容器設(shè)計基礎(chǔ)PPT課件.ppt

第十章容器設(shè)計基礎(chǔ) 第一節(jié)概述 1 一 容器的結(jié)構(gòu) 殼體 筒體 封頭 端蓋 法蘭 支座 接口管及人孔等組成 常低壓化工設(shè)備通用零部件標準直接選用 2 二 容器的分類 壓力容器分類 按容器的形狀按承壓性質(zhì)按管理其它 按容器壁溫按金屬材料按應用情況 3 4 按承壓性質(zhì) 內(nèi)壓 內(nèi)部介質(zhì)壓力大于外界壓力外壓 內(nèi)部介質(zhì)壓力小于外界壓力真空 內(nèi)部壓力小于一個絕壓的外壓容器 內(nèi)壓容器的分類 5 毒性危害程度分級 6 根據(jù)壓力等級 介質(zhì)毒性危害程度以及生產(chǎn)中的作用 壓力容器可分為三類 第一類壓力容器 第二類壓力容器 第三類壓力容器不包括核能 船舶專用 直接受火焰加熱容器 7 8 按容器壁溫 常溫容器 壁溫 20 至200 高溫容器 壁溫達到蠕變溫度 碳素鋼或低合金鋼容器 溫度超過420 合金鋼超過450 奧氏體不銹鋼超過550 均屬高溫容器 中溫容器 在常溫和高溫之間 低溫容器 壁溫低于 20 20 至 40 為淺冷容器 低于 40 者為深冷容器 9 三 壓力容器的標準簡介 壓力容器標準是全面總結(jié)壓力容器生產(chǎn) 設(shè)計 安全等方面的經(jīng)驗 不斷納入新科技成果而產(chǎn)生的 它是壓力容器設(shè)計 制造 驗收等必須遵循的準則 壓力容器標準涉及設(shè)計方法 選材及制造 檢驗方法等 10 國內(nèi)標準 1989我國壓力容器標準化技術(shù)委員會制訂了GB150 89 鋼制壓力容器 1998年修訂成GB150 1998 使標準更加完善 GB150 鋼制壓力容器 內(nèi)容包括 壓力容器板殼元件計算容器結(jié)構(gòu)要素的確定密封設(shè)計超壓泄放裝置的設(shè)置容器的制造與驗收的要求等 11 國外主要規(guī)范 國外的規(guī)范主要有四個 美國ASME規(guī)范 英國壓力容器規(guī)范 BS 日本國家標準 JIS 德國壓力容器規(guī)范 AD 12 薄壁容器根據(jù)容器外徑DO與內(nèi)徑Di的比值K來判斷 當K 1 2為薄壁容器K 1 2則為厚壁容器 第二節(jié)內(nèi)壓容器設(shè)計的基本理論 13 容器設(shè)計的基本要求 1 強度保證安全生產(chǎn) 2 剛度防止在使用 運輸 安裝過程中產(chǎn)生不允許的變形 3 穩(wěn)定性防止壓癟或出現(xiàn)折皺 主要指外壓容器 4 耐久性保證一定使用年限 一般10 20年 高壓設(shè)備 20 30年 取決于選材 防腐 施工是否正確 5 氣密性防止有毒介質(zhì)泄漏 6 其它節(jié)材 工藝性好 運輸安裝操作維修方便 14 一旋轉(zhuǎn)殼體的幾何概念 母線與經(jīng)線法線 平行圓第一曲率半徑 經(jīng)線曲率半徑第二曲率半徑 垂直于經(jīng)線的平面與中面相割形成的曲線BE的曲率半徑 15 回轉(zhuǎn)曲面 任何直線或平面曲線 母線 繞其同平面內(nèi)的一條已知直線 軸線 旋轉(zhuǎn)一周形成的曲面 回轉(zhuǎn)殼體 以回轉(zhuǎn)曲面為中間面的殼體 壁厚 內(nèi)外表面之間的法向距離 經(jīng)線 縱截面 軸截面 與回轉(zhuǎn)曲面的交線 與母線形狀相同 緯線 正交 錐截面與回轉(zhuǎn)曲面的交線 平行圓 橫截面與回轉(zhuǎn)曲面的交線 16 二無力矩理論基本方程式 無力矩理論是在旋轉(zhuǎn)薄殼的受力分析中忽略了彎矩的作用 此時應力狀態(tài)和承受內(nèi)壓的薄膜相似 又稱薄膜理論 17 微體平衡方程式 區(qū)域平衡方程式 二 無力矩理論基本方程式 18 圓筒形薄壁容器承受內(nèi)壓時的應力 