锅炉压力容器课程设计

锅炉压力容器课程设计设计题目压力容器设计能源与安全工程学院安全工程专业（二）班设 计 者 学号 指导老师 田兆君课程设计时间 2011 年5月29日起至2011年 6月 12日一、 课程设计题目： 压力容器设计 二、 课程设计工作自 2011 年5月29日起2011年 6月 12 日止三、 课程设计的内容及要求：符号公称尺寸连接尺寸aDN100HG20593bPN0.6 DN50HG20593cPN0.6 DN50HG20593dDN100HG20593eDN125(视镜)HG20593fDN100HG20593gPN0.6 DN50HG20593一）基本工艺参数 主要设计参数罐内夹套内介质酒精溶液水蒸气操作压力0.4Mpa0.6Mpa操作温度-20200-20200容积（m3）1.5适当传热面积不小于5.34m2使用年限12年二）学生完成的工作1 总装备图一张（1号图纸）要求：图面布局合理，表达清晰，字迹工整，有标题栏、技术要求、技术特性表、管口表2 由指导老师指定零件图一张（要求同上）3 设计说明书一份（1）根据工艺参数选定容器及夹套尺寸（包括直径、厚度、夹套与容器间距及连接尺寸，保证有足够的传热面积）。（2）容器的强度设计a 筒体强度及稳定性设计b 封头强度及稳定性设计（3）夹套罐壁厚设计a 筒体部分设计b 封头部分设计（4）附件设计（5）开孔补强设计（6）水压力试验设计4 夹套罐使用说明书一份四、 已知数据：1材料选用筒体和夹套为A3F，各参数如下：钢号钢材标准钢材状态板厚mm常温度下机械性能设计温度下材料许用应力值kgf / cm2 kgf / cm2 kgf / cm2A3FGB700-79热轧123800240012502筒体形状 =1.2，3设计压力 P设计=1.25P操作五、参考资料1、压力容器与化工设备实用手册2、化工机械基础课程设计指导书3、钢制石油化工压力容器设计规定4、压力容器标准规范汇编指导教师： 田兆君负责教师： 田兆君学生签名： 程锋附注：任务书应该附在已完成的课程设计说明书首页锅炉压力容器课程设计1 前言 锅炉、压力容器广发应用于电力、机械、化工、轻工、交通等运输部门及日常生活中，与我们的日常生活息息相关。且随着社会经济的发展，对锅炉、压力容器的需求数量也日益增加。通过对锅炉压力容器的分析，运用锅炉压力容器应力分析、强度设计、制造质量控制及安全装置相关的知识，了解其工作原理与各个部分的相关作用及其工作原理，并分析锅炉中可能出现的相关问题和缺陷并作出预防，从而加强对锅炉的认识。2 相关计算一、 筒体及封头的几何尺寸确定: （1）筒体及封头的形式：选择圆柱筒体及标准椭球形封头。（2）确定筒体及封头直径： 由P设计=1.25P操作 知 P设计=1.25*0.4=0.5MPa筒体直径确定: V=r2*H =1.2 Di=2r 得出 D=1.168m封头直径确定：由上可知 D=1.168m（3）选定封头的尺寸： 封头内直径为1168mm 选取DN=1200mm通过查询压力容器与化工设备实用手册第258页选取直边高度为40mm 公称直径Dnmm曲面高度h1mm直边高度h0mm内表面积Fm2重量（kg）厚度S（mm）容积Vm31200300401.712164120.271（4）确定筒体的实际高度H1取公称直径尺度为=1000mm（5）选取夹套直径：D=1400mm。公称直径（mm）曲边高度（mm）直边高度（mm）厚度S（mm）内表面积F（）容积（）重量（kg）140035040102.3060.421183考虑到传热充分，而且夹套直径必然大于筒体直径，故根据压力容器于化工设备实用手册（214页）P258其参数表如下：（6）确定夹套高度，由于没有特殊说明，高度由传热面积确定。