化工容器设计与防腐.ppt

化工容器设计 运用与防腐技术前沿 2020 3 19 1 目录 一 化工容器的设计准则发展二 高压容器的材料选用三 高压容器优化模型的建立四 近代优化设计方法的应用五 高压容器的前沿应用六 高压容器的腐蚀与防腐七 总结 2020 3 19 2 概论 近代以来 化工及石油化工的蓬勃发展使化工容器出现了大型化 高参数 高压 高温 低温 及选用高强材料的趋向 因而高压容器在设计 运用与防腐管理等方面都出现了一系列的新问题 如最优化设计 运用前景 腐蚀与防腐等 这些问题按常规的容器设计与维护思维方法是无法解决的 这些工程问题的出现大大推动了容器设计与维护理论的发展 2020 3 19 3 一 化工容器的设计准则发展 为防止化工容器发生上述各种形式的失效 近代化工容器设计的重要特点就是必须考虑采用相应的设计准则 目前在化工容器已被采用的设计准则有如下几种 2020 3 19 4 1 弹性失效设计准则 这是为防止容器总体部位发生屈服变形 因而将总体部位的最大设计应力限制在材料的屈服点以下 保证容器的总体部位始终处于弹性状态而不会发生弹性失效 2 塑性失效设计准则容器某处 如厚壁筒的内壁 弹性失效后并不意味着容器失去承载能力 将容器总体部位进入整体屈服时的状态或局部区域沿整个壁厚进入全域屈服的状失效状态 若材料符合理想塑性假设 此态称为塑性时载荷不需继续增加 其变形会无限制地发展下去 故称此载荷为极限载荷 将极限载荷作为设计的依据并加以限制 以防止发生总体塑性变形 称为极限设计 这种 极限设计 的准则即为塑性失效设计准则 2020 3 19 5 2020 3 19 6 图一 强度应力图 3 爆破失效设计准则非理想塑性材料在屈服后尚有增强的能力 对于容器 主要是厚壁的 在整体屈服后仍有继续增强的承载能力 直到容器达到爆破时的载荷才为最大载荷 若以容器爆破作为失效状态 以爆破压力作为设计的依据并加以限制 以防止发生爆破 这就是容器的爆破失效设计准则 2020 3 19 7 4 弹塑性失效设计准则如果容器的某一局部区域 一部分材料发生了屈服 而其他大部分区域仍为弹性状态 而弹性部分又能约束着塑性区的塑性流动变形 结构处于这种弹塑性状态可以认为并不一定意味着失效 只有当容器某一局部弹塑性区域内的塑性区中的应力超过某一确定的许用值时才认为结构发生了弹塑性失效 5 疲劳失效设计准则为防止容器发生疲劳失效 只有将容器应力集中部位的最大交变应力的应力幅限制在由低周疲劳设计曲线确定的许用应力幅之内时才能保证在规定的循环周次内不发生疲劳失效 这就是疲劳失效设计准则 2020 3 19 8 6 蠕变失效设计准则设计时将高温容器筒体的蠕变变形量限制在某一允许的范围之内 便可保证高温容器在规定的使用期内不发生蠕变失效 这就是蠕变失效设计准则 7 失稳失效设计准则外压容器的失稳皱折需按照稳定性理论进行稳定性校核 这就是失稳失效的设计准则 2020 3 19 9 二 高压容器的材料选用 一 选材原则与主要性能指标超高压容器工作条件比较苛刻 除了承受高压之外 还常常伴有交变载荷或冲击载荷 有时还伴有高温和介质腐蚀作用 因此 为了确保超高压容器的安全 正确选用结构材料是非常重要的 超高压容器结构材料的选择 除应满足一般压力容器选材的要求外还应特别注意材料强度与塑性的合理匹配 断裂韧性 疲劳强度 可锻性 硫磷含量等 二 强度与塑性选择超高压容器材料时 不能只从强度方面考虑 认为材料强度愈高愈好 材料强度提高后 往往会使塑性和韧性降低 导致产生脆断的危险 因此 提高强度要有个极限 