第十四章内压容器设计.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第十四章 内 压 容 器 设 计,14.1,概述,14.1.1,容器的结构,通用零部件,筒体，封头，法兰，人孔，手孔，支座及管口。设计时尽可能直接选用这些通用零部件。,14.1.2,容器的分类：,A,按容器形状分类,方形，球形，圆筒形,B,按承压性质分类,内，外压容器,内压容器习惯上又分为：,常压,:P0.1MPa,低压,:0.1P1.6MPa,中压,:1.6P10MPa,高压,:10P100MPa,C,按结构材,料分类,金属，非金属,D,按使用场合分类,反应、换热、分离、贮运,E,按安全监察分类,一类容器、,二类容器、,三 类容器,一类容器：,（,1,）非易燃，无毒介质，低,压容器,（,2,）易燃，有毒介质，低压,分离容器或换热器,二类容器：,（,1,）中压,（,2,）剧毒介质低压,（,3,）易燃，有毒介质低压反,映器或贮运容器,（,4,）内径小于,1,米的低压废,热锅炉,三类容器：,（,1,）高压，超高压,（,2,）剧毒介质,P*v200LMPa,的低压容器或剧毒介质中压容器,（,3,）易燃有毒介质，,P*v500LMPa,的中压反应容器，,P*v500LMPa,中压贮运容器,（,4,）中压废热锅炉或内径小于,1,米的低压废热容器,14.1.3,容器机械设计的基本要求,1.,确定工艺尺寸；,2.,强度、刚度、稳定性、耐久性、气密性、其他。,14.2,容器的受力分析,14.2.1,薄壁容器的应力分析,A,薄壁容器的概念,（,1,）厚壁容器,K,1.2,（,2,）,薄壁容器,K,1.2,B,回转薄壁壳体的应力分析,化工上常用的圆筒形、圆锥形、球形,等薄壁容器，都属于回转薄壁壳体。,假设：,壳体简化成薄膜，在内里的作用下，均匀膨胀，薄膜的横截面几乎不能承受弯矩，因此壳体在内压作用下产生的主要内力是拉力。沿着厚度方向是均匀分布的。,R,1,d,1,a,b,Q,1,d,1,/2,d,1,/2,Q,1,R,2,d,2,b,c,Q,2,d,2,/2,d,2,/2,Q,2,R,1,R,2,r,2,2,1,1,d,1,d,2,d,dl,1,dl,2,1,1,2,2,a,b,c,d,k,2,K,1,在内压力的作用下，在微体,abcd,面积上受力为：,F=Pdl,1,dl,2,在微体四个截面上的拉力分别为：,bc,与,ad,截面上的经向力,Q,1,=,1,dl,2,ab,与,cd,截面上的环向力,Q,2,=,2,dl,1,根据力的平衡原理，所有作用在微体上的力沿微体法线方向,投影的代数和应等于零。,R,1,R,2,r,2,2,1,1,d,1,d,2,d,dl,1,dl,2,F,X,Y,Z,F,1,1,d,2,d,2,2,2,d,1,d,1,因为微体的曲率半径夹角,d,1,和,d,2,很小，,Oz,轴的分力为：,dQ,=P2,rdlcos,由图,可知：,cos,=,dr,/dl,故,dQ,=2,r,P,dr,如果壳体只承受气压，则,在内力的作用下，,non,壳体的截面上必,将产生内力，其值在,oz,轴方向的分力为：,Q=2,r,K,1cos,根据分离体平衡条件,Q=Q,dl,dr,r,1,1,r,0,r,n,n,、,r,k,k,、,k,dl,z,o,Q=2,r,K,1,cos,根据分立体平衡条件,Q=Q,得：,如果壳体承受液体，则,1,1,r,0,r,n,n,、,r,k,k,、,k,dl,z,o,dl,dr,r,14.2.2,薄壁容器应力分析的实例,A,受气压的圆筒形壳体,R,1,=,R,2,=R,代入,取,圆筒体下半为分离体,对于,R,k,=R,cos,=cos0=1,故径向应力,1,1,r,0,r,n,n,、,r,k,k,、,k,dl,z,o,B,受气压的球形壳体,R,1,=R,2,=R,1,=,2,=,则：,C,受气压的锥形壳体,对于锥形壳体,R,1,=,R,2,=,r/cos,2