《化工設(shè)備機械基礎(chǔ)》(第2版)董大勤編著通用課件《內(nèi)壓》

1、第十章第十章 內(nèi)壓容器內(nèi)壓容器n第一節(jié)第一節(jié) 概述概述n第二節(jié)第二節(jié) 設(shè)計參數(shù)的確定設(shè)計參數(shù)的確定n第三節(jié)第三節(jié) 筒體的設(shè)計計算筒體的設(shè)計計算n第四節(jié)第四節(jié) 封頭的設(shè)計計算封頭的設(shè)計計算n第五節(jié)第五節(jié) 在用壓力容器的強度校核在用壓力容器的強度校核第一節(jié)第一節(jié) 概述概述n設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范）簡介設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范）簡介n壓力容器的主要受壓元件壓力容器的主要受壓元件n壓力容器強度計算內(nèi)容壓力容器強度計算內(nèi)容壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)簡介壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)簡介n壓力容器標(biāo)準(zhǔn)是全面總結(jié)壓力容器生產(chǎn)、設(shè)計、安壓力容器標(biāo)準(zhǔn)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。全等方面的經(jīng)驗，不斷納入新科技成

2、果而產(chǎn)生的。n它是壓力容器設(shè)計、制造、驗收等必須遵循的準(zhǔn)則。它是壓力容器設(shè)計、制造、驗收等必須遵循的準(zhǔn)則。n壓力容器標(biāo)準(zhǔn)涉及設(shè)計方法、選材及制造、檢驗方壓力容器標(biāo)準(zhǔn)涉及設(shè)計方法、選材及制造、檢驗方法等。法等。 國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)vGB150GB150鋼制壓力容器鋼制壓力容器內(nèi)容包括：內(nèi)容包括：壓力容器板殼元件計算壓力容器板殼元件計算容器結(jié)構(gòu)要素的確定容器結(jié)構(gòu)要素的確定密封設(shè)計密封設(shè)計超壓泄放裝置的設(shè)置超壓泄放裝置的設(shè)置容器的制造與驗收的要求等容器的制造與驗收的要求等 國外主要規(guī)范國外主要規(guī)范國外的規(guī)范主要有：國外的規(guī)范主要有：美國美國ASMEASME規(guī)范規(guī)范日本國家標(biāo)準(zhǔn)（日本國家標(biāo)準(zhǔn)（JISJI

3、S）1 1美國美國ASMEASME規(guī)范規(guī)范v美國國家標(biāo)準(zhǔn)美國國家標(biāo)準(zhǔn), ,美國機械工程師協(xié)會（美國機械工程師協(xié)會（ASMEASME）制）制定的定的鍋爐及壓力容器規(guī)范鍋爐及壓力容器規(guī)范。v規(guī)模龐大、內(nèi)容完善，僅依靠其本身即可完成規(guī)模龐大、內(nèi)容完善，僅依靠其本身即可完成選材、設(shè)計、制造、檢驗、試驗、安裝及運行選材、設(shè)計、制造、檢驗、試驗、安裝及運行等全部工作環(huán)節(jié)。等全部工作環(huán)節(jié)。1 1美國美國ASMEASME規(guī)范規(guī)范v與壓力容器密切相關(guān)有：與壓力容器密切相關(guān)有： v第第卷卷 材料技術(shù)條件、材料技術(shù)條件、v第第卷卷 無損檢驗、無損檢驗、v第第卷卷 壓力容器、壓力容器、v第第卷卷 焊接及釬焊評定。焊接

4、及釬焊評定。 v每年增補一次，每三年出一新版，技術(shù)先進(jìn)，修訂及時，每年增補一次，每三年出一新版，技術(shù)先進(jìn)，修訂及時，能迅速反映世界壓力容器科技發(fā)展的最新成就，為世界能迅速反映世界壓力容器科技發(fā)展的最新成就，為世界上影響最大的一部規(guī)范。上影響最大的一部規(guī)范。 2. 2. 日本國家標(biāo)準(zhǔn)（日本國家標(biāo)準(zhǔn)（JISJIS） 于于8080年代初制定了兩部基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，年代初制定了兩部基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，一部是參照一部是參照ASMEASME第第卷第卷第1 1冊制定的冊制定的JIS B JIS B 82438243壓力容器的構(gòu)造壓力容器的構(gòu)造，另一部是參照另一部是參照ASMEASME第第卷第卷第2 2冊制定的冊制定的JIS

