幻灯片压力容器设计PPT学习教案

1、会计学1幻灯片压力容器设计幻灯片压力容器设计适的密封材料。结构，选择合选择或设计合理的密封密封设计适的材料。部件结构尺寸，选择合确定零通过强度和刚度计算，强度和刚度设计理、经济的结构形式。的要求，设计简单、合、检验等方面满足工艺、制造、使用结构设计主要设计内容压力容器设计压力容器设计基本内容基本内容第1页/共94页用户提出基本设计要求用户提出基本设计要求 分析容器的工作条件，确定设计参数分析容器的工作条件，确定设计参数 结构分析、初步选材结构分析、初步选材 选择合适的规范和标准选择合适的规范和标准 应力分析和强度计算应力分析和强度计算 确定构件尺寸和材料确定构件尺寸和材料 绘制图纸，提供设计计

2、算书和其它技术文件绘制图纸，提供设计计算书和其它技术文件 压压力力容容器器设设计计的的基基本本步步骤骤第2页/共94页搅拌容器条件图塔器条件图换热器条件图一般容器条件图设计条件图等）、腐蚀速率、保温条件其它（材料、设计寿命操作方式和要求压力和温度工作介质设计要求设计条件设计条件第3页/共94页第4页/共94页第5页/共94页第6页/共94页交互失效泄漏失效失稳失效刚度失效强度失效压力容器的失效形式4-2 设计准则设计准则第7页/共94页腐蚀断裂蠕变断裂疲劳断裂脆性断裂韧性断裂强度失效形式第8页/共94页第9页/共94页第10页/共94页第11页/共94页压力容器失效判据压力容器失效判据判断压力

3、容器是否失效判断压力容器是否失效由力学分析得到力学分析结果由力学分析得到力学分析结果由实验测得失效数值由实验测得失效数值失效判据失效判据第12页/共94页泄漏失效设计准则稳定失效设计准则刚度失效设计准则强度失效设计准则压力容器设计准则压力容器设计准则压力容器设计准则第13页/共94页脆性断裂失效设计准则蠕变失效设计准则疲劳失效设计准则弹塑性失效设计准则爆破失效设计准则塑性失效设计准则弹性失效设计准则强度失效设计准则第14页/共94页4-3 基于弹性失效设计准则基于弹性失效设计准则不连续应力的考虑不连续应力的考虑第15页/共94页第16页/共94页扁平钢带倾角错绕式槽形绕带绕带式绕板式热套式整体

4、多层包扎式多层包扎式组合式无缝钢管式锻焊式整体锻造式单层卷焊式单层式圆筒结构形式圆筒设计圆筒设计第17页/共94页单层式圆筒的优点：单层式圆筒的优点：不存在层间不存在层间松动等薄弱环节，能较好地保证松动等薄弱环节，能较好地保证筒体的强度。筒体的强度。单层式圆筒的缺点：单层式圆筒的缺点：1、单层厚壁圆筒对制造设备的、单层厚壁圆筒对制造设备的要求高。要求高。2、材料的浪费大。、材料的浪费大。3、锻焊式圆筒存在较深的纵、锻焊式圆筒存在较深的纵、环焊缝，不便于焊接和检验。环焊缝，不便于焊接和检验。第18页/共94页层板包扎式层板包扎式 （1）包扎工序繁琐，费工费时，效率低。）包扎工序繁琐，费工费时，效

5、率低。 （2）层板材料利用率低。）层板材料利用率低。3）层间松动问）层间松动问题。题。缺点缺点 （1）对加工设备的要求不高。对加工设备的要求不高。 （2）压缩预应力可防止裂纹的扩展。）压缩预应力可防止裂纹的扩展。 （3）内筒可采用不锈钢防腐。）内筒可采用不锈钢防腐。 （4）层板厚度薄，韧性好，不易发）层板厚度薄，韧性好，不易发生脆性断裂。生脆性断裂。优点优点第19页/共94页整体多层包扎式整体多层包扎式第20页/共94页 （1）套合层数少，效率高，成本低。）套合层数少，效率高，成本低。 （2）纵焊缝质量容易保证。）纵焊缝质量容易保证。 （1）只能套合短筒，筒节间深环焊缝多。）只能套合短筒，筒节

