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1、第六章 球罐的设计,过程设备设计,1.1.1 压力容器基本组成(如图1),1.1.2 压力容器零部件间的焊接,1.2 压力容器分类,1.2.1 介质危害性,1.2.2 压力容器分类,1.3 压力容器规范标准,1.3.1 国外主要规范标准简介,1.3.2 国内主要规范标准简介,1.1 压力容器总体结构,过程设备设计,1.1 压力容器总体结构,1.1.1 压力容器基本组成,1-法兰; 2-支座; 3-封头拼接焊缝; 4-封头; 5-环焊缝; 6-补强圈; 7-人孔;8-纵焊缝; 9-筒体; 10-压力表; 11-安全阀;12-液面计,过程设备设计,基本组成,筒体,封头,密封装置,开孔与接管,支座,
2、安全附件,过程设备设计,1.筒体,储存物料或完成化学反应所需要的主要压力空间。,形式:圆柱筒体、球形筒体。,圆筒体制造方法,无缝钢管(无纵焊缝) 直径较小,卷焊(有纵环焊缝) 直径较大,整体锻造(可能有环焊缝) 高压容器,整体铸造(无纵环焊缝) 高压容器,圆 筒 体 结 构,单层式,组合式,多层式,缠绕式,过程设备设计,2.封头,与筒体等部件形成封闭空间,封头形式,凸形封头:球形、椭圆形、蝶形和球冠形封,锥壳,平盖,封头与筒体的连接,不可拆式(焊接),可拆式(螺栓连接),过程设备设计,3.密封装置,可靠性关系到压力容器能否正常、安全地运行。,最常见的密封装置:,螺栓法兰连接(简称法兰连接),法
3、兰:,容器法兰,管道法兰,筒体端部 (高压容器),4.开孔与接管,(1)开孔目的:,a.满足工艺要求,b.满足结构要求,(2)开孔结果:,a.开孔部位的强度被削弱,b.结构连续性破坏,c.与接管焊接时易产生焊接残余应力和缺陷焊接,故应少开孔并作开孔补强设计。,(3)破坏形式:,疲劳破坏,过程设备设计,过程设备设计,(4)开孔类型:,人孔、手孔、视镜孔、物料进出口接管,以及安装压力表、液面计、安全阀、测温仪表等接管开孔。,(5)开孔大小:,手孔150 mm (Di1000mm),人孔,圆形400mm,椭圆形350450mm,(Di 1000mm),物料进出口 根据工艺计算确定,仪表接口 根据仪表
4、确定,(6)开孔位置:,满足工艺要求考虑操作方便,避开,应力集中区域,边缘应力区,焊缝处,a.检查孔(人孔、手孔等)的装设位置应便于检查、清理,对人孔还应考虑进出方便。,b.立式小型容器的人孔、手孔应设于顶盖上,较大 立式容器人孔可设于筒体上。,c.设置两个人孔的容器,其位置一般分别设在顶盖和筒体上。,d.设在侧面位置的人孔,容器内部应根据需要设置梯子或踏步。,e.用于装卸填料、触媒的手孔允许斜置。,(7)不必开设检查孔的条件:,容器若符合下列条件之一,则可不必开设检查孔:,a.筒体Di300mm 的压力容器,b.容器上设有可拆卸的封头、盖板或其它能够开关的盖子,其尺寸不小于所规定检查孔的尺寸
5、。,c.无腐蚀或轻微腐蚀,无需做内部检查和清理的压力容器。,d.制冷装置用压力容器。,e.换热器,检查压力容器在使用过程中是否有裂纹、变形、腐蚀等缺陷产生,过程设备设计,5.支座,类型,圆筒形容器支座,球形容器支座,卧式容器支座(鞍座、圈座、支腿),立式容器支座(腿式支座、支承式支座、 耳式支座和裙式支座),柱式,裙式,过程设备设计,6.安全附件:,主要有: 安全阀 爆破片装置 紧急切断阀 安全联锁装置 压力表 液面计 测温仪表等,过程设备设计,筒体 封头 密封装置 开孔接管 支座 安全附件,压力容器的外壳,内件,反应、传热、传质、分离等容器,储运容器,过程设备设计,1.1 压力容器总体结构,
