压力容器设计.doc

过程设备设计基础教案4压力容器设计课程名称：过程设备设计基础 专 业：过程装备与控制工程任课教师： 第4章 压力容器设计本章主要介绍压力容器设计准则、常规设计方法和分析设计方法，重点是常规设计的基本原理和设计方法。4-1 概述主要教学内容授课方式授课时数1、压力容器设计的基本内容2、压力容器设计的基本要求3、压力容器设计条件4、压力容器设计文件讲授自学2教学目的和要求1、了解压力容器设计的基本内容、基本要求2、了解压力容器设计条件、设计方法和设计文件的内容教学重点和难点压力容器设计的基本内容和基本要求课外作业思考题4.1概述教学重点:压力容器设计的基本概念、设计要求教学难点：无压力容器发展趋势越来越大型化、高参数、选用高强度材料，本章着重介绍压力容器设计思想、常规设计方法和分析设计方法。什么是压力容器的设计？压力容器设计是指根据给定的工艺设计条件，遵循现行规范标准的规定，在确保安全的前提下，经济正确地选取材料，并进行结构、强（刚）度和密封设计。结构设计-确定合理、经济的结构形式，满足制造、检验、装配和维修等要求。强（刚）度设计-确定结构尺寸，满足强度、刚度和稳定性要求，以确保容器安全、可靠地运行。密封设计-选择合适的密封结构和材料保证密封性能良好。4.1.1设计要求设计的基本要求是安全性和经济性的统一，安全是前提，经济是目标，在充分保证安全的前提下尽可能做到经济，经济性包括材料的节约、经济的制造过程和经济的安装维修。4.1.2设计文件压力容器的设计文件包括：设计图样 技术条件 设计计算书 必要时包括设计或安装使用说明书. 分析设计还应提供应力分析报告强度计算书包括： 设计条件、所用的规范和标准、材料、腐蚀裕量、计算厚度、名义厚度、计算应力等。 装设安全泄放装置的压力容器，还应计算压力容器安全泄放量安全阀排量和爆破片泄放面积。 当采用计算机软件进行计算时，软件必须经“压力容器标准化技术委员会”评审鉴定，并在国家质量技术监督局认证备案，打印结果中应有软件程序编号、输入数据和计算结果等内容。设计图样包括：总图和零部件图总图包括压力容器名称、类别、设计条件；主要受压元件设计材料牌号及材料要求；主要受压元件材料牌号及材料要求；主要特性参数（如容积、换热器换热面积和程数）制造要求；热处理要求；防腐蚀要求；无损检测要求；耐压试验和气密性试验要求；安全附件的规格；压力容器铭牌位置；包装、运输、现场组焊和安装要求；以及其他特殊要求。4.1.3设计条件设计条件可用设计条件图表示(设计任务所提供的原始数据和工艺要求)设计条件图包含设计要求、简图、接管表等简图-示意性的画出容器本体、主要内件部分结构尺寸、接管位置、支座形式及其他需要表达的内容。设计要求-工作介质、压力和温度、操作方式与要求和其他。为便于填写，设计条件图又分为一般设计条件图换热器条件图：应注明换热管规格、管长及根数、排列形式、换热面积与程数等塔器条件图：应注明塔型、塔板数量及间距、基本风压和地震设计烈度和场地土类别搅拌容器条件图：应注明搅拌器形式及转向、轴功率等。一、压力容器设计的基本内容2、压力容器设计的基本步骤：用户提出技术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二、压力容器设计的基本要求基本原则：安全是前提和核心，经济是设计的目标，在充分保证压力容器安全的前提下应尽可能做到经济。三、压力容器设计条件1、设计条件图2、基本设计要求4-2 设计准则主要教学内容授课方式授课时数1、压力容器的失效2、压力容器失效设计准则讲授自学2教学目的和要求1、了解压力容器失效的基本形式2、了解压力容器的强度失效设计准则、刚度失效设计准则、稳定失效设计准则和泄漏失效设计准则教学重点和难点压力容器失效设计准则课外作业思考题1、强度失效由于材料屈服或断裂引起的压力容器失效。（1）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：材料断裂前发生较大的塑性变形，容器发生鼓胀。容器断口处厚度减薄。断裂时几乎没有碎片。失效原因：容器厚度不够。压力过大（大于最大工作压力）。