过程设备设计知识点

1.过程设备的应用：1）加氢反应器2）储氢容器3）超高压食品杀菌釜4）核反应堆5）超临界流体萃取装置6）深海潜艇2.过程设备的特点：过程设备向多功能，大型化，成套化和轻量化方向发展1）功能原理多种多样2）化机电一体化3）外壳一般为压力容器3.压力容器规范：中国：GB150《钢制压力容器》，JB4732《钢制压力容器---分析设计标准》、JB/T4735《钢制焊接常压容器》和技术法规《固定式压力容器安全技术监察规程》等4.过程设备的基本要求：1）安全可靠：1.材料的强度高、韧性好。2.材料与介质相容。3.结构有足够的刚度和抗失稳能力。4.密封性能好。2）满足过程要求：1.功能要求。2.寿命要求。3）综合经济性好：1.生产效率高、消耗低。2.结构合理，制造简便。3.易于运输和安装4）易于操作、维护和控制：1.操作简单。2.可维护性。3.便于控制5）优良的环境性能5.压力容器的基本组成：1）筒体2）封头3）密封装置4）开孔与接管5）支座6）安全附件6.7.介质危害性：介质的毒性、易燃性、腐蚀性、氧化性等，影响分类的主要是毒性和易燃性8.毒性：极度危害（Ⅰ级）0.1mg/m3高度危害（Ⅱ级）0.1~1mg/m3中度危害（Ⅲ级）1~10mg/m3轻度危害（Ⅳ级）10mg/m39.压力容器的分类：1）按压力容器等级分：低压容器L0.1~1.6MPa；中压容器M1.6~10.0MPa；高压容器H10~100MPa；超高压容器U100MPa~2）按容器在生产中的作用分类：反应压力容器R；换热压力容器E；分离压力容器S；储存压力容器C球罐B。3）按安装方式分类：固定式压力容器；移动式压力容器。4）按安全技术管理分类：1.介质分组：第一组介质：毒性危害程度为极度危害、高度危害的化学介质，易爆介质，液化气体。第二组介质2.压力容器分类10.国外主要规范标准简介：ASME规范（美国）JISB8266《压力容器构造---特定标准》（日本）EEC/EC指令和协调标准（欧盟）11.国内主要规范标准介绍：法律---行政法规---部门规章---安全技术规范---引用标准12.压力来源的三种情况：一是流体经泵或压缩机，通过与容器相连接的管道，输入容器内而产生压力。如氨合成塔，尿素合成塔。二是加热盛装液体的密闭容器，液体膨胀或汽化后使容器类压力升高，如人造水晶釜。三是盛装液化气体的容器，如液氨储罐，其压力为液体的饱和蒸气压。13.非压力载荷：分为整体载荷和局部载荷。整体载荷：重力，风，地震，运输。局部载荷：管系载荷，支座反力和吊装力14.载荷工况：1.正常操作工况2.特殊载荷工况（ⅰ压力试验ⅱ开停工及检修）3.意外载荷工况15.对于圆筒，（Do/Di）max《1.1~1.2，则成为薄壁圆筒，反之，则称为厚壁圆筒16.无力矩理论应用条件1）壳体的厚度、中面曲率和载荷连续，没有突变，且构成壳体的材料的物理性能相同2）壳体的边界处不受横向剪力、弯矩和转矩作用3）壳体的边界处的约束沿经线的切线方向，不得限制边界处的转角与挠度17.不连续效应：由于这种总体结构不连续，组合壳在连接处附近的局部区域出现衰减很快的应力增大现象。该处的应力具有局限性和自限性18.厚壁圆筒的筒壁应力值19.热应力：因温度变化引起的自由膨胀或收缩受到约束，在弹性体内所引起的应力。20.厚壁圆筒中压力与容积变化量的关系OA段：弹性变形阶段A点：初始屈服压力PsAC段：弹塑性变形阶段B点：全屈服压力PsoC点：塑性垮塌压力CD段：爆破阶段D点：爆破压力Pb21.自增强：原理：通过超工作压力处理，由筒壁自身外层材料的弹性收缩引起残余应力的方法；目的：提高屈服承载能力22.失稳现象：承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一值时，壳体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波纹，载荷卸去后，壳体不能恢复原状的现象23.