Cscbpv-压力容器-设计-审核员-培训班-05压力容器设计.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4章 压力容器设计,4-1 概述,压力容器设计,基本要求,安全,经济,合理选取结构、材料、参数等,合理选择设计方法,常规设计和分析设计结果比较,压力容器设计,基本内容,用户提出基本设计要求,分析容器的工作条件，确定设计参数,结构分析、初步选材,选择合适的规范和标准,应力分析和强度计算,确定构件尺寸和材料,绘制图纸，提供设计计算书和其它技术文件,压,力,容,器,设,计,的,基,本,步,骤,设计条件,4-2 设计准则,压力容器失效判据,判断压力容器是否失效,由力学分析得到力学分析结果,由实验测得失效数值,失效判据,压力容器设计准则,4-3 常规设计,一、概述,基于弹性失效设计准则,不连续应力的考虑,二、圆筒设计,单层式圆筒的优点：,不存在层间松动等薄弱环节，能较好地保证筒体的强度。,单层式圆筒的缺点：,1、单层厚壁圆筒对制造设备的要求高。,2、材料的浪费大。,3、锻焊式圆筒存在较深的纵、环焊缝，不便于焊接和检验。,层板包扎式,（1,）包扎工序繁琐，费工费时，效率低。,（2）层板材料利用率低。3）层间松动问题。,缺点,（1）,对加工设备的要求不高。,（2）压缩预应力可防止裂纹的扩展。,（3）内筒可采用不锈钢防腐。,（4）层板厚度薄，韧性好，不易发生脆性断裂。,优点,整体多层包扎式,（1）套合层数少，效率高，成本低。,（2）纵焊缝质量容易保证。,（1）只能套合短筒，筒节间深环焊缝多。,（2）要求准确的过盈量，对筒节的制造要求高。,热套式,优点,缺点,优点：,（1）机械化程度高，操作简便，材料利用率高。,（2）纵焊缝少。,缺点：,（1）绕板薄，不宜制造壁厚很大的容器。,（2）层间松动问题。,绕板式,优点,缺点,槽形绕带式,（1）筒壁应力分布均匀且能承受一部分由内压 产生的轴向力。,（2）机械化程度高，材料利用率高。,（1）钢带成本高，公差要求严格。,（2）绕带时钢带要求严格啮合，否则无法贴紧。,优点,缺点,（1）机械化程度高，材料利用率高。,（2）整体绕制，无环焊缝。,（3）带层呈网状，不会整体裂开。,（4）扁平钢带成本低，绕制方便。,扁平钢带倾角错绕式,特点,内压圆筒强度设计,单层内压圆筒,壁厚计算,强度校核,工作应力,最大允许工作压力,按塑性失效设计准则：,按爆破失效设计准则：,多层圆筒壁厚,注意,最小厚度,碳素钢、低合金钢制容器：,min,3mm,高合金钢制容器：,min,2mm,设计参数的选取,设计压力,p,1、设计压力由工艺条件确定，在设计过程中是一个定值；工作压力在容器正常工作过程中可能变动，容器顶部和底部的工作压力也可能不同。,2、要求设计压力不低于最大工作压力。,即：,P P,W,3、P,C,=P+P,L,(,当,P,L,5%,P,时，,P,L,可忽略不计),设计压力的规定,1、容器上装有安全阀时,P=(1.051.10)P,W,2、容器上装有爆破膜时,P=(1.151.30)P,W,3、盛装液化气体的容器,设计压力取工作时可能达到的最高温度下液化气体的饱和蒸气压,设计温度,t,-容器在正常工作情况下设定元件的金属温度。,元件金属温度高于零度时，设计温度不得低于元件可能达到的最高温度；,元件金属温度低于零度时，设计温度不得高于元件可能达到的最低温度。,根据规定：当钢板厚度负偏差不大于0.25,mm，,且不超过名义厚度的6%时，可取,C,1,=0。,所以在设计计算中，对于,GB6654-1996、GB3531-1996,种的钢板（如20,R、16MnR、16MnDR,等），均可取,C,1,=0。