压力容器设计基础.ppt
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1、压力容器设计基础,压力容器的概念,压力容器盛装压力介质的密闭容器尺寸容积形状,压力和温度条件,介质,制造材料涉及压力容器的基本法规和标准特种设备安全监察条例,国务院,压力容器安全技术监察规程,国家质监总局,压力容器、压力管道设计单位资格许可与管理规则,锅炉压力容器制造监督管理办法,GB150钢制压力容器JB4732钢制压力容器分析设计标准JB/T4735钢制焊接常压容器GB151管壳式换热器,压力容器的概念,压力容器的划定范围受压元件:容器中直接承受压力载荷(包括内压和外压)的零部件,如容器壳体元件、开孔补强圈、外压加强圈等非受压元件:为满足使用要求而与受压元件直接焊接成为整体,不承受压力载荷
2、(只承受重力载荷)的零部件,如支座、吊耳、垫板等GB150和容规明确规定了压力容器的范围,是指壳体及其连为整体的受压零部件(受压元件),压力容器的概念,压力容器的分类根据生产过程作用原理:反应压力容器(R),换热压力容器(E),分离压力容器(S),储存压力容器(C,其中球罐B)根据设计压力p等级:低压(0.1MPap1.6MPa),中压(1.6MPap10MPa),高压(10MPap100MPa),超高压根据容规分为一、二、三类压力容器,其中三类压力容器为介质危害程度高或材料强度级别高或其它原因技术要求较高而不允许微量泄漏的容器根据压力容器压力管道设计许可证分类:A1、A2、A3、A4,C1、
3、C2、C3,D1、D2,SAD根据压力容器制造许可证分类:A1、A2、A3、A4、A5,B1、B2、B3,C1、C2、C3,D1、D2,压力容器的概念,压力容器的设计各级设计人员:设计,校核,审核,批准(设计技术负责人),审定(技术总负责人,总工程师)设计任务书:标识,结构,介质,管口表,操作条件,设计条件,设计寿命,主材,载荷条件,其它设计文件:设计任务书计算书图样:总图,装配图,部件图,零件图,等说明书图面技术要求与内容制造要求,焊接要求,检测要求,检验要求技术特性表(设计数据表),管口表工作流程:工程图,施工图,竣工图,压力容器的概念,压力容器的设计管理设计管理制度设计人员条件设计人员业
4、务考核设计人员岗位责任制设计工作程序设计条件的编制与审查设计文件的签署、标准化审查、质量评定设计文件的管理、更改、复用设计资格印章的使用与管理等等,压力容器的概念,正确使用法规、标准、规范法规与标准、规范的关系正确使用标准规范(摘自ASME前言)压力容器的建造包括选材、设计、制造、检验、试验等一系列工作内容标准规范包括了对压力容器建造工作的如下三方面的基本内容:强制性要求,特殊禁用规定,非强制性指南标准规范不可能涉及容器建造的所有方面、细节,对于那些没有提及的内容不应该认为是被禁用的标准规范不是手册,它不能替代培训、经验和工程评价工程评价是由知识渊博、熟悉标准应用的设计师作出的技术评价,必须同
5、标准规范的原则相一致,绝不能以工程评价或经验为借口来否定标准规范的强制性要求或特殊禁用规定设计和分析所用工具和方法是随着技术进步而变化的,希望工程师们在应用这些工具时作出可靠的判断标准所制定的规则,不能理解为任何一种专有或特定的设计准则,不能限制设计人员自行选择符合规范规则的设计方法或结构形式。,压力容器失效准则及设计理论基础,失效准则强度失效准则弹性失效准则:GB150,不允许材料进入塑性变形塑性失效准则:JB4732,全截面屈服进入塑性状态方为失效爆破失效准则:超高压容器设计,材料应变强化、断裂方为失效刚性失效准则刚性不足,屈曲、跨塌(外压失稳)疲劳断裂失效准则承受交变载荷时,裂纹、断裂,
