第八章-内压容器PPT课件.ppt

1 第八章内压容器 一 绪论IntroductionofPressureVessel 景晓辉南通大学 2 1 压力容器的应用及地位 基本概念BasicConcept压力容器PressureVesse承受一定压力 且与外界分开形成一个封闭系统的容器 统称为压力容器 例 所有过程装备的壳体 航天器与潜艇的壳体等 水压机的液压缸 压缩机的储罐 发酵罐 锅炉 核电站核容器 液化石油气罐 3 容器有压力容器与常压容器之分 两者的区分是人为规定购 一般来说压力容器的壁厚是根据强度计算确定的 而常压容器的壁厚应按刚度和制造要求来确定 受劳动部颁发的 压力容器安全技术监察规程 简称 容规 管理的压力容必须同时满足以下三个条件 压力容器与常压容器 4 1 最高工作压力大于等于0 1MPa 不合液体静压力 2 容器内径Di 150mm 且容积V 25L 3 介质为气体 液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体 二 压力容器的分类 5 1 压力容器的应用及地位 压力容器的应用化学工业 反应釜 换热器 储罐石油工业 精馏塔 换热器 储罐航天 飞机 火箭 宇宙飞船机械 水压机 储能器 压缩机 液压缸食品 杀菌锅 发酵罐印染 高压染缸造纸 烘缸动力 锅炉 核电站核容器民用 液化石油气罐 6 贮运 传热设备传质 分离设备反应 工艺管道 1 压力容器的应用及地位 7 1 压力容器的应用及地位 a 过程设备 8 a 过程设备 1 压力容器的应用及地位 9 b 过程机械 一 压力容器的应用及地位 10 分类方法 1 按压力大小分类 低压容器 0 1 p 1 6MPa中压容器 1 6 p 10 0MPa高压容器 10 p 100MPa超高压容器 p 100MPa 二 压力容器的分类 11 分类方法 2 按作用原理分类 反应容器 以化学反应为主 如氨合成塔 HCL反应器 换热容器 容器的作用主要是为了进行热交换 如列管式换热器 板式换热器 分离容器 用于将物料分离的容器 如气提塔 旋风分离器 贮运容器容器的作用主要是贮放和搬运物料 如液化气罐 球罐 槽车 二 压力容器的分类 12 分类方法 3 按安全管理分类 压力容器安全监察规程 1 一类容器 属于下列情况之一者 非易燃或无毒介质的低压容器 易燃或有毒介质的低压分离容器和换热容器 2 二类容器 属于下列情况之一者 中压容器 剧毒介质的低压容器 易燃或有毒介质的低压反应容器和贮运容器 内径小于1米的低压废热锅炉 二 压力容器的分类 13 分类方法 3 按安全管理分类 压力容器安全监察规程 3 三类容器高压 超高压容器 剧毒介质且Pw V 0 2m3 MPa的低压容器或剧毒介质的中压容器 易燃或有毒介质且Pw V 0 5m3 MPa的中压反应容器 或Pw V 5m3 MPa的中压贮运容器 中压废热锅炉或内径大于1米的低压废热锅炉 二 压力容器的分类 14 三 压力容器设计准则 容器不出现涉及总体范围的较大变形 即在内压或其他拉伸等静力载荷在器壁中所引起的最大应力不超过材料的弹性极限 如考虑设计安全裕度 则限制在材料的许用应力以下 d 2 pDc 2t 弹性设计准则 1 pD 4t 2 pD 2t 1 2 p D t 15 三 压力容器设计准则 当容器总体范围进入整体塑性变形或局部区域沿整个壁厚进入塑性变形时 则认为容器己耗尽承载能力而失效 极限设计安定性准则 塑性设计准则 16 三 压力容器设计准则 设计准则 在特定的设计条件下 有效地利用材料的强度或刚度 使容器或其部件在设计寿命内安全运行 强度设计准则弹性设计准则塑性设计准则脆断设计准则疲劳设计准则蠕变设计准则 刚度设计准则弹性变形设计准则失稳设计准则 