F热 =F筒体+F封头所以 取公称尺度为=700mm（7）校核传热面积：工艺要求不小于5.34，实际传热面积：F筒=F筒体+F筒=1.71+3.77=5.485.34F 夹=F夹封+F筒夹=2.306+3.141.40.71=5.385.34二、釜体及夹套强度计算（1）设计压力的确定夹套的筒体和封头是内压容器，釜体的筒体和封头既受内压又受外压作用，由已知数据 P设计=1.25P操作，可得： P内设计=1.25P内操作=1.250.4=0.5MPa P内设计=1.25P内操作=1.250.6=0.75MPa(2)夹套筒体壁厚和封头壁厚计算由教材锅炉及压力容器安全可知，对于筒体其壁厚计算公式为：S夹mm式中，P=0.75MPa，=1400mm，为设计温度下材料许用应力，为122.5MPa，为焊缝系数，采用单面焊的对接焊缝，无垫板，局部无损探伤，故取=0.7（夹套封头用钢板拼焊）；C为壁厚附加量，C=C1+C2+C3，其中C1为钢板负偏差，取0.8，C2为腐蚀裕度，取1，C3为加工减薄量，取0（对于封头热加工，取0.5），则由此可得S夹=7.8，取标准规格为8mm。 对于夹套封头计算公式，由教材锅炉及压力容器安全可知道，其计算公式为：式中，Y为椭圆球形封头的形状系数，Y=，对于标准托球形封头而言，其形状系数为1;C同样为壁厚附加量，但此时由于有热加工，所以C3=0.5，由此计算得到S夹封=8.026mm，取标准值为8mm。为了照顾筒体和封头的焊接方便及焊接质量，取夹套筒体和封头的壁厚都为10mm。（3）釜体的筒体壁厚1）按承受0.5MPa的内压计算S筒=式中，P=0.5MPa，D=1200mm，为设计温度下材料许用应力，为122.5MPa，为焊缝系数，采用单面焊的对接焊缝，无垫板，局部无损探伤，故取=0.75（夹套封头用钢板拼焊）；C为壁厚附加量，C=C1+C2+C3,其中C1为钢板负偏差，取0.8，C2为腐蚀裕度，取1，C3为加工减薄量，取0.5，则由此可得S筒=5.6mm。2)按承受0.5MPa的外压力计算a：在此情况下，外压计算不能再盲目套用以上公式，应该根据图表方法确定。初步假定筒体的壁厚为10mm，则筒体的外径为D0=1200+210=1220mm；筒体的计算长度为L=H1+h封=1000+（300+40）=1340则有由此查压力容器与化工设备实用手册（上）P203表WT11可初定计算厚度为8.0mm。考虑到附加壁厚的影响，实际厚度为8.7+2.3=11mm，取标准值为10mm。B：壁厚验算，查压力容器与化工设备实用手册（上）P235中，根据为1.2，可估算出釜体为1MPa，许用内压1.76MPa（P184），均大于最大工作压力，标准值符合设计要求。（4）釜体封头壁厚计算1）按内压计算S封=式中，P=0.5MPa，D封=1200mm，为设计温度下材料许用应力，为122.5MPa，为焊缝系数，采用单面焊缝的对接焊缝，无垫板，局部无损探伤，取=0.7；C为壁厚附加量，C=C1+C2+C3，其中C1为钢板负偏差，取0.8，C2为腐蚀裕度，取1，C3为加工减薄量，由于封头热加工，取0.5，则由此可得S封=5.57,取标准规格为6mm。2）按外压计算按照封头材料与设计温度的不同，压力容器及化工设备实用手册（上）)(由P275推荐方法）本手册共编制19张许用外压表（表EK12至表EK30）。其公称直径为5002000mm，有效厚度为2至22mm。使用该表时应将封头图样上的名义厚度或实测厚度转换为有效厚度。设定，并按下式算出A： A= （2-2-2）根据材料及设定温度，从外压算图A-B曲线上，按照算出的A查出B值。用算出p,当p稍大于计算压力pc时，原设定的值有效，否则应重新假设值，重复以上计算。将认定的值写成下式：令 =C则 （2-2-4）按（2-2-4）式求出各种时的值。假定封头的厚度为有效壁厚为11mm，则有A=由此，根据P192图查得B120MPa，则，大于计算压力，则假设有效，即以此确定有效壁厚为11mm。根据有效壁厚为11mm查表P277得许用外压为0.9MPa，大于计算压力0.75MPa，确定封头的厚度为11mm。