压力容器设计PPT课件.ppt

1 第四章压力容器设计 第一节概述 教学重点 压力容器设计的基本概念 设计要求 教学难点 无 2 过程设备设计 压力容器发展趋势 4 1概述 3 设计要求设计文件设计条件 是设计的基本知识 过程设备设计 4 1概述 4 过程设备设计 4 1概述 什么是压力容器设计 应综合考虑那些因素 4 1概述 5 过程设备设计 压力容器设计应综合考虑材料 结构 许用应力 强 刚 度 制造 检验等环节 环环相扣 每个环节都应该高度重视 4 1概述 6 结构设计 确定合理 经济的结构形式 满足制造 检验 装配 运输和维修等要求 强 刚 度设计 确定结构尺寸 满足强度或刚度及稳定性要求 以确保容器安全可靠地运行 密封设计 选择合适的密封结构和材料 保证密封性能良好 过程设备设计 4 1概述 7 过程设备设计 4 1 1设计要求 安全是前提 经济是目标 在确保安全的前提下应尽可能做到经济 经济性包括高的效率 原材料的节省 经济的制造方法 低的操作和维修费用等 安全性与经济性的统一 4 1概述 8 过程设备设计 4 1 2设计文件 设计文件 新容规规定性条件 六项内容 强度计算书或者应力分析报告 设计图样 制造技术条件 风险评估报告 适用于第 类压力容器 必要时还应包括安装及使用维修说明 装设安全阀 爆破片装置的压力容器 设计文件还应当包括压力容器安全泄放量 安全阀排量和爆破片泄放面积的计算书 无法计算时 设计单位应当会同设计委托单位或者使用单位 协商选用安全泄放装置 4 1概述 9 包括设计条件 所用规范和标准 材料 腐蚀裕量 计算厚度 名义厚度 计算应力等 装设安全泄放装置的压力容器 还应计算压力容器安全泄放量 安全阀排量和爆破片泄放面积 当采用计算机软件进行计算时 软件必须经 压力容器标准化技术委员会 评审鉴定 并在国家质量技术监督局锅炉压力容器安全监察局认证备案 打印结果中应有软件程序编号 输入数据和计算结果等内容 过程设备设计 强度计算书 4 1 2设计文件 4 1概述 10 设计图样 总图 十四项内容 4 1 2设计文件 4 1概述 链接 主要内容 重要失效模式 风险控制 风险评估报告 针对第三类压力容器 11 4 1 3设计条件 工艺设计条件 原始数据 工艺要求 4 1概述 压力容器的设计委托方应当以正式书面形式向设计单位提出压力容器设计条件 操作参数 包括工作压力 工作温度范围 液位高度 接管载荷等 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 介质组分与特性 预期使用年限 几何参数和管口方位 设计需要的其他必要条件 设计条件的内容 可以是使用单位 制造单位 公司或设计单位自身的工艺室 12 过程设备设计 设计条件图 容器基本设计条件图 换热器条件图 塔器条件图 搅拌容器条件图 应注明换热管规格 管长及根数 排列形式 换热面积与程数等 应注明塔型 浮阀塔 筛板塔或填料塔 塔板数量及间距 基本风压和地震设计烈度和场地土类别等 应注明搅拌器形式 转速及转向 轴功率等 4 1 3设计条件 4 1概述 13 第四章压力容器设计 第二节设计准则 教学重点 强度失效设计准则 教学难点 弹塑性失效设计准则 14 过程设备设计 4 2设计准则 失效形式 失效判据 设计准则 设计是否合理 4 2设计准则 15 过程设备设计 4 2 1压力容器失效 定义 压力容器在规定的使用环境和时间内 因尺寸 形状或者材料性能变化而危及安全或者丧失正常功能的现象 称为压力容器失效 失效原因多种多样 4 2设计准则 16 过程设备设计 4 2设计准则 一 压力容器失效形式 1 强度失效 2 刚度失效 3 失稳失效 4 泄漏失效 失效形式 4 2 1压力容器失效 17 过程设备设计 a 韧性断裂 是压力容器在载荷作用下 产生的应力达到或接近所用材料的强度极限而发生的断裂 1 强度失效 因材料屈服或断裂引起的压力容器失效 称为强度失效 包括 a 韧性断裂 b 脆性断裂 c 疲劳断裂 d 蠕变断裂 e 腐蚀断裂等 4 2设计准则 4 2 1压力容器失效 18 过程设备设计 4 2设计准则 韧性断裂特征 断后有肉眼可见的宏观变形 如整体鼓胀 周长伸长率可达10 20 断口处厚度显著减薄 没有碎片 或偶尔有碎片 按实测厚度计算的爆破压力与实际爆破压力相当接近 壁厚未经设计计算和壁厚因腐蚀而减薄 操作失误 液体受热膨胀 化学反应失控等 课本第1页彩图3 4 2 1压力容器失效 19 韧性断裂可以避免的措施 过程设备设计 4 2设计准则 4 2 1压力容器失效 20 过程设备设计 4 2设计准则 断裂时容器没有膨胀 即无明显的塑性变形 其断口齐平 并与最大应力方向垂直 断裂的速度极快 常使容器断裂成碎片 由于脆性断裂时容器的实际应力值往往很低 爆破片 安全阀等安全附件不会动作 其后果要比韧性断裂严重得多 b 脆性断裂 是指变形量很小 且在壳壁中的应力值远低于材料的强度极限时发生的断裂 这种断裂是在较低应力状态下发生 故又称为低应力脆断 课本第1页彩图2 脆性断裂特征 4 2 1压力容器失效 21 过程设备设计 4 2设计准则 脆性断裂原因 材料脆性和缺陷 材料选用不当 焊接与热处理不当使材料脆化 低温 长期在高温下运行 应变时效等也会使材料脆化 压力容器用钢一般韧性较好 但若存在严重的原始缺陷 如原材料的夹渣 分层 折叠等 