《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》(第2版)董大勤編著課件《內(nèi)壓》ppt

1、第十章 內(nèi)壓容器,第一節(jié) 概述第二節(jié) 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定第三節(jié) 筒體的設(shè)計(jì)計(jì)算第四節(jié) 封頭的設(shè)計(jì)計(jì)算第五節(jié) 在用壓力容器的強(qiáng)度校核,第一節(jié) 概述,設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范）簡(jiǎn)介壓力容器的主要受壓元件壓力容器強(qiáng)度計(jì)算內(nèi)容,壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介,壓力容器標(biāo)準(zhǔn)是全面總結(jié)壓力容器生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、安全等方面的經(jīng)驗(yàn)，不斷納入新科技成果而產(chǎn)生的。它是壓力容器設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)收等必須遵循的準(zhǔn)則。壓力容器標(biāo)準(zhǔn)涉及設(shè)計(jì)方法、選材及制造、檢驗(yàn)方法等。,㈠

2、 國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn),GB150《鋼制壓力容器》內(nèi)容包括：壓力容器板殼元件計(jì)算容器結(jié)構(gòu)要素的確定密封設(shè)計(jì)超壓泄放裝置的設(shè)置容器的制造與驗(yàn)收的要求等,GB150《鋼制壓力容器》壓力容器監(jiān)察規(guī)程（容規(guī)）,㈡ 國(guó)外主要規(guī)范,國(guó)外的規(guī)范主要有：美國(guó)ASME規(guī)范日本國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（JIS）,1．美國(guó)ASME規(guī)范,美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),美國(guó)機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）制定的《鍋爐及壓力容器規(guī)范》。規(guī)模龐大、內(nèi)容完善，僅依靠其本身即可完成選材、設(shè)計(jì)、制造、檢

3、驗(yàn)、試驗(yàn)、安裝及運(yùn)行等全部工作環(huán)節(jié)。,1．美國(guó)ASME規(guī)范,與壓力容器密切相關(guān)有： 第Ⅱ卷 材料技術(shù)條件、第Ⅴ卷 無損檢驗(yàn)、第Ⅷ卷 壓力容器、第Ⅸ卷 焊接及釬焊評(píng)定。 每年增補(bǔ)一次，每三年出一新版，技術(shù)先進(jìn)，修訂及時(shí)，能迅速反映世界壓力容器科技發(fā)展的最新成就，為世界上影響最大的一部規(guī)范。,2. 日本國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（JIS）,于80年代初制定了兩部基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，一部是參照ASME第Ⅷ卷第1冊(cè)制定的JIS B 8243《壓力容器的構(gòu)造》，

4、另一部是參照ASME第Ⅷ卷第2冊(cè)制定的JIS B8250《特定壓力容器的構(gòu)造》。 此外，還有與壓力容器相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)JIS B 8240《冷凍壓力容器》、JIS B8241《無縫鋼制氣瓶》及JIS B8242《圓筒形液化石油氣貯罐（臥式）構(gòu)造》等。,,壓力容器的主要受壓元件 筒體、封頭、設(shè)備法蘭、開孔補(bǔ)強(qiáng)板、人孔蓋、人孔法蘭、人孔接管、 M30以上的設(shè)備主螺栓、直徑大于250的接管、換熱管和管板、膨脹節(jié),,壓力容器強(qiáng)度計(jì)算

5、內(nèi)容1、新容器的設(shè)計(jì)2、在用容器的校核,,第二節(jié) 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定,1. 容器直徑 公稱直徑 　鋼板卷焊公稱直徑是內(nèi)徑。,,無縫鋼管截取,容器直徑較小，可直接用無縫鋼管制作。公稱直徑指鋼管外徑。,設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將工藝計(jì)算初步確定的設(shè)備內(nèi)徑，調(diào)整為符合規(guī)定的公稱直徑。,2、設(shè)計(jì)壓力和計(jì)算壓力,最大工作壓力：正常操作情況下容器頂部可能出現(xiàn)的最高壓力設(shè)計(jì)壓力：設(shè)定的容器頂部的最高壓力，與相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度一起作為設(shè)計(jì)載荷條件計(jì)算壓力：

