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1、Z1.23长江大学工程技术学院毕业设计(论文)题 目 名 称32Mpa高压容器的结构设计及应力分析题 目 类 型毕业设计系 部专 业 班 级学 生 姓 名学 号/序 号指 导 教 师辅 导 教 师时 间毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日
2、期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 目录长江大学工程技术学院毕业设计任务书I毕业设计（论文）开题报告III指导教师审查意见XIII评阅教师评语XIV答辩会议记录及成绩评定XV中外文摘要XVI前言132MPa高压容器的结构设计及应力分析21 选题背景21.1 研究目的和意
3、义21.2 高压容器的国内外研究现状和发展趋势31.2.1 高压容器应用及发展31.2.2 高压容器的国内外现状和发展趋势41.3 高压容器的结构简介51.4 研究的主攻方向51.5 设计原始数据及设计要求51.6 结构简介52 材料选用原则63高压容器的结构设计73.1高压容器内容器的结构设计73.1.1 内容器筒体的设计73.2.2 内容器封头的设计93.3高压容器外容器的结构设计103.4 保温层厚度及质量计算134开孔接管和开孔补强134.1各接管设计144.2开孔补强设计145附件设计185.1法兰设计185.1.1对法兰联接的基本要求185.1.2工作原理185.1.3影响密封的主
4、要因素195.1.4法兰结构及材料的选用205.2垫片的选择215.3连接螺栓设计225.3.1 螺栓载荷计算235.3.2螺栓强度校核245.4爆破片的设计245.4.1爆破片装置的特点245.4.2爆破片和夹持器的结构型式255.5预冷夹套设计275.6支撑拉杆设计275.6.1拉杆的尺寸计算275.6.2拉杆稳定性校核286支撑裙座设计296.1裙座的选材296.2裙座各尺寸确定306.2.1塔体上各项载荷计算306.2.2塔体的强度及轴向稳定性验算306.2.3裙座的强度及稳定性验算316.2.4裙座基础环设计326.2.5地脚螺栓设计356.3裙座与塔体的连接357 高压容器强度与安
5、全特性分析357.1高压容器的理想应力状态357.2 对高压深冷容器的焊接加工性分析367.2.1 焊接性分析367.2.2 焊接方法和焊材选择377.2.3 坡口形式387.2.4 奥氏体不锈钢焊接工艺要点38结束语39参考文献40致谢41长江大学工程技术学院毕业设计任务书系：专业：班级：学生姓名：指导教师/职称：1.毕业设计题目：32Mpa高压容器的结构设计及应力分析2.毕业设计起止时间：2011年11月5日2012年6月1日3毕业设计所需资料及原始数据 1）原始数据 设计压力=32MPa，设计温度=20K，容积=10m3容器类型：储液氨高压容器2）主要参考资料1 胡玉忠，徐道荣.钢制压力
6、容器焊接CAPP系统的研究与实现.合肥工业大学,2003：P8-122 修淑英.1000m钢制乙烯球罐设计要点.机械设备，石化技术，2000: P236-2403 乔尚飞，魏艳红.计算机辅助焊接工艺设计应用现状.焊接,2002( 7): P5-84 陈春红，张建勋，裴怡.钢制压力容器焊接工艺设计与管理专家系统的研究.工程建设与设计，2001年第1期: P39-425 张子晔，郭晶.3.5%Ni钢低温压力容器制造中的几个问题.石油化工设备，第26 卷第1期: P37-406 朱光照. LPG球罐的焊接J . 焊接，2005年1期：P39-414毕业设计应完成的主要内容1）引言2）高压容器主体结构