17 2 压力容器设计 压力容器设计 正确选材 正确设计 正确制造 严格检验 按照规范要求 减少内应力 减少不连续应力 无损探伤 保证焊缝质量 材料的韧性 18 一 绪论 本章只讨论壳体与封头 主要是强度计算 包括以下两个方面 1 设计压力容器2 校核在用容器1 设计压力容器设计一台压力容器包括以下内容 确定设计参数 p t D 等等 选择材料 确定容器的结构型式 计算筒体与封头壁厚 选取标准件 绘制设备图等 本章只讨论壁厚的设计计算 19 一 绪论 2 校核在用容器我国对投入使用的压力容器实施定期检验制度 年检 压力容器在其使用一定年限以后 筒体 封头 接管等均会因腐蚀而导致器壁厚减薄 所以在每次检验时均应根据实测的壁后厦进行强度校核 其目的是 I 判定在下一个检验周期内 或在剩余寿命期间内 容器是否还能在原设计条件下安全使用 如不能在原设计条件下安全使用 降级 减压 使用时的最高允许工作压力 2 如要报废 也应提供依据 20 一 容器直径筒体 封头的的内径如为卷制则均为公称直径 如直接用无缝钢管 则以外径为公称直径 系列化 标准化 见表8 1 2二 工作压力与设计压力设计压力是指设定的容器顶部的最高压力 与相应的设计温度一起作为设计载荷条件 工作压力实际运行 操作时的压力 一般指过程中容器顶部可能出现的最高工作压力称为最大工作压力 用pw表示 容器的设计压力一般应高于其最大工作压力 但因具体条件不同 设计压力的确定也不一样 可按如下规定确定 第一节设计参数的确定 21 1 装有安全阀的容器 其设计压力不得低于安全阀的开启压力 安全阀的开启压力是根据容器最大工作压力pw调定的 表8 3 据此容器的设计压力可取p 1 05 1 1 pw 第一节设计参数的确定 22 第一节设计参数的确定 2 装有爆破片的容器 其设计压力不得低于爆破片的设计爆破压力上限 根据所选用爆破片型式的不同 可取 1 15 1 75 Pw为设计压力 3 固定式液化气体压力容器的设计压力应不低于表8 4的规定 4 固定式液化石油气储罐的设计压力见教材和表8 5以上均为固定式压力容器 移动式按 压力容器安全技术监察规程 23 第一节设计参数的确定 三 设计温度t设计温度是指容器处于正常操作情况 在相应设计压力下 设定的受压元件的温度 设计温度从概念上说不同于容器工作时器壁金属的温度 设计温度是在相应设计压力下设定的一个温度 其值不得低于容器工作时器壁金属可能达到的最高温度 如果容器壁金属温度在0 以下 则设定的设计温度不能高于器壁金属可能达到的最低温度 设计温度视不同情况按下法设定 24 第一节设计参数的确定 1 若容器内的介质是用蒸汽直接加热 或用电热元件插入介质加热 或进入容器的介质已被加热 到锅炉的分气包 这时可取介质的最高温度为设计温度 2 若容器内的介质是被热载体 或冷载体 从外边间接加热 或冷冻 取热载体最高工作温度或冷载体 低于0 的最低工作温度为设计温度 3 设计储存容器当壳体的金属温度受大气环境所影响时 其最低温度可按地区气象资料 取历年来月平均最低气温的最低值 25 第一节设计参数的确定 4 对间歇操作的设备 若容器内介质的温度和压力随反应和操作程序进行周期性变化时 应按最苛刻的 但却属同一时刻的温度与压力作为设定设计温度与设计压力的依据 不能把不属于同一时刻的最大工作压力与最高 或最低 工作温温作为设定设计温度与设计压力的依据 26 2 若容器内的介质是被热载体 或冷载体 从外边间接加热 或冷冻 取热载体最高工作温度或冷载体 低于0 的最低工作温度为设计温度 3 设计储存容器当壳体的金属温度受大气环境所影响时 其最低温度可按地区气象资料 取历年来月平均最低气温的最低值 4 对间歇操作的设备 