过程装备机械设计基础—-压力容器PPT课件.ppt

过程设备设计 1 过程装备机械基础 2 第11章内压容器设计 1 压力容器导言 2 压力容器的应力分析 3 压力容器的内压圆筒和封头设计 4 压力容器的压力试验 3 1 压力容器导言 1 1压力容器总体结构和主要零部件1 2压力容器分类1 3压力容器规范标准 4 1 1压力容器的总体结构和主要零部件 1 1 1 压力容器的总体结构1 1 2压力容器主要零部件 5 1 1 1压力容器的总体结构 概念 压力容器是内部或外部承受气体或液体压力 并对安全性有较高要求的密闭容器 一般泛指在工业生产中用于完成反应 传热 分离和储存等生产工艺过程的密封容器 6 筒节 环焊缝 纵焊缝 补强圈 盲板 接管 支座 上封头 下封头 7 南京扬子石化公司1000m3钢球罐群 8 9 10 1 1 2压力容器的主要零部件 1 筒体 壳体 2 封头 端盖 3 法兰4 密封装置5 开孔与接管6 支座7 安全附件 11 1 筒体钢板卷制而成制造容易 成本低筒体整体锻造而成制造困难 成本高 性能好单层多用于中低压容器筒体多层多用于高压容器问题 压力容器可以用什么材料制作 12 2 封头按形状可分为 球形封头 椭圆形封头 碟形封头 锥形封头 平板封头等 特点 轴对称 半椭球封头半椭球封头半球形封头 13 锥形封头 14 3 法兰法兰的作用a 用于容器间或容器与封头的连接 b 用于管道间的连接 15 16 4 密封装置用于连接件之间的密封 防止物料泄漏 5 开孔与接管在容器上开孔的目的是为了便于检修 人孔和手孔 或是为了安装各种安全附件 或是为了满足工艺的要求 17 6 支座把压力容器支承并固定在基础上 7 安全附件安装各种安全阀和各种压力表 测温仪表 液位计等 18 1 2压力容器的分类1 压力容器分类的原因和依据压力容器存在的危害程度不同 危害程度与很多因素有关 如设计压力 容器的容积 介质的危害性 使用场合和安装方式等 其中 介质的危害性是最主要的影响因素 19 2 介质的危害性介质的危害性是指介质的毒性 易燃性 氧化性和腐蚀性等 影响压力容器分类的主要是毒性和易燃性 20 3 压力容器分类方式 1 按承压性质分内压容器和外压容器 内压容器按压力p大小分为4个等级 低压容器 L 0 1MPa p 1 6MPa中压容器 M 1 6MPa p 10MPa高压容器 H 10MPa p 100MPa超高压容器 U p 100MPa 21 2 按作用原理分类反应器 R 如合成塔 分解塔 换热器 E 如废热锅炉 汽车发动机水冷却器 分离器 S 如精馏塔 干燥塔 储罐 C 如油罐 家用液化气罐 3 按安装方式分类固定式 绝大部分压力容器移动式 如火车物料罐 汽车油罐 22 按安全管理分类 按容规分类最重要的分类 分为三类 具有下列情况之一的 为第三类压力容器 高压容器中压容器且介质为极度毒性和高度危害中压贮存容器且介质为易燃或中等毒性 pv 10MPa m 中压反应容器且介质为易燃或中等毒性 pv 0 5MPa m 容规 压力容器安全技术监察规程 23 低压容器且介质为极度毒性和高度危害 pv 0 2MPa m 高压 中压管壳式余热锅炉中压搪玻璃压力容器使用强度级别较高的材料制造的压力容器 抗拉强度 540MPa 移动式压力容器容积大于50m 的球形容器容积大于5m 的低温贮存容器 24 具有下列情况之一的 为第二类压力容器 中压容器低压容器且介质为极度毒性和高度危害低压反应器和低压贮存容器 介质易燃或毒性中等低压管壳式余热锅炉低压搪玻璃压力容器除上述规定以外的低压容器为第一类压力容器 25 26 1 3压力容器规范标准1 3 1国外压力容器标准简介ASME规范美国标准 AmericansocietyofMachineryengineering 为世界上第一部压力容器设计和制造方面的规范 