7、的设计3）对容器主要部分计算4）附件设计5）结束语6）参考文献5毕业设计的目标及具体要求（对外文翻译提出具体要求）学生对深冷高压容器的结构及注意事项有一个基本的了解并培养学生掌握绘图的基本能力。具体要求（按长江大学毕业设计工作条例要求）：查阅资料：近35年参考文献不少于15种（篇）；其中要有1篇外文文献外文翻译：原文不少于2万字符，译文不少于3千汉字；撰写开题报告：不少于3千汉字；绘制高压容器的装配图：1张（计算机图）； 绘制主要零部件图：12张，计算机图；撰写毕业设计论文：字数不少于1.5万汉字，计算机打印。6、完成毕业设计所需的条件及上机时数要求 上机时间不少于200机时，一定数量的参考资
8、料，网络资源，AutoCAD软件任务书批准日期教研室主任（签字）任务书下达日期指导教师（签字）完成任务日期学生（签名）32Mpa高压容器的结构设计及应力分析 学 生：xxxxxxx 指导教师：xxxxxxx1课题来源及题目类别题目名称：32MPa高压容器的结构设计及应力分析题目来源：生产实际题目类别：真题2研究的目的和意义 本课题的题目来源于生产实习，很显然，研究的目的是为了生产服务。高压容器是在核工业、石油化工、轻工、电厂、化学化工、制药等工业生产中广泛使用的重要设备。近年来, 随着我国石油化工行业的迅速发展,液化石油气作为一种污染小、价格低、资源丰富的能源越来越受到重视, 其应用日益广泛。
9、液化石油气储罐是具有较大危险性的储存容器, 一旦出现问题, 将给人民的生命、财产带来极大的损失。吉林、西安等地的液化气储罐事故给人们以深刻的教训。为了保证液化石油气储罐的安全运行, 避免事故发生, 必须从各个方面严格关。而设计是首要的环节。焊接是制造高压容器的重要工艺，焊接质量在很大程度上决定了制造质量。所谓焊接工艺是指焊接过程中的一整套技术规定，其中包括焊前准备、焊接材料、焊接设备、焊接方法、焊接顺序、焊接操作的最佳选择以及焊后处理等，如果不按照焊接工艺的要求运行，产品质量就得不到保证。焊接质量直接影响到高压容器的运行安全,而焊接的超标缺陷又不可避免, 通过分析焊缝缺陷产生的原因, 实施焊接
10、返修和控制, 以保证产品质量。3主要参考文献及资料名称1 陈平，朱国辉，黄载生. 压力容器在低温工程中的应用和设计 J. 低温工程，1994年第1期.2 鲁卫彦，刘凤侠. 高压深冷容器的焊接加工分析 M. 机电工程技术, 2004年第33卷第7期.3 蒋家羚，黄海军，骆晓玲.新型低温高压容器设计研究J. 低温工程,2001年第3期.4 艾合买提江加马力.液氨压力容器应力腐蚀及预防措施 J. 新疆机械工程学会论文, 2006.5 朱国辉，黄载生，王乐勤，林晓斌.新型薄内筒扁平绕带式高压容器的发展现状、强度与安全特性分析 J. 浙江大学化机教研室.6 陈志平,郑津洋,朱国辉. 新型绕带式液氢高压容
11、器的传热分析和蒸发率计算J. 低温工程, 2001年第6期.7 李晓清，刘志颖，过复初，郑健能.2m3立式液氢高压容器焊接P. 2005年第22卷第7期.8 梁萌.浅释低温压力容器设计的几项规定 J. 森林工程，2008你年第18卷第5期.9 刘卫平,周岚,徐庆山.低温压力容器的设计 J. 化工装备技术，2005年第3期.10 段瑞. 低温压力容器支座材料选用J. 石油化工设备, 2001年第30卷第6期11 董振龙. 低温容器设计应注意的问题 J.压力容器，1990年第7卷第8期.12 任凤仪，韩玉祥，陶本艳. 低温容器设计注意事项及壁温的确定 J. 化学工程师,1992年第4期.13 安金
12、锁，王广宏.低温压力容器的特点及应注意的问题 J. 应用能源技术，1997年其1期.14 N. G. Krishchuk. ANALYSIS OF THE STRESS STATE OF THICK-WALLED HIGH-PRESSURE VESSELS BY THE FINITE-ELEMENT METHOD.Kiev Polytechnic Institute. Translated from Problemy Prochnosti, No. i, pp. 62-65,January, 1984.15 Seung-Kee Koh. Residual Stress Analysis of
