系列过程设备设计第四章ppt课件

1、4. 压力容器设计压力容器设计4.3 常规设计常规设计 4.1 概述概述 4.2 设计准那么设计准那么 4.3 常规设计常规设计 4.4 分析设计分析设计 4.5 疲劳分析疲劳分析 4.6 压力容器设计技术进展压力容器设计技术进展 4.3.3 封头设计封头设计 4.3.4 密封安装设计密封安装设计 4.3.5 开孔和开孔补强设计开孔和开孔补强设计 4.3.6 支座和检查孔支座和检查孔4.3.7 平安泄放安装平安泄放安装 4.3.2 圆筒设计圆筒设计 4.3.1 概述概述 4.3.8 焊接构造设计焊接构造设计 4.3.9 压力实验压力实验 力载荷处力载荷处 理，理，不思索交变载荷，也不区分短期载

2、荷和永不思索交变载荷，也不区分短期载荷和永久载荷，不涉及容器的疲劳寿命问题。久载荷，不涉及容器的疲劳寿命问题。区别于分区别于分析设计析设计一、设计思想一、设计思想 “按规那么设计按规那么设计Design by Rules ，只只思索单一的最大思索单一的最大 载荷工况，按一次施加的静载荷工况，按一次施加的静应力求解应力求解根据根据 资料力学及板壳资料力学及板壳 实际，按最大拉实际，按最大拉 应力准那么来推导应力准那么来推导 受压元件的强度受压元件的强度 尺寸计算公式。尺寸计算公式。校核校核受压元件受压元件 的应力强度的应力强度 资料许用应力资料许用应力 强度强度 30mm卷焊成直径不同但可过盈配

3、合的筒节，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展套合，冷却收缩后得到严密将外层筒节加热到计算的温度进展套合，冷却收缩后得到严密贴合的厚壁筒节。贴合的厚壁筒节。图4-2 (b) 热套筒节二、热套式二、热套式4.3.2.1 圆筒构造圆筒构造2、优点：、优点：工序少，周期短，且具有工序少，周期短，且具有包扎式筒体的大多数优点。包扎式筒体的大多数优点。3、缺陷：、缺陷： 筒体要有较准确的过盈量，筒体要有较准确的过盈量， 卷筒的精度要求很高，且套卷筒的精度要求很高，且套 合时需选配套合；合时需选配套合； 套合时贴紧程度不很均匀；套合时贴紧程度不很均匀； 套合后，需热处置以消除套

4、合后，需热处置以消除 套合预应力及深环焊缝的焊套合预应力及深环焊缝的焊 接剩余应力。接剩余应力。二、热套式二、热套式(续续)4.3.2.1 圆筒构造圆筒构造1、构造：由内筒、绕板层和外筒三部分组成，是在多层包扎式、构造：由内筒、绕板层和外筒三部分组成，是在多层包扎式 筒体的根底上开展起来的。筒体的根底上开展起来的。2、制造：内筒与多层包扎式内筒一样，外层是在内筒外面延续、制造：内筒与多层包扎式内筒一样，外层是在内筒外面延续 缠绕假设干层缠绕假设干层35mm厚的薄钢板而构成筒节，只需内外两道厚的薄钢板而构成筒节，只需内外两道 纵焊缝，需求纵焊缝，需求2个楔形过渡段，外筒为维护层，由两块半圆个楔形

5、过渡段，外筒为维护层，由两块半圆 或三块或三块“瓦片制成。瓦片制成。3、优点：机械化程度高，制造效率高，资料利用率高可达、优点：机械化程度高，制造效率高，资料利用率高可达 90%以上。以上。4、缺陷：中间厚两边薄，累积间隙。、缺陷：中间厚两边薄，累积间隙。图42c 绕板式三、绕板式三、绕板式4.3.2.1 圆筒构造圆筒构造1、构造：错开环缝和采用液压夹钳逐层包扎的筒体构造。、构造：错开环缝和采用液压夹钳逐层包扎的筒体构造。2、制造：、制造： 将内筒拼接到所需的长度，两端焊上法兰或封头；将内筒拼接到所需的长度，两端焊上法兰或封头； 在整个长度上逐层包扎层板，待全长度上包扎好并在整个长度上逐层包扎

