化工机械基础(8)

第四篇压力容器设计,第七章内压容器,7.1概述7.1.1容器的结构,壳体(筒体)、封头(端盖)、法兰、支座、接口管及人孔等组成。常低压化工设备通用零部件标准直接选用。,典型的薄壁壳体结构示例图如下:,7.1.2容器的分类,压力容器分类,按容器壁厚按承压性质按管理按工艺过程的作用原理,1、按容器壁厚,薄壁容器：或厚壁容器：或,2、按承压性质,内压：内部介质压力大于外界压力外压：内部介质压力小于外界压力真空：内部压力小于一个绝对大气压的外压容器,表7-1内压容器的分类,3、根据TSGR0004固定式压力容器安全技术监察规程基于设计压力、容积和介质危害性三个因素对压力容器进行分类，将所适用范围内的压力容器划分为第类压力容器、第类压力容器和第类压力容器。,介质分组压力容器的介质为气体、液化气体以及介质最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体，按其毒性危害程度和爆炸危险程度分为以下两组：.第一组介质：毒性危害程度为极度危害、高度危害的化学介质，易爆介质，液化气体。.第二组介质：除第一组介质以外的介质。,其分类方法简述如下:,介质危害性是指压力容器在生产过程中因事故致使介质与人体大量接触，发生爆炸或者因经常泄漏引起职业性慢性危害的严重程度，用介质毒性程度和爆炸危害程度表示。,毒性程度：综合考虑急性毒性、最高容许浓度和职业性慢性危害等因素，极度危害最高容许浓度小于0.1mg/m3；高度危害最高容许浓度0.1mg/m31.0mg/m3；中度危害最高容许浓度1.0mg/m310.0mg/m3；轻度危害最高容许浓度大于或者等于10.0mg/m3。,易爆介质：指气体或者液体的蒸汽、薄雾与空气混合形成的爆炸混合物，并且其爆炸下限小于10%，或者爆炸上限和爆炸下限的差值大于或者等于20%的介质。,具体介质毒性危害程度和爆炸危险程度按照HG20660压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类确定；HG20660没有规定的，由压力容器设计单位参照GB5044职业性接触毒物危害程度分级的原则，决定介质组别。,压力容器类别划分方法,压力容器分类的划分应当先按照介质特性，按照以下要求选择类别划分图，再根据设计压力p(单位MPa)和容积V(单位L)，标出坐标点，确定压力容器类别。,.对于第一组介质，压力容器类别的划分见下图,.对于第二组介质，压力容器类别的划分见下图,4、按应用情况,反应压力容器（）完成物理、化学反应，如反应器、反应釜、分解锅、聚合釜、变换炉等；换热压力容器（）热量交换，如热交换器、管壳式余热锅炉、冷却器、冷凝器、蒸发器等；,分离压力容器（）流体压力平衡缓冲和气体净化分离，如分离器、过滤器、缓冲器、吸收塔、干燥塔等；储存压力容器：（，球罐为）储存、盛装气体、液体、液化气体等介质，如各种形式的贮罐、贮槽、高位槽、计量槽、槽车等。,7.1.2压力容器的标准简介,压力容器标准是全面总结压力容器生产、设计、安全等方面的经验，不断纳入新科技成果而产生的。它是压力容器设计、制造、验收等必须遵循的准则。压力容器标准涉及设计方法、选材及制造、检验方法等。,国内标准,2011年我国压力容器标准化技术委员会修订了GB150-2011压力容器GB150压力容器内容包括：通用要求材料设计制造、检验和验收,国外主要规范,国外的规范主要有四个：美国ASME规范，英国压力容器规范（BS），日本国家标准（JIS），德国压力容器规范（AD）。,美国ASME规范,美国机械工程师协会（ASME）制定的锅炉及压力容器规范。