《化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)》董大勤編著課件《內(nèi)壓》

第十章內(nèi)壓容器第一節(jié)概述第二節(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定第三節(jié)筒體的設(shè)計(jì)計(jì)算第四節(jié)封頭的設(shè)計(jì)計(jì)算第五節(jié)在用壓力容器的強(qiáng)度校核第一節(jié)概述設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（規(guī)范）簡介壓力容器的主要受壓元件壓力容器強(qiáng)度計(jì)算內(nèi)容壓力容器的標(biāo)準(zhǔn)簡介壓力容器標(biāo)準(zhǔn)是全面總結(jié)壓力容器生產(chǎn)、設(shè)計(jì)、安全等方面的經(jīng)驗(yàn)，不斷納入新科技成果而產(chǎn)生的。它是壓力容器設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)收等必須遵循的準(zhǔn)則。壓力容器標(biāo)準(zhǔn)涉及設(shè)計(jì)方法、選材及制造、檢驗(yàn)方法等。㈠國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)GB150《鋼制壓力容器》內(nèi)容包括：壓力容器板殼元件計(jì)算容器結(jié)構(gòu)要素的確定密封設(shè)計(jì)超壓泄放裝置的設(shè)置容器的制造與驗(yàn)收的要求等GB150《鋼制壓力容器》壓力容器監(jiān)察規(guī)程（容規(guī)）㈡國外主要規(guī)范國外的規(guī)范主要有：美國ASME規(guī)范日本國家標(biāo)準(zhǔn)（JIS）1．美國ASME規(guī)范美國國家標(biāo)準(zhǔn),美國機(jī)械工程師協(xié)會(huì)（ASME）制定的《鍋爐及壓力容器規(guī)范》。規(guī)模龐大、內(nèi)容完善，僅依靠其本身即可完成選材、設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、試驗(yàn)、安裝及運(yùn)行等全部工作環(huán)節(jié)。1．美國ASME規(guī)范與壓力容器密切相關(guān)有：第Ⅱ卷材料技術(shù)條件、第Ⅴ卷無損檢驗(yàn)、第Ⅷ卷壓力容器、第Ⅸ卷焊接及釬焊評(píng)定。每年增補(bǔ)一次，每三年出一新版，技術(shù)先進(jìn)，修訂及時(shí)，能迅速反映世界壓力容器科技發(fā)展的最新成就，為世界上影響最大的一部規(guī)范。

2.日本國家標(biāo)準(zhǔn)（JIS）

于80年代初制定了兩部基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，一部是參照ASME第Ⅷ卷第1冊(cè)制定的JISB8243《壓力容器的構(gòu)造》，另一部是參照ASME第Ⅷ卷第2冊(cè)制定的JISB8250《特定壓力容器的構(gòu)造》。此外，還有與壓力容器相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)JISB8240《冷凍壓力容器》、JISB8241《無縫鋼制氣瓶》及JISB8242《圓筒形液化石油氣貯罐（臥式）構(gòu)造》等。壓力容器的主要受壓元件

筒體、封頭、設(shè)備法蘭、開孔補(bǔ)強(qiáng)板、人孔蓋、人孔法蘭、人孔接管、M30以上的設(shè)備主螺栓、直徑大于250的接管、換熱管和管板、膨脹節(jié)壓力容器強(qiáng)度計(jì)算內(nèi)容1、新容器的設(shè)計(jì)2、在用容器的校核第二節(jié)設(shè)計(jì)參數(shù)的確定300(350)400(450)500(550)6006507008009001000(1100)1200(1300)140015001600(1700)1800(1900)2000(2100)22002300240026002800300032003400360038004000420044004500460048005000520054005600580060001.容器直徑公稱直徑鋼板卷焊公稱直徑是內(nèi)徑。無縫鋼管截取159219273325377426容器直徑較小，可直接用無縫鋼管制作。公稱直徑指鋼管外徑。設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將工藝計(jì)算初步確定的設(shè)備內(nèi)徑，調(diào)整為符合規(guī)定的公稱直徑。

