《化工机械基础》PPT课件.ppt

第十章 容器设计基础,第一节 概 论,一 容器的结构,壳体(筒体)、封头(端盖)、法兰、支座、接口管及人孔等组成。常低压化工设备通用零部件标准直接选用。,二 容器的分类,压力容器分类,按容器的形状 按承压性质 按管理 其它,按容器壁温 按金属材料 按应用情况,按容器的形状,按承压性质,内压：内部介质压力大于外界压力 外压：内部介质压力小于外界压力 真空：内部压力小于一个绝压的外压容器,表10-1内压容器的分类,按管理,表10-2 安全检查规程使用范围,根据压力等级、介质毒性危害程度以及生产中的作用，压力容器可分为三类。 第一类压力容器、第二类压力容器、第三类压力容器 （不包括核能、船舶专用、直接受火焰加热的容器）,按容器壁温,常温容器：壁温-20至200； 高温容器：壁温达到蠕变温度,碳素钢或低合金钢容器，温度超过420，合金钢超过450，奥氏体不锈钢超过550，均属高温容器； 中温容器：在常温和高温之间； 低温容器：壁温低于-20, -20至-40为浅冷容器，低于-40者为深冷容器。,按材料,金属容器:钢制, 铸铁,有色金属容器,非金属材料：既可作为容器的衬里，又可作为独立的构件。,三 容器的零部件标准,容器的零部件(例如封头、法兰、支座、人孔、手孔、视镜、液面计等)进行标准化、系列化 许多化工设备(例如贮槽、换热器、搪玻璃与陶瓷反应器)也有了相应的标准。,两个基本参数：,公称直径DN：指标准化以后的标准直径，以DN表示，单位mm，例如内径1200mm的容器的公称直径标记为DN1200。 公称压力PN：容器及管道的操作压力经标准化以后的标准压力称为公称压力，以PN表示，单位MPa。, 公称直径,1. 压力容器的公称直径 由钢板卷焊制成的筒体，公称直径是指它的内径；当筒体的直径较小，直接采用无缝钢管制作时，容器的公称直径应是指无缝钢管的外径；封头的公称直径与筒体一致。,容器直径较小，可直接用无缝钢管制作。公称直径指钢管外径。 设计时，应将工艺计算初步确定的设备内径，调整为符合表10-4或表10-5所规定的公称直径。 封头的公称直径与筒体一致。,2.管子的公称直径,也称公称口径、公称通径。 有缝管：电焊钢管，化工厂用来输送水、煤气、空气、油以及取暖用蒸汽等一般压力的流体管道。 无缝管：分热轧管和冷拔管两种。如输送流体用无缝钢管(GB 8163-87)、石油裂化用无缝钢管(GB 9948-88)、化肥设备用高压无缝钢管（GB 647986)等。,有缝管的公称直径：,公称直径近似普通钢管内径的名义尺寸。公制mm，英制in，见表10-6。 公称直径15mm或1/2英寸，外径21.3mm，壁厚2.75mm（普通）3.25mm（加厚）,有缝管的公称直径：,每一公称直径对应一外径，其内径数值随厚度不同而不同。 有缝管按厚度可分为薄壁钢管、普通钢管和加厚钢管。 管路附件也用公称直径表示，意义相同,无缝钢管的公称尺寸：,分热轧管和冷拔管。 无缝钢管不用公称直径，而是以外径乘厚度表示为公称外径与公称厚度。 在管道工程中，管径超过57mm时，常采用热轧管。管径在57mm以内常选用冷拔管。 冷拔管的最大外径为200mm； 热轧管的最大外径为630mm。,3. 容器零部件的公称直径,法兰、支座等公称直径是相配的筒体、封头的公称直径。DN2000法兰，DN2000鞍座 还有一些零部件的公称直径是与它相配的管子公称直径DN200管法兰 另有一些容器零部件公称直径是指结构中某一重要尺寸，DN80(Dg80)视镜是指窥视孔的直径为80mm。, 公称压力,工作压力不同，相同公称直径的压力容器其筒体及其零部件的尺寸也不同。 将承受的压力范围分为若干个标准压力等级，即公称压力。 表10-7 压力容器法兰与管法兰的公称压力,设计时如果选用标准零部件，必须将操作温度下的最高操作压力(或设计压力)调整为所规定的某一公称压力等级，然后根据DN与PN选定该零部件的尺寸。 如果零部件不选用标准零部件，而是自行设计，设计压力就不必符合规定的公称压力。,四、压力容器的标准简介,它是压力容器设计、制造、验收等必须遵循的准则。压力容器标准涉及设计方法、选材及制造、检验方法等。, 国内标准,1989我国压力容器标准化技术委员会制订了GB150-89钢制压力容器 1998年修订成GB150-1998，使标准更加完善。 GB150钢制压力容器内容包括： 压力容器板壳元件的计算 容器结构要素的确定 密封设计 超压泄放装置的设置 容器的制造与验收的要求等, 国外主要规范,国外的规范主要有四个： 美国机械工程师协会规范（ASME） 英国压力容器规范（BS）， 日本国家标准（JIS）， 德国压力容器规范（AD）。,五 容器机械设计的基本要求,在进行压力容器机械设计时,它的总体尺寸、零部件尺寸由工艺条件决定或由经验所得，因此我们这里主要是指结构设计。