真空压力容器设计课件

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1、,第4章 压力容器设计,4-1 概述,压力容器设计 基本要求,安全,经济,合理选取结构、材料、参数等,合理选择设计方法,常规设计和分析设计结果比较,设计条件,4-2 设计准则,压力容器失效判据,判断压力容器是否失效,由力学分析得到力学分析结果,由实验测得失效数值,失效判据,压力容器设计准则,4-3 常规设计,一、概述,基于弹性失效设计准则,不连续应力的考虑,二、圆筒设计,单层式圆筒的优点：不存在层间松动等薄弱环节，能较好地保证筒体的强度。 单层式圆筒的缺点： 1、单层厚壁圆筒对制造设备的要求高。 2、材料的浪费大。 3、锻焊式圆筒存在较深的纵、环焊缝，不便于焊接和检验。,层板包扎式,整体多层包

2、扎式,（1）套合层数少，效率高，成本低。 （2）纵焊缝质量容易保证。 （1）只能套合短筒，筒节间深环焊缝多。 （2）要求准确的过盈量，对筒节的制造要求高。,热套式,优点,缺点,槽形绕带式,（1）机械化程度高，材料利用率高。 （2）整体绕制，无环焊缝。 （3）带层呈网状，不会整体裂开。 （4）扁平钢带成本低，绕制方便。,扁平钢带倾角错绕式,特点,内压圆筒强度设计,单层内压圆筒,壁厚计算,强度校核,工作应力,最大允许工作压力,按塑性失效设计准则：,按爆破失效设计准则：,多层圆筒壁厚,注意,最小厚度,碳素钢、低合金钢制容器：min3mm,高合金钢制容器：min2mm,设计参数的选取,设计压力p,1、

3、设计压力由工艺条件确定，在设计过程中是一个定值；工作压力在容器正常工作过程中可能变动，容器顶部和底部的工作压力也可能不同。,2、要求设计压力不低于最大工作压力。 即：P PW,3、PC= P+PL (当PL5% P时， PL可忽略不计),设计压力的规定,1、容器上装有安全阀时 P=(1.051.10)PW 2、容器上装有爆破膜时 P=(1.151.30)PW 3、盛装液化气体的容器 设计压力取工作时可能达到的最高温度下液化气体的饱和蒸气压,设计温度t,-容器在正常工作情况下设定元件的金属温度。,元件金属温度高于零度时，设计温度不得低于元件可能达到的最高温度； 元件金属温度低于零度时，设计温度不

4、得高于元件可能达到的最低温度。,根据规定：当钢板厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，可取C1=0。所以在设计计算中，对于GB6654-1996、GB3531-1996种的钢板（如20R、16MnR、16MnDR等），均可取C1=0。,钢板厚度负偏差,焊接接头系数,材料许用应力,安全系数,碳素钢、低合金钢及铁素体高合金钢： nb3.0 ns1.6 nD1.5 nn1.0,奥氏体高合金钢： nb3.0 ns1.5 nD1.5 nn1.0,压力试验,1、试验压力, 内压容器：, 外压容器和真空容器：, 夹套容器：视内筒为内压或外压容器，分别按内压或外压容器的试验压力公式确定试验压

5、力；夹套按内压容器确定试验压力。 * 需校核内筒在夹套液压试验压力下的稳定性，如不满足稳定性要求，则需在夹套液压试验时，内筒内保持一定的压力。,液压试验,如果直立容器卧置进行液压试验，则在应力校核时，PT应加上容器立置充满水时的最大液柱压力。,2、强度校核,注意,气压试验, 内压容器：, 外压容器和真空容器：,1、气压试验,2、强度校核, 容器上没有安全泄放装置，气密性试验压力 PT=1.0P。, 容器上设置了安全泄放装置，气密性试验压力应低于安全阀的开启压力或爆破片的设计爆破压力。 通常取PT=1.0PW。,气密性试验,练习题,断裂前发生较大的塑性变形，容器发生明显的鼓胀，断口处厚度减薄，断

6、裂时几乎不形成碎片。,返回,韧性断裂,压力容器在载荷作用下，应力达到或接近材料的强度极限而发生的断裂。,特点,失效原因, 容器厚度不够。 压力过大。, 断口平齐，且与最大主应力方向垂直。 容器断裂时可能裂成碎片飞出，往往引起严重后果。 断裂前没有明显塑性变形，断裂时应力很低，安全阀、爆破膜等安全附件不起作用，断裂具有突发性。,脆性断裂,（低应力脆断）,器壁中的应力远低于材料强度极限时发生的断裂。, 材料的脆性。 材料中的裂纹、未焊透、夹渣等缺陷。,特点,失效原因,返回, 交变载荷。 疲劳裂纹。,疲劳断裂,在交变载荷作用下，由于材料中的裂纹扩展导致容器的断裂。,特点, 断口上有贝纹状的疲劳裂纹。

