24-内压容器设计

1第四章内压薄壁圆筒与封头的强度设计2压力容器设计总论压力容器的设计=结构设计+强度设计确定设计参数进行强度计算确定设计壁厚强度条件：[]应力分析：σθ，σm强度理论：σr=f(σθ，σm)三大任务σlim/n强度计算的内容：1、设计压力容器2、校核在用容器设计方法常规设计分析设计弹性失效塑性失效弹塑性失效4§4.1强度设计的基本知识5弹性失效的设计准则对于中、低压薄壁容器，容器上一处的最大应力达到材料在设计温度下的屈服点σst，该容器即告破坏。强度安全条件：n0当6薄膜应力强度条件1230m313r薄膜应力的强度条件：3[]r根据第三强度理论：内压圆筒强度条件为：2pD7§4.2内压薄壁圆筒壳与球壳的强度设计§4.2.1强度计算公式8依据中径公式+第三强度理论得：参数变换：1.将中径换算为圆筒内径，D=Di+δ;2.压力换为计算压力Pc；3.考虑到焊缝处因气孔、夹渣等缺陷以及热影响区晶粒粗大等造成的强度削弱，引进焊缝系数f1；4.材料的许用应力与设计温度有关。2pD内压薄壁圆筒壳的强度设计9内压圆筒强度计算公式：2citcpD(mm)pf再考虑腐蚀裕量C2,于是得到圆筒的设计壁厚为：22cidtcpDC(mm)pf+计算壁厚公式：内压薄壁圆筒壳的强度设计GB150-201110再考虑到钢板的负偏差C1（钢板在轧制时产生了偏差）和根据钢板标准规格向上圆整——名义壁厚公式：212cintcpDCC(mm)pf+++这是写在图纸上的钢板厚度！内压薄壁圆筒壳的强度设计11t2cietepDf+式中δe——有效壁厚，δe=圆整后的壁厚（δn）－C1－C2。2tewiep(MPa)Df+强度校核公式：1）在工作压力及温度下，现有容器强度够否？2）现有容器的最大允许工作压力如何？内压薄壁圆筒壳的强度设计12由薄膜理论：120044mz3pDpD即由第三强度理论，强度条件：4pD当则导出壁厚计算公式：221444citccidtccintcpD(mm)ppDC(mm)ppDCC(mm)pfff++++计算壁厚设计壁厚名义壁厚内压薄壁球壳的强度设计13t44cieteteWiepDpDff++球壳应力校核公式：球壳最大允许工作压力：内压薄壁球壳的强度设计14§4.2.2设计参数的确定15工作压力PW正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高压力。由工艺计算确定：化学反应所要求的；传递过程所必需的；由液化气体的饱和蒸汽压所决定的。压力（表压）设计压力p：相应于设计温度下容器顶部的最高压力---设计载荷。取值方法：（1）容器上装有安全阀取不低于安全阀开启压力：p≥（1.05～1.1）pw系数取决于弹簧起跳压力。（2）容器内有爆炸性介质，安装有防爆膜时：设计压力不得低于爆破片设计爆破压力加制造范围上限，可取(1.15~1.75)Pw。防爆膜装置示意图（3）无安全泄放装置——取p=（1.0~1.1）pw。（4）盛装液化气容器——设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。（地面安装的容器按不低于最高饱和蒸汽压考虑，如40℃，50℃，60℃时的气体压力）。注意：要考虑实际工作环境，如放置地区，保温，遮阳，喷水等。例如：液氨储罐。金属壁温最高工作为50℃，氨的饱和蒸汽压为2.07MPa。1.容器的设计压力？2.若容器安放有安全阀，设计压力？（5）外压容器——取p≥正常操作下可能产生的最大压差。注意：“正常操作”——含空料，真空检漏，稳定生产，中间停车等情况。（6）真空容器不设安全阀时，取0.1MPa；设有安全阀时取Min（1.25×△p,0.1MPa)。