GIS壓力容器的強度計算.docVIP

第一章 任 務 書第一節(jié) 畢業(yè)設計的主要內(nèi)容本次設計為110kV殼體設計，共分為任務書、計算書、說明書三部分，同時還附有12張圖紙加以說明。主要是加工工藝和流程。 第二節(jié) 畢業(yè)設計應完成的成果說明書：如何產(chǎn)品加工出來。計算書：殼體的壁厚和強度計算。圖紙：GIS殼體的總裝圖紙和分解圖。 第三節(jié) 應掌握的知識與技能1、學習和掌握GIS是的用處基本方法。2、GIS殼體在發(fā)電站地位、作用和運行方式等應有清晰的概念。3、熟悉三通殼體工作原理和性能，及其運行使用中應注意的事項。4、熟悉三通殼體總裝圖紙，掌握此產(chǎn)品加工程序。第二章 說 明 書第一節(jié) 概 述一、設計依據(jù)1、上海中發(fā)2、252KV三通殼體委托書。3、機械設計手冊（機械加工一部分）二、設計范圍1、殼體的強度及厚度設計1、將三通殼體制造設計2、三通殼體加工3、三通殼體的油漆第二節(jié) 系統(tǒng)概述壓力容器的強度計算（1）理解內(nèi)壓容器設計時主要設計參數(shù)（容器內(nèi)徑、設計壓力、設計溫度、許用應力、焊縫系數(shù)等）的意義及其確定原則；（2）掌握五種厚度（計算壁厚、名義壁厚、有效壁厚、最小壁厚）的概念、相互關系以及計算方法；能熟練地確定腐蝕裕度和鋼板負偏差；（3）掌握內(nèi)壓圓筒的厚度設計；第三節(jié) 設計參數(shù)的確定1、參照國壓力容器標準與適用范圍參照我國現(xiàn)執(zhí)行GB15098 “鋼制壓力容器”國家標準。該標準為規(guī)則設計，采用彈性失效準則和穩(wěn)定失效準則，應用解析法進行應力計算，比較簡便。JB4732-1995鋼制壓力容器分析設計標準，其允許采用高的設計強度，相同設計條件下，厚度可以相應地減少，重量減輕。其采用塑性失效準則、失穩(wěn)失效準則和疲勞失效準則，計算比較復雜，和美國的ASME標準思路相似。2、容器直徑（diameter of vessel）考慮壓制封頭胎具的規(guī)格及標準件配套選用的需要，容器筒體和封頭的直徑都有規(guī)定。對于用鋼板卷制的筒體，以內(nèi)徑作為其公稱直徑。表1 壓力容器的公稱直徑（mm）如果筒體是使用無縫鋼管直接截取的，規(guī)定使用鋼管的外徑作為筒體的公稱直徑。表2 無縫鋼管制作筒體時容器的公稱直徑（mm）3、設計壓力（design pressure）（1）相關的基本概念（除了特殊注明的，壓力均指表壓力）工作壓力PW ：在正常的工作情況下，容器頂部可能達到的最高壓力。 由于最大工作壓力是容器頂部的壓力，所以對于塔類直立容器，直立進行水壓試驗的壓力和臥置時不同； 工作壓力是根據(jù)工藝條件決定的，容器頂部的壓力和底部可能不同，許多塔器頂部的壓力并不是其實際最高工作壓力（the maximum allowable working pressure）。 標準中的最大工作壓力，最高工作壓力和工作壓力概念相同。設計壓力 指設定的容器頂部的最高壓力，與相應的設計溫度一起作為設計載荷條件，其值不低于工作壓力。 對最大工作壓力小于0.1Mpa 的內(nèi)壓容器，設計壓力取為0.1Mpa； 當容器上裝有超壓泄放裝置時，應按“超壓泄放裝置”的計算方法規(guī)定。 對于盛裝液化氣體的裝置，在規(guī)定的充滿系數(shù)范圍內(nèi)，設計壓力由工作條件下，可能達到的最高金屬溫度確定。（詳細內(nèi)容，參考GB150-1998，附錄B（標準的附錄），超壓泄放裝置。）計算壓力PC 是GB150-1998 新增加的內(nèi)容，是指在相應設計溫度下，用以確定元件厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力，當靜壓力值小于5的設計壓力時，可略去靜壓力。 注意與GB150-1989 對設計壓力規(guī)定的區(qū)別；鋼制壓力容器規(guī)定設計壓力是指在相應設計溫度下，用以確定容器殼壁計算厚度的壓力，亦是標注在銘牌上的設計壓力，取略高或等于最高工作壓力。