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过程装备机械设计基础—_压力容器

作者:替换  来源:  时间:2022-05-16 06:10  点击:

  1. 压力容器导言 2.压力容器的应力分析 3.压力容器的内压圆筒和封头设计 4.压力容器的压力试验

  • 概念:压力容器是内部或外部承受气体或 液体压力,并对安全性有较高要求的密闭 容器。

  • 一般泛指在工业生产中用于完成反应、传 热、分离和储存等生产工艺过程的密封容 器。

  • • • • • • • • 1)筒体(壳体) 2)封头(端盖) 3)法兰 4)密封装置 5)开孔与接管 6)支座 7)安全附件

  1)筒体 钢板卷制而成 筒体 整体锻造而成 性能好 单层 筒体 制造困难、成本高、 制造”容易、成本低

  按形状可分为:球形封头、椭圆形封“头、碟 :形封头、锥形封头、平板“封头等。 特点:轴对称!

  3):法兰 法”兰的、作用 a.用于容器间或;容器与,封头的;连接; b.用于!管道间的连接;

  在容器上开孔的目的是为了便于检 修(人孔和手孔),或是为了安装各种安 全附件、或是为“了满足工“艺的要求。

  1) 压;力容器分类的原因和依据 压力容器存在的危害程度不同! 危害程:度与、很多因“素有关,如设计压”力、 容器的容积、介质的危害性、使用场合和 安;装方式等。 其中,介质的危害性是最主要的影响因素!

  介质的危害性是指介质的毒性、 易燃性、氧化性和腐“蚀性等。影响压 !力容器分类的主要是毒性?和易燃性。

  2)按“作用原理分类 反应器(R)——如合成塔、分解塔… 换热器(E)——如废热锅“炉、汽车发动机水冷却 器… 分离器(S)——如精馏塔、干燥塔… 储 罐(C)——如油罐、家用液化气罐…

  按安全管理分类(按容规分类 最重要的分类!) 分为三类: 具有下列”情况之一”的,为第三,类压力、容器: • 高压容器 • 中压容器且介质为极度毒性和高度危害 • 中压贮存容器且介质为易燃或中等毒性、 pv≥10MPa. m³ • 中压反应容器”且介质为易燃或中等毒性、 pv≥:0.5MPa. m³

  • 低压容器且介质为极度毒性和高度危害、 pv≥0.2MPa. m³ • 高压、中压管壳式余热锅炉 • 中压搪玻璃压力容器 • 使用强度级别较高的材料制造的压力容器(抗拉强 度≥540MPa)

  • 移动式压力容器 • 容积大于50m³ 的球形容器 • 容积大于5m³ 的低温贮存容器

  具有下列情况之一的,为第二类压、力。容器: • 中压容器 • 低压容器且介质为极度毒性和高度危害 • 低压反应器和低压贮存容器,介质易燃或毒性中等 • 低压管壳式余热锅炉 • 低压搪玻璃压力容器

  为世界上第一部压力容器设计和制造方 面的规范,历史悠久,更新!速度快,涵盖范围 宽,同时也是许多国家制定相关规范的蓝本! (如日本、中国”等国家)。

  1965年推出ASME规范; 1968年推出ASME规范的!两个分册: 第?一册为传统、的规则设计(Design by Rules) 第二册为分析设计规范(Design by Analysis) 提示1:压力容器设计分为常规设计和分析设 计!后者更科?学、更合理!