6、层板，待全长度上包扎好并 焊完磨平后再包扎第二层，直至所需厚度。焊完磨平后再包扎第二层，直至所需厚度。3、优点：环、纵焊缝错开，筒体与封头或法兰间的环焊缝为一、优点：环、纵焊缝错开，筒体与封头或法兰间的环焊缝为一 定角度的斜面焊缝，承载面积增大。定角度的斜面焊缝，承载面积增大。内筒内筒包扎层板包扎层板端部法兰端部法兰底封头底封头图43 整体多层包扎是厚壁容器筒体 四、整体多层包扎式四、整体多层包扎式4.3.2.1 圆筒构造圆筒构造以钢带缠绕在内筒外面获得所需厚度筒壁以钢带缠绕在内筒外面获得所需厚度筒壁两种构造两种构造型槽绕带式型槽绕带式扁平钢带倾角错绕式扁平钢带倾角错绕式型槽绕带式型槽绕带式

7、用特制的型槽钢带螺旋缠绕在特制的内用特制的型槽钢带螺旋缠绕在特制的内 筒上，端面外形见图筒上，端面外形见图4-4a，内筒外外表上预先加，内筒外外表上预先加 工有与钢带相啮合的螺旋状凹槽。工有与钢带相啮合的螺旋状凹槽。缠绕时，钢带先经电加热，再进展螺旋缠绕，绕制后依次缠绕时，钢带先经电加热，再进展螺旋缠绕，绕制后依次用空气和水进展冷却，使其收缩产生预紧力，可保证每层用空气和水进展冷却，使其收缩产生预紧力，可保证每层钢带贴紧；各层钢带之间靠凹槽和凸肩相互啮合钢带贴紧；各层钢带之间靠凹槽和凸肩相互啮合(见图见图4-4b)，缠绕层能接受一部分由内压引起的轴向力。，缠绕层能接受一部分由内压引起的轴向力。

8、五、绕带式五、绕带式4.3.2.1 圆筒构造圆筒构造缩套环双锥面垫片焊缝图4-4 a型槽绕带式筒体 b型槽钢带构造表示图 五、绕带式续五、绕带式续4.3.2.1 圆筒构造圆筒构造五、绕带式续五、绕带式续缺陷：钢带需由钢厂专门轧制，尺寸公差要求缺陷：钢带需由钢厂专门轧制，尺寸公差要求 严，技术要求高；为保证邻层钢带能相严，技术要求高；为保证邻层钢带能相 互啮合，需采用精度较高的公用缠绕机互啮合，需采用精度较高的公用缠绕机 床。床。优点：筒体具有较高的平安性，机械化程度优点：筒体具有较高的平安性，机械化程度 高，资料损耗少，且由于存在预紧力，高，资料损耗少，且由于存在预紧力， 在内压作用下，筒壁应

9、力分布较均匀。在内压作用下，筒壁应力分布较均匀。4.3.2.1 圆筒构造圆筒构造2扁平钢带倾角错绕式扁平钢带倾角错绕式 中国首创的一种新型绕带式筒体；该构造已被列入中国首创的一种新型绕带式筒体；该构造已被列入 ASME -1和和ASME -2规范的规范案例，编号分别规范的规范案例，编号分别 为为 2229和和2269。内筒内筒钢带层钢带层底封头底封头端部法兰端部法兰 图图4-4c 扁平钢带倾角错绕式筒体扁平钢带倾角错绕式筒体五、绕带式续五、绕带式续4.3.2.1 圆筒构造圆筒构造构造：构造：内筒厚度约占总壁厚的内筒厚度约占总壁厚的1/61/4，采用采用 “预应力冷绕和预应力冷绕和“压棍预弯贴紧

