《过程设备设计基础》教案4压力容器.docx
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《过程设备设计基础》教案4压力容器
《过程设备设计基础》
教案
4—压力容器设计
课程名称:
过程设备设计基础
专业:
过程装备与控制工程
任课教师:
第4章压力容器设计
本章主要介绍压力容器设计准则、常规设计方法和分析设计方法,重点是常规设计的基本原理和设计方法。
§4-1概述
主 要 教 学 内 容
授课方式
授课时数
1、压力容器设计的基本内容
2、压力容器设计的基本要求
3、压力容器设计条件
4、压力容器设计文件
讲授
自学
2
教学目的和要求
1、了解压力容器设计的基本内容、基本要求
2、了解压力容器设计条件、设计方法和设计文件的内容
教学重点和难点
压力容器设计的基本内容和基本要求
课外作业
思考题
4.1概述
教学重点:
压力容器设计的基本概念、设计要求
教学难点:
无
压力容器发展趋势越来越大型化、高参数、选用高强度材料,本章着重介绍压力容器设计思想、常规设计方法和分析设计方法。
什么是压力容器的设计?
压力容器设计是指根据给定的工艺设计条件,遵循现行规范标准的规定,在确保安全的前提下,经济正确地选取材料,并进行结构、强(刚)度和密封设计。
结构设计--------确定合理、经济的结构形式,满足制造、检验、装配和维修等要求。
强(刚)度设计---------确定结构尺寸,满足强度、刚度和稳定性要求,以确保容器安全、可靠地运行。
密封设计--------选择合适的密封结构和材料保证密封性能良好。
4.1.1设计要求
设计的基本要求是安全性和经济性的统一,安全是前提,经济是目标,在充分保证安全的前提下尽可能做到经济,经济性包括材料的节约、经济的制造过程和经济的安装维修。
4.1.2设计文件
压力容器的设计文件包括:
设计图样
技术条件
设计计算书
必要时包括设计或安装使用说明书.
分析设计还应提供应力分析报告
强度计算书包括:
★设计条件、所用的规范和标准、材料、腐蚀裕量、计算厚度、名义厚度、计算应力等。
★装设安全泄放装置的压力容器,还应计算压力容器安全泄放量安全阀排量和爆破片泄放面积。
★当采用计算机软件进行计算时,软件必须经“压力容器标准化技术委员会”评审鉴定,并在国家质量技术监督局认证备案,打印结果中应有软件程序编号、输入数据和计算结果等内容。
设计图样包括:
总图和零部件图
总图包括压力容器名称、类别、设计条件;
主要受压元件设计材料牌号及材料要求;
主要受压元件材料牌号及材料要求;
主要特性参数(如容积、换热器换热面积和程数)
制造要求;热处理要求;防腐蚀要求;无损检测要求;耐压试验和气密性试验要求;安全附件的规格;压力容器铭牌位置;
包装、运输、现场组焊和安装要求;以及其他特殊要求。
4.1.3设计条件
设计条件可用设计条件图表示(设计任务所提供的原始数据和工艺要求)
设计条件图包含设计要求、简图、接管表等
简图-------示意性的画出容器本体、主要内件部分结构尺寸、接管位置、支座形式及其他需要表达的内容。
设计要求-------工作介质、压力和温度、操作方式与要求和其他。
为便于填写,设计条件图又分为
一般设计条件图
换热器条件图:
应注明换热管规格、管长及根数、排列形式、换热面积与程数等
塔器条件图:
应注明塔型、塔板数量及间距、基本风压和地震设计烈度和场地土类别
搅拌容器条件图:
应注明搅拌器形式及转向、轴功率等。
一、压力容器设计的基本内容
2、压力容器设计的基本步骤:
用户提出技术要求
↓
分析容器的工作条件,确定设计参数
↓