  • 欧盟压力容器”标准。 • 早期的欧;盟国家,各国之:间的压力容。器标准是相 对独立的,后来随着国际贸易“间:的发展,为适应 欧洲一体化而逐步建立起统一的标准,正在逐步 完;善。 • ?该规范对中国的压力容器标准!也有一定;的影响。 如英国1976年制定的BS5500标准,为分析设计 标准。 • 日本标准

  较为成熟的标准是: 1989年制定;的GB150-89《钢制压力容器》和 GB151-89《钢制管、壳式换,热器》等。

  1998,1999年又;重新修;订了“这:两部标准和 相关标准。这些标。准都是以AS”ME规范为蓝本, 同时也吸取了欧洲标准的一些思想,同时也加 入了一些自己的思想和方法(如管板强度设计 方法)。

  GB150较多地参照了ASME! 1、与美?国标准、欧洲标准的内容基本相、同; 2、制定标准的出。发点“也相,差不多; 3、差别主要在: a、标准的适用范。围 b、材料的许用应”力 c、材料的牌号及其性能、技术指标有所不同。

  标”准化的目的是为了实现产品的系列 化、通用化、降低产品成本、且提供:了法 律依据。压力!容器是:一种潜在危害很大的 装:备,因此,对设计、制造、使用、维修 !等方:面的工;作和从。事这些工作的!资质都必 ”须有章可循。

  压力容器应力分析 回转薄壳的应力分析 厚壁容器的应力分析 结构与力学性能的关系 壳体的稳定性分析 典型局部应力

  本章为常规设计的基础!是期末考和考!研的重点! 问题:应力分析的目?的? 问题:何谓强度?

  若:壁厚/?中面曲率半径≤0.1,称该“壳体为薄,壳,反之为: 厚:壳。 为什么要区分厚、薄壳? 薄壳——常规设计,依据无力矩理论!简单,误差大!

  在。应力分:析中,假定:材料是连。续、各向同性、变形为 :弹性小变“形、壳壁各!层纤维、在变形过程及变形后互相不 挤压(??)。 考研同学注?意、此假定!

  一般“方法: •; 取有代、表性微元! (关键!) • 建立力平衡关系 (一般为微分方程) • 解微分方程得到定解 (一般需考虑边界条件)

  无力矩理 论或薄膜 理论 (静定) 有力矩理 论或弯曲 理论 (静;不定 )

  无力矩理论都是围绕中面展开的,因壁很薄,中面 上、的?变形、和应:力可代表薄壳的变形和应、力!

  注意: P——与壳体”表面垂直的压力 问题1:公式中各!物;理量的单位? 问题2:一个公“式中有两:个未知量,如何解? 提示1:记住公式!明确。其中,物理量! 提示2:考研者需学会:推导!

  2.1.6 无力矩理论的应用 承受气体内压的回转薄壳: 左侧公式为通用公 式!通用的?范围? 问题:载荷不止:气 、压时,怎么办?

  提示:记住公式,分析特点! 问题:球形壳:体的优;点?缺点? 扩展问;题:工业实“践中,很少使?用半“球形封头,理由?

  A”点的两相。应力,计算公式?有何特点? 半!锥角等于90度时? 半锥角等!于0度时? O?点的应力?

  几个问,题: 1. a/,b !的不同;比值与“两向薄膜应力之间的关系; 2. a/b,比值为1时,对应球:形薄壳; 3. a/b,比值为。2时,对应、标准椭球?薄壳,其一半、为标 “准半椭球封:头,为应用最广泛的封头(?)。

  回转薄壳——圆柱、圆锥、球壳 在以“下情况时的两”向薄膜应力。如何推导? • • • • 仅受自重作用 仅受气压作用 仅受液体静压作用 气压和液体静压共同作用

  。无力矩理论的应用条 件 • 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。 • 壳体的边界处不:受集中力、且不受变形限制。

  客,观地说,实际的压、力容器都不能使用无力 矩?理论,但对于大!部分的薄壁容器,由无力矩理 论得到的结果与真实情况之间的偏差并不大,完 全可以满足工程:界的要求。如果上述条件得不到 满足,则无力矩理论”不适用。

  a. 不!连续和不连续分析 几何形态不连续、或数学不;连续、或载、荷突 变,由此,造成应力;突变或出现:大应?力状况。

  由于不连续情况的存在,在此区域内出现了各 部分变形不协调的情况,造成过大的应力,导致设 备;在局部破“坏,最终造成设备失效。

  2、 按形状分 圆,筒,球形,矩形; 3、 按。材料分 金属材料,非金属材料 4、 按壁厚分 薄壁容器,(Ro/Ri=1.2) 厚壁容器(Ro/Ri1.2) 5、 按作用原理分 反应器(R),换热器(E”), 分离器(S),储存容器(”C,B)、