（2）脆性断裂（低应力脆断）容器中的应力远低于材料的强度极限而发生的断裂。特点：断口平齐，且与最大应力方向垂直。断裂时可能碎裂成碎片飞出。断裂时应里很低，安全附件不起作用，具有突发性。失效原因：容器材料的脆性。材料中存在缺陷。（3）疲劳断裂在交变载荷作用下，材料原有的或萌生的裂纹扩展导致容器发生的断裂。特点：断口有贝壳状的疲劳条纹。断裂时容器无明显的塑性变形，容器整体应力较低。断裂具有突发性，危害性较大。失效原因：交变载荷。高应力区形成疲劳裂纹。（4）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着时间不断增大，使容器厚度明显减薄，发生鼓胀变形，最终导致容器发生断裂。特征：在恒定载荷和低应力条件下也会发生蠕变断裂。断裂前材料会产生蠕变脆化。断裂前材料具有韧性断裂的特征，断裂时材料具有脆性断裂的特征。（5）腐蚀断裂由于材料受到介质腐蚀，造成容器整体厚度减薄，或局部凹坑、裂纹等，由此引起的断裂称为腐蚀断裂。全面腐蚀点腐蚀晶间腐蚀应力腐蚀2、刚度失效构件发生过度弹性变形引起的失效3、失稳失效弹性失稳非弹性失稳4、泄漏失效5、交互失效腐蚀疲劳蠕变疲劳二、压力容器的失效判据和设计准则1、失效判据 判断压力容器是否失效 两个必需的条件：力学分析结果 失效数值2、压力容器设计准则（2）刚度失效设计准则（3）稳定失效设计准则（4）泄漏失效设计准则4-3 常规设计主要教学内容授课方式授课时数1、压力容器设计概述2、圆筒设计3、封头设计4、密封装置设计5、开孔和开孔补强设计6、支座和检查孔7、安全泄放装置8、焊接结构设计9、压力试验讲授自学18教学目的和要求1、了解压力容器设计的基本内容2、掌握压力容器筒体和封头设计方法3、掌握螺栓法兰连接的设计方法4、掌握开孔和开孔补强设计方法5、了解支座、检查孔、安全泄放装置的作用、结构和选用6、掌握焊接结构设计方法7、掌握压力试验的方法和计算教学重点和难点1、压力容器筒体和封头设计计算2、螺栓法兰连接的设计计算3、开孔和开孔补强设计计算4、焊接结构设计课外作业思考题；习题T1、T2、T 3、T 5、T 7一、概述（1）压力容器常规设计方法（2）压力容器分析设计方法；（3）弹性失效设计准则 二、圆筒设计（一）结构1、单层式圆筒优点：不存在层间松动等薄弱环节，能较好地保证筒体的强度。缺点：（1）对制造设备的要求高。（2）材料的浪费大。（3）存在较深的纵、环焊缝，不便于焊接和检验。2、多层式圆筒层板包扎式：优点：（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。缺点：（1）包扎工序繁琐，费工费时，效率低。（2）层板材料利用率低。（3）层间松动问题热套式优点：（1）套合层数少，效率高，成本低。（2）纵焊缝质量容易保证。缺点：（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。绕板式优点：（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。槽形绕带式优点：（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。缺点：（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。扁平钢带倾角错绕式特点：（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。（二）强度计算1、单层圆筒（1） 壁厚计算得：设计厚度：d=+C2 名义厚度：n= d + C1+= + C1 +C2+有效厚度：e= += n- C1 -C2上述四个厚度之间的关系：dC2C1+nC1+C2e（2）强度校核工作应力： 最大允许工作压力：容器的最小厚度：碳素钢、低合金钢制容器：min3mm高合金钢制容器：min2mml 规定容器的最小壁厚，在经济上是合理的，因为对于壁后很薄的容器，在制造过程（例如两个筒节的对接）和运输过程中，为了维持必要的圆度和刚度，要是用大量的辅助钢材把筒节撑圆，这些钢材所需费用要计入容器的制造成本中去。