13、an External Grooved Thick-Walled Pressure Vessel J. KSME Journal, Vol. 7, No. 3, pp. 194-202, 1993.16 J. Rudolph E. Wei M. Forster. Modeling of welded joints for design against fatigue J. Engineering with Computers 2003。4国内外现状和发展趋势4.1 我国高压容器研究现状及与国外先进水平的差距高压容器在化工与石油化学工业中有着愈来愈广泛的应用。如合成氨工业中的高压设备压力为156
14、0MPa；合成甲醇工业中的高压设备压力为1530MPa；合成尿素工业中的高压设备压力为20MPa；石油加氢工业中的高压设备压力为1070MPa等。这类合成反应装置不但压力高，而且也伴有高温，例如合成氨就常在1532MPa压力和500高温下进行合成反应。当前压力容器向大容量、高参数发展，如核电站一个1500MW压水堆压力壳，工作压力为1416MPa，工作温度为250330C，容器内直径7800mm，壁厚317 mm，重650吨；又如煤气化液化装置中的压力容器工作压力为17.525MPa，工作温度为450550C，内直径为30005000mm，壁厚为200400 mm，重4002600吨，对这类容
15、器的工艺要求和运行可靠性要求更高，显然比一般压力容器又有更高更严格的安全性要求。 高压容器的设计理论与制造技术起源于军事工业中的炮筒。化学工业中应用最早的是合成氨工业。随着化工及石油化工工业的发展，高压容器的直径、厚度、吨位都在不断地增加。2030年代的氨合成塔内径一般为700800mm，重30t左右。五十年代内径增大到8001000 mm，长10m以上，重80t左右。六十年代发展到直径为16001700mm。而70年代以来，由于单机大型化生产的发展更快，直径已达28003600mm，长20m以上，重300400t加氢反应器也是如此，有的目前已达4.5m直径，厚度达280mm，重约l000t从
16、各方面的技术应用中表明，高压容器在现代石油化学工业中的应用是必不可少，而且是得到迅速发展的一个领域。在国家科学技术部、国家质量监督检验检疫总局等部门的支持下 , 在合肥通用机械研究院、中国特种设备检测中心、华东理工大学、浙江大学、北京航空航天大学、南京工业大学、浙江工业大学等单位的共同努力下 , 我国在高压容器及管道的结构完整性理论、缺陷检测、事故预测和预防、寿命预测和延寿等方面的研究取得了丰硕的成果 , 解决了一大批在用高压容器和高压管道检测和安全评定中的技术难题 , 产生了重大经济效益和社会效益 , 使得我国的高压容器、高压管道安全评定理论和技术接近发达国家的水平。清华大学等单位建立了有自
17、主知识产权的换热器管板设计计算方法。与传统的美国 TEMA 公式相比 , 按我国自己的方法设计 ,可使大直径中低压换热器管板厚度大幅度减薄。浙江大学发明的扁平钢带倾角错绕式高压容器、螺旋板蜂窝夹套啤酒发酵罐、带加强箍半球形封头高压容器等 , 具有结构合理、制造简便、使用安全、易于实现在线安全状态监控等优点 , 为我国化肥、轻工等行业的发展做出了突出贡献。在系统深入的理论分析和试验研究的基础上 , 浙江大学建立了完整的扁平钢带倾角错绕式高压容器设计理论 , 并将其列入 ASME锅炉高压容器规范。大连理工大学在化工流体爆炸超压灾害防治方法、超压敏感功能元件理论及安全装备技术研究方面 , 取得了多项
18、国家级研究成果。其它方面 , 如高压轻质储氢容器、超高压容器、高效换热容器、大型储罐、锻焊结构重型容器等方面的研究 , 也都取得较大进展 。2000 年, 美国Quantum公司与Lavrence Livermore国家实验室以及Thiokol 公司合作, 历史性的开发出最大工作压力为35MPa , 单位重量贮氢密度为1113Wt %的高性能压缩氢气储存容器。进而在2001年研制出最大工作压力为70MPa 的贮氢容器。于同年12 月2 日正式交付使用。我国对高压贮氢容器的研制相对落后, 但在工况相似的压缩天然气(CNG) 气瓶的生产、使用方面已有比较成熟技术, 很多城市都推出了压缩天然气汽车,