历史悠久 更新速度快 涵盖范围宽 同时也是许多国家制定相关规范的蓝本 如日本 中国等国家 27 1965年推出ASME规范 1968年推出ASME规范的两个分册 第一册为传统的规则设计 DesignbyRules 第二册为分析设计规范 DesignbyAnalysis 提示1 压力容器设计分为常规设计和分析设计 后者更科学 更合理 28 欧盟压力容器标准早期的欧盟国家 各国之间的压力容器标准是相对独立的 后来随着国际贸易间的发展 为适应欧洲一体化而逐步建立起统一的标准 正在逐步完善 该规范对中国的压力容器标准也有一定的影响 如英国1976年制定的BS5500标准 为分析设计标准 日本标准日本于1993年推出分析设计标准JIS8250 29 1 3 2国内主要压力容器标准较为成熟的标准是 1989年制定的GB150 89 钢制压力容器 和GB151 89 钢制管壳式换热器 等 1998 1999年又重新修订了这两部标准和相关标准 这些标准都是以ASME规范为蓝本 同时也吸取了欧洲标准的一些思想 同时也加入了一些自己的思想和方法 如管板强度设计方法 30 1 3 3国家标准和工业国家标准的比较GB150较多地参照了ASME 1 与美国标准 欧洲标准的内容基本相同 2 制定标准的出发点也相差不多 3 差别主要在 a 标准的适用范围b 材料的许用应力c 材料的牌号及其性能 技术指标有所不同 31 1 3 4制定标准的目的标准化的目的是为了实现产品的系列化 通用化 降低产品成本 且提供了法律依据 压力容器是一种潜在危害很大的装备 因此 对设计 制造 使用 维修等方面的工作和从事这些工作的资质都必须有章可循 注意 工程设计必须遵守相关国家标准 32 谢谢 33 34 压力容器应力分析2 1回转薄壳的应力分析2 2厚壁容器的应力分析2 3结构与力学性能的关系2 4壳体的稳定性分析2 5典型局部应力本章为常规设计的基础 是期末考和考研的重点 问题 应力分析的目的 问题 何谓强度 35 2压力容器应力分析问题 压力容器失效的后果 导致压力容器失效的最根本原因是什么呢 2 1回转薄壳的应力分析2 1 1回转薄壳的概念回转壳的特点 母线以回转轴为中心旋转而得 故为对称壳体 36 若 壁厚 中面曲率半径 0 1 称该壳体为薄壳 反之为厚壳 为什么要区分厚 薄壳 薄壳 常规设计 依据无力矩理论 简单 误差大 厚壳 分析设计 依据有力矩理论 复杂 误差小 在应力分析中 假定 材料是连续 各向同性 变形为弹性小变形 壳壁各层纤维在变形过程及变形后互相不挤压 考研同学注意此假定 37 2 1 2薄壁圆筒的应力分析分析方法 单元体平衡法环向应力和经向应力问题 环向应力和经向应力的作用效果 38 水平方向力平衡关系 采用截面法 提示 区域平衡方程 说明 截面法并不都可用 单元体平衡法更具普遍性 扩展 还原论 39 水平方向的力平衡式 提示1 厚度设为1提示2 总体平衡 则其部分必处于平衡状态 40 单元体平衡法 由局部微元的平衡关系推导出整体的平衡关系 提示 微分积分一般方法 取有代表性微元 关键 建立力平衡关系 一般为微分方程 解微分方程得到定解 一般需考虑边界条件 提示 轴对称回转薄壳的应力求解非常简单 问题 如何取有代表性微元 41 2 1 3回转薄壳的几何要素第一曲率半径R1 第二曲率半径R2 42 2 1 4无力矩理论和有力矩理论 43 壳体内力分析 无力矩理论 薄膜理论 有力矩理论 弯曲理论 薄膜力 横向剪力 弯矩 扭矩 十个内力分量 44 内力 10个 无力矩理论都是围绕中面展开的 因壁很薄 中面上的变形和应力可代表薄壳的变形和应力 45 对于承受轴对称载荷的壳体中面受力 有力矩理论更合理 也更复杂 设想 如果可以用简单的无力矩理论进行压力容器的设计 且误差又不大 回转薄壳 46 