高压容器设计.

第五章高压容器设计第一节概述第二节高压容器筒体的结构与强度设计第三节高压容器的密封结构与设计计算第四节高压容器的主要零部件设计第一节概述工程上：10MPaP设100MPa高压容器100MPa以上超高压容器一般属于三类容器本章专门介绍其特殊的结构和设计方法第一节概述一、高压容器的应用二、高压容器的结构特点三、高压容器的材料一、高压容器的应用军事工业：炮筒、核动力装置化学和石油化工：合成氨、合成甲醇、合成尿素、油类加氢等合成反应的高压反器、高压缓冲与贮存容器。电力工业：核反应堆，水压机的蓄力器发展现状：直径4.5米，壁厚280毫米，重约1000吨,压力2000MPa二、高压容器的结构特点高压容器设计与制造技术发展的核心问题：既要随着生产的发展能制造出大壁厚的容器又要设法尽量减小壁厚以方便制造。高压容器特点：1结构细长2采用平盖或球形封头3密封结构特殊多样4高压筒身限制开孔三、高压容器的材料筒体与封头的特殊要求：1)强度与韧性为了提高材料强度以减少壁厚，一般采用低合金钢，如16MnR、15MnVR和18MnMoNBR。同时为了保证韧性，加入少量（2%）Ni和Cr，并控制P和S含量0.004%三、高压容器的材料筒体与封头的特殊要求：2)制造工艺性能具有良好的焊接性能包括可焊性、吸气性、抗热裂与冷裂倾向、抗晶粒粗大倾向等、具有良好的可锻性三、高压容器的材料筒体与封头的特殊要求：3)其他要求耐腐蚀性原材料检验要求较高第二节高压容器筒体的结构与强度设计一、结构型式及设计选型二、厚壁圆筒的弹性应力分析三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析四、高压筒体的失效及强度计算筒体的结构形式（一）整体锻造式：直径300～800mm，长度12m优点：性能优良，缺点：加工费用高（二）单层式:单层卷焊、单层瓦片和无缝钢管式。优点：加工简单，缺点：材料设备受限制（三）多层式：层板包扎式、热套式和绕板式（四）绕带式：中国独创（浙大）一、结构设计及设计选型（一）整体锻造式最早采用的筒体型式,筒体和法兰可整段而出或用螺纹连接，锻造容器的质量较好,特别是和与焊接性能较差的高强钢所制作的超高压容器,受锻造条件限制,一般直径为长度不超过12米一、结构设计及设计选型（二）单层式单层厚壁高压容器有种形式：单层卷焊式：直径工序少，周期短效率高单层瓦片式：生产效率比单层卷焊差，费工费时无缝钢管式：效率高，周期短以上三种形式被三方面因素制1）厚壁材料来源2）大型机械条件3）纵向和环向深厚焊逢中缺陷检测一、结构设计及设计选型（三）多层式1）层板包扎式特点：1.只需薄板，原材料供应方便2.只需卷板机和包扎机3.只需筒体应力分布4.较单层安全5.内筒可采用与筒体不同的结构缺点：1.生产效率低2.层板材料利用率低3.层板间间隙较难控制4.导热性差一、结构设计及设计选型（三）多层式2)热套式特点：1.生产效率高，层数少2.材料来源广泛利用率高3.焊缝质量容易保证3)绕板式特点：1.效率高2.材料利用率高3.机械化程度高一、结构设计及设计选型四）绕带式对原材料要求一般材料利用率也相当高缠绕机简单制造方便成本低一、结构设计及设计选型（五）设计选型原则需综合原材料来源，配套的焊条焊丝、制造厂所具备的设备条件和工夹具条件，以及对特殊材料焊接能力、热处理要求及工厂装备条件等等，作充分调查论证后才能做到选型正确，确有把握。二、厚壁圆筒的弹性应力分析厚壁容器承受压力载荷作用时产生的应力具有如下特点：•考虑作经向、周向和径向三向应力分析•沿壁厚出现应力梯度，薄膜假设不成立•不能忽视温差应力二、厚壁圆筒的弹性应力分析（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力几何方程物理方程平衡方程厚壁圆筒的应力与变形分析dd21d211p2prrddrww+dwPPdrPrdrP二、厚壁圆筒的弹性应力分析受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力（一）力平衡方程：化简为：02sin2ddrdrddrrdrrrdrdrrr二、厚壁圆筒的弹性应力分析（二）几何方程当单元体两条圆弧边的径向位移分别为w和w+dw时微元体的径向应变：微元体的周向应变：对周向应变方程求导、变换可得：drdwdrwdwwrrwrdrddwrrrdrd1二、厚壁圆筒的弹性应力分析（三）物理方程按广义虎克定律可表示为整理以上方程组得：0322drddrdrrrzrzrrEE11二、厚壁圆筒的弹性应力分析（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力求解微分方程，得通解：根