19、 大大节约了能源, 减轻了污染。如成都市绝大部分出租车均采用汽油和天然气双燃料技术, 其金属内衬纤维缠绕CNG储罐最大工作压力在20MPa左右, 续航能力为100 150km。很多企业都在进行该类气瓶的开发、生产工作, 有较高水平。高压贮氢容器工况与CNG气瓶有很多相似之处, 在设计、制造和性能测试中可以借鉴相关技术 。其中材料的选择是高压容器设计很重要的部分，下表为不同国家的选材标准。焊接是制造高压容器的重要工艺，焊接质量在很大程度上决定了制造质量。焊接技术已经在能源、交通、化工、炼油、冶金、建筑、高压容器、机械、电子、航天航空等几乎所有的民用和军用工程与制造领域得到广泛地应用。在一些部门中
20、，焊接甚至占有相当重要的地位。在很大程度上对工业发展速度和产品质量起到重要的甚至关键性的作用。从某种意义上讲,工业先进的国家莫不以先进的焊接技术作为其现代化的显著标志之一。焊接技术在国民经济中日益重要的作用,也是当代焊接技术发展的一个重要特点。目前，我国焊接材料仍以焊条为主，焊条生产总量约占焊接材料总量的80，焊丝只占19左右。从美国、日本等工业发达国家焊接材料构成来看，美国焊条产量占焊接材料的20%，焊丝占79左右。日本焊条产量占焊接材料15，焊丝占84左右。从以上这些数据不难看出，与发达国家相比,我国焊接材料的生产还存在很大的差距。4.2 承压设备的最新发展趋势大型化在高新技术中的应用越来
21、越广，标准全球化，防止突发爆炸事故对高压容器提出更高的要求，安全可靠性要求越来越高。目前高压容器主要朝着轻质、高压的方向发展。研究工作着重在提高效率, 增加容器可靠性, 降低成本, 制定相应标准等方面。但提高容器最大工作压力并不是一个无止境的目标。从Quantum公司的例子可以看出, 在压力只有35MPa的情况下, 单位重量贮氢密度同样可以达到1113Wt %。提高容器工作压力只是为满足容器单位重量贮氢密度指标要求。压力越高, 对材料、结构的要求也越苛刻, 成本也将随之增加, 同时发生事故造成的破坏力也增大。故在达到单位重量贮氢密度要求的情况下, 提高容器的可靠性, 降低成本,减轻重量应成为主
22、要任务。现阶段, 高压容器应紧跟国际发展步伐,从新材料、新结构入手, 在吸收国外先进经验的基础上, 结合我国实际, 开发有自主知识产权的先进技术。4.3 高压容器设计的国内外现状和发展趋势低温技术在宇航等工业上的开发和应用，需要一些深冷低温高压贮液设备和单元操作设备，如液氢、液氧高压容器，其使用压力已高达40Mpa，容积亦趋大型化而且，低温容器所贮存的往往是易燃易爆和极易挥发的介质，因此，对低温容器结构的使用安全技术和制造技术的要求亦不断增加，其矛盾越发突出。如要设计一台10m3，的液氢容器，内容器材料应选奥氏体不锈钢,当筒体内径为1500 mm时，要求设计壁厚达250 mm以上，要采用如此厚
23、的不锈钢板卷焊技术来制造，不仅制造困难，造价昂贵,其使用安全性亦不足。目前在工矿企业使用的压力容器中，低温压力容器占有一定的比重。因该容器工作温度较低，容器材料的脆性相应增大，即使在工作压力较低的情况下，也极易造成低应力脆断，使容器遭到不同程度的破坏。因此，这种破坏是一种很难预测而危害性又很大的破坏。通过近几年压力容器发生的事故来看，工作压力较低的低温容器占有一定的比例这主要是由于容器的工作压力较低不易引起人们的注意造成的。随着科学的进步，目前国内外对低温容器的低应力脆断都在进行深入的研究，并取得了很大的进展。扁平绕带式压力容器是我国的具有长远发展前景的一种高压容器，扁平绕带高压容器，国内自1
24、965年研制以来，己成功地得到应用。由于其具有结构合理、制造简便、使用安全等特点，十几年来已发展成为我国高压容器重要的结构型式之一。4.4 研究的主攻方向由于对深冷高压容器要求有很高的安全可靠性，故在容器设计时，应做出合理的结构设计，如：内、外容器筒体的结构形式及各自的材料选用，支撑裙座的结构设计等。在进行高压容器结构设计时，高压容器必须进行开孔接管，而开孔接管区的应力状况非常复杂，势必在开孔附近造成应力集中；另一方面接管使接管区成为总体结构不连续区而产生边缘应力；同时接管与壳体是通过焊缝连接在一起，焊缝的结构尺寸如焊缝高度、过渡圆角等会形成局部结构不连续，形成局部不连续应力。所以为保证容器安