2、設(shè)計(jì)壓力和計(jì)算壓力最大工作壓力：正常操作情況下容器頂部可能出現(xiàn)的最高壓力設(shè)計(jì)壓力：設(shè)定的容器頂部的最高壓力，與相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度一起作為設(shè)計(jì)載荷條件計(jì)算壓力：在相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度下用于確定容器殼體厚度的壓力設(shè)計(jì)壓力和計(jì)算壓力區(qū)別計(jì)算壓力pc：采用公式計(jì)算時(shí)使用設(shè)計(jì)壓力p：查標(biāo)準(zhǔn)件壓力試驗(yàn)對(duì)容器的監(jiān)察管理設(shè)計(jì)壓力的確定1)單個(gè)容器不裝安全泄放裝置2)裝有安全泄放裝置

a)裝有安全閥的容器

b)裝有爆破片的容器（1.01~1.1）Pw最大工作力Pw(MPa)安全閥開啟壓力

Pk(MPa)<1·0Pw+(0.035~0.05)1.0~1.5Pw+(0.11~0.18)≥1.6Pw+(0·11~0.115)≥4.0Pw+(0.105~0.11)a）裝有安全閥的容器：設(shè)計(jì)壓力不得低于安全閥的開啟壓力（1.05~1.1）Pwb）裝有爆破片的容器：不得低于爆破片的設(shè)計(jì)爆破壓力上限,據(jù)爆破片的型式的不同,（1.15~1.75）Pw

3）固定式液化氣體壓力容器：設(shè)計(jì)壓力不得低于下表的規(guī)定3)液化氣體壓力容器的設(shè)計(jì)壓力液化氣體臨界溫度設(shè)計(jì)壓力/MPa無保冷設(shè)施有可靠保冷設(shè)施無試驗(yàn)實(shí)側(cè)溫度有試驗(yàn)實(shí)側(cè)溫度且能保證低于臨界溫度≥50℃50℃飽和蒸氣壓力

可能達(dá)到的最高工作溫度下的飽和蒸氣壓力≤50℃設(shè)計(jì)時(shí)所規(guī)定的最大充裝量時(shí)，溫度為50℃的氣體壓力試驗(yàn)實(shí)側(cè)最高工作溫度下的飽和蒸氣壓力

4)混合液化石油氣壓力容器的設(shè)計(jì)壓力混合液化石油氣50℃飽和蒸氣壓力/MPa設(shè)計(jì)壓力/MPa無保冷設(shè)施有可靠保冷設(shè)施≤異丁烷50℃飽和蒸氣壓力等于50℃異丁烷的飽和蒸氣壓力可能達(dá)到的最高工作溫度下異丁烷的飽和蒸氣壓力>異丁烷50℃飽和蒸氣壓力≤丙烷50℃飽和蒸氣壓力等于50℃丙烷的飽和蒸氣壓力可能達(dá)到的最高工作溫度下丙烷的飽和蒸氣壓力>丙烷50℃飽和蒸氣壓力等于50℃丙烯的飽和蒸氣壓力可能達(dá)到的最高工作溫度下丙烯的飽和蒸氣壓力石油氣井中伴隨石油溢出的氣體或石油加工過程中產(chǎn)生的低分子量烴類氣體經(jīng)壓縮而成，主要成分為丙烷、丁烷、丙烯、丁烯。丙烷、丁烷、丙烯、丁烯沸點(diǎn)（℃）-47.4-0.5-47.4-6.3飽和蒸汽壓1.57

0.792.161.77外壓容器的設(shè)計(jì)壓力真空容器有安全泄放裝置Min(1.25Δp,0.1)無安全泄放裝置0.1外壓容器不小于正常操作情況下可能產(chǎn)生的最大內(nèi)外壓差3、設(shè)計(jì)溫度定義：容器在正常操作情況，在相應(yīng)的設(shè)計(jì)壓力下，設(shè)定的受壓元件金屬的溫度.確定原則：不得低于容器工作時(shí)器壁金屬可能達(dá)到的最高溫度;0℃以下時(shí)不得高于器壁金屬可能達(dá)到的最低溫度.容器內(nèi)的介質(zhì)是用蒸汽直接加熱或用電器元件插入介質(zhì)，或進(jìn)入容器的介質(zhì)已被加熱，取介質(zhì)可能達(dá)到的最高溫度。容器內(nèi)介質(zhì)的被熱載體（或冷載體）間接加熱，取熱載體的最高工作溫度或冷載體的（低于0℃的）最低工作溫度。儲(chǔ)存容器，殼體金屬溫度受大氣環(huán)境氣溫的影響，取歷年來月平均最低氣溫的最低值。間歇操作的設(shè)備，介質(zhì)溫度和壓力周期性變化，取最苛刻卻屬于同一時(shí)刻的設(shè)計(jì)溫度和設(shè)計(jì)壓力確定方法：4、許用應(yīng)力

