第三章-容器设计PPT课件.ppt

第七章容器设计概述 主讲 张燕 1 2 3 容器是指储存设备和其它各种设备的外壳 4 容器的结构 5 按容器形状分类方形 矩形 圆筒形 球形容器壁厚薄壁容器 厚壁容器按容器壁温分类常温容器 高温容器 中温容器 低温容器按应用情况分类反应压力容器 换热压力容器 分离压力容器 储存压力容器 容器的分类 6 按承压的性质分类内压容器 外压容器 真空容器按承压的大小分类低压容器L 中压容器M 高压容器H 超高压容器U 按管理分类一类容器 二类容器 三类容器 容器的分类 7 容器设计的基本要求 技术经济指标 生产能力 消耗系数 价格 管理费用 产品成本 结构基本要求 强度 刚度 耐久性 稳定性 密封性 制造工艺性 操作与维修方便 节约材料 运输方便 8 标准化知识简介 我国古代的标准化历史源远流长 基中最著名的是秦代对文字 轨距 度量衡等的统一化以及北宋活字印刷术的发明 成功地运用了标准件 互换件 分解组合等标准化的方法和原理 中国近代标准化约在20世纪30年代开始起步 1931年成立了工业标准委员会 并编写标准 1946年颁布 标准法 中华人民共和国成立后 先后设立了标准化规格化处 标准局 国家标准计量局 国家标准总局 国家技术监督局 国家质量技术监督局 国家标准化管理委员会等标准化行政管理机构 以及成立了各类标准化研究院所 标准化协会等 1988年通过了 中华人民共和国标准化法 随着中国经济建设事业的开展 标准化工作得以快速发展 目前已发布各类标准化管理办法几十项 发布国家标准约2万余项 行业标准约3万多项 9 标准化知识简介 从标准化总体上来看 截止2003年底 我国省 市级标准化管理部门有85家 从事标准化研究的科研院所有112所 标准化协会97家 各类专业标准化技术委员会247个 分技术委员会328个 委员总数达1 6万人 从制定的标准数量和规模来看 截止2002年底 我国已经发布国家标准20206项 其中强制性能国家标准2789项 占13 8 行业标准33000多项 地方标准化5300多项 企业标准近100万项 这些标准对于提高我国产品质量 降低生产成本和促进经济发展发挥了重要作用 10 标准化的作用 1 为科学管理奠定基础2 促进经济全面发展 提高经济效益3 为科研 生产 使用架设桥梁4 组织现代化生产奠定基础5 促进资源合理利用 保持生态平衡 维护人类社会利益6 发展新品种 提高企业应变能力 更好满足社会需求7 保证产品质量 维护消费者利益8 促进社会生产个组成部分之间的协调9 促进贸易发展 提高产品竞争力10 保障人民身体健康和生命安全标准化的实质 通过制定 发布和实施标准 达到统一标准化的目的 获得最佳秩序和社会效益 11 标准化和标准的定义 标准是对重复性事物和概念所做的统一规定 它以科学 技术和实践经验的综合成果为基础 经有关方面协商一致 由主管机构批准 以特定形式发布 作为共同遵守的准则和依据 标准化是指在经济 技术 科学及管理等社会实践中 对重复性事物和概念通过制定 发布和实施标准 达到统一 以获得最佳秩序和社会效益的活动 标准化技术委员会是制定国家标准和行业标准的一种重要组织形式 它是一定专业领域内从事全国性标准化工作的技术工作组织 12 标准的基本情况 国外先进标准采用国际标准标准备案标准的实施标准实施监督等同采用国际标准修改采用国际标准与国际标准的一致性程度 13 标准的分类 根据适用范围分 国家 由国务院标准化行政主管部门制定的需要全国统一的技术要求行业 非国家 但在某一行业内统一 报国务院备案的地方 在某一地方统一 报国务院相关行业行政部门备案企业 需要在该企业内统一的技术要求和管理事项根据法律的约束性分 