5、JIS B8250B8250特定壓力容器的構(gòu)造特定壓力容器的構(gòu)造。 此外，還有與壓力容器相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)此外，還有與壓力容器相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)JIS B 8240JIS B 8240冷凍壓力容器冷凍壓力容器、JIS B8241JIS B8241無縫鋼制氣無縫鋼制氣瓶瓶及及JIS B8242JIS B8242圓筒形液化石油氣貯罐圓筒形液化石油氣貯罐（臥式）構(gòu)造（臥式）構(gòu)造等。等。n壓力容器的主要受壓元件壓力容器的主要受壓元件 筒體、封頭、設(shè)備法蘭、開孔補強板、人筒體、封頭、設(shè)備法蘭、開孔補強板、人孔蓋、人孔法蘭、人孔接管、孔蓋、人孔法蘭、人孔接管、 M30M30以上的以上的設(shè)備主螺栓、直徑大于設(shè)備主螺栓、直徑

6、大于250250的接管、換熱管的接管、換熱管和管板、膨脹節(jié)和管板、膨脹節(jié)n壓力容器強度計算內(nèi)容壓力容器強度計算內(nèi)容q1 1、新容器的設(shè)計、新容器的設(shè)計q2 2、在用容器的校核、在用容器的校核n第二節(jié)第二節(jié) 設(shè)計參數(shù)的確定設(shè)計參數(shù)的確定300(350)400(450)500(550) 6006507008009001000(1100) 1200 (1300) 14001500 1600(1700) 1800(1900) 2000 (2100) 22002300 24002600280030003200 340036003800 40004200440045004600 480050005200

7、5400560058006000n1. 容器直徑容器直徑n 公稱直徑公稱直徑 n鋼板卷焊公稱直徑是內(nèi)徑。鋼板卷焊公稱直徑是內(nèi)徑。無縫鋼管截取無縫鋼管截取159219273325377426 容器直徑較小，可直接用無縫鋼管制作。公稱容器直徑較小，可直接用無縫鋼管制作。公稱直徑指鋼管外徑。直徑指鋼管外徑。設(shè)計時，應(yīng)將工藝計算初步確定的設(shè)備內(nèi)徑，設(shè)計時，應(yīng)將工藝計算初步確定的設(shè)備內(nèi)徑，調(diào)整為符合規(guī)定的公稱直徑。調(diào)整為符合規(guī)定的公稱直徑。 2、設(shè)計壓力和計算壓力、設(shè)計壓力和計算壓力最大工作壓力：正常操作情況下容器頂部可能出現(xiàn)的最高最大工作壓力：正常操作情況下容器頂部可能出現(xiàn)的最高壓力壓力設(shè)計壓力：設(shè)定

8、的容器頂部的最高壓力，與相應(yīng)的設(shè)計溫設(shè)計壓力：設(shè)定的容器頂部的最高壓力，與相應(yīng)的設(shè)計溫度一起作為度一起作為設(shè)計載荷設(shè)計載荷條件條件計算壓力：在相應(yīng)的設(shè)計溫度下用于確定容器殼體厚度的計算壓力：在相應(yīng)的設(shè)計溫度下用于確定容器殼體厚度的壓力壓力設(shè)計壓力和計算壓力區(qū)別設(shè)計壓力和計算壓力區(qū)別n計算壓力計算壓力pc：采用公式計算時使用：采用公式計算時使用n設(shè)計壓力設(shè)計壓力p：q查標(biāo)準(zhǔn)件查標(biāo)準(zhǔn)件q壓力試驗壓力試驗q對容器的監(jiān)察管理對容器的監(jiān)察管理設(shè)計壓力的確定設(shè)計壓力的確定1)1)單個容器不裝安全泄放裝置單個容器不裝安全泄放裝置2)2)裝有安全泄放裝置裝有安全泄放裝置 a)a)裝有安全閥的容器裝有安全閥的容