只有拉應力無彎曲應力s1 或sj 圓筒母線方向 即軸向 拉應力 s2 或sq 圓周方向的拉應力 三 無力矩理論的應用 19 一 圓筒的應力計算 1 軸向應力 D 筒體平均直徑 亦稱中徑 mm 20 2 周向應力 21 分析 1 薄壁圓筒受內(nèi)壓環(huán)向應力是軸向應力兩倍 問題a 筒體上開橢圓孔 如何開 應使其短軸與筒體的軸線平行 以盡量減少開孔對縱截面的削弱程度 使環(huán)向應力不致增加很多 22 內(nèi)壓筒壁的應力和d D成反比 d D值的大小體現(xiàn)著圓筒承壓能力的高低 因此 分析一個設(shè)備能耐多大壓力 不能只看厚度的絕對值 23 二 球形殼體 球殼R1 R2 D 2 得 直徑與內(nèi)壓相同 球殼內(nèi)應力僅是圓筒形殼體環(huán)向應力的一半 即球形殼體的厚度僅需圓筒容器厚度的一半 當容器容積相同時 球表面積最小 故大型貯罐制成球形較為經(jīng)濟 制造復雜 24 三 圓錐形殼體 圓錐形殼半錐角為a A點處半徑為r 厚度為d 則在A點處 代入可得A點處的應力 25 錐形殼體環(huán)向應力是經(jīng)向應力兩倍 隨半錐角a的增大而增大 a角要選擇合適 不宜太大 在錐形殼體大端r R時 應力最大 在錐頂處 應力為零 因此 一般在錐頂開孔 26 四 橢圓形殼體 橢圓殼經(jīng)線為一橢圓 a b分別為橢圓的長短軸半徑 由此方程可得第一曲率半徑為 27 28 頂點應力最大 經(jīng)向應力與環(huán)向應力是相等的拉應力 頂點的經(jīng)向應力比邊緣處的經(jīng)向應力大一倍 頂點處的環(huán)向應力和邊緣處相等但符號相反 應力值連續(xù)變化 29 四受液體靜壓的圓筒形殼體的受力分析 筒壁上任一點的壓力值 不考慮氣體壓力 為 可得 若是開口的容器 30 底部支承的圓筒 a 液體重量由支承傳遞給基礎(chǔ) 筒壁不受液體軸向力作用 則若是開口的容器sj 0 上部支承圓筒 b 液體重量使得圓筒壁受軸向力作用 在圓筒壁上產(chǎn)生經(jīng)向應力 若是開口的容器 31 例題 有一外徑為219mm的氧氣瓶 最小厚度為6 5mm 材料為40Mn2A 工作壓力為15MPa 試求氧氣瓶壁應力 解析 平均直徑 經(jīng)向應力 環(huán)向應力 MPa mm MPa 32 無力矩理論忽略了剪力與彎矩的影響 可以滿足工程設(shè)計精度的要求 但對圖中所示的一些情況 就須考慮彎矩的影響 第三節(jié)邊緣應力的概念 一 邊緣應力 33 一 邊緣應力 由邊緣力和邊緣力矩引起的應力 稱為邊緣應力 相鄰兩段性能不同 或所受溫度或壓力不同 導致兩部分變形量不同 但又相互約束 從而產(chǎn)生較大的剪力與彎矩 筒體與封頭聯(lián)接為例 邊緣應力數(shù)值很大 有時導致容器失效 應重視 34 二 邊緣應力的特性 1 局限性 大多數(shù)都有明顯的衰減波特性 隨離開邊緣的距離增大 邊緣應力迅速衰減 2 自限性 彈性變形相互制約 一旦材料產(chǎn)生塑性變形 彈性變形約束就會緩解 邊緣應力自動受到限制 即邊緣應力的自限性 35 塑性好的材料可減少容器發(fā)生破壞 局部性與自限性 設(shè)計中一般不按局部應力來確定厚度 而是在結(jié)構(gòu)上作局部處理 但對于脆性材料 必須考慮邊緣應力的影響 三 邊緣應力的處理 36 37 第四節(jié)內(nèi)壓容器設(shè)計 一 圓筒和球體設(shè)計公式 圓筒強度條件 圓筒設(shè)計公式 壁厚附加量 38 設(shè)計厚度 名義厚度 n 球殼強度條件 計算厚度 39 二 設(shè)計參數(shù)確定的選擇 1 設(shè)計壓力 P 與計算壓力pc 使用安全閥時設(shè)計壓力不小于安全閥開啟壓力或取最大工作壓力1 05 1 10倍 使用爆破膜根據(jù)其型式 一般取最大工作壓力的1 