25、全，需在开孔区进行适当的补强处理。5主要研究内容、重点研究的关键问题及解决思路5.1主要研究内容高压容器结构设计由老师提供的资料数据图书馆查阅的资料及网上下载的资料压力容器的计算计算机绘制工程图与零件图压力容器的受力分析5.2重点研究的关键问题高压容器的结构设计。从众多的高压容器破坏事故案例来看，由于结构设计不合理而导致的事故占有较大的比例。正确合理的高压容器结构设计是使其安全使用的基本要求，同时对降低高压容器的成本也有一定的影响。还有焊接工艺性的设计，高压容器发生事故很多的时候是在焊缝的位置。6完成毕业设计所必须具备的工作条件及解决的办法6.1具备的条件老师的指导，过去所学到的理论知识，搜集
26、到的资料，计算机，图书馆，网络资源等。以前所学到的专业知识、所用的课本、搜集到的资料、老师提供的参考资料等， 还有图书馆和网络资源。6.2解决办法 在图书馆查阅焊接设计的、设计手册和杂志等相关书籍，阅读国内外关于高压容器的设计与制造的书籍，借助网络资源，在学校图书馆网站和一些焊接论坛上查阅下载必要的资料，认真阅读，多与同学讨论，并在老师的指导下，认真思考、归纳总结，逐步解决在设计过程中遇到的理论性困难问题，及时补充学习所需要的各方面的知识。熟练画图软件知识，经常向老师请教，多与同学交流学习，多跑图书馆，多上机查资料。7工作的主要阶段、进程与时间安排7.1 工作的主要阶段、进度：根据设计题目查阅
27、相关资料，以了解设计过程、计算方法以及注意事项。规划总体设计方案，与进行确定。根据设计方案，对各零件选择材料，初步计算出高压容器的结构参数。进行详细计算，对主要零部件进行强度校核。根据计算所得结论以高压容器工艺要求加以完善处理。绘制装配草图以及零件草图。绘制装配图以及零件图。做毕业设计总结，复习设计过程准备答辩。7.2 时间安排：2011年11月8日12日：领取任务书，查阅相关资料2011年11月12日18日：阅读并翻译与毕业设计相关的外文资料2011年11月12日28日：撰写开题报告2011年11月28日30日：设计计算，绘草图，写设计说明书草稿。2011年12月1日10日：初步完成设计说明
28、书主体部分2011年12月10日30日：图纸绘制2012年1月1日5日：资料检查2012年2月20日4月15日：修订设计说明书2012年4月16日4月30日：修改并完善设计图（总装配图、零件工作图）2012年5月7日5月20日：撰写并打印设计说明书，准备答辩指导教师审查意见中外文摘要32Mpa高压容器的结构设计及应力分析 学 生：xxxxxxx 指导老师：xxxxxxx 摘要 本文介绍了高压容器的国内外研究现状和发展趋势，并对高压容器的结构作了简单的介绍。 接着对深冷高压容器的材料选择进行了详细的分析, 该高压容器主要包括内、外容器的筒体、封头及其各自结构的设计，还对容器所用附件进行了设计，并
29、运用Auto CAD软件绘制了容器装配图。在进行附件设计时，选择合适的标准件，并针对最大应力分布区域，运用开孔补强设计对开孔接管处进行补强设计。从对高压容器强度与安全特性分析验证了结构设计方案的可行性，最后对高压深冷容器的制造、检验和焊接加工性进行分析关键词 深冷 高压容器 容器结构设计 开孔补强 安全特性分析 焊接加工性XIIIThe design of copious cooling flat strip winding high pressure vessel structureStudent: xxxxxxxGuide teacher:JxxxxxxxAbstract This Pas