制造缺陷 如焊接引起的未熔透 裂纹等 或使用中产生的缺陷 也会导致脆性断裂发生 4 2 1压力容器失效 22 过程设备设计 交变载荷 指大小和 或 方向都随时间周期性 或无规则 变化的载荷 4 2设计准则 c 疲劳断裂 压力容器在交变载荷作用下 经过一定周期后发生的断裂 4 2 1压力容器失效 需要指出 原材料或制造过程中产生的裂纹 也会在交变载荷的反复作用下扩展而导致压力容器疲劳 23 过程设备设计 疲劳破坏 包括裂纹萌生 扩展和最后断裂三个阶段 疲劳断口 裂纹源 裂纹扩展区和瞬时断裂区组成 裂纹源 往往位于高应力区或有缺陷的部位 裂纹扩展区 是疲劳断口最重要的特征区域 常呈现贝纹状 是疲劳裂纹扩展过程中留下的痕迹 瞬时断裂区 裂纹扩展到一定程度时的快速断裂区 4 2设计准则 4 2 1压力容器失效 24 过程设备设计 d 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 造成厚度明显减薄与鼓胀变形 最终导致压力容器断裂 从变形看 具有韧性断裂特征 从应力看 具有脆性断裂特征 4 2设计准则 4 2 1压力容器失效 25 e 腐蚀断裂 韧性断裂特征 脆性断裂特征 均匀腐蚀的减薄和局部腐蚀的凹坑引起的断裂 晶间腐蚀和应力腐蚀引起的断裂 过程设备设计 4 2设计准则 4 2 1压力容器失效 26 过程设备设计 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 如塔受风载荷 产生过大弯曲变形 3 失稳失效 在压应力作用下 压力容器突然失去其原有的规则几何形状引起的失效 4 泄漏失效 泄漏而引起的失效 危害 可能引起中毒 燃烧和爆炸等事故 造成环境污染等 交互失效 实际中可能同时发生多种形式的失效 4 2设计准则 4 2 1压力容器失效 27 过程设备设计 压力容器最可能发生的失效形式 二 失效判据与设计准则 设计思路 求得压力容器在稳态或瞬态工况下的力学响应 如应力 应变 固有频率等 确定力学响应的限制值以判断压力容器能否安全使用是否获得满意的使用效果 根据 4 2设计准则 4 2 1压力容器失效 28 过程设备设计 1 失效判据 将力学分析结果与简单实验测量结果相比较 判别压力容器是否会失效 这种判据 称为失效判据 2 设计准则 根据失效判据 再考虑各种不确定因素 引入安全系数 得到与失效判据相对应的设计准则 4 2设计准则 4 2 1压力容器失效 29 过程设备设计 4 2设计准则 30 4 2 2强度失效设计准则 强度失效的两种主要形式 屈服断裂 在常温 静载作用下 过程设备设计 4 2设计准则 31 过程设备设计 4 2设计准则 弹性失效设计准则 将容器总体部位的初始屈服视为失效 一 弹性失效设计准则 韧性材料 1 单向拉伸 最大拉应力准则 屈服失效的数学表达式 相应的设计准则 屈服应力 许用应力 最大拉应力 4 3 最大拉应力准则 4 2 2强度失效设计准则 32 过程设备设计 2 任意应力状态 1 最大切应力准则 屈雷斯卡 Tresca 屈服失效判据 最大切应力屈服失效判据 第三强度理论 4 4 4 2设计准则 4 2 2强度失效设计准则 任意应力状态 33 过程设备设计 4 2设计准则 2 形状改变比能准则 2 任意应力状态 续 形状改变比能失效判据 第四强度理论 任意应力状态 4 5 4 2 2强度失效设计准则 34 过程设备设计 3 应力强度或相当应力 弹性失效设计准则统一 4 2设计准则 4 2 2强度失效设计准则 35 过程设备设计 4 2设计准则 4 2 2强度失效设计准则 1 塑性失效设计准则 理想弹塑性材料 内压厚壁圆筒 设计压力 全屈服压力 4 6 4 7 全屈服安全系数 二 塑性失效设计准则 P52图2 23 对于内压厚壁圆筒 整个截面 厚度 屈服时的压力 36 过程设备设计 2 弹性失效准则与塑性失效准则的对比 二 塑性失效设计准则 续 4 2设计准则 4 2 2强度失效设计准则 37 过程设备设计 压力容器一般具有应变硬化现象爆破压力大于全屈服压力 4 8 三 爆破失效设计准则 容器爆破作为失效判据 爆破失效设计准则 爆破压力 爆破安全系数 4 2设计准则 4 2 2强度失效设计准则 38 过程设备设计 弹塑性失效设计准则 又称为安定性准则 认为载荷变化范围达到安定载荷 容器就失效 应用场合 适用于各种载荷不按同一比例递增 载荷大小反复变化的场合 初始屈服载荷 最大应力点进入塑性相对应的载荷 四 弹塑性失效设计准则 4 2设计准则 4 2 2强度失效设计准则 39 安定状态和安定载荷 工程上 由于超过安定载荷后容器并不立即破坏 安定载荷的安全系数 1 0 最大载荷变化范围 安定载荷 安定状态 容器承受稍大于初始屈服载荷的载荷 安定和不安定的临界状态相对应的载荷变化范围 安定载荷 40 过程设备设计 低周疲劳 每次循环中材料都将产生一定的塑性应变 疲劳破坏时的循环次数较低 一般在105次以下 低周疲劳设计曲线 由试验及理论得 虚拟应力幅与许用循环次数之间的关系曲线 疲劳失效设计准则 最大虚拟应力幅按低周疲劳设计曲线所确定的许用循环次数大于容器所需的循环次数 容器就不会发生疲劳失效 断裂力学理论 带裂纹的压力容器疲劳设计准则 即按照疲劳裂纹扩展与断裂的规律对循环载荷作用下的容器作出安全评定 五 疲劳失效设计准则 4 2设计准则 