9、器 b)b)裝有爆破片的容器裝有爆破片的容器（1.011. 1）Pw最大工作力最大工作力 Pw(MPa) 安全閥開啟壓力安全閥開啟壓力 Pk(MPa) 異丁烷異丁烷5050飽和蒸飽和蒸氣壓力氣壓力丙烷丙烷5050飽和蒸氣飽和蒸氣壓力壓力等于等于5050丙烷丙烷的飽和蒸氣壓的飽和蒸氣壓力力可能達(dá)到的最高工作可能達(dá)到的最高工作溫度下丙烷的飽和蒸溫度下丙烷的飽和蒸氣壓力氣壓力 丙烷丙烷5050飽和蒸氣飽和蒸氣壓力壓力等于等于5050丙烯丙烯的飽和蒸氣壓的飽和蒸氣壓力力可能達(dá)到的最高工作可能達(dá)到的最高工作溫度下丙烯的飽和蒸溫度下丙烯的飽和蒸氣壓力氣壓力n石油氣井中伴隨石油溢出的氣體或石油加工過程中產(chǎn)生

10、的低分子量烴類氣體經(jīng)壓縮而成，主要成分為丙烷、丁烷、丙烯、丁烯。n 丙烷、 丁烷、 丙烯、丁烯n沸點（ ） -47.4 -0.5 -47.4 -6.3n飽和蒸汽壓 1.57 0.79 2.16 1.77外壓容器的設(shè)計壓力n真空容器真空容器q有安全泄放裝置有安全泄放裝置 Min(1.25Min(1.25pp,0.1),0.1)q無安全泄放裝置無安全泄放裝置 0.10.1n外壓容器外壓容器q不小于正常操作情況下可能產(chǎn)生的最大內(nèi)不小于正常操作情況下可能產(chǎn)生的最大內(nèi)外壓差外壓差3、設(shè)計溫度定義：定義： 容器在正常操作情況，在相應(yīng)的設(shè)計壓力下，容器在正常操作情況，在相應(yīng)的設(shè)計壓力下， 設(shè)定的受壓元件金屬

11、的溫度設(shè)定的受壓元件金屬的溫度. .確定原則：確定原則： 不得低于容器工作時器壁金屬可能達(dá)到的最高溫度不得低于容器工作時器壁金屬可能達(dá)到的最高溫度; ; 0 0以下時不得高于器壁金屬可能達(dá)到的最低溫度以下時不得高于器壁金屬可能達(dá)到的最低溫度. .n容器內(nèi)的介質(zhì)是用容器內(nèi)的介質(zhì)是用蒸汽直接蒸汽直接加熱或用電器元件插入介加熱或用電器元件插入介質(zhì)，或進(jìn)入容器的介質(zhì)已被加熱，取介質(zhì)可能達(dá)到的質(zhì)，或進(jìn)入容器的介質(zhì)已被加熱，取介質(zhì)可能達(dá)到的最高溫度。最高溫度。n容器內(nèi)介質(zhì)的容器內(nèi)介質(zhì)的被熱載體（或冷載體）間接加熱被熱載體（或冷載體）間接加熱，取熱，取熱載體的最高工作溫度或冷載體的（載體的最高工作溫度或冷載

12、體的（ 低于低于0 0 的）最的）最低工作溫度。低工作溫度。n儲存容器，殼體金屬溫度受大氣環(huán)境氣溫的影響，取儲存容器，殼體金屬溫度受大氣環(huán)境氣溫的影響，取歷年來歷年來月平均最低氣溫的最低值月平均最低氣溫的最低值。n間歇操作的設(shè)備，介質(zhì)溫度和壓力周期性變化，取最間歇操作的設(shè)備，介質(zhì)溫度和壓力周期性變化，取最苛刻卻屬于同一時刻的設(shè)計溫度和設(shè)計壓力苛刻卻屬于同一時刻的設(shè)計溫度和設(shè)計壓力確定方法：確定方法：4、許用應(yīng)力1）、確定方法n常溫容器常溫容器n中溫容器中溫容器n高溫容器高溫容器 tsbsb =min,nn min,tttsbnDsbDnnnnn min,tttsbsbnn2）、安全系數(shù)3）、安