6、压力容器失效准则及设计理论基础,压力容器的失效形式强度失效爆破,过度变形稳定性失效失稳刚性失效泄漏(法兰),变形疲劳失效疲劳裂纹、开裂腐蚀失效 均匀腐蚀(以腐蚀裕量解决)晶间腐蚀(超低碳不锈钢)应力腐蚀(H2S、NH3等介质,拉应力和腐蚀介质共同作用),压力容器失效准则及设计理论基础,强度理论最大主应力理论第一强度理论当最大拉应力达到某一极限值时材料失效,理论上适用于脆性材料最大拉应变理论第二强度理论当最大拉伸应变达到某一极限值时材料失效,不适用于金属材料最大剪应力理论第三强度理论处于复杂应力状态下的材料,当其承受的最大剪应力达到某一极限状态时,材料进入塑性流动而失效工程上广泛应用歪曲应变能理
7、论第四强度理论考虑了三个主应力对材料强度的共同影响,压力容器失效准则及设计理论基础,GB150压力容器常规设计基于第一强度理论,弹性失效,不允许进入塑性变形结构部件的应力状态计算薄膜无力矩理论:将整体部件视为厚度方向应力相同的薄膜,只能承受拉、压应力,不能承受弯曲应力边缘区域总体上不考虑边缘应力的影响(锥壳除外):封头与筒体分别计算,不考虑结构不协调而引起的应力确定材料许用应力的安全系数对于板材、锻件、管材和密封螺栓具有不同的确定许用应力的系数螺栓因工作条件不明确无法预测,因此安全系数较大直径越小的螺栓安全系数越大,是因为过力超载更容易拧断,GB150 钢制压力容器 Steel pressur
8、e vessels,主要内容,1、总论 2、受压元件 3、外压元件(园筒和球壳)4、开孔补强 5、法兰6、低温压力容器(附录C)7、超压泄放装置(附录B),主要内容,1、总论 2、受压元件 3、外压元件(园筒和球壳)4、开孔补强 5、法兰6、低温压力容器(附录C)7、超压泄放装置(附录B),1.1 GB150适用范围压力:适用于设计压力不大于35MPa,不低于0.1MPa及真空度高于0.02MPa温度:钢材允许使用温度,1、总论,适用范围,适用范围,1、总论,1.2 GB150管辖范围容器壳体及与其连为整体的受压零部件 1)容器与外部管道连接 焊缝连接第一道环向焊缝端面 法兰连接第一个法兰密封
9、面 螺纹连接第一个螺纹接头端面 专用连接件第一个密封面2)接管、人孔、手孔等的封头、平盖及紧固件3)非受压元件与受压元件焊接接头(如支座、垫板、吊耳等)4)连接在容器上的超压泄放装置,1、总论,1.3 容器的失效准则与失效形式 压力容器在载荷作用下丧失正常工作能力称之为失效。压力容器设计说到底是壁厚的计算,壁厚确定主要是对材料失效模式的判别:弹性失效 壳体应力限制在弹性范围内,按弹性强度理论,壳体承载在弹性状态。塑性失效 壳体应力限制在塑性范围内,按塑性强度理论,壳体承载在塑性状态。爆破失效 壳体爆破是承载能力最大极限,表示材料承载能力的极限。压力容器失效表现为强度(断裂、泄漏)、刚度(泄漏、
10、变形)和稳定性(失稳)。,1、总论,1.4 设计参数 1.4.1 压力(6个压力)Pw 正常工况下,容器顶部可能达到的最高压力 Pd 与相应设计温度相对应作为设计条件的容器顶部的最高压力 PdPW Pc 在相应设计温度下,确定元件厚度压力(包括静液柱)Pt 压力试验时容器顶部压力 Pwmax 设计温度下,容器顶部所能承受最高压力,由受压元件有效厚度计算得到。Pz 安全泄放装置动作压力 PwPz(1.05-1.1)Pw Pd Pz,1、总论,1.4 设计参数 1.4.2 温度Tw 在正常工况下元件的金属温度,实际工程中,往往以介质的温度表示工作温度。Tt 压力试验时元件的金属温度,工程中也往往以
11、试验介质温度来表示试验温度。Td 在正常工况下,元件的金属截面的平均温度,由于金属壁面温度计算很麻烦,一般取介质温度加或减10-20得到。,1、总论,1.4 设计参数 1.4.3 壁厚(6个厚度)c 计算厚度,由计算公式得到保证容器强度,刚度和稳定的厚度d 设计厚度,d=c+C2(腐蚀裕量)n 名义厚度,n=d+C1(钢材负偏差)+(圆整量)e 有效厚度,e=n-C1-C2=c+min 设计要求的成形后最小厚度,minn-C1 壳体加工成形后最小厚度是为了满足安装、运输中刚度而定;而min是保证正常工况下强度、刚度、寿命要求而定。)坯 坯料厚度坯=d+C1+C3(其中:C3 制造减薄量,主要考