4 2 2强度失效设计准则 41 过程设备设计 脆性断裂 属于断裂力学的研究范围 认为材料中存在缺陷 研究缺陷在载荷和环境作用下的破坏规律 断裂力学应用 1 指导压力容器的选材和设计 2 在役压力容器的安全评定 六 蠕变失效设计准则 将应力限制在由蠕变极限和持久强度确定的许用应力以内 七 脆性断裂失效设计准则 4 2设计准则 4 2 2强度失效设计准则 42 过程设备设计 防止容器发生脆性破坏 1 材料 根据受压元件的厚度 应力水平 最低金属温度 载荷性质 介质对材料韧性的影响等因素 提出材料夏比V缺口冲击功或断裂韧性验收指标 2 缺陷 尽量减少焊接接头 提高无损检测技术 3 设计 由无损检测水平 假设高应力区存在裂纹 利用断裂方法 裂纹安全性评估 确保容器不发生低应力脆性破坏 4 2设计准则 4 2 2强度失效设计准则 43 过程设备设计 1 破损安全设计 假设裂纹存在时 结构还能承受工作载荷 容器裂纹容限问题 2 未爆先漏设计 材料具有足够韧性 快速断裂前 裂纹已穿透壁厚 导致泄漏发生 可避免突发快速断裂 减少损失 脆性断裂失效设计准则 注意 采用防脆断设计方法 并不意味着容器在制造时允许存在假说中的裂纹 而是指容器万一有裂纹时 漏检或在使用中产生 要确保不发生脆性断裂事故 其实质是要求在使用环境下必须有足够的断裂韧性 4 2设计准则 4 2 2强度失效设计准则 44 过程设备设计 4 9 4 2 3刚度失效设计准则 在载荷作用下 要求构件的弹性位移和 或 转角不超过规定的数值 4 2设计准则 式中 w 载荷作用下产生的位移 或称挠度 w 许用位移 载荷作用下产生的转角 许用转角 45 过程设备设计 4 2设计准则 本节结束 46 第四章压力容器设计 第三节常规设计 本章重点 教学重点 1 内压圆筒的强度设计 2 外压圆筒的图算法 3 开孔补强设计 教学难点 螺栓法兰连接的密封性设计 47 力载荷处理 不考虑交变载荷 也不区分短期载荷和永久载荷 不涉及容器的疲劳寿命问题 一 设计思想 按规则设计 DesignbyRules 只考虑单一的最大 载荷工况 按一次施加的静 应力求解 依据材料力学及板壳理论 按最大拉应力准则来推导受压元件的强度尺寸计算公式 校核 受压元件的应力强度 材料许用应力 强度 材料许用外压力 失稳 边缘应力 采用分析设计标准中的有关规定和思想 确定结构的某些相关尺寸范围 或由经验引入各种系数 4 3 1概述 4 3 1概述 过程设备设计 即常规设计 区别于分析设计和疲劳设计 即第一强度理论 基于最大拉应力的弹性失效设计准则 即 1 t 48 4 3常规设计 4 3 1概述 第一强度理论 适用于脆性材料 二 弹性失效设计准则 压力容器材料韧性塑性较好 按理应采用式 4 4 或 4 5 较为合理 可对承受内压的薄壁圆筒实际是采用式 4 3 为什么 第三强度理论 适用于塑性材料 第四强度理论 适用于塑性材料 由于 3 r 0 式 4 4 即为式 4 3 对承受内压的薄壁圆筒 1 pD 2t 2 pD 4t 3 r 0 式 4 5 与式 4 3 的计算结果在一定条件下不至于引起大的误差 约为15 考虑式 4 3 的计算简单 且使用的最早 有成熟的使用经验 4 3 4 4 4 5 49 二 弹性失效设计准则 续 内压薄壁圆筒 周向薄膜应力 计算厚度 mm D 筒体中面直径 mm 经向薄膜应力 第2章应力分析中的厚度t是指实际厚度 与设计中需要确定的厚度并不是同一个概念 因此用 代替t 4 3 1概述 过程设备设计 50 显然 1 由式 4 3 用D Di筒体内直径 代入上式 化简 4 10 取等号得径比K为 4 11 筒体壁厚计算式为 4 12 中径公式 内压薄壁圆筒 中径 51 将第2章表2 1中仅受内压作用时 厚壁圆筒内壁面处的三向应力分量计算式 代入弹性失效设计准则式 4 3 式 4 5 二 弹性失效设计准则 续 4 3 1概述 表4 1按弹性失效设计准则的内压厚壁圆筒强度计算式 过程设备设计 内压厚壁圆筒 52 二 弹性失效设计准则 续 Psi s代表筒体的弹性承载能力 它和径比K的关系见图4 1 Psi为内壁初始屈服时所对应的压力 图4 1各种强度理论的比较 4 3 1概述 过程设备设计 1 按形状改变比能屈服失效判据计算出的内壁初始屈服压力和实测值最为接近 2 在壁厚较薄时即压力较低时 各种设计准则差别不大 内压厚壁圆筒 3 在同一承载能力下 最大切应力准则计算出的壁厚最厚 中径公式算出的壁厚最薄 53 4 3 2圆筒设计 4 3 2圆筒设计 4 3 2 1筒体结构 过程设备设计 链接 54 4 3 2 2内压圆筒的强度设计 4 3 2 2内压圆筒的强度设计 过程设备设计 55 1 厚度计算式 由中径公式 4 13 式中 计算厚度 mm Pc 计算压力 MPa 焊接接头系数 2 应力强度判别式 对筒体进行强度校核 已知筒体尺寸Di n或 e 4 14 式中 e 有效厚度 e n C mm n 名义厚度 mm C 厚度附加量 mm t 设计温度下圆筒的计算应力 MPa 一 单层筒体 薄壁筒体 4 3 2 2内压圆筒的强度设计 主要计算公式 过程设备设计 考虑焊接可能引起的强度消弱 1 56 说明 公式 4 13 4 14 4 15 之间是相互转换关系 也是进行强度计算时的三类问题 3 筒体最大允许工作压力 Pw MPa 4 15 3 确定许可载荷 