過程設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ) 壓力容器修

過程設(shè)備機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)壓力容器修第一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六18.2壓力容器的結(jié)構(gòu)與分類一、壓力容器的結(jié)構(gòu)第二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六2典型反應(yīng)器結(jié)構(gòu)第三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六3二、壓力容器分類1、按承壓性質(zhì)分3<￡<￡<￡MPaMPaPMPaPMPaP10010010106.16.11.0超高壓/U高壓/H中壓/M低壓/L內(nèi)壓容器第四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六42、按形狀分圓筒，球形，矩形；3、按材料分金屬材料，非金屬材料4、按壁厚分薄壁容器（Ro/Ri=<1.2）厚壁容器（Ro/Ri>1.2）5、按安裝方式分固定式容器移動(dòng)式容器第五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六56、按作用原理分反應(yīng)器（R），換熱器（E），分離器（S），儲(chǔ)存容器（C，B）分離器（S）：用于介質(zhì)的流體壓力平衡和氣體凈化分離的壓力容器，如過濾器，集油器，緩沖器，吸收塔，干燥塔，除氧器。反應(yīng)器（R）：完成介質(zhì)物理化學(xué)反應(yīng)的壓力容器。如反應(yīng)器，反應(yīng)釜，分解鍋，硫化罐，分解塔，聚合釜，高壓釜，合成塔第六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六6換熱器（E）：用于完成介質(zhì)的熱量交換的壓力容器，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，煤氣發(fā)生爐的水夾套，冷凝器等儲(chǔ)存容器（C，B）：主要用于儲(chǔ)存和盛裝氣體，液體和液化氣體等介質(zhì)的壓力容器，如：各種形式的儲(chǔ)罐等同一容器，多種功能時(shí)，按主要作用來劃分。第七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六77、按監(jiān)察規(guī)程分a.最高工作壓力Pw≥0.1MPab.內(nèi)直徑Di≥0.15m，且V≥0.025m3c.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(diǎn)的液體。監(jiān)察規(guī)程的管轄范圍壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程第八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六8

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(xiǎn)程度分類》(1)極度危害<0.1mg/m3,氫氟酸、光氣、甲醛等(2)高度危害0.1~1.0mg/m3,氟、氟化氫等(3)中度危害1.0~10mg/m3,二氧化硫、一氧化碳等(4)輕度危害>10mg/m3,氫氧化鈉、丙酮等一類容器1.非易燃或低毒的低壓反應(yīng)容器和儲(chǔ)存容器;2.有毒和有危害的低壓容器第九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六91、一般中壓容器；二類容器2、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(chǔ)存容器；3、毒性程度為極度和高度危害介質(zhì)

的低壓容器；4、低壓管殼式余熱鍋爐；5、低壓搪玻璃壓力容器。第十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六10三類容器1、高壓容器；2、低壓容器(毒性為極度或高度危害介質(zhì)，

且PV大于0.2MPa·m3)；3、中壓反應(yīng)容器(易燃或毒性程度為中度危

害介質(zhì)且PV>0.5MPa·m3)；4、中壓儲(chǔ)存容器(易燃或毒性程度為中度危

害介質(zhì)，且PV>10MPa·m3)；5、高壓、中壓管殼式余熱鍋爐；第十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六11三類容器(續(xù)）6、中壓搪玻璃壓力容器；7、球形（V>=50m3)

；8、移動(dòng)式壓力容器。9、中壓容器（僅限毒性程度為極度或

高度危害介質(zhì)。10、使用強(qiáng)度級別較高的材料制造的壓

力容器。11、低溫儲(chǔ)存容器(V>5m3)。第十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六12Question:多壓力腔容器如何歸類管理？HeatExchanger,JacketReactor第十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六138.3典型薄壁容器應(yīng)力分析1、按容器的外徑Do和內(nèi)徑Di的比值K

不同，可將容器分為：厚壁容器：K>1.2薄壁容器：K1.22、應(yīng)力分析理論無力矩理論或薄膜理論力矩理論第十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六141、受內(nèi)壓圓筒殼體靜力平衡方程：環(huán)向應(yīng)力為:環(huán)向應(yīng)力周向應(yīng)力一、典型殼體應(yīng)力分析第十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六15靜力平衡方程：經(jīng)向應(yīng)力為經(jīng)向應(yīng)力/軸向應(yīng)力薄壁圓筒形壓力容器環(huán)向應(yīng)力

為經(jīng)向應(yīng)力的二倍第十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六162、承受內(nèi)壓的球形殼體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。第十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六173、承受內(nèi)壓的橢球形殼體*在頂點(diǎn)：在赤道：第十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六18橢圓形封頭的應(yīng)力分布第十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六19標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭取頂點(diǎn)處的周向應(yīng)力與赤道處的周向應(yīng)力相等，得:a=2b第二十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六204、承受內(nèi)壓的錐形殼體*

