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文档简介

1、一、课时安排:一、课时安排:2 2学时学时二、本章的重点、难点:二、本章的重点、难点: 1.1.内压薄壁圆筒和球壳的强度计算。内压薄壁圆筒和球壳的强度计算。三、本章授课内容:三、本章授课内容: 9.1 9.1 概述概述 9.2 9.2 内压薄壁圆筒和球壳的强度计算内压薄壁圆筒和球壳的强度计算 8.3 8.3 容器的压力试验容器的压力试验 9.1.1 9.1.1 新容器的强度设计包括的内容新容器的强度设计包括的内容1.1.确定设计参数:确定设计参数:p p、D D、等;等;2.2.选择使用的材料;选择使用的材料;3.3.确定容器的结构形式;确定容器的结构形式;4.4.计算筒体与封头厚度;计算筒体

2、与封头厚度;5.5.选取标准件;选取标准件;6.6.绘制设备图纸。绘制设备图纸。9.1.2 9.1.2 在用容器的强度校核的目的在用容器的强度校核的目的1.1.判定在下一个检验周期内或在剩余寿命期间内,容器是判定在下一个检验周期内或在剩余寿命期间内,容器是否还能在原设计条件下安全使用;否还能在原设计条件下安全使用;2.2.当容器已被判定不能在原设计条件下使用时,应通过强当容器已被判定不能在原设计条件下使用时,应通过强度计算提出容器监控使用的条件;度计算提出容器监控使用的条件;3.3.当容器针对某一使用条件需要判废时,应提出判废依据。当容器针对某一使用条件需要判废时,应提出判废依据。9.2.1

3、9.2.1 薄壁圆筒强度计算公式薄壁圆筒强度计算公式1.1.理论计算厚度理论计算厚度设圆筒的平均直径为设圆筒的平均直径为D D,厚度为,厚度为,介质压力为,介质压力为p p时,其径时,其径向薄膜应力向薄膜应力m m与环向薄膜应力与环向薄膜应力分别为:分别为: 许许用用应应力力。为为钢钢板板在在设设计计温温度度下下的的式式中中:强强度度条条件件:,又又为为:壁壁一一点点处处得得相相当当应应力力由由第第三三强强度度理理论论可可得得筒筒ttr331r33m21r3m 2pD 2pD0 2pD 4pD= = = = = = = = =, 126691MPammDMPapmm,19p2Dp 2p(DDD

4、D 2pDticctictir3iitr3页页。,教教材材,也也可可查查表表焊焊接接接接头头系系数数,;许许用用应应力力,钢钢板板在在设设计计温温度度下下的的;圆圆筒筒内内经经,;圆圆筒筒的的计计算算压压力力,;他他是是最最小小理理论论计计算算厚厚度度计计算算壁壁厚厚式式中中:取取等等号号得得:表表示示,确确定定的的筒筒体体内内经经常常用用又又因因为为一一般般由由工工艺艺条条件件,上上式式应应为为:的的影影响响考考虑虑焊焊接接接接头头系系数数).()= =+ += =+ += = =2.2.设计壁厚与名义壁厚设计壁厚与名义壁厚9-19-1式中的式中的只考虑了只考虑了,还不能作为选材的依据,还应

5、考,还不能作为选材的依据,还应考虑以下两个因素:虑以下两个因素:钢板负偏差:钢板负偏差:C C1 1腐蚀裕度:假设钢板的年腐蚀率为:腐蚀裕度:假设钢板的年腐蚀率为:(mm/amm/a),容器预),容器预计使用计使用n n年,在使用期内器壁减薄量年,在使用期内器壁减薄量: C: C2 2=n=n。 设计壁厚:设计壁厚:GB150-1998GB150-1998钢制压力容器钢制压力容器中规定,计算壁厚中规定,计算壁厚与腐蚀裕度之和称为设计壁厚,用与腐蚀裕度之和称为设计壁厚,用d d表示。表示。d d=+C=+C2 2名义壁厚:名义壁厚:设计壁厚加上钢板负偏差后向上圆整至钢板的标设计壁厚加上钢板负偏差