（3）压力试验液压试验试验压力： 内压容器：外压容器和真空容器：注意：*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。强度校核：如果直立容器卧置进行液压试验，则在应力校核时，PT应加上容器立置充满水时的最大液柱压力。气压试验 内压容器：外压容器和真空容器：强度校核：气密性试验容器上没有安全泄放装置，气密性试验压力PT=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PT=1.0PW。（三）设计参数的确定1、设计压力P（1）设计压力工作压力工作压力由工艺过程决定，其大小在工作过程中可能有变化，在容器顶部和底部工作压力也可能不同。设计由具体工作条件规定，通常为定值。（2）最大工作压力PW 指容器在正常工作情况下其顶部可能出现的最高表压力。 要求：P PW（3）装有安全阀的容器，P（1.051.1）PW装有爆破膜的容器，P=（1.151.75）PW装有液化气的容器，按可能达到最高温度下介质的饱和蒸汽压确定P装有液体的容器，当受压元件所在截面处的液柱静压力达到或超过设计压力的5%时，液柱静压力应计入设计压力。即：P= P + PL2、设计温度t 正常工作情况下及相应设计压力下设定的受压元件的温度。容器的设计温度一般由工艺条件给出。3、焊缝系数 反映由于焊缝存在，容器材料受到削弱的程度，其值主要考虑焊缝形式和对焊缝进行无损检验的要求。见表43。4、壁厚负偏差 见表4-25、许用应力 (1)当材料温度低于蠕变温度时，表示材料抵抗塑性变形能力的强度指标是屈服极限y，表示材料抵抗断裂能力的强度指标是强度极限b。 当材料温度高于蠕变温度时，表示材料高温下抵抗塑性变形能力的强度指标是蠕变极限n，表示材料高温下抵抗断裂能力的强度指标是持久极限D。 (2)安全系数的规定碳素钢、低合金钢、铁素体高合金钢： nb3.0 ns1.6 nD1.5 nn1.0奥氏体高合金钢：nb3.0 ns1.5 nD1.5 nn1.0见表4-4 (3)许用压力 (4)对于不锈钢复合板或多层板 （四）容器的耐压试验 1、强度试验 试验压力 为了确保耐压实验时容器材料处于弹性状态，应校核容器中的薄膜应力：l 直立容器卧置进行液压试验时，PT还应加上立置时的液柱压力，再进行校核。试验温度耐压试验时，为避免材料的低温脆性破裂，试验环境和水温必须高于材料的无塑性转变温度（NDT），根据目前我国压力容器用材情况，对于碳素钢、16MnR、正火15 MnVR，试验温度不得低于5；对于其它低合金钢容器，试验温度不得低于15。2、致密性试验 气密性试验：容器上无安全泄防装置 PT=1.0P 容器上有安全泄防装置 PT=1.0Pw（气压试验合格的容器可不做致密性试验）（五）外压圆筒设计1、解析法解析法的缺点：要经过多次试算，计算过程繁琐； 弹性范围的判断；2、图算法（1）几何参数计算图几何参数计算图： 平行于纵轴的直线代表长圆筒，斜线代表短圆筒。 A仅与圆筒的几何参数有关，与材料无关。 几何参数图对长圆筒和短圆筒都适用。（2）壁厚计算图 不同材料有不同的-曲线，故有不同的B-A曲线。 同一材料在不同温度下的-曲线不同，所以每张图中都有一组与不同温度对应的曲线。 每条曲线均有两部分组成，直线部分代表弹性变形阶段，可直接计算得B（比查图准确），曲线部分代表非弹性变形阶段，需由A查图得B。（3）图算法的设计计算步骤 假设n，e=n-C 计算（D0/e）、（L/ D0）,由几何参数计算图查A 由壁厚计算图A-B（弹性变形阶段和非弹性变形阶段） P=B(e/D0)，比较PC和P，若PC小于P且较接近，则假设n合适，否则重新假设n，重复以上步骤，直到满足要求。