13、全系數(shù)主要的影響因素n估算的載荷狀態(tài)及其數(shù)值上的偏差估算的載荷狀態(tài)及其數(shù)值上的偏差; ;n計算方法的精確程度計算方法的精確程度; ;n材料性能的穩(wěn)定性、可靠性及其可能存在偏差的材料性能的穩(wěn)定性、可靠性及其可能存在偏差的大小大小; ;n制造工藝及其允許的偏差制造工藝及其允許的偏差; ;n檢驗手段及其嚴(yán)格的程度檢驗手段及其嚴(yán)格的程度; ;n使用操作的經(jīng)驗。使用操作的經(jīng)驗。4）、幾點說明）、幾點說明1）注意鋼板厚度；）注意鋼板厚度；2）中間溫度的許用應(yīng)力，用內(nèi)插法確定；）中間溫度的許用應(yīng)力，用內(nèi)插法確定；3）Q235鋼板的要乘質(zhì)量系數(shù)鋼板的要乘質(zhì)量系數(shù)0.9；4）厚度較大（超出附表給定厚度）需查）厚

14、度較大（超出附表給定厚度）需查GB150-1998，并注意一些附加條件。并注意一些附加條件。5、焊接接頭系數(shù)1 1）、定義）、定義2 2）、影響因素）、影響因素n焊接接頭型式焊接接頭型式 n焊接工藝焊接工藝n對焊縫檢驗的嚴(yán)格程度對焊縫檢驗的嚴(yán)格程度 接頭接頭 坡口坡口 焊縫焊縫焊接方法焊接方法焊條焊條焊前熱處理等焊前熱處理等3）、的確定 焊縫型式對焊縫進(jìn)行無損檢驗的長度第三節(jié)第三節(jié) 筒體的設(shè)計計算筒體的設(shè)計計算 圓筒的計算厚度圓筒的計算厚度,mm,mm 安全承受壓強安全承受壓強P P所需的最小理論計算厚度所需的最小理論計算厚度P c P c 圓筒的計算壓力圓筒的計算壓力, MPa, MPaDi

15、Di 圓筒的內(nèi)徑圓筒的內(nèi)徑,mm,mm 鋼板在設(shè)計溫度鋼板在設(shè)計溫度t t下的許用應(yīng)力，下的許用應(yīng)力，MPaMPa 焊接接頭系數(shù)焊接接頭系數(shù) t1、理論計算厚度、理論計算厚度n腐蝕裕量腐蝕裕量C C2 2應(yīng)根據(jù)各種鋼材在不同介質(zhì)中應(yīng)根據(jù)各種鋼材在不同介質(zhì)中的腐蝕速度和容器設(shè)計壽命確定的腐蝕速度和容器設(shè)計壽命確定n塔類、反應(yīng)器類容器設(shè)計壽命一般按塔類、反應(yīng)器類容器設(shè)計壽命一般按2020年年考慮，換熱器殼體、管箱及一般容器按考慮，換熱器殼體、管箱及一般容器按1010年考慮。年考慮。2、設(shè)計厚度、設(shè)計厚度n腐蝕速度腐蝕速度0.05mm0.05mma(a(包括大氣腐蝕包括大氣腐蝕) )時：碳時：碳素鋼

16、和低合金鋼單面腐蝕素鋼和低合金鋼單面腐蝕C C2 21mm1mm，雙面腐蝕，雙面腐蝕取取C C2 22mm2mm，n腐蝕速度腐蝕速度0.05mm0.05mma a時，單面腐蝕取時，單面腐蝕取C C2 22mm2mm，雙面腐蝕取雙面腐蝕取C C2 24mm4mm。n不銹鋼取不銹鋼取C C2 20 0。3.3.名義厚度名義厚度鋼板厚度負(fù)偏差( (或鋼管負(fù)偏差或鋼管負(fù)偏差) ) C Cl l3.8 4.04.5 5.56782526303234 0.3 0.5 0.6 0.8 0.9 1.0鋼板厚度鋼板厚度/mm/mm 2 2.2 2.52.83.03.23.5負(fù)偏差負(fù)偏差/mm/mm0.18 0.