2 1 5无力矩理论的基本方程采用微元体平衡法导出 注意 以下为无力矩力学理论 47 48 建立作用在微元体上的内力与外载荷之间的平衡关系最后得 拉普拉斯方程注意 P 与壳体表面垂直的压力问题1 公式中各物理量的单位 问题2 一个公式中有两个未知量 如何解 提示1 记住公式 明确其中物理量 提示2 考研者需学会推导 49 区域平衡方程 应力求解的重要途径 一般用来求经向应力 在回转轴方向建立力平衡方程 50 气体压力在回转轴方向合力 环带 内力在回转轴方向合力 区域平衡方程 51 例 圆柱薄壳的区域平衡方程 结合拉普拉斯方程得 与之前的推导相同 提示 环向应力也可由拉普拉斯方程直接得到 52 例 承受气压球壳M点经向应力 得经向应力 结合拉普拉斯方程得 53 2 1 6无力矩理论的应用承受气体内压的回转薄壳 左侧公式为通用公式 通用的范围 提示 考研必考内容 问题 载荷不止气压时 怎么办 54 a 球形壳体 b 圆柱壳体 提示 记住公式 分析特点 问题 球形壳体的优点 缺点 扩展问题 工业实践中 很少使用半球形封头 理由 扩展问题 工业实践中 很少使用球形容器 理由 55 C 锥形壳体 截面是什么形状 过A点截面与OA子线垂直 A点的两相应力计算公式 有何特点 半锥角等于90度时 半锥角等于0度时 O点的应力 原因 56 D 椭球形壳体 情况要复杂一些 但仍然按拉普拉斯方程和区域平衡方程求解 57 58 几个问题 1 a b的不同比值与两向薄膜应力之间的关系 2 a b比值为1时 对应球形薄壳 3 a b比值为2时 对应标准椭球薄壳 其一半为标准半椭球封头 为应用最广泛的封头 59 E 储存液体的回转薄壳 由拉普拉斯方程得 由A点以上部分的区域平衡方程得 问题 如果支座在容器的中部 支座上方 下方的应力如何推导 60 仅受自重作用时的应力由拉普拉斯方程得 由区域平衡方程得 为A点以上部分壳体的重量 x 如果支座不再底部 其上方 下方的两向应力 61 回转薄壳 圆柱 圆锥 球壳在以下情况时的两向薄膜应力如何推导 仅受自重作用仅受气压作用仅受液体静压作用气压和液体静压共同作用方法都一样 拉普拉斯方程区域平衡方程 求经向应力 考研特别注意 62 E 球形壳体应力在支座支承处有突变 说明什么 支座处弯曲内力很大 无力矩理论计算结果误差大 63 图片 64 无力矩理论的应用条件 壳体的厚度 中面曲率和载荷连续 没有突变 且构成壳体的材料的物理性能相同 壳体的边界处不受集中力 且不受变形限制 客观地说 实际的压力容器都不能使用无力矩理论 但对于大部分的薄壁容器 由无力矩理论得到的结果与真实情况之间的偏差并不大 完全可以满足工程界的要求 如果上述条件得不到满足 则无力矩理论不适用 核心 变形不协调 65 2 1 7回转薄壳的不连续分析 a 不连续和不连续分析几何形态不连续 或数学不连续 或载荷突变 由此造成应力突变或出现大应力状况 由于不连续情况的存在 在此区域内出现了各部分变形不协调的情况 造成过大的应力 导致设备在局部破坏 最终造成设备失效 分析不连续应力的方法称为不连续分析 66 核心 变形不协调 几何形态不连续 问题 图中 几个地方存在几何形状突变 67 材料不连续 核心 变形不协调 68 2 按形状分圆筒 球形 矩形 3 按材料分金属材料 非金属材料4 按壁厚分薄壁容器 Ro Ri 1 2 5 按作用原理分反应器 R 换热器 E 分离器 S 储存容器 C B 69 反应器 R 完成介质物理化学反应的压力容器 如反应器 反应釜 分解锅 硫化罐 分解塔 聚合釜 高压釜 合成塔换热器 E 用于完成介质的热量交换的压力容器 如余热锅炉 热交换器 消毒罐 染色器 烘缸 预热锅 蒸汽发生器 煤气发生炉的水夹套 冷凝器等分离器 S 用于介质的流体压力平衡和气体净化分离的压力容器 如过滤器 集油器 