10、技术，压棍预弯贴紧技术，环向环向1530倾角在薄内筒外交错缠绕扁平钢倾角在薄内筒外交错缠绕扁平钢带。带。钢带宽约钢带宽约80160mm、厚约、厚约416mm，其始末，其始末两端分别与底封头和端部法兰相焊接。两端分别与底封头和端部法兰相焊接。与其它类型厚壁筒体相比，扁平钢带倾角错与其它类型厚壁筒体相比，扁平钢带倾角错绕式筒体构造具有设计灵敏、制造方便、可绕式筒体构造具有设计灵敏、制造方便、可靠性高、在线平安监控容易等优点。靠性高、在线平安监控容易等优点。优点：优点：五、绕带式续五、绕带式续4.3.2.2 内压圆筒的强度设计内压圆筒的强度设计筒体强度设计筒体强度设计单层圆筒体单层圆筒体多层厚壁圆筒

11、多层厚壁圆筒中径公式薄壁筒体中径公式薄壁筒体Mises屈服公式厚壁筒体屈服公式厚壁筒体Faupel爆破公式厚壁筒体爆破公式厚壁筒体cticp 2Dp1、厚度计算式：由中径公式、厚度计算式：由中径公式 4-130.4t式中式中 计算厚度，计算厚度，mm；Pc计算压力，计算压力，MPa；焊接接头系数。焊接接头系数。条件：条件：Pcteeict2)D(p2、应力强度判别式：、应力强度判别式： 对筒体进展强度校核，知筒体尺寸对筒体进展强度校核，知筒体尺寸Di、n或或e 4-14式中式中 e有效厚度，有效厚度， e=n C，mm； n名义厚度，名义厚度，mm； C厚度附加量，厚度附加量，mm； t设计温

12、度下圆筒的计算应力，设计温度下圆筒的计算应力，MPa。 一、单层筒体薄壁筒体一、单层筒体薄壁筒体 k1.5工程工程4.3.2.2 内压圆筒的强度设计内压圆筒的强度设计 eitewDp23、筒体最大允许任务压力、筒体最大允许任务压力pw：MPa 4-154、阐明：、阐明： Pc0.4t式式4-13由筒体的薄膜应力按最大拉应力准那么导出的，由筒体的薄膜应力按最大拉应力准那么导出的，用于一定厚度范围，如厚度过大，那么由于实践应力情况用于一定厚度范围，如厚度过大，那么由于实践应力情况与应力沿厚度均布的假设相差太大而不能运用。与应力沿厚度均布的假设相差太大而不能运用。按照薄壳实际，按照薄壳实际，413仅

13、能在仅能在/D0.1即即K1.2范围内适范围内适用。但作为工程设计，采用了最大拉应力准那么，资料设用。但作为工程设计，采用了最大拉应力准那么，资料设计系数，厚度范围扩展到在最大承压液压实验时圆筒计系数，厚度范围扩展到在最大承压液压实验时圆筒内壁的应力强度在资料屈服点以内。内壁的应力强度在资料屈服点以内。 (K 1.5)4.3.2.2 内压圆筒的强度设计内压圆筒的强度设计 外形改动比能屈服失效判据计算出的内压厚壁筒体初始外形改动比能屈服失效判据计算出的内压厚壁筒体初始屈服压力与实测值较为吻合，应力强度屈服压力与实测值较为吻合，应力强度4eq能较好地能较好地反映厚壁筒体的实践应力程度，反映厚壁筒体

14、的实践应力程度，4eq应力强度应力强度以为是真实的以为是真实的 eqm应力强度应力强度与中径公式相对应与中径公式相对应4eq=cpKK1322ceqmpKK) 1(21eqmeq/4随径比随径比K的增大而增大。的增大而增大。eqmeq/41.25当当K=1.5时，比值：时，比值：4、阐明：、阐明： Pc0.4t续续内壁实践应力强度是按中径公式计算的应力强度的内壁实践应力强度是按中径公式计算的应力强度的1.25倍。倍。4.3.2.2 内压圆筒的强度设计内压圆筒的强度设计 由于由于GB150取取ns=1.6，假设筒体径比不超越，假设筒体径比不超越1.5，仍可按式，仍可按式4-13计算筒体厚度。计算