一般使屈强比在0 8 0 9的范围内 有时甚至要降低强度以满足塑性 韧性的要求 使材料有足够的韧性储备 以便于吸收局部的高峰值应力和抵抗冲击性载荷 2020 3 19 10 三 断裂韧性超高压容器在制造加工和使用过程中 不可避免地会产生一些缺陷 由于缺陷的存在 难以预料的低应力脆断倾向便会增加 为了避免容器低应力脆断的发生 必须要求材料有较高的断裂韧性 四 疲劳强度在超高压容器设计中 器壁应力水平较高 选择疲劳强度高的材料变得十分重要 钢材中非金属夹杂物以及磷 硫的存在 会大幅度地降低材料的疲劳强度 因此 选择材料时 必须尽可能地减少夹杂物的含量 而采用真空冶炼则是减少夹杂物含量最有效的手段 2020 3 19 11 五 磷 硫等含量钢材中磷 硫含量对钢材的韧性及各向异性也有显著的影响 在高强度钢中 夹杂物的数量越多 各向异性程度亦越大 此外 钢中存在的化学成分的偏析也是构成各向异性的一个因素 因此 超高压容器锻件中的磷 硫含量应严格控制 均应 0 015 钢中的气体 如氢 氧 氮等 有害杂质 如铜 钛等 及有微量元素 如砷 锡 锑 铅 铋等 也应严格控制 尽可能减少 2020 3 19 12 三 高压容器优化模型的建立 数学模型的建立是高压容器优化设计过程中首要解决的问题 它对优化问题的研究起着至关重要的作用 优化设计数学模型建立的首要内容是把最能反映设计要求的量作为目标函数 把全部限制作为约束条件 即建立如下数学模型 2020 3 19 13 1 根据高压容器简体结构特点 高压容器筒体的质量主要取决于筒体的内径 长度及厚度 故选取简体内径 筒体长度L 筒体厚度 封头壁厚作为设计变量 单位均为mm 即 2020 3 19 14 2 目标函数的确定以高压容器筒体的质量最小作为优化目标 即 式中 为筒体外径 mm 为封头外径 mm 为压力容器材料体积质量 2020 3 19 15 3 约束函数的确定约束函数应全面考虑压力容器设计的要求和限制条件来确定 其主要内容如下 1 容积的限制由筒体 封头内径和筒体长度所确定的容器壳体体积为 2020 3 19 16 其必须满足容器所要求的全容积V 由此得到等式约束方程 2 除容积的限制条件 还应满足强度条件 刚度条件 压力实验条件 容器长度优化条件等 查阅资料可得这些设计准则公式 在此不一一赘述 2020 3 19 17 四 最新优化设计方法的应用 一 数值分析法现代压力容器的分析设计 疲劳设计等等 其中必然要涉及到对容器各种特殊部位的详细应力分析 现成的理论解必竟是有限的 大部分情况将必须依靠现代的数值计算方法并借助电子计算机来完成 最常用的数值计算方法是有限元素法 有限元素法是将连续的结构体离散为有限个单元 单元与单元之间仅靠节点相连 以此种有限数量的单元组合体来代替原有的连续体 然后对这种单元组合体建立起在外载荷作用下的支配方程 这是个大型联立方程组 可编成计算机程序 由计算机完成全部计算 这可以用来解决杆系 板 壳 轴对称与非轴对称结构的节点位移 应变与应力的计算 只要单元选取合适 单元划分愈细 数值解就愈能逼近真实 2020 3 19 18 二 计算机辅助设计将容器设计的标准计算方法编制成计算机程序代替人工设计并用计算机完成绘图 这就是现代的计算机辅助设计 CAD 由计算机完成绘图工作 显然这可以大大提高设计工作的效率 用计算机代替人工绘图是采用编制好的化工容器及化工设备绘图软件 根据设计人员的指令进行总图与零部件图的绘制 2020 3 19 19 三 优化设计程序压力容器的优化设计就是有进行综合决策功能的设计 