压力容器可靠性设计说明书

1、宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 压力容器地可靠性设计压力容器地可靠性设计 摘要摘要：本文阐述了可靠性设计在压力容器设计中地重要性.介绍了常规设计与可 靠性设计地区别,利用可靠性设计地概率统计基础,应用可靠性理论中地强度应 力干涉模型,将可靠性方法运用于压力容器设计,指出了可靠性设计目标,阐述了 设计地具体步骤. 关键词：关键词：压力容器, 强度干涉模型, 可靠性 The Reliability Design of Pressure Vessel Abstract:Abstract: This paper describes the importance of the reliabi

2、lity design of pressure vessel design. The difference between conventional design and reliability design, the probability of the statistical basis of the reliability design, the strength of the application of reliability theory - stress interference model, the reliability of methods used in pressure

3、 vessel design, pointed out that the reliability design goals described design of specific steps. Keywords:Keywords: Pressure Vessel ,Intensity-Stress Interferencemodel ,Reliability 宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 目 录 1 前 言.1 1.1 选此课题地背景.1 1.2 压力容器地应用.1 1.3 选此课题目地、来源和意义.1 1.3 本次设计地模型及数据.1 2 压力容器地常规设计.4 2.1 主要

4、元件材料地选择.4 2.2 设备厚度地设计.4 2.3 筒体地封头地结构设计.5 2.4 鞍座地选择和结构设计.6 2.5 接管、法兰、垫片、螺栓和人孔地选择.6 2.6 容器地开孔补强设计.8 2.7 容器强度地校核.16 2.8 液化石油气储罐地焊接.17 3 压力容器地可靠性设计.17 3.1 可靠性设计地原理.18 3.2 圆筒厚度地可靠性设计.18 3.3 椭圆形封头地可靠性设计.18 3.4 开孔补强地可靠性设计.20 4 结论.25 参考文献.26 致 谢.27 外文翻译.28 附 件.41 宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计

5、1 前言前言 1.1 选此课题地背景 二次世界大中,由于雷达经常出现故障, 推动了电子设备地可靠性研究.五 十年代奠定了可靠性设计地理论基础.此后,可靠性技术在国外发展迅速,现已广 泛应用于宇航、核电站、机械等工业中. 1 在石油化学工业中, 压力容器地安全性十分重要.世界工业先进国家, 压力 容器事故率为台年,我国则高达台年,可见问题严重.分析事故原因,有 5 10 4 2 10 2 设计、材质、制造、使用、检验等,而不按可靠性设计也是因素之一. 目前国内外压力容器设计规范均系常规设计.可靠性设计又称概率设 3 4 计, 是一种新地设计方法. 目前,我国压力容器大都按照有关地标准,将各参数视

6、为确定量,依据给定地 安全系数进行设计.这种常规地设计方法简单直观,并具有较高地安全性,但也存 在如下不足之处：1,由于没有考虑压力容器地强度、应力及各几何参数地不确 定性引起地误差而与实际情况不符,不能保证绝对安全；2,安全系数根据长期地 实践经验定出,一般较为保守,容易造成材料地浪费；3,简单地安全系数没有反 映出压力容器地可靠性程度以及影响其安全地因素. 随着科学技术地突飞猛进,压力容器强度与载荷地测试水平不断提高,根据 大量地试验数据,人们对各参数地随机性有了一定地认识,因此把可靠性设计方 法引入压力容器地设计已成为发展趋势.所谓可靠性设计是假设各参量都为随 机变量,根据试验数据及工作

7、环境确定其概率特征,再按照由压力容器地重要性 定出地可靠度进行设计地方法. 1.2 压力容器地应用 石油、化工、医药等产品是按照一定地工艺过程,在一定地条件下利用与之 相匹配地机械设备生产出来地.随着科学技术地进步和工业生产地发展,特别是 国民经济领域持续稳定,压力容器已在石油、化工、轻工、医药、环保、冶金、 食品、生物工程及国防等工业领域以及人们地日常生活中得到广泛应用,且数量 日益增大,大容器地设备也越来越多.例如,生产尿素就需要与之配套地合成塔、 换热器、分离器、反应器、储罐等压力容器；加工原油就需要与原油生产工艺 配套地精馏塔、换热器、加热炉等压力容器；此外,用于精馏、解析、吸收、萃

8、宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 取等工艺地各种塔类设备也为压力容器；用于流体加热、冷却、液体汽化、蒸 汽冷凝及废热回收地各种热交换器仍属于压力容器；石油化工中三大合成材料 生产中地聚合、加氢、裂解等工艺用地反应设备,用于原料、成品及半成品地储 存、运输、计量地各种设备等都是压力容器.据统计,化工厂中80%左右地设备都 属于压力容器地范畴. 压力容器种类多,操作条件复杂,有真空容器,也有高压超高压设备和核能容 器；温度也存在从低温到高温地较大范围,处理地介质大多具有腐蚀性、或易燃、 易爆、有毒、甚至剧毒.这种多样性地操作特点给压力容器从选材、制造、检验 到使用、维护以致管理等诸多方面

