化工设备设计基础

第二篇化工设备设计基础第七章概述§7.1容器的结构与分类§7.2容器机械设计的基本要求§7.3容器的标准化设计§7.4化工容器常用金属材料的基本性质7.1容器的结构与分类•化工设备分类——按照用途分反应设备：完成介质的物理、化学反应的设备换热设备：完成介质的热量交换的设备分离设备：储运设备：用来盛装生产和生活用的原料气体、液体、液化气等设备的共同特点是都有一个外壳。外壳称作容器7.1容器的结构与分类•容器：化工生产所用各种化工设备外部壳体的总称。•容器一般由几种壳体（如圆柱壳、圆锥壳、椭球壳）组合而成。再加上连接法兰、支座、接口管、人孔、手孔、视镜等零部件。液面计接管筒身支座封头人孔二、容器的分类•分类方法形状厚度承压性质工作温度支承形式结构材料技术管理圆筒形容器球形容器方形和矩形容器形状分厚壁容器薄壁容器容器厚度分2020020低温：低于高温之间中温：常温度高温：达到材料蠕变温常温：壁温分外压容器、高、超高内压容器：常、低、中承压性质立式容器卧式容器支承形式分第一类压力容器第二类压力容器第三类压力容器安全技术管理分璃钢、搪瓷非金属：硬聚乙烯、玻钢、不锈钢金属：低碳钢、低合金结构材料分设计资质7.2.容器机械设计的基本要求7.2.1容器机械设计条件及程序：1.容器机械设计条件：（1）工艺结构要求及基本工艺尺寸；（2）工作压力、工作温度及工作介质；（3）容器的工作环境、重要程度；确定设计依据及相关标准开始选择材料确定容器类别结构设计壁厚设计零部件设计压力试验核算绘制施工图校核审核结束合格合格不合格不合格批准2.机械设计程序机械设计的基本要求：1.强度——不发生破坏如焊缝开裂，筒体爆破，螺栓拉断等。2.刚度——不发生过大变形如塔体倾斜，塔盘下凹等。3.稳定性——不发生瘪塌或褶皱如卧式容器支座之间的筒体发生瘪塌，气柜抽负瘪塌，塔体支座在起吊时发生瘪塌等。4.耐久性——保证使用寿命。一般化工设备设计使用寿命为10～15年。大多取决于腐蚀情况，有些取决于疲劳、蠕变或振动。5.密封性——包括内漏和外漏。6.标准化设计法兰、螺栓、封头、筒体、支座、接管、人孔7.方便制造、操作与检修，便于运输※操作阀门位于操作台面2米高，可否？※储罐内介质脏，设计结构如何考虑？※塔高100米，设计要求整体运输。合理？※直径2米的碳钢制容器，壁厚2mm就满足强度要求，可否批准？8.技术经济指标合理经济指标：单位生产能力；消耗系数；设备价格；管理费用和生产总成本。7.3.1标准化的意义•设计——无需计算和制图，按已有标准图选择。•制造——有利于成批生产，降低成本，保证产品质量，提高竞争力。•维修——备件规格尺寸通用，实现互换性。•通商贸易——国内、国际间通用，消除贸易障碍。我国已实现容器零部件标准化的有：圆筒体、封头、法兰、支座、人孔、手孔、视镜和液面计等。7.3容器标准化设计国外主要规范国外的规范主要有四个：美国ASME规范，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）。相关法规及常用标准1.基本法规：《压力容器安全技术监察规程》—国家质量技术监督局19992.压力容器常用标准：GB150-98《钢制压力容器》国家标准GB151-99《管壳式换热器》国家标准JB4709-2000《钢制压力容器焊接规程》JB4730-2005《压力容器无损检测》HG20592~20635-97《钢制管法兰、垫片、紧固件》JB/T4700~4707-2000《压力容器法兰》7.3容器的标准化设计二、容器零部件标准化的基本参数公称直径DN：将容器及管子直径加以标准化以后的标准直径。公称压力PN：规定的标准应力等级（板卷）无缝管筒体接管封头法兰接管公称直径DN是公称直径，(或叫公称通径),就是各种管子与管路附件的通用口径。同一公称直径的管子与管路附件均能相互连接，具有互换性.它不是实际意义上的管道外径或内径，虽然其数值跟管道内径较为接近或相等；公称直径A．压力容器(筒体、封头)的公称直径：由钢板卷制的筒体，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。