教學PPT過程設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ).ppt

第七章過程設(shè)備設(shè)計基礎(chǔ) 第一節(jié)壓力容器特點 壓力容器特點之一 應(yīng)用廣泛 壓力容器不僅被廣泛用于化學 石油化工 醫(yī)藥 冶金 機械 采礦 電力 航天航空 交通運輸?shù)裙I(yè)生產(chǎn)部門 在農(nóng)業(yè) 民用和軍工部門也頗常見 其中尤以石油化學工業(yè)應(yīng)用最為普遍 石油化工企業(yè)中的塔 釜 槽 罐無一不是貯器或作為設(shè)備的外殼 而且絕大多數(shù)是在一定的壓力溫度下運行 如一個年產(chǎn)30萬噸的乙烯裝置 約有793臺設(shè)備 其中壓力容器281臺 占了35 4 蒸汽鍋爐也屬于壓力容器 但它是用直接火焰加熱的特種受壓容器 至于民用或工廠用的液化石油氣瓶 更是到處可見 壓力容器特點之二 工況條件復雜 壓力容器的操作條件十分復雜 甚至近于苛刻 壓力從1 2 10 5pa的真空到高壓 超高壓 如石油加氫為10 5 21 0mpa 高壓聚乙烯為100 200mpa 合成氨為10 100mpa 人造水晶高達140mpa 溫度從 196 低溫到超過1000 的高溫 而處理介質(zhì)則包羅爆 燃 毒 輻 照 腐 蝕 磨 損 等數(shù)千個品種 操作條件的復雜性使壓力容器從設(shè)計 制造 安裝到使用 維護都不同于一般機械設(shè)備 而成為一類特殊設(shè)備 壓力容器特點之三 數(shù)量巨大 1996年12月的統(tǒng)計資料表明 國內(nèi)在用固定式壓力容器多達122 22萬臺 移動式壓力容器中罐車16910輛 在用氣瓶5498 7571萬只 鍋爐總臺數(shù)也高達51 57萬臺 此外全國持有壓力容器制造許可證的企業(yè)合計2432個 設(shè)計單位1380個 如此龐大且潛在隱患容器的存在 以及地域廣泛的制造設(shè)計部門 自然成為國內(nèi)外政府部門特別重視其安全管理和監(jiān)察檢查的原因 壓力容器特點之四 安全性要求高 壓力容器因其承受各種靜 動載荷或交變載荷 還有附加的機械或溫度載荷 其次 大多數(shù)容器容納壓縮氣體或飽和液體 若容器破裂 導致介質(zhì)突然卸壓膨脹 瞬間釋放出來的破壞能量極大 加上壓力容器極大多數(shù)系焊接制造 容易產(chǎn)生各種焊接缺陷 一旦檢驗 操作失誤容易發(fā)生爆炸破裂 器內(nèi)易爆 易燃 有毒的介質(zhì)將向外泄漏 勢必造成極具災(zāi)難性的后果 因此 對壓力容器要求很高的安全可靠性 第二節(jié)內(nèi)壓薄壁容器設(shè)計 一 薄壁容器設(shè)計的理論基礎(chǔ) 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 圓筒形薄壁容器承受氣體內(nèi)壓時的應(yīng)力 遠離筒體兩端的某點 只有拉應(yīng)力無彎曲 環(huán)向纖維 和 縱向纖維 受到拉力 s2 或sj 圓筒縱方向 即軸向 拉應(yīng)力 s1 或sq 圓周方向的拉應(yīng)力 sj 軸向應(yīng)力 s 環(huán)向應(yīng)力 9 過程設(shè)備設(shè)計 圓筒的應(yīng)力計算 1 軸向應(yīng)力 d 筒體平均直徑 亦稱中徑 mm 2 環(huán)向應(yīng)力 分析 1 薄壁圓筒受內(nèi)壓環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力兩倍 問題a 筒體上開橢圓孔 如何開 應(yīng)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(yīng)力不致增加很多 2 鋼板卷制圓筒形容器 縱焊縫與環(huán)焊縫哪個易裂 筒體縱向焊縫受力大于環(huán)向焊縫 故縱焊縫易裂 施焊時應(yīng)予以注意 11 3 內(nèi)壓筒壁的應(yīng)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 12 二 回轉(zhuǎn)殼體的幾何特性 基本概念與基本假設(shè)1 基本概念 1 回轉(zhuǎn)曲面 殼體中面 等分殼體厚度 是任意直線或平面曲線作母線 繞其同平面內(nèi)的軸線旋轉(zhuǎn)一周而成的旋轉(zhuǎn)曲面 回轉(zhuǎn)殼體 2 軸對稱殼體的幾何形狀 約束條件和所受外力都是對稱于某一軸 化工用的壓力容器通常是軸對稱問題 母線與經(jīng)線法線 緯線 平行圓第一曲率半徑r1 經(jīng)線曲率半徑第二曲率半徑r2 通過經(jīng)線上一點b的法線作垂直于經(jīng)線的平面 與回轉(zhuǎn)曲面 中面 相割形成的曲線abe的曲率半徑 r2的中心一定在回轉(zhuǎn)軸上 3 回轉(zhuǎn)殼體的幾何概念 2 基本假設(shè)假定殼體材料有連續(xù)性 均勻性和各向同性 即殼體是完全彈性的 1 小位移假設(shè)各點位移都遠小于厚度 可用變形前尺寸代替變形后尺寸 變形分析中高階微量可忽略 2 直線法假設(shè)變形前垂直于中面直線段 變形后仍是直線并垂直于變形后的中面 變形前后法向線段長度不變 沿厚度各點法向位移相同 厚度不變 3 不擠壓假設(shè)各層纖維變形前后互不擠壓 三 回轉(zhuǎn)殼體薄膜應(yīng)力分析 無力矩理論所討論的問題都是圍繞著中面進行的 因壁很薄 沿壁厚方向的應(yīng)力與其它應(yīng)力相比很小 因此中面上的應(yīng)力和變形可以代表薄殼的應(yīng)力和變形 