過程裝備機械設(shè)計基礎(chǔ)——8 壓力容器修

1、一、一、 壓力容器的結(jié)構(gòu)壓力容器的結(jié)構(gòu)封頭人孔支座筒體管口液位計典型反應器結(jié)構(gòu)典型反應器結(jié)構(gòu)二、壓力容器分類二、壓力容器分類1、 按承壓性質(zhì)分設(shè)計壓力通常為低壓外壓容器:MPaMPaPMPaPMPaP10010010106 . 16 . 11 . 0超高壓/U高壓/H中壓/M低壓/L內(nèi)壓容器2、 按形狀分按形狀分 圓筒，球形，矩形；圓筒，球形，矩形；3、 按材料分按材料分 金屬材料，非金屬材料金屬材料，非金屬材料4、 按壁厚分按壁厚分 薄壁容器（薄壁容器（Ro/Ri=1.2）5、 按安裝方式分按安裝方式分 固定式容器固定式容器 移動式容器移動式容器6、 按作用原理分按作用原理分 反應器（反應器

2、（R），換熱器（），換熱器（E），）， 分離器（分離器（S），儲存容器（），儲存容器（C，B） 分離器（分離器（S）：用于介質(zhì)的流體壓力平衡和）：用于介質(zhì)的流體壓力平衡和氣體凈化分離的壓力容器，氣體凈化分離的壓力容器，如過濾器，集油如過濾器，集油器，緩沖器，吸收塔，干燥塔，除氧器。器，緩沖器，吸收塔，干燥塔，除氧器。反應器（反應器（R）：完成介質(zhì)物理化學反應的壓力）：完成介質(zhì)物理化學反應的壓力容器。容器。如反應器，反應釜，分解鍋，硫化罐，如反應器，反應釜，分解鍋，硫化罐，分解塔，聚合釜，高壓釜，合成塔分解塔，聚合釜，高壓釜，合成塔 換熱器（換熱器（E）：用于完成介質(zhì)的熱量交換的壓）：用于完成介

3、質(zhì)的熱量交換的壓力容器，力容器，如余熱鍋爐，熱交換器，消毒罐，如余熱鍋爐，熱交換器，消毒罐，染色器，烘缸，預熱鍋，蒸汽發(fā)生器，煤氣染色器，烘缸，預熱鍋，蒸汽發(fā)生器，煤氣發(fā)生爐的水夾套，冷凝器等發(fā)生爐的水夾套，冷凝器等 儲存容器（儲存容器（C，B）：主要用于儲存和盛裝氣）：主要用于儲存和盛裝氣體，液體和液化氣體等介質(zhì)的壓力容器，體，液體和液化氣體等介質(zhì)的壓力容器，如：如：各種形式的儲罐等各種形式的儲罐等同一容器，多種功能時，按主要作用來劃分。同一容器，多種功能時，按主要作用來劃分。7、 按監(jiān)察規(guī)程分按監(jiān)察規(guī)程分a. 最高工作壓力最高工作壓力Pw0.1MPab. 內(nèi)直徑內(nèi)直徑Di0.15m，且，且

4、V0.025m3c. 盛裝介質(zhì)為氣體、液化氣體或最高工作盛裝介質(zhì)為氣體、液化氣體或最高工作溫度高于等于標準沸點的液體。溫度高于等于標準沸點的液體。監(jiān)察規(guī)程的管轄范圍監(jiān)察規(guī)程的管轄范圍壓力容器安全壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程技術(shù)監(jiān)察規(guī)程 GB5044職業(yè)性接觸毒物危害程度分級/HG20660壓力容器中化學介質(zhì)毒性危害和爆炸危險程度分類 (1)極度危害10mg/m3,氫氧化鈉、丙酮等 一類容器一類容器1.非易燃或低毒的低壓反應容器和儲存容器非易燃或低毒的低壓反應容器和儲存容器;2 .有毒和有危害的低壓容器有毒和有危害的低壓容器1、一般中壓容器；、一般中壓容器； 二類容器二類容器2、 介質(zhì)為易燃或毒性程

