 检查容器在超工作压力下的宏观强度 包括检查材料的缺陷 容器各部分的变形 焊接接管的强度和容器法兰连接的泄漏检查 通常包括液压和气压试验 2 致密性试验 对密封性要求非常高的重要容器在强度合格后进行的泄漏检查 第四节压力试验 三 液压试验1 过程 液压试验的介质一般是水 2 注意事项 对于碳素钢 16MnR钢 和正火15MnVR钢 液体温度不得低于5 其他低合