當容器受靜壓力值大于5設計壓力時，應取設計壓力與液柱靜壓力之和進行元件的厚度計算。 使許多設計人員誤將設計壓力和液柱靜壓力之和作為容器的設計壓力。 一臺設備的設計壓力只有一個，但受壓元件的計算壓力在不同部位可能有所變化。 計算壓力在壓力容器總圖的技術特性中不出現(xiàn)，只在計算書中出現(xiàn)。4、設計溫度設計溫度是指容器在正常工作情況下，在相應的設計壓力下，設定的受壓元件的金屬溫度。主要用于確定受壓元件的材料選用、強度計算中材料的力學性能和許用應力，以及熱應力計算時設計到的材料物理性能參數(shù)。設計溫度不得低于元件金屬在工作狀態(tài)可能達到的最高溫度；當設計溫度在0以下時，不得高于元件金屬可能達到的最低溫度；當容器在各部分工作狀態(tài)下有不同溫度時，可分別設定每一部分的設計溫度；5、許用應力許用應力是以材料的極限應力除以適當?shù)陌踩禂?shù)，在設計溫度下的許用應力的大小，直接決定容器的強度，GB150-1998 對鋼板、鍛件、緊固件均規(guī)定了材料的許用應力。表3 鋼制壓力容器中使用的鋼材安全系數(shù)焊接接頭系數(shù)（Joint efficiency）的影響（1）焊接接頭的影響焊接接頭是容器上比較薄弱的環(huán)節(jié)，較多事故的發(fā)生是由于焊接接頭金屬部分焊接影響區(qū)的破裂。一般情況下，焊接接頭金屬的強度和基本金屬強度相等，甚至超過基本金屬強度。但由于焊接接頭熱影響區(qū)有熱應力存在，焊接接頭金屬晶粒粗大，以及焊接接頭中心出現(xiàn)氣孔和未焊透缺陷，仍會影響焊接接頭強度，因而必須采用焊接接頭強度系數(shù)，以補償焊接時可能產(chǎn)生的強度消弱。焊接接頭系數(shù)的大小取決于焊接接頭型式、焊接工藝以及焊接接頭探傷檢驗的嚴格程度等。（2）焊接接頭系數(shù)的選?。河山宇^形式和無損探傷的長度確定 雙面焊對接接頭和相當于雙面焊的全焊透對接接頭： 100無損探傷， 1.00； 局部無損探傷， 0.85；第二節(jié) 內(nèi)壓容器筒體與封頭厚度的設計1、內(nèi)壓圓筒（cylindrical shell）的厚度設計（1）理論計算厚度（required thickness） GB150-1998 定義：按各章公式計算得到的厚度，為能安全承受計算壓力PC（必要時尚需計入其他載荷）。內(nèi)壓圓筒壁內(nèi)的基本應力是薄膜應力，由第三強度理論可知薄膜應力的強度條件為： ， （1）式中： -制造筒體鋼板在設計溫度下的許用應力；考慮到焊接接頭的影響，公式（1）中的許用應力應使用強度可能較低的焊接接頭金屬的許用應力，即把鋼板的許用應力乘以焊縫系數(shù)。，則有：式中D為中徑，當壁厚沒有確定時，則中徑也是待定值，利用D=Di+則有： （2）公式（2）一般被簡化為： （3）（2）設計壁厚（design thickness） 計算壁厚與腐蝕余量C2之和稱為設計壁厚?？梢詫⑵淅斫鉃橥瑫r滿足強度、剛度和使用壽命的最小厚度。 （4）C2為腐蝕裕度 根據(jù)介質(zhì)對選用材料腐蝕速度和設計使用壽命共同考慮。C2=k a， mm； k腐蝕速度（corrosion rate），mm/a； a設計年限（desired life time）。對碳素鋼和低合金鋼，C2 1mm；對于不銹鋼，當介質(zhì)腐蝕性能極微時，取C20。（3）名義厚度（normal thickness） 設計厚度加上鋼板負偏差C1后向上圓整至剛才標準規(guī)格的厚度，即標注在設計圖樣上的殼體厚度。 （5）C1鋼板負偏差。任何名義厚度的鋼板出廠時，都允許有一定的負偏差。鋼板和鋼管的負偏差按鋼材標準的規(guī)定。當鋼板負偏差不大于0.25mm，且不超過名義厚度的6時，負偏差可忽略不計。 表4 鋼板負偏差值鋼板厚度（mm）22.22.52.83.03.23.53.84.04.55.5負偏差（mm）0.180.190.20.220.250.30.5鋼板厚度（mm）6782526303234364042505260負偏差（mm）0.60.80.91.01.11.21.3(4) 有效厚度 名義厚度減去腐蝕裕量和鋼材厚度負偏差，從性質(zhì)上可以理解為真正可以承受介質(zhì)壓強的厚度，成為有效厚度。