B．管子：公称直径既不是它的内径，也不是外径，而是小于管于外径的一个数值。只要管子的公称直径一定，它的外径也就确定了，而管子的内径则根据壁厚的不同有多种尺寸，它们大都接近于管子的公称直径。C．其它零部件的公称直径：有些零部件的公称直径，如压力容器法兰，鞍式支座等就是指与它相配的筒体与封头的公称直径。而管法兰、手孔等则是指与它相配的管子的公称直径。7.4化工容器常用金属材料的基本性能选用材料的一般要求（1）材料品种应符合我国资源和供应情况；（2）材质可靠，能保证使用寿命；（3）足够的强度，良好的塑性和韧性，对腐蚀性介质能耐腐蚀；（4）便于制造加工，焊接性能良好；（5）成本低，经济上合算。选材要抓住主要矛盾，遵循适用、安全和经济的原则。7.4化工容器常用金属材料的基本性能一、力学性能材料抵抗外力而不产生超过允许的变形或不被破坏的能力，叫做材料的力学性能。主要特征指标包括强度、塑性、韧性、硬度、材料高温下的力学性能这是设计时选用材料的重要依据。二、物理性能：密度、熔点、热膨胀系数、导热系数和导电性等三、化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性四、工艺性能五、其他性能屈服极限1、强度强度是固体材料在外力作用下抵抗产生塑性变形和断裂的特性。常用的强度指标有屈服点和抗拉强度等。2.0s或强度极限b持久极限1-断后伸长率2、塑性金属在外力作用下产生塑性变形而不被破坏的能力。0ll断面收缩率0AA•韧性：是材料对缺口或裂纹敏感程度的反映•冲击韧性来表示材料承受动载荷时抗裂纹的能力。•冲击载荷：在很短时间内作用于物体上的载荷特点：加载时间短加载速率高必须考虑材料在冲击载荷作用下的破坏行为3、韧性冲击韧性实验材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力。用冲击吸收功AK或冲击韧度αK表示。冲击功AK=GH1-GH2，冲击韧度αK=AK/F（F为面积）冲击实验机冲击实验4、硬度•硬度是指金属材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。•可用硬度试验机测定，常用的硬度指标有布氏硬度HBW、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和维氏硬度HV。布氏硬度试验原理式中F—试验力（N）；d—压痕平均直径（mm）；D—硬质合金球直径（mm）222dDDDF布氏硬度试验的优缺点•优点：试验时使用的压头直径较大，在试样表面上留下压痕也较大，所得值也较准确。应用：布氏硬度试验常用来测定原材料、半成品和性能不均匀材料（如铸铁）的硬度。缺点：对金属表面的损伤较大，不易测试太薄工件的硬度，也不适于测定成品件硬度。5、材料在高温下的力学性能-蠕变极限(σn)高温（比如：碳素钢＞420℃，合金钢＞450℃）一定应力联合作用下金属将逐渐产生塑性变形蠕变蠕变：在高温时，在一定的应力下，应变随时间而增加的现象，或者金属在高温和应力作用下逐渐产生塑性变形的现象。蠕变极限：材料在高温条件下抵抗发生缓慢塑性变形的能力。表现为两种：a在工作温度下引起规定变形速度的应力值；b在一定工作温度下，在规定的使用时间内，使试件发生一定量的总变形的应力值。二、物理性能相对密度熔点热膨胀性导热性导电性磁性弹性模数泊桑比三、化学性能主要指耐腐蚀性和抗氧化性1、耐腐蚀性：金属和合金对周围介质，如大气、水汽、各种电解液侵蚀的抵抗能力。2、抗氧化性：在高温工作条件下，设备不仅有自由氧的氧化腐蚀过程，还有其他气体介质（如水蒸气，CO2、SO2等）的氧化腐蚀作用。四、工艺性能金属和合金的加工工艺性能是指铸造性、可锻性、可焊性、切削加工性、热处理性能等。对于设计压力容器最重要的两个性能是：1、良好的冷热加工性能例A：用钢板卷制筒体，如果不好会发生裂纹，存在事故的隐患。例B：冲压封头，微裂纹或宏观裂纹，都会使以后的生产造成事故。2、良好的焊接性能例：容器焊缝裂纹扩展，易造成事故。