,R,2,r,D,受气压的椭球形壳体,椭圆形曲线方程为：,b,a,x,R,1,R,2,1,1,2,2,14.2.3,边缘应力的概念,M,0,M,0,Q,0,Q,0,14.3,内压薄壁壳体的厚度设计,c,+c,D,1,D,D,0,（一）强度设计,A:,内压圆筒的厚度计算,径向应力：,环向应力：,2,=2,1,因强度理论规定,:,2,t,p,设计压力（,MPa,）,D,中径,圆筒的计算厚度（,mm,）,t,许用应力（,MPa,）,考虑若干因素：,焊缝系数,:,由于有夹渣、气孔、未焊透以及焊缝两侧过热区的影,响，造成强度的减弱，因此要将钢材的需用应力适当的减,少。,设,=,（,1,）,适用于设计压力,p,0.4,中的范围,厚度的附加量,c:,由于考虑到钢板在轧制过程的负偏差、生产,过程各种介质的腐蚀等因素的影响；,d,=,+c,式中：,d,设,计厚度,圆,筒纵焊缝系数,B,内压球壳的厚度计算,球形壳体受气压时，,径向压力,=,环向压力,球形容器比圆筒形容器具有,表面积小，厚度薄，材,料节省的优点。,考虑焊缝系数及厚度附加量,适用于设计压力,p,0.6,中的范围,（二）设计参数确定,A,设计压力,P,无安全泄放装置,P=,（,1.01.1,）,P,W,使用安全泄放装置,P=,（,1.051.1,）,P,W,工程单位：,kgf/cm,2,国际单位：,MPa,圆整前,圆整后,圆整前,圆整后,小于,6,0.1,小于,0.6,0.01,6-16,0.5,0.6-1.6,0.05,大于,16,1,大于,1.6,0.1,B,设计温度,设计温度是指容器正常工作，在相应,设计压力作用下，器壁金属可能达到的最,高温度或最低温度。,见,表,14-2,C,许用应力,t,见,表,14-3,D,焊缝系数,表,14-5,焊缝系数,接头型式,全部无损探伤,局部无损探伤,双面焊,1.00,0.85,带垫板的单面焊,0.90,0.80,E,厚度,a.,附加量,c,c=c,1,+c,2,(mm),C,1,-,负偏差 表,14-5,C,2,-,腐蚀裕量 表,14-6,钢板标准,GB6654-96,GB3631-96,GB3274-88 GB3280-92 GB4237-92 GB4238-92,钢板厚度,全部厚度,5.57.5,7.525,2530,3034,3440,4050,5060,6080,负偏差,C,1,0.25,0.6,0.8,0.9,1.0,1.1,1.2,1.3,1.4,腐蚀程度,不腐蚀,轻微腐蚀,腐蚀,重腐蚀,腐蚀速率（,mm/a,）,0.05,0,050.13,0.130.25,0.25,腐蚀余量（,mm,）,0,1,2,3,b.,最小厚度,碳素钢和低合金钢容器,Di,3800mm,时,Di,3800mm,时,不锈钢,3,计算厚度,按有关公式计算得到,4,设计厚度,5,名义厚度,6,有效厚度,7,实际厚度,c,1,c,2,d,n,e,实,14.3.3,压力试验,水压和气压,两种实验方法,液压,P,T,=1.25P,/,t,气压,P,T,=1.15P,/,t,例,14-1,液氨贮罐的桶体设计,已知条件：设计压力,p=2.5MPa,，,操作温度,-544,，贮罐内径,D,i,=1200mm,。,设计要求：,确定桶体厚度、钢材牌号。,解：纯液氨腐蚀性很小，压力较高，可以考虑采用,20R,、,16MnR,、,15MnVR,等钢种。,第一方案,采用,16MnR,在,-544,，取,=170MPa,=0.85,C,2,=1mm,C,1,=0.8mm,C=C,1,+C,2,=1.8mm,d,=+c=10.47+1.8=12.27mm,根据钢板厚度规格,取,n=14mm,水压试验强度校核：,P,T,=1.25P=3.13MPa.,水压试验时的应力,16MnR,在常温水压试验时的许用应力,T,=0.9,s,=0.9345=310.5MPa,因为,T,T,故桶体厚度满足水压试验强度试验。,第二方案,20R,钢板的,=133MPa,，,=0.85,。