  • 反应器(R):完成介质物理化?学反应的压力容 器。如反应器,反应釜,分解锅,硫化罐,分解 塔,聚合釜,高压釜,合成塔 • 换热”器(E”):用于完成介质的热量交换的压力 容器,如余热锅、炉,热交换器,消毒罐,染色器, 烘缸,预热锅,蒸汽发生;器,煤气发生炉”的水夹 套,冷凝器等 • 分离器(S):用于介质的?流体压力平衡和气体 净化分离。的压力容器,如过滤器,集油器, • 储?存容器(C,B):主要用于储存?和盛装气体, 液体和液化气体等介质的压力容器,如:各种形 ?式的?储罐等

  1.非易燃或低毒的低压反应容器和储存容器; 2 .有毒和有危害的低压容器

  GB5044《职业性接触毒物危害程度分级》/HG20660 《压力容器中化学介质毒性危害和爆炸危险程度分类》 (1)极度危害0.1mg?/m3,氢氟酸、光气等。 (。2)高度危?害0.1~1.0mg、/m3, 氟、氟化氢等、 (”3)”中度危害。1.0~,10mg/m3, 二氧化;硫、一氧化碳等 (4)轻度危害10m、g/m”3,氢氧化钠、丙酮等

  1、一般中压容器; 2、 介质为易燃或毒性程度为中度危 害的低压反应容器和储存容器; 3、 毒性程度为极度和高度危害介质 的低压容器; 4 、低压管壳式:余热锅炉;

  2 、低压容器(毒性为极度或高度危害介质, 且PV!大于0.2M!Pa·m3); 3、 中压反;应容器“(易燃或毒性,程度为中度危! 害介质且PV0.5M:Pa·m,3);

  4、 中压储存容器(易燃或毒性程度?为中度危 害介质,且PV10MPa·m3); 5、 高压、中压管壳式余热锅炉;

  6、 中压搪玻璃压?力容器; 7 、球形(V=50m3) ; 8、移动式压力容。器。

  10、使用强度级别较高的材料制造,的,压 力,容器。 11、低温储存。容器(V;5m3) 。

  1、按容器的外径Do和、内径Di,的比值:K 不同,可将容器分为: 2、应力分析理论 • 力矩!理、论

  球形壳体的厚度仅 需圆筒形壳体的一 半;球形容器的。表 面积最小;所以耗 材是最少的。

  • 由此?可见,锥形壳体 的周向应力是经向应力 的两倍。 • 在锥顶处应力为零。 •、 应力随半锥角的增大 而增大。

  • 不大于35MPa的内压容器的筒体和封头 • 设计准则为弹性失效 • 一般不考虑边缘应力,必要时以应“力增强 系数的形式引入设计“计算。 • 依据:GB150-1999《钢制!压力容器;》

  1、 设”计压力(P) •通:常:P=(1.0~1.1)PW 、•安、全阀:P=。 (1.05~1.1)PW. 且“不低于安“全阀 开启、压力。 •爆破片:(1.05~1.75)P,W. 爆破压力+制。造偏差 。•介质为:液化气:TMAX时液化气饱和蒸汽压 •介质“为液体:当液柱静?压大于0.05P时,应 计:入液”体静压力。

  2 设计温度 • 指容器正常工作时,在相应的设计压力 下,器壁金“属可能达到的最高和最低温 度(低于或等于-20℃)

  3 、许用应!力[σ] • 许用、应力由材料的强!度极限除以相应 的安全系数而得。 • 强度极限根据材料的失效类型确定 • 安全系数则受工况、材料、制造质量 和计算方法的”影响; 影响许用应力的因素:

  • • • •; b. 最小壁厚 保证设备在运输和安装过程中的安全 碳素钢和低合金钢:不小于3m:m。 高?合金钢:不小于!2mm。

  – ”方便获得;价格低廉; – 无危?险;存储方便; – 沸点高于试验“温度; – 洁“净,无污染,易于清除; – 无腐。蚀性。

  • 试验温。度应该;高于材料的无延性转变温度 (NDT)。对于碳钢,16Mn、R,15MnVR 等,试验温:度应该大于5 ℃ ,其他低合金 、钢,试验温度应该大于15℃。 • ?板厚、的影响导,致试验温度的;提高。

  c. 其他“ • !介质:干净空;气或;氮气、惰性气”体 ;• 温”度:碳钢、低合金?钢等,不低于15℃? •, 保压:30mi!n,升压缓慢,稳定。

  • 失”效的,主要”形式为。失稳。其后?果是造成容 器几何。形状偏离原形状。 • 常见外压容器:减压蒸馏塔;真空冷凝器; 结晶器;带蒸汽加?热夹套;

  • 压杆失稳的主要因素: 1)外载大小 2)压杆柔度(细长比) 3)材料的力学性能。

  • 容器失稳与压杆失稳类似,取决于: 1) 圆筒外径与有效壁厚之比 Do、/te; 2) 圆筒长度与外径的比值 L/Do 3) 材料的力学性能 (E,)“ 其他:形状偏差,圆度

  •, m :决”定于P“cr,的准确;程度、制造技术、焊 缝结”构形:式等因?素。我国?规定 m:=3

  3) 如P[P]且较为接近,则所假定的 tn符合”要 求,否则重算,直到符合要求。

  • 根据公式确定许用设计外压[P]; • ”确定设:计外压P,并比较P与[P?],如果P=[P], P 与[P]比较接近,则假设的壁厚可以作为容器的设 计厚度。否则重“复上述步骤。

  • 工作时最大内外压力差; • 线MPa中的 较小值;无安全控制装置时,取0.1MPa;

  •; 局部,设置加强。圈可,以缩短筒?体的计算长度, 增加外压圆筒的稳定性且节约材料 • 加强圈材料通常为碳钢,采用型钢。 • 加强圈可以和内件合二为一; • 加强圈、可以设置在外部,也可以设置在内部

  • ”3. 利?用设计外。压,外径和有效!壁”厚按8-34 计算系数B值 • 4. 利用外;压圆筒、管子和球壳的厚度计算图(图

  选择相应的材料温度线. 根据A值”确定Js。比较J与!Js,并根”据结果调整 使得 J;s=J . •” 例题 例3

  8.5.1 压!力容器的安全”技术监察 ?1 、安全技术监察的依据——容规。 涉及内?容:类别划分,材料选用,结构、与 强。度设计,制造组装,无损检!测探伤, 压力试”验,使用管理,定期检,验及;安全 :附件,等等 :2 、压力容;器的?设计监察—,—”资格 3 、压力容器的;制造监察——许可:

  2 、建立压力”容器,技术档案 3、压力容器的使用登记 4 、制订”容器的安全。操作规程 5 、正确操作容器

  2 、定期检验“的内。容与期;限 •: 外。部检测,内外部、检验,耐压试验; • 检验程序 • 检验报告

  • 光气又。称碳酰氯,无色气体,有腐草臭味,剧毒, 微溶?于水,较易溶于:苯、甲苯等。由一氧”化碳?和 氯的混;合物通、过活性炭;制得。环境中的光气主要 来自染?料、农药、制药等生,产工艺。光气“是剧烈、 窒息!性毒气,高浓!度吸人可致肺”水肿。毒性比氯 气约大10倍,但在体内无蓄积作用。在生产条件 下以急性中”毒为主,主要对呼吸系统造成损害。 吸人光气,后,发生典型的刺激症状,初为干咳, 数小时后加”重,轻者出现咳嗽、胸闷、气促、眼 “结膜刺激,和头痛、恶心等;重者可发展;为肺水。肿、 呼吸困。难,甚至出:现休克。

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