系列过程设备设计第四章.ppt

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1、4.压力容器设计,4.3 常规设计,CHAPTER Design of Pressure Vessel,4.3 常规设计,4.1 概述 4.2 设计准则 4.3 常规设计 4.4 分析设计 4.5 疲劳分析 4.6 压力容器设计技术进展,力载荷处 理，不考虑交变载荷，也不区分短期载荷和永久载荷，不涉及容器的疲劳寿命问题。,区别于分析设计,一、设计思想,“按规则设计”（Design by Rules），只,考虑单一的最大,载荷工况，按一次施加的静,应力求解依据 材料力学及板壳 理论，按最大拉 应力准则来推导 受压元件的强度 尺寸计算公式。,校核受压元件 的应力强度 材料许用应力（强度）材料许用外

2、压力（失稳）,边缘应力采用 分析设计标准中 的有关规定和思 想，确定结构的 某些相关尺寸范 围，或由经验引 入各种系数。,4.3.1 概 述,4.3.1 概述,（4-4）,压力容器材料韧性较好，在弹性失效准则中，,（4-5）,4.3.1 概述,二、弹性失效设计准则,二、弹性失效设计准则（续）,内压薄壁圆筒：,周向薄膜应力,计算厚度，mm；D筒体中面直径，mm。,经向薄膜应力,第2章应力分析中的厚度t是指实际厚度，与设计中需要确定的厚度并不是同一个概念，因此用代替t。,4.3.1 概述,显然，1=，由式（4-3）,二、弹性失效设计准则（续）,，,4.3.1 概述,将第2章表2-1中仅受内压作用时

3、，厚壁圆筒内壁面处的三向应力分量计算式，代入弹性失效设计准则式（4-3）式（4-5），表4-1 按弹性失效设计准则的内压厚壁圆筒强度计算式,二、弹性失效设计准则（续）,4.3.1 概述,4.3.1 概述,4.3.1 概述,二、弹性失效设计准则（续）,（3）在同一承载能力下，最大切应力准则计算出的 壁厚最厚，中径公式算出的壁厚最薄。,（2）在壁厚较薄时即压力较低时，各种设计准则差 别不大；,（1）按形状改变比能屈服失效判据计算出的 初始屈服压力和实测值最为接近；,4.3.2 圆筒设计,4.3.2 圆筒设计,筒体结构,单层式,组合式,4.3.2.1 筒体结构,4.3.2.1 圆筒结构,1、结构：,

4、筒体,为避免裂纹沿壁厚方向扩展，各层板之间的纵焊缝应相互错开75。,筒节的长度视钢板的宽度而定，层数则随所需的厚度而定。,一、多层包扎式,4.3.2.1 圆筒结构,图4-2(a)多层包扎筒节,一、多层包扎式(续),4.3.2.1 圆筒结构,一、多层包扎式(续),5、应用：目前世界上使用最广泛、制造和使用经验最为丰富的组合式筒体结构。,3、优点：制造工艺简单，不需大型复杂加工设备；安全可靠性高，层板间隙具有阻止缺陷和裂纹向厚度方向扩展的能力；减少了脆性破坏的可能 性；包扎预应力改善筒体的应力分布；对介质适应性强，可选 择合适的内筒材料。,4.3.2.1 圆筒结构,1、结构，制造：内筒（厚度 30

5、mm）卷焊成直径不同但可过盈配合的筒节，将外层筒节加热到计算的温度进行套合，冷却收缩后得到紧密贴合的厚壁筒节。,图4-2(b)热套筒节,二、热套式,4.3.2.1 圆筒结构,2、优点：工序少，周期短，且具有包扎式筒体的大多数优点。,二、热套式(续),4.3.2.1 圆筒结构,1、结构：由内筒、绕板层和外筒三部分组成，是在多层包扎式 筒体的基础上发展起来的。2、制造：内筒与多层包扎式内筒相同，外层是在内筒外面连续 缠绕若干层35mm厚的薄钢板而构成筒节，只有内外两道 纵焊缝，需要2个楔形过渡段，外筒为保护层，由两块半圆 或三块“瓦片”制成。3、优点：机械化程度高，制造效率高，材料利用率高（可达