17、19 0.2 0.22 0.2536 4042 505260 1.1 1.2 1.34 4、有效壁厚、有效壁厚5 5、最小壁厚、最小壁厚設(shè)計壓力較低的容器計算出來的厚度很薄，設(shè)計壓力較低的容器計算出來的厚度很薄，大型容器剛度不足，不滿足運輸、安裝大型容器剛度不足，不滿足運輸、安裝限定最小厚度以滿足剛度和穩(wěn)定性要求限定最小厚度以滿足剛度和穩(wěn)定性要求殼體加工成形后不包括腐蝕裕量最小厚度殼體加工成形后不包括腐蝕裕量最小厚度d dminmin：a. a. 碳素鋼和低合金鋼制容器不小于碳素鋼和低合金鋼制容器不小于3mm 3mm b b對高合金鋼制容器，不小于對高合金鋼制容器，不小于2mm 2mm 6 6

18、、壓力試驗、壓力試驗n制造加工過程不完善，導(dǎo)致不安全，發(fā)生過大變形或滲制造加工過程不完善，導(dǎo)致不安全，發(fā)生過大變形或滲漏。漏。n最常用的壓力試驗方法是液壓試驗。介質(zhì)為常溫水。最常用的壓力試驗方法是液壓試驗。介質(zhì)為常溫水。n也可用不會發(fā)生危險的其它液體，試驗時液體的溫度應(yīng)也可用不會發(fā)生危險的其它液體，試驗時液體的溫度應(yīng)低于其閃點或沸點。低于其閃點或沸點。不適合作液壓試驗，可用氣壓試驗代替液壓試驗。不適合作液壓試驗，可用氣壓試驗代替液壓試驗。q如裝入貴重催化劑要求內(nèi)部烘干，如裝入貴重催化劑要求內(nèi)部烘干，q或容器內(nèi)襯耐熱混凝土不易烘干，或容器內(nèi)襯耐熱混凝土不易烘干，q或由于結(jié)構(gòu)原因不易充滿液體的容器

19、以及容積很或由于結(jié)構(gòu)原因不易充滿液體的容器以及容積很大的容器等大的容器等. .對壓力試驗的規(guī)定情況如下表所示：對壓力試驗的規(guī)定情況如下表所示：試試驗驗類類型型試驗壓力試驗壓力強度條件強度條件說明說明 備注備注液液壓壓試試驗驗 立式容器臥置進(jìn)立式容器臥置進(jìn)行水壓試驗時，行水壓試驗時，試驗壓力應(yīng)取立試驗壓力應(yīng)取立置試驗壓力加液置試驗壓力加液柱靜壓力。柱靜壓力。壓力試驗時，壓力試驗時，由于容器承由于容器承受的壓力受的壓力pT 高于設(shè)計壓高于設(shè)計壓力力p，故必，故必要時需進(jìn)行要時需進(jìn)行強度效核。強度效核。氣氣壓壓試試驗驗 p pT T - -試驗壓力，試驗壓力， MPaMPa； p p - -設(shè)計壓力

20、，設(shè)計壓力， MPaMPa；s s 一試驗溫度下的材料許用應(yīng)力，一試驗溫度下的材料許用應(yīng)力， MPaMPa； ssT T 一設(shè)計溫度下的材料許用應(yīng)力，一設(shè)計溫度下的材料許用應(yīng)力， MPaMPa v液壓試驗時水溫不能過低液壓試驗時水溫不能過低( (碳素鋼、碳素鋼、16MnR16MnR不低于不低于55，其它低，其它低合金鋼不低于合金鋼不低于15)15)，外殼應(yīng)保持干燥。，外殼應(yīng)保持干燥。v設(shè)備充滿水后，待壁溫大致相等時，緩慢升壓到規(guī)定試驗壓設(shè)備充滿水后，待壁溫大致相等時，緩慢升壓到規(guī)定試驗壓力，穩(wěn)壓力，穩(wěn)壓30min30min，然后將壓力降低到設(shè)計壓力，保持，然后將壓力降低到設(shè)計壓力，保持30mi

