厚壁容器ppt课件

化工设备概述化工设备强度计算基础内压薄壁容器的设计与计算外压容器计算厚壁容器计算（高压容器）化工设备主要零部件换热设备及选用塔设备与反应设备,化工设备主要章节概要,1,本章学习目的：了解厚壁容器的结构特点，以及单层、多层厚壁圆筒的结构形式和适用范围；理解常用失效设计准则的基本观点，并能利用弹性失效准则对厚壁圆筒进行强度计算；理解厚壁圆筒自增强的基本原理、应用特点和常见的几种处理方法；能够利用规范对厚壁容器的常用平盖和筒体进行计算。,第五章厚壁容器,2,厚壁容的应用及特点（与薄壁容器比较）一、应用简介1888年，法国化学家、物理学家LeChatlier第一个提出了利用高压技术完成氮和氢反应的设想，并在10MPa以上的高压，500C温度和有触媒存在的条件下，直接实现了氨的合成；1910年，德国化学家、工程师Haber等人继续将操作压力提高到20MPa，并第一次获得了氨的工业品；100多年以后，高压技术在合成氨（1560MPa）、合成甲醇（30MPa）、高压聚乙烯（10MPa以上）、石油加氢裂化（30MPa）、核反应堆等石油、化工、能源以及动力等领域得到广泛应用；至今，高压技术迅速发展，在其他许多物理过程中也有着广泛地应用（重型机械、高压锅炉、高压喷枪、材料挤压成型和深海探测等）。能使高压技术和大量工业过程得以实现，厚壁容器（高压容器）及设备在其中起到了关键性的作用。高压技术的实现催生或促进了高压设备的不断发展。,第五章厚壁容器,3,厚壁容的应用及特点（与薄壁容器比较）二、应用特点由于厚壁容器的操作条件极其苛刻，在承受高压的同时，往往伴随有高温和介质的强烈腐蚀，因此，其应力状态和结构形式与薄壁容器有很大差异：厚壁容器是三向应力状态，三个应力中环向应力为最大；环向应力的分布又以内壁应力最大，而且除经（轴）向应力，其余两个应力沿壁厚非均匀分布，并随着径比值K的增大，不均匀程度会更为严重；根据应力特性，在考虑如何降低操作状态下的应力水平时，厚壁容器不能单纯从增加厚度和提高材料强度级别来解决问题，而更需要从结构上改变应力的分布，由此，厚壁容器除采用常见的整体式结构外，还有多种组合形式。,第五章厚壁容器,4,5.1厚壁容器的结构和选材一、结构特点仍然包括有圆筒体或球壳、筒体端部、平盖或凸形盖、密封结构和一些必要的附件。由于厚壁容器是高压技术应用中的关键设备，在结构方面也更加复杂，表现出有如下特点：厚壁容器采用轴对称形状，且长径比较薄壁容器大；（早期厚壁容器的高度与内径之比H/Di多在1228左右，故显得细长。随着制造技术的日益完善，设备也在向大型化方向发展，大型厚壁容器的H/Di值已逐渐降至6左右）厚壁容器由于承受高压作用，壁厚较大、重量大；（上个世纪2030年代高压容器的内径在700800mm，重量30吨左右。目前直径达4500mm，厚壁280mm，重量已达到1000吨以上）厚壁容器筒体的种类较多，结构复杂；（多层热套式、多层包扎式、多层绕板式、绕带式和绕丝式等）,第五章厚壁容器,5,5.1厚壁容器的结构和选材一、结构特点开孔直径较小。如果需要工艺性或其他必要的开孔，为了不削弱筒壁的强度，多开设在端盖上，如图5-2所示。广泛采用具有良好塑性和韧性的高强度钢；（过去大多采用屈服限为200300MPa级的高延性低碳钢，随着各方面技术的提高，300500MPa级的低合金高强度钢得到广泛应用，）密封结构形式多样，要求较高。为保证密封组件在正常操作或压力、温度有波动的情况下，能满足容器的密封性要求，大多密封结构比较复杂，加工要求也较高。（多种不同的密封结构：如强制式密封中的平垫密封、卡扎里密封；自紧式密封中的楔形密封、伍得密封、八角垫密封、O形环密封、C形环密封、B形环密封；半自紧式的双锥密封等。）