已知截面尺寸和许用应力 根据强度条件确定许可载荷 公式 4 15 2 强度校核 已知载荷和许用应力及截面尺寸 根据强度条件检验容器是否安全 公式 4 14 1 设计计算 已知载荷和许用应力 根据强度条件设计截面尺寸 公式 4 13 57 4 说明 K1 5 4 3 2 2内压圆筒的强度设计 过程设备设计 4 3 2 2内压圆筒的强度设计 厚度计算式 4 13 适用条件 58 随径比K的增大而增大 内壁实际应力强度是按中径公式计算的应力强度的1 25倍 4 3 2 2内压圆筒的强度设计 过程设备设计 4 3 2 2内压圆筒的强度设计 59 由于 固定式容规 规定 常规设计方法的ns 1 5 nb 2 7 考虑到厚壁压力容器用钢的屈强比大于0 58 许用应力主要取决于抗拉强度 相对于屈服强度的安全系数ns 0 58 2 7 1 57 在这种情况下 若筒体径比不超过1 5 仍可按式 4 13 计算筒体厚度 液压试验 pT 1 25p 时 筒体内表面的实际应力强度最大为许用应力的1 25 1 25 1 56倍 1 57 说明筒体内表面金属仍未达到屈服点 处于弹性状态 pc 0 4 t 当K 1 5时 Di K 1 2 0 25Di 代入式 4 13 得 这就是式 4 13 的适用范围pc 0 4 t 的依据所在 4 3 2 2内压圆筒的强度设计 4 3 2 2内压圆筒的强度设计 由于GB150取ns 1 6 若筒体径比不超过1 5 仍可按式 4 13 计算筒体厚度 老版 60 二 单层筒体 厚壁筒体 单层厚壁筒体 计算压力大于0 4 t 常采用塑性失效设计准则或爆破失效设计准则进行设计 4 3 2 2内压圆筒的强度设计 过程设备设计 4 3 2 2内压圆筒的强度设计 链接 61 4 3 2 3设计技术参数的确定 设计技术参数 设计压力 设计温度 厚度及厚度附加量 焊接接头系数 许用应力等 4 3 2 3设计技术参数的确定 过程设备设计 62 4 3 2 3设计技术参数的确定 1 设计压力 设计压力 指在相应设计温度下用以确定容器壳壁计算厚度及其尺寸的压力 设计压力为压力容器的设计载荷条件之一 其值取等于或略高于最高工作压力 工作压力由工艺要求确定 容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压 设计压力应视内压或外压容器分别取值 63 设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定 外压 外压容器正常情况可能可能出现的最大内外压力差 真空容器无安全装置时取0 1MPa 4 3 2 3设计技术参数的确定 过程设备设计 64 计算压力 是指在相应设计温度下 用以确定元件最危险截面厚度的压力 其中包括液柱静压力 通常情况下 计算压力 设计压力 液柱静压力 当元件所承受的液柱静压力 5 设计压力时 可忽略不计 4 3 2 3设计技术参数的确定 过程设备设计 4 3 2 3设计技术参数的确定 65 注解 设计温度与设计压力存在对应关系 当压力容器具有不同的操作工况时 应按最苛刻的压力与温度的组合设定容器的设计条件 而不能按其在不同工况下各自的最苛刻条件确定设计温度和设计压力 GB150规定 设计温度等于或低于 20 的容器属于低温容器 金属温度不低于0 设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度 金属温度低于0 不得高于元件金属可能达到的最低温度 2 设计温度 为压力容器的设计载荷条件之一 指容器在正常情况下 设定元件的金属温度 沿元件金属截面的温度平均值 4 3 2 3设计技术参数的确定 过程设备设计 4 3 2 3设计技术参数的确定 66 例如 1 元件金属温度为50 设计温度应为 金属温度不低于0 设计温度应 50 2 元件金属温度为 25 设计温度应为 金属温度低于0 设计温度应 25 3 设计温度为50 时 设计压力为2MPa 设计温度为100 时 设计压力为1MPa 那么设计条件 温度 压力 应为多少 应按最苛刻的设计条件确定 设计温度为100 时 设计压力为2MPa 67 注意 1 设计温度在实际中主要用于确定材料及其许用应力 2 设计温度不要与容器的操作温度和介质温度混淆 3 在工程实际中设计温度可以通过传热计算或实测得到 也可按内部介质的最高 或最低 温度确定 或在此基础上增加 或减少 一定数值 68 3 厚度及厚度附加量 厚度 计算厚度 设计厚度 d 名义厚度 n 有效厚度 e 成型厚度 4 3 2 3设计技术参数的确定 过程设备设计 4 3 2 3设计技术参数的确定 69 计算厚度 由公式采用计算压力得到的厚度 必要时还应计入其它载荷对厚度的影响 设计厚度 d 计算厚度与腐蚀裕量之和 d C2 名义厚度 n 设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度 即标注在图样上的厚度 n d C1 C1 C2 有效厚度 e 名义厚度减去钢材负偏差和腐蚀裕量 e n C1 C2 厚度附加量 C 由钢材的厚度负偏差C1和腐蚀裕量C2组成 不包括加工减薄量C3 C C1 C2 加工减薄量 C3 根据具体制造工艺和板材实际厚度由制造厂而并非由设计人员确定 4 3 2 3设计技术参数的确定 过程设备设计 70 成形后厚度 