6、后向上圆整至钢板的标准规格厚度称为圆筒的名义厚度,用准规格厚度称为圆筒的名义厚度,用n n表示。表示。 n n = =d d+C+C1 1+=+C+=+C1 1+C+C2 2+3.3.有效厚度有效厚度计算厚度计算厚度和圆整值和圆整值是容器在整个使用期内均可依赖其抵是容器在整个使用期内均可依赖其抵抗介质压力破坏的厚度,所以把抗介质压力破坏的厚度,所以把+称为圆筒的有效厚度,用称为圆筒的有效厚度,用表示。表示。 即:即: e e =+ =+或或e e = =n n-C-C1 1-C-C2 24.4.压力容器的最小厚度压力容器的最小厚度minmin当设计压力太低时,计算出的厚度不能满足制造、运输和安

7、当设计压力太低时,计算出的厚度不能满足制造、运输和安装时的刚度要求时,主要矛盾不是强度,而是装时的刚度要求时,主要矛盾不是强度,而是minmin( (不包括不包括C C2 2) )。对碳素钢、低合金钢制容器,对碳素钢、低合金钢制容器, minmin 3mm 3mm;对高合金钢制容器不大于对高合金钢制容器不大于2mm2mm。9.2.2 9.2.2 薄壁球壳强度计算公式薄壁球壳强度计算公式对于薄壁球壳,由于其主应力为:对于薄壁球壳,由于其主应力为: 0, 4pD321= = = = 符符号号同同前前。为为球球形形容容器器内内经经,其其他他式式中中,设设计计壁壁厚厚:计计算算壁壁厚厚:i2cticd

8、cticDCp4Dpp4Dp+ += = =9.2.3 9.2.3 设计参数的确定设计参数的确定1.1.设计压力设计压力p pc c除注明者外,压力一律指表压。设计压力是指在相应设计温除注明者外,压力一律指表压。设计压力是指在相应设计温度下用以确定容器壳体厚度及其元件尺寸的压力,亦即标注在铭度下用以确定容器壳体厚度及其元件尺寸的压力,亦即标注在铭牌上的容器设计压力,其值不得小于最大工作压力牌上的容器设计压力,其值不得小于最大工作压力p p。液体静压达到液体静压达到5%5%的设计压力时,则取二者之和。的设计压力时,则取二者之和。容器装有安全阀时,容器装有安全阀时,p pc c=(1.05-1.1

9、)p=(1.05-1.1)p使用爆破膜作为安全装置时,使用爆破膜作为安全装置时, p pc c=(1.15-1.3)p=(1.15-1.3)p外压容器:应取不小于在正常操作情况下可能出现的最大外压容器:应取不小于在正常操作情况下可能出现的最大内外压力差。内外压力差。真空容器:装安全控制装置时,取真空容器:装安全控制装置时,取1.25(p1.25(p内内-p-p外外) )或或0.1MPa,0.1MPa,两者中的较小值;无安全装置时,取两者中的较小值;无安全装置时,取0.1MPa0.1MPa。2.2.设计温度设计温度设计温度系指容器在正常操作情况下,在相应设计压力下,设计温度系指容器在正常操作情况

10、下,在相应设计压力下,容器壁温或受压元件的金属温度,其值不得低于元件金属在工作容器壁温或受压元件的金属温度,其值不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温度。状态可能达到的最高温度。容器的壁温可实测或由化工操作的传热过程计算确定。当无容器的壁温可实测或由化工操作的传热过程计算确定。当无法预测壁温时,可参照教材法预测壁温时,可参照教材122122页表页表9-19-1所列情况确定。所列情况确定。3.3.许用应力许用应力许用应力是容器设计的重要参数之一,它的选择是强度计算许用应力是容器设计的重要参数之一,它的选择是强度计算的关键。许用应力是以材料的极限应力为基础,并选择合理的安的关键。许用应力是以材

11、料的极限应力为基础,并选择合理的安全系数得到的,即:全系数得到的,即: 。;对对于于脆脆性性材材料料,其其中中,对对于于塑塑性性材材料料5402n511.2nn0.= = = =极限应力的选择对于不同的材料,在不同的温度下取值不同。极限应力的选择对于不同的材料,在不同的温度下取值不同。 。钢钢材材安安全全系系数数页页表表安安全全系系数数的的取取值值见见教教材材。持持久久强强度度和和蠕蠕变变极极限限,为为设设计计为为温温度度下下材材料料的的其其中中,。,用用应应力力,取取较较小小值值。久久强强度度或或蠕蠕变变强强度度的的许许所所以以,必必须须同同时时考考虑虑持持强强度度而而是是蠕蠕变变所所引引起