（5）水压试验1)内压试验时：由教材第四章锅炉及压力容器强度设计可知，对于圆筒体，其壁厚设计公式为：S=进行水压试验的目的，主要是在已知的壁厚以及试验压力的情况下，所求得的应力是否在材料的许用应力范围之内，则有：圆筒=;椭球=式中，为实验压力，根据教材第五章P152表53可知：Pr釜=1.25P设=1.250.5=0.625；Pr夹=1.25P设=1.250.75=0.9375则有： 夹套圆筒= 釜体圆筒= 夹套封头 = 釜体圆筒 =由此可见水压试验验证时，所求的应力均小于0.9，水压试验符合要求，设计合乎标准。由以上分析计算可知，设计的基本几何参数如下：筒体壁厚mm筒体内径mm筒体高度mm封头壁厚mm封头内径mm曲边高度mm直边高度mm釜体11012001000110120030040夹套101400100010140035040二、法兰的选取由已知设计参数，查压力容器与化工设备实用手册（上）P508表3-2-3可知基本形状参数及连接尺寸入下表接管序号公称直径DN钢管外径A1连接尺寸板式平焊法兰法兰盖法兰外径D螺孔中心圆直径K螺孔直径L螺孔数量n螺纹Th法兰内径B1坡口宽度b法兰厚度C法兰质量kg厚度C质量kga100108210170184M161100183.41184.75b5057140110144M12590161.51161.86c5057140110144M12590161.51161.86d100108210170184M161100183.41184.75e125133240200188M161350184.08186.10f100108210170184M161100183.41184.75g5057140110144M12590161.51161.86三、视镜的选取由于视镜接缘直接焊在设备商，容易在焊接后引起接缘上的密封变形，因此此设计中选择带颈视镜，视镜的使用温度为02000C，温度上限是由玻璃材质决定的，温度下限主要考虑结霜问题，在不低于视镜所用钢材下限温度前提下也可以用于零下低温，但应设计防霜设置。根据已知压力（0.6MPa）要求，查压力容器与化工设备实用手册（上）P675，其几何参数如下：公称直径Dg公称压力MPaDD1b1b2dHShH1螺柱重量Kg数量n直径d1250.9822519028281334801438M1613.64、 支座的选取1、 釜体的总重量=G筒体+2G椭球壳=1.1298+2137=602kg2、 夹套的总重量=G夹套+G椭球壳=1278+142=420kg3、 法兰及视镜总重量=33kg4、 釜体内酒精水溶液总质量：=（3.140.621.1+20.271）11031800kg （由于此高效酒精回收装置中，酒精水溶液中酒精含量少，其混合液密度以水的密度近似代替）5、 夹套内水蒸气总质量：（3.140.721.1+0.398-3.140.621-0.271）1103535kg则此压力容器装置的总重量为G=602+420+33+1800+535=3390kg支座选择：由已知条件，选取焊制鞍式A型支座。查压力容器与化工设备实用手册（上）P567表3-3-5，可知其几何参数如下：公称直径DN允许载荷QkN鞍座高度h底板腹板筋板L1b112L3b2b331400160200100170101023014018010压力容器的综合性检验（一） 强度试验根据加载大小1、 破坏性强度试验 试验载荷和工作载荷相同，加载至容器破坏。用破坏载荷和正常工作载荷的比值说明容器的强度。这种试验用于试制新的压力容器；改变容器的加工工艺或大量生产而质量尚未稳定的情况。2、 超载试验 试验载荷超过工作载荷一定百分比，如超过25%，50%来观察焊接接头是否出现裂纹，或者变形是否符合要求，压力容器应100%经受超载试验。根据加载介质。1、 水压测试水为加载介质试验目的除强度实验外，还试验压力容器的密封性。试验条件环境温度应高于5。试验压力 一般为工作压力的1.25-1.5倍(1.25倍用于内压容器，1.5倍用于外压容器)。试验过程 容器灌满水用水泵加压，达到试验压力后，在试验压力下持续一定的时间后，将压力降至工作压力沿焊缝边缘1520mm的部位用0.40.5kg重的原头小锤轻击，并仔细检查焊缝的密封性。2、 气压试验 用气体加载介质。