据边界条件当r＝Ri时r＝Ro时带入求出A与B：,22rBArBArirporp22222222)(iooioiioooiiRRRRPPBRRRPRPA二、厚壁圆筒的弹性应力分析（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力内外压作用下厚壁圆筒的三向应力表达式如下：周向应力径向应力轴向应力222222222222222222222211ioooiiziooioiioooiiriooioiioooiiRRRpRprRRRRppRRRpRprRRRRppRRRpRp二、厚壁圆筒的弹性应力分析（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力三向应力沿厚度的分布规律如图1）周向应力及轴向应力为正值（拉应力），径向应力为负值（压应力）2）在数值上：①为所有应力中最大②内壁处外壁处③沿壁厚均匀分3）应力沿壁厚的不均匀程度与径比K值有关R1R0zrOrpr0r二、厚壁圆筒的弹性应力分析（二）单层厚壁圆筒中的温差应力1.温差应力方程物理方程：tEtEtEttrtzztztrttzttrr111二、厚壁圆筒的弹性应力分析（二）单层厚壁圆筒中的温差应力设轴向应变z保持不变为常数，则径向和周向的热应力：代入解得MEG12trwdrdwrwGtrudrdwdrdwGztztr211212211212drdrrr2112111CrrCtrdrrwrRi二、厚壁圆筒的弹性应力分析（二）单层厚壁圆筒中的温差应力任意r处的温度t为：设因为内外表面（r＝Ri及r＝Ro）处导出稳定传热状态的三向温差应力表达式ioiooiRRRrtrRttlnlnlnoittt0tr二、厚壁圆筒的弹性应力分析（二）单层厚壁圆筒中的温差应力周向温差应力径向温差应力轴向温差应力12lnln211211lnln1211lnln11222222KKKtEKKKKtEKKKKtErtzrrtrrrt二、厚壁圆筒的弹性应力分析（二）单层厚壁圆筒中的温差应力温差应力及分布有如下规律：（1）内壁面或外壁面处的温差应力最大（2）温差应力的大小主要取决于温差△t，其次也与线膨胀系数有关，△t取决于壁厚，K越大△t越大OttztrttztrttORiRiRoRorr二、厚壁圆筒的弹性应力分析（二）单层厚壁圆筒中的温差应力2.温差应力的工程近似计算（1）计算公式的简化,令近似计算方法为：12Emtmtzt材料高碳钢低碳钢低合金钢Cr-Mo钢Cr-Ni钢m1.51.61.71.8二、厚壁圆筒的弹性应力分析（二）单层厚壁圆筒中的温差应力2.温差应力的工程近似计算2）多层圆筒温差应力工程上近似取为：对于室外容器对于室内容器t为圆筒实际壁厚ttit0.2CttCtt15.02.0二、厚壁圆筒的弹性应力分析（二）单层厚壁圆筒中的温差应力（3）不计温差应力的条件a）内外壁面的温差△t≤1.1P设时b）有良好的保温层c）高温操作的容器，材料已发生蠕变变形时内外层的热膨胀约束逐步解除二、厚壁圆筒的弹性应力分析（三）内压与温差同时作用的厚壁圆筒中的应力在弹性变形的前提下筒壁的综合应力为两种应力的迭加内加热情况下内壁应力综合后得到改善，而外壁有所恶化，外加热时则相反，内壁的综合应力恶化，而外壁应力得到很大改善。tzzzttrrr,,二、厚壁圆筒的弹性应力分析rrORiRiRoRorrO三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析当内压大到使内壁材料屈服后，再增加压力时则屈服层向外扩展，从而在近内壁处形成塑性层，塑性层之外仍为弹性层，筒体处于弹塑性状态。处于塑性状态的单层厚壁圆筒的分解弹性区塑性区RoRoPcPcPiPi三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析（一）塑性层弹塑性层交界面上压力：iiyziiyiiyrpRrpRrpRrln5.0ln1lniicycpRRpln三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析（二）弹性层出现屈服层时屈服层与弹性层的压力分布有明显区别，卸载之后，塑性层产生残余拉伸变形，弹性层仍有完全恢复弹性变形的能力，产生残余应力。222222222221212ocyzoocyoocyrRRrRRRrRRR三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析（三）自增强原理自增强处理就是将厚壁筒在使用前进行大于工作压力的超压处理，目的是形成预应力使工作时壁内应力趋于均匀。即塑性层中形成残余压应力，弹性层中形成残余拉应力。