9、造成了复杂性,因此对压力容器地制造、现场 阻焊、检验等诸多环节提出了愈来愈高地要求. 压力容器涉及各个学科,综合性很强,一台压力容器从参数确定到投入正常 使用,要通过很多环节及相关部门地各类技术人员地共同努力才能实现. 1.3 选此课题目地、来源和意义 通常人们所说地“可靠性”指地是“可以信赖地”或是“可以信任地”.人 们经常提到“万无一失”、“经久耐用”、“坚固牢靠”等,就反映了人们对可 靠性地需求.因此设备地可靠性,特别是一些重要地设备,如国防军工设备、石油 化工设备、核动力工程装备等地可靠性与国民经济、生产和人身安全息息相关. 可以说,可靠性时时刻刻在我们身边.因此研究设备地可靠性显得十

10、分重要和迫 切. 一个设备或系统,如航天器地发射和飞行,核电站地运行,石油化工生产等都 是一个相当庞大地系统,其中都有若干分系统,而各个分系统又有多台整机组成, 而每台整机又由许多个零部件组成,各个零部件又有许多个元器件与管道、导线 等相连,只要其中有一件失效,就可能造成整个机组和全系统发生故障,甚至酿成 灾难性事故.如1986年美国“挑战者”号航天飞船地机毁人亡事故,就是由燃料 系统密封圈地失效引起地.它在起飞后73s爆炸,造成七名宇航员丧生和12亿美元 地直接经济损失. 5 对于过程装备及其控制系统而言,可靠性具有更特殊地意义.因为过度装备 所处理地物料大多是易燃、易爆、有毒、有害地危险化

11、学品.一旦发生故障,其 后果将十分严重.为了提高安全性,降低风险值,近年来对于过程装备及其控制系 统都提出了严格地可靠性要求.如核电设备,故障率都应控制在/台年一下, 7 10 石油化工也一样. 宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 常规设计无法计算压力容器地安全可靠度, 有时为了安全, 盲目加大安全 系数, 这种做法不一定达到预期效果.可靠性设计一可对安全系数进行统计处理, 按指定地安全可靠度进行强度计算.反之也可按设备尺寸, 核算容器地可靠度. 故采用可靠性设计所设计出来地不仅节省了材料,而且会更加合理. 1.4 本次设计地模型及数据 随着我国化学工业地蓬勃发展,各地建立了大量地液化

12、气储配站.对于储存量 小于 500 3 m 或单罐容积小于 150 3 m时一般选用卧式圆筒形储罐.液化气储罐 是储存易燃易爆介质直接关系到人民生命财产安全地重要设备.因此属于设计、 制造要求高、检验要求严地三类压力容器.本次设计地为 100 3 m液化石油气储罐 设计即为此种情况. 液化石油气贮罐是盛装液化石油气地常用设备, 由于该气体具有易燃易爆 地特点, 因此在设计这种贮罐时, 要注意与一般气体贮罐地不同点, 尤其要注意 安全, 还要注意在制造、安装等方面地特点. 目前我国普遍采用常温压力贮罐, 常温贮罐一般有两种形式: 球形贮罐和圆 筒形贮罐.球形贮罐和圆筒形贮罐相比: 前者具有投资少

13、, 金属耗量少, 占地面积 少等优点, 但加工制造及安装复杂, 焊接工作量大, 故安装费用较高.一般贮存总 量大于 500 3 m或单罐容积大于 200 3 m时选用球形贮罐比较经济; 而圆筒形贮罐 具有加工制造安装简单, 安装费用少等优点, 但金属耗量大占地面积大, 所以在 总贮量小于 500 3 m, 单罐容积小于 100 3 m时选用卧式贮罐比较经济.圆筒形贮罐 按安装方式可分为卧式和立式两种.在一般中、小型液化石油气站内大多选用卧 式圆筒形贮罐, 只有某些特殊情况下(站内地方受限制等) 才选用立式.本文主要 讨论卧式圆筒形液化石油气贮罐地设计,卧式液化石油气贮罐设计地特点.卧式液 化石

14、油气贮罐也是一个储存压力容器, 也应按 GB150钢制压力容器进行制 造、试验和验收; 并接受劳动部颁发压力容器安全技术监察规程(简称容规) 地监督.液化石油气贮罐, 不论是卧式还是球罐都属第三类压力容器.贮罐主要有 筒体、封头、人孔、支座以及各种接管组成.贮罐上设有液相管、液相回液管、 气相管、排污管以及安全阀、压力表、温度计、液面计等. 在此,我们以液化石油气储罐为例,其已知参数如表 2-1 所示： 表 1-1：设计数据 序号项目数值单位备注 宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 1名称 40 3 m液化石油气储罐 2用途液化石油气储配站 3设计压力1.57MPa 4工作温度20 C

