过程设备设计期末知识总结

压力容器导言压力容器总体构造压力容器分类按压力等级分低压：0.1—1.6MPa 中压：1.6—10MPa高压：10—100MPa超高压：大于100MPa按容器在生产中的作用分：反响换热分别储存按安装方式分类：固定式压力容器移动式压力容器按安全技术治理分类：第一/二/三类压力容器压力容器标准标准GB150：中国第一部压力容器国家标准——设计压力35MPa的钢制压力容器，设计温度196管辖范围密封面、专用连接件或管件连接的第一个密封面。JB4732第一部压力容器分析设计的行业标准压力容器应力分析承受压力：中低内压力(0.1MPa～10MPa)；壁厚：薄壁(径比K 1.2)；构造：回转壳体。回转薄壳应力分析回转薄壳的无力矩理论：根本要素轴对称问题是指壳体的几何外形、约束条件和所受的外力都是对称于旋转轴的。几种常见壳体的几何特征圆柱壳：R1 ，R2=R=r球壳：R1 R2 Rr Rsin无力矩理论根本方程根本假设〔假设壳体是完全弹性体〕小位移假设：壳体受力变形前后，壳体上各点位移量远小于壁厚尺寸，属于弹性小变形。〕互不挤压假设(不计法向应力)无力矩假设〔微元体仅受拉压力和剪力〕壳体微元体的取出①一对壳体内外外表；②一对经向截面〔也称经线截面；③一对与经线相正交的圆锥面〔也称纬向截面或纬线截面。微元平衡方程〔拉普拉斯方程〕区域平衡方程

p R R t1 2无力矩理论的应用——承受液体内压的回转薄壳特点：壳体内各点的内压力与距液面的高度有关，液体的重量要考虑。〔1〕圆筒形壳体R ,R1 2

R,r R第一步：依据拉普拉斯方程和任意点的压力方程求出周向应力；其次步：列区域平衡方程求经向应力。〔2〕具有裙式支座的球形壳体①先争论裙座以上局部〔 0〕 R2

(1

2cos2)

R2

(56cos

2cos2) 6t 1cos 6t 1cos②再争论裙座以下局部〔 〕0 R2

(5

2cos2)

16cos

2cos2 6t 1cos 1cos〔3〕无力矩理论应用条件要考虑壳体中的弯矩作用。几何连续。包括曲率突变、壁厚突变、材料突变，将消灭变形不协调导致局部弯曲。外载连续。外载荷须连续，假设有集中力或弯矩，或有加强圈构造等，壳体将为有力矩状态。约束连续。包括：①壳体边界固定形式是自由支承。否则当边界上法向位移和转角受面内。这样能够保证在边界上没有横剪力和弯矩。回转薄壳的不连续分析〔1〕不连续效应与不连续分析的根本方法①在不同壳体连接的四周地区〔称为变形不连续连续效应或边缘效应，由边缘效应产生的应力称为不连续应力，或边缘应力。②由变形不协调引起的边缘应力属于二次应力局部屈服，从而形成较小的变形，这样就能使连接边缘处壳体的不同变形得到协调。③将无力矩理论得到的薄膜解(一次应力)与有力矩理论得到的弯曲解(二次应力)进展叠加，最终得到包含不同壳体连接的最终解。〔2〕产生缘由几何不连续、外载不连续、温度突变、材料性能突变等。〔3〕不连续应力的特性①局部性〔又称局限性的衰减特性。应力，一般使压力容器直接发生破坏的危急性较小。〔4〕工程设计中的考虑对于连接边缘的构造，只做局部处理。如局部加强、避开在连接边缘开孔、设置焊缝等。边缘应力作进一步考虑。厚壁圆筒应力分析一般来说，高压和超高压容器的径比K>瘦长，承受平盖或球形封头，密封构造特别，筒身限制开孔。本章争论的对象，是厚壁圆筒即存在经向应力〔又称轴向应力z、周向应力和径向应力r。针对厚壁筒的应力求解，将在平衡方程、几何方程、物理方程三个方面进展分析。弹性应力〔1〕压力载荷引起的弹性应力：仅受内压〔★〕其中： 为周向应力，为轴向应力，径向应力。 z r弹塑性应力〔一〕弹塑性应力：弹性失效设计准则与塑性失效设计准则〔★〕屈服条件：TrescaMises屈服条件。对于抱负弹塑性材料，无视材料的硬化阶段，同时认为材料的屈服极限为常数。弹性失效设计准则：

eqi

ts第一强度理论：

eq1

1

，对于内压后壁圆筒：s

ts第三强度理a屈服失效判筒： 。 r sMises屈服失效判据：1

eq1

1

ts

，对于内压厚壁圆 eq4

[(2

2

3

1

，对于厚壁圆筒：3 3

)

