《第四讲：压力容器设计.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四讲：压力容器设计.ppt（54页珍藏版）》请在三一文库上搜索。
1、机械设备安全技术 周杰 王时龙 主编 重庆大学出版社,主讲教师：周杰 Mob : 13452885065 E_mail: ,第二部分 内压薄壁容器设计,一、薄壁容器设计的理论基础, 薄壁容器 根据容器外径DO与内径Di的比值K来判断，,当K1.2为薄壁容器 K1.2则为厚壁容器,圆筒形薄壁容器承受内压时的应力,只有拉应力无弯曲 “环向纤维”和“纵向纤维”受到拉力。 s1（或s轴）圆筒母线方向(即轴向)拉应力， s2（或s环）圆周方向的拉应力。, 圆筒的应力计算,1. 轴向应力,D-筒体平均直径，亦称中径，mm；,2. 环向应力,分析：,（1）薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍。 问题a：筒体
2、上开椭圆孔，如何开?,应使其短轴与筒体的轴线平行，以尽量减少开孔对纵截面的削弱程度，使环向应力不致增加很多。,分析：,问题b：钢板卷制圆筒形容器，纵焊缝与环焊缝哪个易裂？,筒体纵向焊缝受力大于环向焊缝，故纵焊缝易裂，施焊时应予以注意。,（2）分析式(4-1)和(4-2)也可知，,内压筒壁的应力和d/D成反比，d/D 值的大小体现着圆筒承压能力的高低。 因此，分析一个设备能耐多大压力，不能只看厚度的绝对值。,(4-1),(4-2),二、无力矩理论基本方程式, 基本概念与基本假设 1 基本概念 （1） 旋转壳体 ：壳体中面（等分壳体厚度）是任意直线或平面曲线作母线，绕其同平面内的轴线旋转一周而成的
3、旋转曲面。,（2） 轴对称,壳体的几何形状、约束条件和所受外力都是对称于某一轴。 化工用的压力容器通常是轴对称问题。,（3）旋转壳体的几何概念,一、回转薄壳的几何要素(如图2-3) 回转薄壳：中面是由一条平面曲线或直线绕同平面内的轴线回转而成。,（3）旋转壳体的几何概念,母线：绕轴线（回转轴）回转形成中面的平面曲线。 极点：中面与回转轴的交点。 经线平面：通过回转轴的平面。 经线：经线平面与中面的交线。 平行圆：垂直于回转轴的平面与中面的交线称为平行圆。 中面法线：过中面上的点且垂直于中面切平面的直线，法线必与回转轴相交,（3）旋转壳体的几何概念,第一主曲率半径R1：经线上点的曲率半径。 第二
4、主曲率半径R2：垂直于经线的平面与中面交线上点的曲率半径。,（3）旋转壳体的几何概念,平行圆半径r：平行圆半径。 同一点的第一与第二主曲率半径都在该点的法线上。 曲率半径的符号判别：曲率半径指向回转轴时，其值为正，反之为负。 r与R2的关系： r=R2sin=R2cosa；,（4-3）平衡方程,（4-4）区域平衡方程,无力矩理论基本方程式：,三、基本方程式的应用,1圆筒形壳体 第一曲率半径R1=， 第二曲率半径R2=D/2 代入方程（4-3）和（4-4）得：,与式（4-1）、（4-2）同。,2球形壳体,2球形壳体,球壳 R1R2=D/2，得：,直径与内压相同，球壳内应力仅是圆筒形壳体环向应力的
5、一半，即球形壳体的厚度仅需圆筒容器厚度的一半。 当容器容积相同时，球表面积最小，故大型贮罐制成球形较为经济。,3圆锥形壳体,圆锥形壳半锥角为a，A点处半径为r，厚度为，则在A点处：,代入（4-3）、（4-4） 可得A点处的应力：,， （4-6）,锥形壳体环向应力是经向应力两倍，随半锥角a的增大而增大； a角要选择合适，不宜太大。 在锥形壳体大端r=R时，应力最大，在锥顶处，应力为零。因此，一般在锥顶开孔。,4椭圆形壳体,椭圆壳经线为一椭圆， a、b分别为椭圆的长短轴半径。 由此方程可得第一曲率半径为：,（4-7）,顶点应力最大，经向应力与环向应力是相等的拉应力。 顶点的经向应力比边缘处的经向应
6、力大一倍； 顶点处的环向应力和边缘处相等但符号相反。 应力值连续变化。, 焊接接头系数,钢板卷焊。夹渣、气孔、未焊透等缺陷，导致焊缝及其附近区域强度可能低于钢材本体的强度。 钢板 st乘以焊接接头系数， 1；, 容器内径,工艺设计确定内径Di，制造测量也是内径，而受力分析中的D却是中面直径。,解出d，得到内压圆筒的厚度计算式, 壁厚,考虑介质腐蚀，计算厚度d的基础上，增加腐蚀裕度C2。筒体的设计厚度为,式中 d-圆筒计算厚度， mm； dd-圆筒设计厚度， mm； Di-圆筒内径， mm； p-容器设计压力， MPa； -焊接接头系数。,另一种情况：,筒体设计厚度加上厚度负偏差后向上圆整，即为