失稳时呈现两个波纹，n=2，这样的圆柱壳称为长圆筒。n2，称为短圆筒。24.过大的局部应力会使结构处于不安定状态；在变动载荷作用下，局部应力处易形成裂纹，有可能导致疲劳失效。25.降低局部应力的措施：⑴合理的结构设计①减少两连接件的刚度差②尽量采用圆弧过渡③局部区域补强④选择合适的开孔方位⑵减少附件传递的局部载荷⑶尽量减少结构中的缺陷26.钢材分类:钢板，钢管，锻件27.钢材类型：碳素钢：含碳量小于0.02~2.11％的铁碳合金。以及少量硫、磷、硅、氧、氮等元素10、20钢钢管；20、35钢锻件Q235-BQ235-C系列钢板Q245R、20G低合金钢：Q345R,16MnDR,15MnNiDR,09MnNiDR,15CrMoR,20MnMo,09MnNiD,12Cr1MoVR高合金钢:0Cr13(S11316)，0Cr18Ni9，0Cr18Ni10Ti，0Cr19Ni10，00Cr18Ni5Mo3Si328.有色金属：铜及铜合金，铝及铝合金，镍及镍合金，钛及钛合金29.非金属材料：涂料，工程塑料，不透性石墨，搪瓷，陶瓷30.冷加工：定义：在再结晶温度以下进行的塑性变形特点：冷变形中无再结晶出现，因而有加工硬化现象。由于冷变形时有加工硬化现象，塑性降低，每次的冷变形程度不宜过大，否则，变形金属将产生断裂破坏。31.热加工：定义：凡是在再结晶温度以上进行的塑性变形特点：热变形时加工硬化和再结晶现象同时出现，但加工硬化被再结晶消除变形后具有再结晶组织，因而无加工硬化现象。32.应变时效：定义：经冷加工塑性变形的碳素钢、低合金钢，在室温下停留较长时间，或在较高温度下停留一定时间后，会出现屈服点和抗拉强度提高，塑性和韧性降低的现象，称为应变时效。危害：发生应变时效的钢材，不但冲击吸收功大幅度下降，而且韧脆转变温度大幅度上升，表现出常温下的脆化。降低危害的措施：一般认为，合金元素中，碳、氮增加钢的应变时效敏感性。减少碳、氮含量，加入铝、钛、钒等元素，使它们与碳、氮形成稳定化合物，可显著减弱钢的应变时效敏感性。31.焊接接头包括焊缝、熔合区和热影响区33.焊接接头常见缺陷：裂纹，夹渣，未焊透，未熔合，焊瘤，气孔，咬边34.焊接接头检验：破坏性检验非破坏性检验：外观检查（直观，量具）；密封性检验（水，气，油）；无损检测（射线透照，超声波，表面（磁粉，渗透，涡流））35.蠕变现象：定义：在高温和恒定载荷的作用下，金属材料会产生随时间而发展的塑性变形，这种现象被称为蠕变现象。36.蠕变曲线三阶段：减速蠕变，恒速蠕变，加速蠕变37.松弛：在高温和应力作用下，随着时间的增长，如果变形总量保持不变，蠕变而逐渐增加的塑性变形将逐步代替原来的弹性变形，从而使零件内的应力逐渐降低，这种称为松驰。38.松弛的危害：如高温压力容器中的连接螺栓，可能因松弛而引起容器泄漏39.按机理的腐蚀分类：电化学腐蚀，化学腐蚀，应力腐蚀40.应力腐蚀的特征：拉伸应力；特定合金和介质的组合；一般为延迟脆性断裂41.应力腐蚀的三个阶段：孕育阶段；裂纹稳定扩展阶段；裂纹失稳阶段42.常见的应力腐蚀：碱溶液（碱脆）；湿硫化氢（硫裂）；液氨（氨脆）；氯化物溶液（氯脆）43.应力腐蚀的预防措施：合理选择材料；减少或消除残余拉应力；改善介质条件；涂层保护；合理设计38.压力容器失效形式：按机理：突发性失效；退化性失效（长期，循环载荷引起）按原因：强度失效，刚度失效，失稳失效，泄露失效39.强度失效：因材料屈服或断裂引起的压力容器失效，称为强度失效，包括韧性断裂；脆性断裂；疲劳断裂；蠕变断裂；腐蚀断裂等40.刚度失效：由于构件过度的弹性变形引起的失效。如塔受风41.失稳失效：在压应力作用下，压力容器突然失去其原有的规则几何形状引起的失效42.泄漏失效：泄漏而引起的失效。危害——可能引起中毒、燃烧和爆炸等事故，造成环境污染43.屈服和断裂是容器强度失效的两种表现形式44.