釜壁可能承受压力情况：※釜内空料，夹套内充蒸汽-----外压0.2MPa;※釜内真空，夹套内充蒸汽-----外压0.3MPa;※釜内0.3MPa，夹套内0.2MPa----内压0.1MPa;※釜内0.3MPa，夹套内空料—--内压0.3MPa;釜壁承受的最大压差:内压0.3MPa或外压0.3MPa.（7）带夹套容器——取正常操作时可能出现的最大内外压差。例如带夹套的反应釜：夹套内蒸汽压力为0.2MPa,釜内开始抽真空，然后釜内升压至0.3MPa。该釜壁承受压力如何？计算压力pc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。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。即计算压力设计压力+液柱静压力≥5%P时计入)可见，计算压力设计压力工作压力容器顶部表压例：一立式容器，工作压力0.5MPa，液体深10m，重度为10,000N/m3。pw=0.5MPa,p=0.5MPapc=0.5+(10×10,000)/1,000,000=0.6MPa计算压力Pc与设计压力P的关系确定压力容器受压元件的尺寸一般筒体、封头由计算压力来确定其壁厚：Pc＝P夹套容器的内筒，其计算压力按生产中可能出现的最大压差来确定：Pc内筒≠P内筒设计法兰、人孔、手孔、视镜等，根据设计压力P通过有关标准查取。压力容器进行压力试验试验压力根据设计压力P来确定，与计算压力无关。对压力容器的监察管理按设计压力P对压力容器进行分类。23设计温度设计温度指容器正常工作过程中，在相应的设计压力下，设定的受压元件的金属温度t（沿元件金属截面的温度平均值）。金属温度不低于0℃：设计温度不得低于容器工作时器壁金属可能达到的最高温度；金属温度低于0℃：设计温度不能高于元件金属可能达到的最低温度。设计温度在容器设计中的作用：①选择材料；②确定许用应力。设计温度的确定容器内的介质用蒸气直接加热，或用电元件加热，或进入容器的介质已被加热设计温度取介质的最高温度容器内的介质是被热（冷）载体从外边间接加热取热载体的最高温度或冷载体的最低温度设计储存容器最低设计温度取历年来月平均最低气温的最低值对间歇操作设备，若器内介质的温度和压力随反应和操作程序作周期性变化取最苛刻但却属同一时刻的温度和压力作为设定设计温度和设计压力的依据（1）对类似设备实测；（2）传热计算；（3）按内部介质温度确定。25定义式：limn极限应力（）安全系数（）（1）许用应力〔〕的确定：bbssnnMin,)(2.0工作温度为中温，取btbsttsnnMin,)(2.0工作温度为常温（＜200）取许用应力和安全系数工作温度为高温，取DtDntnsttsnnnMin,,)(2.0式中ntDt----设计温度下材料的蠕变强度和持久强度。nn,nD----蠕变强度和持久强度的安全系数。在GB150《钢制压力容器》中，对钢板、锻件、紧固件均规定了材料的许用应力。注意：奥氏体不锈钢的许用应力有两组数值。（2）安全系数及其确定：影响安全系数的因素：①计算方法的准确性、可靠性和受力分析的精度；②材料质量和制造的技术水平；③容器的工作条件及其在生产中的重要性和危险性。安全系数材料nbnsnDnn碳素钢、低合金钢≥3.0≥1.6≥1.5≥1.0高合金钢≥3.0≥1.5≥1.5≥1.028容器上存在有：纵焊缝A类焊缝环焊缝B类焊缝需要进行无损检验。检验方法主要是：X射线检查和超声波检查。焊接接头系数（φ）压力容器上有多种焊接接头，它们的强度直接影响容器的强度。常见的焊接形式：不连续，受力较差；用于加强圈与壳体、支座垫板与器壁、凸缘与容器焊接。受热均匀，受力对称，便于无损检测，焊接质量容易保证；用于压力容器。结构不连续，应力集中严重，焊接质量不易保证；用于接管、法兰、夹套、管板和凸缘。×φ焊接接头系数φ：焊缝金属与母材强度的比值，反映容器强度受削弱的程度。