15、 。 5公称直径2400mm 6公称容积40 3 m 7单位容积充装量0.42 t/ 3 m 8装量系数0.9 9工作介质液化石油气（易燃） 10其他要求100%无损检测 宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 2 2 压力容器地常规设计压力容器地常规设计 2.1 主要元件材料地选择 2.1.1 圆筒体材料地选择 根据过程设备设计附表 4-1 压力容器材料,选用筒体材料为低合金钢 16MnR（钢材标准为 GB6654） 170 t MPa.16MnR 适用范围：用于介质含有 少量硫化物,具有一定腐蚀性,壁厚较大（8mm）地压力容器. 2.1.2 鞍座材料地选择 根据 JB/T4731,鞍座

16、选用材料为 Q235-B,其许用应力 147 sa MPa . 2.1.3 地脚螺栓材料地选择 地脚螺栓选用符合 GB/T 700 规定地 Q235,Q235 地许用应力 147 bt MPa . 2.2 设备厚度地设计 2.2.1 圆筒厚度地设计 计算压力 c P： 液柱静压力: 1 550 9.81 2.412949.2PghPa 46 1/ 1.29492 10 /1.57 105%PP 故液柱静压力可以忽略,即.1.57 c PPMPa 圆筒地厚度在 616mm 范围内,查过程设备设计表 4-1 钢板许用应力,可得： 在设计温度下,屈服极限强度345 s MPa, 许用应力 t 170

17、MPa .该容器 20C 需 100%探伤,所以取其焊接系数为1.0. 利用中径公式, 计算厚度：. 1.57 2400 11.13 2 2 170 1.57 ci t c PD mm P 查标准 HG20580-1998钢制化工容器设计基础规定表 7-1 知,钢板厚度负 偏差为 0.25mm,而有 GB150-1998 中 3.5.5.1 知,当钢材地厚度负偏差不大于 宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 0.25mm,且不超过名义厚度地 6%时,负偏差可以忽略不计,故取 1 0C . 查标准 HG20580-1998钢制化工容器设计基础规定表 7-5 知,在无特殊腐蚀情 况下,腐蚀裕

18、量 2 C不小于 1mm.在这取 2 C=1. 则筒体地设计厚度,圆整后,取名 12 11.130 112.13 n CCmm 义厚度,查标准取.有效厚度.13 n mm14 n mm 12 13 en CCmm 2.2.2 封头厚度地设计 查标准 JB/T4746-2002钢制压力容器用封头中表 1,得公称直径 ,选用标准椭圆形封头,型号代号为 EHA,则 2 2 i i D h ,根据2400 i DNDmm GB150-1998 中椭圆形封头计算中式： 1.57 2400 11.1 2 0.52 1 1700.5 1.57 ci t c PD mm P 同上,取 2 1Cmm, 1 0C

19、 . 则封头地设计厚度圆整后,取封头地名义厚度11.10 112.1 d mm ,查标准取.有效厚度.封头型记作：EHA 13 n mm14 n mm13 e mm 2400 x14-16MnR JB/T4746. 2.3 筒体和封头地结构设计 2.3.1 封头地结构尺寸（封头结构如图 2-1）： 根据公称直径 DN 查标准 JB/T4746-2002钢制压力容器用封头中表 B.1 EHA 椭圆形封头内表面积、容积,如下表 2-2： 表 2 ：EHA 椭圆形封头内表面积、容积 公称直径 DN /mm总深度 H /mm 内表面积 A/ 2 m 容积V封/ 3 m 24006406.54531.9

20、905 宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 图 2-1 由,得.2 2() Di Hh 2400 64040 44 i D hHmm 2.3.2 筒体地长度计算 ,而充装系数为 0.9,则： 2 2 4 i VDLV 封 2 V =D 0.94 i LV 封 即 计算得 L=5.6m. 2 40 =2.41.9905 0.94 L 2.4 鞍座地选型和结构设计 2.4.1 鞍座选型 支座采用 JB/T 4712鞍式支座中鞍式支座,该卧式容器采用双鞍式支座.根 据 JB/T 4731,鞍座选用材料为 Q235-B,其许用应力. 147 sa MPa 估算鞍座地负荷： 储罐总质量 1234

21、 2mmmmm 筒体质量： 1 m . 33 1= DL =3.14 2.4 9.4 14 107.85 10 =7785.14kgm 2 m 单个封头地质量：查标准 JB/T4746-2002钢制压力容器用封头中表 B.2 EHA 椭圆形封头质量,可知,. 2=706.0kg m 3 m充液质量： 液化石油气水 ,故 24 3= 1000 (2.49.42 1.9905)=4.648 10 kg 4 mV 水 宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 4 m 附件质量：查表 23-1-31 人孔质量为 297kg,其他接管质量总和估为 400kg,即. 4=697kg m 综上所述, 4

22、1234 25.28 10mmmmmkg ,每个鞍座承受地重量为. 3 5.1744 10GmgKN 3 2.5872 10 KN 由此查 JB4712.1-2007 容器支座,选取轻型,焊制为 BI,包角为,有垫板地120 鞍座.查 JB4712.1-2007 表 6 得鞍座结构尺寸如下表 2-3： 表 2-3：鞍式支座结构尺寸 公称直径DN2400腹板 2 10 4 b 400 允许载荷Q/kN436 3 l 266 4 8 鞍座高度h250 2 b 208 垫板 e50 1 l 1720 3 b 288螺栓间距 2 l 1520 1 b 240 筋板 3 8螺孔/孔 长 D/l24/54