韧性断裂——是压力容器在载荷作用下，产生的应力达到或接近所用材料的强度极限而发生的断裂断裂特征——断后有肉眼可见的宏观变形，如整体鼓胀，周长伸长率可达10～20%，断口处厚度显著减薄；没有碎片，或偶尔有碎片；按实测厚度计算的爆破压力与实际爆破压力相当接近45.脆性断裂——是指变形量很小、且在壳壁中的应力值远低于材料的强度极限时发生的断裂。断裂特征——断裂时容器没有膨胀，即无明显的塑性变形；其断口齐平，并与最大应力方向垂直；断裂的速度极快，常使容器断裂成碎片。46.断裂原因---材料脆性和缺陷。47.疲劳断裂——在交变载荷作用下，经一定循环次数后产生裂纹或突然发生断裂失效的过程。包括裂纹萌生、扩展和最后断裂三个阶段48.疲劳断口由裂纹源、裂纹扩展区、瞬时裂纹区三部分组成49.筒体结构：多层包扎式：优点：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。缺点：筒体制造工序多、周期长、效率低、钢材利用率低（仅60%左右）；深环焊缝对制造质量和安全有显著影响。①无损检测困难，环焊缝的两侧均有层板，无法用超声检测，只能射线检测；②焊缝部位存在很大的焊接残余应力，且焊缝晶粒易变得粗大而韧性下降；③环焊缝的坡口切削工作量大，且焊接复杂。热套式：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绕板式：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：薄卷板存在中间厚两边薄，卷板后易累积间隙。整体多层包扎式：优点：环、纵焊缝错开，筒体与封头或法兰间的环焊缝为一定角度的斜面焊缝，承载面积增大。绕带式：两种结构：型槽绕带式；扁平钢带倾角错绕式优点：筒体具有较高的安全性，机械化程度高，材料损耗少，且由于存在预紧力，在内压用下，筒壁应力分布较均匀;缺点：钢带需由钢厂专门轧制，尺寸公差要求严，技术要求高；为保证邻层钢带能相互啮合，需采用精度较高的专用缠绕机床.50.厚度示意图：51.计算厚度（δ）——由公式采用计算压力得到的厚度。必要时还应计入其它载荷对厚度的影响。52.设计厚度（δd）——计算厚度与腐蚀裕量之和。δd＝δ＋C253.名义厚度（δn）——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，即标注在图样上的厚度。δn＝δd＋C1＋Δ=δ＋C1＋C2＋Δ54.有效厚度（δe）——名义厚度减去钢材负偏差和腐蚀裕量。δe＝δn－C1－C255.厚度附加量（C）——由钢材的厚度负偏差C1和腐蚀裕量C2组成。C=C1+C256.计算压力——是指在相应设计温度下，用以确定元件最危险截面厚度的压力，其中包括液柱静压力。通常情况下，计算压力=设计压力+液柱静压力当元件所承受的液柱静压力5%设计压力，可忽略不计57.静密封（可拆卸密封）：螺纹连接；承插件连接；螺栓法兰连接58.泄漏途径：渗透泄漏：密封件本体毛细管的渗透泄漏，不但与介质压力、温度、粘度、分子结构等流体状态性质有关，还与密封材料的结构与材料性质有关。界面泄漏：密封件与压紧面间的泄漏，主要与界面间隙尺寸有关，其是密封失效的主要途径。59.影响密封性能的主要因素：（1）螺栓预紧力1.预紧力使垫片压紧实现初始密封2.适当提高预紧力可增加垫片的密封能力，即在正常工况下保留较大的接触面比压力3.预紧力不宜太大，否则使垫片整体屈服丧失回弹能力，甚至将垫片挤出或压坏4.预紧力应均匀地作用到垫片上，可采取减小螺栓直径、增加螺栓个数等措施来提高密封性能（2）垫片性能1.垫片变形能力和回弹能力是形成密封的必要条件2.垫片还应具有能适应介质的温度、压力和腐蚀等的性性能3.垫片比压力y和垫片系数m：与垫片材料、结构与厚度关，还与介质性质、压力、温度、压紧面粗糙度等因素有关，而且m和y之间也存在内在联系（3）压紧面质量1.压紧面又称密封面，其形状和粗糙度应与垫片相匹配2.使用金属垫片时其压紧面的质量要求比使用非金属垫片时高3.压紧面表面不允许有刀痕和划痕4.应