7、筒体名义厚度。 对于已有的圆筒，测量厚度为dn，则其最大许可承压的计算公式为：,式中 ：dn-圆筒名义厚度,圆整成钢材标准值；,四、球壳强度计算,设计温度下球壳的计算厚度：,设计温度下球壳的计算应力,五、设计参数,厚度设计参数按GBl50-2010中规定取值。 设计压力、 设计温度、 许用应力、 焊接接头系数 厚度附加量等参数的选取。, 设计压力（计算压力）,设计压力:相应设计温度下确定壳壁厚度的压力，亦即标注在铭牌上的容器设计压力。其值稍高于最大工作压力。 最大工作压力：是指容器顶部在工作过程中可能产生的最高压力（表压）。, 设计压力（计算压力）,使用安全阀时设计压力不小于安全阀开启压力或取
8、最大工作压力1.051.10倍； 使用爆破膜根据其型式，一般取最大工作压力的1.151.4倍作为设计压力。,容器内盛有液体，若其静压力不超过最大工作压力的5，则设计压力可不计入静压力，否则，须在设计压力中计入液体静压力。 此外，某些容器有时还必须考虑重力、风力、地震力等载荷及温度的影响，这些载荷不直接折算为设计压力，必须分别计算。, 设计温度,选择材料和许用应力的确定直接有关。 设计温度指容器正常工作中，在相应的设计条件下，金属器壁可能达到的最高或最低温度。 不同部位出现不同温度分别计算, 许用应力,许用应力是以材料的各项强度数据为依据，合理选择安全系数n得出的。 抗拉强度、屈服强度，蠕变强度
9、、疲劳强度。取其中最低值。 当设计温度低于0时，取20时的许用应力。, 焊接接头系数,焊接削弱而降低设计许用应力的系数。 根据接头型式及无损检测长度比例确定。,符合压力容器安全技术检察规程才允许作局部无损探伤。抽验长度不应小于每条焊缝长度的20。, 厚度附加量,满足强度要求的计算厚度之外，额外增加的厚度量，包括由钢板负偏差(或钢管负偏差) Cl、腐蚀裕量 C2，即 C Cl十 C2,腐蚀裕量C2应根据各种钢材在不同介质中的腐蚀速度和容器设计寿命确定。 塔类、反应器类容器设计寿命一般按20年考虑，换热器壳体、管箱及一般容器按10年考虑。,腐蚀速度0.05mma(包括大气腐蚀)时： 碳素钢和低合金
10、钢单面腐蚀C21mm，双面腐蚀取C22mm， 当腐蚀速度0.05mma时，单面腐蚀取C22mm，双面腐蚀取C24mm。 不锈钢取C20。,氢脆、碱脆、应力腐蚀及晶间腐蚀等，增加腐蚀裕量不是有效办法，而应根据情况采用有效防腐措施。 工艺减薄量，可由制造单位依据各自的加工工艺和加工能力自行选取，设计者在图纸上注明的厚度不包括加工减薄量。,六、最小壁厚,设计压力较低的容器计算厚度很薄。 大型容器刚度不足，不满足运输、安装。 限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求。,壳体加工成形后不包括腐蚀裕量最小厚度dmin： a. 碳素钢和低合金钢制容器不小于3mm b对高合金钢制容器，不小于2mm,七、压力试验,为
11、什麽要进行压力试验呢？ 制造加工过程不完善，导致不安全，发生过大变形或渗漏。 最常用的压力试验方法是液压试验。 常温水。也可用不会发生危险的其它液体 试验时液体的温度应低于其闪点或沸点。,七、压力试验,不适合作液压试验， 如装入贵重催化剂要求内部烘干， 或容器内衬耐热混凝土不易烘干， 或由于结构原因不易充满液体的容器以及容积很大的容器等， 可用气压试验代替液压试验。,对压力试验的规定情况如下表所示：,液压试验时水温不能过低(碳素钢、16MnR不低于5，其它低合金钢不低于15)，外壳应保持干燥。 设备充满水后，待壁温大致相等时，缓慢升压到规定试验压力，稳压30min，然后将压力降低到设计压力，保
12、持30min以检查有无损坏，有无宏观变形，有无泄漏及微量渗透。 水压试验后及时排水，用压缩空气及其它惰性气体，将容器内表面吹干,八、边缘应力,无力矩理论忽略了剪力与弯矩的影响，可以满足工程设计精度的要求。 但对图中所示的一些情况，就须考虑弯矩的影响。,(a)、(b)、(c)是壳体与封头联接处经线突然折断； (d)是两段厚度不等的筒体相连接； (e)、(f)、(g)有法兰、加强圈、管板等刚度大的构件。,压力容器机构设计（开口、接管、支脚、安全附件、保温、安全隔离等）,压力容器机构设计（标准化开口、接管、支脚、安全附件）,压力容器机构设计（开口、接管、支脚、安全附件、检修梯、避雷设施等）,思考题,1.承受气体压力的圆筒和圆锥形壳体的应力有什么特点？标准椭圆壳的应力又是怎样的？,