5、度為中度危介質(zhì)為易燃或毒性程度為中度危 害的低壓反應容器和儲存容器；害的低壓反應容器和儲存容器；3、 毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)毒性程度為極度和高度危害介質(zhì) 的低壓容器；的低壓容器；4 、低壓管殼式余熱鍋爐；、低壓管殼式余熱鍋爐；5、低壓搪玻璃壓力容器。、低壓搪玻璃壓力容器。 三類容器三類容器1、 高壓容器；高壓容器；2 、低壓容器低壓容器(毒性為極度或高度危害介質(zhì)，毒性為極度或高度危害介質(zhì)， 且且PVPV大于大于0.20.2MPaMPam m3 3)；3、 中壓反應容器中壓反應容器(易燃或易燃或毒性程度為中度危毒性程度為中度危 害介質(zhì)且害介質(zhì)且PV0.5MPaPV0.5MPam m3 3)

6、；4、 中壓儲存容器中壓儲存容器(易燃或易燃或毒性程度為中度危毒性程度為中度危 害介質(zhì)，且害介質(zhì)，且PV10MPaPV10MPam m3 3)；5、 高壓、中壓管殼式余熱鍋爐；高壓、中壓管殼式余熱鍋爐； 三類容器三類容器(續(xù)）續(xù)）6、 中壓搪玻璃壓力容器；中壓搪玻璃壓力容器；7 、球形（、球形（V=50m3) ；8、移動式壓力容器。、移動式壓力容器。9、中壓容器（僅限毒性程度為極度或中壓容器（僅限毒性程度為極度或 高度危害介質(zhì)。高度危害介質(zhì)。10、使用強度級別較高的材料制造的壓使用強度級別較高的材料制造的壓 力容器。力容器。11、低溫儲存容器低溫儲存容器(V5m3) 。Question: 多壓

7、力腔容器如何歸類管理？Heat Exchanger, Jacket Reactor1、按容器的外徑、按容器的外徑Do和內(nèi)徑和內(nèi)徑Di的比值的比值K 不同，可將容器分為：不同，可將容器分為： 厚壁容器：厚壁容器：K1.2 薄壁容器：薄壁容器：K 1.22、應力分析理論、應力分析理論 無力矩理論或薄膜理論無力矩理論或薄膜理論 力矩理論力矩理論1 1、受內(nèi)壓圓筒殼體、受內(nèi)壓圓筒殼體0sin2dPRltltPR靜力平衡方程：靜力平衡方程：環(huán)向應力為環(huán)向應力為:環(huán)向應力環(huán)向應力周向應力周向應力PtR一、典型殼體應力分析一、典型殼體應力分析RPtR22tPR2靜力平衡方程：靜力平衡方程：經(jīng)向應力為經(jīng)向應力

8、為經(jīng)向應力經(jīng)向應力/軸向應力軸向應力 薄壁圓筒形壓力容器環(huán)向應力薄壁圓筒形壓力容器環(huán)向應力為經(jīng)向應力的二倍為經(jīng)向應力的二倍tRp2、承受內(nèi)壓的球形殼體、承受內(nèi)壓的球形殼體tpR2球形殼體的厚度僅需圓筒形殼體的一半；球形容器的表面積最??；所以耗材是最少的。xMaR2R1K21b3、承受內(nèi)壓的橢球形殼體、承受內(nèi)壓的橢球形殼體* ptbax abptbax abaax ab2224222422244222()()()batpa22222batpatpa在頂點：在頂點：在赤道：在赤道：+112+-橢圓形封頭的應力分布橢圓形封頭的應力分布 標準橢圓形封頭 取頂點處的周向應力與赤道處的周向應力相等，222

