【系列】过程设备设计第四章-4.3.1&4.3.2.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,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,4.3.3,封头设计,4.3.4,密封装置设计,4.3.5,开孔和开孔补强设计,4.3.6,支座和检查孔,4.3.7,安全泄放装置,4.3.2,圆筒设计,4.3.1,概述,4.3.8,焊接结构设计,4.3.9,压力试验,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）,30,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。,3,、缺点：,筒体要有较准确的过盈量，,卷筒的精度要求很高，且套,合时需选配套合；,套合时贴紧程度不很均匀；,套合后，需热处理以消除,套合预应力及深环焊缝的焊,接残余应力。,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,3,5,mm,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,90%,以上）。,4,、缺点：,中间厚两边薄，累积间隙。,图,4,2,（,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。,内筒,包扎层板,端部法兰,底封头,图,4,3,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,两种结构,型槽绕带式,扁平钢带倾角错绕式,型槽绕带式 用特制的型槽钢带螺旋缠绕在特制的内,筒上，端面形状见图,4-4,（,a,），内筒外表面上预先加,工有与钢带相啮合的螺旋状凹槽。,缠绕时，钢带先经电加热，再进行螺旋缠绕，绕制后依次,用空气和水进行冷却，使其收缩产生预紧力，可保证每层,钢带贴紧；各层钢带之间靠凹槽和凸肩相互啮合,(,见图,4-4,（,b,）,),，缠绕层能承受一部分由内压引起的轴向力。,五、绕带式,4.3.2.1,圆筒结构,缩套环,双锥面垫片,焊缝,图,4-4,（,a,）型槽绕带式筒体（,b,）型槽钢带结构示意图,五、绕带式（续）,4.3.2.1,圆筒结构,五、绕带式（续）,缺点：钢带需由钢厂专门轧制，尺寸公差要求,严，技术要求高；为保证邻层钢带能相,互啮合，需采用精度较高的专用缠绕机,床。,优点：筒体具有较高的安全性，机械化程度,高，材料损耗少，且由于存在预紧力，,在内压作用下，筒壁应力分布较均匀。,4.3.2.1,圆筒结构,（,2,）扁平钢带倾角错绕式,中国首创的一种新型绕带式筒体；该结构已被列入,ASME-1,和,ASME-2,标准的规范案例，编号分别,为,2229,和,2269,。,内筒,钢带层,底封头,端部法兰,图,4-4,（,c,）扁平钢带倾角错绕式筒体,五、绕带式（续）,4.3.2.1,圆筒结构,结构：,内筒厚度约占总壁厚的,1/6,1/4,，,采用“预应力冷绕”和“压棍预弯贴紧”技术，环向,15,30,倾角在薄内筒外交错缠绕扁平钢带。,钢带宽约,80,160,mm,、厚约,4,16,mm,，其始末,两端分别与底封头和端部法兰相焊接。,与其它类型厚壁筒体相比，扁平钢带倾角错绕式筒体结构具有设计灵活、制造方便、可靠性高、在线安全监控容易等优点。,优点：,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,中径公式（薄壁筒体）,Mises,屈服公式（厚壁筒体）,Faupel,爆破公式（厚壁筒体）,1,、厚度计算式：,由中径公式,（,4-13,）,0.4,t,式中,计算厚度，,mm,；,Pc,计算压力，,MPa,；,焊接接头系数。,条件：,Pc,2,、应力强度判别式：,（对筒体进行强度校核，已知筒体尺寸,Di,、,n,或,e,）,（,4-14,）,式中,e,有效厚度，,e=n C,，,mm,；,n,名义厚度，,mm,；,C,厚度附加量，,mm,；,t,设计温度下圆筒的计算应力，,MPa,。,一、单层筒体（薄壁筒体）,k,1.5,（工程）,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,、说明：,Pc,0.4,t,式（,4-13,）由筒体的薄膜应力按最大拉应力准则导出的，用于一定厚度范围，如厚度过大，则由于实际应力情况与应力沿厚度均布的假设相差太大而不能使用。,按照薄壳理论，（,4,13,）仅能在,/D0.1,即,K1.2,范围内适用。但作为工程设计，采用了最大拉应力准则，材料设计系数，厚度范围扩大到在最大承压（液压试验）时圆筒内壁的应力强度在材料屈服点以内。,(,K 1.5),4.3.2.2,内压圆筒的强度设计,形状改变比能屈服失效判据计算出的内压厚壁筒体初始,屈服压力与实测值较为吻合，应力强度,能较好地,反映厚壁筒体的实际应力水平，,应力强度,（认为是真实的）,应力强度,（与中径公式相对应）,=,随径比,K,的增大而增大。,1.25,当,K=1.5,时，比值：,4,、说明：,Pc,0.4,t,（,续,）,内壁实际应力强度是按中径公式计算的应力强度的,1.25,倍。,4.3.2.2,内压圆筒的强度设计,由于,GB150,取,n,s=1.6,，若筒体径比不超过,1.5,，仍可按式（,4-13,）计算筒体厚度。,4,、说明：,Pc,0.4,t,（,续,）,液压试验（,p,T,=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。