强制性 2006国家环境综合治理考核评估达标与环境保护质量验收评审强制性标准实施手册 推荐性 环保总局推荐性标准 环境标志产品技术要求水准 标准化指导性技术文件 14 标准的分类 按标准性质分类通常按标准的专业性质 将标准划分为技术标准 管理标准和工作标准三大类 在标准化领域中 对需要统一的技术事项所制定的标准称为技术标准 而对需要协调统一的管理事项所制定的标准叫管理标准 为实现工作 活动 过程的协调 提高工作质量和工作效率 对每个职能和岗位的工作制定的标准为工作标准 按标准的功能 对象和作用 分类基于社会对标准的需求 为了对常用的量大面广的标准进行管理 通常将重点管理的标准分为 基础标准 产品标准 方法标准 安全标准 卫生标准 环保标准 管理标准 15 国家标准的代号和编号 国家标准的代号由大写汉字拼音字母构成 强制性国家标准代号为 GB 推荐性国家标准的代号为 GB T 国家标准的编号由国家标准的代号 标准发布顺序号和标准发布年代号如 强制性国家标准GB1457 1992纱管纸板推荐性国家标准GB T1315 1991厚纸板国家实物标准 样品 由国家标准化行政主管部门统一编号 为汉字拼音大写字母 GSB 16 行业标准的代号和编号 行业标准代号由汉字拼音大写字母组成 行业标准的编号由行业标准代号 标准发布顺序及标准发布年代号 四位数 组成 常见行业代号卫生WS环境保护HJ城镇建设CJ建筑工业JG农业NY交通JT机械JB轻工QB船舶CB 17 地方标准的代号和编号 地方标准的代号由汉字 地方标准 大字拼音 DB 加上省 自治区 直辖市行政区划代码的前两位数子 再加上斜线T组成推荐性地方标准 不加斜线T为强制性地方标准地方标准的编号地方标准的编号由地方标准代号 地方标准发布顺序号 标准发布年代号 四位数 三部分组成 如 DB51 T1457 1998 18 ISO9000 ISO14000 ISO是国际标准组织 InternationalOrganizationForStandardization 的简称 创立于1947年2月 总部设在瑞士日内瓦 ISO9000标准由ISO TC176 质量保证和质量管理技术委员会 研讨制定 ISO14000是由国际标准化组织编制并推出的一套环境管理体系标准 主要针对企业或公司在生产和服务的过程中通过环境因素的分析 针对重要环境因素制定环境目标和环境管理方案 定期的对环境运行情况进行监控 保障将最终的环境影响降低在最低点 19 公称直径 以DN表示 单位mm压力容器 管子 容器零部件 公称压力 以PN表示 单位MPa压力容器法兰 管法兰 选用标准零件 自行设计零件 容器的零部件标准化 20 国外主要规范标准ASME规范 日本压力容器标准 欧盟压力容器标准 国内主要标准规范GB150 89 钢制压力容器 JB4732 钢制压力容器 分析设计标准 压力容器的标准简介 21 一 回转壳体几何特性二 薄壳圆筒的应力分析三 典型壳体应力分析四 边缘应力的概念 第八章内压薄壁容器设计 22 压力容器按厚度可以分为薄壁容器和厚壁容器 所谓厚壁与薄壁并不是按容器厚度的大小来划分 而是一种相对概念 通常根据容器外径DO与内径Di的比值K来判断 K 1 2为厚壁容器 K 1 2为薄壁容器 工程实际中的压力容器大多为薄壁容器 一 薄壁容器定义 23 1 回转曲面 以任意直线或平面曲线作母线 绕其同平面内的轴线 回转轴 旋转一周而成的曲面 平面曲线不同 得到的回转曲面的形状也不同 回转壳体的定义与实例 24 1 回转薄壳的几何要素 回转薄壳 中面是由一条平面曲线或直线绕同平面内的轴线回转而成 母线 绕轴线 回转轴 回转形成中面的平面曲线 