15 1 4倍作為設(shè)計壓力 計算壓力指在相應設(shè)計溫度下 用以確定元件厚度的壓力 其中包括液柱靜壓力 40 指容器正常工作時 在相應的設(shè)計壓力下 器壁金屬可能達到的最高和最低溫度 低于或等于 20 2設(shè)計溫度 不被加熱或冷卻 筒內(nèi)介質(zhì)最高或最低溫度 用蒸汽 熱水或其它載熱體加熱或冷卻 載體最高溫度或最低溫度 不同部位出現(xiàn)不同溫度分別計算 41 3 許用應力 影響許用應力的因素 1使用溫度2鋼板厚度 許用應力由材料的力學性能除以相應的安全系數(shù)而得 42 安全系數(shù)n的確定 計算方法的準確性 可靠性和受力分析的可靠程度 材料的質(zhì)量和制造技術(shù)水平及其檢驗手段和水平 容器的工作條件 如壓力 溫度波動以及容器在生產(chǎn)中的重要性和危險性等 43 4 焊縫系數(shù) 鋼板卷焊 夾渣 氣孔 未焊透等缺陷 導致焊縫及其附近區(qū)域強度可能低于鋼材本體的強度 焊縫系數(shù)決定于二個因素 1 焊縫的結(jié)構(gòu)形式2 無損探傷水平 44 45 5 壁厚附加量C 壁厚附加量C C1 C2C1 鋼板負偏差C2 腐蝕裕量 腐蝕裕量C2應根據(jù)各種鋼材在不同介質(zhì)中的腐蝕速度和容器設(shè)計壽命確定 塔類 反應器類容器設(shè)計壽命一般按20年考慮 換熱器殼體 管箱及一般容器按10年考慮 46 鋼板負偏差 47 腐蝕速度 0 05mm a 包括大氣腐蝕 時 碳素鋼和低合金鋼單面腐蝕C2 1mm 雙面腐蝕取C2 2mm 當腐蝕速度 0 05mm a時 單面腐蝕取C2 2mm 雙面腐蝕取C2 4mm 不銹鋼取C2 0 48 三 容器的最小壁厚 大型容器剛度不足 不滿足運輸 安裝 限定最小厚度以滿足剛度和穩(wěn)定性要求 保證設(shè)備在運輸和安裝過程中的安全 殼體加工成形后不包括腐蝕裕量最小厚度dmin 碳鋼和低合金鋼 min 3mm不銹鋼 min 2mm 49 四 壓力試驗 為什么要進行壓力試驗呢 制造加工過程不完善 導致不安全 發(fā)生過大變形或滲漏 最常用的壓力試驗方法是液壓試驗 常溫水 也可用不會發(fā)生危險的其它液體試驗時液體的溫度應低于其閃點或沸點 50 四 壓力試驗 1 水壓試驗 試驗壓力 強度條件 51 2 氣壓試驗 試驗壓力 強度條件 52 例題 某化工廠欲設(shè)計一臺石油氣分離工程中的乙烯精餾塔 工藝要求為塔體內(nèi)徑Di 600mm 設(shè)計壓力p 2 2MPa 工作溫度t 3 20 試選擇塔體材料并確定塔體厚度 解析 由于石油氣對鋼材腐蝕不大 溫度在 20 以上 承受一定的壓力 故選用16MnR 式中p 2 2MPa Di 600mm s 170MPaj 0 8 C2 1 0mm得 53 考慮鋼板厚度負偏差C1 0 6mm圓整取dn 7mm 54 思考題 1 承受氣體壓力的圓筒和圓錐形殼體的應力有什么特點 標準橢圓殼的應力又是怎樣的 2 無力矩理論的適用條件是什么 3 邊緣應力的特點是什么 4 在什么情況下需要考慮邊緣應力 55 第五節(jié)封頭的設(shè)計與選擇 56 封頭又稱端蓋 其分類 57 一 半球形封頭 受內(nèi)壓球形封頭計算壁厚與球殼相同 球形封頭壁厚可較圓筒殼減薄一半 但為焊接方便以及降低邊緣壓力 半球形封頭常和筒體取相同的厚度 半個球殼 深度大 整體沖壓困難 模具尺寸大 壓力機噸位高 58 強度計算強度條件球殼 59 二 橢圓形封頭 半橢球和高度為h的短圓筒 通稱直邊 兩部分構(gòu)成 直邊保證封頭制造質(zhì)量和避免邊緣應力作用 60 計算厚度 K 橢圓形封頭形狀系數(shù) 標準橢圓形封頭 長短軸之比值為2 K 1 壁厚計算公式 61 標準橢圓形封頭的直邊高度 62 三 碟形封頭 半徑為R的大圓弧 半徑為r的小圓弧及短直線滑接而成 由于三部分連接處經(jīng)線曲率突變 