建筑环境工程设备教学课件PPT压力容器.ppt

第八章 压力容器 2020 4 12 2 2020 4 12 3 燃油 气 蒸汽锅炉 2020 4 12 4 第一节压力容器的结构与分类一容器结构 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封容器 压力容器主要为圆柱形 少数为球形或其他形状 圆柱形压力容器通常由筒体 封头 接管 支座 法兰 液位计等零件和部件组成 压力容器工作压力越高 筒体的壁就应越厚 2020 4 12 5 2020 4 12 6 筒体 2020 4 12 7 封头 封头 2020 4 12 8 2020 4 12 9 半球形封头 半球形封头 结构特点 半球形封头是由半个球壳构成的 2020 4 12 10 椭圆形封头 椭圆形封头 结构特点 椭圆形封头是由半个椭球面和高为的h短圆筒 直边段 构成的 2020 4 12 11 碟形封头 碟形封头 1 结构特点 2020 4 12 12 2020 4 12 13 法兰 2020 4 12 14 密封元件 2020 4 12 15 人孔 2020 4 12 16 二压力容器分类1 按压力等级分类 压力容器可分为内压容器与外压容器 1 外压容器 容器的内部压力低于外部压力 溴化锂空调机组中的发生器 2 内压容器 容器的内部压力高于外部压力 制冷空调装置中 内压容器又可按设计压力 p 大小分为四个压力等级 具体划分如下 低压 代号l 容器0 1mpa p 1 6mpa 中压 代号m 容器1 6mpa p 10 0mpa 高压 代号h 容器10mpa p 100mpa 超高压 代号u 容器p 100mpa 2按容器在生产中的作用分类 1 反应压力容器 代号r 用于完成介质的物理 化学反应 2 换热压力容器 代号e 用于完成介质的热量交换 3 分离压力容器 代号s 用于完成介质的流体压力平衡缓冲和气体净化分离 4 储存压力容器 代号c 其中球罐代号b 用于储存 盛装气体 液体 液化气体等介质 2020 4 12 17 在一种压力容器中 如同时具备两个以上的工艺作用原理时 应按工艺过程中的主要作用来划分品种 按安装方式分类 1 固定式压力容器 有固定安装和使用地点 工艺条件和操作人员也较固定的压力容器 2 移动式压力容器 使用时不仅承受内压或外压载荷 搬运过程中还会受到由于内部介质晃动引起的冲击力 以及运输过程带来的外部撞击和振动载荷 因而在结构 使用和安全方面均有其特殊的要求 3按容器的壁厚分类 1 薄壁容器所谓厚壁与薄壁并不是按容器厚度的大小来划分 而是一种相对概念 通常根据容器外径do与内径di的比值k来判断 k 1 2为薄壁容器 k 1 2为厚壁容器 工程实际中的压力容器大多为薄壁容器 2 厚壁容器 2020 4 12 18 第二节薄壁容器的应力薄壁容器的应力 三点假设 应力沿壁厚均布假设 应力沿轴向均布假设 二向应力状态假设 2020 4 12 19 旋 回 转壳体 壳体中面是任意直线或平面曲线作母线 绕其同平面内的轴线旋转一周而成的旋转曲面 2020 4 12 20 微体平衡方程 对回转体薄壁壳体 可假设容器的壳壁很薄 无法承受弯曲应力 只能承受拉应力和压应力 并假设这种应力沿壳壁方向是均匀分布的 基于这一假设的壳体应力分析理论称为壳体无力矩理论或薄膜理论 相应的壳壁应力称为薄膜应力 r1和r2表示沿壳体上任一点的的曲率半径 经线上的曲率半径 和第二曲率半径 法截面与壳体相割形成的曲线在点a外的曲率半径 2020 4 12 21 如图所示 一承受内压的回转薄壁壳体 厚度为 截面法分析壳体上任一点的应力状态 任一壳体中以两相邻的经线截面 和两个相邻的旋转法截面ad和bc 截出一微体abcd 由于壳体内压的作用 在微体的四个截面上都将承受拉应力 垂直于ad和bc边的应力称为径向应力 垂直于ab和cd边的应力称为周向应力于 微体沿线的弧长为dl1 r1d 沿法截线的弧长为dl2 r2d 若薄壳所受的压力为p 微体abcd面积上所受的外力为pdldl2 微体在四个截面上产生的拉力分别为径向力 dl2 为周向力为 dl1 2020 4 12 22 拉普拉斯方程式 反映了回转薄壁壳体上任一点处的薄膜应力与壳体所受的外载荷压力及几何形状之间的相互关系 方程中有两个应力均为未知量 