美国国家标准该规范规模庞大、内容完善，仅依靠其本身即可完成选材、设计、制造、检验、试验、安装及运行等全部工作环节。,美国ASME规范,与压力容器密切相关有：第卷材料技术条件、第卷无损检验、第卷压力容器及第卷焊接及钎焊评定。每年增补一次，每三年出一新版，技术先进，修订及时，能迅速反映世界压力容器科技发展的最新成就，为世界上影响最大的一部规范。,7.1.4压力容器的失效形式与设计准则,1、压力容器的失效形式（1）强度失效（2）刚度失效（3）失稳失效（4）泄漏失效2、压力容器的设计准则（1）弹性失效设计准则（2）塑性失效设计准则（3）爆破失效设计准则,7.2内压薄壁容器设计的理论基础,下图为一般回转薄壁壳体的中间面，由于回转薄壁壳体的厚度很小，故通常可用中间面来代表回转薄壁壳体的几何特性。,7.2.1回转薄壁壳体的几何特性,坐标系：采用柱坐标，在r-z坐标面上研究回转薄壳的几何特性,经线、平行圆(1)通过回转轴的平面称为经线平面，经线平面与壳体中间面的交线称为经线。(2)垂直于回转轴的平面与中间面的交线形成的圆称为平行圆，该圆的半径称为平行圆半径，用r表示。,第一曲率半径、第二曲率半径(1)经线上任一点A处的曲率半径称为第一曲率半径，用R1表示。(2)通过经线上任一点A作垂直于经线的平面，该平面与中间面相交形成一条平面曲线，如图(a)中D、A、C三点所在的曲线，该曲线在A点的曲率半径称为第二曲率半径，用R2表示。(3)第一和第二曲率半径的曲率中心都位于A点的法线上，且第二曲率半径的曲率中心必落在对称轴上。在图中，R1=AK1，R2=AK2。,(4)由高等数学知，只要已知经线方程z=z(r)，经线上任一点的第一曲率半径R1可用下式求解：(5)平行圆半径r与第二曲率半径R2之间有如下关系：,7.2.2回转薄壁壳体的无力矩理论,如果回转薄壁壳体受到轴对称载荷作用，支承容器的边界也对称于轴线，则壳体因外载荷作用而引起的内力和变形问题属于轴对称问题。,轴对称问题中在壳体内产生的应力在同一平行圆上没有变化，但沿经线(如图中的曲线O1B)一般是变化的。,内压薄壁容器承受的载荷通常为气体压力和液体的静压力。一般情况下，气体压力是主要的载荷，液体的静压力相对较小。,一、无力矩理论概述,为了分析薄壁壳体中一点的应力状态，通常如前面图示截取微元体。,用经向平面截壳体形成的截面称为纵截面或经向截面，以第二曲率半径R2为母线形成的锥面截壳体形成的截面称为锥截面。,一般情况下，经向截面两侧材料在经向和壳体法线方向，锥截面两侧材料在周向，都不会存在相对错动的剪切变形，因而在经向截面上和锥截面的周向都不可能存在剪力。弯矩、是由于周向和经向的曲率变化引起的，横剪力则是由于锥截面两侧材料在沿壳体法线方向可能存在的剪切变形引起的。和是由于壳体中间面的拉伸或压缩变形而产生的，称为薄膜内力。,在壳体理论中，如果全部考虑上述内力，这种理论称为“有力矩理论”或“弯曲理论”。,一般只承受气体压力和液体静压力的情况下，在容器壳体的大部分区域，其弯矩和横剪力与薄膜内力相比是很小的，如果略去不计，将使壳体的应力分析大大简化而不致引起大的误差。此时，壳体的应力状态仅由薄膜内力和确定，称为“无矩应力状态”，如图(c)所示。基于这一近似假设求解这些薄膜内力的理论，称为“无力矩理论”或“薄膜理论”。,薄壁容器壳体的应力分析和强度计算都是以无力矩理论为基础的。,二、无力矩理论的基本方程式,壳体处于“无矩应力状态”时，类似于薄膜(如气球承受内部气压)仅靠张力承压，故称为“薄膜理论”。,假设该微段柔索上作用的法向总力是一微小的力，在图7-3中为水平方向，用dP表示。