极点 中面与回转轴的交点 线平面 通过回转轴的平面 经线 通过回转轴做一纵截面与壳体曲面相交所得的线 平行圆 垂直于回转轴的平面与中面的交线称为平行圆 中面法线 过中面上的点且垂直于中面的直线 法线必与回转轴相交 25 26 第一主曲率半径R1 经线上点的曲率半径 第二主曲率半径R2 通过经线上一点B的法线作垂直于经线的平面 其与中面相交形成的曲线在B点的曲率半径 平行圆半径r 平行圆半径 同一点的第一与第二主曲率半径都在该点的法线上 曲率半径的符号判别 曲率半径指向回转轴时 其值为正 反之为负 27 第一曲率半径 对于第一曲率半径 即经线平面的曲率半径 如果经线方程y y x 则R1可由下式求得 28 基本假设 1 小位移假设壳体受力以后 各点的位移都远小于厚度 2 直线法假设壳体在变形前垂直于中间面的直线段 在变形后仍保持直线 并垂直于变形后的中面 3 不挤压假设壳体各层纤维变形前后互不挤压 29 回转薄壳的薄膜应力 回转壳体在其内表面受到介质均匀的内压作用时 其经向纤维和环向纤维都要发生伸长变形 1 环向纤维 纬线 受到拉伸 因而在壳壁的纵截面上将产生环向应力 用 表示 2 经向纤维受到拉伸 因而在壳壁的锥截面内将产生经向应力 用 表示 30 薄壁圆筒受内压时 环向应力是轴向应力的两倍 因此 在设计过程中 如在筒体上开椭圆孔 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 筒体的纵向焊缝受力大于环向焊缝 施焊时应予以注意 31 问题a 筒体上开椭圆孔 如何开 32 无力矩理论方程式 33 回转壳体曲面在几何上是轴对称的 壳壁厚度无突变 曲率半径是连续变化的 载荷在壳体躯面上的分布是轴对称和连续的 壳体边界应该是自由的 壳体在边界上无横向剪力和弯矩 无力矩理论的应用范围 34 3 典型回转壳体的应力分析 1 受气体内压的壳体的受力分析 圆筒形球形壳体圆锥形壳体2 受液体静压的圆筒形壳体的受力分析 35 圆筒形壳体 由于圆筒的第一曲率半径R1 第二曲率半径R2 D 2 代入基本方程式得 36 圆筒形壳体 圆柱壳体的纵向截面是薄弱截面 圆柱壳体的承压能力取决于厚度与直径的比值 并不是厚度越厚承压能力越好 37 圆球形壳体上的薄膜应力 38 球形壳体 R1 R2 D 2 代入基本方程式得 39 球形壳体 在载荷和几何形状相同的条件下 球壳的最大应力只是圆柱壳体的一半 说明球壳的承压能力比圆柱壳体好 经向应力和环向应力相等 说明应力分布均匀 40 椭球壳体 41 椭球壳体 42 第一曲率半径 椭圆壳的经线为一椭圆 设其经线方程为 第一曲率半径为 43 第二曲率半径 44 应力大小 讨论 当x 0时 45 当x a时 对于化工常用标准椭圆形封头 a b 2 所以 顶点处边缘处 46 47 椭球壳上的薄膜应力分布及其与球壳应力分布规律的对比 48 椭球壳上各点应力分布规律 1 椭球形壳体的顶点B处 当a b 2 顶点处的应力最大 该点处的经向应力和环向应力相等 椭球越扁 顶点处的薄膜应力越大 49 2 椭球形壳体的赤道处C点 在直径不变的条件下 圆球形壳体向椭球形壳体过渡时 赤道处的经向薄膜应力不变 在直径不变的条件下 赤道处的环向薄膜应力随着椭球变扁 即a b增大 开始是逐渐减少 当a b超过1 414后 赤道处的环向薄膜应力变为负值 即成为环向薄膜压缩应力 50 几点结论 1 椭球壳上各点应力大小与点的坐标 x y 有关 2 椭球壳上各点应力大小及分布状况与a b有关 3 1恒为正 最大值在顶点 最小值在赤道 2在顶点恒为正 在赤道有大于零 等于零 小于零三种情况 为什么选择a b 