15、筒体厚度。4、阐明：、阐明： Pc0.4t续续液压实验液压实验pT=1.25p时，筒体内外表的实践应力强度最时，筒体内外表的实践应力强度最大为许用应力的大为许用应力的1.251.25=1.56倍倍1.6，阐明筒体内，阐明筒体内外表金属仍未到达屈服点，处于弹性形状。外表金属仍未到达屈服点，处于弹性形状。cticipDpD 225. 0pc =0.4t当当K=1.5时，时，=DiK-1/2=0.25Di，代入式，代入式4-13得得这就是式这就是式4-13的适用范围的适用范围pc0.4t的根据所在。的根据所在。 4.3.2.2 内压圆筒的强度设计内压圆筒的强度设计二、单层筒体厚壁筒体二、单层筒体厚壁

16、筒体 1、Mises屈服公式：屈服公式： 与与 Mises屈服失效判据相对应的全屈服压力可按屈服失效判据相对应的全屈服压力可按 式式2-52计算。将式计算。将式2-52 代入式代入式4-7，得，得 Kpnssoln32圆筒计算厚度：圆筒计算厚度：) 1() 1(23pniissoeRKR4-16nso2.02.2。ASME -3 采用式采用式4-16。单层厚壁筒体计算压力大于单层厚壁筒体计算压力大于0.4t，常采用塑性失效设计准那么或爆破失效设计准那么进展设计。常采用塑性失效设计准那么或爆破失效设计准那么进展设计。4.3.2.2 内压圆筒的强度设计内压圆筒的强度设计4.3.2.2 内压圆筒的强

17、度设计内压圆筒的强度设计二、单层筒体厚壁筒体续二、单层筒体厚壁筒体续2、Faupel爆破公式：爆破公式： 采用爆破失效设计准那么，用采用爆破失效设计准那么，用Faupel公式计算爆破压力，公式计算爆破压力， 将式将式2-53爆破压力计算式，代入式爆破压力计算式，代入式4-8爆破设计准那爆破设计准那么，么，圆筒计算厚度：圆筒计算厚度： 1e Rp)2(2n3ibssb4-17 nb2.53.0日本的日本的和和中国的中国的等等采用式采用式4-17。三、多层厚壁筒体三、多层厚壁筒体多层厚壁筒体在制造中多层厚壁筒体在制造中施加预应力。施加预应力。1、预应力内压、预应力内压筒体内壁应力筒体内壁应力 降低

18、，外壁应力降低，外壁应力 添加，添加， 壁厚方向应力分布趋向于均匀，从而提高筒体的弹性壁厚方向应力分布趋向于均匀，从而提高筒体的弹性 承载才干。承载才干。 但由于构造和制造上的缘由，定量地控制预应力的大小是困难的。但由于构造和制造上的缘由，定量地控制预应力的大小是困难的。设计计算：设计计算：不思索预应力，作强度贮藏用。不思索预应力，作强度贮藏用。只需压力很高时，才思索预应力。只需压力很高时，才思索预应力。多层包扎式多层包扎式绕带式筒体绕带式筒体例如：例如：4.3.2.2 内压圆筒的强度设计内压圆筒的强度设计4.3.2.2 内压圆筒的强度设计内压圆筒的强度设计三、多层厚壁筒体三、多层厚壁筒体(续

19、续) 2、厚度计算式：热套式、多层包扎式、绕板式、厚度计算式：热套式、多层包扎式、绕板式、 扁平钢带倾角错绕式扁平钢带倾角错绕式 计算压力不超越计算压力不超越0.4t时，按式时，按式4-13计算计算不同：许用应力用组合许用应力替代；不同：许用应力用组合许用应力替代； otonoitinit4-18多层圆筒的组合许用应力多层圆筒的组合许用应力cticp 2Dp4-134.3.2.2 内压圆筒的强度设计内压圆筒的强度设计式中式中 i多层圆筒内筒的名义厚度，多层圆筒内筒的名义厚度，mm； o多层圆筒层板总厚度，多层圆筒层板总厚度，mm； it设计温度下多层圆筒内筒资料的许用应力，设计温度下多层圆筒内