1）、確定方法常溫容器中溫容器高溫容器2）、安全系數(shù)3）、安全系數(shù)主要的影響因素估算的載荷狀態(tài)及其數(shù)值上的偏差;計(jì)算方法的精確程度;材料性能的穩(wěn)定性、可靠性及其可能存在偏差的大小;制造工藝及其允許的偏差;檢驗(yàn)手段及其嚴(yán)格的程度;使用操作的經(jīng)驗(yàn)。4）、幾點(diǎn)說明1）注意鋼板厚度；2）中間溫度的許用應(yīng)力，用內(nèi)插法確定；3）Q235鋼板的要乘質(zhì)量系數(shù)0.9；4）厚度較大（超出附表給定厚度）需查GB150-1998，并注意一些附加條件。5、焊接接頭系數(shù)1）、定義2）、影響因素焊接接頭型式焊接工藝對(duì)焊縫檢驗(yàn)的嚴(yán)格程度

接頭坡口焊縫焊接方法焊條焊前熱處理等3）、?的確定焊縫型式對(duì)焊縫進(jìn)行無損檢驗(yàn)的長度第三節(jié)筒體的設(shè)計(jì)計(jì)算

——圓筒的計(jì)算厚度,mm

安全承受壓強(qiáng)P所需的最小理論計(jì)算厚度Pc——圓筒的計(jì)算壓力,MPaDi——圓筒的內(nèi)徑,mm——鋼板在設(shè)計(jì)溫度t下的許用應(yīng)力，MPa

——焊接接頭系數(shù)1、理論計(jì)算厚度腐蝕裕量C2應(yīng)根據(jù)各種鋼材在不同介質(zhì)中的腐蝕速度和容器設(shè)計(jì)壽命確定塔類、反應(yīng)器類容器設(shè)計(jì)壽命一般按20年考慮，換熱器殼體、管箱及一般容器按10年考慮。2、設(shè)計(jì)厚度腐蝕速度＜0.05mm／a(包括大氣腐蝕)時(shí)：碳素鋼和低合金鋼單面腐蝕C2＝1mm，雙面腐蝕取C2＝2mm，腐蝕速度＞0.05mm／a時(shí)，單面腐蝕取C2＝2mm，雙面腐蝕取C2＝4mm。不銹鋼取C2＝0。3.名義厚度

鋼板厚度負(fù)偏差(或鋼管負(fù)偏差)

Cl3.8~4.04.5~5.56~78~2526~3032~34

0.3

0.5

0.6

0.8

0.9

1.0鋼板厚度/mm

2

2.2

2.52.8~3.03.2~3.5負(fù)偏差/mm0.18

0.19

0.2

0.22

0.2536~4042~5052~60

1.1

1.2

1.34、有效壁厚5、最小壁厚設(shè)計(jì)壓力較低的容器計(jì)算出來的厚度很薄，大型容器剛度不足，不滿足運(yùn)輸、安裝限定最小厚度以滿足剛度和穩(wěn)定性要求殼體加工成形后不包括腐蝕裕量最小厚度dmin：

a.碳素鋼和低合金鋼制容器不小于3mm

b．對(duì)高合金鋼制容器，不小于2mm6、壓力試驗(yàn)制造加工過程不完善，導(dǎo)致不安全，發(fā)生過大變形或滲漏。最常用的壓力試驗(yàn)方法是液壓試驗(yàn)。介質(zhì)為常溫水。也可用不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)的其它液體，試驗(yàn)時(shí)液體的溫度應(yīng)低于其閃點(diǎn)或沸點(diǎn)。不適合作液壓試驗(yàn)，可用氣壓試驗(yàn)代替液壓試驗(yàn)。如裝入貴重催化劑要求內(nèi)部烘干，或容器內(nèi)襯耐熱混凝土不易烘干，或由于結(jié)構(gòu)原因不易充滿液體的容器以及容積很大的容器等.對(duì)壓力試驗(yàn)的規(guī)定情況如下表所示：試驗(yàn)類型試驗(yàn)壓力強(qiáng)度條件說明備注液壓試驗(yàn)

立式容器臥置進(jìn)行水壓試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)壓力應(yīng)取立置試驗(yàn)壓力加液柱靜壓力。壓力試驗(yàn)時(shí)，由于容器承受的壓力pT