这种实验比水压试验更加灵敏和迅速，不存在排水的麻烦，但危险性很大。 试验压力一般为工作压力的1.15倍。 试验过程 气压缓升至试验压力的10%，且不超过0.05MN/m，保压5min检查全部焊缝和连接部位缓升至试验压力的50%后，按每级为规定试验压力的10%的级差，逐级升至试验压力，保压10min后，将压力降至设计压力再检查，以无渗漏为合格。（二）、密封性试验1气密试验 试验压力为设计压力的1.05倍，试验时，压力缓升至试验压力后保压10min，降至设计压力后再检查气密性。这种气密性试验需经说呀试验合格后进行。对于小容器，侵入水中检查；对于大容器，可在焊缝及其他链接部位涂肥皂水检查。2氨气试验 容器焊缝表面用5%硝酸汞水溶液侵过的纸带或医用绷带盖上，容器内打入含1%（体积）氨气的压缩空气，加压至所需压力值。如有缺陷，氨气透过焊缝，并作用在侵过的硝酸汞的纸上或绷带上，使该处形成黑色的图像。这种实验常用于压力很低（有时只有数十毫米或数毫米的水柱），但密封性要求很高的管道和热换器。3煤油试验在较易修补和发现缺陷的那一面焊缝表面涂上白粉水溶液，干燥后，在另一面的焊缝表面涂煤油，由于煤油的渗透性很强，焊缝上有缺陷时煤油即透过而在白粉上显示油斑点或油条带痕迹。压力容器的定期检查（一）压力容器定期检验包括外部检验、内外部检验、全面检验和耐压试验.1、外部检验 外部检验可以在压力容器运行过程中进行。检验内容包括：（1）压力容器的本体、接口部位、焊接接头等的裂纹、过热、变形、泄漏等。（2）外表面的腐蚀；保温层破损、脱落、潮湿。（3）检漏孔、信号孔的漏液、漏气；疏通检漏管；排放（疏水、排污）装置。（4）压力容器与相邻管道或构件的异常振动、响声，相互摩擦。（5）进行安全附件检查。（6）支承或支座的损坏，基础下沉、倾斜、开裂，紧固件的完好情况。（7）运行的稳定情况；安全状况等级为4级的压力容器监控情况。2、内外部检验 内外部检验是在压力容器停运时检验，其检验内容有：（1）外部检验的全部项目。（2）结构检验。重点检查的部位有：筒体与封头连接处、开孔处、焊缝、封头、支座或支承、法兰、排污口。（3）几何尺寸。凡是有资料可确认容器几何尺寸的，一般核对其主要尺寸即可。对在运行中可能发生变化的几何尺寸，如筒体的不圆度、封头与简体鼓胀变形等，应重点复核。（4）表面缺陷。主要有：腐蚀与机械损伤、表面裂纹、焊缝咬边、变形等。应对表面缺陷进行认真的检查和测定。（5）壁厚测定。测定位置应有代表性，并有足够的测定点数。（6）材质。确定主要受压元件材质是否恶化。（7）保温层、堆焊层、金属衬里的完好情况。（8）焊缝埋藏缺陷检查。（9）安全附件检查。（10）紧固件检查。3、全面检验 包括内、外部检验的全部项日，还应按规定做焊缝无损探伤和耐压试验。4、耐压试验 耐压试验是压力容器停机检验时，所进行的超过最高工作压力的液压试验或气压试验。耐压试验应遵守压力容器安全技术监察规程的有关规定。耐压试验的目的是检验锅炉、压力容器承压部件的强度和严密性。在试验过程中，通过观察承压部件有无明显变形或破裂，来验证锅炉、压力容器是否具有设计压力下安全运行所必需的承压能力。同时，通过观察焊缝、法兰等连接处有无渗漏，来检验锅炉、压力容器的严密性。（二）定期检验的周期 外部检验期限：每年至少一次。内外部检验期限分为：安全状况等级为13级的，每隔6年至少一次；安全状况等级为34级的，每隔3年至少一次。 有下列情况之一的压力容器，内外部检验期限应适当缩短：（1）介质对压力容器材料的的腐蚀情况不明、介质对材料的腐蚀速率大于0.25mm/a，以及设计者所确定的腐蚀数据严重不准确的；（2）材料焊接性能差，在制造时曾多次返修的；（3）首次检验的；（4）使用条件差，管理水平低的；（5）使用期限超过15年，经技术鉴定，确认不能按正常检验周期使用的；（6）检验员认为应该缩短的。 有下列情况之一的压力容器，内外部检验期限应适当延长：（1）非金属衬里层完好的，但其检验周期不应超过9年；（2）介质对材料的腐蚀速率低于0.1mm/a或有可靠的耐腐蚀金属衬里的压力容器，通过一至二次内外部检验，确认符合原要求的，但不应超过10年；（3）装有触媒的反应器以及装有充填物的大型压力容器，其定期检验周期由使用单位根据设计图样和实际使用情况确定。 