9、2batpabatpa得: a=2brR2tpOx4、承受內(nèi)壓的錐形殼體*tgtpxtprtgtpxtprcos2cos2 由此可見，錐形殼體由此可見，錐形殼體的周向應力是經(jīng)向應力的周向應力是經(jīng)向應力的兩倍。的兩倍。 在錐頂處應力為零。在錐頂處應力為零。 應力隨半錐角的增大應力隨半錐角的增大而增大。而增大。1. 邊緣應力的產(chǎn)生原因幾何非線性載荷非線性約束非線性材料非線性0Q0Q00ppM0M0M0M0圖圖 8-17 圓筒形容器的邊緣效應圓筒形容器的邊緣效應 2. 邊緣應力的特點 局部性 自限性3. 工程上的處理方法 危害性較小，不做特殊處理 僅作局部結(jié)構(gòu)調(diào)整，p161 圖8-18 幾個前提 不

10、大于35MPa的內(nèi)壓容器的筒體和封頭 設(shè)計準則為彈性失效 一般不考慮邊緣應力，必要時以應力增強系數(shù)的形式引入設(shè)計計算。 依據(jù)：GB150-1999鋼制壓力容器一、一、 強度設(shè)計公式強度設(shè)計公式 tittDP2)（ CPDPttin2強度條件：設(shè)計公式： teeitttDp2)( ptDtpeitew2強度校核條件：或二、二、 設(shè)計參數(shù)確定設(shè)計參數(shù)確定1、 設(shè)計壓力設(shè)計壓力(P)通常：P(1.01.1)PW安全閥：P= (1.051.1)PW. 且不低于安全閥 開啟壓力。爆破片：(1.151.75)PW. 爆破壓力制造偏差介質(zhì)為液化氣：TMAX時液化氣飽和蒸汽壓介質(zhì)為液體：當液柱靜壓大于0.05

11、P時，應 計入液體靜壓力。 指容器正常工作時，在相應的設(shè)計壓力指容器正常工作時，在相應的設(shè)計壓力下，器壁金屬可能達到的最高和最低溫下，器壁金屬可能達到的最高和最低溫度（低于度（低于0)2 設(shè)計溫度設(shè)計溫度3 焊縫系數(shù)焊縫系數(shù) 焊縫系數(shù)決定于二個因素：焊縫系數(shù)決定于二個因素： 1）焊縫的結(jié)構(gòu)形式）焊縫的結(jié)構(gòu)形式 2）無損探傷水平）無損探傷水平焊接接頭形式無損檢測要求焊縫系數(shù)雙面對接焊100%1.0局部0.85單面對接焊100%0.9局部0.8焊縫系數(shù)4、許用應力、許用應力影響許用應力的因素：1 使用溫度2 鋼板厚度 許用應力由材料的強度極限除以相應許用應力由材料的強度極限除以相應 的安全系數(shù)而得

12、。的安全系數(shù)而得。 強度極限根據(jù)材料的失效類型確定強度極限根據(jù)材料的失效類型確定 安全系數(shù)則受工況、材料、制造質(zhì)量安全系數(shù)則受工況、材料、制造質(zhì)量 和計算方法的影響；和計算方法的影響；Question: WHY?5 .厚度厚度(t) a. 壁厚附加量壁厚附加量 CC1C2 C1：鋼板負偏差：鋼板負偏差, 表表8-9 C2：腐蝕裕量：腐蝕裕量 b. 最小壁厚最小壁厚 保證設(shè)備在運輸和安裝過程中的安全保證設(shè)備在運輸和安裝過程中的安全 碳素鋼和低合金鋼：不小于碳素鋼和低合金鋼：不小于3mm。 高合金鋼：不小于高合金鋼：不小于2mm。三、三、 壓力與氣密性試驗壓力與氣密性試驗 MPaPPPtT1 .

13、025. 1且不小于seeiTTttDp9 . 02)(1 、水壓試驗水壓試驗a. 試驗壓力：試驗壓力：b. 強度條件強度條件：c. 對試壓介質(zhì)的要求對試壓介質(zhì)的要求方便獲得；價格低廉；無危險；存儲方便；沸點高于試驗溫度；潔凈，無污染，易于清除；無腐蝕性。d. 對試驗溫度的要求 試驗溫度應該高于材料的無延性轉(zhuǎn)變溫度（NDT）。對于碳鋼，16MnR，15MnVR等，試驗溫度應該大于5 ，其他低合金鋼，試驗溫度應該大于15。 板厚的影響導致試驗溫度的提高。2 、氣壓試驗、氣壓試驗 MPaPPPtT1 . 015. 1且不小于seeiTTttDp8 . 02)(a. 試驗壓力：試驗壓力：b. 強度條