要求有以下几个方面。 1、强度 2、刚度 3、稳定性 4、耐久性 5、密封性 6、节省材料和便于制造 7、方便操作和便于运输 8、技术经济指标合理,第二节 内压薄壁容器设计, 薄壁容器 根据容器外径DO与内径Di的比值K来判断，,当 K1.2为薄壁容器 K1.2则为厚壁容器,一、薄壁容器设计的理论基础,圆筒形薄壁容器承受内压时的应力,只有拉应力无弯曲应力 “环向纤维”和“纵向纤维”受到拉力。 s1（或s轴）圆筒母线方向(即轴向)拉应力， s2（或s环）圆周方向的拉应力。, 圆筒的应力计算,1. 轴向应力,D-筒体平均直径，亦称中径，mm；,2. 环向应力,分析：,（1）薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍。 问题a：筒体上开椭圆孔，如何开？,应使其短轴与筒体的轴线平行，以尽量减少开孔对纵截面的削弱程度，使环向应力不致增加很多。,分析：,问题b：钢板卷制圆筒形容器，纵焊缝与环焊缝哪个易裂？,筒体纵向焊缝受力大于环向焊缝，故纵焊缝易裂，施焊时应予以注意。,（2）分析式(10-1)和(10-2)可知，,内压筒壁的应力和d/D成反比，d/D 值的大小体现着圆筒承压能力的高低。 因此，分析一个设备能耐多大压力，不能只看厚度的绝对值。,二、无力矩理论基本方程式, 基本概念与基本假设 1 基本概念 （1） 旋转壳体 ：壳体中面（等分壳体厚度）是任意直线或平面曲线作母线，绕其同平面内的轴线旋转一周而成的旋转曲面。,（2） 轴对称,壳体的几何形状、约束条件和所受外力都是对称于某一轴。 化工用的压力容器通常是轴对称问题。,（3）旋转壳体的几何概念,母线与经线 法线、平行圆 第一曲率半径：经线曲率半径 第二曲率半径：垂直于经线的平面与中面相割形成的曲线BE的曲率半径,2 基本假设,假定壳体材料有连续性、均匀性和各向同性，即壳体是完全弹性的。 (1)小位移假设 各点位移都远小于厚度。可用变形前尺寸代替变形后尺寸。变形分析中高阶微量可忽略。,2 基本假设,(2)直线法假设 变形前垂直于中面直线段，变形后仍是直线并垂直于变形后的中面。变形前后法向线段长度不变。沿厚度各点法向位移相同，厚度不变。 (3)不挤压假设 各层纤维变形前后互不挤压。, 无力矩理论基本方程式,无力矩理论是在旋转薄壳的受力分析中忽略了弯矩的作用。 此时应力状态和承受内压的薄膜相似。又称薄膜理论,（10-3）平衡方程,（10-4）区域平衡方程,无力矩理论基本方程式：,三、基本方程式的应用,1圆筒形壳体 第一曲率半径R1=， 第二曲率半径R2=D/2 代入方程（10-3）和 （10-4）得：,2球形壳体,球壳R1R2=D/2，得：,直径与内压相同情形下，球壳内应力仅是圆筒形壳体环向应力的一半，即球形壳体的厚度仅需圆筒容器厚度的一半。 当容器容积相同时，球表面积最小，故大型贮罐制成球形较为经济。,3圆锥形壳体,圆锥形壳半锥角为a，A点处半径为r，厚度为d，则在A点处：,代入（10-3）、（10-4）可得A点处的应力：,锥形壳体环向应力是经向应力两倍，随半锥角a的增大而增大； a角要选择合适，不宜太大。 在锥形壳体大端r=R时，应力最大，在锥顶处，应力为零。因此，一般在锥顶开孔。,4椭圆形壳体,椭圆壳经线为一椭圆， a、b分别为椭圆的长短轴半径。 由此方程可得第一曲率半径为：,（4-7）,顶点应力最大，经向应力与环向应力是相等的拉应力。 顶点的经向应力比边缘处的经向应力大一倍； 顶点处的环向应力和边缘处相等但符号相反。 应力值连续变化。, 受液体静压的圆筒形壳体的受力分析,筒壁上任一点的压力值（不考虑气体压力）为：,根据式（10-3） （10-4）可得：,底部支承的圆筒（a），液体重量由支承传递给基础，筒壁不受液体轴向力作用，则s1=0。 上部支承圆筒（b），液体重量使得圆筒壁受轴向力作用，在圆筒壁上产生经向应力：,例题10-1：有一外径为219mm的氧气瓶，最小厚度为6.5mm，材料为40Mn2A，工作压力为15MPa，试求氧气瓶壁应力,解析： 平均直径 mm,经向应力 MPa,环向应力 MPa,四、筒体强度计算,实际设计中须考虑三个因素： （1）焊接接头系数 （2）容器内径 （3） 壁厚,筒体内较大的环向应力不应高于在设计温度下材料的许用应力，即,st-设计温度t下材料许用应力，MPa。, 焊接接头系数,钢板卷焊。夹渣、气孔、未焊透等缺陷，导致焊缝及其附近区域强度可能低于钢材本体的强度。 钢板 st乘以焊接接头系数j，j1, 容器内径,工艺设计确定内径Di，制造测量也是内径，而受力分析中的D却是中面直径。,解出d，得到内压圆筒的厚度计算式, 壁厚,考虑介质腐蚀，计算厚度d的基础上，增加腐蚀裕量C2。