若容器内介质的温度和压力随反应和操作程序进行周期性变化时 应按最苛刻的 但却属同一时刻的温度与压力作为设定设计温度与设计压力的依据 不能把不属于同一时刻的最大工作压力与最高 或最低 工作温温作为设定设计温度与设计压力的依据 第一节设计参数的确定 27 四 计算压力pc大多数情况下计算压力等于设计压力 但有时不同于设计压力 如夹套容器的内筒 要分别用计算压力和设计压力计算 再如压力试验是试验压力的确定 五 许用应力 t容器及其他受压元件钢材的许用应力直接查表 8 6至8 9 六 焊接接头系数 祥见第十四章容器的焊接结构 焊缝是容器上比较薄弱的环节 一般来说焊缝金属的强度和基体金属 钢板 的强度是相等的 但是由于焊缝热影响区有焊接残余应力存在 焊缝金属晶粒较粗大 以及焊建中可能存在气孔和末焊透等缺陷 从而影响焊缝的强度 第一节设计参数的确定 28 因而必须采用焊接接头系数 来弥补焊接时可能造成的强度消弱 我国 钢制压力容器 GB150 规定 焊缝系数的取值主要考虚焊缝型式与对焊缝进行无损检验的长度两个因素 而焊缝的质量主要须依靠对焊接工艺评定和对焊缝的一系列检验规定来予以保证 焊接接头系数见表8 10焊接接头形式对接 搭接 开坡口与不开坡口 单面焊与双面焊 环向焊缝与纵向焊缝 1 对接接头将两块钢扳成一块钢板的两个端面 如卷成圆筒以后 对在一起焊接称为对接接头 在对接接头上所形成的焊缝为对接焊缝 为便于焊接 保证焊透 在施焊前 般需将钢板接头处加工成各种指定形状 称为焊缝坡口 下图是对接接头的各种坡口 第一节设计参数的确定 29 第一节设计参数的确定 30 第二节内压容器筒体与封头厚度的计算 强度设计 一 关于弹性失效的设计准则允许设计压力容器时 确定容器壁内允许应力的限度有不同的理论依据和准则 对于中低压薄壁容器 目前通用的是弹性失效理论 依据这一理论 只要容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点 容器即告失效也就是 破坏 当然不完全指容器破裂 而是指容器失去正常的工作能力 这就是 准则 准则要求容器的每一部分必须处于弹性变形范围内 保证器壁内的相当应力必须小于单向拉伸时测得的屈服点 即 31 第二节内压容器筒体与封头厚度的计算 强度设计 为了确保容器安全可靠地工作 必须留有一定的安全裕度 使结构中的最大工作应力与材料的许用应力之间满足一定的关系即强度安全条件 压力容器器壁和零部件中各点的受力大都为二向应力状态或三向应力状态 32 第二节内压容器筒体与封头厚度的计算 强度设计 对内压容器器壁 二向应力状态第一强度理论及其强度条件 33 第二节内压容器筒体与封头厚度的计算 强度设计 第三强度理论及其强度条件由此可见 对薄壁容器 由于第一 第三理论的相当应力及强度条件相同 第四强度理论 34 第二节内压容器筒体与封头厚度的计算 强度设计 二 强度计算公式若取第三强度理论 a 钢板在设计温度下的许用应力考虑焊接接头系数 便有 b 所以 c 又 以pc代替p 最后得 8 1 35 第二节内压容器筒体与封头厚度的计算 强度设计 再考虑腐蚀裕量C2 于是得到圆筒的设计壁厚为 称为圆筒的设计壁厚 36 第二节内压容器筒体与封头厚度的计算 强度设计 我国国标规定 在确定壁厚时还得考虑钢板负偏差 及加上钢板负偏差C1 再根据钢板得标准规格向上圆整确定选用钢板得厚度 这个厚度称为名义厚度 最后在设计图样上标注的应为名义厚度 8 3 钢板的负偏差见表8 11有效厚度它是名义厚度与壁厚附加量C之差 8 4 37 第二节内压容器筒体与封头厚度的计算 强度设计 例题8 1一台新制成的容器 图纸标注的技术特性及有关尺寸如下 筒体内径Di 1m 壁厚 12mm 设计压力p 2MPa 