6、1.1.2 压力容器零部件间的焊接,焊接结构设计,接头的形式(如对接、搭接、角接),坡口形式和尺寸,焊接方法(如手工焊、自动焊等),检验要求(表面探伤、透射探伤等),过程设备设计,1.2 压力容器分类,1.2.1 介质危害性,指介质的毒性、易燃性、腐蚀性、氧化性等 其中影响压力容器分类的主要是毒性和易燃性,介质危害性:,1.毒 性:,是指某种化学毒物引起机体损伤的能力。,(1)极度危害(级):最高容许浓度0.1 mg/m3; (2)高度危害(级):最高容许浓度0.11.0 mg/m3; (3)中度危害(级):最高容许浓度1.010 mg/m3; (4)轻度危害(级):最高容许浓度10 mg/m
7、3。, 介质毒性程度愈高,压力容器爆炸或泄漏所造成的危害愈严重,对材料选用、制造、检验和管理的要求愈高。,过程设备设计,介质危害性 (续-毒性),Q235-B 不能使用,钢板应逐张超声检测,100%射线或超声检测,气密性试验,法兰带颈 且PN1.6MPa,过程设备设计,2.易燃介质:,爆炸下限10%,或爆炸下限和上限之差20%的 介质,如甲烷、乙烷、乙烯、氢气、丙烷、丁烷等。,压力容器盛装的易燃介质主要指易燃气体和液化气体。,易燃介质对压力容器的选材、设计、制造和管理等提出了较高的要求,易燃介质容器均采用全焊透结构,过程设备设计,1.2.2 压力容器分类,世界各国规范对压力容器分类的方法各不相
8、同,本节着重介绍我国压力容器安全技术监察规程中的分类方法,按压力等级,按容器在生产中的作用,按安装方式,按安全技术管理,分类,过程设备设计,1.承压方式,内压容器,外压容器,当容器的内压力小于一个绝对大气压(约0.1MPa)时又称为真空容器,(按照设计 压力p分),低压(L)容器 0.1 MPap1.6 MPa,中压(M)容器 1.6 MPap10.0 MPa,高压(H)容器 10 MPap100 MPa,超高压(U)容器 p100MPa,过程设备设计,2.生产过程 中的作用,反应压力容器 (代号R),换热压力容器(代号E),分离压力容器(代号S),储存压力容器(代号C,其中球罐代号B),过程
9、设备设计,3.安装方式,固定式压力容器,移动式压力容器,(该安装方式的压力容器在结构、 使用和安全方面均有其特殊的 要求。),过程设备设计,4.按安全技术管理分类,分类原则:,根据容器压力与容积乘积大小、介质危害程度以及容器的作用将压力容器分类。,三类容器,第一类压力容器,第二类压力容器,第三类压力容器,过程设备设计,(1)第三类压力容器:,具有下列情况之一的,为第三类压力容器:,a高压容器;,b中压容器(仅限毒性程度为极度和高度危害介质);,c中压储存容器(仅限易燃或毒性程度为中度危害介质, 且pV乘积大于等于10MPam3);,过程设备设计,d. 中压反应容器(仅限易燃或毒性程度为中度危害
10、介 质,且pV乘积大于等于0.5MPam3);,e低压容器(仅限毒性程度为极度和高度危害介质, 且pV乘积大于等于0.2MPam3);,f高压、中压管壳式余热锅炉;,过程设备设计,g中压搪玻璃压力容器;,h使用强度级别较高的材料制造的压力容器;,(指响应标准中抗拉强度规定值下限540MPa),过程设备设计,i移动式压力容器,j球形储罐(容积大于等于50m3),k低温液体储存容器(容积大于5m3),铁路罐车(介质为液化气体、低温液体),罐式汽车液化气体运输(半挂)车、低温液体运输(半挂)车、永久气体运输(半挂)车,罐式集装箱(介质为液化气体、低温液体等),包括,过程设备设计,(2)第二类压力容器
11、:,具有下列情况之一的,为第二类压力容器:,a.中压容器;,b.低压容器(仅限毒性程度为极度和高度危害介质);,c.低压反应容器和低压储存容器 (仅限易燃介质或毒性程度为中度危害介质);,d.低压管壳式余热锅炉;,e.低压搪玻璃压力容器。,过程设备设计,(3)第一类压力容器:,除上述规定以外的低压容器为第一类压力容器。,过程设备设计,由于各国的经济政策、技术政策、工业基础和管理体系的差异,压力容器的分类方法也互不相同。采用国际标准或国外先进标准设计压力容器时,应采用相应的分类方法。,球罐简介:压力容器的一种,球罐特点和分类,特点 相同容积下,球罐表面积最小,所需钢材少 球罐板壳承载能力比圆筒形