2的半椭球封头为标准的半椭球封头 51 圆锥形壳体 52 圆锥形壳体 锥形壳体的环向应力是经向应力的两倍 与圆筒形相同 而且应力随着半锥角的增大而增大 在锥体大端 应力最大 在锥顶处 应力为零 所以一般在锥顶开孔 可以避免造成较大应力 53 圆锥形壳体 R1 R2 r cos 代入基本方程式得 54 圆锥形壳体 圆锥壳两向应力均与r成线性关系 在锥顶处应力为零 距离锥顶越远 应力越大 因此一般开孔在锥顶 若圆锥壳用于下封头 则最大应力在锥壳于容器联接处 圆锥壳两向应力随 的增大而增大 故锥壳的半顶角不宜过大 55 受液压的圆筒形壳体 56 受液压的圆筒形壳体 液体的压力垂直于壳壁 各点的压力值随液体的深度而变 离液面越远 所受的液体静压力越大 筒壁上任一点的压力值为 根据圆筒应力公式 57 受液压的圆筒形壳体 对于底部支撑的圆筒 由于液体重量由支撑传递给基础 圆筒壁不受液体的轴向力作用 则轴向应力为零 对于上部支撑的圆筒 由于液体的重量使得圆筒壁受轴向力作用 在圆筒壁上产生经向应力为 58 例题 有一立式圆筒形贮油罐 如图所示 罐体的中径为D 4000mm 厚度 10mm 油的液面离罐底高H 16m 油的相对密度为0 7 试求 1 当P0 0时 油罐筒体上A点的应力及最大应力 2 当P0 0 1MPa 表压 时 油罐筒体上A点的应力及最大应力 59 环向应力 经向应力 60 当 时 61 当 表压 时 62 边缘应力产生的原因 边缘应力是否可以利用薄膜理论进行分析和求解 在设备的哪些地方容易出现边缘应力 边缘应力具有哪些特质 设计中对边缘应力如何处理 第四节边缘应力 63 何谓二次应力 前面讨论的薄膜应力和弯曲应力 它们都是由载荷直接引起 它们的产生都是为了抵抗外力对构件的破坏 它们都随外载的增加而增大直至构件破裂为止 将这类应力称为一次应力或基本应力 下面要讨论的这种应力 不是由外载所直接引起的 它是由于相互连接的两个零件各自所欲发生的变形受到对方的限制而引起的 这种应力称为二次应力 第四节边界区内的二次应力 64 边缘应力 产生原因由于相互连接的两个零部件各自所欲发生的变形受到对方的限制而应起的 二次应力 影响因素载荷连接边缘的几何形状 尺寸 材质性质自限性局部性 65 1 局限性 大多数都有明显的衰减特性 随离开边缘的距离增大 边缘应力迅速衰减 2 自限性 弹性变形相互制约 一旦材料产生塑性变形 弹性变形约束就会缓解 边缘应力自动受到限制 即边缘应力的自限性 66 1 由于边缘应力具有局部性 设计中一般只在结构上做局部处理 如改变连接处的结构 保证边缘区的焊缝质量 降低边缘区的残余应力 在边缘区尽可能避免附加其他局部应力或开孔等 2 由于边缘应力具有自限性 因此塑性较好的材料制成的容器 在静载荷作用时一般可不考虑边缘应力的影响 对于脆性材料 必须考虑边缘应力的影响 设计中对边界应力如何处理 67 4 筒体强度计算 为了保证筒体强度 筒体内较大的环向应力不应高于材料的许用应力 即 68 4 1筒体强度设计因素 1 焊接接头系数2 容器内径3 壁厚 69 1 焊接接头系数 容器的筒体通常是由钢板通过卷焊工艺制成的 在焊接过程中 焊缝的金属组织会受到不利的影响 同时还要形成夹渣 气孔 未焊透等缺陷 缺陷的存在导致了焊缝区域的强度下降 因此在实际设计过程中 我们应考虑一定的安全系数 1 70 2 容器内径 在强度计算中采用的直径D是受力分析中指定的筒体中面直径 工艺设计中需要确定的直径应是容器的内径Di 并且制造过程中测量的也是筒体的内径 因此 在强度计算中要带入内径Di 而不是直径D 即 71 解出前式中的 得 考虑到钢板厚度不均匀及介质对筒壁的腐蚀作用 