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文檔簡介

壓力容器設計基礎 壓力容器的概念 壓力容器 盛裝壓力介質(zhì)的密閉容器 尺寸容積形狀,壓力和溫度條件,介質(zhì),制造材料 涉及壓力容器的基本法規(guī)和標準 特種設備安全監(jiān)察條例 ,國務院, 壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程 ,國家質(zhì)監(jiān)總局, 壓力容器、壓力管道設計單位資格許可與管理規(guī)則 , 鍋爐壓力容器制造監(jiān)督管理辦法 , 鋼制壓力容器 鋼制壓力容器 分析設計標準 4735 鋼制焊接常壓容器 管殼式換熱器 壓力容器的概念 壓力容器的劃定范圍 受壓元件:容器中直接承受壓力載荷(包括內(nèi)壓和外壓)的零部件,如容器殼體元件、開孔補強圈、外壓加強圈等 非受壓元件:為滿足使用要求而與受壓元件直接焊接成為整體,不承受壓力載荷(只承受重力載荷)的零部件,如支座、吊耳、墊板等 容規(guī) 明確規(guī)定了壓力容器的范圍,是指殼體及其連為整體的受壓零部件(受壓元件) 壓力容器的概念 壓力容器的分類 根據(jù)生產(chǎn)過程作用原理:反應壓力容器( R),換熱壓力容器( E),分離壓力容器( S),儲存壓力容器( C,其中球罐 B) 根據(jù)設計壓力 壓( ,按園平板計算,此時應力以彎曲應力為主,與薄膜理論不適應的。 大端 30 采用無折邊結(jié)構(gòu); 30 帶折邊 小端 45 采用無折邊結(jié)構(gòu); 45 帶折邊 2、受壓元件 封頭 2)應力分析 大端 軸向力 2。 向拉伸應力 端徑向收縮,產(chǎn)生徑向彎曲應力,并使周向應力與壓力作用產(chǎn)生周向應力,方向相反而相對減小,所以大端以一次軸向拉伸應力+二次軸向彎曲應力為強度控制條件 32、受壓元件 封頭 )應力分析 小端 軸向力 1和垂直于軸線方向 向拉伸應力 端徑向張大,產(chǎn)生周向應力。此周向應力與壓力作用產(chǎn)生周向應力方向一致,相互疊加,所以小端以一次周向應力 +由邊界力引起周向應力為強度條件控制值 2、受壓元件 封頭 3)計算公式 錐殼厚度 c o 是否需要在大 、 小端增設加強段 , 由 77 交點在左邊表示二次應力影響不大 , 不起控制作用, 按上式計算即可;當交點在右邊時 , 需增設加強段 。 大端厚度: 小端厚度: 2 2現(xiàn)邊界應力作用。 通常情況下,錐殼為一個厚度。則應取上述三個厚度中最大值。 2、受壓元件 封頭 封頭 平蓋厚度是基于園平板在均布載荷作用下一次彎曲應力來計算: 分固支 ( 焊接 ) 和簡支 ( 螺栓 ) 查表 7 比較兩種邊界條件下得最大撓度與最大應力 , 可知: 撓度反映板的剛度;應力則反映強度 。 所以周邊固支平蓋的最大撓度和最大彎曲應力比周邊簡支要小 , 從強度和剛度要求 , 周邊固支比周邊簡支的為好 。 固支簡支 a a 固支簡支主要內(nèi)容 1、總論 2、受壓元件 3、外壓元件(園筒和球殼) 4、開孔補強 5、 法蘭 6、低溫壓力容器(附錄 C) 7、超壓泄放裝置(附錄 B) 穩(wěn) 外壓元件承受的壓應力 , 其破壞形式主要是失穩(wěn) , 失穩(wěn)可分為周向失穩(wěn)和軸向失穩(wěn) 。 周向失穩(wěn) 斷面由園形變成波形 軸向失穩(wěn) 軸線由直線變成波形線 3、外壓元件(園筒和球殼) 周向壓縮應力引起 軸向壓縮應力引起 3、外壓元件(園筒和球殼) 壓容器的設計 外壓容器園筒和球殼的設計主要是穩(wěn)定性計算。 外壓容器園筒壁厚的計算,主要是為了防止在外壓作用下殼體的失穩(wěn)。為了防止失穩(wěn),應使殼體防止失穩(wěn)的許用壓力 P殼穩(wěn)定安全系數(shù)取 1)周向失穩(wěn)計算 外壓容器殼體壁厚計算一般采用圖算法,根據(jù)殼體直徑(或半徑),計算長度,假設壁厚 (e) 和所用材料牌號,利用圖表查取系數(shù),然后代入公式得到許用外壓力 P, 使 P;否則重新計算直至合格為止。 