3、设计参数的确定（1）设计压力 真空容器有安全装置时：无安全装置时：p=0.1Mpa 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(p0-pi)max注意：最大内外压差的取值（2）稳定性安全系数根据GB150的规定对于圆筒：m=3.0（周向外压） m=4.0（轴向外压）对于球壳：m=14.52（3）计算长度图（4-11）4、加强圈的设计计算（1）加强圈设计步骤：1、初步取加强圈的数目和间距 2、计算加强圈和圆筒组合而成的当量圆筒所需的组合惯性矩I3、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IS。4、比较IS和I，若IS 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。（2）加强圈结构设计：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。三、封头设计封头按形状分类1、凸形封头（1）半球形封头（2） 椭圆形封头K-应力增强系数最小厚度：标准椭圆形封头：e0.15%Di非标准椭圆形封头：e0.30%Di（3） 碟形封头M-应力增强系数（4）锥形封头 无折边锥形封头 Q-应力增强系数带折边锥形封头 K-应力增强系数（表4-6）（5）平板形封头K-结构特征系数（表4-8）Dc-封头的有效直径（表4-8）* 在封头直径较大时，采用平板形封头其壁厚将非常大，不仅浪费材料，而且笨重，给运输和安装带来不便。所以尽管平板形封头结构简单、制造容易，但承压设备一般都不采用平板形封头，只有压力容器的人孔盖、手孔盖及接管所用盲板等处采用平板结构。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 R0=K1D0 3、碟形封头按半球形封头计算壁厚，R0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 四、密封装置设计（一）密封机理及分类密机封理 螺栓预紧力 压紧垫片 垫圈变形 达到初始密封条件 介质压力作用 法兰向分离方向移动 依靠螺栓力使垫圈上保持一定比压泄漏形式： 界面泄漏 渗透泄漏影响密封的因素：螺栓预紧力、垫圈性能、压紧面形式、法兰刚度、操作条件等。（二）垫片特性与选择（1）预紧密封比压y (Mpa) -预紧工况下，形成初始密封条件时，垫圈单位面积上所需的最小压紧力。 （垫圈的压紧力必须合适，压紧力太小会导致泄漏，压紧力太大会导致垫片变形破坏。）预紧密封比压y由试验确定，是计算螺栓预紧力的重要参数。（2）垫片系数m -操作时，为保证密封，垫圈上必须维持的比压与介质压力的比值。 垫片参数m的物理意义表示在操作状况下，实现密封的难易程度。 预紧密封比压y和垫片参数的值见表2-9。保证密封的条件：预紧时，法兰密封面上的比压不低于预紧密封比压y；工作时，法兰密封面上的比压不低于m倍的介质压力。（3）垫片的类型垫片形状：平面形、O形、波形、齿形、八角形、椭圆形等垫片类型 非金属垫片 常用材料：石棉橡胶板、橡胶板、聚四氟乙烯、合成纤维、石墨等。 金属垫片 常用材料：铜、铝、低碳钢、不锈钢、合金等。 组合式垫片包括：金属包垫片；缠绕式垫片；带骨架的非金属垫片；（三）螺栓法兰连接设计1、压紧面选择（1）平面形压紧面（2）凹凸形压紧面（3）榫槽形压紧面（4）梯形槽压紧面2、螺栓设计（1）螺栓材料 螺栓是法兰密封连接中的重要元件，对其基本要求是强度要高、韧性要好。 螺母更换比螺栓容易，且螺母价廉，所以要求螺栓材料的强度比螺母高。 为避免螺栓和螺母咬死或胶合，要求螺栓材料的硬度比螺母高HB30以上。 对于t-20的螺栓，要求选用低合金钢，并进行夏比V形缺口低温冲击试验。 螺栓常用材料和许用应力见附录。（2）螺栓载荷预紧时 Fa=bDGy b06.4mm时，b= b0，DG=垫片接触面平均直径 DG=垫片接触面外径-2b操作时螺栓载荷:预紧时: Wa=Fa操作时:（3）螺栓直径与个数预紧时（按常温计算） b-螺栓材料常温时的许用应力操作时（按设计温度计算） bt-螺栓材料设计温度下的许用应力螺栓所需总截面积：（4）螺栓间距的限制 f-法兰厚度（5）螺栓设计载荷操作：W=Wp3、法兰结构类型及标准（1） 法兰结构类型（2）法兰标准 公称压力(PN)和公称直径(DN) 法兰的公称压力-与法兰相配的筒体、封头及管子的公称直径。 