20、筒资料的许用应力，MPa； ot设计温度下多层圆筒层板或带层资料的许用应力，设计温度下多层圆筒层板或带层资料的许用应力， 对扁平钢带倾角错绕式筒体，应乘以钢带倾角错绕对扁平钢带倾角错绕式筒体，应乘以钢带倾角错绕 引起的环向减弱系数引起的环向减弱系数0.9，MPa； i多层圆筒内筒的焊接接头系数，普通取多层圆筒内筒的焊接接头系数，普通取i=1.0； o多层圆筒层板层或带层的焊接接头系数，对于多层多层圆筒层板层或带层的焊接接头系数，对于多层 包扎式筒体，取包扎式筒体，取o=0.95，其他筒体取，其他筒体取o=1.0。3、热应力、热应力不思索。较高温操作时，有热应力，但有保温不思索。较高温操作时，有

21、热应力，但有保温 设备，且严厉控制设备，且严厉控制 不思索热应力常规设计。不思索热应力常规设计。 三、多层厚壁筒体三、多层厚壁筒体(续续)设计压力设计压力设计温度设计温度厚度及附加量厚度及附加量焊接接头系数焊接接头系数许用应力等许用应力等1、设计压力、设计压力 为压力容器的设计载荷条件之一，其值为压力容器的设计载荷条件之一，其值 不低于最高任务压力。不低于最高任务压力。设计压力应视内压或外压容器分别取值。设计压力应视内压或外压容器分别取值。容器顶部在正常任务过程中容器顶部在正常任务过程中能够产生的最高表压。能够产生的最高表压。设计压力应根据任务条件下能够到达的最高金属温度确定。设计压力应根据任

22、务条件下能够到达的最高金属温度确定。外压：外压：略略计算压力计算压力是指在相应设计温度下，用以确定元件最危险截是指在相应设计温度下，用以确定元件最危险截 面厚度的压力，其中包括液柱静压力。面厚度的压力，其中包括液柱静压力。通常情况下，计算压力等于设计压力加上液柱静压力。通常情况下，计算压力等于设计压力加上液柱静压力。当元件所接受的液柱静压力小于当元件所接受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。设计压力时，可忽略不计。注解：设计温度与设计压力存在对应关系。当压力容器具有注解：设计温度与设计压力存在对应关系。当压力容器具有 不同的操作工况时，应按最苛刻的压力与温度的组合不同的操作工况时，应按

23、最苛刻的压力与温度的组合 设定容器的设计条件，而不能按其在不同工况下各自设定容器的设计条件，而不能按其在不同工况下各自 的最苛刻条件确定设计温度和设计压力。的最苛刻条件确定设计温度和设计压力。GB150规定：设计温度等于或低于规定：设计温度等于或低于-20的容器属于低温容器。的容器属于低温容器。金属温度不低于金属温度不低于0设计温度不得低于元件金属设计温度不得低于元件金属能够到达的最高温度；能够到达的最高温度；金属温度低于金属温度低于0不得高于元件金属能够到不得高于元件金属能够到达的最低温度。达的最低温度。2、设计温度、设计温度为压力容器的设计载荷条件之一，指容器在正为压力容器的设计载荷条件之

24、一，指容器在正 常情况下，设定元件的金属温度沿元件金属常情况下，设定元件的金属温度沿元件金属 截面的温度平均值。截面的温度平均值。厚度厚度计算厚度计算厚度设计厚度设计厚度d名义厚度名义厚度n有效厚度有效厚度e成型厚度成型厚度计算厚度计算厚度由公式采用计算压力得到的厚度。由公式采用计算压力得到的厚度。 必要时还应计入其它载荷对厚度的影响。必要时还应计入其它载荷对厚度的影响。设计厚度设计厚度d计算厚度与腐蚀裕量之和。计算厚度与腐蚀裕量之和。dC2 名义厚度名义厚度n设计厚度加上钢材厚度负偏向后向上设计厚度加上钢材厚度负偏向后向上圆整至钢材规范规格的厚度，即标注在图样上的厚度。圆整至钢材规范规格的厚