6、间深环焊缝多。 （2）要求准确的过盈量，对筒节的制造要求高。）要求准确的过盈量，对筒节的制造要求高。热套式热套式优点优点缺点缺点第21页/共94页优点：优点：（1）机械化程度高，操作简便，材料利用率高。）机械化程度高，操作简便，材料利用率高。 （2）纵焊缝少。）纵焊缝少。缺点：缺点：（1）绕板薄，不宜制造壁厚很大的容器。）绕板薄，不宜制造壁厚很大的容器。 （2）层间松动问题。）层间松动问题。绕板式绕板式优点优点缺点缺点第22页/共94页槽形绕带式槽形绕带式（1）筒壁应力分布均匀且能承受一部分由内压）筒壁应力分布均匀且能承受一部分由内压 产生的轴向力。产生的轴向力。（2）机械化程度高，材料利用率

7、高。）机械化程度高，材料利用率高。（1）钢带成本高，公差要求严格。）钢带成本高，公差要求严格。（2）绕带时钢带要求严格啮合，否则无法贴紧。）绕带时钢带要求严格啮合，否则无法贴紧。优点优点缺点缺点第23页/共94页 （1）机械化程度高，材料利用率高。）机械化程度高，材料利用率高。 （2）整体绕制，无环焊缝。）整体绕制，无环焊缝。 （3）带层呈网状，不会整体裂开。）带层呈网状，不会整体裂开。 （4）扁平钢带成本低，绕制方便。）扁平钢带成本低，绕制方便。扁平钢带倾角错绕式扁平钢带倾角错绕式特点特点第24页/共94页cticpDp2单层内压圆筒单层内压圆筒焊接接头系数计算压力cptcp0.4适用范围：

8、壁厚计算壁厚计算第25页/共94页强度校核强度校核工作应力工作应力teeictDp2)(最大允许工作压力最大允许工作压力eitewDp2第26页/共94页时（单层厚壁圆筒）tcp0.4按塑性失效设计准则：按塑性失效设计准则：)1()1(230pniisseRKR按爆破失效设计准则：按爆破失效设计准则：)1()1()2(23pniibssbeRKR第27页/共94页cticpDp2注意注意000tnitinit第28页/共94页第29页/共94页最小厚度最小厚度碳素钢、低合金钢制容器：碳素钢、低合金钢制容器：min3mm高合金钢制容器：高合金钢制容器：min2mm第30页/共94页设计压力设计压

9、力p设计温度设计温度t第31页/共94页设计压力的规定设计压力的规定1、容器上装有安全阀时、容器上装有安全阀时 P=(1.051.10)PW2、容器上装有爆破膜时、容器上装有爆破膜时 P=(1.151.30)PW3、盛装液化气体的容器、盛装液化气体的容器 设计压力取工作时可能达到的最高温度下设计压力取工作时可能达到的最高温度下液化气体的饱和蒸气压液化气体的饱和蒸气压第32页/共94页根据规定：当钢板厚度负偏差不大于根据规定：当钢板厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名且不超过名义厚度的义厚度的6%时，可取时，可取C1=0。所以在设计计算中，对于所以在设计计算中，对于GB6654-1996、G

10、B3531-1996种的钢板（如种的钢板（如20R、16MnR、16MnDR等），均可取等），均可取C1=0。钢板厚度负偏差钢板厚度负偏差第33页/共94页第34页/共94页焊接接头系数焊接接头系数第35页/共94页材料许用应力材料许用应力安全系数强度极限值安全系数安全系数碳素钢、低合金钢及铁素体高合金钢：碳素钢、低合金钢及铁素体高合金钢：nb3.0 ns1.6 nD1.5 nn1.0 奥氏体高合金钢：奥氏体高合金钢：nb3.0 ns1.5 nD1.5 nn1.0 第36页/共94页第37页/共94页气密性试验气压试验液压试验耐压试验压力试验第38页/共94页1、试验压力、试验压力 内压容器：