结构分析、初步选材
↓
选择合适的规范和标准
↓
应力分析和强度计算
↓
确定构件尺寸和材料
↓
绘制图纸,提供设计计算书和其它技术文件
二、压力容器设计的基本要求
基本原则:
安全是前提和核心,经济是设计的目标,在充分保证压力容器安全的前提下应尽可能做到经济。
三、压力容器设计条件
1、设计条件图
2、基本设计要求
§4-2设计准则
主 要 教 学 内 容
授课方式
授课时数
1、压力容器的失效
2、压力容器失效设计准则
讲授
自学
2
教学目的和要求
1、了解压力容器失效的基本形式
2、了解压力容器的强度失效设计准则、刚度失效设计准则、稳定失效设计准则和泄漏失效设计准则
教学重点和难点
压力容器失效设计准则
课外作业
思考题
1、强度失效
——由于材料屈服或断裂引起的压力容器失效。
(1)韧性断裂
——压力容器在载荷作用下,应力达到或接近材料的强度极限而发生的断裂。
特点:
①材料断裂前发生较大的塑性变形,容器发生鼓胀。
②容器断口处厚度减薄。
③断裂时几乎没有碎片。
失效原因:
①容器厚度不够。
②压力过大(大于最大工作压力)。
(2)脆性断裂(低应力脆断)
——容器中的应力远低于材料的强度极限而发生的断裂。
特点:
①断口平齐,且与最大应力方向垂直。
②断裂时可能碎裂成碎片飞出。
③断裂时应里很低,安全附件不起作用,具有突发性。
失效原因:
①容器材料的脆性。
②材料中存在缺陷。
(3)疲劳断裂
——在交变载荷作用下,材料原有的或萌生的裂纹扩展导致容器发生的断裂。
特点:
①断口有贝壳状的疲劳条纹。
②断裂时容器无明显的塑性变形,容器整体应力较低。
③断裂具有突发性,危害性较大。
失效原因:
①交变载荷。
②高应力区形成疲劳裂纹。
(4)蠕变断裂
——压力容器长时间在高温下受载,材料的蠕变变形会随着时间不断增大,使容器厚度明显减薄,发生鼓胀变形,最终导致容器发生断裂。
特征:
①在恒定载荷和低应力条件下也会发生蠕变断裂。
②断裂前材料会产生蠕变脆化。
③断裂前材料具有韧性断裂的特征,断裂时材料具有脆性断裂的特征。
(5)腐蚀断裂
——由于材料受到介质腐蚀,造成容器整体厚度减薄,或局部凹坑、裂纹等,由此引起的断裂称为腐蚀断裂。
①全面腐蚀
②点腐蚀
③晶间腐蚀
④应力腐蚀
2、刚度失效
——构件发生过度弹性变形引起的失效
3、失稳失效
①弹性失稳
②非弹性失稳
4、泄漏失效
5、交互失效
腐蚀疲劳
②蠕变疲劳
二、压力容器的失效判据和设计准则
1、失效判据
——判断压力容器是否失效
两个必需的条件:
①力学分析结果
②失效数值
2、压力容器设计准则
(2)刚度失效设计准则
(3)稳定失效设计准则
(4)泄漏失效设计准则
§4-3常规设计
主 要 教 学 内 容
授课方式
授课时数
1、压力容器设计概述
2、圆筒设计
3、封头设计
4、密封装置设计
5、开孔和开孔补强设计
6、支座和检查孔
7、安全泄放装置
8、焊接结构设计
9、压力试验
讲授
自学
18
教学目的和要求
1、了解压力容器设计的基本内容
2、掌握压力容器筒体和封头设计方法
3、掌握螺栓法兰连接的设计方法
4、掌握开孔和开孔补强设计方法
5、了解支座、检查孔、安全泄放装置的作用、结构和选用
6、掌握焊接结构设计方法
7、掌握压力试验的方法和计算
教学重点和难点
1、压力容器筒体和封头设计计算
2、螺栓法兰连接的设计计算
3、开孔和开孔补强设计计算
4、焊接结构设计
课外作业
思考题;习题T1、T2、T3、T5、T7
一、概述
(1)压力容器常规设计方法
(2)压力容器分析设计方法;
(3)弹性失效设计准则
二、圆筒设计
(一)结构
1、单层式圆筒
优点:
不存在层间松动等薄弱环节,能较好地保证筒体的强度。
缺点:
(1)对制造设备的要求高。
(2)材料的浪费大。
(3)存在较深的纵、环焊缝,不便于焊接和检验。
2、多层式圆筒
层板包扎式:
优点:
(1)对加工设备的要求不高。
(2)压缩预应力可防止裂纹的扩展。
(3)内筒可采用不锈钢防腐。
(4)层板厚度薄,韧性好,不易发生脆性断裂。
缺点:
(1)包扎工序繁琐,费工费时,效率低。
(2)层板材料利用率低。
(3)层间松动问题
热套式
优点:
(1)套合层数少,效率高,成本低。
(2)纵焊缝质量容易保证。
缺点:
(1)只能套合短筒,筒节间深环焊缝多。
(2)要求准确的过盈量,对筒节的制造要求高。
绕板式
优点:
(1)机械化程度高,操作简便,材料利用率高。
(2)纵焊缝少。
缺点:
(1)绕板薄,不宜制造壁厚很大的容器。
(2)层间松动问题。
槽形绕带式
优点:
(1)筒壁应力分布均匀且能承受一部分由内压产生的轴向力。
(2)机械化程度高,材料利用率高。
缺点:
(1)钢带成本高,公差要求严格。
(2)绕带时钢带要求严格啮合,否则无法贴紧。
扁平钢带倾角错绕式
特点:
(1)机械化程度高,材料利用率高。
(2)整体绕制,无环焊缝。
(3)带层呈网状,不会整体裂开。
(4)扁平钢带成本低,绕制方便。
(二)强度计算
1、单层圆筒
(1)
壁厚计算
得:
设计厚度:
δd=δ+C2
名义厚度:
δn=δd+C1+△=δ+C1+C2+△
有效厚度:
δe=δ+△=δn-C1-C2
上述四个厚度之间的关系:
(2)强度校核
工作应力:
最大允许工作压力:
容器的最小厚度:
碳素钢、低合金钢制容器:
δmin≥3mm
高合金钢制容器:
δmin≥2mm
●规定容器的最小壁厚,在经济上是合理的,因为对于壁后很薄的容器,在制造过程(例如两个筒节的对接)和运输过程中,为了维持必要的圆度和刚度,要是用大量的辅助钢材把筒节撑圆,这些钢材所需费用要计入容器的制造成本中去。
(3)压力试验
①液压试验
试验压力:
内压容器:
外压容器和真空容器:
注意:
*夹套容器:
视内筒为内压或外压容器,分别按内压或外压容器的试验压力公式确定试验压力;夹套按内压容器确定试验压力。
*需校核内筒在夹套液压试验压力下的稳定性,如不满足稳定性要求,则需在夹套液压试验时,内筒内保持一定的压力。
强度校核:
如果直立容器卧置进行液压试验,则在应力校核时,PT应加上容器立置充满水时的最大液柱压力。
②气压试验
内压容器:
外压容器和真空容器:
强度校核:
③气密性试验
容器上没有安全泄放装置,气密性试验压力PT=1.0P
容器上设置了安全泄放装置,气密性试验压力应低于安全阀的开启压力或爆破片的设计爆破压力。
通常取PT=1.0PW。
(三)设计参数的确定
1、设计压力P
(1)设计压力≠工作压力
工作压力由工艺过程决定,其大小在工作过程中可能有变化,在容器顶部和底部工作压力也可能不同。
设计由具体工作条件规定,通常为定值。
(2)最大工作压力PW
指容器在正常工作情况下其顶部可能出现的最高表压力。
要求:
P≥PW
(3)装有安全阀的容器,P(1.05~1.1)PW
装有爆破膜的容器,P=(1.15~1.75)PW
装有液化气的容器,按可能达到最高温度下介质的饱和蒸汽压确定P
装有液体的容器,当受压元件所在截面处的液柱静压力达到或超过设计压力的5%时,液柱静压力应计入设计压力。
即:
P‘=P+PL
2、设计温度t
正常工作情况下及相应设计压力下设定的受压元件的温度。
容器的设计温度一般由工艺条件给出。
3、焊缝系数φ