21、n30min以以檢查有無損壞，有無宏觀變形，有無泄漏及微量滲透。檢查有無損壞，有無宏觀變形，有無泄漏及微量滲透。v水壓試驗后及時排水，用壓縮空氣及其它惰性氣體，將容器水壓試驗后及時排水，用壓縮空氣及其它惰性氣體，將容器內(nèi)表面吹干內(nèi)表面吹干7、 厚度系數(shù)、最大允許工作壓力、厚度系數(shù)、最大允許工作壓力、 計算應(yīng)力（工作應(yīng)力計算應(yīng)力（工作應(yīng)力）n例題例題1 1：某化工廠欲設(shè)計一臺石油氣分離工程：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)徑中的乙烯精餾塔。工藝要求為塔體內(nèi)徑D Di i=600mm=600mm；設(shè)計壓力；設(shè)計壓力p p2.2MPa2.2MPa；工作溫度；工作溫度t

22、 t-3-3-20-20。試選擇塔體材料并確定塔體厚度。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，溫度在解析：由于石油氣對鋼材腐蝕不大，溫度在- -2020以上，承受一定的壓力，故選用以上，承受一定的壓力，故選用16MnR16MnR。 根根據(jù)式據(jù)式式中式中p2.2MPa；Di=600mm； 170MPa =0.8得：得： 2itpDp2.26004.892 1700.82.2mm25.89dcmmC2=1.0 mm 得：得：215.890.60.117nccmm 考慮鋼板厚度負(fù)偏差考慮鋼板厚度負(fù)偏差C C1 10.6mm0.6mm圓正取圓正取 n n=7mm=7mm水壓試驗

23、時的應(yīng)力水壓試驗時的應(yīng)力 16MnR16MnR的屈服限的屈服限 s s=345MPa=345MPa（附錄表（附錄表6 6）水壓試驗時滿足強度要求。水壓試驗時滿足強度要求。sT9 .0例題2n有一圓筒形汽包，內(nèi)徑有一圓筒形汽包，內(nèi)徑1200mm1200mm，操作壓力，操作壓力為為4MPa,4MPa,此時此時 蒸汽溫度為蒸汽溫度為250 250 ，有安全，有安全閥，材料為閥，材料為20R,20R,筒體采用帶墊板的對接焊，筒體采用帶墊板的對接焊，全部探傷，設(shè)計該汽包的厚度。全部探傷，設(shè)計該汽包的厚度。第四節(jié)第四節(jié) 封頭的設(shè)計凸形凸形錐形錐形平板平板球型球型橢圓型橢圓型碟型（帶折邊球型）碟型（帶折邊球

24、型）無折邊球型（球冠型）無折邊球型（球冠型）帶折邊錐型帶折邊錐型無折邊錐型無折邊錐型 薄膜薄膜應(yīng)力應(yīng)力理論理論平板平板彎曲彎曲理論理論形狀特點形狀特點應(yīng)力情況應(yīng)力情況危險點危險點最大薄膜最大薄膜 應(yīng)力應(yīng)力最大應(yīng)力及計算最大應(yīng)力及計算maxmax強度條件強度條件計算厚度計算厚度最小厚度最小厚度優(yōu)點優(yōu)點缺點缺點 c4itp Dp二、橢圓形封頭二、橢圓形封頭結(jié)構(gòu)：半橢球和高度為結(jié)構(gòu)：半橢球和高度為h h的的短圓筒短圓筒( (通稱直邊通稱直邊) )直邊：直邊： 保證封頭制造質(zhì)量保證封頭制造質(zhì)量和避免邊緣應(yīng)力作用。和避免邊緣應(yīng)力作用。 c2itp Dp三、碟形封頭三、碟形封頭又稱帶折邊球形封頭又稱帶折邊球形封頭: 球面半徑球面半徑Ri、 過渡圓弧半徑過渡圓弧半徑r 高度為高度為h的直邊的直邊 Rci=(0.9-1.0)Di r =（0.15-0.17-0.2）Rci ccMM20.5