11、内压容器： tTpp25. 1 外压容器和真空容器外压容器和真空容器： ppT25. 1 夹套容器：视内筒为内压或外压容器，分别按内压或外压容器的试验压力公式确定试验压力；夹套按内压容器确定试验压力。夹套容器：视内筒为内压或外压容器，分别按内压或外压容器的试验压力公式确定试验压力；夹套按内压容器确定试验压力。 * 需校核内筒在夹套液压试验压力下的稳定性，如不满足稳定性要求，则需在夹套液压试验时，内筒内保持一定的压力。需校核内筒在夹套液压试验压力下的稳定性，如不满足稳定性要求，则需在夹套液压试验时，内筒内保持一定的压力。液压试验液压试验第39页/共94页)(9 . 02)(2 . 0SeeiTT

12、Dp如果直立容器卧置进行液压试验，则在应力校如果直立容器卧置进行液压试验，则在应力校核时，核时，PT应加上容器立置充满水时的最大液柱应加上容器立置充满水时的最大液柱压力。压力。2、强度校核、强度校核第40页/共94页 内压容器：内压容器： tTpp15. 1 外压容器和真空容器外压容器和真空容器： ppT15. 11、气压试验、气压试验 2、强度校核、强度校核 )(8 . 02)(2 . 0SeeiTTDp第41页/共94页 容器上没有安全泄放装置，气密性试验压力容器上没有安全泄放装置，气密性试验压力 PT=1.0P。 容器上设置了安全泄放装置，气密性试验压力应低于安全阀的开启压力或爆破片的设

13、计爆破压力。容器上设置了安全泄放装置，气密性试验压力应低于安全阀的开启压力或爆破片的设计爆破压力。 通常取通常取PT=1.0PW。气密性试验气密性试验第42页/共94页设计压力为设计压力为1.6 Mpa的储液罐罐体，材料的储液罐罐体，材料Q235-A， Di=1800mm，罐体高度罐体高度4500mm，液料高度液料高度3000mm，C1=0.8mm，腐蚀裕量腐蚀裕量C2=1.5mm，焊缝系数焊缝系数=1.0，液体密度为液体密度为1325kg/m3，罐内最高工作温度罐内最高工作温度50C 。 试计算罐体厚度并进行水压试验应力校核。试计算罐体厚度并进行水压试验应力校核。注：注：Q235-A材料的许

14、用应力材料的许用应力20=113MPa ， 50=113MPa，屈服极限屈服极限S=235 Mpa试确定罐体厚度并进行水压试验校核。试确定罐体厚度并进行水压试验校核。 第43页/共94页mmPDPMPPPMPPMPghPMPPCticaCaaLa83.126 . 10 . 1113218006 . 1 26 . 108. 0%50390. 0100 . 38 . 913256 . 16解：壁厚满足要求水压试验压力asaeeiTTaTatTnnMPMPDPMPghPMPPPCmmCC5 .2119 . 03 .1352)(044. 2105 . 48 . 910000 . 20 . 26 . 1

15、25. 125. 11687. 013.158 . 05 . 183.126min221第44页/共94页 某圆柱形容器的设计压力为某圆柱形容器的设计压力为P=0.85MPa;P=0.85MPa;设计温度为设计温度为t=-50;t=-50;内直径为内直径为12001200mm;mm;总高总高40004000mmmm；对接焊缝采用双面全熔透焊接接头对接焊缝采用双面全熔透焊接接头, ,并进行局部无损检测，容器盛装液体介质，介质密度并进行局部无损检测，容器盛装液体介质，介质密度1500kg/m31500kg/m3，介质具有轻微的腐蚀性介质具有轻微的腐蚀性; ;腐蚀速率腐蚀速率K0.1mm/K0.1m

16、m/年年; ;设计寿命设计寿命B=20B=20年，试回答以下问题：年，试回答以下问题：1.该容器一般应选用什么材料？该容器一般应选用什么材料？2.若在设计温度下材料的许用应力为若在设计温度下材料的许用应力为t=170MPa，求筒体的厚度？求筒体的厚度？3.水压试验时的压力，并进行应力校核。水压试验时的压力，并进行应力校核。4.该容器是否可按该容器是否可按GB150设计？是否要接受压力容器安全技术监察规程的监督和检查。设计？是否要接受压力容器安全技术监察规程的监督和检查。 第45页/共94页断裂前发生较大的塑性变形，容器发生明显的鼓断裂前发生较大的塑性变形，容器发生明显的鼓胀，断口处厚度减薄，断