容器的焊接接头系数的选取焊接接头结构100%无损检验局部无损检验示意图双面对接焊1.00.85带垫板单面对接焊0.900.80381.可否采用搭接焊结构制作压力容器壳体？为什麽？2.焊缝处为什麽要进行无损探伤检查？3.焊缝系数（φ）为什麽小于等于1？4.取焊缝系数的依据是什麽？5.壁厚计算公式中的[σ]t是钢板的许用应力，还是焊缝材料的许用应力？6.带垫板的焊缝结构中，垫板的作用是什麽？是否起加强作用？39厚度附加量在满足强度要求而计算出的厚度之外，考虑其他因素而额外增加的厚度量，包括钢板负偏差C1和腐蚀裕量C2,即：C=C1+C21、钢板或钢管厚度负偏差C1例如：在设计容器壁厚时要预先考虑负偏差。低合金和不锈钢钢板厚度负偏差一律为-0.3mm。钢板负偏差参见p116表6-5、6-6选取。2()Cnmm钢板的年腐蚀率(mm/a)容器的设计寿命，一般为10~15年对碳素钢、低合金钢，一般情况Ka=0.05～0.13mm/a的轻微腐蚀时，对单面腐蚀取C2=1～2mm;对双面腐蚀取C2=2～4mm。对于不锈钢，一般取0。2、腐蚀裕量C2容器元件由于腐蚀或机械磨损——厚度减薄。——在设计壁厚时要考虑容器使用寿命期内的安全性！1.确定腐蚀裕度的依据？2.腐蚀裕度的有效期？3.列管换热器的管子、壳体腐蚀裕度如何定？＊容器各元件受到的腐蚀程度不同时，设计中可采用不同的腐蚀裕量。＊介质为压缩空气、水蒸气或水的碳钢或低合金钢容器，单面腐蚀裕量不小于1mm；＊对不锈钢容器，腐蚀轻微时可取C2=0。42直径系列与钢板厚度要按照钢板厚度尺寸系列标准GB709-88的规定选取。P99表4-13。压力容器的直径系列已经施行标准化（GB9019-88)，筒体与封头的公称直径配套。见P60表2-5。434.2.3容器的壁厚和最小壁厚1.容器壁厚名义厚度δn(图样厚度)计算厚度δ设计厚度δd有效厚度δe毛坯厚度腐蚀裕量C2钢板负偏差C１厚度圆整值加工减薄量(由制造厂考虑附加量)C=C１+C2实际壁厚不得小于名义壁厚减去钢板负偏差，可保证强度热加工封头时，加工单位应预先考虑加工减薄量！2.最小壁厚为保证容器制造、运输、安装时的刚度要求，限定容器实际最小壁厚（指不含腐蚀裕量的壁厚）：●碳钢和低合金钢制容器≥3mm。●高合金钢制容器≥2mm。1.标注在图纸上的容器壁厚是如何确定的？2.壁厚加工减薄量由谁定？3.加工后容器的实际壁厚不能小于多厚才可以在使用寿命期内保证安全？4.规定容器最小壁厚的目的是什麽？459.2.4压力试验什么时候进行压力试验？1）容器制成后；2）新装容器使用前；3）检修后。试验目的：1）检验容器宏观强度：是否出现裂纹,是否变形过大；2）密封点及焊缝的密封情况。要知道！（1）需要焊后热处理的容器，须热处理后进行压力试验和气密试验；（2）须分段交货的容器，在工地组装并对环焊缝进行热处理后，进行压力试验；（3）塔器须安装后进行水压试验；压力试验分类：1）液压试验：介质一般为水充水排气设计压力无泄漏开始试验压力下保压30分钟卸压吹净结束试验压力的80%保压检查注意：不锈钢容器——水中氯离子不得超过25mg/L。试压合格的条件：1）无渗漏；2）无可见变形；3）试验过程中无异常响声；4）σb≥540MPa的材料，表面经无损检验无裂纹。2）气压试验——不适合液压试验的，如因结构缘故排液或充液困难，或容器内不允许残留微量液体时采用。3）气密试验—针对介质具有毒性程度为极度或具有高度危害的容器；——在液压试验后进行；——气密试验压力取设计压力。4）压力试验强度校核——名义壁厚确定后，校核压力试验条件下的强度是否满足要求，以免进行压力试验时出现危险。试验压力的确定内压容器的试验压力：ttpp15.1p25.1pTT气压试验液压试验p——设计压力MPa;[元件材料在实验温度下的许用应力，MPa;[t——元件材料在设计温度下的许用应力，MPa。【注】