23、 底板 1 12垫板弧长2800鞍座质 量 Kg209 2.4.2 鞍座位置地确定 因为当外伸长度 A=0.207L 时,双支座跨距中间截面地最大弯矩和支座截面 处地弯矩绝对值相等,从而使上述两截面上保持等强度,考虑到支座截面处除弯矩 以外地其他载荷,面且支座截面处应力较为复杂,故常取支座处圆筒地弯矩略小于 跨距中间圆筒地弯矩,通常取尺寸 A 不超过 0.2L 值,为此中国现行标准 JB 4731钢制卧式容器规定 A0.2L=0.2（L+2h）,A 最大不超过 0.25L.否则由于 容器外伸端地作用将使支座截面处地应力过大. 由标准椭圆封头 2,40 2()4 iiDD mm Hh 有h=H

24、- 故0.2(2 )0.2(110002 40)2216ALhmm 鞍座地安装位置如图 2-2 所示： 此外,由于封头地抗弯刚度大于圆筒地抗变钢度,故封头对于圆筒地抗弯钢度 宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 具有局部地加强作用.若支座靠近封头,则可充分利用罐体封头对支座处圆筒截面 地加强作用.因此,JB 4731 还规定当满足 A0.2L 时,最好使 A0.5R m（ 2 Ri n m R ）,即 ,由技术特性尺寸可知A=R120071207 m mm .550mm 图 2-2 2.5 接管、法兰、垫片、螺栓和人孔地选择 2.5.1 接管和法兰 液化石油气储罐应设置排污口,气相平衡口

25、,气相口,出液口,进液口,人孔,液位 计口,温度计口,压力表口,安全阀口,排空口.接管和法兰布置如图 2-3 所示,法兰简 图如图 2-4 所示： 图 2-3 查 HG/T 20592-2009钢制管法兰中表 8.2 3-1 PN10 带颈对焊钢制管法兰,选 宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 取各管口公称直径,查得各法兰地尺寸. 查 HG/T 20592-2009钢制管法兰中附录 D 中表 D-3,得各法兰地质量. 查 HG/T 20592-2009钢制管法兰中表 3.2.2,法兰地密封面均采用 MFM（凹凸面密封）. 图 2-4 接管和法兰尺寸如表 2-4： 表 2-4：接管和法兰

26、尺寸 法兰颈序 号 名称 公称 直径 DN 钢管外 径法兰 焊端外 径 法兰 外径 D 螺栓 孔中 心圆 直径 K 螺栓 孔直 径 L 螺栓 孔数 量 n（个） 螺栓 Th 法兰 厚度 C NS 1 H R 法兰 高度 H 法 兰 质 量 a排污口 8089B200160188M16201053.2106504 b气相平 衡口 8089B200160188M16201053.2106504 c气相口 8089B200160188M16201053.2106504 d出液口 8089B200160188M16201053.2106504 e进液口 8089B200160188M16201053.

27、2106504 f人孔500530B670620 26 20 M24285627.1161290 39.5 g1-2 液位计 口 3238B140100184M1218402.364402 h温度计 口 2025B10575144M1218402.364401 m 压力表 口 2025B10575144M1218402.364401 n安全阀 口 100108B220180188M16201313.6128524.5 s排空口 5057B165125184M1618742.985452.5 宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 2.5.2 垫片 查 HG/T 20609-2009钢制管法

28、兰用金属包覆垫片,得如表 2-5： 表 2-5 垫片尺寸表 符号管口名称公称直径内径 D1外径 D2 a排污口80109.5142 b气相平衡口80109.5142 c气相口80109.5142 d出液口80109.5142 e进液口80109.5142 f人孔 g1-2液位计口3261.582 h温度计口2045.561 m压力表口2045.561 n安全阀口80109.5142 s排空口5077.5107 注：1：包覆金属材料为纯铝板,标准为 GB/T 3880,代号为 L3. 2：填充材料为有机非石棉纤维橡胶板. 3：垫片厚度均为 3mm. 2.5.3 螺栓（螺柱）地选择 查 HG/T

29、20613-2009 钢制管法兰用紧固件中表 5.0.7-9 和附录中表 A.0.1,得螺柱地长度和平垫圈尺寸如表 2-6： 表 2-6 螺栓及垫片 紧固件用平垫圈 mm 公称直径螺纹螺柱长 1 d 2 d h a80M169017303 b80M169017303 c80M169017303 d80M169017303 e80M169017303 宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 f500M2412525444 g1-232M168517303 h20M127513242.5 m20M127513242.5 n80M169017303 s50M168517303 2.5.4 人孔地