17、裂时几乎不形成碎片。胀，断口处厚度减薄，断裂时几乎不形成碎片。返回韧性断裂韧性断裂压力容器在载荷作用下，应力达到或接近材料压力容器在载荷作用下，应力达到或接近材料的强度极限而发生的断裂。的强度极限而发生的断裂。特点特点失效原因失效原因 容器厚度不够。容器厚度不够。 压力过大。压力过大。第46页/共94页 断口平齐，且与最大主应力方向垂直。断口平齐，且与最大主应力方向垂直。 容器断裂时可能裂成碎片飞出，往往引起严重容器断裂时可能裂成碎片飞出，往往引起严重后果。后果。 断裂前没有明显塑性变形，断裂时应力很低，断裂前没有明显塑性变形，断裂时应力很低，安全阀、爆破膜等安全附件不起作用，断裂具有安全阀、

18、爆破膜等安全附件不起作用，断裂具有突发性。突发性。返回脆性断裂脆性断裂（低应力脆断）（低应力脆断）器壁中的应力远低于材料强度极限时发生的断裂。器壁中的应力远低于材料强度极限时发生的断裂。 材料的脆性。材料的脆性。 材料中的裂纹、未焊透、夹渣等缺陷。材料中的裂纹、未焊透、夹渣等缺陷。特点特点失效原因失效原因第47页/共94页 交变载荷。交变载荷。 疲劳裂纹。疲劳裂纹。返回疲劳断裂疲劳断裂在交变载荷作用下，由于材料中的裂纹扩展导致容器的断裂。在交变载荷作用下，由于材料中的裂纹扩展导致容器的断裂。特点特点 断口上有贝壳状的疲劳裂纹。断口上有贝壳状的疲劳裂纹。 断裂时容器整体应力较低，断裂前无明显塑性

19、变形。断裂时容器整体应力较低，断裂前无明显塑性变形。 如果材料韧性较好，通过合理设计可实现如果材料韧性较好，通过合理设计可实现“未爆先漏未爆先漏”。失效原因失效原因第48页/共94页返回 在恒定载荷和低应力（应力低于屈服点）下在恒定载荷和低应力（应力低于屈服点）下也会发生蠕变断裂。也会发生蠕变断裂。 蠕变断裂前材料会由于蠕变变形而导致蠕变蠕变断裂前材料会由于蠕变变形而导致蠕变损伤，使材料在性能上产生蠕变脆化。损伤，使材料在性能上产生蠕变脆化。 断裂前发生较大的塑性变形，具有韧性断裂断裂前发生较大的塑性变形，具有韧性断裂的特征；断裂时又具有脆性断裂的特征。的特征；断裂时又具有脆性断裂的特征。蠕变

20、断裂蠕变断裂压力容器长时间在高温下受载，材料的蠕变变形会随时间而增长，容器发生鼓胀变形，厚度明显减薄，最终导致压力容器断裂。压力容器长时间在高温下受载，材料的蠕变变形会随时间而增长，容器发生鼓胀变形，厚度明显减薄，最终导致压力容器断裂。特点特点高温蠕变高温蠕变失效原因失效原因第49页/共94页 对于全面腐蚀和局部腐蚀，容器断裂前对于全面腐蚀和局部腐蚀，容器断裂前发生明显的塑性变形，具有韧性断裂的特征。发生明显的塑性变形，具有韧性断裂的特征。 对于晶间腐蚀和应力腐蚀，断裂前无明对于晶间腐蚀和应力腐蚀，断裂前无明显塑性变形，具有脆性断裂的特征。显塑性变形，具有脆性断裂的特征。返回腐蚀断裂腐蚀断裂材