30、sage introduces the current research status of high pressure vessel at home and abroad and the development trend, and the high pressure vessel structure were simply introduced. Then the high pressure vessel cryogenic materials selection are analyzed in detail, and the high pressure vessel mainly inc
31、ludes the inside and outside of the cylinder .and their respective head of the design of the structure, but also to designing the accessories which the vessel use, protracting how to set up the vessel by Auto CAD software. When design these accessories aim at the area where the biggest stress distri
32、bution to do Reinforcement design. From analyzing the strength and security features of the high pressure vessel to prove the structure design is feasible. At the end of to analyze the high pressure copious cooling making、inspection and seal machining.Keyword： Copious cooling high pressure vessel th
33、e structural design of container reinforcement of openings security feature analyzing seal machiningXVII选题背景前言1833年法国巴黎大学教授Lame和Clapeyron得出了厚壁圆简平衡公式和应力分布公式，提出了在圆简内施加压力时其内部的应力分布，从而为高压容器的发展奠定了理论基础。1888年法国学者Lrchatlirt首先提出利用压力这个因素来促进氢氮的反应及提高氨产量的著名原理及设想。继而德国化学家Haber等继续进行了这方面的研究，并从设备上解决了问题。并于1910年建立了一个中间工
34、厂，第一次在20MPa操作压力下得到氨的工业产品。几乎在同一时代，煤炭的液化亦采用了高压设备。随着近代化工工业的迅速发展，高压容器获得愈来愈广泛的应用。如合成氨工业中的高压设备压力为15 -60MPa;合成甲醇工业中的高压设备压力为15 -30MPa;合成尿素工业中的高压设备压力为20 MPa ;石油加氮工业中的高压设备压力为8 - 70MPa;乙烯气体在超过100MPa的超高压条件下进行聚合反应等，都是利用高压条件手化学平衡向有利于合成产品的方向进行这一原理，它可以提高化学反应速度，并大大减小了反应设备的容积。从各方面的技术应用中表明，高压容器在现代工业中的应用必不可少.而且是得到迅速发展的
35、一个领域。低温技术在宇航等工业上的开发和应用，需要一些深冷低温高压贮液设备和单元操作设备，如液氢、液氧高压容器，其使用压力已高达40MPa，容积亦趋大型化而且，低温容器所贮存的往往是易燃易爆和极易挥发的介质，因此，对低温容器结构的使用安全技术和制造技术的要求亦不断增加，其矛盾越发突出。如要设计一台10m3的液氢容器，内容器材料应选奥氏体不锈钢,当筒体内径为1500 mm时，要求设计壁厚达250 mm以上，要采用如此厚的不锈钢板卷焊技术来制造，不仅制造困难，造价昂贵,其使用安全性亦不足。目前在工矿企业使用的压力容器中，低温压力容器占有一定的比重。因该容器工作温度较低，容器材料的脆性相应增大，即使
