过程设备讲义

注册机械工程师资格考核认定测试培训班过程装备前言国际标准化组织认定----人类社会经济活动中的全部产品分为:硬件产品（hardware）软件产品（software）流程性材料产品（processedmaterial）服务型产品（service）硬件产品……以固体（金属、非金属）形态为主的材料。流程性材料产品……以流体（气、液、粉粒体等）形态为主的材料。过程工业■改变流程性材料的物理和化学性能为主要目标的加工业，加工制造流程性材料产品的产业。过程工业是现代国民经济的支柱产业之一。例如：石油炼制（常减压、催化裂化、重整）、化学过程（加氢裂化、乙烯、PTA）、合成纤维、塑料、化肥（合成氨、尿素合成、碳酸氢氨等等）、精细化工……煤化工、煤液化、甲醇、聚乙烯醇……食品加工、制冷过程、材料加工过程、城市给排水，煤气、天然气……过程装备是实现过程工业生产的硬件。与一般机械设备不同，它与传热过程、传质过程、流动过程、反应过程等紧密相关。国家高技术研究发展计划（863计划）确定的6个高技术领域为信息技术、生物和现代农业技术、新材料、先进制造与自动化技术、能源技术和资源环境技术。世界范围高技术之一……世界上发达国家将“先进制造技术”列为优先发展的战略性高技术之一先进制造技术主要包括硬件产品的先进制造技术流程性材料产品的先进制造技术《先进制造技术》的理论基础硬件产品流程性材料产品固体力学机械机构学电工、电子学信息技术科学固体力学机械学电工、电子学信息技术科学材料学加工学热处理学化学流体力学热力学化学工程与工艺学流程性材料产品的先进制造技术过程原理与技术成套装置流程技术过程装备技术过程控制技术成套过程装置----组成过程工业的工作母机群，是一个独立的密闭连续系统。该成套系统包括一系列的过程设备和过程机器：见下图成套过程装置----管道过程设备阀门仪表控制流程性材料原料流程性材料产品过程机器国内大型石油化工装置过程装备－过程设备及流体机械4.3过程设备及流体机械设计过程设备：指容器（真空、常压、压力）等静止设备。反应设备、换热设备、分离设备、储存设备等。是设计院非标准设备设计主要工作。流体机械：指动设备。如泵（离心泵）；压缩机（离心压缩机）、鼓风机、离心机、过滤机等。是过程装备中需要选型和研究改进的主要设计内容。107页过程设备压力容器：承受气态或液态介质压力的密闭容器。压力容器的结构与一般容器相似，但配备有安全装置。容器结构：容器主体部分由几个不同形状的回转壳体即（受压元件：圆筒形壳体、椭圆形壳体、半球形壳体、圆锥形壳体等）组合而成；再加上辅助（非受压）的连接件、支承件等构成容器总体。P107典型的容器结构容器由筒体、封头和通用零部件组成。其中通用零部件包括：接管、支座、人（手）孔及其他附件P107压力容器的分类分类的目的：按不同目的有不同分类1）按壁厚分类2）按承压性质分类3）按（内压容器的）压力等级分类4）按壁温分类5）按结构材料分类6）按安全管理（容规）分类P107压力容器的分类－1按壁厚分类容器类别特征薄壁容器外径与内径之比K=Do/Di≤1.2壁厚与直径之比δ/Di≤0.1器壁应力为两相应力厚壁容器外径与内径之比K=Do/Di＞1.2器壁应力为三相应力P107压力容器的分类－2按承压性质分类容器类别特征内压容器内部压力大于外部压力（pi＞p0）外压容器外部压力大于内部压力（p0＞pi）（真空容器）内部压力小于外界大气压（pi＜0.1MPa绝压）大气压力、绝对压力、表压力标准大气压：0.101325MPa（A）工程上：环境大气压取：0.1MPa（A）绝压也就是0MPa（G）表压工程大气压：0.098067MPa（A）真空：负的表压（－），绝对值为真空度全真空：零绝对压力为全真空也就是0MPa（A）绝压大气压力、绝对压力、表压力压力容器的分类－3按（内压容器的）压力等级分类分类代号工作压力范围/MPa（G）低压容器L0.1≤p＜1.6中压容器M1.6≤p＜10高压容器H10≤p＜100超高压容器Up≥100注：表中压力为表压。在《压力容器安全技术监察规程》中以容器设计压力划分。