过程设备设计-内压容器设计

过程设备设计,过程装备机械基础,第11章内压容器设计,1. 压力容器导言,2.压力容器的应力分析,3.压力容器的内压圆筒和封头设计,4.压力容器的压力试验,1. 压力容器导言,1.1 压力容器总体结构和主要零部件1.2 压力容器分类1.3 压力容器规范标准,1.1压力容器的总体结构和主要零部件,1.1.1.压力容器的总体结构1.1.2压力容器主要零部件,1.1.1压力容器的总体结构,概念：压力容器是内部或外部承受气体或液体压力，并对安全性有较高要求的密闭容器。一般泛指在工业生产中用于完成反应、传热、分离和储存等生产工艺过程的密封容器。,筒节,环焊缝,纵焊缝,补强圈,盲板,接管,支座,上封头,下封头,南京扬子石化公司1000 m3 钢球罐群,1.1.2压力容器的主要零部件,1）筒体(壳体） 2）封头(端盖） 3）法兰 4）密封装置 5）开孔与接管 6）支座 7)安全附件,1）筒体 钢板卷制而成 制造容易、成本低筒体 整体锻造而成 制造困难、成本高、性能好 单层 多用于中低压容器筒体 多层 多用于高压容器问题：压力容器可以用什么材料制作？,2） 封头 按形状可分为：球形封头、椭圆形封头、碟形封头、锥形封头、平板封头等。 特点：轴对称！半椭球封头 半椭球封头 半球形封头,锥形封头,3）法兰 法兰的作用 a.用于容器间或容器与封头的连接； b.用于管道间的连接；,4） 密封装置 用于连接件之间的密封，防止物料泄漏。5） 开孔与接管 在容器上开孔的目的是为了便于检修（人孔和手孔），或是为了安装各种安全附件、或是为了满足工艺的要求。,6）支座 把压力容器支承并固定在基础上。7）安全附件 安装各种安全阀和各种压力表、测温仪表、液位计等。,1.2 压力容器的分类1） 压力容器分类的原因和依据 压力容器存在的危害程度不同！ 危害程度与很多因素有关，如设计压力、容器的容积、介质的危害性、使用场合和安装方式等。其中，介质的危害性是最主要的影响因素！,2） 介质的危害性 介质的危害性是指介质的毒性、易燃性、氧化性和腐蚀性等。影响压力容器分类的主要是毒性和易燃性。,3） 压力容器分类方式,1、 按承压性质分内压容器和外压容器。 内压容器按压力p大小分为4个等级： 低压容器（L） 0.1MPap1.6MPa 中压容器（M） 1.6MPap10MPa 高压容器（H） 10MPap0.5MPam3)；,4、 中压储存容器(易燃或毒性程度为中度危 害介质，且PV10MPam3)；,5、 高压、中压管壳式余热锅炉；,三类容器(续）,6、 中压搪玻璃压力容器；,7 、球形（V=50m3) ；,8、移动式压力容器。,9、中压容器（仅限毒性程度为极度或 高度危害介质。,10、使用强度级别较高的材料制造的压 力容器。,11、低温储存容器(V5m3) 。,8.3 典型薄壁容器应力分析,1、按容器的外径Do和内径Di的比值K 不同，可将容器分为：厚壁容器：K1.2薄壁容器：K1.2,2、应力分析理论无力矩理论或薄膜理论力矩理论,1、 受气压圆筒壳体,静力平衡方程：,环向应力为:,环向应力周向应力,静力平衡方程：,经向应力为,经向应力/轴向应力,薄壁圆筒形压力容器环向应力为经向应力的二倍,2、承受内压的球形壳体,球形壳体的厚度仅需圆筒形壳体的一半；球形容器的表面积最小；所以耗材是最少的。,3、承受内压的椭球形壳体,在顶点：,在赤道：,椭圆形封头的应力分布,标准椭圆形封头 取顶点处的周向应力与赤道处的周向应力相等，,得: a=2b,4、承受内压的锥形壳体,由此可见，锥形壳体的周向应力是经向应力的两倍。 在锥顶处应力为零。 应力随半锥角的增大而增大。,8.3.2 边缘应力及其处理,1. 边缘应力的产生原因几何非线性载荷非线性约束非线性材料非线性,2. 边缘应力的特点局部性自限性3. 工程上的处理方法危害性较小，不做特殊处理仅作局部结构调整，p124 图8-10,几个前提不大于35MPa的内压容器的筒体和封头设计准则为弹性失效一般不考虑边缘应力，必要时以应力增强系数的形式引入设计计算。依据：GB150-1999钢制压力容器,8.3.3 内压圆筒形薄壁壳体设计,8.3.4. 强度设计公式,强度条件：,设计公式：,8.3.5 设计参数确定,1、 设计压力(P),通常：P(1.01.1)PW,安全阀：P= (1.051.1)PW. 