36、在工作压力较低的情况下，也极易造成低应力脆断，使容器遭到不同程度的破坏。因此，这种破坏是一种很难预测而危害性又很大的破坏。通过近几年压力容器发生的事故来看，工作压力较低的低温容器占有一定的比例这主要是由于容器的工作压力较低不易引起人们的注意造成的。随着科学的进步，目前国内外对低温容器的低应力脆断都在进行深入的研究，并取得了很大的进展。32MPa高压容器的结构设计及应力分析1 选题背景1.1 研究目的和意义在现代科技高速发展的今天，随着石化工业的迅速发展, 高温、高压容器得到越来越广泛的应用，这类容器要承受较高的压力、温度和介质的腐蚀, 操作条件比较苛刻，在高压容器应用的同时也暴露出更多的安全隐
37、患。高压容器设计时的材料选择、强度计算、结构的合理性等要求都比较高。压力容器因其承受各种静、动载荷或交变载荷，还有附加的机械或温度载荷；其次，大多数容器容纳压缩气体或饱和液体，若容器破裂，导致介质突然卸压膨胀，瞬间释放出来的破坏能量极大，加上压力容器极大多数系焊接制造，容易产生各种焊接缺陷，一旦检验、操作失误容易发生爆炸破裂，容器内易爆、易燃、有毒的介质将向外泄漏，势必造成极具灾难性的后果。因此，对压力容器要求很高的安全可靠性。 在设计压力容器时，对高压容器进行合理的结构设计的目的和意义就是：保证高压容器的安全性和经济性。在设计、制造及使用过程中都以安全为核心问题，在选用经济可靠的材料、经济的
38、制造方法、低的操作和维护费用、长周期的安全运行的经济性的同时，更要使高压容器有足够的强度、刚度(或稳定性)、可靠的密封性能和一定的使用寿命等的安全性，即在充分保证足够安全的前提下尽可能做到经济。在化学工业中使用的高压容器，其操作随工艺过程而异。情况比较复杂。它不仅承受高压.而且具有高温(如加氢反应器的设计温度高达500 )和低温(如液氮洗工艺的温度低至-196 )，同时还往往伴有介质(如氢、氮、一氧化碳与尿素等)的强烈腐蚀。所以对高压容器的设计、制造与检验应十分重视。另外，由于压力容器大型化的发展趋势，容器的直径、壁厚、质量越来越大。容器的使用条件日益苛刻。因此在设计高压容器时.必须从操作条件
39、出发，对安全、选材、制造、检骏等各方面进行全面综合的比较和分析，以期做出一个操作安全、技术先进、经济合理的设计。在高压容器的设计过程中。一般应考虑下列问题：1、高压容器的结构必须保证强度的可靠性和密封的严密性为了保证强度的可靠性，便容器在确定压力(或其他外部载荷)作用下，不导致破坏或过量的塑性变形，就必须对容器的受力元件做详细的应力分析，结合选材、制造检验等做综合的考虑，然后定出合理的壳体结构和尺寸。为了保证密封的严密性，使容器在操作时不产生泄漏，避免因而引起的着火或爆炸事故、就必须从结构简单、密封可靠、便于加工、装卸、检验等出发，慎重确定密封结构。由于在一定压力下容器的壁厚随直径的加大而增加
40、，直径和壁厚的增加又对选材、密封、制造、检验、运输等各方面带来许多困难。因此，一般高压容器的结构在满足操作条件的前提下，当容积一定时，希望采用较大的长径比，并要求有效地利用高压空间。2、高压容器的选材高压容器所选用的材料应具有良好的综合机械性能和耐腐蚀性能，同时应遵守经济、节约和符合国情的原则。所谓良好的综合机械性能即指强度高，塑性和韧性好，以及良好的制造和加工工艺性。良好的耐腐蚀性是指材料耐操作介质腐蚀的程度，除了不应直接影响设备使用寿命外，同时还不应影响产品质量。经济节约和符合国情可以降低设备成本，保证材料的来源和供应。3、高压容器的制造和检验必须严格遵守各种技术条件和有关规程不论在制造过
41、程中还是在现场使用过程中都要执行严格的检查和试验。这样，一方面可以及早发现缺陷，保证制造质量;另一方面可对容器的承载能力做验证，以确保容器的安全操作。因此，在设计过程中必须正确选定制造检验技术条件作为制造检验的准绳。同时必须使设计符合技术条件的各种要求。1.2 高压容器的国内外研究现状和发展趋势1.2.1 高压容器应用及发展高压容器在化工与石油化学工业中有着愈来愈广泛的应用。如合成氨工业中的高压设备压力为1560MPa；合成甲醇工业中的高压设备压力为1530MPa；合成尿素工业中的高压设备压力为20MPa；石油加氢工业中的高压设备压力为1070MPa等。这类合成反应装置不但压力高，而且也伴有高