,钢板厚度负偏差,焊接接头系数,材料许用应力,安全系数,碳素钢、低合金钢及铁素体高合金钢：,n,b,3.0 n,s,1.6 n,D,1.5 n,n,1.0,奥氏体高合金钢：,n,b,3.0 n,s,1.5 n,D,1.5 n,n,1.0,压力试验,1、试验压力,内压容器：,外压容器和真空容器,：,夹套容器：视内筒为内压或外压容器，分别按内压或外压容器的试验压力公式确定试验压力；夹套按内压容器确定试验压力。,*需校核内筒在夹套液压试验压力下的稳定性，如不满足稳定性要求，则需在夹套液压试验时，内筒内保持一定的压力。,液压试验,如果直立容器卧置进行液压试验，则在应力校核时，,P,T,应加上容器立置充满水时的最大液柱压力。,2、强度校核,注意,气压试验,内压容器：,外压容器和真空容器,：,1、气压试验,2、强度校核,容器上没有安全泄放装置，气密性试验压力,P,T,=1.0P。,容器上设置了安全泄放装置，气密性试验压力应低于安全阀的开启压力或爆破片的设计爆破压力。,通常取,P,T,=1.0P,W,。,气密性试验,设计压力为1.6,Mpa,的储液罐罐体，材料,Q235-A，,D,i,=1800mm，,罐体高度4500,mm，,液料高度3000,mm，C,1,=0.8mm，,腐蚀裕量,C,2,=1.5mm，,焊缝系数,=1.0，,液体密度为1325,kg/m,3,，,罐内最高工作温度50,C,。,试计算罐体厚度并进行水压试验应力校核。,注：,Q235-A,材料的许用应力,20,=113MPa，,50,=113MPa，,屈服极限,S,=235 Mpa,试确定罐体厚度并进行水压试验校核。,练习题,断裂前发生较大的塑性变形，容器发生明显的鼓胀，断口处厚度减薄，断裂时几乎不形成碎片。,返回,韧性断裂,压力容器在载荷作用下，应力达到或接近材料的强度极限而发生的断裂。,特点,失效原因,容器厚度不够。,压力过大。,断口平齐，且与最大主应力方向垂直。,容器断裂时可能裂成碎片飞出，往往引起严重后果。,断裂前没有明显塑性变形，断裂时应力很低，安全阀、爆破膜等安全附件不起作用，断裂具有突发性。,脆性断裂,（低应力脆断）,器壁中的应力远低于材料强度极限时发生的断裂。,材料的脆性。,材料中的裂纹、未焊透、夹渣等缺陷。,特点,失效原因,返回,交变载荷。,疲劳裂纹。,疲劳断裂,在交变载荷作用下，由于材料中的裂纹扩展导致容器的断裂。,特点,断口上有贝纹状的疲劳裂纹。,断裂时容器整体应力较低，断裂前无明显塑性变形。,如果材料韧性较好，通过合理设计可实现“未爆先漏”。,失效原因,返回,返回,在恒定载荷和低应力（应力低于屈服点）下也会发生蠕变断裂。,蠕变断裂前材料会由于蠕变变形而导致蠕变损伤，使材料在性能上产生蠕变脆化。,断裂前发生较大的塑性变形，具有韧性断裂的特征；断裂时又具有脆性断裂的特征。,蠕变断裂,压力容器长时间在高温下受载，材料的蠕变变形会随时间而增长，容器发生鼓胀变形，厚度明显减薄，最终导致压力容器断裂。,特点,高温蠕变,失效原因,对于全面腐蚀和局部腐蚀，容器断裂前发生明显的塑性变形，具有韧性断裂的特征。,对于晶间腐蚀和应力腐蚀，断裂前无明显塑性变形，具有脆性断裂的特征。,返回,腐蚀断裂,材料受到介质腐蚀（全面腐蚀或局部腐蚀），形成容器整体厚度减薄或局部凹坑、裂纹等，从而造成容器的断裂。,特点,失效原因,介质腐蚀,外压圆筒设计,解析法,图解法,短圆筒的临界压力,长圆筒的临界压力,几何参数计算图,壁厚计算图,外压圆筒设计设计步骤：,薄壁圆筒,假设,n,计算,e,计算（,D,0,/e),和（,L/,D,0,),几何参数计算图（,A）,壁厚计算图（,B）,验算,P,C,P，,若满足，则假设,n,合适，否则重新计算。