高壓容器設(shè)計

1、工程上： 10MPaP設(shè)100MPa 高壓容器 100MPa以上 超高壓容器 一般屬于三類容器本章專門介紹其特殊的結(jié)構(gòu)和設(shè)計方法 一、高壓容器的應(yīng)用一、高壓容器的應(yīng)用 二、高壓容器的結(jié)構(gòu)特點二、高壓容器的結(jié)構(gòu)特點 三、高壓容器的材料三、高壓容器的材料 軍事工業(yè)：軍事工業(yè)：炮筒、核動力裝置 化學(xué)和石油化工：化學(xué)和石油化工：合成氨、合成甲醇、合成尿素、油類加氫等合成反應(yīng)的高壓反器、高壓緩沖與貯存容器。 電力工業(yè)：電力工業(yè)：核反應(yīng)堆，水壓機的蓄力器 發(fā)展現(xiàn)狀：發(fā)展現(xiàn)狀：直徑4.5米，壁厚280毫米，重約1000噸, 壓力2000MPa高壓容器設(shè)計與制造技術(shù)發(fā)展的核心問題： 既要隨著生產(chǎn)的發(fā)展能制造出

2、大壁厚的容器 又要設(shè)法盡量減小壁厚以方便制造。高壓容器特點： 1 結(jié)構(gòu)細長 2 采用平蓋或球形封頭 3 密封結(jié)構(gòu)特殊多樣 4 高壓筒身限制開孔筒體與封頭的特殊要求：1) 強度與韌性 為了提高材料強度以減少壁厚，一般采用 低合金鋼，如16MnR、15MnVR和18MnMoNBR。 同時為了保證韌性，加入少量（2%）Ni和Cr， 并控制P和S含量0.004%筒體與封頭的特殊要求：筒體與封頭的特殊要求：2) 制造工藝性能 具有良好的焊接性能 包括可焊性、吸氣性、 抗熱裂與冷裂傾向、 抗晶粒粗大傾向等、 具有良好的可鍛性筒體與封頭的特殊要求： 3) 其他要求 耐腐蝕性 原材料檢驗要求較高一、結(jié)構(gòu)型式及

3、設(shè)計選型二、厚壁圓筒的彈性應(yīng)力分析三、厚壁圓筒的彈塑性應(yīng)力分析四、高壓筒體的失效及強度計算（一）整體鍛造式：直徑（一）整體鍛造式：直徑300300800mm800mm，長度，長度12m12m 優(yōu)點：性能優(yōu)良，缺點：加工費用高優(yōu)點：性能優(yōu)良，缺點：加工費用高（二）單層式（二）單層式: :單層卷焊、單層瓦片和無縫鋼管式。單層卷焊、單層瓦片和無縫鋼管式。 優(yōu)點：加工簡單，缺點：材料設(shè)備受限制優(yōu)點：加工簡單，缺點：材料設(shè)備受限制（三）多層式：層板包扎式、熱套式和繞板式（三）多層式：層板包扎式、熱套式和繞板式（四）繞帶式：中國獨創(chuàng)（四）繞帶式：中國獨創(chuàng)（浙大浙大）（一）整體鍛造式（一）整體鍛造式 最早采

4、用的筒體型最早采用的筒體型式式, ,筒體和法蘭可整段而筒體和法蘭可整段而出或用螺紋連接，鍛造容出或用螺紋連接，鍛造容器的質(zhì)量較好器的質(zhì)量較好, ,特別是和特別是和與焊接性能較差的高強鋼與焊接性能較差的高強鋼所制作的超高壓容器所制作的超高壓容器, ,受受鍛造條件限制鍛造條件限制, ,一般直徑一般直徑為長度不超過為長度不超過1212米米（二）單層式單層厚壁高壓容器有種形式：單層卷焊式：直徑工序少，周期短效率高單層瓦片式：生產(chǎn)效率比單層卷焊差，費工費時無縫鋼管式：效率高，周期短以上三種形式被三方面因素制1）厚壁材料來源2）大型機械條件3）縱向和環(huán)向深厚焊逢中缺陷檢測（三）多層式（三）多層式1 1）層

5、板包扎式）層板包扎式特點：特點：1.1.只需薄板，原材料供應(yīng)方便只需薄板，原材料供應(yīng)方便 2.2.只需卷板機和包扎機只需卷板機和包扎機 3.3.只需筒體應(yīng)力分布只需筒體應(yīng)力分布 4.4.較單層安全較單層安全 5.5.內(nèi)筒可采用與筒體不同的結(jié)構(gòu)內(nèi)筒可采用與筒體不同的結(jié)構(gòu)缺點：缺點：1.1.生產(chǎn)效率低生產(chǎn)效率低 2.2.層板材料利用率低層板材料利用率低 3.3.層板間間隙較難控制層板間間隙較難控制 4.4.導(dǎo)熱性差導(dǎo)熱性差（三）多層式（三）多層式 2)熱套式熱套式 特點：特點：1.生產(chǎn)效率高，層數(shù)少生產(chǎn)效率高，層數(shù)少 2.材料來源廣泛利用率高材料來源廣泛利用率高 3.焊縫質(zhì)量容易保證焊縫質(zhì)量容易保