數(shù)值上可以看作是計算厚度加上向上鋼材圓整量。 （6）厚度系數(shù)：圓筒的有效厚度和計算厚度之比稱為圓筒的厚度系數(shù)。（5）最小厚度為滿足制造、運輸及安裝時剛度要求，根據(jù)工程經(jīng)驗規(guī)定的不包括腐蝕裕量的最小壁厚。碳素鋼和低合金鋼制造的容器，最小壁厚不小于3mm； 高合金鋼制容器，（如不銹鋼制造的容器），最小壁厚不小于2mm。當筒體的計算厚度小于最小厚度，應取最小厚度作為計算厚度，這時筒體的名義厚度可以分為兩種不同的情況分別計算。（1） 當，（2） 當時，必須考慮鋼板負偏差，表5 鋼板的常用厚度表（6）平板封頭（circular flat heads）圓形平板作為封頭承受壓力時，處于受彎的不利狀態(tài)，而且造成筒體在邊界處產(chǎn)生較大的邊界應力，所以一般不使用平板封頭。但是壓力容器的人孔、手孔等為平板。在實際工程中，可把圓形平蓋簡化為受均勻分布橫向載荷的圓平板，最大彎曲應力公式為： 應用第一強度理論，結(jié)合實際工程經(jīng)驗，其設計公式為： （15）式中：K結(jié)構系數(shù)，從相關的表中查取； -計算直徑，一般為筒體內(nèi)直徑； -平板的計算厚度。第三節(jié) 壓力試驗與在用壓力容器的強度校核壓力試驗容器制造時，鋼板經(jīng)過了彎卷、焊接、拼裝等工序以后，會存在以下的問題：l 是否能夠承受規(guī)定的工作壓力？是否會發(fā)生過大變形？l 在規(guī)定的工作壓力作用下，焊縫等處是否會發(fā)生局部滲漏？因此需要進行壓力試驗，試驗的項目和要求應在圖樣中注明。壓力試驗可以選用液壓和氣壓。由于氣壓試驗的危害性大，故一般都采用液壓試驗，只有不易做液壓試驗的容器才采用氣壓試驗。（1）液壓試驗試驗介質(zhì)，一般用水，試驗壓力為： （16）設計溫度下材料的許用應力，MPa；試驗溫度下材料的許用應力，MPa。液壓試驗方法：液壓試驗時，壓力應緩慢上升，達到規(guī)定試驗壓力時，保持30分鐘，然后將壓力降至規(guī)定試驗壓力的80，并保持足夠長時間以便對所有焊縫和連接部位進行檢查。實驗結(jié)果以無滲漏和無可見的殘余變形為合格。（2）氣壓實驗不適合做液壓實驗的容器，例如由于工藝要求，容器內(nèi)不允許有微量殘留液體，或由于結(jié)構原因，不能充滿液體的容器，才允許用氣壓實驗。凡采用氣壓實驗的容器其焊縫需進行100的無損探傷，且應增加實驗場所的安全措施，并在有關安全部門的監(jiān)督下進行。試驗介質(zhì)，干燥氣體或者潔凈的空氣、氮氣、惰性氣體。試驗壓力為： （17）氣壓試驗方法：試驗時壓力應緩慢上升，至規(guī)定試驗壓力0.1P，且不超過0.05MPa，保壓5分鐘，檢查焊接接頭部位。若存在泄漏，修復，重新進行水壓實驗。合格后，方可重新進行氣壓實驗。2、強度校核的思路（1）許用應力校核 即根據(jù)有效厚度計算出容器在校核壓力下的計算應力，判斷其是否小于材料的許用應力。在用容器在校核壓力Pch（PW，Pk or P）作用下的計算應力為： （18）式中：K形狀系數(shù)，其值根據(jù)受壓元件形狀確定，對于圓柱形筒體和標準橢圓形封頭，K=1.0；對于球殼與半球殼封頭，K=0.5；碟形封頭，K=M；無折邊封頭錐形封頭，K=Q；折邊錐形封頭，K=。筒體或者封頭的有效厚度，對于新容器筒體：對于使用多年的容器：式中：-實測的年腐蝕率，/a；-受壓元件的實測最小厚度；n檢驗周期。（2）在用容器最大允許工作壓力 （19）但是在工程實際中，應該嚴格按照GB150-1998或者JB4732-1995進行校核。例題1：有一圓筒計量罐，內(nèi)裝濃度為99的液氨，筒體內(nèi)徑，筒高3200，一端采用標準橢圓封頭，一端采用半球形封頭，操作溫度不超過50。罐頂裝有安全閥，安全閥的開啟壓力，材料選用16MnR，在t50時的機械性能。氨對材料的腐蝕速度年，若設計壽命為15年，不計液