因此在确定通体所需厚度时 还应在计算出的壁厚基础上增加附加量C 3 壁厚 72 在设计条件下得到的筒体设计厚度 加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度 即为筒体的名义厚度 对于已有的圆筒 测量厚度为 则其最大许可承压的计算公式为 73 5 壁厚设计的各参数 1 设计压力2 设计温度3 许用应力4 焊接接头系数5 壁厚附加量 74 1 设计压力 设计压力 压力容器的设计载荷条件之一 其值不低于最高工作压力 最高工作压力 容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压 设计压力应视内压或外压容器分别取值 内压 装安全阀 装爆破片 盛装液化气体容器 综合考虑 介质压力 饱和蒸气压 装量系数 温度变化 环境温度 保冷设施 75 2 设计温度 设计温度 为压力容器的设计载荷条件之一 指容器在正常情况下 设定元件的金属温度 沿元件金属截面的温度平均值 金属温度不低于0 设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度 金属温度低于0 不得高于元件金属可能达到的最低温度 GB150规定 设计温度等于或低于 20 的容器属于低温容器 注解 设计温度与设计压力存在对应关系 当压力容器具有不同的操作工况时 应按最苛刻的压力与温度的组合设定容器的设计条件 而不能按其在不同工况下各自的最苛刻条件确定设计温度和设计压力 76 3 许用应力 许用应力 容器壳体 封头等受压元件的材料许用强度 取材料强度失效判据的极限值与相应的材料设计系数 又称安全系数 之比 77 4 焊接接头系数 焊接接头系数 焊缝金属与母材强度的比值 反映容器强度受削弱的程度 焊缝缺陷 夹渣 未熔透 裂纹 气孔等 焊缝热影响区晶粒粗大 母材强度或塑性降低 薄弱环节影响因素 接头形式 无损检测要求 长度比例 78 4 厚度附加量 厚度附加量是指在满足强度要求而计算出的厚度之外 考虑其它因素而额外增加的厚度量 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 关于设计寿命 塔类 反应器类容器一般按20年考虑 换热器壳体 管箱及一般容器按10年考虑 当腐蚀速度 0 05mm a 包括大气腐蚀 时 碳素钢和低合金钢单面腐蚀C2 1mm 双面腐蚀取C2 2mm 不锈钢取C2 0 当腐蚀速度 0 05mm a时 单面腐蚀取C2 2mm 双面腐蚀取C2 4mm 79 5 壁厚附加量 80 对于一些设计压力较低的容器 如果按照强度公式计算出来的壁厚很薄 特别是在大型容器的情况下很容易导致刚度不足引起过大的弹性变形 不能满足运输 安装等要求 壳体加工成型的最小壁厚要求为 碳素钢和低合金钢容器不得小于3mm 高合金钢制容器不小于2mm 最小壁厚 81 例题 某化工厂欲设计一台石油气分离工程中的乙烯精馏塔 工艺要求为 塔体内径Di 600mm 设计压力p 2 2MPa 工作温度t 3 20 试选择塔体材料并确定塔体壁厚 82 解 由于石油气对钢材腐蚀不大 温度在 20 以上 承受一定的压力 故选用16MnR 根据壁厚公式 式中 p 2 2MPa Di 600mm t 170MPa 查书末附表1 0 8 查表3 12 C1 0 6mm 查表3 13 C2 1 0mm 代入上式 圆整后 取 83 压力试验 液压试验 气压试验 84 压力试验 为什麽要进行压力试验呢 这是因为 按强度 刚度计算确定的容器厚度 由于材质 钢板弯卷 焊接及安装等制造加工过程不完善 有可能导致容器不安全 