过程设备设计基础总结

第一章压力容器导言1.压力容器基本组成：筒体，封头，密封装置，开孔与接管，支座，安全附件。2.介质危害性：指介质的毒性、易燃性、腐蚀性、氧化性等；其中影响压力容器分类的主要是毒性和易燃性。（1）毒性：是指某种化学毒物引起机体损伤的能力，用来表示毒物计量与毒性反应之间的关系。（2）易燃性：可燃气体或蒸气与空气组成的混合物，并不是在任何比例下都可以燃烧或爆炸的，而是有严格的数量比例，且因条件的变化而改变。易燃介质：爆炸下限＜10%，或爆炸下限和上限之差≥20%的介质。3.按压力等级分类（内压容器按照设计压力P大小分）：低压(L)容器0.1MPa≤p＜1.6MPa；中压(M)容器1.6MPa≤p＜10.0MPa；高压(H)容器10MPa≤p＜100MPa；超高压(U)容器p≥100MPa。4.为什么不仅按照压力高低，还要根据容积、介质组别进行分类？因为压力高低等仅仅考虑了压力容器的某个设计参数或者使用状况，还不能综合反映压力容器面临的整体水平。所以压力容器的危害性还和其设计压力P和全容积V的乘积有关，PV值越大，容器破裂时爆炸能力越大，危害性也越大，对容器的设计制造检验使用和管理的要求越高。随着制造技术的进步，材料强度、容器结构已不再是影响容器危险程度的主要因素，所以要根据介质、设计压力、容积等三个因素进行压力容器的分类。5.美国机械工程师学会=ASME（AmericanSocietyofMechanicalEngineers）第二章压力容器应力分析1.有力矩理论：在壳体理论中，若同时考虑薄膜内力和弯曲内力的理论。无力矩理论：省略弯曲内力的壳体理论。2.不连续应力的特性：局部性，自限性。（1）局部性：随着离边缘距离x的增加，各内力呈指数函数迅速衰减以至消失，这种性质称为不连续应力的局部性。（2）自限性：不连续应力是由弹性变形受到约束所致，因此对于用塑性材料制造的壳体，当连接边缘的局部区产生塑性变形，这种弹性约束就开始缓解，变形不会连续发展，不连续应力也自动限制，这种性质称不连续应力的自限性。3.不连续应力的定义：由于总体结构不连续，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，称为“不连续效应”或“边缘效应”。由此引起的局部应力称为“不连续应力”或“边缘应力”。4.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。5.热应力的特点：a.热应力随约束程度的增大而增大；b.热应力与零外载相平衡，是自平衡应力；c.热应力具有自限性，屈服流动或高温蠕变可使热应力降低；d.热应力在构件内是变化的。6.残余应力：当厚壁圆筒进入弹塑性状态后，这时若将内压力Pi全部卸除，塑性区因存在残余变形不能恢复原来尺寸，而弹性区由于本身弹性收缩，力图恢复原来的形状，但受到塑性区残余变形的阻挡，从而在塑性区中出现压缩应力，在弹性区内产生拉伸应力，这种自平衡的应力就是残余应力。7.全屈服压力：当筒壁达到整体屈服状态时所承受的压力，称为全屈服压力或极限压力，用Pso表示。8.自增强：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。9.弹性薄板的小挠度理论建立基本假设：①板弯曲时其中面保持中性，即板中面内各点无伸缩和剪切变形，只有沿中面法线ω的挠度；②变形前位于中面法线上的各点，变形后仍位于弹性曲面的同一法线上，且法线上各点间的距离不变；③平行于中面的各层材料互不挤压，即板内垂直于板面的正应力较小，可忽略不计。10.外压圆筒分为三类：长圆通，短圆筒，刚性圆筒。（1）长圆筒：L/Do和Do/t较大时，其中间部分将不受两端约束或刚性构件的支承作用，壳体刚性较差，失稳时呈现两个波纹，n=2。（2）短圆筒：L/Do和Do/t较小时，壳体两端的约束或刚性构件对圆柱壳的支持作用较为明显，壳体刚性较大，失稳时呈现两个以上波纹，n＞2。（3）刚性圆筒：L/Do和Do/t很小时，壳体的刚性很大，此时圆柱壳体的失效形式已经不是失稳，而是压缩强度破坏。