制造厂考虑加工减薄量并按钢板厚度规格第二次向上圆整得到的坯板厚度 再减去实际加工减薄量后的厚度 也为出厂时容器的实际厚度 一般 成形后厚度大于设计厚度 d C2 就可满足强度要求 4 3 2 3设计技术参数的确定 过程设备设计 4 3 2 3设计技术参数的确定 71 计算厚度 有效厚度 e 成型后厚度 毛坯厚度 名义厚度 n 设计厚度 d C1 C2 加工减薄量 加工减薄量 第一次厚度圆整值 厚度负偏差C1 腐蚀裕量C2 第二次厚度圆整值 4 3 2 3设计技术参数的确定 图4 5厚度关系示意图 过程设备设计 按公式计算 单纯满足强度所需的基本壁厚 是设计寿命内满足强度和均匀腐蚀条件所需壁厚 是设计图纸标注的厚度 是实际用于承受应力载荷的厚度 是由机械加工工艺人员确定的厚度 是容器出厂时的实际厚度 72 最小厚度 min 考虑容器的刚性 制造 运输 吊装 不包括腐蚀裕量 但包括C1 注意 针对薄壳体 最小厚度与计算厚度的关系 73 钢材的厚度负偏差 0 25mm 且不超过名义厚度的6 时 可取C1 0 4 3 2 3设计技术参数的确定 GB6654 压力容器用钢板 和GB3531 低温压力容器用低合金钢钢板 规定压力容器专用钢板的厚度负偏差不大于0 25mm 使用该标准中钢板厚度超过5mm时 如20R 16MnR和16MnDR等 可取C1 0 已作废 钢板或钢管厚度负偏差C1 按照相应钢材标准的规定选取 GB713 2008 锅炉和压力容器用钢板 和GB3531 低温压力容器用低合金钢钢板 中列举的压力容器专用钢板的厚度负偏差按GB T709中的B类要求 即Q245R Q345R和16MnDR等压力容器常用钢板的厚度负偏差均为 0 30mm C1 0 3mm GB T709的规定见教材P115 74 4 3 2 3设计技术参数的确定 表4 2其他常用钢板的厚度负偏差C1值 mm 其它常用钢板 如20g Q235 B以及0Cr18Ni9等 的厚度负偏差见表4 2 旧版本 已作废 75 腐蚀裕量 均匀腐蚀速率 容器设计寿命 腐蚀裕量只对防止均匀腐蚀破坏有意义 对于应力腐蚀 氢脆和缝隙腐蚀等非均匀腐蚀 效果不佳 应着重选择耐腐蚀材料或进行适当防腐蚀处理 碳素钢 低合金钢 C2不小于1mm 不锈钢 介质腐蚀性极微时 可取C2 0 腐蚀裕量 防止容器受压元件由于均匀腐蚀 机械磨损而导致厚度削弱减薄 与腐蚀介质直接接触的筒体 封头 接管等受压元件 均应考虑材料的腐蚀裕量 4 3 2 3设计技术参数的确定 过程设备设计 4 3 2 3设计技术参数的确定 76 4 3 2 3设计技术参数的确定 薄弱环节 4 焊接接头系数 焊缝金属与母材强度的比值 反映容器强度受削弱的程度 过程设备设计 4 3 2 3设计技术参数的确定 77 4 3 2 3设计技术参数的确定 表4 3钢制压力容器的焊接接头系数 值 过程设备设计 4 3 2 3设计技术参数的确定 78 5 许用应力 容器壳体 封头等受压元件的材料许用强度 取材料强度失效判据的极限值与相应的材料设计系数 又称安全系数 之比 屈服强度ReL 抗拉强度Rm 持久强度RD 蠕变极限Rn等 根据失效类型确定极限值 材料强度失效判据的极限值用不同的方式表示 4 3 2 3设计技术参数的确定 过程设备设计 4 3 2 3设计技术参数的确定 蠕变温度以下 取材料常温下的最低抗拉强度Rm 常温或设计温度下的屈服强度ReL或ReLt三者除以各自的材料设计系数后所得的最小值 作为许用应力 以抗拉强度和屈服强度同时来控制许用应力 79 碳素钢或低合金钢 420 铬钼合金钢 450 奥氏体不锈钢 550 时 同时考虑基于高温蠕变极限Rn或持久强度RD的许用应力 4 3 2 3设计技术参数的确定 4 19 即 或 4 20 表4 4钢制压力容器用材料许用应力的取值方法 过程设备设计 4 3 2 3设计技术参数的确定 80 过程设备设计 4 3 2 3设计技术参数的确定 表4 4钢制压力容器用材料许用应力的取值方法 4 3 2 3设计技术参数的确定 注 见教材P117表4 4下部 81 材料设计系数 保证受压元件强度有足够的安全储备量 取值 应力计算的精确性 材料性能的均匀性 载荷的确切程度 制造工艺 使用管理的先进性以及检验水平等因素有着密切关系 理论 实践经验积累 4 3 2 3设计技术参数的确定 过程设备设计 4 3 2 3设计技术参数的确定 大小 82 例题4 1 某内压圆柱形筒体 其设计压力p 0 4MPa 设计温度t 70 圆筒内径Di 1000mm 总高3000mm 盛装液体介质 介质密度 1000kg m3 圆筒材料为Q345R 腐蚀裕量C2取2mm 焊接接头系数 0 85 已知设计温度下Q345R的许用应力 在厚度为3 16mm时 t 189MPa 厚度为16 36mm时 t 185MPa 试求该筒体厚度 解 1 根据设计压力和液柱静压力确定计算压力 液柱静压力为0 03MPa h 0 03 0 4 7 5 已大于设计压力的5 故应计入计算压力中 则pc p 0 03 0 43MPa 83 2 设计厚度 假设材料的许用应力 t 189MPa 厚度为3 16mm时 筒体计算厚度按式 4 13 计算 设计厚度 d C2 1 34 2 3 34mm 对Q345R 钢板负偏差C1 0 3 因而可取名义厚度 n 4mm 3 校核 n 6mm 许用应力 