21、料受到介质腐蚀（全面腐蚀或局部腐蚀），形成容器整体厚度减薄或局部凹坑、裂纹等，从而造成容器的断裂。材料受到介质腐蚀（全面腐蚀或局部腐蚀），形成容器整体厚度减薄或局部凹坑、裂纹等，从而造成容器的断裂。特点特点失效原因失效原因介质腐蚀介质腐蚀第50页/共94页解析法解析法图解法图解法第51页/共94页)()(59. 205 . 20DLDEpecr短圆筒的临界压力短圆筒的临界压力302 . 2DEpecr长圆筒的临界压力长圆筒的临界压力第52页/共94页几何参数计算图几何参数计算图第53页/共94页壁厚计算图壁厚计算图第54页/共94页薄壁圆筒薄壁圆筒)20(0eD假设假设n计算计算e计算（计算（

22、D0/e)和（和（L / D0)几何参数计算图（几何参数计算图（A）壁厚计算图（壁厚计算图（B）验算验算PCP，若满足，则假设若满足，则假设n合适，否则重新计算。合适，否则重新计算。第55页/共94页厚壁圆筒厚壁圆筒)20(0eD需同时考虑稳定性和强度需同时考虑稳定性和强度)1 (/2)0625. 0/25. 2(min0000eeeDDBDPttst2 . 009 . 09 . 0 2min或（稳定性）（稳定性）（强度）（强度）其中：其中：第56页/共94页iecrRE25. 0(m=4)图算法图算法第57页/共94页1、真空容器、真空容器有安全装置时：有安全装置时：无安全装置时：无安全装置

23、时：p=0.1Mpa MPapppi1 . 0)(25. 1minmax02、带夹套的真空容器、带夹套的真空容器p取真空容器的设计压力加上夹套压力取真空容器的设计压力加上夹套压力3、其它外压容器（包括带夹套的外压容器）、其它外压容器（包括带夹套的外压容器）p应不小于容器正常工作过程中可能出现的最应不小于容器正常工作过程中可能出现的最大内外压力差大内外压力差即：即：p(p0-pi)max设计压力设计压力注意：最大内外压差的取值注意：最大内外压差的取值设计参数设计参数的规定的规定第58页/共94页稳定性安全系数稳定性安全系数圆筒：圆筒：m m = = 3.03.0球壳：球壳： m m = = 14

24、.5214.52第59页/共94页计算长度计算长度第60页/共94页带加强圈的外压圆筒第61页/共94页第62页/共94页两个条件两个条件1、筒体不失稳、筒体不失稳要求：要求：LS Lmax2、加强圈不失稳、加强圈不失稳要求：要求：ISI第63页/共94页1、筒体不失稳、筒体不失稳要求：要求：LS Lmax5.200max)(59.2DmpEDLec第64页/共94页2、加强圈不失稳、加强圈不失稳要求：要求：ISIALALDIsses)(9.1020ssecLADpB0第65页/共94页1、初步取加强圈的数目和间距、初步取加强圈的数目和间距 1maxLLn1nLLs3、计算加强圈和圆筒组合而成

25、的当量圆筒、计算加强圈和圆筒组合而成的当量圆筒所需的组合截面惯性矩所需的组合截面惯性矩I 。2、选择加强圈材料，按型钢规格初定加强圈的、选择加强圈材料，按型钢规格初定加强圈的截面形状和尺寸，计算实际组合截面惯性矩截面形状和尺寸，计算实际组合截面惯性矩IS。 4、比较、比较IS和和I，若若IS I且比较接近，则加强圈的且比较接近，则加强圈的尺寸、数目和间距满足要求，否则重新选择加尺寸、数目和间距满足要求，否则重新选择加强圈，重复以上步骤，直到满足要求为止。强圈，重复以上步骤，直到满足要求为止。 加强圈设计步骤加强圈设计步骤第66页/共94页1、加强圈可采用扁钢、角钢、工字钢或其它型钢、加强圈可采

26、用扁钢、角钢、工字钢或其它型钢，这样材料供应方便且型钢具有较大的截面惯性矩，这样材料供应方便且型钢具有较大的截面惯性矩。加强圈可设置在容器的内部或外部，并应环绕容。加强圈可设置在容器的内部或外部，并应环绕容器整个圆周。器整个圆周。 2、加强圈和壳体的连接必须足够紧密，以保证加、加强圈和壳体的连接必须足够紧密，以保证加强圈和壳体一起承载，加强圈和壳体之间可采用连强圈和壳体一起承载，加强圈和壳体之间可采用连续焊或间断焊。续焊或间断焊。 3、为保证筒体和加强圈的稳定性，加强圈不得被、为保证筒体和加强圈的稳定性，加强圈不得被任意削弱或割断。任意削弱或割断。 加强圈结构设计加强圈结构设计第67页/共94