2)軸向失穩(wěn)計算 由園筒或管子的半徑,壁厚 e 和所用材料牌號,用圖表查取系數(shù),代入公式得 計算壓力 用軸向壓縮應力取設計溫度下材料許用應力 和 3、外壓元件(園筒和球殼) 止外壓園筒失穩(wěn)措施 防止外壓園筒失穩(wěn)措施主要有: 1)增加園筒壁厚; 2)縮短園筒的計算長度; 3)設置加強圈。 加強圈設置應整圈圍繞在園筒上 , 并要求有足夠截面積和組合慣性距 。 加強圈可設置在容器內(nèi)部或外部 。 加強圈和園筒之間連接可采用連續(xù)焊或間斷焊 。 間斷焊外部不少于園筒周長的 1/2, 內(nèi)部不少于 1/3。 主要內(nèi)容 1、總論 2、受壓元件 3、外壓元件(園筒和球殼) 4、開孔補強 5、 法蘭 6、低溫壓力容器(附錄 C) 7、超壓泄放裝置(附錄 B) 4、開孔補強 用范圍 在筒體 、 封頭上開圓孔 , 橢圓孔或長圓孔 。 非園孔的 a/b 2。 筒體 1500或凸形封頭 d 1/2筒體 d 520筒體 500或錐形封頭 d 1/3筒體 d 1000開孔不僅削弱容器強度,也造成局部應力集中,是造成容器破壞重要因素,所以開孔補強是壓力容器設計重要組成部分。 4、開孔補強 孔補強形式與作用 1)型式 兩種開孔補強型式 整體補強和局部補強 ( 補強圈 ) 整體補強 增加殼體厚度 ( 經(jīng)濟性差 ) 厚壁管 ( 推薦 ) 整體補強鍛件與殼體焊接 ( 嵌入式接管 ) 222 圖 a) , b) 局部補強 補強圈 ( 推薦 ) 2) 作用 內(nèi)壓容器 對開孔截面拉伸強度補償 。 外壓容器 對開孔截面壓縮穩(wěn)定性補償 , 防止失穩(wěn) 。 4、開孔補強 孔補強的規(guī)定 1)不另行補強的最大開孔直徑 應滿足 75 2) 采用補強圈補強要求 b 540 n; n 38) 整體補強要求 下列情況之一 , 應采用整體補強 ( 增加殼體厚度或采用補強鍛件與殼體相焊 ) 。 制化工容器結(jié)構(gòu)規(guī)定 。 b540 n n38d d350 介質(zhì)為極度,高度危害介質(zhì) 4、開孔補強 孔補強方法 1)等面積補強法( d1/2 原則:有效補強面積大于或等于開孔失去面積 式中 為開孔處計算厚度 , 注意: 對橢圓封頭和碟形封頭中心部位和邊緣部位 是不同的 。 12 4、開孔補強 孔補強方法 2)壓力面積補強法( d 原則:有效承壓面積上作用力 許用應力 當殼體 、 接管 、 補強圈材料不同時 , 上述可表達為: 0、 1、 2分別為殼體 、 接管 、 補強圈材料的許用應力 ,、 、 分別為有效補強范圍內(nèi)殼體 、 接管和補強圈橫截面積 , P 設計壓力 , 見 0581 鋼制化工容器強度計算規(guī)定 221100 222 21 1、總論 2、受壓元件 3、外壓元件(園筒和球殼) 4、開孔補強 5、 法蘭 6、低溫壓力容器(附錄 C) 7、超壓泄放裝置(附錄 B) 5、法蘭 蘭分類 1)按墊片 窄面法蘭 墊片在螺栓孔內(nèi)側(cè) ( 一般采用窄面法蘭 ) 寬面法蘭 墊片在螺栓孔兩側(cè) 2) 按整體性程度 松式法蘭 法蘭與筒體未連成整體 , 如活套法蘭 、 螺紋法蘭 整體法蘭 法蘭環(huán) 、 錐頸與筒體連成整體 , 如長頸法蘭 任意式法蘭 如平焊法蘭 ( 甲 、 乙型平焊法蘭 ) 3) 按密封面型式 突面法蘭 由一對平面組成 凹凸面法蘭 由一對相配合的凹面和凸面組成 榫槽法蘭 由一對相配合的榫面和槽面組成 環(huán)面法蘭 由一對相配合的環(huán)面組成 5、法蘭 按密封面形式 法蘭示意圖 5、法蘭 片 1)墊片種類 非金屬墊片 橡膠板 、 橡膠石棉板 、 聚四氟乙烯 、 膨脹石墨等 金屬墊片 純鋁 、 紫銅 、 軟鋼 、 不銹鋼等 , 用于壓力 、 溫度較高場合 金屬包墊片 柔性石墨 、 石棉板為芯材 , 外包銅 、 鋁 、 不銹鋼 、 鍍鋅鐵皮 常用于中 、 低壓和較高溫度場合 。 纏繞墊片 由金屬薄帶 ( 0 008F) 和填充帶 ( 石墨 、 柔性石墨 、 聚四氟乙烯 ) 相間纏繞而成 , 適用較高壓力和溫度范圍 。 5、法蘭 片 2)墊片壓緊力 預緊狀態(tài)下最小壓緊力 操作工況下最小壓緊力 式中 , 墊片操作時 , 為保持密封需要施加于墊片單位有效密封面積上的最小壓緊力與內(nèi)壓力比值 , 即 2是系數(shù) , 墊片在預緊時 , 為了消除法蘭密封面與墊片接觸面間的縫隙 , 需施加于墊片單位有效密封面積上的最小壓緊力 。 