t没有变化 故取筒体的名义厚度6mm合适 但对低合金的钢制容器 规定不包括腐蚀裕量的最小厚度应不小于3mm 若加上2mm的腐蚀裕量 名义厚度至少应取5mm 由钢材标准规格 名义厚度取为6mm 注 钢材标准中无5mm厚度规格 待定 注意 钢板厚度负偏差和许用应力是以名义厚度为依据查取的 84 过程设备设计 4 3 2 4外压圆筒设计 4 3 2 4外压圆筒设计 工程设计方法 主要内容 加强圈的设计计算 有关设计参数的规定 圆筒轴向许用应力的确定 图算法原理 难点 重点 85 过程设备设计 4 3 2 4外压圆筒设计 复习 p p p a b c 临界压力 失稳现象 外载荷达到某一临界值 发生径向挠曲 并迅速增加 沿周向出现压扁或波纹 壳体失稳时所承受的相应压力 称为临界压力 用Pcr表示 4 3 2 4外压圆筒设计 86 过程设备设计 4 3 2 4外压圆筒设计 外压圆筒分成三类 长圆筒 两端的边界影响可以忽略 压瘪时波数n 2 临界压力Pcr仅与t Do有关 而与L Do无关 短圆筒 两端的边界影响显著 压瘪时波数为n 2的正整数 Pcr不仅与t Do有关 而且与L Do有关 刚性圆筒 这种壳体的L Do较小 而t Do较大 故刚性较好 其破坏原因是由于器壁内的应力超过了材料屈极限所致 计算时 只要满足强度要求即可 4 3 2 4外压圆筒设计 长圆筒动画 短圆筒动画3波 短圆筒动画4波 87 过程设备设计 4 3 2 4外压圆筒设计 长圆筒临界压力 2 97 2 92 短圆筒临界压力 临界长度Lcr 2 98 4 3 2 4外压圆筒设计 长圆筒临界应力 2 93 88 过程设备设计 4 3 2 4外压圆筒设计 外压圆筒设计 解析法 图算法 一 解析法求取外压容器许用压力 假设筒体的名义厚度 n 计算有效厚度 e 求出临界长度Lcr 将圆筒的外压计算长度L与Lcr进行比较 判断圆筒属于长圆筒还是短圆筒 4 3 2 4外压圆筒设计 89 过程设备设计 比较设计压力p和 p 的大小 若p p 且较为接近 则假设的名义厚度 n符合要求 否则应重新假设 n 重复以上步骤 直到满足要求为止 4 3 2 4外压圆筒设计 选取合适的稳定性安全系数m 计算许用外压 p 根据圆筒类型 选用相应公式计算临界压力Pcr 4 3 2 4外压圆筒设计 90 过程设备设计 假设 圆筒仅受径向均匀外压 而不受轴向外压 与圆环一样处于单向 周向 应力状态 厚度t改为有效厚度 e 得 二 图算法原理 标准规范采用 将式 2 92 2 97 4 3 2 4外压圆筒设计 难点 4 3 2 4外压圆筒设计 91 过程设备设计 长圆筒临界压力 短圆筒临界压力 4 3 2 4外压圆筒设计 二 图算法原理 续 4 3 2 4外压圆筒设计 92 过程设备设计 4 3 2 4外压圆筒设计 为避开材料的弹性模量E 塑性状态为变量 采用应变表征失稳时的特征 圆筒在Pcr作用下 产生的周向应力 二 图算法原理 续 代入长圆筒 短圆筒临界压力公式 4 3 2 4外压圆筒设计 93 过程设备设计 将长 短圆筒的Pcr公式分别代入应变式中 得 长圆筒 4 22 短圆筒 4 23 4 3 2 4外压圆筒设计 二 图算法原理 续 4 3 2 4外压圆筒设计 即 周向应变 cr只与圆筒的几何参数 长径比L Do 径厚比Do e 有关 与材料性能无关 94 过程设备设计 1 几何参数计算图 L Do Do e A关系曲线 4 3 2 4外压圆筒设计 与材料弹性模量E无关 对任何材料的筒体都适用 令 以A作为横坐标 L Do作为纵坐标 Do e作为参量绘成曲线 见图4 6长圆筒 与纵坐标平行的直线簇 失稳时周向应变A与L Do无关 短圆筒 斜平行线簇 失稳时A与L Do Do e都有关 A cr 注意 二 图算法原理 续 4 3 2 4外压圆筒设计 95 4 3 2 4外压圆筒设计 图4 6外压或轴向受压圆筒和管子几何参数计算图 用于所有材料 cr 特点 若L Do值大于50 则用L Do 50查取A值 96 过程设备设计 4 3 2 4外压圆筒设计 已知 cr A 类似于材料力学中的拉伸 压缩曲线 二 图算法原理 续 4 3 2 4外压圆筒设计 97 过程设备设计 4 3 2 4外压圆筒设计 2 厚度计算图 不同材料 B A关系曲线 二 图算法原理 续 4 3 2 4外压圆筒设计 思路 98 过程设备设计 4 3 2 4外压圆筒设计 临界压力Pcr 稳定性安全系数m 许用外压力 p 故pcr m p 代入式 4 21 整理得 4 21 2 厚度计算图 不同材料 B A关系曲线 续 二 图算法原理 续 4 3 2 4外压圆筒设计 99 过程设备设计 4 3 2 4外压圆筒设计 4 25 GB150 ASME 1均取m 3 代入上式得 2 厚度计算图 不同材料 B A关系曲线 续 二 图算法原理 续 4 3 2 4外压圆筒设计 100 过程设备设计 4 3 2 4外压圆筒设计 2 厚度计算图 不同材料 B A关系曲线 续 若利用材料单向拉伸应力 应变关系 对于钢材 拉伸曲线与压缩曲线大致相同 将纵坐标乘以2 3 即可作出B与A的关系曲线 二 图算法原理 续 以A和B为坐标轴得厚度计算图 以 为基础 图4 7 图4 9为几种常用钢材的厚度计算图 温度不同 曲线不同 4 3 2 4外压圆筒设计 101 过程设备设计 系数A cr 系数B MPa 