6、證 3)繞板式繞板式 特點：特點：1.效率高效率高 2.材料利用率高材料利用率高 3.機械化程度高機械化程度高四）繞帶式 對原材料要求一般材料利用率也相當(dāng)高纏繞機簡單制造方便成本低（五）設(shè)計選型原則五）設(shè)計選型原則需綜合原材料來源，配套的焊條焊絲、制造廠需綜合原材料來源，配套的焊條焊絲、制造廠所具備的設(shè)備條件和工夾具條件，以及對特殊所具備的設(shè)備條件和工夾具條件，以及對特殊材料焊接能力、熱處理要求及工廠裝備條件等材料焊接能力、熱處理要求及工廠裝備條件等等，作充分調(diào)查論證后才能做到選型正確，確等，作充分調(diào)查論證后才能做到選型正確，確有把握。有把握。 厚壁容器承受壓力載荷作用時產(chǎn)生的應(yīng)力厚壁容器承受

7、壓力載荷作用時產(chǎn)生的應(yīng)力具有如下特點：具有如下特點： 考慮作經(jīng)向、周向和徑向三向應(yīng)力分析考慮作經(jīng)向、周向和徑向三向應(yīng)力分析 沿壁厚出現(xiàn)應(yīng)力梯度，薄膜假設(shè)不成立沿壁厚出現(xiàn)應(yīng)力梯度，薄膜假設(shè)不成立 不能忽視溫差應(yīng)力不能忽視溫差應(yīng)力（一）受內(nèi)壓單層厚壁圓筒中的彈性應(yīng)力（一）受內(nèi)壓單層厚壁圓筒中的彈性應(yīng)力 幾何方程幾何方程 物理方程物理方程 平衡方程平衡方程厚壁圓筒的應(yīng)力與變形分析dd21d211p2prrddrww +dwPPdrPrdrP受內(nèi)壓單層厚壁圓筒中的彈性應(yīng)力受內(nèi)壓單層厚壁圓筒中的彈性應(yīng)力（一）力平衡方程：（一）力平衡方程：化簡為：化簡為：02sin2ddrdrddrrdrrrdrdrrr

8、（二）幾何方程二）幾何方程當(dāng)單元體兩條圓弧邊的徑向位移分別為當(dāng)單元體兩條圓弧邊的徑向位移分別為w w和和w+dww+dw時時微元體的徑向應(yīng)變：微元體的徑向應(yīng)變：微元體的周向應(yīng)變：微元體的周向應(yīng)變：對周向應(yīng)變方程求導(dǎo)、變換可得：對周向應(yīng)變方程求導(dǎo)、變換可得：drdwdrwdwwrrwrdrddwrrrdrd1（三）物理方程按廣義虎克定律可表示為整理以上方程組得：0322drddrdrrrzrzrrEE11（一）受內(nèi)壓單層厚壁圓筒中的彈性應(yīng)力（一）受內(nèi)壓單層厚壁圓筒中的彈性應(yīng)力 求解微分方程，得通解：求解微分方程，得通解： 根據(jù)邊界條件當(dāng)根據(jù)邊界條件當(dāng)rRi時時 rRo時時帶入求出帶入求出A與與B

9、：,22rBArBArirporp22222222)(iooioiioooiiRRRRPPBRRRPRPA（一）受內(nèi)壓單層厚壁圓筒中的彈性應(yīng)力 內(nèi)外壓作用下厚壁圓筒的三向應(yīng)力表達式如下： 周向應(yīng)力 徑向應(yīng)力 軸向應(yīng)力222222222222222222222211ioooiiziooioiioooiiriooioiioooiiRRRpRprRRRRppRRRpRprRRRRppRRRpRp（一）受內(nèi)壓單層厚壁圓筒中的彈性應(yīng)力（一）受內(nèi)壓單層厚壁圓筒中的彈性應(yīng)力 三向應(yīng)力沿厚度的分布規(guī)律如圖三向應(yīng)力沿厚度的分布規(guī)律如圖 1 1）周向應(yīng)力）周向應(yīng)力 及軸向應(yīng)力及軸向應(yīng)力 為正值（拉應(yīng)力），為正值（