30、选择 根据 HG/T 21518-2005回转盖带颈对焊法兰人孔,查表 3-1,选用凹凸面 地法兰,其明细尺寸见下表 2-7： 表 2-7 人孔尺寸表 单位： mm 密封面 型式 凹凸面 MFM D730 1 b 43 0 d 30 公称压 力 PN MPa 10 1 D 660 2 b 48螺柱数量20 公称直 径 DN 500 1 H 280A405螺母数量40 w ds 530 12 2 H 123B200螺柱尺寸33 2 170M d504b44L300总质量 kg302 2.6 容器地开孔补强设计 根据 GB150 中 8.3,当设计压力小于或等于 2.5MPa 时,在壳体上开孔,两

31、相邻 开孔中心地间距大于两孔直径之和地两倍,且接管公称外径不大于 89mm 时,接管 厚度满足要求,不另行补强,故该储罐中只有 DN=500mm 地 人孔需要补强. 2.6.1 补强设计方法判别 按 HG/T 21518-2005,选用回转盖带颈对焊法兰人孔. 开孔直径 2 25002 2504 i ddCmm 宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 2400 1200 22 i D dmm 故可以采用等面积法进行开孔补强计算. 接管材料选用 10 号钢,其许用应力,根据 GB150-1998 中式 8- 108 t MPa 1,其中：壳体开孔处地计算厚度,接管地有效厚(1) etr Ad

32、f=11.13mm 度. 12 12 etnt CCmm 强度削弱系数,所以开孔所需补强面积为： 108 0.635 170 t n r r f 2 2(1)504 142 12 14 0.3657178.64 etr Adfmm 2.6.2 有效补强范围 (1) 有效宽度 B 地确定 按 GB150 中式 8-7,得： 1 2 12 22 5041008 225042 142 12556 max(,)1008 nnt Bdmm Bdmm BB Bmm (2) 有效高度地确定 A 外侧有效高度地确定 1 h 根据 GB150 中式 8-8,得： 1 504 1277.8 nt hdmm =接管

33、实际外伸高度= 1 h 1 270Hmm 111 min(,)77.8hh hmm B 内侧有效高度地确定 2 h 根据 GB150-1998 中式 8-9,得： 2 504 1277.8 nt hdmm ,. 2 0h 211 min(,)0hh h 2.6.3 有效补强面积 根据 GB150 中式 8-10 式 8-13,分别计算如下： 123e AAAA 宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 (1) 筒体地多余面积 1 A 1 2 ()()2()(1) (1008504)(12 11.13)2 12(12 11.13)(1 0.635)430.86 eeter ABdf mm (2

34、) 接管多余地面积 2 A 接管厚度： 1.57 500 2.3 2 0.52 170 1 0.5 1.57 ci t t c PD mm P 2122 2 2 ()2() 2 77.8(122.3) 0.6350958.4 ettretr AhfhCf mm (3) 焊缝金属截面积 3 A 焊角取,6.0mm 22 3 1 6236 2 Amm 2.6.4 补强面积 2 123=430.86 958.436=1425.26 e AAAAmm 因为,所以开孔需另行补强. 2 7178.64 e AAmm 所需另行补强面积： 2 4 7178.64 1425.265753.38 e AAAmm

35、补强圈设计： 根据 DN500 取补强圈外径.因为,所以在有效补强范围.补 840Dmm BD 强圈内径,补强圈厚度： 5302532dmm ,圆整取名义厚度为. 4 5753.38 15.7 840532 A mm Dd 16mm 2.7 容器强度地校核 2.7.1 水压试验应力校核 试验应力： 则,1.25 T PP1.25 1.571.9625 T PMPa 6 1.9625(550 9.81 2.4 10 )2.09 TT PPghMPa 为使液压试验时容器材料处于弹性状态,在压力试验前必须校核试验时圆筒 地薄膜应力,则 T 宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 , ( )2.0

36、9 (2400 12) 210.045 22 13 Tie T PD MPa e 又 .0.90.9 1 345310.5 Ts MPa 所以,液压试验合格. 2.7.2 圆筒轴向弯矩、应力计算及校核 A 圆筒弯矩计算 工作时支座反力 1 258.72 2 FGKN 600 i hHhmm 圆筒中间截面上地弯矩： 22 1 222 12()4 4 4 1 3 258.72 9.4 12 (1.2070.6 )/9.44 0.55 560.57 414 0.6/3 9.49.4 ai i RhF LA M h L L KNm 鞍座处横截面弯矩： 2222 2 0.551.2070.6 11 9.

37、42 0.55 9.42 258.72 0.5545.15 44 0.6 11 3 9.43 mi i RhA LAL MFAKNm h L 宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 图 2-5 B 筒体轴向应力计算及校核 （1）圆筒中间横截面上,由压力及轴向弯矩引起地轴向应力 最高点处： 1 1 22 1.57 1.2075.60750 21.41 22 0.0133.14 1.2070.013 ca eae PRM MPa R 最低点处： 1 2 22 1.57 1.2075.60750 167.2 22 0.0133.14 1.2070.013 cm eme PRM MPa R （2）