由于柔索具有一定的曲率，截面上的拉伸内力(张力)N不是作用在同一条直线上，其合力可以平衡法向总力dP。由图7-3易知其平衡方程，即,图7-3柔索承受法向力示意图,由于夹角很微小，则有,薄膜或薄壁壳体承受内压与柔索承受法向力是相似的，区别仅在于薄壁壳体是在经向和周向均有曲率，两个方向的薄膜内力都对平衡内压p有贡献，但每一方向所平衡的内压部分都可应用上式进行计算。于是有,式中dP为在壳体微元内表面上作用的法向总力，其值为内压p与壳体微元中间面(可视为矩形平面)面积的乘积。,设壳体微元的厚度为，经向截面上的薄膜应力为，称为周向应力或环向应力，锥截面上的薄膜应力为，称为经向应力，则有,上式表示了回转壳体上任一点的两向薄膜应力与内压力p的平衡关系，称为微体平衡方程式。,微体平衡方程式,(7-1),在轴对称问题中，壳体中点的应力在同一平行圆上是不变的，但沿经线一般来说是变化的。由于经向应力作用在锥截面上，因此，可以按照锥截面把薄壁壳体截开，取其中任一部分，研究所取壳体的轴向平衡条件，就可将经向应力求出来。如此截取壳体的部分区域得到的轴向平衡方程称为区域平衡方程式。,(a)(b)图7-4回转薄壳的轴向平衡,壳体承受均布气压时的轴向平衡条件，即区域平衡方程式为,以上两式即为承受气体压力作用的容器壳体内两向薄膜应力的计算公式。,故,代入微体平衡方程式，得,(7-2),(7-3),7.2.3无力矩理论在容器应力分析中的应用,分析几种工程中典型回转薄壳的薄膜应力：,承受气体内压的回转薄壳,球形壳体,薄壁圆筒,锥形壳体,椭球形壳体,1.球形壳体,球形壳体上各点的第一曲率半径与第二曲率半径相等，即R1=R2=R,将曲率半径代入式（7-2）和式（7-3）得：,2.薄壁圆筒,薄壁圆筒中各点的第一曲率半径和第二曲率半径分别为R1=；R2=R,将R1、R2代入（7-2）和式（7-3）得：,薄壁圆筒中，周向应力是轴向应力的2倍,3.锥形壳体,锥形壳体的应力,（7-6）,推导思路：,式（7-2）（7-3）,4.椭球形壳体,7.2.4无力矩理论的应用条件,1、壳体的厚度、中面曲率和载荷连续，材料的物理性能相同。2、壳体的边界处不受横向剪力、弯矩和转矩作用。3、壳体的边界处的约束沿径向的切线方向，不得限制边界处的转角与挠度。,7.3容器边缘应力及其处理,7.3.1边缘应力的产生相邻两段性能不同，或所受温度或压力不同，导致两部分变形量不同，但又相互约束，从而产生较大的剪力与弯矩。筒体与封头联接为例，边缘应力数值很大，有时导致容器失效，应重视。,无力矩理论忽略了剪力与弯矩的影响，可以满足工程设计精度的要求。但对图中所示的一些情况，就须考虑弯矩的影响。,7.3.2边缘应力的特点,边缘应力具有局限性和自限性两个基本特性：1局限性大多数都有明显的衰减波特性，随离开边缘的距离增大，边缘应力迅速衰减。2自限性弹性变形相互制约，一旦材料产生塑性变形，弹性变形约束就会缓解，边缘应力自动受到限制，即边缘应力的自限性。,塑性好的材料可减少容器发生破坏。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。,7.4内压薄壁容器的设计,7.4.1内压筒体设计（一）内压圆筒的厚度计算筒体内较大的环向应力不应高于在设计温度下材料的许用应力，即,t-设计温度t下材料许用应力，MPa。,实际设计中须考虑三个因素：（1）焊接接头系数（2）容器内径（3）壁厚,（1）焊接接头系数,钢板卷焊。夹渣、气孔、未焊透等缺陷，导致焊缝及其附近区域强度可能低于钢材本体的强度。钢板t乘以焊接接头系数，1,（2）容器内径,工艺设计确定内径Di，制造测量也是内径，而受力分析中的D却是中面直径。