储存容器 C B 主要用于储存和盛装气体 液体和液化气体等介质的压力容器 如 各种形式的储罐等 70 6 按监察规程分 1 最高工作压力Pw 0 1MPa 2 内直径Di 0 15m 且V 0 025m3 3 盛装介质为气体 液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体 监察规程的管辖范围 71 GB5044 职业性接触毒物危害程度分级 HG20660 压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类 1 极度危害10mg m3 氢氧化钠 丙酮等 一类容器 1 非易燃或低毒的低压反应容器和储存容器 2 有毒和有危害的低压容器 72 1 一般中压容器 二类容器 2 介质为易燃或毒性程度为中度危害的低压反应容器和储存容器 3 毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器 4 低压管壳式余热锅炉 5 低压搪玻璃压力容器 73 三类容器 1 高压容器 2 低压容器 毒性为极度或高度危害介质 且PV大于0 2MPa m3 3 中压反应容器 易燃或毒性程度为中度危害介质且PV 0 5MPa m3 4 中压储存容器 易燃或毒性程度为中度危害介质 且PV 10MPa m3 5 高压 中压管壳式余热锅炉 74 三类容器 续 6 中压搪玻璃压力容器 7 球形 V 50m3 8 移动式压力容器 9 中压容器 仅限毒性程度为极度或高度危害介质 10 使用强度级别较高的材料制造的压力容器 11 低温储存容器 V 5m3 75 8 3典型薄壁容器应力分析 1 按容器的外径Do和内径Di的比值K不同 可将容器分为 厚壁容器 K 1 2薄壁容器 K 1 2 2 应力分析理论无力矩理论或薄膜理论力矩理论 76 1 受气压圆筒壳体 静力平衡方程 环向应力为 环向应力周向应力 77 静力平衡方程 经向应力为 经向应力 轴向应力 薄壁圆筒形压力容器环向应力为经向应力的二倍 78 2 承受内压的球形壳体 球形壳体的厚度仅需圆筒形壳体的一半 球形容器的表面积最小 所以耗材是最少的 79 3 承受内压的椭球形壳体 在顶点 在赤道 80 椭圆形封头的应力分布 81 标准椭圆形封头取顶点处的周向应力与赤道处的周向应力相等 得 a 2b 82 4 承受内压的锥形壳体 由此可见 锥形壳体的周向应力是经向应力的两倍 在锥顶处应力为零 应力随半锥角的增大而增大 83 8 3 2边缘应力及其处理 1 边缘应力的产生原因几何非线性载荷非线性约束非线性材料非线性 84 85 2 边缘应力的特点局部性自限性3 工程上的处理方法危害性较小 不做特殊处理仅作局部结构调整 p124图8 10 86 87 几个前提不大于35MPa的内压容器的筒体和封头设计准则为弹性失效一般不考虑边缘应力 必要时以应力增强系数的形式引入设计计算 依据 GB150 1999 钢制压力容器 8 3 3内压圆筒形薄壁壳体设计 88 8 3 4 强度设计公式 强度条件 设计公式 89 8 3 5设计参数确定 1 设计压力 P 通常 P 1 0 1 1 PW 安全阀 P 1 05 1 1 PW 且不低于安全阀开启压力 爆破片 1 05 1 75 PW 爆破压力 制造偏差介质为液化气 TMAX时液化气饱和蒸汽压介质为液体 当液柱静压大于0 05P时 应计入液体静压力 90 指容器正常工作时 在相应的设计压力下 器壁金属可能达到的最高和最低温度 低于或等于 20 2设计温度 91 3 许用应力 影响许用应力的因素 1使用温度2钢板厚度 许用应力由材料的强度极限除以相应的安全系数而得 强度极限根据材料的失效类型确定安全系数则受工况 材料 制造质量和计算方法的影响 92 4焊缝系数 