高于設(shè)計(jì)壓力p，故必要時(shí)需進(jìn)行強(qiáng)度效核。

氣壓試驗(yàn)

pT-試驗(yàn)壓力，MPa；p-設(shè)計(jì)壓力，MPa；

[s]一試驗(yàn)溫度下的材料許用應(yīng)力，MPa；

[s]T

一設(shè)計(jì)溫度下的材料許用應(yīng)力，MPa

液壓試驗(yàn)時(shí)水溫不能過低(碳素鋼、16MnR不低于5℃，其它低合金鋼不低于15℃)，外殼應(yīng)保持干燥。設(shè)備充滿水后，待壁溫大致相等時(shí)，緩慢升壓到規(guī)定試驗(yàn)壓力，穩(wěn)壓30min，然后將壓力降低到設(shè)計(jì)壓力，保持30min以檢查有無損壞，有無宏觀變形，有無泄漏及微量滲透。水壓試驗(yàn)后及時(shí)排水，用壓縮空氣及其它惰性氣體，將容器內(nèi)表面吹干7、厚度系數(shù)、最大允許工作壓力、

計(jì)算應(yīng)力（工作應(yīng)力）例題1：某化工廠欲設(shè)計(jì)一臺(tái)石油氣分離工程中的乙烯精餾塔。工藝要求為塔體內(nèi)徑Di=600mm；設(shè)計(jì)壓力p＝2.2MPa；工作溫度t＝-3～-20℃。試選擇塔體材料并確定塔體厚度。解析：由于石油氣對(duì)鋼材腐蝕不大，溫度在-20℃以上，承受一定的壓力，故選用16MnR。根據(jù)式式中p＝2.2MPa；Di=600mm；[s]＝170MPaj=0.8得：C2=1.0mm得：考慮鋼板厚度負(fù)偏差C1＝0.6mm圓正取dn=7mm水壓試驗(yàn)時(shí)的應(yīng)力

16MnR的屈服限ss=345MPa（附錄表6）水壓試驗(yàn)時(shí)滿足強(qiáng)度要求。例題2有一圓筒形汽包，內(nèi)徑1200mm，操作壓力為4MPa,此時(shí)蒸汽溫度為250℃，有安全閥，材料為20R,筒體采用帶墊板的對(duì)接焊，全部探傷，設(shè)計(jì)該汽包的厚度。第四節(jié)封頭的設(shè)計(jì)凸形錐形平板球型橢圓型碟型（帶折邊球型）無折邊球型（球冠型）帶折邊錐型無折邊錐型

薄膜應(yīng)力理論平板彎曲理論形狀特點(diǎn)應(yīng)力情況危險(xiǎn)點(diǎn)最大薄膜應(yīng)力最大應(yīng)力及計(jì)算σmax強(qiáng)度條件計(jì)算厚度最小厚度優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)形狀特點(diǎn)應(yīng)力情況危險(xiǎn)點(diǎn)最大薄膜應(yīng)力最大應(yīng)力σmax及計(jì)算強(qiáng)度條件計(jì)算厚度最小厚度優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)形狀特點(diǎn)：直徑小、厚度?。赫w沖壓大直徑：分瓣沖壓，再焊接一、半球形封頭二、橢圓形封頭結(jié)構(gòu)：半橢球和高度為h的短圓筒(通稱直邊)直邊：保證封頭制造質(zhì)量和避免邊緣應(yīng)力作用。應(yīng)力情況危險(xiǎn)點(diǎn)最大薄膜應(yīng)力最大應(yīng)力σmax及計(jì)算強(qiáng)度條件計(jì)算厚度最小厚度優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭壁厚與筒體同為滿足穩(wěn)定性：對(duì)標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭計(jì)算厚度不小于封頭內(nèi)直徑的0.15％。三、碟形封頭又稱帶折邊球形封頭:

球面半徑Ri、過渡圓弧半徑r

高度為h的直邊

Rci=(0.9-1.0)Dir=（0.15-0.17-0.2）Rci形狀特點(diǎn)應(yīng)力情況危險(xiǎn)點(diǎn)最大薄膜應(yīng)力最大應(yīng)力σmax及計(jì)算強(qiáng)度條件計(jì)算厚度最小厚度優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)相同受力，碟形封頭壁厚比橢圓形封頭壁厚要大些，而且碟形封頭存在應(yīng)力不連續(xù)，計(jì)算壁厚滿足：不小于封頭內(nèi)直徑的0.15—0.3％。四、球冠形封頭無折邊球形封頭:降低凸形封頭高度，將碟形封頭的直邊及過圓弧部分去掉，只留下球面部分。最大應(yīng)力處形狀特點(diǎn)應(yīng)力情況危險(xiǎn)點(diǎn)最大薄膜應(yīng)力最大應(yīng)力σmax及計(jì)算強(qiáng)度條件計(jì)算厚度最小厚度優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)五、錐形封頭a

30°30°

<a

45°450<a≤600廣泛用于化工設(shè)備(如蒸發(fā)器、噴霧干燥器、結(jié)晶器及沉降器等)的底蓋便于收集與卸除設(shè)備中的固體物料。