,C,1,=0.8mm,C=C,1,+C,2,=1.8mm,d,=+c=13.42+1.8=15.22mm,按钢板厚度规格，园整为,n=16mm,。,水压试验时的应力,20R,钢制容器常温水压试验时的许用应力,T,=0.9,s,=0.9245=220.5MPa,因为,T,T,故桶体厚度满足水压试验强度试验。,两种方案的比较：,3,内压封头的厚度设计,凸形：半球形、椭圆形、碟形,圆锥形,平板形,14-6,某厂需要设计一台液氨贮罐，其内径为,1800mm,，总容积,12m,3,，,最大工作压力,1.6MPa,，,工作温度,-10,40,，试选择筒体材料和型式，并计算筒体厚度。,解：根据容器承装的物品性质及特点，选用圆筒形容器，选用,20R,，,D,i,1800mm,，设计压力选取最大工作压力,1.1,倍，,P=1.11.6=1.76MPa,，,=133MPa,焊缝采用,V,型坡口双面焊接，局部无损探伤，,0.85,，,=PD,i,/2,t,-P,=,1.76,1800/,/2,133,0.85-,1.76,=14.1mm,查表,14-6,可知：负偏差取,0.25mm,，腐蚀余量取,1mm,，则设计厚度为,d=14.1+0.25+1=15.35mm,取,n=16mm,，,e=16-0.25-1=14.75mm,水压试验强度校核：,P,T,=1.251.76=2.2MPa,T,=,P,T,D,i,+,e/2,e,=2.2,1800,+,15.75/2,14.75,0.85=159.3MPa,20R,钢制容器常温水压试验时的许用应力,T,=0.9,s,=0.9245=220.5MPa,因为,T,T,故桶体厚度满足水压试验强度试验,14-7,某厂脱水塔的塔体内径,700mm,，实际厚度为,12mm,，材料为,20R,，其,200,时的,s,=245MPa,，塔的工作压力,P=2MPa,，工作温度,180,，塔体采用单面对接焊（带垫板），局部无损检测，腐蚀余量,1mm,，试校核塔体工作与试压时的强度。,解：,D,i,700mm,，实际厚度,12mm,，,C,2,=1mm,，,P=2MPa,，,s,=245,MPa,，,0.80,e,=12-1=11mm,塔体工作强度为：,采用液体试压,试压时强度：设计压力取,1.1,倍工作压力，则,P=1.12=2.2MPa,14-8,设计一台不锈钢（,0Cr18Ni10Ti,）制承压容器，最大工作压力,1.6MPa,，,装有安全阀，,工作温度,150,，容器内径,1.2m,，筒体纵向焊缝为双面对接焊，做局部透视，试确定容器厚度。,解：,D,i,1200mm,，,P,w,=1.6MPa,，,0.85,，,t,=103MPa,，腐蚀余量为,0mm,；,查表得：,s,=205MPa,，,设计压力取,1.1,倍工作压力，则,P=1.1P,w,=1.1,1.6=1.76MPa,采用液体试压,试压时强度：,答：器壁厚度为,14mm,。,14-9,一材质为,20R,的反应釜，内径为,1600mm,，正常操作压力为,1.3MPa,，,安全阀的开启压力为,1.4MPa,，反应温度,200,，介质有轻微腐蚀，取,C,2,=1mm,，焊缝为双面对接焊，局部无损探伤，经检修实测最小厚度为,12mm,，试判断该釜能否继续使用。,14-9,解：,D,i,1600mm,，实际厚度,12mm,C,2,=1mm,，设计压力取安全阀的开启压力,P,w,=1.4MPa,，,s,=245,MPa,，,0.85,e,=12-1=11mm,14-10,某化肥厂加压变换饱和热水塔内径为,800mm,，厚度为,12mm,，材料,20R,，塔的工作压力,1.2MPa,，工作温度,60,，塔体采用带垫板单面对接焊，局部无损检测，因受硫化氢严重腐蚀，使用九年后突然爆炸，问此时塔体仅存厚度为多少？介质对材料的腐蚀速率为多少？,解：,D,i,800mm,，工作压力,P=1.2MPa,，,0.80,t,=133MPa,