焊缝系数决定于二个因素 1 焊缝的结构形式2 无损探伤水平 93 94 5 厚度 t a 壁厚附加量C C1 C2C1 钢板负偏差 表8 2C2 腐蚀裕量 b 最小壁厚保证设备在运输和安装过程中的安全碳素钢和低合金钢 不小于3mm 高合金钢 不小于2mm 95 8 3 6压力与气密性试验 1 水压试验 a 试验压力 b 强度条件 96 1 水压试验 续 c 对试压介质的要求方便获得 价格低廉 无危险 存储方便 沸点高于试验温度 洁净 无污染 易于清除 无腐蚀性 97 d 对试验温度的要求试验温度应该高于材料的无延性转变温度 NDT 对于碳钢 16MnR 15MnVR等 试验温度应该大于5 其他低合金钢 试验温度应该大于15 板厚的影响导致试验温度的提高 98 2 气压试验 a 试验压力 b 强度条件 99 c 常用介质干燥洁净的空气 氮气惰性气体 d 试验温度对于碳钢和低合金钢 应大于15 100 3 压力试验时的应力校核 液压试验时 气压试验时 薄膜应力 101 4 气密性试验 b 试验压力 a 用处 介质毒性程度为极度或高度危害 设计上不容许有微量泄漏 102 c 其他介质 干净空气或氮气 惰性气体温度 碳钢 低合金钢等 不低于15 保压 30min 升压缓慢 稳定 103 8 4外压薄壁圆筒的设计 外压容器的定义 外压大于内压的容器 失效的主要形式为失稳 其后果是造成容器几何形状偏离原形状 8 4 1外压容器失稳的概念 常见外压容器 减压蒸馏塔 真空冷凝器 结晶器 带蒸汽加热夹套 104 长园筒 105 106 容器失稳与压杆失稳类似 取决于 1 圆筒外径与有效壁厚之比Do te 2 圆筒长度与外径的比值L Do3 材料的力学性能 E 其他 形状偏差 圆度 压杆失稳的主要因素 1 外载大小2 压杆柔度 细长比 3 材料的力学性能 107 临界压力的计算 1 长圆筒 临界压力 钢制圆筒 临界应力 108 2 短圆筒 3 临界长度 临界应力 109 8 4 2外压薄壁圆筒厚度设计 外压设计的总体思路 保证工作压力P小于许用外压 P 而 P Pcr m m决定于Pcr的准确程度 制造技术 焊缝结构形式等因素 我国规定m 3 110 一 解析法 2 求Pcr 确定 P 3 如P P 且较为接近 则所假定的tn符合要求 否则重算 直到符合要求 1 假设设计名义厚度tn 则有te tn C 111 求解步骤 根据工况 确定材料 假定壁厚为tn 确定有效厚度te 根据已知条件确定临界长度Lcr 根据公式确定许用设计外压 P 确定设计外压P 并比较P与 P 如果P P P与 P 比较接近 则假设的壁厚可以作为容器的设计厚度 否则重复上述步骤 112 二 图解法 略 器壁上的应变 器壁上的应力 K为特征系数 临界压力 图解法来源 GB150钢制压力容器 113 外压圆筒几何参数计算图 114 圆筒的许用外压力 令 则 而 此即为B A图的由来 115 外压圆筒计算图 B A图 116 设计方法和计算步骤 1假设 2确定比值 L Do和D te 3查图8 13 确定A值 4根据不同材料查图8 14 8 15 8 16确定B值 求得许用外压 P A在温度线的右方 5比较P与 P 以P小于且接近于 P 为原则 A在温度线的左方 属弹性失稳 117 三设计参数的规定 1设计外压力P工作时最大内外压力差 真空容器取1 25倍内外压差或0 1MPa中的较小值 无安全控制装置时 取0 1MPa 2试验压力PT液压 PT 1 25P或气压PT 1 15P3圆筒计算长度图8 25 118 四 轴向受压圆筒的设计 略 在弹性阶段 在弹塑性阶段用B A图确定 cr 参考GB150 1999钢制压力容器 119 8 4 3加强圈的作用及设计方法 1 加强圈的作用及结构要求局部设置加强圈可以缩短筒体的计算长度 增加外压圆筒的