在過渡區(qū)邊界上存在的邊界應力比薄膜應力大許多 所以受力狀況不佳 隨著重型鍛壓設(shè)備的應用 多數(shù)工廠已不用碟形封頭 而被橢圓形封頭取代 一般僅在現(xiàn)場制造大型常 低壓圓筒形貯罐時才采用 但近年隨著旋壓成型工藝的出現(xiàn) 壓鼓機 翻邊機 應用又見多起來 63 碟形封頭的形狀系數(shù) 又稱帶折邊球形封頭 球面半徑Ri 過渡圓弧半徑r和高度為h的直邊 相同受力 碟形封頭壁厚比橢圓形封頭壁厚要大些 而且碟形封頭存在應力不連續(xù) 因此沒有橢圓形封頭應用廣泛 64 四 錐形封頭 65 廣泛用于化工設(shè)備 如蒸發(fā)器 噴霧干燥器 結(jié)晶器及沉降器等 的底蓋便于收集與卸除設(shè)備中的固體物料 塔設(shè)備上 下部分的直徑不等 也常用錐形殼體連接 稱為變徑段 66 一 無折邊錐形封頭或錐形筒體 適用于錐殼半錐角a 3001 錐殼大端a 查圖 大端是否須加強 67 b 不必局部加強 計算壁厚為 68 c 需加強 以降低聯(lián)接處的局部應力 錐殼加強段和圓筒加強段厚度相同 Kc為錐殼與圓筒聯(lián)接處的應力增值系數(shù) 查圖 69 70 二 折邊錐形封頭 可降低應力集中 適用于錐殼大端半錐角a 300 小端半錐角a 450當錐殼半錐角a 600時 按平蓋計算 71 a 過渡段的計算壁厚 72 b 與過渡段相連接處的錐殼計算壁厚 73 五 平板封頭 化工設(shè)備常用的一種封頭 圓形 橢圓形 長圓形 矩形和方形等 相同 R d 和受載下 薄板應力比薄殼大得多 即平板封頭比凸形封頭厚得多 74 平板封頭結(jié)構(gòu)簡單 制造方便 在壓力不高 直徑較小的容器中采用 承壓設(shè)備人孔 手孔以及在操作時需要用盲板封閉的地方 才用平板蓋 高壓容器平板封頭用得較為普遍 平蓋系數(shù)K查表 75 解析 工藝操作對封頭形狀無特殊要求 球冠形封頭 平板封頭邊緣應力較大 平板封頭厚度較大 故不宜采用 理論上對凸形封頭計算后 再確定封頭型式 例題 確定精餾塔封頭型式與尺寸 該塔Di 600mm 設(shè)計壓力p 2 2MPa 工作溫度t 3 20 dn 7mm 76 半球形封頭受力最好 壁厚最薄 重量輕 但深度大制造難 中 低壓小設(shè)備不宜采用 碟形封頭深度可調(diào)節(jié) 適合于加工 但曲率不連續(xù) 局部應力 故受力不如橢圓形封頭 標準橢圓形封頭制造比較容易 受力狀況比碟形封頭好 故可采用標準橢圓形封頭 77 橢圓形封頭壁厚 p 2 2MPa Di 600mm s 20 170MPa j 1 0 C2 1 0mm考慮鋼板厚度負偏差 取C1 0 6mm 估計壁厚6mm 代入并經(jīng)圓整后用dn 6mm鋼板 78 j 0 85 C2 2mm設(shè)計厚度 d C2 11 81mm 取C1 0 8mm名義厚度 n 14mm 79 2 封頭厚度 C2 2mm設(shè)計厚度 d C2 11 77mm 取C1 0 8mm封頭名義厚度 n 14mm 80 例題 某廠庫存有一臺內(nèi)徑1000mm 長為2600mm的圓筒形容器 兩端為標準橢圓形封頭 焊縫采用雙面對接焊 材料為0Cr18Ni10Ti 由于該設(shè)備出廠說明書不全 試問該容器是否可作為計算壓力為2MPa 溫度為250 介質(zhì)無腐蝕的分離器 解 pc 2MPa C1 0 8mm C2 0 j 0 7d dn C1 C2 10 0 8 0 9 2mm 81 以上計算表明 該容器不滿足強度校核條件 故不能在p 2MPa條件下使用 82 例題 設(shè)計一內(nèi)壓圓筒形容器 設(shè)計和計算壓力為0 8MPa 設(shè)計溫度為100 圓筒內(nèi)徑為1000mm 工作介質(zhì)有輕微腐蝕取腐蝕裕量為2mm 焊縫系數(shù)為0 85 試分別用Q235