12、容器大一倍,板厚减半 球罐占地面积小,可向高度空间发展,利于地表面积的应用 受风面小,外观漂亮 分类(使用温度) 常温球罐 20 低温球罐 100 20 深冷球罐 100,球罐设计计算实例,设计条件: 设计压力:0.7MPa 设计温度:常温 液压试验压力:0.875MPa 球壳内直径:15700mm 公称容积:2000m3 几何容积:2026.3m3 储存物料:C4 物料密度:800 kg/m3 充装系数:0.9 地震设防烈度:7度 基本风压值:450 N/m2 基本雪压值:200 N/m2 球罐建造场地:类,近震,B类地区,球罐的设计参数,压力 工作压力:正常工作情况下,球罐顶部的最高压力
13、设计压力:设定的球罐顶部的最高压力,大于工作压力 计算压力:确定球壳各带厚度或受压元件厚度的压力 试验压力:压力试验的值,一般为1.25-1.5倍的设计压力 温度 设计温度:正常工作时,设定的受压元件的金属温度 试验温度:压力试验时,球壳的金属温度 厚度 计算厚度:公式计算所得的厚度 设计厚度:计算厚度与腐蚀裕量之和 名义厚度:图样上标的厚度,设计厚度加钢材负偏差后圆 整钢材标准规格的厚度 有效厚度:名义厚度减去腐蚀裕量和钢材负偏差,许用应力(GB 12333 钢制球形储罐) 材料的各项强度性能指标分别除以安全系数 我国球罐钢材的许用应力 焊接接头系数 由焊缝形式、焊接工艺和焊缝无损检测严格程
14、度决定 GB150按无损检测率对双面焊全焊透对接接头做了规定 存储介质 限制硫 GB1117-1989中规定总硫含量不大于345mg/m3 应力试验 压力试验的种类、要求和实验压力值应在图样上注明 气密性试验 压力试验合格后进行,其值等于设计压力,球罐的设计参数,球罐的结构设计:选材,选材原则:强度,焊接性,加工性,可靠性,经济性 壳体用钢板 GB 6654 GB 3531 20R, 16MnR, 15MnVR, 16MnDR, 09Mn2VDR 锻件用钢 JB 4726 JB 4727 人孔和接管用锻件可避免补强 20, 16Mn, 20MnMo,16MnD 钢管 GB 6479 10, 2
15、0, 20G, 16Mn, 15MnV 螺柱和螺母 GB/T 3077 Q235A, 35, 40Cr 焊接材料 GB/T 5117(5118) GB/T 8110 焊条、焊丝、焊剂,球罐的结构设计:结构类型及几何尺寸,结构类型 桔瓣式 混合式 几何尺寸 桔瓣式 混合式,球罐的结构设计:结构类型及几何尺寸,球罐的结构设计:球壳厚度的设计,(1)内应力形成的球壳应力: (2)液体静压力形成的球壳应力:,返回,球罐的结构设计:球壳厚度的设计,(3)球壳薄膜应力校核:,球罐的结构设计:球壳厚度的设计,球壳稳定性校核 (4)球壳许用外压力校核:GB 150-1998 (5)球壳赤道壁压力校核,球罐的结
16、构设计:坡口设计,坡口设计的影响因素:GB 985(6)-1998 (1)与采用的焊接方法有关 (2)与球壳钢板的厚度有关 (3)与焊缝所在球壳部位有关 (4)与焊接工艺有关,球罐的结构设计:支座,定义:支座是用来支撑本体质量和储存物料质量的结构部件 分类:赤道正切和裙式支座 设计准则: (1)强度和稳定性 (2)支柱与球壳的连接部位,既要传递应力又要降低局部应力水平(有垫板,无垫板) (3)支柱经受焊后热处理和热胀冷缩的浮动 (4)支柱上柱头是否需要与壳体采用相同的焊接材料(单、双段) (5)支柱在球罐存储易燃介质时,必须考虑防火隔热问题,球罐的结构设计:拉杆,定义:拉杆是作为承受风载荷和地震载荷的部件 分类:可调式拉杆和固定式拉杆,支座和拉杆的强度计算和校核 参考: 化工设备设计全书球罐和大型储罐