7、 断裂时容器整体应力较低，断裂前无明显塑性变形。 如果材料韧性较好，通过合理设计可实现“未爆先漏”。,失效原因,返回,返回, 对于全面腐蚀和局部腐蚀，容器断裂前发生明显的塑性变形，具有韧性断裂的特征。 对于晶间腐蚀和应力腐蚀，断裂前无明显塑性变形，具有脆性断裂的特征。,返回,腐蚀断裂,材料受到介质腐蚀（全面腐蚀或局部腐蚀），形成容器整体厚度减薄或局部凹坑、裂纹等，从而造成容器的断裂。,特点,失效原因,介质腐蚀,外压圆筒设计,解析法,图解法,几何参数计算图,壁厚计算图,外压圆筒设计设计步骤：,1、真空容器 有安全装置时： 无安全装置时：p=0.1Mpa,2、带夹套的真空容器 p取真空容器的设计压

8、力加上夹套压力,3、其它外压容器（包括带夹套的外压容器） p应不小于容器正常工作过程中可能出现的最大内外压力差 即：p(p0-pi)max,设计压力,注意：最大内外压差的取值,设计参数 的规定,稳定性安全系数,圆筒：m = 3.0 球壳： m = 14.52,计算长度,加强圈设计,两个条件,1、筒体不失稳 要求：LS Lmax,2、加强圈不失稳 要求：ISI,1、筒体不失稳 要求：LS Lmax,2、加强圈不失稳 要求：ISI,1、初步取加强圈的数目和间距,3、计算加强圈和圆筒组合而成的当量圆筒所需的组合截面惯性矩I 。,2、选择加强圈材料，按型钢规格初定加强圈的截面形状和尺寸，计算实际组合截

9、面惯性矩IS。,4、比较IS和I，若IS I且比较接近，则加强圈的尺寸、数目和间距满足要求，否则重新选择加强圈，重复以上步骤，直到满足要求为止。,加强圈设计步骤,1、加强圈可采用扁钢、角钢、工字钢或其它型钢，这样材料供应方便且型钢具有较大的截面惯性矩。加强圈可设置在容器的内部或外部，并应环绕容器整个圆周。,2、加强圈和壳体的连接必须足够紧密，以保证加强圈和壳体一起承载，加强圈和壳体之间可采用连续焊或间断焊。,3、为保证筒体和加强圈的稳定性，加强圈不得被任意削弱或割断。,加强圈结构设计,外加强圈 加强圈每侧间断焊接的总长不小于圆筒外圆周长度的1/2 内加强圈 加强圈每侧间断焊接的总长不小于圆筒内

10、圆周长度的1/3,外压圆筒练习题,某圆筒形容器，内径2400mm，长14000mm，两端为标准椭圆形封头，直边高度为50mm，圆筒和封头材料均为1Cr18Ni9Ti，腐蚀裕量取1mm，设计温度510C ，真空下操作，无安全控制装置。 用图算法求筒体厚度,一圆筒形容器，材料为Q235-A，内径2800mm，长10m（含封头直边段），两端为标准椭圆形封头，圆筒和封头名义厚度均为12mm，其中壁厚附加量C=2mm；容器负压操作，最高操作温度50C 。 （1）试确定容器最大允许真空度为多少mmHg？ （2）该容器是否应设置安全控制装置？,外压圆筒和加强圈练习题,现有一真空塔，材料为Q235-A，Di=

11、2500mm，封头为标准椭圆形封头，塔体部分高20m(包括直边段)，设计温度250C，腐蚀裕量2.5mm。 1、确定塔体圆筒壁厚。 2、塔体上均匀设置6个加强圈（材料与塔体相同）后的筒体壁厚。,三、封头设计,封头形式,30,3060,内压半球形封头,凸形封头,半球形封头,外压半球形封头,椭圆形封头,内压椭圆形封头,标准椭圆形封头：e0.15%Di 非标准椭圆形封头：e0.30%Di,椭圆形封头的最小厚度,外压椭圆形封头,与外压半球形封头计算方法相同 R0=K1D0 K1-系数（表4-5）,碟形封头,要求： r 0.1Di且r 3 RiDi,标准碟形封头：r = 0.17Di Ri = 0.9D

12、i,碟形封头,内压碟形封头,标准碟形封头：e0.15%Di 非标准碟形封头：e0.30%Di,碟形封头的最小厚度,外压碟形封头,与外压半球形封头计算方法相同 R0-碟形封头球面部分外半径,1、半球形封头,2、椭圆形封头 按半球形封头计算壁厚 R0=K1D0,3、碟形封头 按半球形封头计算壁厚，R0取球面部分外半径。,4、无折边球形封头 按半球形封头计算壁厚,总结,30,30 大端应设折边，r0.1Di且r3,45 小端也应设折边，rs0.05Dis且rs3r,锥形封头,内压无折边锥形封头,大端：,取大值,内压带折边锥形封头,外压锥形封头,等效圆筒,与外压圆筒的壁厚计算方法相同,壁厚：,DC-平盖计算直径 K-结构特征系数 （表4-8）,圆形平盖,