6、90%以上）。4、缺点：中间厚两边薄，累积间隙。,图42（c）绕板式,三、绕板式,4.3.2.1 圆筒结构,1、结构：错开环缝和采用液压夹钳逐层包扎的筒体结构。2、制造：将内筒拼接到所需的长度，两端焊上法兰或封头；在整个长度上逐层包扎层板，待全长度上包扎好并 焊完磨平后再包扎第二层，直至所需厚度。3、优点：环、纵焊缝错开，筒体与封头或法兰间的环焊缝为一 定角度的斜面焊缝，承载面积增大。,图43 整体多层包扎是厚壁容器筒体,四、整体多层包扎式,4.3.2.1 圆筒结构,以钢带缠绕在内筒外面获得所需厚度筒壁,五、绕带式,4.3.2.1 圆筒结构,五、绕带式（续）,4.3.2.1 圆筒结构,4.3.

7、2.1 圆筒结构,五、绕带式（续）,4.3.2.1 圆筒结构,内筒厚度约占总壁厚的1/61/4，采用“预应力冷绕”和“压棍预弯贴紧”技术，环向1530倾角在薄内筒外交错缠绕扁平钢带。,钢带宽约80160mm、厚约416mm，其始末两端分别与底封头和端部法兰相焊接。,五、绕带式（续）,4.3.2.2 内压圆筒的强度设计,4.3.2.2 内压圆筒的强度设计,筒体强度设计,单层圆筒体,多层厚壁圆筒,1、厚度计算式：由中径公式,（4-13）,4.3.2.2 内压圆筒的强度设计,3、筒体最大允许工作压力pw：,MPa（4-15）,4.3.2.2 内压圆筒的强度设计,4.3.2.2 内压圆筒的强度设计,由

8、于GB150取ns=1.6，若筒体径比不超过1.5，仍可按式（4-13）计算筒体厚度。,液压试验（pT=1.25p）时，筒体内表面的实际应力强度最大为许用应力的1.251.25=1.56倍（1.6），说明筒体内表面金属仍未达到屈服点，处于弹性状态。,4.3.2.2 内压圆筒的强度设计,二、单层筒体（厚壁筒体）,单层厚壁筒体（计算压力大于0.4t），常采用塑性失效设计准则或爆破失效设计准则进行设计。,4.3.2.2 内压圆筒的强度设计,4.3.2.2 内压圆筒的强度设计,二、单层筒体（厚壁筒体）（续）,2、Faupel爆破公式：采用爆破失效设计准则，用Faupel公式计算爆破压力，将式（2-53

9、）爆破压力计算式，代入式（4-8）爆破设计准则，,4.3.2.2 内压圆筒的强度设计,4.3.2.2 内压圆筒的强度设计,三、多层厚壁筒体(续),2、厚度计算式：（热套式、多层包扎式、绕板式、扁平钢带倾角错绕式）计算压力不超过0.4t时，按式（4-13）计算不同：许用应力用组合许用应力代替；,4.3.2.2 内压圆筒的强度设计,式中 i多层圆筒内筒的名义厚度，mm；o多层圆筒层板总厚度，mm；it设计温度下多层圆筒内筒材料的许用应力，MPa；ot设计温度下多层圆筒层板或带层材料的许用应力，对扁平钢带倾角错绕式筒体，应乘以钢带倾角错绕 引起的环向削弱系数0.9，MPa；i多层圆筒内筒的焊接接头系

10、数，一般取i=1.0；o多层圆筒层板层或带层的焊接接头系数，对于多层 包扎式筒体，取o=0.95，其余筒体取o=1.0。,三、多层厚壁筒体(续),设计技术参数的确定,设计技术参数,1、设计压力 为压力容器的设计载荷条件之一，其值 不低于最高工作压力。,设计压力应视内压或外压容器分别取值。,容器顶部在正常工作过程中可能产生的最高表压。,设计技术参数的确定,设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。,外压：（略）,设计技术参数的确定,计算压力是指在相应设计温度下，用以确定元件最危险截 面厚度的压力，其中包括液柱静压力。,通常情况下，计算压力等于设计压力加上液柱静压力。,当元件所承受的液柱