反映由于焊缝存在,容器材料受到削弱的程度,其值主要考虑焊缝形式和对焊缝进行无损检验的要求。
见表43。
4、壁厚负偏差
见表4-2
5、许用应力[
]
(1)当材料温度低于蠕变温度时,表示材料抵抗塑性变形能力的强度指标是屈服极限σy,表示材料抵抗断裂能力的强度指标是强度极限σb。
当材料温度高于蠕变温度时,表示材料高温下抵抗塑性变形能力的强度指标是蠕变极限σn,表示材料高温下抵抗断裂能力的强度指标是持久极限σD。
(2)安全系数的规定
碳素钢、低合金钢、铁素体高合金钢:
nb≥3.0ns≥1.6nD≥1.5nn≥1.0
奥氏体高合金钢:
nb≥3.0ns≥1.5nD≥1.5nn≥1.0
见表4-4
(3)许用压力
(4)对于不锈钢复合板或多层板
(四)容器的耐压试验
1、强度试验
①试验压力
为了确保耐压实验时容器材料处于弹性状态,应校核容器中的薄膜应力:
●
直立容器卧置进行液压试验时,PT还应加上立置时的液柱压力,再进行校核。
②试验温度
耐压试验时,为避免材料的低温脆性破裂,试验环境和水温必须高于材料的无塑性转变温度(NDT),根据目前我国压力容器用材情况,对于碳素钢、16MnR、正火15MnVR,试验温度不得低于5℃;对于其它低合金钢容器,试验温度不得低于15℃。
2、致密性试验
气密性试验:
①容器上无安全泄防装置PT=1.0P
②容器上有安全泄防装置PT=1.0Pw
(气压试验合格的容器可不做致密性试验)
(五)外压圆筒设计
1、解析法
解析法的缺点:
要经过多次试算,计算过程繁琐;
弹性范围的判断;
2、图算法
(1)几何参数计算图
几何参数计算图:
①平行于纵轴的直线代表长圆筒,斜线代表短圆筒。
②A仅与圆筒的几何参数有关,与材料无关。
③几何参数图对长圆筒和短圆筒都适用。
(2)壁厚计算图
①不同材料有不同的σ-ε曲线,故有不同的B-A曲线。
②同一材料在不同温度下的σ-ε曲线不同,所以每张图中都有一组与不同温度对应的曲线。
③每条曲线均有两部分组成,直线部分代表弹性变形阶段,可直接计算得B(比查图准确),曲线部分代表非弹性变形阶段,需由A查图得B。
(3)图算法的设计计算步骤
①假设δn,δe=δn-C
②计算(D0/δe)、(L/D0),由几何参数计算图查A
③由壁厚计算图A-B(弹性变形阶段和非弹性变形阶段)
④[P]=B(δe/D0),比较PC和[P],若PC小于[P]且较接近,则假设δn合适,否则重新假设δn,重复以上步骤,直到满足要求。
3、设计参数的确定
(1)设计压力
①真空容器
有安全装置时:
无安全装置时:
p=0.1Mpa
②带夹套的真空容器
p取真空容器的设计压力加上夹套压力
3、其它外压容器(包括带夹套的外压容器)
p应不小于容器正常工作过程中可能出现的最大内外压力差
即:
p≥(p0-pi)max
注意:
最大内外压差的取值
(2)稳定性安全系数
根据GB150的规定
对于圆筒:
m=3.0(周向外压)
m=4.0(轴向外压)
对于球壳:
m=14.52
(3)计算长度
图(4-11)
4、加强圈的设计计算
(1)加强圈设计步骤:
1、初步取加强圈的数目和间距
2、计算加强圈和圆筒组合而成的当量圆筒所需的组合惯性矩I
3、选择加强圈材料,按型钢规格初定加强圈的截面形状和尺寸,计算实际组合截面惯性矩IS。
4、比较IS和I,若IS≥I且比较接近,则加强圈的尺寸、数目和间距满足要求,否则重新选择加强圈,重复以上步骤,直到满足要求为止。
(2)加强圈结构设计:
1、加强圈可采用扁钢、角钢、工字钢或其它型钢,这样材料供应方便且型钢具有较大的截面惯性矩。
加强圈可设置在容器的内部或外部,并应环绕容器整个圆周。