14、件強度條件：c. 常用介質(zhì)常用介質(zhì) 干燥潔凈的空氣； 氮氣 惰性氣體。d. 試驗溫度試驗溫度 對于碳鋼和低合金鋼，應大于15。eeiTTttDP2)()(8 . 02 . 0ST液壓試驗時：氣壓試驗時：)(9 . 02 . 0ST薄膜應力：4、 氣密性試驗氣密性試驗 tTPP05. 1b. 試驗壓力：試驗壓力：a. 用處： 介質(zhì)毒性程度為極度或高度危害； 設(shè)計上不容許有微量泄漏；c. 其他 介質(zhì)：干凈空氣或氮氣、惰性氣體 溫度：碳鋼、低合金鋼等，不低于15 保壓：30min，升壓緩慢，穩(wěn)定。8.4 外壓薄壁圓筒的設(shè)計外壓薄壁圓筒的設(shè)計 外壓容器的定義：外壓大于內(nèi)壓的容器外壓容器的定義：外壓大于

15、內(nèi)壓的容器; 失效的主要形式為失穩(wěn)。其后果是造成容失效的主要形式為失穩(wěn)。其后果是造成容 器幾何形狀偏離原形狀。器幾何形狀偏離原形狀。 一、外壓容器失穩(wěn)的概念 常見外壓容器：減壓蒸餾塔；真空冷凝器；常見外壓容器：減壓蒸餾塔；真空冷凝器；結(jié)晶器；帶蒸汽加熱夾套；結(jié)晶器；帶蒸汽加熱夾套；長園筒長園筒 容器失穩(wěn)與壓桿失穩(wěn)類似，取決于：容器失穩(wěn)與壓桿失穩(wěn)類似，取決于： 1) 圓筒外徑與有效壁厚之比圓筒外徑與有效壁厚之比 Do/te； 2) 圓筒長度與外徑的比值圓筒長度與外徑的比值 L/Do 3) 材料的力學性能材料的力學性能 （E， ) 其他：形狀偏差，圓度其他：形狀偏差，圓度 壓桿失穩(wěn)的主要因素：壓桿

16、失穩(wěn)的主要因素： 1）外載大小）外載大小 2）壓桿柔度）壓桿柔度(細長比細長比) 3）材料的力學性能。）材料的力學性能。1. 長圓筒： 臨界壓力32)(12ocrDtEP3)(2 . 2ocrDtEP 21 . 1ocrDtE鋼制圓筒： 臨界應力： 5 . 1)(/30. 1oocrDtDLE5 . 2)(/59. 2oocrDtDLEP tDDLoocr17. 12. 短圓筒：3. 臨界長度：臨界應力： 二、 外壓薄壁圓筒厚度設(shè)計 外壓設(shè)計的總體思路：保證工作壓力外壓設(shè)計的總體思路：保證工作壓力P小小于許用外壓于許用外壓P 而而P=Pcr/m m 決定于決定于Pcr的準確程度、制造技術(shù)、的準

17、確程度、制造技術(shù)、焊縫結(jié)構(gòu)形式等因素。我國規(guī)定焊縫結(jié)構(gòu)形式等因素。我國規(guī)定 m=3解析法解析法tDDLtPDtPeooecrcrEoeE2359.22 .2短圓筒長圓筒2) 求求Pcr，確定，確定P3) 如如PP且較為接近，則所假定的且較為接近，則所假定的 tn符合要符合要求，否則重算，直到符合要求。求，否則重算，直到符合要求。1) 假設(shè)設(shè)計名義厚度假設(shè)設(shè)計名義厚度tn，則有，則有te=tn-CtDDLeoocr17. 1 求解步驟： 根據(jù)工況，確定材料； 假定壁厚為tn，確定有效厚度te， 根據(jù)已知條件確定臨界長度Lcr； 根據(jù)公式確定許用設(shè)計外壓P； 確定設(shè)計外壓P，并比較P與P，如果P=