设计时有三方面的参数需作处理 1 结构的独立设计参数 即设计参量 如材料性能 设备尺寸 设计压力与温度等 2 结构状态参数 中间变量 如应力 形变 压力降等 这些需经计算分析后才能获得 3 结构性能参数 如成本 利润 重量 容积 效率 功率或精度等 这些是设计追求优化的目标 因而称为目标函数 优化设计是通过优化方法反复迭代演算 终结时得到能符合优化目标的明确的最优结果 显然优化设计必须依靠计算机进行 核心问题是选择适当的优化方法 2020 3 19 20 五 高压容器的前沿应用 what 1 广泛应用于化工 石油 机械 动力 冶金 核能 航空 航天 海洋等部门 它是生产过程中必不可少的核心设备 是一个国家装备制造水平的重要标志 如化工生产中的反应装置 换热装置 分离装置的外壳 气液贮罐 核动力反应堆的压力壳 电厂锅炉系统中的汽包等都是压力容器 2 病毒灭活与安全卫生200 300Mpa超高压能破坏病毒膜结构内部的非共价键结合 使膜衣壳蛋白亚单位之间解体 空间结构变化 生物活性改变 从而使病毒颗粒丧失感染性 但超高压不破坏共价键 因此抗原的单个亚单位未被破坏 保持了免疫原性不变 用此方法可以获得没有传染性而免疫原性不变的完整的病毒颗粒 3 冷冻食品与食物储存将高水份食品加压200MPa后 冷冻到 20 然后迅速降压 瞬间产生大量极细微的冰结晶 分布于冷冻食品中 避免了组织变性破坏 特别是对于水果蔬菜 用超高压方法速冻更有意义 这种高压速冻的方法同样可用于某些生物制品的冷藏 2020 3 19 21 六 高压容器的腐蚀类型 2020 3 19 22 常见腐蚀化工设备 2020 3 19 23 腐蚀返回类型 七 高压容器的防腐 1 选择合适的主体材料根据化工压力容器承受的压力 温度 介质情况以及实际用途 在加工制作压力容器时 应选择合适的主体材料 可在金属材料中适当加入一些合金元素 或者用多种材料做成耐蚀合金 例如 在钢材料中添加镍元素 加工成不锈钢材料 可有效提高化工压力容器的防腐蚀性 减缓金属材料发生腐蚀 化工压力容器材料选择和介质腐蚀性有着密切关系 在很大程度上 介质毒性和易燃程度对于选材也有着重要影响 2020 3 19 24 2 电化学保护电化学保护可采用外加电流法和牺牲阳极保护法 外加电流法是指将保护金属材料作为阴极 附加电极作为阳极 对化工压力容器外加直流电 保护阴极金属材料 这个方法可有效防止河水 土壤中的压力容器发生腐蚀 牺牲阳极保护法是指将比电极电势低的合金或金属作为阳极 被保护金属做阴极 在实际应用中 合金 锌和铝等可作为牺牲阳极材料 用于保护石油管路 工业金属构件等 2020 3 19 25 3 表面覆盖保护层对化工压力容器表面覆盖一层保护层 将周围介质和金属材料有效隔离 例如 在化工压力容器表面覆盖搪瓷 涂刷油漆等物质 避免水或者空气直接和钢铁制品相接触 或者在压力容器表面镀上Ni cr Sn Zn等金属 通过这种表面覆盖法 在压力容器表面形成一层氧化物薄膜 这方面可以加大新元素在腐蚀防腐的研究 2020 3 19 26 4 加强维护管理化工压力容器防腐蚀有很多种方法 不同腐蚀类型 采用不同的防腐蚀措施 每种防腐蚀方法有其特殊的应用范围和条件 为了进一步提高化工压力容器的抗腐蚀性能 应做好日常的维护管理 化工企业在日常生产运营中 应严格按照化工压力容器的相关法律法规 结合压力容器的操作使用规范 定期进行取样检查 全面了解压力容器的腐蚀状况和缺陷情况 一旦发现问题 及时进行维护处理 避免压力容器腐蚀范围扩大 化工压力容器