12、虑材料(黑色,有色)、工艺(模压,旋压;冷压,热压),所以C3值一般由制造厂定。),1、总论,各厚度之间的相互关系,1、总论,1.4 设计参数 1.4.4 许用应力许用应力是材料力学性能与相应安全系数之比值:b/nb s/ns D/nD n/nn 当设计温度低于20取20的许用应力。,主要内容,1、总论 2、受压元件 3、外压元件(园筒和球壳)4、开孔补强 5、法兰6、低温压力容器(附录C)7、超压泄放装置(附录B),2、受压元件园筒和球壳,2.1园筒和球壳 园筒和球壳壁厚是根据弹性力学最大主应力理论中径公式导出:,中径(Di+)替代Di,2、受压元件园筒和球壳,是以 薄壁容器内径公式导出,认
13、为应力是均匀分布。随壁厚增加K值增大,应力分布不均匀程度加大,当K=1.5时,由薄壁公式计算应力比拉美公式计算应力要低23%,误差较大;当采用(Di+)替代Di内径后,则其应力仅相差3.8%,这样扩大了公式应用范围(K1.5),误差在工程允许范围内。,园筒受力图,2、受压元件园筒和球壳,园筒环向应力是轴向应力2倍,最大主应力为环向应力,所以公式中焊接接头系数为纵向焊缝接头系数。,而球壳环向应力和径向应力是相等。按中径公式可推导出,球壳壁厚,适用范围Pc0.6t,相当于K1.353公式中焊接接头系数为所有拼接焊缝接头系数。,2、受压元件封头,2.2 封头 2.2.1 椭圆封头 1)应力分布 标准
14、椭圆封头(a/b=2)应力分布:,2、受压元件封头,径向应力r为拉伸应力,封头中心最大,沿径线向封头底边逐渐减小。周向应力封头中心拉伸应力,并沿径线向封头底边逐渐减小,由拉伸应力变为压缩应力,至底边压应力最大。且a/b越大,底部压应力愈大。出于上述考虑,GB150规定a/b2.6。所以在内压作用下,封头短轴要伸长,长轴要缩短称之为趋园现象,在曲面与直边相连部分,封头底边径向收缩,园筒径向胀大,在边界力作用下产生附加弯距(弯曲应力),封头上最大应力为薄膜应力和弯曲应力之和。,2、受压元件封头,2、受压元件封头,计算公式,a/b越大,越扁平,长轴收缩多,变形越大,应力也大。K与Di/2hi关系查表
15、 7.1,2、受压元件封头,3)稳定性 在内压作用下,长轴缩短,产生压应力,存在周向失稳可能,标准控制最小厚度来保证。(GB150 表7-1 下部说明)在外压作用下,短轴缩短,产生压应力,球面部分存在失稳可能,用图表法进行校核计算。,2、受压元件封头,2.2 封头 2.2.2 碟形封头1)应力分布 碟形封头由球面、环壳和园筒组成,应力分布与椭圆封头相似。径向应力 r为拉伸应力,在球面部分均匀分布,至环壳应力逐渐减小,到底边应力降至一半。周向应力 在球面部分为均匀分布拉伸应力,环壳上为压缩应力,在连接点到底边逐渐减小,而在球面与环壳连接处最大。,碟形壳的应力与变形,2、受压元件封头,碟形封头与椭
16、圆封头形状相似,不同点是应力与变形都是不连续的,而且有两个拐点(球面与环壳、环壳与园筒)在两个边界上产生附加力矩(弯曲应力)在内压作用下,球面外凸,环壳内缩,园筒外胀。当r/R越小,球面与环壳处产生应力最大;r/R1趋于球壳,弯距0;所以蝶形封头最大应力在球面与环壳过度区。,2、受压元件封头,2)碟形封头的计算公式,Ri/r越大,变形越大,应力也大,所以M随R/r增大而增大,M与Ri/r查表7-3,3)稳定性,在内压作用下,长轴缩短,产生压应力,存在周向失稳可能,标准控制最小厚度来保证。(GB150 表7-1 下部说明)在外压作用下,短轴缩短,产生压应力,球面部分存在失稳可能,用图表法进行校核
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