18、I . 例題 例3 自學 8.6 壓力容器的安全使用與管理一、一、 壓力容器的安全技術(shù)監(jiān)察壓力容器的安全技術(shù)監(jiān)察1 、安全技術(shù)監(jiān)察的依據(jù)、安全技術(shù)監(jiān)察的依據(jù)容規(guī)容規(guī)涉及內(nèi)容涉及內(nèi)容:類別劃分，材料選用，結(jié)構(gòu)與類別劃分，材料選用，結(jié)構(gòu)與強度設(shè)計，制造組裝，無損檢測探傷，強度設(shè)計，制造組裝，無損檢測探傷，壓力試驗，使用管理，定期檢驗及安全壓力試驗，使用管理，定期檢驗及安全附件，等等附件，等等2 、壓力容器的設(shè)計監(jiān)察、壓力容器的設(shè)計監(jiān)察資格資格3 、壓力容器的制造監(jiān)察、壓力容器的制造監(jiān)察許可許可美國機械工程師協(xié)會頒發(fā)的美國機械工程師協(xié)會頒發(fā)的ASME“U”鋼印證書鋼印證書 歐盟承壓設(shè)備指令歐盟承壓設(shè)

19、備指令PED-CE資質(zhì)資質(zhì) 二、壓力容器的安全使用與管理二、壓力容器的安全使用與管理1 、管理體系與職責、管理體系與職責2 、建立壓力容器技術(shù)檔案、建立壓力容器技術(shù)檔案3、壓力容器的使用登記、壓力容器的使用登記4 、制訂容器的安全操作規(guī)程、制訂容器的安全操作規(guī)程5 、正確操作容器、正確操作容器三、三、 壓力容器的定期檢驗壓力容器的定期檢驗1 、定期檢驗的目的、定期檢驗的目的2 、定期檢驗的內(nèi)容與期限、定期檢驗的內(nèi)容與期限 外部檢測，內(nèi)外部檢驗，耐壓試驗；外部檢測，內(nèi)外部檢驗，耐壓試驗； 檢驗程序檢驗程序 檢驗報告檢驗報告 光氣又稱碳酰氯，無色氣體，有腐草臭味，劇毒，微溶于水，較易溶于苯、甲苯等

20、。由一氧化碳和氯的混合物通過活性炭制得。環(huán)境中的光氣主要來自染料、農(nóng)藥、制藥等生產(chǎn)工藝。光氣是劇烈窒息性毒氣，高濃度吸人可致肺水腫。毒性比氯氣約大10倍，但在體內(nèi)無蓄積作用。在生產(chǎn)條件下以急性中毒為主，主要對呼吸系統(tǒng)造成損害。吸人光氣后，發(fā)生典型的刺激癥狀，初為干咳，數(shù)小時后加重，輕者出現(xiàn)咳嗽、胸悶、氣促、眼結(jié)膜刺激和頭痛、惡心等；重者可發(fā)展為肺水腫、呼吸困難，甚至出現(xiàn)休克。 圖解法（略）圖解法（略）DoteKEPcr3DoteKEtDPeocrcr222DLtDfDoteKEoeocrcr,22器壁上的應變：器壁上的應力：K為特征系數(shù)臨界壓力：圖解法來源：GB150 鋼制壓力容器 外壓圓筒幾何參數(shù)計算圖外壓圓筒幾何參數(shù)計算圖 cr(A) L/Do Do/te DtDtDoteKEDoteKEmPPoecroecr322323123crB32AEEBcrcr323232 DtBPoe圓筒的許用外壓力圓筒的許用外壓力：令則而此即為BA圖的由來 外壓圓筒計算圖外壓圓筒計算圖 (BA圖圖)BA 設(shè)計方法和計算步驟設(shè)計方法和計算步驟 tDAEPeo32 1 假設(shè)假設(shè) 2 確定比值：確定比值：L/Do和和D/te 3 查圖查圖8-1