筒体的设计厚度为,式中 d-圆筒计算厚度， mm； dd-圆筒设计厚度， mm； Di-圆筒内径， mm； p-容器设计压力， MPa； j-焊接接头系数。,另一种情况：,筒体设计厚度加上厚度负偏差C1后向上圆整，即为筒体名义厚度。 对于已有的圆筒，测量厚度为dn，则其最大许可承压的计算公式为：,式中 ：dn-圆筒名义厚度,圆整成钢材标准值；,五、球壳强度计算,设计温度下球壳的计算厚度：,设计温度下球壳的计算应力,六、设计参数,厚度设计参数按GBl50-1998中规定取值。 设计压力、 设计温度、 许用应力、 焊接接头系数 厚度附加量等参数的选取。, 设计压力（计算压力）,工作压力pw：指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。 设计压力p：指设定的容器顶部的最高压力，它与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。 计算压力pc：指在相应设计温度下，用以确定壳体各部位厚度的压力，其中包括液柱静压力。当壳体各部位或元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。 最大工作压力：是指容器顶部在工作过程中可能产生的最高压力（表压）。, 设计压力（计算压力）,使用安全阀时设计压力不小于安全阀开启压力或取最大工作压力1.051.10倍； 使用爆破膜根据其型式，一般取最大工作压力的1.151.4倍作为设计压力。,容器内盛有液体，若其静压力不超过最大工作压力的5，则设计压力可不计入静压力，否则，须在设计压力中计入液体静压力。 此外，某些容器有时还必须考虑重力、风力、地震力等载荷及温度的影响，这些载荷不直接折算为设计压力，必须分别计算。, 设计温度,与选择材料和许用应力的确定直接有关。 设计温度指容器正常工作中，在相应的设计条件下，金属器壁可能达到的最高或最低温度。, 设计温度,器壁温度通过换热计算。 不被加热或冷却，筒内介质最高或最低温度。 用蒸汽、热水或其它载热体加热或冷却，载体最高温度或最低温度。 不同部位出现不同温度分别计算, 许用应力,许用应力是以材料的各项强度数据为依据，合理选择安全系数n得出的。 抗拉强度、屈服强度，蠕变强度、疲劳强度。取其中最低值。 当设计温度低于0时，取20时的许用应力。, 焊接接头系数,焊接削弱而降低设计许用应力的系数。 根据接头型式及无损检测长度比例确定。,符合压力容器安全技术检察规程才允许作局部无损探伤。抽验长度不应小于每条焊缝长度的20。, 厚度附加量,满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚度量，包括由钢板负偏差(或钢管负偏差) Cl、腐蚀裕量 C2，即 C Cl十 C2,腐蚀裕量C2应根据各种钢材在不同介质中的腐蚀速度和容器设计寿命确定。 塔类、反应器类容器设计寿命一般按20年考虑，换热器壳体、管箱及一般容器按10年考虑。,腐蚀速度0.05mma(包括大气腐蚀)时： 碳素钢和低合金钢单面腐蚀C21mm，双面腐蚀取C22mm， 当腐蚀速度0.05mma时，单面腐蚀取C22mm，双面腐蚀取C24mm。 不锈钢取C20。,七、最小壁厚,设计压力较低的容器计算厚度很薄。 大型容器刚度不足，不满足运输、安装。 限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求。,壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度dmin： a. 碳素钢和低合金钢制容器不小于3mm b对高合金钢制容器，不小于2mm,八、压力试验,为什么要进行压力试验呢？ 制造加工过程不完善，导致不安全，发生过大变形或渗漏。 最常用的压力试验方法是液压试验。 常温水。也可用不会发生危险的其它液体 试验时液体的温度应低于其闪点或沸点。,八、压力试验,不适合作液压试验的情形： 如装入贵重催化剂要求内部烘干， 或容器内衬耐热混凝土不易烘干， 或由于结构原因不易充满液体的容器以及容积很大的容器等， 可用气压试验代替液压试验。,对压力试验的规定情况如下表所示：,液压试验时水温不能过低(碳素钢、16MnR不低于5，其它低合金钢不低于15)，外壳应保持干燥。 设备充满水后，待壁温大致相等时，缓慢升压到规定试验压力，稳压30min，然后将压力降低到设计压力，保持30min以检查有无损坏，有无宏观变形，有无泄漏及微量渗透。 水压试验后及时排水，用压缩空气及其它惰性气体，将容器内表面吹干,九、边缘应力,无力矩理论忽略了剪力与弯矩的影响，可以满足工程设计精度的要求。 但对图中所示的