,第五章厚壁容器,6,5.1厚壁容器的结构和选材二、厚壁容器的选材要求除了遵循一般压力容器的选材原则外，还应根据使用特点，考虑载荷和载荷性质、工作温度、介质特性、结构形式以及加工制造等方面的影响。具有较高的机械强度，塑性要好；（选用高强度钢的同时，还应充分考虑材料的塑性指标，对于焊接或多层厚壁容器，一般选择材料的延伸率5应不小于1520%。）要有较好的冲击韧性和断裂韧性；（要求冲击功值Akv40J）具有较好的抗蠕变性能；（厚壁容器除了承受高压外，有时还要受到高温的作用，当温度超过所用材料决定的某一数值时，材料就会发生蠕变。应力越大，温度越高，蠕变速率也就越快）有一定的抗腐蚀性能；（根据载荷选用的材料强度级别越高，应力腐蚀的敏感性也就越大）要有良好的加工工艺性能，以及考虑本国资源及使用的经济性。,第五章厚壁容器,7,5.2厚壁容器的筒体结构型式单层圆筒结构：整体锻造式、锻焊式、单层卷焊式、单层瓦片式等；多层圆筒结构：多层包扎式、多层热套式、多层焊缝错开式、多层绕板式、绕带式和螺旋绕板式等。一、单层圆筒结构1、整体锻造式圆筒（如图5-3）特点：构比较简单，由于大型钢锭中的缺陷部分被切除，余下部分经锻压后组织密实，材料性质均匀，筒体无焊缝，机械强度得到提高；种结构需要大型的炼、锻造和热处理设备，并且生产周期长、金属切削量较大、制造成本高，因此在制造上受到一定的限制。（直径小于1500mm，长度不超过12m的压力容器。特别适用于直径为100800mm的超高压容器）2、锻焊式圆筒（如图5-4）这种结构造价很高，故常用于制造一些有特殊要求和安全性较高的压力设备。如制造热壁加氢反应器、煤液化反应器、核容器等。,8,单层圆筒结构：整体锻造式、锻焊式、单层卷焊式、单层瓦片式等；一、单层圆筒结构3、单层卷焊式圆筒特点：该结构加工工序少，制造简单，自动化程度高，生产效率高，因而是迄今为止使用最多的一种压力容器圆筒结构。但若用于制造大型厚壁容器，则需要大型卷扳机和热处理炉。目前，已经可以制造厚度为500mm的各种单层卷焊式厚壁容器，我国最大的卷板能力为250mm。4、单层瓦片式圆筒特点：由于每一个筒节都有两条或两条以上的纵焊缝，而且“瓦坯”组对时，需要一定数量的工夹具，因此，较费工时，且制造方法比上一种复杂，一般较少采用此种圆筒结构。,9,共同的缺点：不能完全避免较薄弱的深焊缝，焊接检验和消除均较困难，结构本身缺乏阻止裂纹快速扩展的保护能力；大型锻件及厚钢板的性能不及薄钢板，不同方向力学差异较大，发生低应力脆性破坏的可能性也较大；应力沿壁厚不是均匀布，材料未得到充分利用。,10,5.2厚壁容器的筒体结构型式多层圆筒结构：多层包扎式、多层热套式、多层焊缝错开式、多层绕板式、绕带式和螺旋绕板式等。二、多层圆筒结构1、多层包扎式圆筒（图5-5、5-6）不需要大型复杂的加工设备；（该结构是目前世界上应用最多的一种厚壁容器）使用的层板较薄，其塑性较好，脆性转变温度较低，如果发生破裂，也只是逐层开裂，不会产生大量碎片，具有较高的安全可靠性；层板在包扎和焊接过程中，由于受到钢丝绳或液压钳的拉紧力，以及C类焊缝的冷却收缩作用，筒体沿壁厚将会产生一定的压缩预应力。使厚壁圆筒在壁厚方向的应力分布比单层筒体更均匀，由此提高了容器的承载能力；当介质有腐蚀时，内筒可选用耐蚀钢板，而层板则用普通碳钢材料，降低成本；筒体制造工序多、周期长、效率低、钢材利用率低（仅60%左右）；深环焊缝对制造质量和安全有显著影响。