耐压试验期限：每10年至少一次。 有下列情况之一的压力容器，内外部检验合格后必须进行耐压试验：用焊接方法修理或更换主要受压元件的；改变使用条件且超过原设计参数的；更换材里在重新衬里前；停止使用两年重新复用的；新安装的或移装的；无法进行内部检验的；使用单位对压力容器的安全性能有怀疑的。 因情况特殊不能按期进行内外检验或耐压试验的，使用单位必须申明理由，提前三个月提出申报，经单位技术负责人批准，由原检验单位提出处理意见，省级主管部门审查同意，发放压力容器使用证的劳动部门备案后，方可延长，但一般不应超过12个月。压力容器缺陷的处理及维护1. 表面缺陷的处理意见（1）表面裂纹的处理。根据产生的部位不同分为母材裂纹和焊缝裂纹，母材裂纹是在轧制钢板时形成的，而焊缝裂纹是在熔化焊接时产生的，它可分为热裂纹、冷裂纹和再热裂纹。热裂纹是焊缝金属由结晶开始一直冷却到固相线732以前所产生的裂纹，特征是沿原奥氏体晶界开裂，多产生在焊缝中心，个别情况下产生在焊接热影响区，近焊缝的母材夹渣也可能引起热裂纹。冷裂纹是焊缝金属冷却到300以下时所产生的，也称氢致裂纹或延迟裂纹，常产生在热影响区的熔合线附近的过热区中，有时也产生于焊缝金属中。再热裂纹是在热处理或500600工作后产生的裂纹，常产生于焊缝热影响区的粗晶区中，对于母材裂纹用砂轮机打磨消除，对于焊缝裂纹只要不是因选材不当或不是因结构的原因造成的，一般用砂轮机打磨消除。打磨消除裂纹后的剩余壁厚只要满足强度要求，可不进行补焊，打磨部位应光滑并圆滑过渡，侧面斜度应不大于1：4，反之，则应进行补焊恢复，确是因选材不当造成的裂纹，该容器应报废，如是因结构不当造成的可视具体情况作出修复或判废处理。（2）表面腐蚀的处理。形成的原因一是由于大气腐蚀，二是由容器内的介质引起的腐蚀。表面腐蚀分为均匀性面腐蚀和分散点腐蚀。均匀性的面腐蚀按最小剩余壁厚进行强度校核，如强度满足，可不作处理，但应圆滑过渡，对分散的点腐蚀，如同时符合下列条件的可不作处理：腐蚀深度不超地壁厚（扣除腐蚀裕量）的1/5；在直径为200mm的范围内，点腐蚀面积不超过40cm2或沿任一直径点腐蚀长度之和不超过40mm，反之，则视具体情况作补焊恢复或作降压、更换处理。（3）变形（凹陷、鼓包）的处理。对此缺陷处理应根据具体情况进行分析。如是由于使用过程中产生的变形，该容器一般都判废。反之，则可继续或限定条件使用。（4）机械损伤、工卡具焊迹、电弧擦伤的处理。对此缺陷一般用砂轮打磨消除后的最小乘余壁厚满足强度要求，可不补焊，但对打磨部位进行圆滑过渡，侧面斜度应不大于1：4。反之，应补焊恢复。对不锈耐酸钢容器的表面如有影响耐腐蚀性能的缺陷，必须进行修磨或补焊。（5）弧坑、焊缝气孔、焊缝夹渣、焊瘤、内凹和焊缝成型不符合有关规定的处理。对此缺陷一般均用砂轮机打磨消除。如焊缝余高低于母材1mm。可进行补焊恢复。（6）咬边的处理。对低温容器、交变载荷或频繁间歇操作的焊缝咬边，都应打磨消除。其它容器一般可按下列原则处理：内表面焊缝咬边深度不超过0.5mm，连续长度不超过100mm，且焊缝两侧咬边总长不超过该焊缝长度的10%者，可不作处理。超过者，一般应打磨消除或打磨后补焊。外表面焊缝咬边深度不超过1.0mm，连续长度不超过100mm，且焊缝两侧咬边总长不超过该焊缝长度的15%者，可不作处理，超过者，一般应打磨消除或打磨后补焊。（7）错边、棱角的处理。属于一般性超标，可作打磨处理或不作处理。对于超标严重的应通守应力分析，作出能否继续使用的结论。2. 焊缝内部缺陷的处理意见一是使用当中产生的缺陷。二是根据检规中的第36条规定执行，如安全等级达不到要求，则按CVDA-84压力容器缺陷评定进行安全评定，或视具体情况作出返修判废。进行安全评定时，求出等效裂纹尺寸和许用裂纹尺寸ac,如am= ac/n（安全系数n2），则可不必返修。对那些工作条件苛刻、制造质量差的容器，还可