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(yīng)器結(jié)構(gòu)典型反應(yīng)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(yīng)器（反應(yīng)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(yīng)器（反應(yīng)器（R）：完成介質(zhì)物理化學(xué)反應(yīng)的壓力）：完成介質(zhì)物理化學(xué)反應(yīng)的壓力容器。容器。如反應(yīng)器，反應(yīng)釜，分解鍋，硫化罐，如反應(yīng)器，反應(yīng)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(yù)熱鍋，蒸汽發(fā)生器，煤氣染色器，烘缸，預(yù)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(biāo)準(zhǔn)沸點的液體。溫度高于等于標(biāo)準(zhǔn)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(xué)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(yīng)容器和儲存容器非易燃或低毒的低壓反應(yīng)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(yīng)容器和儲存容器；害的低壓反應(yīng)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0.2MPam0.2MPam3 3)；3、 中壓反應(yīng)容器中壓反應(yīng)容器(易燃或毒性程度為中度危易燃或毒性程度為中度危 害介質(zhì)且害介質(zhì)且PV0.5MPamPV0.5MPam3 3)；

6、4、 中壓儲存容器中壓儲存容器(易燃或毒性程度為中度危易燃或毒性程度為中度危 害介質(zhì)，且害介質(zhì)，且PV10MPamPV10MPam3 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

7、壓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(yīng)力分析理論、應(yīng)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(yīng)力為環(huán)向應(yīng)力為:環(huán)向應(yīng)力環(huán)向應(yīng)力周向應(yīng)力周向應(yīng)力PtR一、典型殼體應(yīng)力分析一、典型殼體應(yīng)力分析RPtR22tPR2靜力平衡方程：靜力平衡方程：經(jīng)向應(yīng)力為經(jīng)向應(yīng)

8、力為經(jīng)向應(yīng)力經(jīng)向應(yīng)力/軸向應(yīng)力軸向應(yīng)力 薄壁圓筒形壓力容器環(huán)向應(yīng)力薄壁圓筒形壓力容器環(huán)向應(yīng)力為經(jīng)向應(yīng)力的二倍為經(jīng)向應(yīng)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?。凰院牟氖亲钌俚?。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(yīng)力分布橢圓形封頭的應(yīng)力分布 標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭 取頂點處的周向應(yīng)力與赤道處的周向應(yīng)力相等，22

9、22batpabatpa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(yīng)力是經(jīng)向應(yīng)力的周向應(yīng)力是經(jīng)向應(yīng)力的兩倍。的兩倍。 在錐頂處應(yīng)力為零。在錐頂處應(yīng)力為零。 應(yīng)力隨半錐角的增大應(yīng)力隨半錐角的增大而增大。而增大。1. 邊緣應(yīng)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(yīng)圓筒形容器的邊緣效應(yīng) 2. 邊緣應(yīng)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

10、不大于35MPa的內(nèi)壓容器的筒體和封頭 設(shè)計準(zhǔn)則為彈性失效 一般不考慮邊緣應(yīng)力，必要時以應(yīng)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(dāng)液柱靜壓大于0.0

11、5P時，應(yīng) 計入液體靜壓力。 指容器正常工作時，在相應(yīng)的設(shè)計壓力指容器正常工作時，在相應(yīng)的設(shè)計壓力下，器壁金屬可能達(dá)到的最高和最低溫下，器壁金屬可能達(dá)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(yīng)力、許用應(yīng)力影響許用應(yīng)力的因素：1 使用溫度2 鋼板厚度 許用應(yīng)力由材料的強度極限除以相應(yīng)許用應(yīng)力由材料的強度極限除以相應(yīng) 的安全系數(shù)而

12、得。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(fù)偏差：鋼板負(fù)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(yīng)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(yīng)該大于5 ，其他低合金鋼，試驗溫度應(yīng)該大于15。 板厚的影響導(dǎo)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

14、度條件強度條件：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(yīng)大于15。eeiTTttDP2)()(8 . 02 . 0ST液壓試驗時：氣壓試驗時：)(9 . 02 . 0ST薄膜應(yīng)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

15、大于內(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(xué)性能材料的力學(xué)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：

16、壓桿失穩(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(xì)長比細(xì)長比) 3）材料的力學(xué)性能。）材料的力學(xué)性能。1. 長圓筒： 臨界壓力32)(12ocrDtEP3)(2 . 2ocrDtEP 21 . 1ocrDtE鋼制圓筒： 臨界應(yīng)力： 5 . 1)(/30. 1oocrDtDLE5 . 2)(/59. 2oocrDtDLEP tDDLoocr17. 12. 短圓筒：3. 臨界長度：臨界應(yīng)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(zhǔn)確程度、制造技術(shù)、

17、的準(zhǔn)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

18、P=I . 例題 例3 自學(xué) 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

19、壓設(shè)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(zé)、管理體系與職責(zé)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

20、苯等。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(yīng)變：器壁上的應(yīng)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 c r(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-