11.持久强度：在给定的温度下和规定时间内，试样发生断裂的应力值，是材料在高温长期符合作用下抵抗断裂的能力。第三章压力容器材料及环境和时间对性能的影响1.压力容器用钢主要是板材、管材和锻件，其紧固件采用棒材。压力容器用钢可分为碳素钢、低合金钢、高合金钢。2.Q345R：屈服强度为340MPa级的压力容器专用钢板，主要用于制造中低压压力容器和多层高压容器。16MnDR：低温压力容器用钢，使用温度等于或低于-20℃的压力容器专用钢板。3.焊接接头常见缺陷：裂纹，夹渣，未熔透，未熔合，焊瘤，气孔，咬边。4.焊后热处理的作用：a.消除或者降低焊接残余应力和冷作硬化，提高接头抗脆断能力；b.改善焊接接头的塑性和韧性，提高抗应力腐蚀能力；c.稳定焊接构件形状，避免或者减少在焊后机加工和使用过程中的变形；d.促使焊缝中的氢向外扩散。5.韧脆性（无延性）转变温度：当温度低于某一界限时，钢的冲击吸收功大幅度地下降，从韧性状态变为脆性状态这个温度。6.蠕变现象：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。蠕变极限：是高温长期载荷作用下，材料对变形的抗力。7.下面三个概念都与高温有关：（1）蠕变极限：高温长期载荷作用下，材料对变形的抗力。(2)持久强度：在给定的温度下，使材料经过规定时间发生断裂的应力值，是材料在高温长期负荷作用下抵抗断裂的能力。(3)应力松弛：构件在高温长期应力作用下，随着时间的增长，如果变形总量保持不变，因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，这种现象称为应力松驰。9.氢腐蚀：高温、高压下氢与钢中的碳形成甲烷的化学反应，又称为氢蚀。氢脆：指钢因吸收氢而导致韧性下降的现象。10.应力腐蚀开裂：金属在拉应力和特定腐蚀介质的共同作用下导致的脆性开裂。特征：a．拉伸应力；b．特定合金和介质的组合；c．一般为延迟脆性断裂。第四章压力容器设计1.压力容器失效：压力容器在规定的使用环境和时间内，因尺寸、形状或者材料性能变化而危及安全或者丧失正常功能的现象。2.失效表现形式：过度变形，断裂，泄漏。3.压力容器失效形式：强度失效，刚度失效，失稳失效，泄漏失效。强度失效：因材料屈服或断裂引起的压力容器失效。刚度失效：由于压力容器的变形大到足以影响其正常工作而引起的失效。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。泄漏失效：泄漏而引起的失效。4.失效判据：将力学分析结果与简单实验测量结果相比较，判别压力容器是否会失效。5.设计准则：根据失效判据，再考虑各种不确定因素，引入安全系数得到与失效判据相对应的设计准则。6.设计准则分类：强度失效设计准则，刚度失效设计准则，失稳失效设计准则，泄漏失效设计准则。7.强度失效的两种主要形式：屈服、断裂。常用的强度失效设计准则：弹性失效设计准则，塑性失效设计准则，爆破失效设计准则，弹塑性失效设计准则，疲劳失效设计准则，蠕变失效设计准则，脆性断裂失效设计准则。8.设计技术参数：设计压力，设计温度，厚度及厚度附加量，焊接接头系数，许用应力。（1）厚度：计算厚度δ；设计厚度δd；名义厚度δn；有效厚度δe；成型厚度（2）腐蚀裕量：防止容器受压元件由于均匀腐蚀、机械磨损而导致厚度削弱减薄。与腐蚀介质直接接触的筒体、封头、接管等受压元件，均应考虑材料的腐蚀裕量。腐蚀裕量＝均匀腐蚀速率×容器设计寿命。（3）焊接接头系数：焊缝金属与母材强度的比值，反映容器强度受削弱的程度。（4）许用应力：容器壳体、封头等受压元件的材料许用强度，取材料强度失效判据的极限值与相应的材料设计系数（又称安全系数）之比。9.液体在密封口泄漏途径：渗透泄漏，界面泄漏。10.初始密封条件怎么形成的：拧紧螺栓，螺栓力通过法兰压紧面作用到垫片上，当垫片表面单位面积上所受到的压紧力达到一定值时，垫片产生弹性或屈服变形，填满凹凸不平处，堵塞泄漏通道，形成初始密封条件。