內(nèi)力 薄膜內(nèi)力 橫向剪力 彎曲內(nèi)力 n n q m m 無力矩理論或薄膜理論 靜定 有力矩理論或彎曲理論 靜不定 彎矩 5個 2個 3個 由中面的拉伸 壓縮變形而產(chǎn)生 由中面的曲率改變而產(chǎn)生 微原體平衡方程 區(qū)域平衡方程 回轉(zhuǎn)薄殼無力矩理論基本方程式 回轉(zhuǎn)薄殼僅受氣體內(nèi)壓作用時 各處的壓力相等 壓力產(chǎn)生的軸向力v為 p rm 無力矩理論又稱薄膜理論 兩向應(yīng)力稱為薄膜應(yīng)力 本式僅適于氣壓 四 無力矩理論應(yīng)用條件 殼體的厚度 中面曲率和載荷連續(xù) 沒有突變 且構(gòu)成殼體的材料的物理性能相同 殼體的邊界處不受橫向剪力 彎矩和轉(zhuǎn)矩作用 殼體的邊界處的約束可沿經(jīng)線的切線方向 不得限制邊界處的轉(zhuǎn)角與撓度 對很多實際問題 無力矩理論求解 有力矩理論修正 五 典型回轉(zhuǎn)殼體應(yīng)力分析 1 承受氣體內(nèi)壓圓筒形殼體第一曲率半徑r1 第二曲率半徑r2 d 2代入方程無力矩理論基本方程式得 2 球形殼體球形殼體上各點的第一曲率半徑與第二曲率半徑相等 即r1 r2 r直徑與內(nèi)壓相同 球殼內(nèi)應(yīng)力僅是圓筒形殼體環(huán)向應(yīng)力的一半 即球形殼體的厚度僅需圓筒容器厚度的一半 3 錐形殼體 錐形殼體環(huán)向應(yīng)力是經(jīng)向應(yīng)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(yīng)力最大 在錐頂處 應(yīng)力為零 因此 一般在錐頂開孔 4 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 橢球殼中的應(yīng)力隨長軸與短軸之比的變化規(guī)律 橢球殼應(yīng)力與內(nèi)壓p 壁厚d有關(guān) 與長軸與短軸之比a b有關(guān) a b時 橢球殼球殼 最大應(yīng)力為圓筒殼中的一半 a b 橢球殼中應(yīng)力 如上圖所示 橢球殼承受均勻內(nèi)壓時 在任何a b值下 恒為正值 即拉伸應(yīng)力 且由頂點處最大值向赤道逐漸遞減至最小值 當時 應(yīng)力將變號 從拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力 隨周向壓應(yīng)力增大 大直徑薄壁橢圓形封頭出現(xiàn)局部屈曲 措施 整體或局部增加厚度 局部采用環(huán)狀加強構(gòu)件 5 受液體靜壓的圓筒形殼體的受力分析 與殼體受內(nèi)壓不同 殼壁上液柱靜壓力隨液層深度變化 筒壁上任一點a承受的壓力 作垂直于回轉(zhuǎn)軸的任一橫截面 由上部殼體軸向力平衡得 底部支承的圓筒 液體重量由支承傳遞給基礎(chǔ) 筒壁不受液體軸向力作用 上部支承圓筒 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(yīng)力 例 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(yīng)力 解 平均直徑mm 經(jīng)向應(yīng)力mpa 環(huán)向應(yīng)力mpa 第三節(jié)內(nèi)壓圓筒邊緣應(yīng)力的概念 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 a b c 是殼體與封頭聯(lián)接處經(jīng)線突然折斷 d 是兩段厚度不等的筒體相連接 e f g 有法蘭 加強圈 管板等剛度大的構(gòu)件 相鄰兩段形狀不同 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(yīng)力數(shù)值很大 有時導致容器失效 不連續(xù)效應(yīng) 由于總體結(jié)構(gòu)不連續(xù) 組合殼在連接處附近的局部區(qū)域出現(xiàn)衰減很快的應(yīng)力增大現(xiàn)象 稱為 不連續(xù)效應(yīng) 或 邊緣效應(yīng) 不連續(xù)應(yīng)力 由此引起的局部應(yīng)力稱為 不連續(xù)應(yīng)力 或 邊緣應(yīng)力 有力矩理論 邊緣應(yīng)力兩個基本特性 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(yīng)力迅速衰減 例如 當時 鋼制圓柱殼中縱向彎矩的絕對值已衰減掉95 7 不連續(xù)應(yīng)力是由彈性變形受到約束所致 因此對于用塑性材料制造的殼體 當連接邊緣的局部區(qū)產(chǎn)生塑變形 這種彈性約束就開始緩解 變形不會連續(xù)發(fā)展 不連續(xù)應(yīng)力也自動限制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(yīng)力自動受到限制 即邊緣應(yīng)力的自限性 可在結(jié)構(gòu)上作局部處理 如 改變連接邊緣的剛性結(jié)構(gòu) 邊緣應(yīng)力區(qū)局部加強 保證邊緣焊縫的質(zhì)量 降低邊緣區(qū)的殘余應(yīng)力 避免邊緣區(qū)附加局部應(yīng)力 開孔等 設(shè)計中的考慮 板厚不等時的對接接頭 只要是塑性材料 即使邊緣區(qū)局部點的應(yīng)力超出材料的屈服極限 周圍尚未屈服的彈性區(qū)也能抑