同种材料在不同温度下的应力 应变曲线不同 所以图中绘出了不同温度的曲线 102 过程设备设计 4 3 2 4外压圆筒设计 二 图算法原理 续 系数B MPa 系数A cr 103 过程设备设计 4 3 2 4外压圆筒设计 二 图算法原理 续 系数A cr 系数B MPa 104 过程设备设计 4 3 2 4外压圆筒设计 2 厚度计算图 不同材料 B A关系曲线 续 二 图算法原理 续 为什么会有几张厚度计算图 同种材料在不同温度下的应力 应变曲线不同 所以不同材料有不同的厚度计算图 105 过程设备设计 三 工程设计方法 4 3 2 4外压圆筒设计 4 3 2 4外压圆筒设计 GB150采用的设计方法 重点 106 过程设备设计 1 Do e 20薄壁筒体 稳定性校核 a 假设名义厚度 n 令 e n C 算出L Do和Do e 4 3 2 4外压圆筒设计 三 工程设计方法 续 4 3 2 4外压圆筒设计 设计步骤 几何参数 周向应变 107 过程设备设计 4 26 4 27 c 由材料选 厚度计算图 图4 7 图4 9 温度对应的E线在图上没有时 插值 系数A 设计温度 根据 4 3 2 4外压圆筒设计 三 工程设计方法 续 B 与厚度图有交点 与厚度图无交点A在材料线左方 表明筒体属于弹性失稳 108 图4 10图算法求解过程 4 3 2 4外压圆筒设计 过程设备设计 三 工程设计方法 续 几何参数图 厚度计算图 109 过程设备设计 d pc p 且较接近 假设的名义厚度 n合理 pc p 假设 n不合理 4 3 2 4外压圆筒设计 三 工程设计方法 续 4 3 2 4外压圆筒设计 pc 计算外压力 p 许用外压力 110 过程设备设计 d pc p 且较接近 假设的名义厚度 n合理 pc p 假设 n不合理 4 3 2 4外压圆筒设计 三 工程设计方法 续 重设 n 直到满足 4 3 2 4外压圆筒设计 111 过程设备设计 但对Do e 4 0的筒体 应按式 4 28 求A值 2 Do e 20厚壁筒体 4 28 有交点 从图中查B值 4 3 2 4外压圆筒设计 三 工程设计方法 续 查B 无交点 求取B值的计算步骤同Do e 20的薄壁筒体 4 3 2 4外压圆筒设计 112 过程设备设计 为满足强度 厚壁圆筒许用外压力应不低于式 4 30 值 4 30 式中 o 应力 MPa 4 3 2 4外压圆筒设计 三 工程设计方法 续 为满足稳定性 厚壁圆筒许用外压力应不低于式 4 29 值 4 29 4 3 2 4外压圆筒设计 113 过程设备设计 4 3 2 4外压圆筒设计 解题思路小结 设 n 由L Do Do e 几何算图 A B P cr 厚度计算图 cr 三 工程设计方法 续 与曲线相交 不相交 n是否合理 4 3 2 4外压圆筒设计 114 过程设备设计 1 假设 n 令 e n C 按式 4 31 计算系数A 四 圆筒体轴向许用压应力的确定 4 31 2 选用相应材料的厚度计算图查取B 此B值即为 cr 若A值落在设计温度下材料线的左方 则表明筒体属于弹性失稳 可直接由式 4 32 计算 4 32 设筒体最大许用压应力 cr B 求系数B步骤如下 4 3 2 4外压圆筒设计 115 过程设备设计 五 有关设计参数的规定 4 3 2 4外压圆筒设计 4 3 2 4外压圆筒设计 116 过程设备设计 定义与内压容器相同 取值方法不同 外压容器设计压力 考虑正常工作情况下可能出现的最大内外压力差 真空容器设计压力 按承受外压考虑 当装有安全控制装置时 如真空泄放阀 设计压力取1 25倍最大内外压力差或0 1MPa两者中的较小值 当无安全控制装置时 取0 1MPa 带夹套容器 考虑可能出现最大压差的危险工况 如内压容器突然泄压而夹套内仍有压力时所产生的最大压差 1 设计压力P 4 3 2 4外压圆筒设计 五 有关设计参数的规定 续 指在相应设计温度下用以确定容器壳壁计算厚度及其尺寸的压力 117 过程设备设计 4 3 2 4外压圆筒设计 2 稳定性安全系数m 由于长 短圆筒的临界压力计算公式 是按理想的无初始不圆度求得的 实际上 圆筒在经历成型 焊接或焊后热处理后存在各种原始缺陷 如几何形状和尺寸的偏差 材料性能不均匀性等 都会直接影响临界压力计算值的准确性 受载可能不完全对称 因而根据线性小挠度理论得到的临界压力与试验结果有一定误差 原因 五 有关设计参数的规定 续 118 过程设备设计 特殊要求 形状偏差 取m 3的同时 如GB150规定 受外压及真空的圆筒体在同一断面一定弦长范围内 实际形状与真正圆形之间的正负偏差不得超过一定值 具体规定可参见文献 2 GB150规定 圆筒体 m取3 0 球壳 m取14 52 4 3 2 4外压圆筒设计 五 有关设计参数的规定 续 4 3 2 4外压圆筒设计 119 过程设备设计 3 外压计算长度L 计算长度 筒体外部或内部两相邻刚性构件之间的最大距离 刚性构件 封头 法兰 加强圈等 图4 11为外压计算长度取法示意图 取法 4 3 2 4外压圆筒设计 五 有关设计参数的规定 续 4 3 2 4外压圆筒设计 120 121 过程设备设计 将长圆筒转化为短圆筒 可以有效地减小筒体厚度 提高筒体稳定性 六 加强圈的设计计算 目的 加强圈设计 加强圈的间距 截面尺寸 结构设计 4 3 2 4外压圆筒设计 4 3 2 