要求出这两个薄膜应力 还要根据壳体的约束条件找出一个补充方程 及区域平衡方程式 2020 4 12 23 采用一个旋转法截面将壳体切开 则切开的环端面与壳体的真实厚度相等 此时断面上仅存在径向应力 取截面的下半部分壳体non 根据分离体的在oz轴方向的静力平衡方程式 仅考虑壳体受均布气体压力p作用时分离体的区域平衡 此时分离体所受的气体压力p在oz轴方向的分力为 2020 4 12 24 径向应力在 在oz轴的分力为 2020 4 12 25 二典型的薄壁壳体的应力1圆筒形壳体的应力 2020 4 12 26 讨论 周向应力是经 轴 向应力的2倍 所以周向承受应力更大 周向上就要少削弱面积 故开设椭圆孔时 椭圆孔之短轴平行于筒体轴线 如右图所示 2020 4 12 27 2受气体内压的球形壳体 2020 4 12 28 讨论 对相同的内压 球壳的周向应力要比同直径 同厚度的圆筒壳的周向应力小一半 这是球壳显著的优点 球壳体的厚度仅需圆筒形壳体厚度的一半 制造相同体积的容器 球体的表面积最小 所耗材料也最少 球形容器的这种受力和几何优势 通常被用于储存容器特别是大型储存容器的设计制造中 2020 4 12 29 三边缘应力 在采用无力矩理论进行内压容器受力分析时 忽略了剪力与弯矩的影响 这样的简化是可以满足工程设计精度的要求 以筒体与封头联接为例 若平板盖具有足够的刚度 受内压作用时变形很小 而壳壁较薄 变形量较大 两者连接在一起 在联接处 即边缘部分 筒体的变形受到平板盖的约束 因此产生了附加的局部应力 即边缘应力 理论与实验均已证明 发生在连接边缘处的边缘应力具有局部性和自限性两个基本特性 1 局部性 不同性质的联接 边缘产生不同的边缘应力 但它们大多数都有明显的衰减波特性 随着离开边缘的距离增大 边缘应力迅速衰减 2 自限性 由于边缘应力是两联接件弹性变形不一致 相互制约而产生的 一旦材料产生了塑性变形 弹性变形的约束就会缓解 边缘应力自动受到限制 这就是边缘应力的自限性 因此 若用塑性好的材料制造筒体 可减少容器发生破坏的危险性 正是由于边缘应力的局部性与自限性 设计中一般不按局部应力来确定厚度 而是在结构上作局部处理 但对于脆性材料 必须考虑边缘应力的影响 2020 4 12 30 第三节内压薄壁容器 容器设计一般按工艺条件和要求 选择使用材料 确定工艺参数 确定设计参数并计算容体筒体和封头等原件的强度尺寸 压力容器的设计准则主要以弹性失效为设计准则 主要是控制壳体主体的基本应力不超过材料的许用应力值 对结构引起的边缘应力 主要以结构的局部处理为主 必要时 在设计计算式上乘以应力增强系数 一圆筒的计算壁厚的计算 圆筒安全承压所需的最小理论计算壁厚 2020 4 12 31 厚度附加量c 满足强度要求的计算厚度之外 额外增加的厚度 包括 即c c1十c2十c3 c1钢板厚度负偏差 c2腐蚀裕量 c3工艺减薄量 2020 4 12 32 当设计压力较低时 容器计算厚度很薄 大型容器刚度不足 不满足运输 安装的要求 限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求 壳体加工成形后不包括腐蚀裕量在内的最小厚度 a 碳素钢和低合金钢制容器不小于3mmb 对高合金钢制容器 不小于2mm 最小厚度 c 碳素钢 低合金钢制塔式容器 min d max 4mm d 不锈钢制塔式容器 max 3mm 2020 4 12 33 最高工作压力pw 指在正常工作情况下 容器顶部可能达到的最高压力 设计压力p 指在相应设计温度下用以确定容器壳壁 计算壁厚及其元件尺寸的压力 和设计温度一起作为设计载荷条件 公称压力pc 一种经标准化后的压力数值 即把众多的压力数值按等级归纳成一定数目的系列 该系列中的各压力值称为公称压力 设计参数的确定 1 压力 常用的公称压力如下表所示 单位 102pa 2020 4 12 34 指容器在正常工作情况下 在相应的设计压力下 设定的元件的金属温度 压力容器的设计温度和其内部介质可能达到的温度不一样 2 设计温度 2020 4 12 35 许用应力就是材料受单向拉伸至失效时的应力值 极限应力 除以相应的安全系数 极限应力可以是 3 许用应力和安全系数 1 许用应力 安全系数是一个不断发展变化的参数 随着科技发展 安全系数将