25、度，即标注在图样上的厚度。ndC1有效厚度有效厚度e名义厚度减去钢材负偏向和腐蚀裕量。名义厚度减去钢材负偏向和腐蚀裕量。enC1C2厚度附加量厚度附加量C由钢材的厚度负偏向由钢材的厚度负偏向C1和腐蚀裕量和腐蚀裕量C2 组成，不包括加工减薄量组成，不包括加工减薄量C3。 C=C1+C2加工减薄量加工减薄量根据详细制造工艺和板材实践厚度由制造根据详细制造工艺和板材实践厚度由制造 厂而并非由设计人员确定。厂而并非由设计人员确定。成形后厚度成形后厚度制造厂思索加工减薄量并按钢板厚度规格第二制造厂思索加工减薄量并按钢板厚度规格第二 次向上圆整得到的坯板厚度，再减去实践加工次向上圆整得到的坯板厚度，再减

26、去实践加工 减薄量后的厚度，也为出厂时容器的实践厚减薄量后的厚度，也为出厂时容器的实践厚 度。度。 普通，成形后厚度大于设计厚度就可满足强度普通，成形后厚度大于设计厚度就可满足强度 要求。要求。计算厚度计算厚度有效厚度有效厚度e成型后厚度成型后厚度毛坯厚度毛坯厚度名义厚度名义厚度n设计厚度设计厚度dC1+C2加工减薄量加工减薄量加工减薄量加工减薄量第一次厚度圆整值第一次厚度圆整值厚度负偏向厚度负偏向C1腐蚀裕量腐蚀裕量C2第二次厚度圆整值第二次厚度圆整值碳素钢、低合金钢容器：碳素钢、低合金钢容器：min不小于不小于3mm； 高合金制容器：高合金制容器： min不小于不小于2mm；最小厚度最小厚

27、度min思索容器的刚性思索容器的刚性 制造、运输、吊装；制造、运输、吊装； 不包括腐蚀裕量；不包括腐蚀裕量；腐蚀裕量均匀腐蚀速率腐蚀裕量均匀腐蚀速率容器设计寿命容器设计寿命腐蚀裕量只对防止均匀腐蚀破坏有意义；对于应力腐蚀、腐蚀裕量只对防止均匀腐蚀破坏有意义；对于应力腐蚀、氢脆和缝隙腐蚀等非均匀腐蚀，效果不佳，应着重选择耐氢脆和缝隙腐蚀等非均匀腐蚀，效果不佳，应着重选择耐腐蚀资料或进展适当防腐蚀处置。腐蚀资料或进展适当防腐蚀处置。碳素钢、低合金钢：碳素钢、低合金钢： C2不小于不小于1mm；不锈钢：介质腐蚀性极微时，可取不锈钢：介质腐蚀性极微时，可取C2=0。腐蚀裕量腐蚀裕量防止容器受压元件由于均匀腐蚀、机械磨损而防止容器受压元件由于均匀腐蚀、机械磨损而 导致厚度减弱减薄。与腐蚀介质直接接触的筒导致厚度减弱减薄。与腐蚀介质直接接触的筒 体、封头、接纳等受压元件，均应思索资料的体、封头、接纳等受压元件，均应思索资料的 腐蚀裕量。腐蚀裕量。焊缝缺陷焊缝缺陷夹渣、未熔透、夹渣、未熔透、裂纹、气孔等裂纹、气孔等焊缝热影响区晶粒粗大焊缝热影响区晶粒粗大母材强度或塑性降低母材强度或塑性降低薄弱环节薄弱环节4、焊接接头系数、焊接接头系数焊缝金属与母材强度的比值，反映容器焊缝金属与母材强度的比值，反映容器 强度受减弱的程度。强度受减弱的程度。接头方式接头方式无损检测要