解出，得到内压圆筒的厚度计算式,(二）内压球壳的厚度计算,设计温度下球壳的计算厚度：,对于受均匀内压封头的设计，原则上应根据封头的几何形状和尺寸，除了考虑由内压引起的薄膜应力之外，还应考虑连接边缘的不连续应力，但实际上由于按照应力分析进行设计甚为复杂，故封头设计中采用了比较简单的方法。对承受静载荷的一般封头，仅以远离边缘区域的薄膜应力或弯曲应力进行分析并加以限制，对于由各种原因引起的边缘应力，仅在结构形式上定性地加以限制，或在设计公式中引入形状系数或应力增强系数，把按薄膜应力或弯曲应力求得的厚度适当予以放大。,7.4.2内压封头设计,(1)半球形封头与内压球壳的厚度设计计算相同:受内压时，由于半球形封头的薄膜应力较其它封头为最小，所以所需壁厚最薄。根据设计规定，封头中只有半球形封头的最小厚度可以小于筒体厚度。不过，有时为了焊接方便，也可取与筒体等厚度。,(2)椭圆形封头椭圆形封头中最大薄膜应力与椭圆的长短轴之比a/b有关，从椭球形壳体的应力分析中可看出，其计算公式较为复杂。椭圆形封头上的最大综合应力(薄膜应力与边缘应力的合成应力)可由下式计算：式中K椭圆形封头形状系数，由a/b=Di/2hi的比值确定：,根据弹性失效设计准则，考虑焊接接头系数，并代入D=Di+，则有：进行适当简化后，即得一般椭圆形封头的设计公式为：对于标准椭圆形封头(a/b=Di/2hi=2)，K=1，则上式可写成,当椭圆形封头Di1500mm时，一般采用整块钢板冲压成型，此时=1.0；当Di1500mm时，因受钢板尺寸的限制，需要由几块钢板拼焊成坯料，然后加热冲压成型，此时值须视焊接结构及其无损检测情况而定。,(3)碟形封头碟形封头又称带折边的球形封头，它由三部分组成：第一部分是以RiDi的球面部分；第二部分是r10%Di且r3n的过渡圆弧部分；第三部分是高度为h0=25mm、40mm的直边段，如图所示。为了不使碟形封头过浅而成为平板状并降低过渡圆弧与球面部分和柱面部分联接处的边缘应力，通常取Ri=0.9Di,r=0.17Di。,由于在球面、柱面与过渡环壳的连接点，都存在曲率半径的不连续，因而在这两点处必须按照有力矩理论求解其边缘应力。但这样处理，在设计时又过于复杂，因而在工程设计时，在椭圆形封头设计公式的基础上并考虑到碟形封头的形状特征，得到碟形封头的设计公式为：,式中M碟形封头的形状系数，由Ri/r的比值确定；Ri碟形封头的球面部分内半径，RiDi。,(4)其他封头对于承受内压的球冠形封头、锥形封头和平盖的设计详见GB150。,上述容器及其封头厚度设计公式中的一些参数，均应按国家标准GB150压力容器的有关规定取值，现介绍如下：(1)设计压力与计算压力1)设计压力在介绍设计压力的概念之前，下面先介绍国家标准GB150有关压力的有关定义。,7.2.3压力容器设计技术参数的确定,压力除注明者外，压力系指表压力。工作压力pw工作压力是指正常工作情况下，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，其值不低于工作压力。设计压力的确定原则是应该根据容器最危险的操作情况而定。计算压力pc计算压力是指相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力,包括液柱静压力等附加载荷。,设计压力的确定一般可以根据下列原则：对于装有超压泄放装置的压力容器，其设计压力p应根据超压泄放装置的不同种类分别进行确定。