,11,5.2厚壁容器的筒体结构型式二、多层圆筒结构2、多层热套式圆筒（图5-7）特点：与多层包扎式圆筒相比，不仅具有前者大多数优点，而且还避免了工序多、生产周期长的缺点；热套容器大多采用2580mm的中厚钢板作圆筒，故抗脆性能又比单层筒体好；各层圆筒贴合紧密，不存在间隙，除了可以改善筒体操作时的应力状态外，对用筒壁作传热的容器也十分有利；热套式筒体的各层圆筒纵焊缝能进行100%探伤，因此，纵向焊缝质量易于证；由于热套式结构只能热套短圆筒，故筒体节连接较多，深环焊缝存在缺陷的可能性增大，增加了环焊缝焊接和探伤检测的工作量；热套式结构需要大型设备加工坡口和进行整体热处理的加热炉。常用范围：设计压力1070MPa，设计温度-45538C，内直径6004000mm，壁厚50500mm，筒体长度2.438m。,12,5.2厚壁容器的筒体结构型式二、多层圆筒结构3、多层绕板式圆筒（图5-9、5-10、5-11）多层错开和多层绕板式都是在多层包扎式圆筒基础上发展起来的。主要目的是为了克服多层包扎结构中焊缝多，生产周期长的缺点。与多层包扎式圆筒相比，具有纵向焊缝少，机械化程度高，绕制快，材料利用率高（达到90%以上）、操作简便等优点；由于该结构的筒节长度与钢板宽度相等，因此，筒节和封头均需要用深环焊缝进行连接，增加了焊接和检验的工作量；钢板厚度误差累计会使圆筒圆度增大；绕板不容易绕紧，层间存在间隙。4、多层绕带式圆筒（图5-12、5-13）特点：兼有绕带式和多层包扎式筒体的优点，可用轧制容易的扁平钢带代替轧制困难的型槽钢带，钢带只需冷绕；与厚板卷焊圆筒相比，它能够提高工效一倍，降低焊接和热处理能耗80%，减少钢材消耗20%，降低制造成本约30%50%；筒体全长没有深的纵向和环向焊缝该结构，制造方法易掌握，制造设备简单。,13,5.3厚壁容器（筒体）的强度计算现代压力容器的设计和计算思想，逐步发展成针对不同失效形式的多种设计准则，并形成了常规设计、分析设计两个自成体系的设计与计算方法。一、厚壁圆筒弹性失效设计准则及强度计算1、压力容器的基本失效形式强度失效因材料屈服或断裂引起的压力容器失效（韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、腐蚀断等）；刚度失效由于构件过度的弹性变形引起的失效；失稳失效在压应力作用下，压力容器突然失去其原有规则几何形状引起的失效；泄漏失效泄漏而引起的失效。,14,厚壁容器（高压容器）-氨合成塔,15,厚壁容器（高压容器）-核反应堆,1000mw级压水堆核电站蒸发器东锅,1000mw级压水堆核电站稳压器东锅,16,厚壁容器（高压容器）-高压气瓶,17,厚壁圆筒中各应力分量分布图,18,厚壁容器部分常见结构形式,19,厚壁容器部分常见开孔结构,氨分离器,20,高压容器密封结构,平垫密封双锥密封,21,整体锻造式圆筒锻焊式和单层卷焊式圆筒,图5-3整体锻造式圆筒图5-4锻焊式和单层卷焊式圆筒,22,多层包扎式厚壁圆筒、层板包扎结构,23,图5-7多层热套式厚壁圆筒,结构、制造：内筒（厚度30mm）卷焊成直径不同但可过盈配合的筒节，将外层筒节加热到计算的温度进行套合，冷却收缩后得到紧密贴合的厚壁筒节。,24,图5-95-10、5-11多层绕板式筒体及卷制示意图,图5-10、5-11绕板式筒体制作的卷制示意图,1内筒；2绕板层；3保护筒4楔形板,结构：由内筒、绕板层和外筒三部分组成，是在多层包扎式筒体的基础上发展起来的。制造：内筒与多层包扎式内筒相同，外层是在内筒外面连续缠绕若干层35mm厚的薄钢板而构成筒节，只有内外两道纵焊缝，需要2个楔形过渡段，外筒为保护层，由两块半圆或三块“瓦片”制成。,25,图5-12扁平钢带式圆筒图5-13扁平钢带式圆筒绕制示意图,1电机；2刹车装置；3、4、12减速箱；5床头6内筒；7尾架；8丝杠；9小车；