27、页外加强圈外加强圈 加强圈每侧间断焊接的总长不小于圆筒加强圈每侧间断焊接的总长不小于圆筒外圆周长度的外圆周长度的1/2内加强圈内加强圈 加强圈每侧间断焊接的总长不小于圆筒加强圈每侧间断焊接的总长不小于圆筒内圆周长度的内圆周长度的1/3第68页/共94页第69页/共94页外压圆筒练习题外压圆筒练习题 某圆筒形容器，内径某圆筒形容器，内径2400mm，长长14000mm，两端为标准椭圆形封头，直边高度为两端为标准椭圆形封头，直边高度为50mm，圆圆筒和封头材料均为筒和封头材料均为1Cr18Ni9Ti，腐蚀裕量取腐蚀裕量取1mm，设计温度设计温度510C ，真空下操作，无安全控制装置。真空下操作，无

28、安全控制装置。用图算法求筒体厚度用图算法求筒体厚度第70页/共94页 一圆筒形容器，材料为一圆筒形容器，材料为Q235-A，内径内径2800mm，长长10m（含封头直边段），两端为标准含封头直边段），两端为标准椭圆形封头，圆筒和封头名义厚度均为椭圆形封头，圆筒和封头名义厚度均为12mm，其中壁厚附加量其中壁厚附加量C=2mm；容器负压操作，最高操容器负压操作，最高操作温度作温度50C 。（1）试确定容器最大允许真空度为多少）试确定容器最大允许真空度为多少mmHg？（2）该容器是否应设置安全控制装置？）该容器是否应设置安全控制装置？第71页/共94页外压圆筒和加强圈练习题外压圆筒和加强圈练习题现

29、有一真空塔，材料为现有一真空塔，材料为Q235-A，Di=2500mm，封头为封头为标准椭圆形封头，塔体部分高标准椭圆形封头，塔体部分高20m(包括直边段包括直边段)，设计，设计温度温度250C，腐蚀裕量腐蚀裕量2.5mm。1、确定塔体圆筒壁厚。确定塔体圆筒壁厚。2、塔体上均匀设置、塔体上均匀设置6个加强圈（材料与塔体相同）后的个加强圈（材料与塔体相同）后的筒体壁厚。筒体壁厚。第72页/共94页第73页/共94页平板形封头带折边锥形封头无折边锥形封头锥形封头无折边球形封头头带折边球形（碟形）封半椭球（椭圆形）封头半球形封头凸形封头封头封头形式封头形式第74页/共94页303060第75页/共9

30、4页第76页/共94页半球形封头半球形封头内压半球形封头内压半球形封头）或（适用范围：壁厚计算式：33. 1 6 . 0 4KPPDPtcCtiC第77页/共94页直到满足要求调整非弹性阶段：弹性阶段：壁厚计算图假设neeeenPPDBPDEPDA?)()(0833. 0)(125. 00200外压半球形封头外压半球形封头第78页/共94页1)2(2616 . 20 . 12KhhDKbaiii标准椭圆形封头：直边）封头内表面高度（不含则如果eietWCtiCKDPPDKP5 . 0 25 . 0 2最大允许工作压力：壁厚：椭圆形封头椭圆形封头内压椭圆形封头内压椭圆形封头第79页/共94页标 准 椭 圆 形 封 头 ：标 准 椭 圆 形 封 头 ：e0.15%Di非 标 准 椭 圆 形 封 头 ：非 标 准 椭 圆 形 封 头 ：e0.30%Di椭圆形封头的最小厚度椭圆形封头的最小厚度第80页/共94页外压椭圆形封头外压椭圆形封头与外压半球形封头计算方法相同与外压半球形封头计算方法相同 R0=K1D0 K1-系数（表系数（表4-5） 第81页/共94页碟形封