1

3 r s3eq4 2 r max 2 2塑性失效设计准则p

pnso，其中p

son

so全屈服安全系数。so弹塑性失效设计准则〔Mises屈服条件下的推导〕第一步：在塑性区，利用微元平衡方〔式2-26〕和Mises屈服失效判据得到d 关于rr的微分方程；其次步：在塑性区，利用边界条件〔rR

时〕对微分方程做积分，解得；i r第三步：在塑性区，利用Mises屈服失效判据式等解出周向应力和周向应力的表达式。利用r的表达式变形得到弹塑性交界面上的压力pc关于Rc的表达式；pc r和 ，再利用Mises屈服失效判据算出弹性区内壁边界的p关于R的表达式；c c第五步：利用弹性区和塑性区的p关于R的表达式解得p关于R的表达式：c c i c3ps3i

cR2co

2lnRc)Ri第六步：当RR时有弹性失效设计准则〔p为初始屈服压力，当RR时有c i s c o塑性失效设计准则pso〔全屈服压力。〔二〕剩余应力：把握剩余应力分布图使得塑性区筒体承受压缩应力作用，而弹性区筒体承受拉伸应力的作用。2.3.4提高屈服承载力量的措施增加壁厚来提高厚壁筒承载力量：局限性——内压等于一半许用应力时提高屈服承载力量：自增加法与多层热套法1〕自增加法：通过使内壁面产生塑性区的预处理，产生剩余应力分布。2〕多层热套法：先加热外筒，然后将外筒与内筒进展过盈套合。冷却后，外筒收缩，使内以周向应力为例，给出热套过程中的应力分布如下：平板应力分析：圆形薄板在轴对称载荷下的弹性小挠度问题2.4.1概述板的分类③按板的厚度分〔对于圆平板b=D〕④按板的挠度大小分2.4.3圆平板中的力：周边固支周边简支壳体失稳应力分析概述这种现象称为外压圆筒的屈曲〔〕或失稳〔。此时筒壁中的压应力称为临界应力cr，发生失稳时的最低外压力称为临界压力pcr。外压圆筒失稳类型①弹性失稳筒体的受力变形为弹性阶段。②非弹性失稳稳，即此时筒体中的压应力超过了材料的屈服点。n23、4、5……，取决于圆筒的构造尺寸和约束条件。我们称波浪数n=2的圆筒为长圆筒；而n>2的圆筒称为短圆筒。圆筒长度越短，其失稳后截面的波浪数就越多。本节主要推导周向外压下的长圆筒弹性失稳临界压力。〔5〕临界压力的概念外压圆筒在发生失稳那一刻所承受的外压力，称为临界压力，用表示pcr。外压薄壁圆柱壳弹性失稳分析受均布周向外压的长圆筒的临界压力：