例如，装有安全阀的压力容器，考虑到安全阀开启动作的滞后而使容器不能及时泄压，其设计压力p不应低于安全阀的开启压力，通常可取最高工作压力的1.051.10倍；装有爆破片的压力容器，其设计压力p不得低于爆破片的爆破压力。对于盛装液化气体的容器，其设计压力取决于正常操作时可能达到的最高介质温度即最高操作温度下对应的饱和蒸汽压，设计压力的具体确定方法可参考TSGR0004确定。,(2)设计温度设计温度系指容器在正常工作情况下，设定元件的金属温度(沿元件金属截面的温度平均值)。设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度。对于0C以下的金属温度，设计温度不得高于元件金属可能达到的最低温度。容器各部分在工作状态下的金属温度不同时，可分别设定每部分的设计温度。,设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件，对有不同工况的压力容器，应按最苛刻的工况设计，必要时还需考虑不同工况的组合，并在图样或相应技术文件中注明各工况操作条件和设计条件下的压力和温度值。,(3)许用应力与安全系数材料的许用应力t是压力容器筒体、封头等受压元件的材料许用强度，其确定方法与前述第5章介绍的方法相同，即取材料的极限应力与材料安全系数之比而得到，其中材料的极限应力有屈服强度ReL(或Rp0.2)、抗拉强度Rm、蠕变极限Rn和持久强度RD等。为便于设计，表14-4列出了国家标准GB150规定的安全系数，附录中还列出了国家标准GB150中常用的钢板和钢管许用应力值。,(4)焊接接头系数大多数压力容器采用焊接结构，而焊缝又是容器上比较薄弱的环节，较多事故发生都是由于焊接接头金属部分焊接热影响区的破裂引起的。由于焊接过程会使金属组织成分发生变化，导致晶粒变粗、韧性下降，同时可能存在夹渣、气孔及未焊透等缺陷致使焊接接头本身的强度削弱。因此，在设计中引入焊接接头系数，应根据受压元件的焊接接头型式及无损检测的长度比例确定，其具体数值按下表选取。,(5)厚度及厚度附加量1)厚度附加量厚度附加量C按下式确定：C=C1C2式中C1钢板厚度负偏差，mm；C2腐蚀裕量，mm。钢板厚度负偏差应按相应钢材标准的规定选取。Q245R、Q345R和16MnDR等锅炉和压力容器常用钢板的厚度负偏差均为0.30mm。GB24511承压设备用不锈钢钢板和钢带中对于热轧不锈钢厚钢板(公称厚度5mm)的负偏差也规定为0.30mm。,为防止压力容器受压元件由于腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄，对与腐蚀介质直接接触的筒体、封头、接管等受压元件，均应考虑腐蚀裕量C2，具体规定如下：.对有均匀腐蚀或磨损的元件，应根据预期的容器设计使用年限和介质对金属材料的腐蚀速率(及磨蚀速率)确定腐蚀裕量；.容器各元件受到的腐蚀程度不同时，可采取不同的腐蚀裕量；.介质为压缩空气、水蒸汽或水的碳素结构钢或低合金结构钢制容器，腐蚀裕量不小于1mm。,2)为便于计算以及满足设计和制造不同阶段厚度的变化，GB150对各种厚度的含义进行了如下的叙述：计算厚度计算厚度是指按相应公式计算得到的厚度。需要时，尚应计入其他载荷所需厚度。设计厚度d设计厚度是指计算厚度与腐蚀裕量之和，即d=+C2。名义厚度n名义厚度是指设计厚度加上钢板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。有效厚度e有效厚度是指名义厚度减去钢板厚度负偏差和腐蚀裕量，即e=n-C1-C2。它也是容器在整个使用期内可以依靠用于承受介质压力的厚度。,3)压力容器的最小厚度在压力容器设计中，对于压力较低(如低