P108常压容器和真空容器分类压力范围常压容器－0.02MPa（G）≤p＜0.1MPa（G）（真空容器）0.0MPa（A）≤p＜0.1MPa(A)JB/T4735钢制焊接常压容器规定的范围真空容器目前尚无专门的国家标准规定适用于不同压力范围的标准和规程规范号规范名称最高压力Mpa最低压力MpaGB150钢制压力容器35JB/T4732钢制压力容器分析设计标准100≥0.1JB/T4735钢制常压容器0.1-0.02JB/T4734铝制焊接容器8JB/T4745钛制焊接容器35ASMEⅧ－3高压容器建造的另一规程＞69压力容器安全监察规程－20001000.1超高压容器安全监察规程－941000100压力容器的分类－4按壁温分类类别壁温范围备注常温容器＞-20～200℃高温容器达到材料的蠕变温度碳素钢350℃合金钢420℃奥氏体550℃中温容器介于常温和高温之间低温容器≤-20℃-20～-40℃（浅冷设备）-40℃以下（深冷设备）注：在GB150《钢制压力容器》中，以设计温度低于或等于-20℃划分为低温压力容器。P108压力容器的分类－5按结构材料分类金属容器－碳素钢、低合金钢、不锈钢、钛、铝、铜、钽、锆、铸铁、铸钢、复合板……非金属容器－工程塑料、玻璃纤维增强塑料、石墨、陶瓷……复合结构容器－搪玻璃、钢＋涂料、钢＋橡胶……P108压力容器的分类-6按安全管理分类我国现行安全监察规程《压力容器安全技术监察规程》规定：按照容器一旦破坏时的危害程度，根据压力、压力与容积的乘积、介质特性、用途及材料设计、制造特点，综合将容器分为三类：介质特性中包括状态、温度、压力、有无毒性、有无爆炸危险。P108压力容器安全技术监察规程适用范围：⑴最高工作压力100MPa＞（pw）≥0.1MPa。⑵内直径≥0.15m，且容积V≥0.025。⑶盛装介质为气体、液化气体或最高工作温度高于标准沸点的液体。不适用于以下类型设备：超高压容器、气瓶、非金属材料容器、核工业用容器、最高工作压力小于0.1MPa的压力容器、机械上非独立承压部件、无壳体换热器。3m压力容器按安全管理分类①符合下列情况之一的，为第三类压力容器：a）高压容器；b）中压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害的介质）；c）中压储存容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且p与V乘积大于等于10MPa·m3）；d）中压反应容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且p与V乘积大于等于0.5MPa·m3）P108压力容器按安全管理分类①符合下列情况之一的，为第三类压力容器（续）：e）低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质，且p与V乘积大于等于0.2MPa·m3）f）高压、中压管壳式余热锅炉；g）中压搪玻璃压力容器；h）使用强度级别较高（指相应标准中抗拉强度规定值下限大于或等于540MPa）的材料制造的压力容器；P108压力容器按安全管理分类①符合下列情况之一的，为第三类压力容器（续）：i）移动式压力容器，包括铁路罐车（介质为液化气体、低温液体）、罐式汽车[液化气体运输（半挂）车、低温液体运输（半挂）车、永久气体运输（半挂）车]和罐式集装箱（介质为液化气体、低温液体）等；j）球形储罐（容积大于等于50m3）；k）低温液体储存容器（容积大于5m3）。P109压力容器按安全管理分类②符合下列情况之一的，为第二类压力容器（上述第一条规定的除外）：a）中压容器；b）低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；c）低压反应容器和低压储存容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质）；d）低压管壳式余热锅炉；e）低压搪玻璃压力容器。P109压力容器按安全管理分类③低压容器为第一类压力容器（上述第一条、第二条规定的除外）。