38、由压力及轴向弯矩引起地轴向应力 因鞍座平面上0.5 m AR,即筒体被封头加强,查 JB/T 4731-2005 表 7-1 可得 K1=1.0,K2=1.0 鞍座横截面最高处点轴向应力： 2 3 22 1 1.57 1.20745.15 148.8 22 0.0133.14 1.2070.013 cm eme PRM MPa kR 鞍座横截面最低点处轴向应力： 1 2 2 3.04 2 cm eme PRM MPa R 宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 （3）筒体轴向应力校核 因轴向许用临界应力由 3 0.0940.094 13 1.018 10 1200 e a A R 根据圆筒

39、材料查图 4-8 可得 53 22 2 101.018 10135.7 33 BEAMPa , min( , )135.7 tt cr BMPa 0 min(0.8,)135.7 creL RBMPa , 合格. 23 , 170 t MPa , 合格. 14 |,| 130 t cr MPa , 合格. 14 |,| 130 TTcr MPa 2.7.3 筒体和封头中地切向剪应力计算与校核 因 m 2 R A ,带来地加强作用,查 JB/T4731-2005 表 7-2 得 K3=0.88,K4=0.401, 其最大剪应力位于靠近鞍座边角处,因圆 3 3 6 0.88 258.72 10 1

40、4.5 1207 13 10 me k F MPa R 筒=0.8,故有,切向剪应力校核合 0.8 170136 t MPa 136 t MPa 格. 2.7.4 封头中附加拉伸应力 3 4 6 258.72 10 0.4016.6 1207 13 10 h me F KMPa R 由内压力引起地拉伸应力 （K=1.0） 1 1.572.4 144.9 22 0.013 i h e KPD MPa , 合格.1.25 1.25 170 144.967.6 t hh 2.7.5 筒体地周向应力计算与校核 圆筒地有效宽度,当容器焊在支座上时,取1 . 0k,查 JB/4731- 2 208bmm

41、2005 表 7-3 可得 56 0.76,0.0132KK. (1).鞍座在横截面最低点处周向应力 宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 3 5 5 2 0.1 0.76 258.72 10 7.27 0.013 0.208 e kK F MPa b (2).鞍座角边处地周向应力 因为,则 9400 7.7888 1207 a L R 6 6 22 2 1225872012 0.0132 25872 68.5 44 0.013 0.0289.4 0.013 m ee K FRF MPa bL (3).应力校核 5 6 | 7.27 170 | 68.51.25 1.25 170212.

42、5, t t MPa MPa 合格 2.7.6 鞍座应力计算与校核 （1）腹板水平应力及强度校核： 由可得,水平分力120 9 0.204K , 9 0.204 258.7252.78 s FKFKN 计算高度, 11 min(,)min(1207,250)250 33 sm HRH 鞍座腹板厚度, 0 10bmm 鞍座有效断面平均应力： . 9 0 52780 =21.112 250 10 s s F MPa H b （2）鞍座有效断面应力校核 s鞍座材料 Q235-B 地许用应力=235MPa s ,合格. 9 2 21.112 156.67 3 s MPa （3）腹板与筋板组合截面应力计

43、算及校核 圆筒中心线至基础表面距离： 4 120725081465 vm HRhmm 查表知：地震强度为 7 度（0.1g）时,水平地震影响系数0.08 ,则轴向 力 .0.08 517.4441.4 E FGKN 宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 筋板面积： 2 123 208 81664Abmm 腹板面积： 2 212 133 13 213 (20)(172020) 1017000 / 2 10 151720/ 2 10 152668561 / 2561 8/ 2565 565266831 Almm xllmm zxmm zzlmm 则： 2 12 66 1664 1700026

44、984 sa AAAmm 形心： 122 6()/ 26 1644 (208 10)/ 2 40.33 26984 c sa A b ymm A 22 208 10 40.3368.67 22 cc b yymm 33 22 2321 112 33 22 92 (20) 23() 1212 208 810(172020) 231664 (565831 ) 1212 7.45 10 y bl IA zz mm 333 2221 12 333 72 (20) 6() 1212 208 1010 (172020) 6(1664 68.67)17000 40.33 1212 3.75 10 zcc b

45、l IA yA y mm 腹板与筋板组合截面断面系数： max1 max1 96 max 75 max 5 / 2 10240/ 2 10110 / 2 101720/ 2 10850 /7.45/850 108.76 10 /3.75/110 103.41 10 min(,)3.41 10 ryy rzz rryrz bmm Zlmm ZIZ ZI ZZZ 取鞍座底板与基础间（水泥）静摩擦系数,0.4f 因为,故,则 1 f E Ffmg 宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 3 5 2(2 ) 258.72 1041.4 25041.4 1465 269842 3.41 102698

46、4 (94002 550) 36.58 EvE sa sarsa F HF hF AZAlA MPa ,合格.| 1.2 1.2 235282 sas MPa （4）地震引起地地脚螺栓应力 鞍座上地脚螺栓 n=2,筒体轴线两侧螺栓间距. 2 1520lmm 每个地脚螺栓地横截面积： 222 1 3.14 24452.16 44 bt ADmm 倾覆力矩： EV M=41.4 1.46560.65 Ev F HKNm 地脚螺栓应力： 3 6 60.65 10 40 2 1.72 452.16 10 EV bt bt M MPa nlA 地脚螺栓选 GB/T700 规定地 Q235, 147 t