p 2.2E(t)3cr D0临界应力：

pD cr

0 1.1E(t)2cr 2t D0承受均布周向外压短圆筒的临界压力：p cr

2.59Et2LDDLDDoot临界长度是区分长、短圆筒的尺度。Lcr

1.17DDoDot4.3.2.4外压圆筒设计①图算法原理及工程应用在工程设计过程中，分别通过查A图和B图，得到B值，从而得到许用外压力[p]。②有关设计参数的规定外压容器的设计参数主要有设计压力、安全系数和计算长度。典型局部应力概述(2)局部载荷的特点：局部载荷对壳件的影响通常仅限于附件与壳体连接处四周的局部地区，局部载荷将在壳体相接收等附件中产生较高的局部应力。受内压壳体与接收连接处的局部应力(1)受内压壳体开孔接收连接处构造分析①开孔部位强度减弱；②开孔四周产生应力集中；③壳体与接收变形不协调产生边缘力系；④开孔构造制造过程中产生缺陷和剩余应力。降低局部应力的措施合理的构造设计：①削减两连接件的刚度差②尽量承受圆弧过渡；③局部区域补强；④选择适宜的开孔方位。削减附件传递的局部载荷尽量削减构造中的缺陷压力容器材料及环境和时间对其性能的影响压力容器材料压力容器常用钢材〔2〕从钢材类型上分类碳素钢－含碳量小于1.35%，除铁、碳和限量以内的硅、锰、磷、硫等杂质外，不含其他合金元素的钢。主要有：Q235钢板；10,20钢管；20,35锻件；20R钢板。低合金钢3.5%3.5-10%10%的称为高合金钢。低合金钢主要有：压力容器专用钢板Q345R(16Mng16MnR、19Mng合并为Q345R)；用于-20℃~-7016MnDR,15MnNiDR,09MnNiDR550℃以内15CrMoR热强钢；用于-19℃~47020MnMo。高合金钢－用于耐腐蚀、耐高温场合。有铬钢 0Cr13铬镍钢0Cr18Ni9、铬镍钼钢00Cr18Ni5Mo3Si2。〔3〕压力容器常用钢介绍①Q235系列Q235-AF、Q235-A等。这里，Q235235MPaA、B、C、D、E五个等级其含碳量依次降低，冲击温度依次降低，表示为：A：不做冲击功试验；B：做常温冲击功试验，V型缺口；C0℃冲击功试验,V型缺口；D：做-20V型缺口；E：做-40℃冲击功试验,Ｖ型缺口。F：沸腾钢；b：半冷静钢；Z：冷静钢；T，Z：特别冷静钢冷静钢：钢液在脱氧过程中参加强脱氧剂(锰铁、硅铁等)，使得浇铸过程安静不再发生碳氧反响。除了在钢锭顶部形成缩孔外，其组织致密，钢质高，用于重要用途。沸腾钢CO但本钱较低。举例：Q235-AF0.6MPa0℃～250℃、压力容12mm、没有易燃或毒性介质的容器用钢。Q235-A1.0MPa0℃～350℃、16mm、没有液化石油气或毒性介质的容器用钢。当使用温度为475℃时，应选择优质碳素钢；当使用温度为525℃时，应选择奥氏体不0.04%。②Q345R钢是我国用途最为广泛、用量最大的压力容器用低合金钢，执行标准《GB713-2023锅炉和压340MPa，使用温度在-20℃~450℃之间。③0Cr18Ni9不锈钢作为不锈钢耐热钢使用最广泛，用于食品用设备，一般化工设备，原子能用工业设备，也称4℃~℃。压力容器材料选择压力容器用钢的根本要求化学成分①C(碳)元素影响：C含量的提高可使强度提高，但性降低，焊接时易消灭裂纹。一般要求C 0.25。②S(硫)、P(磷)元素影响：S、PS可生成非金属夹杂物，使塑性和韧性降低。P能提高强度，但增加脆性，特别是低温脆性。掌握S<0.02%,P<0.03%.力学性能强度指标：抗拉强度、屈服强度、长久极限、蠕变极限、疲乏极限。塑性指标：延长率、断面收缩率。韧性指标：冲击吸取功、韧脆转变温度、断裂韧性。压力容器钢材的选择压力容器钢材的使用条件相容性零件的功能和制造工艺材料的使用阅历综合经济性标准标准3.3环境对压力容器用钢性能的影响3.3.1温度〔p86〕压力容器设计设计准则压力容器失效强度失效——因材料屈服或断裂引起的容器失效，主要方式有：韧性断裂强度极限有宏观塑性变形。脆性断裂变形。材料的脆性和缺陷两种缘由都会引起压力容器发生脆性断裂。疲乏断裂(FatigueFracture)－在交变载荷作用下，经肯定循环次数后产生裂纹或突然发生断裂失效的过程。疲乏断裂消灭在构造局部应力较高的部位，危急性很大。蠕变断裂(Creep Rupture)－压力容器在高温下长期受载，随时间的增加材料不断发生蠕变变形，造成厚度明显减薄与鼓胀变形，最终导致断裂。腐蚀断裂(Corrosion Fracture)－因均匀腐蚀导致的厚度减薄或局部腐蚀造成的凹坑所引起的断裂。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的规章几何外形引起的失效。泄漏失效：由于泄漏而引起的失效。常规设计圆筒设计弹性失效设计准则〔1〕内压薄壁圆筒——第一强度理论推导 1