11.垫片比压力：预紧(无内压)时，迫使垫片变形与压紧面密合，以形成初始密封条件，此时垫片单位面积上所需的最小压紧力。用y表示，也称为最小压紧应力，单位为MPa。12.垫片系数：操作密封比压往往用介质计算压力的m倍表示，这里m称为“垫片系数”，无因次。13.影响密封性能的主要因素：螺栓预紧力；垫片性能；压紧面的质量；法兰刚度；操作条件。14.法兰标准根据用途分为管法兰和容器法兰。15.公称直径（DN）：是容器和管道标准化后的尺寸系列，按国家标准规定的系列选用。公称压力（PN）：是压力容器或管道的标准化压力等级。指规定温度下的最大工作压力，并经过标准化后的压力数值。16.(1)双锥密封原理：拧紧主螺栓，使双锥环两锥面上的软金属垫片和平盖、筒体端部上的锥面相接触并压紧，达到足够的预紧密封比压；双锥环本身径向收缩，使间隙g消失；内压升起，预紧密封比压减小，双锥环径向回弹，使两锥面上继续保留一部分比压；同时，双锥环内圆柱表面向外扩张，导致两锥面上的比压进一步增大，大于操作密封比压。(2)双锥密封结构：1-主螺母；2-垫圈；3-主螺栓；4-平盖；5-双锥环；6-软金属垫片；7-筒体端部；8-螺栓；9-托环。17.压力容器接管补强结构通常采用局部补强结构,主要有补强圈补强，厚壁接管补强，整锻件补强。18.开孔补强设计：指采取适当增加壳体或接管厚度的方法将应力集中系数减小到某一允许数值。19.补强设计准则：等面积补强法，压力面积补强法，极限载荷补强法。20.等面积补强定义：壳体因开孔被削弱的承载面积，须有补强材料在离孔边一定距离范围内予以等面积补偿。原理：以双向受拉伸的无限大平板上开有小孔时孔边的应力集中作为理论基础的，即仅考虑壳体中存在的拉伸薄膜应力，且以补强壳体的一次应力强度作为设计准则。故对小直径的开孔安全可靠。21.安全阀：主要由阀座、阀瓣和加载机构组成。安全阀工作原理：（1）安全阀通过作用在阀瓣上的两个力的不平衡作用，使其关闭或开启，达到自动控制压力容器超压的目的。（2）正常工作压力时，容器内介质作用于阀瓣上的力小于加载机构施加在它上面的力，两力之差在阀瓣与阀座之间构成密封比压，使阀瓣紧压着阀座，容器内的气体无法排出。（3）容器内压力超过额定的压力并达到安全阀的开启压力时，介质作用于阀瓣上的力大于加载机构加在它上面的力，于是阀瓣离开阀座，安全阀开启，容器内的气体通过阀座排出。如果容器的安全泄放量小于安全阀的额定排放量，经一段时间泄放后，容器内压力会降到正常工作压力以下（即回座压力），此时介质作用于阀瓣上的力已低于加载机构施加在它上面的力，阀瓣又回落到阀座上，安全阀停止排气，容器可继续工作。22.爆破片的特点：a.密闭性能好，能做到完全密封；b.破裂速度快，泄压反应迅速。23.爆破片的选用场合：①介质为不洁净气体的压力容器；②物料的化学反应使压力可能迅速上升的压力容器；③毒性程度为极度、高度危害的气体介质或盛装贵重介质的压力容器；④介质为强腐蚀性气体的压力容器。24.焊接接头的三种形式：对接接头，角接接头，塔接接头。25.坡口的基本形式：I形，V形，单边V形，U形，J形。26.耐压试验的目的：（1）内压容器试验目的：在超设计压力下，考核缺陷是否会发生快速扩展造成破坏或开裂造成渗漏，检验密封结构的密封性能。（2）外压容器试验目的：外压下，容器中的缺陷受压应力的作用，不可能发生开裂，且外压临界失稳压力主要与容器的几何尺寸、制造精度有关，跟缺陷无关，一般不用外压试验来考核其稳定性，而以内压试验进行试漏，检查是否存在穿透性缺陷。27.压力容器的应力分类（1）一次应力：一次总体薄膜应力，一次弯曲应力，一次局部薄膜应力；（2）二次应力；（3）峰值应力。第五章储运设备1.双鞍座卧式储罐被简化为一受均布载荷的外审简支梁，梁的两个端点还分别受到横剪力Fq和力偶M的作用。2.扁塌现象：由于支座处截面受剪力作用而产生周向弯矩，在周向弯矩的作用下，导致支座出圆筒上的上半部发生变形的现象。第六章换热设备1.管壳式换热器的基本类型：固定管板式换热器（Fixed-tube-sheetexch