6、在相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度下用于確定容器殼體厚度的壓力,設(shè)計(jì)壓力和計(jì)算壓力區(qū)別,計(jì)算壓力pc：采用公式計(jì)算時(shí)使用設(shè)計(jì)壓力p：查標(biāo)準(zhǔn)件壓力試驗(yàn)對(duì)容器的監(jiān)察管理,設(shè)計(jì)壓力的確定,1)單個(gè)容器不裝安全泄放裝置2)裝有安全泄放裝置 a)裝有安全閥的容器 b)裝有爆破片的容器,（1.01~1. 1）Pw,a）裝有安全閥的容器： 設(shè)計(jì)壓力不得低于安全閥的開啟壓力,（1.05~1. 1）Pw,,b）裝有爆破片的容器：不得低于爆破片的

7、設(shè)計(jì)爆破壓力上限,據(jù)爆破片的型式的不同,（1.15~1.75）Pw 3）固定式液化氣體壓力容器：設(shè)計(jì)壓力不得低于下表的規(guī)定,3)液化氣體壓力容器的設(shè)計(jì)壓力,4)混合液化石油氣壓力容器的設(shè)計(jì)壓力,,石油氣井中伴隨石油溢出的氣體或石油加工過程中產(chǎn)生的低分子量烴類氣體經(jīng)壓縮而成，主要成分為丙烷、丁烷、丙烯、丁烯。 丙烷、 丁烷、 丙烯、丁烯沸點(diǎn)（℃ ） -47.4 -0.5

8、 -47.4 -6.3飽和蒸汽壓 1.57 0.79 2.16 1.77,,外壓容器的設(shè)計(jì)壓力,真空容器有安全泄放裝置 Min(1.25Δp,0.1)無安全泄放裝置 0.1外壓容器不小于正常操作情況下可能產(chǎn)生的最大內(nèi)外壓差,3、設(shè)計(jì)溫度,定義： 容器在正常操作情況，在相應(yīng)的設(shè)計(jì)壓力下， 設(shè)定的受壓元件金屬的溫度.,確定原則： 不得低于容器工作時(shí)器壁金屬可能達(dá)到的最高溫度;

9、 0℃以下時(shí)不得高于器壁金屬可能達(dá)到的最低溫度.,容器內(nèi)的介質(zhì)是用蒸汽直接加熱或用電器元件插入介質(zhì)，或進(jìn)入容器的介質(zhì)已被加熱，取介質(zhì)可能達(dá)到的最高溫度。容器內(nèi)介質(zhì)的被熱載體（或冷載體）間接加熱，取熱載體的最高工作溫度或冷載體的（ 低于0 ℃ 的）最低工作溫度。儲(chǔ)存容器，殼體金屬溫度受大氣環(huán)境氣溫的影響，取歷年來月平均最低氣溫的最低值。間歇操作的設(shè)備，介質(zhì)溫度和壓力周期性變化，取最苛刻卻屬于同一時(shí)刻的設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力,確定方法：,

10、4、許用應(yīng)力1）、確定方法,常溫容器中溫容器高溫容器,2）、安全系數(shù),3）、安全系數(shù)主要的影響因素,估算的載荷狀態(tài)及其數(shù)值上的偏差;計(jì)算方法的精確程度;材料性能的穩(wěn)定性、可靠性及其可能存在偏差的大小;制造工藝及其允許的偏差;檢驗(yàn)手段及其嚴(yán)格的程度;使用操作的經(jīng)驗(yàn)。,4）、幾點(diǎn)說明,1）注意鋼板厚度；2）中間溫度的許用應(yīng)力，用內(nèi)插法確定；3）Q235鋼板的要乘質(zhì)量系數(shù)0.9；4）厚度較大（超出附表給定厚度）需

11、查GB150-1998，并注意一些附加條件。,5、焊接接頭系數(shù),1）、定義2）、影響因素焊接接頭型式 焊接工藝對(duì)焊縫檢驗(yàn)的嚴(yán)格程度,,接頭,坡口,焊縫,,焊接方法,焊條,焊前熱處理等,,3）、Ø的確定,,焊縫型式,對(duì)焊縫進(jìn)行無損檢驗(yàn)的長(zhǎng)度,,第三節(jié) 筒體的設(shè)計(jì)計(jì)算,——圓筒的計(jì)算厚度,mm 安全承受壓強(qiáng)P所需的最小理論計(jì)算厚度P c ——圓筒的計(jì)算壓