2、加强圈和壳体的连接必须足够紧密,以保证加强圈和壳体一起承载,加强圈和壳体之间可采用连续焊或间断焊。
3、为保证筒体和加强圈的稳定性,加强圈不得被任意削弱或割断。
三、封头设计
封头按形状分类
1、凸形封头
(1)半球形封头
(2)
椭圆形封头
K----应力增强系数
最小厚度:
标准椭圆形封头:
δe≥0.15%Di
非标准椭圆形封头:
δe≥0.30%Di
(3)
碟形封头
M----应力增强系数
(4)锥形封头
①无折边锥形封头
Q----应力增强系数
②
带折边锥形封头
K----应力增强系数(表4-6)
(5)平板形封头
K----结构特征系数(表4-8)
Dc----封头的有效直径(表4-8)
*在封头直径较大时,采用平板形封头其壁厚将非常大,不仅浪费材料,而且笨重,给运输和安装带来不便。
所以尽管平板形封头结构简单、制造容易,但承压设备一般都不采用平板
形封头,只有压力容器的人孔盖、手孔盖及接管所用盲板等处采用平板结构。
外压凸形封头
1、半球形封头
2、椭圆形封头
按半球形封头计算壁厚R0=K1D0
3、碟形封头
按半球形封头计算壁厚,R0取球面部分外半径。
4、无折边球形封头
按半球形封头计算壁厚
四、密封装置设计
(一)密封机理及分类
密机封理
螺栓预紧力→压紧垫片→垫圈变形→达到初始密封条件→介质压力作用→法兰向分离方向移动→依靠螺栓力使垫圈上保持一定比压
泄漏形式:
①界面泄漏②渗透泄漏
影响密封的因素:
螺栓预紧力、垫圈性能、压紧面形式、法兰刚度、操作条件等。
(二)垫片特性与选择
(1)预紧密封比压y(Mpa)
-----预紧工况下,形成初始密封条件时,垫圈单位面积上所需的最小压紧力。
(垫圈的压紧力必须合适,压紧力太小会导致泄漏,压紧力太大会导致垫片变形破坏。
)
预紧密封比压y由试验确定,是计算螺栓预紧力的重要参数。
(2)垫片系数m
-----操作时,为保证密封,垫圈上必须维持的比压与介质压力的比值。
垫片参数m的物理意义表示在操作状况下,实现密封的难易程度。
预紧密封比压y和垫片参数的值见表2-9。
保证密封的条件:
预紧时,法兰密封面上的比压不低于预紧密封比压y;工作时,法兰密封面上的比压不低于m倍的介质压力。
(3)垫片的类型
垫片形状:
平面形、O形、波形、齿形、八角形、椭圆形等
垫片类型
①非金属垫片
常用材料:
石棉橡胶板、橡胶板、聚四氟乙烯、合成纤维、石墨等。
②金属垫片
常用材料:
铜、铝、低碳钢、不锈钢、合金等。
③组合式垫片
包括:
金属包垫片;缠绕式垫片;带骨架的非金属垫片;
(三)螺栓法兰连接设计
1、压紧面选择
(1)平面形压紧面
(2)凹凸形压紧面
(3)榫槽形压紧面
(4)梯形槽压紧面
2、螺栓设计
(1)螺栓材料
螺栓是法兰密封连接中的重要元件,对其基本要求是强度要高、韧性要好。
①螺母更换比螺栓容易,且螺母价廉,所以要求螺栓材料的强度比螺母高。
②为避免螺栓和螺母咬死或胶合,要求螺栓材料的硬度比螺母高HB30以上。
③对于t≤-20℃的螺栓,要求选用低合金钢,并进行夏比V形缺口低温冲击试验。
螺栓常用材料和许用应力见附录。
(2)螺栓载荷
预紧时
Fa=πbDG×y
①b0≤6.4mm时,b=b0,DG=垫片接触面平均直径
②
DG=垫片接触面外径-2b
操作时
螺栓载荷:
预紧时:
Wa=Fa
操作时:
(3)螺栓直径与个数
预紧时(按常温计算)
[σ]b----螺栓材料常温时的许用应力
操作时(按设计温度计算)
[σ]bt----螺栓材料设计温度下的许用应力
螺栓所需总截面积:
(4)螺栓间距的限制
δf----法兰厚度
(5)螺栓设计载荷
操作:
W=Wp