介质的危害程度，请参照HG20660《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类》的规定。P109压力容器的标准化1）标准化的意义2）标准化的基本参数①公称直径DN（见表4.3.1.3）a）容器的公称直径指的是容器的内径b）无缝钢管的公称直径指的是管子的名义直径(见表4.3.1.4)c）无缝钢管作为容器时容器的公称直径可采用管子的外径DN=D。。d）有缝钢管的公称直径。（压力容器不得采用有缝管）e）容器法兰的公称直径。采用与容器相同的系列。P109压力容器的标准化②公称压力PN容器设计压力由设计人根据GB150的规定决定。标准件如容器法兰和管法兰的公称压力等级据现有标准决定。压力容器法兰MPa0.250.61.01.62.54.06.4管法兰MPa0.250.61.01.62.54.06.3内压薄壁容器的设计内压薄壁容器（K=Do/Di≤1.2，或δ/Di≤0.1）的承压范围一般为中、低压。容器按形状可以分为圆筒形和球形两种，比较常用的是圆筒形容器。圆筒形容器由圆筒形壳体与各种形状的封头组成。其结构和受力分析见下图：P110内压薄壁容器的封头图4.3.1-2凸形封头、锥形封头和平板形封头P110内压薄壁容器中的应力图4.3.1-3内压圆筒的薄膜应力P111圆筒的内径公式内压力在轴（经）向产生的总轴向力：圆筒总截面积：筒体轴向应力：ciP21D4F＝i1Df＝4DPD421iicicPD＝圆筒的内径公式内压力在径（环）向作用力半圆筒投影面上的合力：圆筒纵截面积：筒体环向应力：LPicDF2＝L2f2＝22DP2icicDPLL＝内压薄壁容器中的应力内压薄壁容器器壁应力可视为两相薄膜应力。此时如果壳体壁厚、材料、曲率半径和载荷无突变，根据无力矩理论，计算中可以忽略内力矩和横向剪力。也称为薄膜理论。薄膜应力当容器承受均匀内在压力p时，器壁中产生两向应力（薄膜应力），一个是沿壳体经线方向的应力，称为经向应力，用σm表示；一个是沿壳体纬线方向的应力，称为环向应力，用σθ表示。P111圆筒体薄膜应力公式注：p——设计压力，MPa；δ——容器筒体的壁厚，mm；D——筒体中面直径，mm；其余符号如图示。P111最大应力值球壳薄膜应力公式其它回转体的薄膜应力公式见P111～P112P112最大应力值内压薄壁容器中的弯曲应力2）边缘弯曲应力壳体上不同母线、不同壁厚、不同材料的连接处以及应力沿经向有突变处称为连接边缘或边界（见图4.3.1-4）。在边缘处由于两部分壳体的自由变形不协调，会产生边缘弯曲应力，其数值可达到薄膜应力的几倍甚至十几倍。P113边缘弯曲应力图4.3.1-4连接边缘P113边缘弯曲应力边缘弯曲应力属于二次应力，特点是数值很大，作用范围小，不会直接引起容器的破坏。不必精确计算，只在结构上作局部处理。①尽量采用等壁厚连接。②采用圆滑过渡，封头加直边的结构。③采用局部加强的结构P113页内压容器的设计受压圆筒壁厚计算公式（GB150中径公式）（4.3.1-1）将δ称为筒体的计算厚度。计算厚度加上腐蚀裕量C2，称为设计厚度。δd=δ+C2（4.3.1-2）球壳及各种封头的厚度计算公式，列入表4.3.1-8。（见测试手册）P113内压容器的设计参数①压力除注明者外，压力均指表压力。a)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。b)设计压力p。指设定的容器顶部的最高压力，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。c)计算压力pc。指在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。P115设计参数－压力对于有不同工况的容器，应按最苛刻的工况设计，并在图样或相应技术文件中注明各工况的压力。设计压力值可以参考表4.3.1-9，最终以设计条件确定。P110设计压力的取值-1设计条件设计压力p的取值容器上装有超压泄放装置时压力容