会在规定的工作压力下发生过大变形或焊缝有渗漏现象等 故必须进行压力试验予以考核 85 压力试验 压力实验时 由于容器承受的压力高于设计压力 故必要时需进行强度校核 液压时的强度条件为 气压时的强度条件为 86 使设备充满液体 水 水温不能过低 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 然后将压力降低到实验压力的80 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 并用压缩空气及其它惰性气体 将容器内表面吹干 压力试验方法 87 局限性 不同性质的连续边缘产生不同的边缘应力 但是他们大多数都有明显的衰减特性 随着离开边缘的距离增大 边缘应力迅速衰减 自限性 由于边缘应力是两连接件弹性变形不一致 相互制约而产生的 一旦材料产生了塑性变形 弹性变形的约束就会缓解 边缘应力自动受到限制 边缘应力的基本特性 88 多层包扎式圆筒设计 用装置将层板逐层 同心地包扎在内筒上 借纵焊缝的焊接收缩力使层板和内筒 层板与层板之间互相贴紧 产生一定的预紧力 筒节上均开有安全孔 报警 制造工艺简单 不需大型复杂加工设备 安全可靠性高 层板间隙具有阻止缺陷和裂纹向厚度方向扩展的能力 减少了脆性破坏的可能性 包扎预应力改善筒体的应力分布 对介质适应性强 可选择合适的内筒材料 89 热套式圆筒设计 内筒 厚度 30mm 卷焊成直径不同但可过盈配合的筒节 将外层筒节加热到计算的温度进行套合 冷却收缩后得到紧密贴合的厚壁筒节 优点 工序少 周期短 且具有包扎式筒体的大多数优点 缺点 筒体要有较准确的过盈量 卷筒的精度要求很高 且套合时需选配套合 套合时贴紧程度不很均匀 套合后 需热处理以消除套合预应力及深环焊缝的焊接残余应力 90 绕板式 制造 内筒与多层包扎式内筒相同 外层是在内筒外面连续缠绕若干层3 5mm厚的薄钢板而构成筒节 只有内外两道纵焊缝 需要2个楔形过渡段 外筒为保护层 由两块半圆或三块 瓦片 制成 优点 机械化程度高 制造效率高 材料利用率高 可达90 以上 缺点 中间厚两边薄 累积间隙 91 整体多层包扎式 将内筒拼接到所需的长度 两端焊上法兰或封头 在整个长度上逐层包扎层板 待全长度上包扎好并焊完磨平后再包扎第二层 直至所需厚度 92 扁平钢带倾角错绕式 中国首创的一种新型绕带式筒体 该结构已被列入ASME 1和ASME 2标准的规范案例 编号分别为2229和2269 93 例题 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 试求氧气瓶壁的应力 解 平均直径 经向应力 环向应力 94 例题 某化工厂欲设计一台石油气分离工程中的乙烯精馏塔 工艺要求为 塔体内径Di 600mm 设计压力p 2 2MPa 工作温度t 3 20 试选择塔体材料并确定塔体厚度 95 解析 由于石油气对钢材腐蚀不大 温度在 20 以上 承受一定的压力 故选用16MnR 水压试验时的应力 96 一 半球形封头二 椭圆形封头三 蝶形封头四 球冠形封头五 锥形封头六 平板封头 第二节封头的设计 97 98 99 一 半球形封头 在相同的直径和压力情况下 半球形封头壳壁中的应力仅为圆筒形筒体最大应力的一半 故所需壁厚仅为筒体壁厚的1 2 因此 在大型高压容器上采用球形封头既可节省材料 又减轻了重量 但为了焊接方便以及降低边缘应力 常采用和筒体相同的厚度 半球形封头多用于压力较高的储罐上 100 二 椭圆形封头 椭圆形封头的纵剖面为半椭圆形 另有一短圆筒部分 目的是为了避开在椭球边缘与圆筒壳体的连接处设置焊缝 避免边缘应力迭加在焊缝上 