由此可見，錐形殼體的周向應(yīng)力是經(jīng)向應(yīng)力的兩倍。在錐頂處應(yīng)力為零。應(yīng)力隨半錐角的增大而增大。第二十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六21二、邊緣應(yīng)力及其處理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第二十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六220Q0Q00ppM0M0M0M0圖8-17圓筒形容器的邊緣效應(yīng)

第二十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六232.邊緣應(yīng)力的特點(diǎn)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第二十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六24三、內(nèi)壓薄壁圓筒設(shè)計(jì)第二十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六25幾個(gè)前提不大于35MPa的內(nèi)壓容器的筒體和封頭設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為彈性失效一般不考慮邊緣應(yīng)力，必要時(shí)以應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)的形式引入設(shè)計(jì)計(jì)算。依據(jù)：GB150-1999《鋼制壓力容器》三、內(nèi)壓薄壁圓筒設(shè)計(jì)第二十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六26一、強(qiáng)度設(shè)計(jì)公式強(qiáng)度條件：設(shè)計(jì)公式：三、內(nèi)壓薄壁圓筒設(shè)計(jì)第二十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六27強(qiáng)度校核條件：或第二十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六28二、設(shè)計(jì)參數(shù)確定1、設(shè)計(jì)壓力(P)通常：P＝(1.0~1.1)PW安全閥：P=(1.05~1.1)PW.且不低于安全閥

開啟壓力。爆破片：(1.15~1.75)PW.爆破壓力＋制造偏差介質(zhì)為液化氣：TMAX時(shí)液化氣飽和蒸汽壓介質(zhì)為液體：當(dāng)液柱靜壓大于0.05P時(shí)，應(yīng)

計(jì)入液體靜壓力。第二十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六29指容器正常工作時(shí)，在相應(yīng)的設(shè)計(jì)壓力下，器壁金屬可能達(dá)到的最高和最低溫度（低于0℃)2設(shè)計(jì)溫度3焊縫系數(shù)φ焊縫系數(shù)決定于二個(gè)因素：1）焊縫的結(jié)構(gòu)形式2）無損探傷水平第三十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六30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)第三十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六314、許用應(yīng)力[σ]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(qiáng)度極限除以相應(yīng)

的安全系數(shù)而得。強(qiáng)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

和計(jì)算方法的影響；Question:WHY?第三十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六325.厚度(t)a.壁厚附加量C＝C1＋C2C1：鋼板負(fù)偏差,表8-9

C2：腐蝕裕量b.最小壁厚保證設(shè)備在運(yùn)輸和安裝過程中的安全碳素鋼和低合金鋼：不小于3mm。高合金鋼：不小于2mm。第三十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六33三、壓力與氣密性試驗(yàn)1、水壓試驗(yàn)a.試驗(yàn)壓力：b.強(qiáng)度條件：第三十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六341、水壓試驗(yàn)（續(xù)）c.對試壓介質(zhì)的要求方便獲得；價(jià)格低廉；無危險(xiǎn)；存儲(chǔ)方便；沸點(diǎn)高于試驗(yàn)溫度；潔凈，無污染，易于清除；無腐蝕性。第三十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六35d.對試驗(yàn)溫度的要求試驗(yàn)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(yàn)溫度應(yīng)該大于5℃，其他低合金鋼，試驗(yàn)溫度應(yīng)該大于15℃。板厚的影響導(dǎo)致試驗(yàn)溫度的提高。第三十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六362、氣壓試驗(yàn)a.試驗(yàn)壓力：b.強(qiáng)度條件：第三十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六37c.常用介質(zhì)干燥潔凈的空氣；氮?dú)舛栊詺怏w。d.試驗(yàn)溫度對于碳鋼和低合金鋼，應(yīng)大于15℃。第三十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六383．壓力試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力校核液壓試驗(yàn)時(shí)：氣壓試驗(yàn)時(shí)：薄膜應(yīng)力：第三十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六394、氣密性試驗(yàn)b.試驗(yàn)壓力：a.用處：

介質(zhì)毒性程度為極度或高度危害；設(shè)計(jì)上不容許有微量泄漏；第四十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六40c.其他介質(zhì)：干凈空氣或氮?dú)?、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。第四十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六418.4外壓薄壁圓筒的設(shè)計(jì)外壓容器的定義：外壓大于內(nèi)壓的容器;失效的主要形式為失穩(wěn)。其后果是造成容

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；結(jié)晶器；帶蒸汽加熱夾套；第四十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六42長園筒第四十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六43第四十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六44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Do/te；2)圓筒長度與外徑的比值L/Do3)材料的力學(xué)性能（E，)其他：形狀偏差，圓度壓桿失穩(wěn)的主要因素：1）外載大小2）壓桿柔度(細(xì)長比)3）材料的力學(xué)性能。第四十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六45臨界壓力的計(jì)算1.長圓筒：臨界壓力鋼制圓筒：臨界應(yīng)力：