pR，

pR 2第一强度理论：

eq1

1

tRR

2pRii 2

p内压厚壁容器〔会推导〕〔3〕设计技术参数确实定压力容器设计技术参数主要有：设计压力、设计温度、厚度、厚度附加量、焊缝系数和许用应力。设计压力下容器顶部可能到达的最高压力。设计温度是指容器在工作过程中在相应的设计压力下壳壁或元件金属可能到达的最高或最低温度。当元件金属温度不低于0℃，设计温度为元件金属可能到达的最高温度。当元件金属温度低于0℃，设计温度不得高于元件金属可能到达的最低温度。当设计温度等于或低于-20℃时，称为低温容器。容器中元件壁温可以由实测或由化工传热过程计算确定。③厚度及厚度附加量④焊缝系数焊缝系数的大小与焊接接头形式和焊缝无损检测(NDE)程度有关。封头设计压力容器封头主要有凸形封头和平封头〔平盖。其中，凸形封头又包括半球形封头、椭圆形封头、碟形封头、球冠形封头等。度计算式，将边缘效应的影响以应力增加系数的形式引入到厚度计算式中。①承受内压的半球形封头球形封头和圆筒连接处存在边缘应力，但其值较小，可无视不计。②承受内压的椭圆形封头椭圆形封头是由半个椭球壳和一段短圆筒组成大的边缘应力，用应力增加系数K来表示边缘效应的影响。③平封头〔平盖〕密封装置设计密封机理及分类渗透泄漏界面泄漏。界面泄漏是密封失效的主要途径。y，MPamp，MPa”p为介质压力，m为垫片系数。影响密封性能的主要因素螺栓预紧力：通过预紧力产生“垫片比压力y使垫片挤出或压坏。垫片性能：有适宜的变形及良好的回弹力量。至今，垫片的性能是依据(y，m)来确定。压紧面质量：压紧面外形和粗糙度与垫片相匹配，不允许有径向划痕。法兰刚度：法兰刚度缺乏易引起变形泄漏(图4-24)，增大法兰盘厚度可提高法兰刚度。另外，螺栓数目4n。操作条件：主要指压力、温度和介质性能，其中尤以温度影响较大。高温下，介质对垫片溶解和腐蚀加剧，同时蠕变使密封系统产生应力松弛。温度假设为波动，会产生疲乏。螺栓法兰连接设计失效的主要缘由是，密封性能不良而导致泄漏。因此，法兰连接的设计主要是其密封性能的设计。②法兰构造类型及标准公称直径DN－是容器和管道标准化后的尺寸系列〔1〕对于容器而言是容器内径，例如内径m容器，其公称直径标记为〔〕对于管子或管件而言是名义直径，数DN100无缝钢管，尺寸系列有：Φ1084、Φ1084.5、Φ1085273mm容器的公称直径DN273GB9019-88.公称压力PN－是容器或管道的标准化压力等级。在容器设计选用零部件时，应选取设计压力相近且又稍高一级的公称压力选取零部件。④高压密封设计〔P ：平垫密封构造、卡扎里密封、双锥密封〔会看图、伍德密封、154高压管道密封。开孔和开孔补强设计4.3.8焊接构造设计〔3〕焊接接头形式及坡口焊接接头形式是由两个被焊接件的相互构造位置而打算，分为对接接头、角接接头及T字接头、搭接接头。，称为坡口。最多的接头形式。V型坡口：易于实现，可用火焰切割设备进展切割，中低压容器U型坡口：可用钨极氩弧焊，焊材少，速度快，本钱高，适于大型材料〔5〕压力容器焊接接头分类A类焊缝B类焊缝的工作应力为AC类，一般为角焊缝。接收、人孔等与壳体或封头的连接焊缝属于D类焊缝。(6)压力容器焊接构造设计的根本原则①尽量承受对接接头；②尽量承受全焊透的构造；③尽量削减焊缝处的应力集中换热设备概述6.1.2换热设备的分类与构造换热设备依据传热方式，可以分为直接接触式、蓄热式、间壁式和中间载热体式四种。〔3〕间壁式：依据壁面的构造特点，它可分为以下三类：①管式换热器处理量大、本钱较低；但一般热效率不高。②板片式换热器，如螺旋板式、板壳式等；特点是：板式换热器便于组装与拆卸，有利于清洗与除垢，可任意转变传热面积，传热系数高。