保证封头的制造质量 椭圆形封头是由不同的曲率半径连续变化而成的 因此 在受内压时 封头上应力的分布也是连续均匀变化的 随着椭圆长短轴之比的增加 最大应力值增大 受力情况变坏 但这时封头深度变浅 易于制造 101 椭圆形封头的壁厚可按下式计算 式中 K 椭圆形封头形状系数 长短轴比值为2的椭圆形封头为标准椭圆形封头 此时K 1 其壁厚计算式 式中C应计入加工减薄量 102 当封头由整块钢板冲压时 值取1 此时前式与筒体设计壁厚计算公式几乎相同 因此 椭圆形封头壁厚取值与筒体相同或比筒体稍厚 椭圆形封头的有效壁厚 e应满足以下条件 对标准椭圆封头 有效壁厚不小于封头内直径的0 15 对其他椭圆封头 不小于0 3 椭圆形封头的最大允许工作压力按下式计算 标准椭圆形封头已经标准化 JB T4737 95 设计时可根据公称直径和厚度选取 对于内径为1600mm 名义厚度为18mm 材质为16MnR的椭圆形封头可标记为 椭圆封头DN1600 x18 16MnRJB T4737 103 三 碟形封头 碟形封头又称带折边球形封头 由三部分构成 由半径为Ri的球面体 半径为r的过渡环壳和短圆筒 从几何形状看 碟形封头是一不连续曲面 在经线曲率半径突变的两个曲面连接处 由于曲率的较大变化而存在着较大边缘弯曲应力 该边缘弯曲应力与薄膜应力叠加 使该部位的应力远远高于其它部位 故受力状况不佳 但过渡环壳的存在降低了封头的深度 方便了成型加工 且压制碟形封头的钢模加工简单 使碟形封头的应用范围较为广泛 104 三 碟形封头 球面半径越大 折边半径越小 封头的深度将越浅 但是考虑到球面部分与过渡区连接处的局部应力 规定蝶形封头球棉部分的半径一般不大于筒体内径 而折边内半径r在任何情况下均不得小于筒体内径的10 且应不小于3倍的封头名义厚度 105 球冠型封头 它是为了降低凸形封头的高度 将蝶形封头的直边及过渡圆弧部分去掉 只留下球面部分 并把它直接焊接在筒体上 其中 Q为系数 由图3 26查取 106 四 锥形封头 由于结构不连续 锥壳的应力分布并不理想 但其特殊的结构形式有利于固体颗粒和悬浮或粘稠液体的排放 可作为不同直径圆筒体的中间过渡段 因而在中 低压容器中使用较为普遍 分类 无折边锥壳和折边锥壳 107 a 无折边锥壳 b 大端折边锥壳 c 折边锥壳 锥壳形状 108 无折边锥形封头或锥形筒体 1 锥体大端 以与半顶角a的值 当其交点位于曲线之上方时 不必局部加强 当其交点位于曲线下方时 则需要局部加强 无需加强时 锥体大端壁厚需要增加厚度予以加强时 则应在锥壳与圆筒之间设置加强段 锥壳和圆筒加强段厚度须相同 加强段计算壁厚 加强区长度 锥壳加强段的长度L1不应小于 圆筒加强段的长度L不应小于 109 110 111 无折边锥形封头或锥形筒体 2 锥体小端 当其交点位于曲线之上方时 不必局部加强 计算壁厚d的计算同大端 当其交点位于图中曲线下方时 则需要局部加强 其计算壁厚的公式为 任何情况下 加强段的厚度不得小于相连接的锥壳厚度 锥壳加强段的长度L1不应小于 圆筒加强段的长度L不应小于 112 折边锥形封头或锥形筒体 采用带折边锥体作封头或变径段可以降低转角处的应力集中 根据半顶角的大小 分为三种情况 1 当锥体大端的半顶角a 30 时 应采用带过渡段的折边结构 否则应按应力分析的方法进行设计 2 对于锥体小端 当半顶角a 45 时 须采用带折边的锥形封头 大端折边锥壳过渡段转角半径r应不小于封头大端内径Di的10 小端折边过渡段转角半径应不小于封头小端内径的5 且均不小于锥体厚度的3倍 3 当锥壳半顶角a 60 时 其厚度可按平盖计算 也可按应力分析的方法进行设计 113 