且不低于安全阀 开启压力。爆破片：(1.051.75)PW. 爆破压力制造偏差介质为液化气：TMAX时液化气饱和蒸汽压介质为液体：当液柱静压大于0.05P时，应 计入液体静压力。,指容器正常工作时，在相应的设计压力下，器壁金属可能达到的最高和最低温度（低于或等于-20),2 设计温度,3 、许用应力,影响许用应力的因素：1 使用温度2 钢板厚度,许用应力由材料的强度极限除以相应 的安全系数而得。 强度极限根据材料的失效类型确定 安全系数则受工况、材料、制造质量 和计算方法的影响；,4 焊缝系数,焊缝系数决定于二个因素： 1）焊缝的结构形式 2）无损探伤水平,5 .厚度(t),a. 壁厚附加量 CC1C2 C1：钢板负偏差, 表8-2 C2：腐蚀裕量,b. 最小壁厚保证设备在运输和安装过程中的安全碳素钢和低合金钢：不小于3mm。高合金钢：不小于2mm。,8.3.6 压力与气密性试验,1 、水压试验,a. 试验压力：,b. 强度条件：,1、 水压试验（续）,c. 对试压介质的要求方便获得；价格低廉；无危险；存储方便；沸点高于试验温度；洁净，无污染，易于清除；无腐蚀性。,d. 对试验温度的要求试验温度应该高于材料的无延性转变温度（NDT）。对于碳钢，16MnR，15MnVR等，试验温度应该大于5 ，其他低合金钢，试验温度应该大于15。板厚的影响导致试验温度的提高。,2 、气压试验,a. 试验压力：,b. 强度条件：,c. 常用介质干燥洁净的空气；氮气惰性气体。d. 试验温度对于碳钢和低合金钢，应大于15。,3压力试验时的应力校核,液压试验时：气压试验时：,薄膜应力：,4、 气密性试验,b. 试验压力：,a. 用处： 介质毒性程度为极度或高度危害； 设计上不容许有微量泄漏；,c. 其他介质：干净空气或氮气、惰性气体温度：碳钢、低合金钢等，不低于15保压：30min，升压缓慢，稳定。,8.4 外压薄壁圆筒的设计,外压容器的定义：外压大于内压的容器;,失效的主要形式为失稳。其后果是造成容 器几何形状偏离原形状。,8.4.1 外压容器失稳的概念,常见外压容器：减压蒸馏塔；真空冷凝器；结晶器；带蒸汽加热夹套；,长园筒,容器失稳与压杆失稳类似，取决于： 1) 圆筒外径与有效壁厚之比 Do/te； 2) 圆筒长度与外径的比值 L/Do 3) 材料的力学性能 （E，) 其他：形状偏差，圆度,压杆失稳的主要因素： 1）外载大小 2）压杆柔度(细长比) 3）材料的力学性能。,临界压力的计算,1. 长圆筒： 临界压力,钢制圆筒：,临界应力：,2. 短圆筒：,3. 临界长度：,临界应力：,8.4.2 外压薄壁圆筒厚度设计,外压设计的总体思路：保证工作压力P小于许用外压P,而P=Pcr/m,m 决定于Pcr的准确程度、制造技术、焊缝结构形式等因素。我国规定 m=3,一、解析法,2) 求Pcr，确定P,3) 如PP且较为接近，则所假定的 tn符合要求，否则重算，直到符合要求。,1) 假设设计名义厚度tn，则有te=tn-C,求解步骤：根据工况，确定材料；假定壁厚为tn，确定有效厚度te，根据已知条件确定临界长度Lcr；根据公式确定许用设计外压P；确定设计外压P，并比较P与P，如果P=J .例题 例3,8.5 压力容器的安全使用与管理,8.5.1 压力容器的安全技术监察,1 、安全技术监察的依据容规涉及内容:类别划分，材料选用，结构与强度设计，制造组装，无损检测探伤，压力试验，使用管理，定期检验及安全附件，等等,2 、压力容器的设计监察资格,3 、压力容器的制造监察许可,设计单位证书副本,美国机械工程师协会颁发的ASME“U”钢印证书,欧盟承压设备指令PED-CE资质,8.5.2 压力容器的安全使用与管理,1 、管理体系与职责,2 、建立压力容器技术档案,3、压力容器的使用登记,4 、制订容器的安全操作规程,5 、正确操作容器,8.5.3 压力容器的定期检验,1 、定期检验的目的,2 、定期检验的内容与期限 外部检测，内外部检验，耐压试验； 检验程序 检验报告,今日作业,复习: 例题2 ，3思考: 3, 7，15习题: 8-2预习: 第九章,光气又称碳酰氯，无色气体，有腐草臭味，剧毒，微溶于水，较易溶于苯、甲苯等。