12、力, MPaDi ——圓筒的內(nèi)徑,mm ——鋼板在設(shè)計(jì)溫度t下的許用應(yīng)力，MPa ——焊接接頭系數(shù),1、理論計(jì)算厚度,腐蝕裕量C2應(yīng)根據(jù)各種鋼材在不同介質(zhì)中的腐蝕速度和容器設(shè)計(jì)壽命確定塔類、反應(yīng)器類容器設(shè)計(jì)壽命一般按20年考慮，換熱器殼體、管箱及一般容器按10年考慮。,2、設(shè)計(jì)厚度,腐蝕速度＜0.05mm／a(包括大氣腐蝕)時(shí)：碳素鋼和低合金鋼單面腐蝕C2＝1mm，雙面腐蝕取C2＝2mm

13、，腐蝕速度＞0.05mm／a時(shí)，單面腐蝕取C2＝2mm，雙面腐蝕取C2＝4mm。不銹鋼取C2＝0。,3.名義厚度鋼板厚度負(fù)偏差(或鋼管負(fù)偏差) Cl,4、有效壁厚,,5、最小壁厚,設(shè)計(jì)壓力較低的容器計(jì)算出來的厚度很薄，大型容器剛度不足，不滿足運(yùn)輸、安裝限定最小厚度以滿足剛度和穩(wěn)定性要求,殼體加工成形后不包括腐蝕裕量最小厚度dmin：a. 碳素鋼和低合金鋼制容器不小于3mm b．對(duì)高合金鋼制容器，不小于2mm,6、壓力試

14、驗(yàn),制造加工過程不完善，導(dǎo)致不安全，發(fā)生過大變形或滲漏。最常用的壓力試驗(yàn)方法是液壓試驗(yàn)。介質(zhì)為常溫水。也可用不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)的其它液體，試驗(yàn)時(shí)液體的溫度應(yīng)低于其閃點(diǎn)或沸點(diǎn)。,,不適合作液壓試驗(yàn)，可用氣壓試驗(yàn)代替液壓試驗(yàn)。如裝入貴重催化劑要求內(nèi)部烘干，或容器內(nèi)襯耐熱混凝土不易烘干，或由于結(jié)構(gòu)原因不易充滿液體的容器以及容積很大的容器等.,對(duì)壓力試驗(yàn)的規(guī)定情況如下表所示：,液壓試驗(yàn)時(shí)水溫不能過低(碳素鋼、16MnR不低于5℃，其它低合金

15、鋼不低于15℃)，外殼應(yīng)保持干燥。設(shè)備充滿水后，待壁溫大致相等時(shí)，緩慢升壓到規(guī)定試驗(yàn)壓力，穩(wěn)壓30min，然后將壓力降低到設(shè)計(jì)壓力，保持30min以檢查有無損壞，有無宏觀變形，有無泄漏及微量滲透。水壓試驗(yàn)后及時(shí)排水，用壓縮空氣及其它惰性氣體，將容器內(nèi)表面吹干,7、 厚度系數(shù)、最大允許工作壓力、 計(jì)算應(yīng)力（工作應(yīng)力）,,,例題1：某化工廠欲設(shè)計(jì)一臺(tái)石油氣分離工程中的乙烯精餾塔。工藝要求為塔體內(nèi)徑Di=600mm；設(shè)計(jì)壓力

16、p＝2.2MPa；工作溫度t＝-3～-20℃。試選擇塔體材料并確定塔體厚度。,解析：由于石油氣對(duì)鋼材腐蝕不大，溫度在-20℃以上，承受一定的壓力，故選用16MnR。 根據(jù)式,式中p＝2.2MPa；Di=600mm；[s]＝170MPa j=0.8得：,,C2=1.0 mm 得：,考慮鋼板厚度負(fù)偏差C1＝0.6mm圓正取dn=7mm,水壓試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力,16MnR的屈服限ss=345MPa（附錄表6）,水壓試驗(yàn)時(shí)滿足強(qiáng)度要求。,例題2,有一

17、圓筒形汽包，內(nèi)徑1200mm，操作壓力為4MPa,此時(shí) 蒸汽溫度為250℃ ，有安全閥，材料為20R,筒體采用帶墊板的對(duì)接焊，全部探傷，設(shè)計(jì)該汽包的厚度。,,,第四節(jié) 封頭的設(shè)計(jì),凸形錐形平板,球型橢圓型碟型（帶折邊球型）無折邊球型（球冠型）,帶折邊錐型無折邊錐型,,,,薄膜應(yīng)力理論,平板彎曲理論,,形狀特點(diǎn)應(yīng)力情況危險(xiǎn)點(diǎn)最大薄膜 應(yīng)力最大應(yīng)力及計(jì)算σmax強(qiáng)度條件計(jì)算厚度最小厚度優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn),,,,