12、起),容容器器失失效效往往往往不不是是在在高高温温下下(两两者者取取较较小小值值。极极限限来来确确定定许许用用应应力力:材材料料的的强强度度极极限限或或屈屈服服),应应根根据据设设计计温温度度下下小小于于对对于于中中温温容容器器(的的意意义义同同前前。两两者者取取较较小小值值,符符号号在在常常温温下下: 29123MPa,n,nn,nC420T. 3,n,nC420,C300T. 2n,n. 1tntDttttststbtbt0ststbtbt00ssbb= = = = = = = = = = =4.4.焊接接头系数焊接接头系数焊缝区是容器上强度比较薄弱的地方,焊缝区强度降低的原焊缝区是容器上

13、强度比较薄弱的地方,焊缝区强度降低的原因在于焊接时可能出现缺陷而未被发现;焊接热影响区往往形成因在于焊接时可能出现缺陷而未被发现;焊接热影响区往往形成粗大晶粒区而是材料强度和塑性降低;由于结构的刚性约束造成粗大晶粒区而是材料强度和塑性降低;由于结构的刚性约束造成焊缝内应力过大等。焊缝区的强度主要取决于溶焊金属、焊缝结焊缝内应力过大等。焊缝区的强度主要取决于溶焊金属、焊缝结构和施焊质量。设计所取的焊缝接头系数大小主要根据焊接接头构和施焊质量。设计所取的焊缝接头系数大小主要根据焊接接头的型式和焊缝质量的受检验程度而确定,可按表的型式和焊缝质量的受检验程度而确定,可按表9-69-6选取。选取。焊缝的

14、射线和超声波探伤检验要求见表焊缝的射线和超声波探伤检验要求见表9-79-7。超声波探伤的。超声波探伤的合格标准见表合格标准见表9-89-8。为了消除焊接内应力并恢复组织,钢制压力容器及其受压元为了消除焊接内应力并恢复组织,钢制压力容器及其受压元件应按件应按GB150-1998GB150-1998钢制压力容器钢制压力容器或或压力容器安全监察规程压力容器安全监察规程的有关规定进行焊后热处理,需要进行焊后热处理的焊缝厚度范的有关规定进行焊后热处理,需要进行焊后热处理的焊缝厚度范围见表围见表9-99-9。表表9-6 9-6 焊接接头系数焊接接头系数5.5.厚度附加量厚度附加量容器厚度附加量包括钢板或钢

15、管厚度的负偏差容器厚度附加量包括钢板或钢管厚度的负偏差C C1 1和介质的腐和介质的腐蚀裕度蚀裕度C C2 2。即。即 C= CC= C1 1+ C+ C2 2钢板和钢管厚度的负偏差钢板和钢管厚度的负偏差C C1 1:按名义厚度:按名义厚度n n选取。见教材选取。见教材127127页,表页,表9-109-10、表、表9-119-11。腐蚀裕度:由介质对材料的均匀腐蚀速率与容器的设计寿腐蚀裕度:由介质对材料的均匀腐蚀速率与容器的设计寿命确定。命确定。 C C2 2 =n =n式中,式中,n-n-容器的设计寿命,通常为容器的设计寿命,通常为10-1510-15年,年, -腐蚀速率(腐蚀速率(mm/

16、a), mm/a), 查材料腐蚀手册或实验确定。查材料腐蚀手册或实验确定。当当=0.05-0.1mm/a=0.05-0.1mm/a时,单面腐蚀取时,单面腐蚀取C C2 2 =1mm =1mm;双面腐蚀取;双面腐蚀取C C2 2 =2-4mm=2-4mm;当;当0.05mm/a0.05mm/a时,单面腐蚀取时,单面腐蚀取C C2 2 =1mm =1mm,双面腐蚀取,双面腐蚀取C C2 2 =2mm=2mm;一般对低碳钢和低合金钢,;一般对低碳钢和低合金钢,C C2 2不小于不小于1mm1mm,不锈钢可取,不锈钢可取0 0。8.3.1 8.3.1 试验压力试验压力液压试验压力液压试验压力,按下式确

17、定:,按下式确定:式中,式中,P PT T- -试验压力,试验压力,MPa; MPa; P-P-设计压力,设计压力,MPa;MPa; - -试验温度下材料的许用应力,试验温度下材料的许用应力,MPaMPa; t t- -设计温度下材料的许用应力,设计温度下材料的许用应力,MPaMPa; /t t- -其比值最高不超过其比值最高不超过1.81.8,如超过,如超过1.81.8,按,按1.81.8计算。当容器各元件所用材料不同时,应取比值最小者。计算。当容器各元件所用材料不同时,应取比值最小者。气压试验压力气压试验压力,按下式确定:,按下式确定: MPaPPPtT1 . 025. 1+ += =且且