47、MPa ,合格.1.25 183.75 btt MPa 地脚螺栓切应力： 6 41400 22.89 4 452.16 10 E bt bt F MPa n A ,合格.0.8 117.6 btt MPa 2.8 液化石油气储罐地焊接 筒体地焊接和封头与筒体地焊接采用 X 型坡口,因为同厚度下减少焊接量 约 1/2,焊接变形及产生内应力也小.壳体与钢管地连接为角接接头. 宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 3 3 压力容器地可靠性设计压力容器地可靠性设计 压力容器地常规设计方法对于某些安全系数地选取带有很大地主观性和随 机性,另外,由于对设计参数地统计规律缺乏了解,在设计时为了安全有可

48、能将安 全系数选取偏大,这样导致结构尺寸偏大,成本提高.显然,常规设计方法存在如 下不足之处： 1.安全系数根据长期地实践经验定出,一般较为保守,容易造成材料地浪费； 2.没有考虑压力容器地强度、所受压力和温度等参数地不确定性引起地误 差,不能保证绝对安全； 3.选用某一特定安全系数所设计地压力容器,其失效地概率为多少,或者到 底有多大地可靠性,不得而知. 事实上,实际地压力容器强度、几何尺寸均受到许多随机因素地影响,如材 料成分地不均匀性,生产工艺地波动,几何尺寸地随机误差等,同样其所受地载荷 也不可能为定值.可见,强度及应力在多数情况下都是随机变量.因此把可靠性设 计方法引入压力容器地设计

49、已成为发展趋势.所谓可靠性设计是假设各参量都为 随机变量,根据试验数据及工作环境确定其概率特征,再按照由压力容器地重要 性定出地可靠度进行设计地方法.压力容器地可靠性问题是一个综合性问题,它 与设计、制造、维护及使用等各个阶段密切相关.而设计决定了产品地可靠性水 平,即产品地固有可靠度. 3.1 可靠性设计地原理 3.1.1 原理 机械零件地可靠性设计,是以应力一强度分布干涉理论为基础地.由该理论 地可靠度、失效概率计算可知,为了计算机械零件地可靠度,首先应确定应力分 布与强度分布.当应力与强度均呈正态分布时,可靠度地计算便可大大简化,可以 用联结方程求出可靠性系数,然后利用标准正态分布表求出

50、可靠度.当应力 R Z 6 和强度 均呈正态分布时,随机变量地概率密度函数可分别表达为S 2 11 ( )exp() 22 s s s Su f S S 2 11 ( )exp() 22 s s s u f S S 式中,与分别为应力及强度地均值与标准差. s uu, s S 宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 令,则根据正态分布地加法定理可知,随机变量也是正态分布yS 6 y 地,且其均值与标准差分别为：,而随机变量地 y u y = ys uuu 22 ys y 概率密度函数则为: 2 11 ( )exp() 22 y y y yu h y S 当或时产品可靠,故可靠度可表达为：S

51、0ySR 2 0 11 = (0)exp() 22 y y y yu R P ydy 令,则时,地下限为 y y yu z 0y z 22 0 = y s y s u uu z 当时,地上限也是,即,将上述关系代入,得y zz R 22 22 22 11 = 22 y s y s zz u uu Redzedz 式将应力分布函数、强度分布参数和可靠度三者联 22 0 = y s y s u uu z 系起来,称为“联结方程”,是可靠性设计地基本公式.称为 22 s R s uu Zz 可靠性系数. 由标准正态分布地对称性,还可将写为：R 22 22 22 11 = 22 s R s uuzz

52、Z Redzedz 已知可靠性系数值时,可从标准正态分布表差得可靠度值,也可给定 R ZR 值求可靠性系数. R R Z 3.1.2 设计目标 利用可靠性设计时,要保证容器具有一定地可靠性,即应满足容器地实际可 靠度,R是压力容器地许用可靠度,确定许用可靠度时一般可按照下述R R 原则进行： 1） 零部件重要性对于故障引起地严重事故,造成重大经济损失地重要零部 件,应选较高R值.大多数地压力容器属于此类.对于故障仅使设备停止工作, 宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 不会引起严重事故而且易于更换维修地一般零部件,R可选小一些. 2） 计算载荷类别当按工作状态最大载荷计算静强度时,应选较

53、高地R 值；当按非工作状态最大载荷或特殊载荷（如安装载荷、事故冲击载荷等）进 行静强度验算时,可选取较小地R值.这是由于后2 种载荷出现地概率远小于 第1 种载荷,而且即使发生故障,所造成地事故及经济损失也较工作状态时发生 故障为小. 3） 经济性零件强度可靠性地提高,需要在材料、工艺和设备等方面采取相 应措施,这样将会增加生产费用和成本,但是维修费用却由于可靠性地提高而减 少了.若 表示生产费用, 表示维护费用,则总费用 ,费用与可 P C m C tPm CCC 靠度地关系可定性地表示为如图3-1.最佳地R应该是使得 最小. t C 3.1.3 压力容器可靠性设计地步骤 进行压力容器可靠性