3、法兰结构类型及标准
(1)
法兰结构类型
(2)法兰标准
①公称压力(PN)和公称直径(DN)
法兰的公称压力-----与法兰相配的筒体、封头及管子的公称直径。
对于钢板卷焊制成的筒体和与其相配的封头:
DN=Di
对于钢管,DN通常介于外径和内径之间
②压力容器法兰最大允许工作压力
-----表示一定材料和温度的法兰的最大操作压力,其值可能与PN相同,也可能不同。
③管法兰标准和容器法兰标准不同,既使PN和DN相同,其尺寸也不相同,所以一对相配的法兰必须选用同一标准。
(3)法兰的强度设计计算方法
Timoshenko法(了解)
*Waters法
①载荷
a、螺栓载荷
b、垫片反力
c、内压载荷
②力学模型
③基本假设
a、中面假设
b、线弹性假设
c、小变形假设
④计算方法
a、法兰力矩的计算
轴向力→力臂→力矩
b、法兰应力的计算
c、法兰强度校核
法兰强度校核条件:
(四)高压密封设计
1、高压密封的基本要求:
①工作可靠,在正常压力和温度波动范围内均能保证密封。
②结构简单紧凑,装拆、维修方便。
③密封元件能耐介质腐蚀且价格便宜。
2、高压密封的基本特点:
①金属密封元件
②窄面或线接触密封
③自紧或半自紧密封
3、高压密封的结构型式
①平垫密封
特点:
●强制式密封
●采用窄面金属垫片
●主螺栓直径大
适用范围:
t≤200ºC
Di≤1000mm
②卡扎里密封
优点:
●螺纹套筒代替主螺栓,承载能力大,装拆方便。
●预紧螺栓直径小
缺点:
螺纹套筒可能锈蚀
而拆卸困难。
(螺纹套筒可用主螺栓代替)
适用范围:
大直径、高压力
③双锥密封
g的大小
锥环刚度
锥环尺寸
预紧力的大小
双锥密封特点:
●结构简单,装拆方便、密封可靠。
●半自紧密封,主螺栓直径较小。
●压力和温度波动时也能保证良好密封。
适用范围:
P=6.4~35MPa
t=0~400ºC
Di=400~2000mm
④伍德密封
优点:
●全自紧式密封,压力和温度的波动不会影响密封可靠性。
●取消了主螺栓,使筒体端部尺寸减小。
缺点:
零件多、结构复杂。
⑤C形环密封
⑥O形环密封
⑦其它密封结构
⑧高压管道密封
提高高压密封性能的措施
●改善密封接触表面
●改进垫片结构
●采用焊接密封元件
五、开孔和开孔补强设计
开孔接管部位的应力集中:
强度削弱
不连续应力
局部应力
焊接缺陷和残余应力
1、补强结构
①补强圈补强
②厚壁管补强
③整锻件补强
2、开孔补强计算
(1)开孔补强设计准则
①等面积补强
在有小补强范围内,可起补强作用的金属截面积Ae应大于或等于开孔所削弱的金属截面积A,即要求Ae≥A
②极限分析补强
(2)等面积补强计算
①
δn
允许不另行补强的最大开孔直径
②允许开孔的范围
③有效补强范围
补强区宽度:
补强区外侧高度:
补强区内侧高度:
④补强计算
a、开孔削弱的有效金属截面积
受内压的圆筒或球壳:
受外压的圆筒或球壳:
平盖(开孔直径d≤0.5Di):
b、补强金属截面积
●壳体:
●
接管:
●焊缝
●补强元件金属截面积:
A4
判断是否需要补强:
若Ae=A1+A2+A3>A
则开孔后不需另行补强
若Ae=A1+A2+A3〈A
则开孔后需另行补强
补强强圈厚度:
六、支座和检查孔
七、安全泄放装置
1、安全泄放原理
①安全泄放装置的作用
②安全泄放装置的要求
2、安全阀
结构和类型:
3、爆破膜
特点:
密闭性能好;破裂速度快
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- 关 键 词:
- 过程设备设计基础 过程 设备 设计 基础 教案 压力容器