但板式换热器不易密封，承压力量低，使用温度受密封元件限制，流道狭窄等缺点。③扩展外表式换热器〔、管翅式等。管壳式换热器根本类型刚性构造的和具有温差补偿的固定管板式换热器浮头式、U型管式和填料函式。此外，教材上还列出一种用于高温的釜式重沸器工艺需要，在壳体上部设置一个蒸发空间，空间大小由产量和蒸气品质要求而定。固定管板式：其特点是：构造简洁，制造本钱较低。管板支撑较好，管内产生污降低温差应力。浮头式：浮头式换热器中的一块管板通过螺栓夹紧在壳体法兰和管箱法兰之间，生温差应力。另外，管束可以抽出，便于清洗管子内外外表的污垢。〔3〕U型管式：U形管式换热器的换热管被弯成U形，管束的两端固定在同一块管板形管束可以自由伸缩，不会使壳体与管子因壁温差而产生温差应力。〔4〕填料函式：填料函式换热器的构造持点，根本上与浮头式换热器一样，管束也可面，与壳体之间承受的是填料函密封构造，因此也可称之为外浮头式换热器。构造设计管壳式换热器的构造设计管板、管箱、管束分程、换热管与管板连接；壳程构造设计包括壳体、折流板、折流杆、防短路构造、壳程方程。管程构造设计换热管积增大，传热效果较好，但管径较小易结垢，不易清洗。因此，所选管径大小取决于流体性管板法兰，用于壳体尺寸较小的构造；管板与壳体的可拆连接，管束可抽出清洗，常用于浮头、填料函和U形管式换热器。管箱不同，换热管里流体走向也会不同P246表6-3给出管箱内隔板与管束分程布置图。4〕管束分程：流体从管子的一端流到另一端，称为一个管程。5〕换热管与管板的连接坏；管束在流体冲击下产生振动，使接头疲乏破坏；制造工艺不合理过大，在操作中引起应力腐蚀和疲乏破坏；操作不当，温度波动，引起疲乏破坏等。换热管与管板连接的方法主要有以下几种：强度胀接、强度焊接、涨焊并用。壳程构造设计①壳体：为圆筒，壳壁上焊有接收，壳程进口接收处装有防冲挡板。管程流体相垂直。③拉杆和定距管：拉杆—定距杆构造、点焊构造壳程分程：E型、F型、G型、H型管壳式换热器型号表示例如：平盖管箱，公称直径500mm，管程和壳程设计压力均为1.6MPa，公称换热面积为54mm*2，碳素钢较高级冷拔换热管外径25mm，管长6m，4管程，单壳程的浮头式热交换器，其型号为：AES5001.654 25管板设计管板是管壳式换热器最主要的部件对保证换热器的安全运转，降低本钱，起着相当重要的作用。影响管板强度和刚度的主要因素：①管束对管板的支撑作用；②管孔对管板的减弱作用③管板外周边的固定方式；④壳壁和管壁的温度差管板强度设计的主要思想：①将管板看成承受均布载荷的实心圆板；②将管板看成弹性根底上受载的多孔圆平板；管板强度设计步骤：①设计参数确实定；②应力计算；③应力校核；④应力调整管壳式换热器设计过程管壳式换热器设计分为以下几个过程工艺设计构造选型强度核算－筒体、管箱、管板尺寸，应力核算。管壳式换热器的自身改进：转变传热面的外形－使用横槽管、螺旋管、波浪管、缩放参加扰动促进体热的目的；折流挡板及支撑物；特别材料管子的换热器；塔设备概述塔设备通常应用于蒸馏、吸取、萃取，以及气体的洗涤、增湿及冷却等单元操作中。塔设备的核心内件是传质－传热元件塔板〔塔盘〕和填料两大类。塔设备分类①依据工艺过程，塔设备分为：精馏塔、吸取塔、抽提塔、水洗塔、枯燥塔等；②依据操作压力，分为常压塔、减压塔和加压塔；③依据塔内件构造，分为填料塔和板式塔。填料塔的液体分布器：管式液体分布器、槽式液体分布器、喷洒式液体分布器、盘式液体分布器。填料塔的其它内件主要有：液体收集器、液体再分布器、除沫装置等。板式塔的分类①依据塔盘构造分：泡罩塔、筛板塔、浮阀塔、舌形塔等。②依据气液流淌方式分