18、不不小小于于 MPaPPPT1 . 0t51 . 1+ += =且且不不小小于于8.3.2 8.3.2 压力试验的要求与试验方法压力试验的要求与试验方法1.1.液压试验:液压试验:将容器充满液体(在容器最高点设排气口),待容器壁温与将容器充满液体(在容器最高点设排气口),待容器壁温与液体温度相同时缓慢升压到规定试验压力后,保压时间一般不小液体温度相同时缓慢升压到规定试验压力后,保压时间一般不小于于30min30min,然后将压力降到规定试验压力的,然后将压力降到规定试验压力的80%80%,并保持足够长时,并保持足够长时间以对所有焊缝和连接部位进行检查,如有漏泄,修补后重新试间以对所有焊缝和连接

19、部位进行检查,如有漏泄,修补后重新试验。液压试验时,应注意下列事项。验。液压试验时,应注意下列事项。一般采用洁净水进行试验。对于不锈钢制造的容器用水进一般采用洁净水进行试验。对于不锈钢制造的容器用水进行试验时,应限制水中氯离子含量不超过行试验时,应限制水中氯离子含量不超过25mg/kg25mg/kg,以防氯离子,以防氯离子腐蚀。腐蚀。使用石油蒸馏产品进行液压试验时,试验温度应低于石油使用石油蒸馏产品进行液压试验时,试验温度应低于石油产品的闪点或沸点。产品的闪点或沸点。试验温度应低于液体沸点温度,对新钢种的试验温度应高试验温度应低于液体沸点温度,对新钢种的试验温度应高于材料无塑性转变温度。于材料

20、无塑性转变温度。碳素钢、碳素钢、16MnR16MnR和正火的和正火的15MnVR15MnVR钢制容器液压试验时,液钢制容器液压试验时,液体温度不得低于体温度不得低于5 50 0C C,其他低合金钢制容器液压试验时,液体温,其他低合金钢制容器液压试验时,液体温度不得低于度不得低于15150 0C C。如果由于板厚等因素造成材料无塑性转变温度。如果由于板厚等因素造成材料无塑性转变温度升高,还要相应地提高试验液体温度。升高,还要相应地提高试验液体温度。液压试验完毕后液压试验完毕后, ,应将液体排尽并用压缩空气将内部吹干应将液体排尽并用压缩空气将内部吹干. .2.2.气压试验:气压试验:对不适合做液压

21、试验的容器,例如容器内不允许有微量残留对不适合做液压试验的容器,例如容器内不允许有微量残留液体,或由于结构原因不能充满液体的容器,可采用气压试验。液体,或由于结构原因不能充满液体的容器,可采用气压试验。所用气体为:干燥、洁净的空气,氮气或其他惰性气体,试所用气体为:干燥、洁净的空气,氮气或其他惰性气体,试验气体温度一般应不低于验气体温度一般应不低于15150 0C C。试验程序是:试验程序是:缓慢升压到规定试验压力的缓慢升压到规定试验压力的10%10%,且不超过,且不超过0.05MPa0.05MPa,保持,保持5 5分钟,然后对所有的焊缝和连接部位进行多次检分钟,然后对所有的焊缝和连接部位进行

22、多次检查;合格后继续升压到规定试验压力的查;合格后继续升压到规定试验压力的50%50%,其后按每级为规定,其后按每级为规定试验压力的试验压力的10%10%的级差逐渐升压到试验压力,保持的级差逐渐升压到试验压力,保持10min10min后,然后后,然后再降到试验压力的再降到试验压力的87%87%,保持足够时间并同时进行检查。如有泄,保持足够时间并同时进行检查。如有泄漏,修补后再按上述规定重新进行试验。漏,修补后再按上述规定重新进行试验。3.3.气密试验:气密试验:容器须经液压试验合格后,方可进行气密试验。其方法是:容器须经液压试验合格后,方可进行气密试验。其方法是:首先缓慢升压至试验压力保持首先