焊接接头系数 1 腐蚀裕量C2 2mm 材料为20R 设计温度100 材料的许用应力 133MPa 试计算该圆筒的计算厚度度 设计厚度 圆整值 有效厚度以及最大许可压力 解取计算压力pc p 1 计算厚度根据 8 1 式 38 第二节内压容器筒体与封头厚度的计算 强度设计 2 设计厚度根据 8 2 式 3 圆整值根据 8 3 式 39 第二节内压容器筒体与封头厚度的计算 强度设计 4 有效厚度根据 8 4a 式 5 最大许可压力根据式以有效厚度取代理论计算厚度 并改为等号 解出的p就是该圆筒的最大允许工作压力 用 p 表示 于是 40 第二节内压容器筒体与封头厚度的计算 强度设计 例题8 2自学最小厚度最小厚度是指为满足容器在制造 运输 安装过程中的刚度要求 由实践经验规定的不包括腐蚀裕量的最小厚度 的数值应按以下规定 1 对碳素钢和低合金钢制容器 2 对高合金钢制容器 当筒体的计算厚度时 应取为计算厚度 而名义厚度按两种情况计算 详见教材174页 41 第二节内压容器筒体与封头厚度的计算 强度设计 三 内压凸形封头厚度计算封头又称端盖 按其形状可分为三类 1 凸形封头 2锥形封头 3 平板封头1 凸形封头包括 1 半球形封头 2 椭圆形封头 3 碟形封头 4 无折边球形封头 球冠封头 1 半球形封头 42 第二节内压容器筒体与封头厚度的计算 强度设计 半球形封头是由半个球壳构成 直径较小 器壁较簿的半球形封头可以整体热压成形 大直径的则采用先分瓣冲压 再焊接组合的制造工艺 计算壁厚 8 7 2 椭圆形封头 8 8 43 第二节内压容器筒体与封头厚度的计算 强度设计 K为椭圆形封头形状系数对Di 2h 2 即a b 2 称为标准椭圆封头 其K 1 3 碟形封头 又称带折边的球形封头 8 12 44 第二节内压容器筒体与封头厚度的计算 强度设计 M 为碟形封头形状系数对球面内半Ri 0 9Di 过渡圆弧内半径r 0 17Di时 称为标准碟形封头 此时M 1 325球冠形封头四 内压锥形封头厚度计算自学 45 第二节内压容器筒体与封头厚度的计算 强度设计 46 第二节内压容器筒体与封头厚度的计算 强度设计 47 48 49 第三节在用压力容器的强度校核 根据 压力容器安全技术监察规程 对投入使用的压力容器要实行定期检验 内容之一就有强度校核 一 在用压力容器强度校核的原则 1 原设计已明确提出所采用的强度设计标准的 应按该强度标准进行强度校核 若原设计没有注明所依据的强度设计标准 可按设计当时实施的有关标准进行校核 国外进口的设备 或按国外技术标准设计的 原则上应按国外设计规范或按合同规定的设计规范进行强度校核 2 当被校核的容器材料牌号不明时 应按同类常用材料的最低标准值进行强度计算 50 第三节在用压力容器的强度校核 3 焊接接头系数应根据焊接接头的实际结构型式和检验结果 参照原设计规定选取 4 对于巳使用多年的容器 或者是腐蚀比较严重的容器 其有效厚度按下式计算 8 20 受压元件 筒体 封头 实测最愚小壁厚 mm n 检验周期 a 介质对钢材实测的年腐蚀率 mm a 双面腐蚀 51 第三节在用压力容器的强度校核 5 强度校核压力 可取压力容器实际操作的最高工作压力 装有安全阀的压力容器 其校核压力不得低于安全阀的开启压力 装有爆破片的压力容器 校核压力不得低于爆破片的爆破压力 盛装液化气的压力容器 取原设计压力为校核压力 6 强虞校核时的壁温 取实际最高器壁温度 低温压力容器按常温取许用应力 二 强度校核得思路 公式和举例思路 1 算出容器在校核压力作用下的计算应力 看它是否小于材料在使用温度下的许用应力 即 52 第三节在用压力容器的强度校核 2 算出容器的最大允许工作压力 看它是否大于容器校核压力 即例题8 