,厚壁圆筒,需同时考虑稳定性和强度,（稳定性）,（强度）,其中：,(m=4),轴向受压圆筒:,图算法,1、真空容器,有安全装置时：,无安全装置时：,p=0.1Mpa,2、带夹套的真空容器,p,取真空容器的设计压力加上夹套压力,3、其它外压容器（包括带夹套的外压容器）,p,应不小于容器正常工作过程中可能出现的最大内外压力差,即：,p(p,0,-p,i,)max,设计压力,注意：最大内外压差的取值,设计参数,的规定,稳定性安全系数,圆筒：,m,=,3.0,球壳：,m,=,14.52,计算长度,加强圈设计,带加强圈的外压圆筒,两个条件,1、筒体不失稳,要求：,L,S,L,max,2、加强圈不失稳,要求：,I,S,I,1、筒体不失稳,要求：,L,S,L,max,2、加强圈不失稳,要求：,I,S,I,1、初步取加强圈的数目和间距,3、计算加强圈和圆筒组合而成的当量圆筒所需的组合截面惯性矩,I,。,2、选择加强圈材料，按型钢规格初定加强圈的截面形状和尺寸，计算实际组合截面惯性矩,I,S,。,4、比较,I,S,和,I，,若,I,S,I,且比较接近，则加强圈的尺寸、数目和间距满足要求，否则重新选择加强圈，重复以上步骤，直到满足要求为止。,加强圈设计步骤,1、加强圈可采用扁钢、角钢、工字钢或其它型钢，这样材料供应方便且型钢具有较大的截面惯性矩。加强圈可设置在容器的内部或外部，并应环绕容器整个圆周。,2、加强圈和壳体的连接必须足够紧密，以保证加强圈和壳体一起承载，加强圈和壳体之间可采用连续焊或间断焊。,3、为保证筒体和加强圈的稳定性，加强圈不得被任意削弱或割断。,加强圈结构设计,外加强圈,加强圈每侧间断焊接的总长不小于圆筒外圆周长度的1/2,内加强圈,加强圈每侧间断焊接的总长不小于圆筒内圆周长度的1/3,外压圆筒练习题,某圆筒形容器，内径2400,mm，,长14000,mm，,两端为标准椭圆形封头，直边高度为50,mm，,圆筒和封头材料均为1,C,r,18N,i,9T,i,，,腐蚀裕量取1,mm，,设计温度510,C,，,真空下操作，无安全控制装置。,用图算法求筒体厚度,一圆筒形容器，材料为,Q235-A，,内径2800,mm，,长10,m（,含封头直边段），两端为标准椭圆形封头，圆筒和封头名义厚度均为12,mm，,其中壁厚附加量,C=2mm；,容器负压操作，最高操作温度50,C,。,（1）试确定容器最大允许真空度为多少,mmHg？,（2）该容器是否应设置安全控制装置？,外压圆筒和加强圈练习题,现有一真空塔，材料为,Q235-A，Di=2500mm，,封头为标准椭圆形封头，塔体部分高20,m(,包括直边段)，设计温度250,C,，,腐蚀裕量2.5,mm。,1、,确定塔体圆筒壁厚。,2、塔体上均匀设置6个加强圈（材料与塔体相同）后的筒体壁厚。,三、封头设计,封头形式,30,30,60,内压半球形封头,凸形封头,半球形封头,外压半球形封头,椭圆形封头,内压椭圆形封头,标准椭圆形封头：,e,0.15%D,i,非标准椭圆形封头：,e,0.30%D,i,椭圆形封头的最小厚度,外压椭圆形封头,与外压半球形封头计算方法相同,R,0,=K,1,D,0,K,1,-,系数（表4-5）,碟形封头,要求：,r 0.1D,i,且,r,3,R,i,D,i,标准碟形封头：,r=0.17D,i,R,i,=0.9D,i,碟形封头,内压碟形封头,标准碟形封头：,e,0.15%D,i,非标准碟形封头：,e,0.30%D,i,碟形封头的最小厚度,外压碟形封头,与外压半球形封头计算方法相同,R,0,-,碟形封头球面部分外半径,外压凸形封头,1、半球形封头,2、椭圆形封头,按半球形封头计算壁厚,R,0,=K,1,D,0,3、碟形封头,按半球形封头计算壁厚，,R,0,取球面部分外半径。,4、无折边球形封头,按半球形封头计算壁厚,总结,30,30,大端应设折边，,r0.1D,i,且,r3,45,小端也应设折边，,r,s,0.05D,is,且,r,s,3,r,锥形封头,内压无折边锥形封头,厚度：,加强后的厚度：,判断是否需要加强（图4-19）,大端：,取大值,内压带折边锥形封头,外压锥形封头,等效圆筒,与外压圆筒的壁厚计算方法相同,壁厚：,D,C,-,平盖计算直径,K-,结构特征系数,（表4-8）,圆形平盖,