墊片合理設計 , 應使墊片在預緊和操作狀態(tài)下所需壓緊力盡可能小。 F cp b m 5、法蘭 蘭設計 1)法蘭密封要求 法蘭是通過緊固螺栓 ( 螺柱 ) 壓緊墊片來實現(xiàn)密封 , 所以法蘭設計要防止泄漏 , 既要保證強度 , 也要有足夠剛性 , 以保持良好密封性 。 影響法蘭密封因素: a) 操作條件 , P、 T、 介質(zhì) b) 螺栓的預緊力 c) 墊片的性能 , 應考慮墊片材料對溫度及其介質(zhì)相容性 。 d) 法蘭密封面形式 e) 法蘭剛度 5、法蘭 蘭設計 2)螺栓 螺栓載荷 預緊狀態(tài): 操作狀態(tài): 螺栓面積 預緊時 操作時 取兩者大值作為確定螺栓截面積依據(jù) 。 在螺栓面積 選用小直徑螺栓 , 個數(shù)多;選用大直徑螺栓 , 個數(shù)少 , 為保證扳手在周向和徑向間距要求 , 應選取合適螺栓直徑 ,使螺栓中心圓直徑最小 。 螺栓中心圓直徑增大 , 使螺栓預緊力增大 , 承受彎距增大 , 不利于密封 。 a b m 242 242 5、法蘭 蘭設計 3)法蘭 法蘭強度設計的理論有多種 , 我國法蘭設計規(guī)范的依據(jù)是彈性分析理論 , 即控制法蘭中應力在彈性范圍內(nèi) , 以保證法蘭的密封要求 。 ( ) 工程上法蘭設計主要是對法蘭軸向應力 H, 徑向應力 和組合應力的校核。 即 , 、 2 2 蘭 蘭設計 4)法蘭設計的合理性 a) 選擇墊片時 , 盡可能選擇所需壓緊力小的墊片 , 即 m、 b) 盡可能縮小螺栓中心圓直徑 , 減小法蘭力矩的力臂 , 有利密封; c) 合理設計法蘭錐頸 ( 1) 和法蘭環(huán) ( f) , 既保證強度 , 又有足夠剛度 , 即調(diào)整 1、 力 , 趨滿應力狀態(tài) 。 主要內(nèi)容 1、總論 2、受壓元件 3、外壓元件(園筒和球殼) 4、開孔補強 5、 法蘭 6、低溫壓力容器(附錄 C) 7、超壓泄放裝置(附錄 B) 6、低溫壓力容器(附錄 C) 設計溫度低于或等于 的鋼制壓力容器(室外安裝無保溫的容器,最低設計溫度應考慮地區(qū)環(huán)境溫度影響) 各國對低溫壓力容器劃分溫度界限: 受環(huán)境溫度影響,殼體的金屬溫度低于或等于 時,也應遵循低溫壓力容器規(guī)定。 美國 日本、德國 法國 英國 20對不同使用溫度 , 進行低溫沖擊 2) 對焊接和無損探傷要求 全焊透結(jié)構(gòu) 無損探傷比例為 50 和 100 100 其對接接頭 、 角焊接縫需進行100 焊縫表面不得有咬邊 3) 焊后熱處理 鋼板厚度 16 應進行焊后熱處理 。 主要內(nèi)容 1、總論 2、受壓元件 3、外壓元件(園筒和球殼) 4、開孔補強 5、 法蘭 6、低溫壓力容器(附錄 C) 7、超壓泄放裝置(附錄 B) 7、超壓泄放裝置(附錄 B) 壓力容器在運行中由于外界因素影響和工藝過程失控,造成超壓或超溫,容器有可能發(fā)生破裂或爆炸等安全事故,超壓泄放裝置就是在容器一旦超壓時會自動泄放,避免事故發(fā)生。 泄壓裝置要求 1) 動作壓力能在設定壓力及允許誤差范圍內(nèi) 2) 泄放能力大于或等于容器安全泄放量 3) 有可靠密封 , 能保證容器正常工作 4) 在有效使用期限內(nèi)能可靠工作 超壓泄放裝置有安全閥、爆破片、及安全閥和爆破片組合。 7、超壓泄放裝置(附錄 B) 用爆破片條件 符合下列條件之一 , 必須采用爆破片 1) 壓力快速增長 2) 對密封要求高 3) 介質(zhì)粘稠 、 有腐蝕性或?qū)﹂y門有磨損的介質(zhì) 4) 其他安全閥不能適用的場合 全閥 、 爆破片動作壓力和容器設計壓力關系 安全閥動作壓力 爆破片爆破壓力 P )P 上限)( P P 下限)(m i n 壓泄放裝置(附錄 B) 當采用安全閥與爆破片組合裝置時,其中一個泄放裝置的動作壓力應不大于設計壓力,另一個泄放裝置的動作壓力可提高,但不得超過設計壓力的 4% 。

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