5一台使用多年且腐蚀较严重的容器 经检测得如下数据 筒体直径Di 2000mm 实测厚度 上下碟形封头 有拼接焊缝 容器材质为Q235 A 焊缝为双面焊全焊透结构 经20 射线检查未发现超标缺陷 现欲用该容器盛装年腐蚀率为0 2mm a的常温介质 最大工作压力 使用年限为3年 问是否允许 容器上要装安全阀的话 安全阀的开启压力应为多少 53 第三节在用压力容器的强度校核 解 该容器由两种不同形状的回转壳体构成 材质相同 圆筒和碟形封头 应分别校核 许用应力从表8 6查得焊缝系数从表8 10查得 局部探伤 1 对筒体强度校核筒体的有效厚度由得 54 第三节在用压力容器的强度校核 这里的 应该为有效厚度 即所以 2 对碟形封头进行强度校核 封头的有效厚度由 55 第三节在用压力容器的强度校核 得因为故 56 第三节在用压力容器的强度校核 比较两个 p 取小者 所以所以安全阀的最大开启压力不得超过0 65MPa 57 第四节容器筒体与封头的尺寸和重量 筒体的壁厚确定后 单位长度的重量 容积 表面积也就确定 可计算也可查表和表8 25同理标准封头包括椭圆形 碟形等均可在有关手册上查得 本书见表8 26 8 33 58 第五节压力试验及其强度校核 详见十五章第二节 压力容器制成后 或检修后投入生产之前 必须作压力试验或增加气密性试验 其目的在于检验容器的宏观强度和有无渗漏现象 即考察容器得密封性 以确保设备的安全运行 对需要进行焊后热处理的容器 应在全部焊接工作完成并经热处理之后 才能进行压力试验和气密性试验 对于分段交货的压力容器 可分段热处理 在安装工地组装焊接 并对焊接的环焊缝进行局部热处理后 再进行压力试验 压力试验的种类 要求 和试验压力值应在图样上注明 压力试验一般采用液压实验 对不适合作液压试验的容器 例如容器内不允许有微量残留液体 和由于结构不能充满液体的容器 可采用气压试验 59 第五节压力试验及其强度校核 1 试验压力内压容器的试验压力 液压试验 a 气压试验 b 60 第五节压力试验及其强度校核 上述设计压力p 如容器名牌上规定有最大允许工作压力时 公式中应以最大允许工作压力代替设计压力p关于比值 如果容器各元件 筒体 封头 接管 法兰及紧固件等 所用材料不同时 应取各元件材料的比值中最小者2 压力试验的应力校核 c 61 第五节压力试验及其强度校核 液压试验时 d 气压试验时 e 62 第五节压力试验及其强度校核 3 压力试验的要求与方法制造完工的容器 应按图样规定进行压力试验或增加气密性试验 压力试验必须用两个量程相同的并经过校正的压力表 压力表的量程应为试验压力的2倍左右为宜 但不应低于1 5倍或高于4倍的试验压力 容器的开孔补强圈应在压力试验以前通入0 4 0 5MPa的压缩空气检查焊接接头的质量 液压试验的介质一般是水 对于碳素钢 16MnR钢和正火15MnVR 温度不得低于5度 其他低合金钢容器 液体温度不得低于15度 63 第五节压力试验及其强度校核 如果因为板厚造成材料的无塑性转变温度升高 则需相应提高试验液体温度 气压试验对于碳素钢和低合金钢 气压试验时 介质温度不得低于15度 例题1某化工厂欲设计一台石油气分离中的乙烯精馏塔 工艺参数为 塔体内径Di 600mm 计算压力pc 2 2MPa 工作温度为 t 3 20 试选择塔体材料并确定塔体壁厚 解 1 选材由于石油气对钢材的腐蚀不大 温度在 3 20 压力为中压 故选用16MnR 64 第五节压力试验及其强度校核 2 确定参数pc 2 2MPa Di 600mm 采用带垫板的单面焊对接接头 局部无损探伤 表8 10 取C2 腐蚀裕量 1mm 3 计算壁厚由式 8 1 根据计算壁厚4 9mm 加上C2后为5 9mm 查表8 1