,p,c,=0.4,t,当,K=1.5,时，,=,Di,（,K-1,）,/2=0.25Di,，代入式（,4-13,）得,这就是式（,4-13,）的适用范围,pc0.4t,的依据所在。,4.3.2.2,内压圆筒的强度设计,二、单层筒体（厚壁筒体）,1,、,Mises,屈服公式：,与,Mises,屈服失效判据相对应的全屈服压力可按,式（,2-52,）计算。将式（,2-52,）,代入式（,4-7,），得,圆筒计算厚度：,（,4-16,）,n,so,2.0,2.2,。,ASME-3,采用式（,4-16,）,。,单层厚壁筒体（计算压力大于,0.4,t,），,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,）爆破压力计算式，代入式（,4-8,）爆破设计准则，,圆筒计算厚度：,（,4-17,）,n,b,2.5,3.0,日本的,超高压圆筒容器设计规则,和,中国的,超高压容器安全监察规程,等采用式（,4-17,）。,三、多层厚壁筒体,多层厚壁筒体在制造中,施加预应力。,1,、预应力（内压）,筒体内壁应力 降低，外壁应力 增加，,壁厚方向应力分布趋向于均匀，从而提高筒体的弹性,承载能力。,但由于结构和制造上的原因，定量地控制预应力的大小是困难的。,设计计算：,不考虑预应力，作强度储备用。,只有压力很高时，才考虑预应力。,多层包扎式,绕带式筒体,例如：,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,0.4,t,时，按式（,4-13,）计算,不同：许用应力用组合许用应力代替；,（,4-18,）,多层圆筒的组合许用应力,（,4-13,）,试算过程,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,；,i,t,设计温度下多层圆筒,内筒,材料的许用应力，,MPa,；,o,t,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,。,3,、热应力,不考虑,。较高温操作时，有热应力，但有保温,设施，且严格控制 不考虑热应力（常规设计）。,三、多层厚壁筒体,(,续,),4.3.2.3,设计技术参数的确定,设计技术参数,设计压力,设计温度,厚度及附加量,焊接接头系数,许用应力等,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。,4.3.2.3,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）,内压：,装安全阀,不低于安全阀开启压力，,1.05,1.10,倍,最高工作压力。,装爆破片,爆破片最低标定爆破压力加上所选爆,破片制造范围的上限。,盛装液化气体容器,根据工作条件下可能达到的,最高金属温度确定。,综合考虑,介质压力,饱和蒸气压,装量系,数,温度变化,环境温度,保冷设施。,4.3.2.3,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静压力小于,5%,设计压力时，可忽略不计。,4.3.2.3,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。,金属温度不低于,0,设计温度不得低于元件金属,可能达到的,最高,温度；,金属温度低于,0,不得高于元件金属可能达到的,最低,温度。,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,）。,4.3.2.3,设计技术参数的确定,3,、厚度及厚度附加量,厚度,计算厚度,设计厚度,d,名义厚度,n,有效厚度,e,成型厚度,4.3.2.3,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,）,计算厚度与腐蚀裕量之和。,d,C,2,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。,n,d,C,1,有效厚度（,e,）,名义厚度减去钢材负偏差和腐蚀裕量。,e,n,C,1,C,2,厚度附加量（,C,）,由钢材的厚度负偏差,C,1,和腐蚀裕量,C,2,组成，不包括加工减薄量,C,3,。,C=C,1,+C,2,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。,4.3.2.3,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。,4.3.2.3,设计技术参数的确定,计算厚度,有效厚度,e,成型后厚度,毛坯厚度,名义厚度,n,设计厚度,d,C,1,+C,2,加工减薄量,加工减薄量,第一次厚度圆整值,厚度负偏差,C,1,腐蚀裕量,C,2,第二次厚度圆整值,4.3.2.3,设计技术参数的确定,碳素钢、低合金钢容器：,min,不小于,3,mm,；,高合金制容器：,min,不小于,2,mm,；,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；,4.3.2.3,设计技术参数的确定,钢板或钢管厚度负偏差,C,1,：,按照相应钢材标准的规定选取,钢材的厚度负偏差,420,，铬钼合金钢,450,，,奥氏体不锈钢,550,时，,4.3.2.3,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。,4.3.2.3,设计技术参数的确定,