4外压圆筒设计 122 过程设备设计 当圆筒的 e Do已知 且计算外压pc值给定时 可由短圆筒许用外压力计算公式导出加强圈的最大间距 即 1 加强圈的间距 设置加强圈 必须使其属于短圆筒才有实际作用 4 33 结论 4 3 2 4外压圆筒设计 由 4 33 加强圈数量增多 Lmax值减小 筒体厚度减薄 反之 筒体厚度须增加 4 3 2 4外压圆筒设计 123 过程设备设计 2 加强圈截面尺寸的确定 方法思路 目的 增强筒壁截面的抗弯曲能力 通过增加截面惯性矩I来提高筒壁截面的抗弯曲能力 满足Is大于并接近I I 保持稳定时加强圈和圆筒体组合段所需的最小惯性矩 Is 加强圈与当量圆筒实际所具有的组合惯性矩 4 3 2 4外压圆筒设计 4 3 2 4外压圆筒设计 124 过程设备设计 4 3 2 4外压圆筒设计 图4 12每个加强圈所承受的载荷 将加强圈当作受压圆环 视每个加强圈承受两侧Ls 2范围内的载荷 125 保持稳定时加强圈和圆筒体组合段所需的最小惯性矩I 4 38 Ls 从加强圈中心线到相临两侧加强圈中心线距离之和的一半 若与凸型封头相邻 在长度中还应计入封头曲面深度的1 3 mm As 单个加强圈的截面积 mm2 手册查得 A 系数 按下述方法求得 4 3 2 4外压圆筒设计 过程设备设计 4 3 2 4外压圆筒设计 126 根据已知的Pc Do和选择的 e Ls 按下式计算当量圆筒周向失稳时的B值 4 39 按相应材料的厚度计算图 由B查A 如果查图时无交点 则 A带入式4 38中 就得到I 4 3 2 4外压圆筒设计 过程设备设计 A 系数 127 过程设备设计 a 假设加强圈的个数与间距Ls Ls Lmax 选择加强圈尺寸 可按型钢规格 计算或由手册查得As 并计算加强圈与有效筒体实际所具有的组合惯性矩Is 计算步骤 b 根据已知的pc Do和选择的 e Ls 按下式计算当量厚度筒体周向失稳时的B值 4 39 4 3 2 4外压圆筒设计 4 3 2 4外压圆筒设计 128 过程设备设计 c 按相应材料的厚度计算图 由B值查取A值 若查图时无交点 则按A 计算 e 比较Is和I 若Is大于并接近I 则满足要求 否则应重新选择加强圈尺寸 重复上述计算 直至满足要求为止 d 把查得的A值代入式 4 38 中 求得所需的最小惯性矩I 注解 和前面介绍的圆筒体稳定性计算相比 求解A的过程刚好和假定筒体厚度求其许用外压力的过程相反 在加强圈设计时 通常是已知加强圈欲承受的外压力pc 而求解其所需惯性矩 4 3 2 4外压圆筒设计 4 3 2 4外压圆筒设计 129 过程设备设计 设置位置 容器外部 焊接总长 筒体外圆周长的1 2 容器内部 焊接总长 筒体内圆周长的1 3 3 加强圈的结构设计 工字钢 其它型钢 常用型钢 扁钢 角钢 4 3 2 4外压圆筒设计 4 3 2 4外压圆筒设计 130 过程设备设计 4 3 2 4外压圆筒设计 材料 多为碳素钢 筒体为贵重金属 在筒体外部设置碳素钢加强圈 节省贵重金属 4 3 2 4外压圆筒设计 如不锈钢 钛合金等 131 过程设备设计 4 3 2 4外压圆筒设计 图4 13加强圈与圆筒的连接 加强圈两侧的间断焊缝可错开或并排 但焊缝之间的最大间隙对外加强圈为8 n 对内加强圈12 n n为筒体的名义厚度 4 3 2 4外压圆筒设计 132 过程设备设计 要求 3 加强圈的结构设计 续 加强圈应整圈围绕在筒体的圆周上 不许任意削弱或割断 设置在内部的加强圈 若开设排液孔 排气孔 削弱或割断的弧长不得大于图4 14所给定的值 4 3 2 4外压圆筒设计 4 3 2 4外压圆筒设计 133 过程设备设计 4 3 2 4外压圆筒设计 134 过程设备设计 4 3 2 4外压圆筒设计 小结 一 解析法求取外压容器许用压力 二 图算法原理 标准规范采用 三 工程设计方法 重点 四 圆筒体轴向许用压应力的确定 五 有关设计参数的规定 难点 六 加强圈的设计计算 4 3 2 4外压圆筒设计 135 过程设备设计 4 3 3封头设计 4 3 3封头设计 封头种类 凸形封头 锥壳 变径段 平盖 紧缩口 半球形封头 椭圆形封头 碟形封头 球冠形封头 136 4 3 3封头设计 过程设备设计 a 半球形封头 b 椭圆形封头 c 碟形封头 d 球冠形封头 图4 15常见容器凸形封头的形式 过程设备设计 4 3 3封头设计 注意截面几何形状 137 封头设计 优先选用封头标准中推荐的型式与参数 根据受压情况进行强度或刚度计算 确定合适的厚度 内压封头强度计算思路 4 3 3封头设计 过程设备设计 封头与圆筒相连接部位的边界效应 138 4 3 3 1凸形封头 一 半球形封头 半球形封头为半个球壳 如图4 15 a 所示 1 受内压的半球形封头 半球形封头厚度计算公式 适用范围 为满足弹性要求 适用Pc 0 6 t 相当于K 1 33 4 3 3封头设计 受力最为合理 各点应力相等 且 pR 2t 圆筒厚度计算公式 139 过程设备设计 2 受外压的半球形封头 推导过程 钢制半球形封头弹性失稳的临界压力为 工程上 图算法 取稳定性安全系数m 14 52 得球壳许用外压力 4 41 令 根据 得 4 3 3 1凸形封头 140 过程设备设计 将 p 代入式 4 41 得 4 42 由B和 p 的关系式得半球形封头的许用外压力为 4 43 4 3 3 1