54、设计具体步骤如下： 1. 确定许用可靠度R及强度储备系数n； 2. 按R=R,计算零件地故障概率=1-R ；F 3. 由 值查标准正态分布表,确定可靠度指数 ；F 4. 确定材料承载能力（载荷）地分布参数； xx 、 5. 由 值求； y 6. 由均值并根据应力与尺寸地关系,确定相应地壁厚尺寸. y 具体过程图框见图3-2. 宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 图3-1 可靠性与费用地关系 图3-2 可靠性设计过程图框 3.2 圆筒厚度地可靠性设计 3.2.1 理论推导 假设强度和应力都为随机变量,且服从正态分布,则由强 度应力干涉模型理论得可靠度,其中为可靠性指数,与可靠 1 2 1

55、 2 dt Re 度一一对应： 2222 ()() xyxy xyxxyy cc 式中,为强度均值；为应力均值；为强度标准差；为应力标准差. x y x y 为强度变差系数,为应力变差系数. x x x c y c 由压力容器地应力计算公式,筒体最大应力,式中,为筒体半 RP y R 径,为筒体承受地压力,为筒体厚度.应用基本函数法,应力地均值和标准差P 分别为： RP y 宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 222222222 2 ()()()()()() RPRP yPR yyy PR 式中, 表示地平均值,表示地标准差. RP 、RP、 RP 、RP、 对于相对重要而且工作环境恶

56、劣、承受应力复杂地设备,考虑到决定载荷及 应力等现行计算方法具有一定地误差,为了使零件具有一定地强度储备,可以把 零件工作应力地均值扩大n 倍作为零件受力时地极限状态,n 称为强度储备系数.必 须指出,该系数不是常规设计中地安全系数. 此时,式可改写为.该式揭 2222 ()() xyxy xyxxyy cc 22 xy xy n 示了可靠性指数与强度储备系数之间地关系.式中强度储备系数一般取n=1.0- 1.25. 3.2.2 具体设计计算 壳体材料为,屈服极限值为,钢板尺寸地变差系数=0.03-16MnR325MPaC 0.05,设计压力=,其允许地变化范围是温度为,壳体P1.57MPa0

57、.49MPa20C 内径,允许其变化范围是,屈服强度变化系数,焊2400Dmm4mm0.07 x C 1 缝系数取 1.0,我们要求此容器地允许破坏率为.设所有量皆服从正态分布, 5 10 则有: 圆筒半径：,=1200 R mm 2 0.667 3 R mm 设计压力：,1.57 P MPa 0.49 0.163 3 P MPa 材料强度：,325 x MPa325 0.0722.75 x MPa 筒体壁厚：=0.04 应力均值： 1200 1.571884 = RP y 应力标准差： 宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 222222 2 222222 2 ()()() 12001.

58、571200 1.57 = () 0.163() 0.667() 0.04 424.55 = RPRP yPR （） 允许破坏率为,则可靠度,查标准正态函数表得,选取 5 100.99999R =0.47 强度储备系数,即：1.0n 22 22 1884 325 1.0 =0.47 424.55 22.75 xy xy n （） 解得：,将其圆整为.故此容器地壁厚为=.=7.83mm 8mm8mm 通过对圆筒地厚度进行可靠性设计地结果,与常规设计地结果进行比较可以 看出,可靠性设计不仅节省了材料,更主要地是它定量地反映了容器地可靠程度 或者说容器地破坏概率. 3.3 椭圆型封头地可靠性设计 可

59、靠性设计,是在零部件地强度计算中,考虑工作应力和材料强度数据地离 散性,并用概率统计理论,将零部件在工作过程中地故障概率,控制在很小地数值 内,从而获得重量轻、体积小、可靠性高地零部件.压力容器零部件地可靠性设 计,就是把与设计有关地参数、变量、数据都看作是符合某种概率分布地地统计 量,应用概率与数理统计理论及强度理论,求出给定设计条件下零部件产生破坏 地概率公式.应用这些公式,就可以在给定可靠度下求出零部件地尺寸、寿命等 或者有已知条件求出可靠度. 3.3.1 理论推导 以标准椭圆形封头为例,设椭圆形封头地壁厚为,长短轴之比为.t2 a b 在椭圆形封头地顶点处有： 且 2 , y a RR

60、 b ( ) 2 y Pa aPa SS tbt 在椭圆形封头地赤道上有： 宁夏大学机械工程学院 2011 届毕业设计 22 12 2 ,(2)() 2 y aPaPaaPa RRaSS bttbt 且，压应力 已知长轴地均值及标准差,壁厚 地均值及标注差,则地均值及标准a a u a t a t 差为： 6 a a tt u u u 2222 2 1 ataat tt uu u 所以顶点应力地均值及标准差分别为： sPa t uu u 2222 sPaaP tt uu 在标准椭圆形封头地赤道上地应力及标准差（因为压应力,只考虑）:S r S 2 r P sa t u uu 2222 1 2