23、缓慢升压至试验压力保持10min10min,然后降至设计压力,同时,然后降至设计压力,同时进行检查,气体温度应不低于进行检查,气体温度应不低于5 50 0C C。容器作定期检验时,若容器内有残留易燃气体存在会导致爆容器作定期检验时,若容器内有残留易燃气体存在会导致爆炸时,则不得使用空气作为试验介质。炸时,则不得使用空气作为试验介质。8.3.3 8.3.3 压力试验前的应力校核压力试验前的应力校核在压力试验前,应对试验压力下产生的圆筒应力进行校核,在压力试验前,应对试验压力下产生的圆筒应力进行校核,即容器壁内所产生的最大应力不超过所用材料在试验温度上屈服即容器壁内所产生的最大应力不超过所用材料在

24、试验温度上屈服极限的极限的90%90%(液压试验)或(液压试验)或80%80%(气压试验)。(气压试验)。其其他他符符号号同同前前。的的计计算算应应力力,圆圆筒筒壁壁在在试试验验压压力力下下式式中中,气气压压试试验验时时:即即液液压压试试验验时时:MPa)(8 . 02)()(9 . 02)(T2 .0.e2 .0.eseiTTseiTTDpDp+ += =+ += =例例9-19-1:已知:已知:圆筒锅炉汽包内经圆筒锅炉汽包内经D Di i=1200mm=1200mm,操作压力为,操作压力为4MPa4MPa,蒸汽温度为,蒸汽温度为2502500 0C C,装有安全阀,材料为,装有安全阀,材料

25、为20R20R,采用垫板对,采用垫板对焊,全部探伤。焊,全部探伤。试求:该汽包的厚度。试求:该汽包的厚度。解:解:1.1.确定参数确定参数Pc=1.1PPc=1.1P工作工作=1.1=1.14=4.4MPa4=4.4MPa,D Di i=1200mm=1200mm,t t=104MPa=104MPa(查(查表表9-49-4,预计汽包厚度在,预计汽包厚度在17-36mm17-36mm之间),之间),=0.9(=0.9(表表9-69-6)。)。2.2.计算厚度计算厚度3.3.确定厚度附加量确定厚度附加量预计预计n n在在32-34mm32-34mm之间,查表之间,查表9-109-10得钢板负偏差得

26、钢板负偏差C C1 1=1mm,=1mm,取取C C2 2=1mm=1mm,则,则C=CC=C1 1+C+C2 2=2mm=2mm。所以,该汽包的厚度所以,该汽包的厚度n n=+C=+C1 1+C+C2 2+=28.9+1+1+1.1=32mm+=28.9+1+1+1.1=32mm。 9mm.284.4-0.9104212004 . 4p2Dp:1-9ctic= = = =)得得有有式式(例例9-29-2:已知:已知:某石油分离中的乙烯精馏塔工艺要求为:塔某石油分离中的乙烯精馏塔工艺要求为:塔体内径体内径D Di i=600mm,=600mm,设计压力设计压力P P=2.2MPa;=2.2MP

27、a;工作温度工作温度t t =-3=-3-20-200 0C C。试选择塔体的材料并确定厚度。试选择塔体的材料并确定厚度。 解:解:由于介质对材料腐蚀不大,根据压力、温度,查表由于介质对材料腐蚀不大,根据压力、温度,查表9-39-3,选用选用2020或或16MnR16MnR等容器用钢较为合适。等容器用钢较为合适。1.1.选用选用20R20R钢板钢板由于由于P Pc c=P=P=2.2MPa; D=2.2MPa; Di i=600mm; =600mm; t t=133MPa(=133MPa(查表查表9-49-4); ; =0.8(=0.8(表表9-69-6););C C1 1=0.8mm,=0.

28、8mm,取取C C2 2=1mm=1mm。 10mm9 . 118 . 03 . 618 . 02.2-0.813326002.2CCp2Dp21cticn= =+ + + += =+ + + += =+ + + += =于于是是: 。,其余参数未变。所以,其余参数未变。所以,查表查表钢板钢板选用选用足够。足够。,所以水压试验时强度,所以水压试验时强度由于由于,则:则:的的知知查表查表于是:于是:其中,其中,水压试验强度校核:水压试验强度校核:8mm,9mm. 42 . 2-8 . 017026002.26mm. 0C,170MPa4916MnR. 29 . 04MPa.1762458 . 09 . 09 . 0245MPa20R:49102MPa2 . 82)2 . 8600(75. 22)(8.2mm1.8-10C75MPa;. 22 . 225. 125P. 1P9 . 02)(n1seneTe= = = = = = = = = =+ += =+ += = =

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