第四十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六462.短圓筒：3.臨界長度：臨界應(yīng)力：

第四十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六47二、外壓薄壁圓筒厚度設(shè)計(jì)外壓設(shè)計(jì)的總體思路：保證工作壓力P小于許用外壓[P]而[P]=Pcr/mm決定于Pcr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m=3第四十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六48解析法2)求Pcr，確定[P]3)如P<[P]且較為接近，則所假定的tn符合要求，否則重算，直到符合要求。1)假設(shè)設(shè)計(jì)名義厚度tn，則有te=tn-C第四十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六49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(jì)外壓[P]；確定設(shè)計(jì)外壓P，并比較P與[P]，如果P=<[P],P與[P]比較接近，則假設(shè)的壁厚可以作為容器的設(shè)計(jì)厚度。否則重復(fù)上述步驟。第五十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六50三、加強(qiáng)圈的作用及設(shè)計(jì)方法1．加強(qiáng)圈的作用及結(jié)構(gòu)要求局部設(shè)置加強(qiáng)圈可以縮短筒體的計(jì)算長度，增加外壓圓筒的穩(wěn)定性且節(jié)約材料加強(qiáng)圈材料通常為碳鋼，采用型鋼。加強(qiáng)圈可以和內(nèi)件合二為一；加強(qiáng)圈可以設(shè)置在外部,也可以設(shè)置在內(nèi)部第五十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六512．加強(qiáng)圈的設(shè)計(jì)方法（略）加強(qiáng)圈與筒體有效段組合截面慣性矩J設(shè)計(jì)步驟：初步設(shè)置加強(qiáng)圈的個(gè)數(shù)，確定間距；選擇加強(qiáng)圈的材料，結(jié)構(gòu)或型鋼規(guī)格；第五十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六523.利用設(shè)計(jì)外壓，外徑和有效壁厚按8-27計(jì)算系數(shù)B值4.利用外壓圓筒、管子和球殼的厚度計(jì)算圖（圖8-23~8-24）根據(jù)加強(qiáng)圈的材料和相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度選擇相應(yīng)的材料溫度線，確定A值，5.根據(jù)A值確定Is。比較I與Is，并根據(jù)結(jié)果調(diào)整使得Is>=I.例題例3自學(xué)第五十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六538.6壓力容器的安全使用與管理一、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)——容規(guī)涉及內(nèi)容:類別劃分，材料選用，結(jié)構(gòu)與強(qiáng)度設(shè)計(jì)，制造組裝，無損檢測探傷，壓力試驗(yàn)，使用管理，定期檢驗(yàn)及安全附件，等等2、壓力容器的設(shè)計(jì)監(jiān)察——資格3、壓力容器的制造監(jiān)察——許可第五十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六54設(shè)計(jì)單位證書副本第五十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六55第五十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六56美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)頒發(fā)的ASME“U”鋼印證書

第五十七頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六57歐盟承壓設(shè)備指令PED-CE資質(zhì)

第五十八頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六58二、壓力容器的安全使用與管理1、管理體系與職責(zé)2、建立壓力容器技術(shù)檔案3、壓力容器的使用登記4、制訂容器的安全操作規(guī)程5、正確操作容器第五十九頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六59三、壓力容器的定期檢驗(yàn)1、定期檢驗(yàn)的目的2、定期檢驗(yàn)的內(nèi)容與期限外部檢測，內(nèi)外部檢驗(yàn)，耐壓試驗(yàn)；檢驗(yàn)程序檢驗(yàn)報(bào)告第六十頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六60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。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(shí)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。第六十一頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六61圖解法（略）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鋼制壓力容器第六十二頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六62外壓圓筒幾何參數(shù)計(jì)算圖第六十三頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六63圓筒的許用外壓力：令則而此即為B－A圖的由來第六十四頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六64外壓圓筒計(jì)算圖(B－A圖)第六十五頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六65設(shè)計(jì)方法和計(jì)算步驟1假設(shè)2確定比值：L/Do和D/te3查圖8-13，確定A值4根據(jù)不同材料查圖8-14,8-15,8-16確定B值，求得許用外壓[P]A在溫度線的右方5比較P與[P],以P小于且接近于[P]為原則A在溫度線的左方，屬彈性失穩(wěn).第六十六頁，共七十九頁，編輯于2023年，星期六66三設(shè)計(jì)參數(shù)的規(guī)定1設(shè)計(jì)外壓力P工作時(shí)最大內(nèi)外壓力差；真空容器取1.25倍內(nèi)外壓差或0.1MPa中的較小值；無安全控制裝置時(shí)，取0.1MPa；2試驗(yàn)壓力PT液壓：PT=1.25P或氣壓PT=1.