折边锥形封头或锥形筒体 1 锥壳大端 a 过渡段的计算壁厚 b 与过渡段相接处的锥壳厚度 114 2 锥壳小端 115 116 平盖封头 平板封头也称平盖 是化工容器或设备常采用的一种封头 平盖的几何形状 圆形 椭圆形 长圆形 矩形及正方形等几种 其连接方式见表3 18 其中常用的是圆形 它主要用在常压和低压的设备上 或者高压小直径的设备上 平盖封头的连接分为 不可拆的平盖和可拆得平盖两种 117 平板封头 平盖厚度计算是以圆平板应力分析为基础的 真实的支承介于固支和简支之间 因此工程计算时常采用圆平板理论为基础的经验公式 通过系数K来体现平盖周边的支承情况 K值越小平盖周边越接近固支 反之就越接近于简支 式中 p 平盖计算厚度 mm K 结构特征系数 Dc 平盖计算直径 118 几种封头形式的比较 从工艺操作要求考虑 对封头形状无特殊要求 球冠形封头 平板封头都存在较大的边缘应力 且采用平板封头厚度较大 故不宜采用 理论上应对各种凸形封头进行计算 比较后 再确定封头型式 但由定性分析可知 半球形封头受力最好 壁厚最薄 重量轻 但深度大 制造较难 中 低压小设备不宜采用 碟形封头的深度可通过过渡半径r加以调节 适合于加工 但由于碟形封头母线曲率不连续 存在局部应力 故受力不如椭圆形封头 标准椭圆形封头制造比较容易 受力状况比碟形封头好 故常采用标准椭圆形封头 119 一 法兰联接结构与密封原理二 法兰的分类三 影响法兰密封的因素四 法兰标准与选用 第三节法兰联接 120 可拆卸联接结构 化工设备由于制造 安装 运输 检修及操作工艺等方面的要求 常常由几个可拆的部分连在一起而构成 可拆卸结构分为 法兰联接 螺纹联接和承插式联接 对化工设备可拆联接的要求 在工作压力和工作温度下保证密闭不漏 有足够的强度 能迅速地并多次地拆开和装配 成本低廉 便于大量生产 法兰连接就是能够很好满足以上要求的一种可拆结构 据统计仅一座年产250万吨的炼油厂就有20万个法兰连接 121 法兰的结构 122 一 法兰联接结构与密封原理 法兰连接是由上 下法兰 垫片 螺栓三部分组成的 法兰联接设计的主要问题 防止介质泄漏 防止流体泄漏的基本原理是在联接口处增加流体流动的阻力 依靠密封面上的密封比压来实现 垫圈渗漏和密封面泄漏 123 法兰密封的原理 法兰在螺栓预紧力的作用下 把处于压紧面之间的垫片压紧 法兰密封面和垫片材料表面是凹凸不平的 把法兰螺栓拧紧时 螺栓力通过法兰环把垫圈压紧 迫使垫圈产生压缩变形 螺栓力达到一定数值后 使法兰密封面和垫图上的凹凸不平面借助垫圈的变形而填满 这样就为阻止介质泄漏形成了初始密封条件 此时在垫圈单位面积上的压紧力称为垫圈密封比压力 124 当设备或管道承受介质压力后 螺栓受到进一步拉伸 法兰密封面沿着彼此分离的方向移动 密封面与垫圈之间的压紧力下降 垫圈的压缩量减少 垫片密封比压力下降 如果垫圈具有足够的回弹能力 使压缩变形的回复能补偿螺栓和密封面的变形 而使预紧密封比压值只下降到不小于某一值时 这个比压值称为工作密封比压 则法兰密封面之间能够保持良好的密封状态 反之 如垫圈的回弹能力不足 预紧密封比压下降到工作密封比压以下 甚至密封口里新出现缝隙 则此密封失效 为此 螺栓和法兰等密封组合件必须具有足够大的强度和刚度 以免在容器内压的作用下发生过大的变形 125 三 法兰的分类 126 整体法兰 127 整体法兰 整体法兰 法兰 法兰颈部及设备或接管三者有效地连接成一整体结构 附加应力较大 平焊法兰 法兰盘焊接在设备筒体或管道上 制造容易 应用广泛 但刚性较差 PN 4 0MPa对焊法兰 又称高颈法兰或长颈法兰 刚性较好 适用于压力 温度较高或设备直