10、拉應(yīng)力）， 徑向應(yīng)力為負值（壓應(yīng)力）徑向應(yīng)力為負值（壓應(yīng)力） 2 2）在數(shù)值上：）在數(shù)值上： 為所有應(yīng)力中最大為所有應(yīng)力中最大 內(nèi)壁處內(nèi)壁處 外壁處外壁處 沿壁厚均勻分沿壁厚均勻分 3 3）應(yīng)力沿壁厚的不均勻程度與徑比）應(yīng)力沿壁厚的不均勻程度與徑比K K值有關(guān)值有關(guān)R1R0zrOrpr0r（二）單層厚壁圓筒中的溫差應(yīng)力（二）單層厚壁圓筒中的溫差應(yīng)力 1.1.溫差應(yīng)力方程溫差應(yīng)力方程 物理方程：物理方程：tEtEtEttrtzztztrttzttrr111（二）單層厚壁圓筒中的溫差應(yīng)力（二）單層厚壁圓筒中的溫差應(yīng)力設(shè)軸向應(yīng)變設(shè)軸向應(yīng)變 z 保持不變?yōu)槌?shù)，則保持不變?yōu)槌?shù)，則 徑向和周向的熱應(yīng)力

11、：徑向和周向的熱應(yīng)力：代入代入解得解得MEG12trwdrdwrwGtrudrdwdrdwGztztr211212211212drdrrr2112111CrrCtrdrrwrRi（二）單層厚壁圓筒中的溫差應(yīng)力任意r處的溫度t為：設(shè)因為內(nèi)外表面（rRi及rRo）處導(dǎo)出穩(wěn)定傳熱狀態(tài)的三向溫差應(yīng)力表達式ioiooiRRRrtrRttlnlnlnoittt0tr（二）單層厚壁圓筒中的溫差應(yīng)力（二）單層厚壁圓筒中的溫差應(yīng)力周向溫差應(yīng)力周向溫差應(yīng)力徑向溫差應(yīng)力徑向溫差應(yīng)力軸向溫差應(yīng)力軸向溫差應(yīng)力12lnln211211lnln1211lnln11222222KKKtEKKKKtEKKKKtErtzrrtr

12、rrt（二）單層厚壁圓筒中的溫差應(yīng)力溫差應(yīng)力及分布有如下規(guī)律：（1）內(nèi)壁面或外壁面處 的溫差應(yīng)力最大（2）溫差應(yīng)力的大小主 要取決于溫差t， 其次也與線膨脹系 數(shù)有關(guān)，t取決 于壁厚，K越大t越大OttztrttztrttORiRiRoRorr（二）單層厚壁圓筒中的溫差應(yīng)力（二）單層厚壁圓筒中的溫差應(yīng)力 2.溫差應(yīng)力的工程近似計算溫差應(yīng)力的工程近似計算 （1）計算公式的簡化）計算公式的簡化,令令 近似計算方法為：近似計算方法為：12Emtmtzt材料高碳鋼低碳鋼低合金鋼Cr-Mo鋼Cr-Ni鋼m1.51.61.71.8（二）單層厚壁圓筒中的溫差應(yīng)力 2.溫差應(yīng)力的工程近似計算 2）多層圓筒溫差

13、應(yīng)力 工程上近似取為： 對于室外容器 對于室內(nèi)容器 t為圓筒實際壁厚ttit0 . 2CttCtt15. 02 . 0（二）單層厚壁圓筒中的溫差應(yīng)力（3）不計溫差應(yīng)力的條件 a）內(nèi)外壁面的溫差t1.1P設(shè)時 b）有良好的保溫層 c）高溫操作的容器，材料已發(fā)生蠕變變 形時內(nèi)外層的熱膨脹約束逐步解除（三）內(nèi)壓與溫差同時作用的厚壁圓筒中的應(yīng)力 在彈性變形的前提下筒壁的綜合應(yīng)力為兩種 應(yīng)力的迭加 內(nèi)加熱情況下內(nèi)壁應(yīng)力綜合后得到改善，而外壁 有所惡化，外加熱時則相反，內(nèi)壁的綜合應(yīng)力惡 化，而外壁應(yīng)力得到很大改善。tzzzttrrr,rrORiRiRoRorrO當(dāng)內(nèi)壓大到使內(nèi)壁材料屈服后，再增加壓力時則屈服層向外擴展，從而在近內(nèi)壁處形成塑性層，塑性層之外仍為彈性層，筒體處于彈塑性狀態(tài)。處于塑性狀態(tài)的單層厚壁圓筒的分解彈性區(qū)塑性區(qū)RoRoPcPcPiPi（一）塑性層一）塑性層彈塑性層交界面上壓力：彈塑性層交界面上壓力：iiyziiyiiyrpRrpRrpRrln5 . 0ln1lniicycpRRpln（二）彈性層（二）彈性層出現(xiàn)屈服層時屈服層與彈性層的壓力分布有明顯區(qū)出現(xiàn)屈服層時屈服層與彈性層的壓力分布有明顯區(qū)別，卸載之后，塑性層產(chǎn)生殘余拉伸變形，彈性層別，卸載之后，塑性層產(chǎn)生殘余拉伸變形，彈性層仍有完全恢復(fù)彈性變形的能力，產(chǎn)生殘余應(yīng)力。仍有完全恢復(fù)