42、温，例如合成氨就常在1532MPa压力和500高温下进行合成反应。当前压力容器向大容量、高参数发展，如核电站一个1500MW压水堆压力壳，工作压力为1416MPa，工作温度为250330C，容器内直径7800mm，壁厚317 mm，重650吨；又如煤气化液化装置中的压力容器工作压力为17.525MPa，工作温度为450550C，内直径为30005000mm，壁厚为200400 mm，重4002600吨，对这类容器的工艺要求和运行可靠性要求更高，显然比一般压力容器又有更高更严格的安全性要求。 第3页（共41页）选题背景高压容器的设计理论与制造技术起源于军事工业中的炮筒。化学工业中应用最早的是合成
43、氨工业。随着化工及石油化工工业的发展，高压容器的直径、厚度、吨位都在不断地增加。2030年代的氨合成塔内径一般为700800mm，重30t左右。五十年代内径增大到8001000 mm，长10m以上，重80t左右。六十年代发展到直径为16001700mm。而70年代以来，由于单机大型化生产的发展更快，直径已达28003600mm，长20m以上，重300400t加氢反应器也是如此，有的目前已达4.5m直径，厚度达280mm，重约l000t从各方面的技术应用中表明，高压容器在现代石油化学工业中的应用是必不可少，而且是得到迅速发展的一个领域。1.2.2 高压容器的国内外现状和发展趋势低温技术在宇航等工
44、业上的开发和应用，需要一些深冷低温高压贮液设备和单元操作设备，如液氢、液氧高压容器，其使用压力已高达40MPa，容积亦趋大型化而且，低温容器所贮存的往往是易燃易爆和极易挥发的介质，因此，对低温容器结构的使用安全技术和制造技术的要求亦不断增加，其矛盾越发突出。如要设计一台10m3的液氢容器，内容器材料应选奥氏体不锈钢,当筒体内径为1500 mm时，要求设计壁厚达250 mm以上，要采用如此厚的不锈钢板卷焊技术来制造，不仅制造困难，造价昂贵,其使用安全性亦不足。目前在工矿企业使用的压力容器中，低温压力容器占有一定的比重。因该容器工作温度较低，容器材料的脆性相应增大，即使在工作压力较低的情况下，也极
45、易造成低应力脆断。因此，这种破坏是一种很难预测而危害性又很大的破坏。通过近几年压力容器发生的事故来看，工作压力较低的低温容器占有一定的比例这主要是由于容器的工作压力较低不易引起人们的注意造成的。随着科学的进步，目前国内外对低温容器的低应力脆断都在进行深入的研究，并取得了很大的进展。1.3 高压容器的结构简介低温高压容器贮罐由内容器、和外容器外裙座立式结构等组成。内容器采用耐低温钢材，结构安全可靠，多次来回卷制而成。内容器封头为球形多层结构，外容器为真空容器，其封头为椭圆形结构，整体容器支撑在外容器的裙座上。为满足外容器外压稳定性的要求，在外容器的内壁处焊了两只工型钢刚性圈。内容器因低温条件下工
46、作用奥氏体不锈钢制造，外容器用16MnR制造。内外容器之间采用具有良好绝热性能的多层绝热结构。内容器近中部两端处用6根可调节的特殊不锈钢拉杆固定在外容器内部的加强吊耳上，上下各3根, 3根为1组,分别与轴线成45角,拉杆的端点支承面为球形铰链，以保证安装时对接方便。 高压容器的结构型式是决定容器受力状态、制造工艺和使用安全性的一个关键性因素。综合分析目前世界上的单层式、多层包扎式、多层热套式、缠绕式等高压容器的特点，以及工业生产对高压容器所提出的要求，一种合理的、先进的高压容器结构应具有以下几个特点：1.4 研究的主攻方向由于对深冷高压容器要求有很高的安全可靠性，故在容器设计时，应做出合理的第5页（共41页）材料选用原则结构设计，如：内、外容器筒体的结构形式及各自的材料选用，支撑裙座的结构设计等。在进行高压容器结构设计时，高压容器必须进行开孔接管，而开孔接管区的应力状况非常复杂，势必在开孔附近造成应力集中；