18、,,形狀特點(diǎn)應(yīng)力情況危險(xiǎn)點(diǎn)最大薄膜 應(yīng)力最大應(yīng)力σmax及計(jì)算強(qiáng)度條件計(jì)算厚度最小厚度優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn),,,形狀特點(diǎn)：直徑小、厚度?。?整體沖壓大直徑：分瓣沖壓 ，再焊接,一、半球形封頭,二、橢圓形封頭,結(jié)構(gòu)：半橢球和高度為h的短圓筒(通稱直邊)直邊： 保證封頭制造質(zhì)量和避免邊緣應(yīng)力作用。,,,,,應(yīng)力情況危險(xiǎn)點(diǎn)最大薄膜 應(yīng)力最大應(yīng)力σmax及計(jì)算強(qiáng)度條件計(jì)算厚度最小厚度優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn),標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭壁厚與筒

19、體同,為滿足穩(wěn)定性：對(duì)標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭計(jì)算厚度不小于封頭內(nèi)直徑的0.15％。,三、碟形封頭,又稱帶折邊球形封頭: 球面半徑Ri、 過渡圓弧半徑r 高度為h的直邊 Rci=(0.9-1.0)Di r =（0.15-0.17-0.2）Rci,,,,形狀特點(diǎn)應(yīng)力情況危險(xiǎn)點(diǎn)最大薄膜應(yīng)力最大應(yīng)力σmax及計(jì)算強(qiáng)度條件計(jì)算厚度最小厚度優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn),,,相同受力，碟形封頭壁厚比橢圓形封頭壁厚要大些，

20、而且碟形封頭存在應(yīng)力不連續(xù)，,計(jì)算壁厚滿足：不小于封頭內(nèi)直徑的0.15—0.3％。,四、球冠形封頭,無折邊球形封頭: 降低凸形封頭高度，將碟形封頭的直邊及過圓弧部分去掉，只留下球面部分。,,,,最大應(yīng)力處,,形狀特點(diǎn)應(yīng)力情況危險(xiǎn)點(diǎn)最大薄膜 應(yīng)力最大應(yīng)力σmax及計(jì)算強(qiáng)度條件計(jì)算厚度最小厚度優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn),五、錐形封頭,a?30°,30 ° <a ? 45 °,450< a ≤ 6

21、00,廣泛用于化工設(shè)備(如蒸發(fā)器、噴霧干燥器、結(jié)晶器及沉降器等)的底蓋便于收集與卸除設(shè)備中的固體物料。塔設(shè)備上、下部分的直徑不等，也常用錐形殼體連接，稱為變徑段。,（一）無折邊錐形封頭或錐形筒體,半錐角a?30°,1. 按大端，計(jì)算壁厚為,Q為錐殼與圓筒聯(lián)接處的應(yīng)力增值系數(shù)，查圖8-7,,3、無折邊錐殼的厚度,錐殼厚度,考慮制造成本，統(tǒng)一厚度,（二）折邊錐形封頭或錐形筒體,a>300 錐殼大端450600時(shí)，按平

22、蓋計(jì)算。,,,1、錐殼大端計(jì)算壁厚,1、錐殼大端計(jì)算壁厚,2、錐殼小端半錐角a?450 ,小端無折邊半錐角450< a ≤ 600 ,小端必須加折邊，Di/Dsi ≥4 無需計(jì)算,六、平板封頭,圓形、橢圓形、長(zhǎng)圓形、矩形和方形等相同(R／d)和受載下，薄板應(yīng)力比薄殼大得多，即平板封頭比凸形封頭厚得多。,平蓋系數(shù)K查表,,,,,,,,,,,,,,半球形封頭受力最好，壁厚最薄、重量輕，但深度大制造難，中、低壓小設(shè)備不宜采用

23、；標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭制造比較容易，受力狀況比碟形封頭好，故可采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。碟形封頭深度可調(diào)節(jié)，適合于加工，但曲率不連續(xù)，局部應(yīng)力，故受力不如橢圓形封頭。,平板封頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造方便壓力不高直徑較小或高壓容器直徑較小承壓設(shè)備人孔、手孔以及在操作時(shí)需要用盲板封閉的地方，用平板蓋。,第五節(jié) 在用壓力容器的校核,校核原則校核思路與公式,,按原設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)校核材料不明時(shí)，按同類材料最低標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行校核焊接接頭系數(shù)按實(shí)際結(jié)構(gòu)形式和檢驗(yàn)結(jié)