11、静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。,设计技术参数的确定,注解：设计温度与设计压力存在对应关系。当压力容器具有 不同的操作工况时，应按最苛刻的压力与温度的组合 设定容器的设计条件，而不能按其在不同工况下各自 的最苛刻条件确定设计温度和设计压力。,GB150规定：设计温度等于或低于-20的容器属于低温容器。,2、设计温度为压力容器的设计载荷条件之一，指容器在正 常情况下，设定元件的金属温度（沿元件金属 截面的温度平均值）。,设计技术参数的确定,3、厚度及厚度附加量,设计技术参数的确定,计算厚度（）由公式采用计算压力得到的厚度。必要时还应计入其它载荷对厚度的影响。,设计厚度（d）计算厚度与腐蚀裕

12、量之和。dC2,名义厚度（n）设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度。ndC1,有效厚度（e）名义厚度减去钢材负偏差和腐蚀裕量。enC1C2,厚度附加量（C）由钢材的厚度负偏差C1和腐蚀裕量C2 组成，不包括加工减薄量C3。C=C1+C2,加工减薄量根据具体制造工艺和板材实际厚度由制造 厂而并非由设计人员确定。,设计技术参数的确定,成形后厚度制造厂考虑加工减薄量并按钢板厚度规格第二 次向上圆整得到的坯板厚度，再减去实际加工 减薄量后的厚度，也为出厂时容器的实际厚 度。一般，成形后厚度大于设计厚度就可满足强度 要求。,设计技术参数的确定,设计技术参数的确定

13、,最小厚度（min）考虑容器的刚性 制造、运输、吊装；不包括腐蚀裕量；,设计技术参数的确定,钢板或钢管厚度负偏差C1：按照相应钢材标准的规定选取钢材的厚度负偏差0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，可取C1=0。GB6654压力容器用钢板和GB3531低温压力容器用低 合金钢钢板规定压力容器专用钢板的厚度负偏差不 大于0.25mm，使用该标准中钢板厚度超过5mm时(如 20R、16MnR和16MnDR等)，可取C1=0；其它常用钢板（如20g、Q235-A以及0Cr18Ni9等）的厚度 负偏差见表4-2，P133,设计技术参数的确定,腐蚀裕量均匀腐蚀速率容器设计寿命,腐蚀裕量只对防止均匀腐蚀

14、破坏有意义；对于应力腐蚀、氢脆和缝隙腐蚀等非均匀腐蚀，效果不佳，应着重选择耐腐蚀材料或进行适当防腐蚀处理。,碳素钢、低合金钢：C2不小于1mm；不锈钢：介质腐蚀性极微时，可取C2=0。,腐蚀裕量防止容器受压元件由于均匀腐蚀、机械磨损而 导致厚度削弱减薄。与腐蚀介质直接接触的筒 体、封头、接管等受压元件，均应考虑材料的 腐蚀裕量。,设计技术参数的确定,焊缝缺陷,4、焊接接头系数焊缝金属与母材强度的比值，反映容器 强度受削弱的程度。,设计技术参数的确定,5、许用应力容器壳体、封头等受压元件的材料许用强 度，取材料强度失效判据的极限值与相应 的材料设计系数（又称安全系数）之比。,设计技术参数的确定,对韧性材按弹性失效设计准则屈服点为基准；防止断裂破坏同时用抗拉强度作为计算许用应力 的基准。,（4-19）,原因,设计技术参数的确定,材料设计系数保证受压元件强度有足够的安全储备量，取值：应力计算的精确性、材料性能的均匀性、载荷的确切 程度、制造工艺，使用管理的先进性以及检验水平等 因素有着密切关系。理论，实践经验积累。,GB150 查表钢板、钢管、锻件以及螺栓材料，依据表4-4为钢材（除螺栓材料外）许用应力的确 定依据。螺栓许用应力依据材料不同状态和直径大小而定，为保证密封性，严格控制螺栓的弹性变形。,设计技术参数的确定,