对于钢板卷焊制成的筒体和与其相配的封头： DN=Di 对于钢管，DN通常介于外径和内径之间 压力容器法兰最大允许工作压力 -表示一定材料和温度的法兰的最大操作压力，其值可能与PN相同，也可能不同。 管法兰标准和容器法兰标准不同，既使PN和 DN相同，其尺寸也不相同，所以一对相配的法兰必须选用同一标准。（3）法兰的强度设计计算方法Timoshenko法（了解）*Waters法 载荷a、 螺栓载荷b、 垫片反力c、 内压载荷 力学模型 基本假设a、 中面假设b、 线弹性假设c、 小变形假设 计算方法a、 法兰力矩的计算 轴向力 力臂 力矩b、 法兰应力的计算c、 法兰强度校核法兰强度校核条件：（四）高压密封设计1、高压密封的基本要求：工作可靠，在正常压力和温度波动范围内均能保证密封。结构简单紧凑，装拆、维修方便。密封元件能耐介质腐蚀且价格便宜。2、高压密封的基本特点：金属密封元件窄面或线接触密封自紧或半自紧密封3、高压密封的结构型式平垫密封特点： 强制式密封 采用窄面金属垫片 主螺栓直径大适用范围：t 200C Di 1000mm卡扎里密封优点： 螺纹套筒代替主螺栓，承载能力大，装拆方便。 预紧螺栓直径小缺点：螺纹套筒可能锈蚀而拆卸困难。（螺纹套筒可用主螺栓代替）适用范围：大直径、高压力双锥密封g的大小锥环刚度锥环尺寸预紧力的大小 双锥密封特点： 结构简单，装拆方便、密封可靠。 半自紧密封，主螺栓直径较小。 压力和温度波动时也能保证良好密封。适用范围：P=6.435MPa t =0400C Di =4002000mm伍德密封优点： 全自紧式密封，压力和温度的波动不会影响密封可靠性。 取消了主螺栓，使筒体端部尺寸减小。缺点：零件多、结构复杂。C形环密封O形环密封其它密封结构高压管道密封提高高压密封性能的措施 改善密封接触表面 改进垫片结构 采用焊接密封元件五、开孔和开孔补强设计开孔接管部位的应力集中：强度削弱 不连续应力 局部应力 焊接缺陷和残余应力1、补强结构 补强圈补强 厚壁管补强 整锻件补强2、开孔补强计算（1）开孔补强设计准则 等面积补强在有小补强范围内，可起补强作用的金属截面积Ae应大于或等于开孔所削弱的金属截面积A，即要求AeA 极限分析补强（2）等面积补强计算 ntC1+2C2CtetBdi+2Ch1h2Cen允许不另行补强的最大开孔直径 允许开孔的范围 有效补强范围补强区宽度：补强区外侧高度：补强区内侧高度： 补强计算a、开孔削弱的有效金属截面积受内压的圆筒或球壳：受外压的圆筒或球壳：平盖（开孔直径d0.5Di）：b、补强金属截面积 壳体： 接管： 焊缝 补强元件金属截面积：A4判断是否需要补强：若 Ae=A1+A2+A3A则开孔后不需另行补强若 Ae=A1+A2+A3A则开孔后需另行补强补强强圈厚度：六、支座和检查孔七、安全泄放装置1、安全泄放原理 安全泄放装置的作用 安全泄放装置的要求2、安全阀结构和类型：3、爆破膜特点：密闭性能好；破裂速度快。类型和结构：八、焊接结构设计1、焊接接头型式（1）对接接头（2）角接接头和T型接头（3）搭接接头2、坡口形式3、焊接接头分类（1）A类焊接接头（1）B类焊接接头（3）C类焊接接头（4）D类焊接接头4、焊接接头布置原则：（1）焊接接头布置应避免交叉和密集 主要受压元件上的A、B类焊接接头应避免十字交叉 几条焊缝汇集在一起时应设法避开（2）焊接接头应尽量避开高应力区（3）尽量降低焊件刚度5、焊接结构设计原则：（1）尽量采用对接接头（2）尽量采用全焊透结构（3）尽量减小焊缝处的应立集中（4）便于进行无损检验4-4 分析设计和疲劳分析主要教学内容授课方式授课时数1、压力容器的分析设计2、压力容器的疲劳分析启发自学2教学目的和要求1、了解压力容器的分类和2、了解疲劳分析的基本概念教学重点和难点分析设计和疲劳分析的概念课外作业思考题思考题：1、常规设计和分析设计有何不同？2、什么是一次应力？其基本特征是什么？一次应力可分为那几种？3、什么是二次应力？ 4、什么是极限载荷？5、什么是安定性分析？6、疲劳分为那几种？如何定义？7、什么是可靠性设计？