过程装备机械设计基础—压力容器

《过程装备机械设计基础—压力容器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《过程装备机械设计基础—压力容器（131页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、过程设备设计,过程装备机械基础,第11章内压容器设计,1. 压力容器导言,2.压力容器的应力分析,3.压力容器的内压圆筒和封头设计,4.压力容器的压力试验,1. 压力容器导言,1.1 压力容器总体结构和主要零部件 1.2 压力容器分类 1.3 压力容器规范标准,1.1压力容器的总体结构和主要零部件,1.1.1.压力容器的总体结构 1.1.2压力容器主要零部件,1.1.1压力容器的总体结构,概念：压力容器是内部或外部承受气体或液体压力，并对安全性有较高要求的密闭容器。 一般泛指在工业生产中用于完成反应、传热、分离和储存等生产工艺过程的密封容器。,筒节,环焊缝,纵焊缝,补强圈,盲板,接管,支座,上

2、封头,下封头,南京扬子石化公司1000 m3 钢球罐群,1.1.2压力容器的主要零部件,1）筒体(壳体） 2）封头(端盖） 3）法兰 4）密封装置 5）开孔与接管 6）支座 7)安全附件,1）筒体 钢板卷制而成 制造容易、成本低 筒体 整体锻造而成 制造困难、成本高、性能好 单层 多用于中低压容器 筒体 多层 多用于高压容器 问题：压力容器可以用什么材料制作？,2） 封头 按形状可分为：球形封头、椭圆形封头、碟形封头、锥形封头、平板封头等。 特点：轴对称！ 半椭球封头 半椭球封头 半球形封头,锥形封头,3）法兰 法兰的作用 a.用于容器间或容器与封头的连接； b.用于管道间的连接；,4） 密封

3、装置 用于连接件之间的密封，防止物料泄漏。 5） 开孔与接管 在容器上开孔的目的是为了便于检修（人孔和手孔），或是为了安装各种安全附件、或是为了满足工艺的要求。,6）支座 把压力容器支承并固定在基础上。 7）安全附件 安装各种安全阀和各种压力表、测温仪表、液位计等。,1.2 压力容器的分类 1） 压力容器分类的原因和依据 压力容器存在的危害程度不同！ 危害程度与很多因素有关，如设计压力、容器的容积、介质的危害性、使用场合和安装方式等。 其中，介质的危害性是最主要的影响因素！,2） 介质的危害性 介质的危害性是指介质的毒性、易燃性、氧化性和腐蚀性等。影响压力容器分类的主要是毒性和易燃性。,3）

4、压力容器分类方式,1、 按承压性质分内压容器和外压容器。 内压容器按压力p大小分为4个等级： 低压容器（L） 0.1MPap1.6MPa 中压容器（M） 1.6MPap10MPa 高压容器（H） 10MPap100MPa 超高压容器（U） p100MPa,2）按作用原理分类 反应器（R)如合成塔、分解塔 换热器(E)如废热锅炉、汽车发动机水冷却器 分离器(S)如精馏塔、干燥塔 储 罐(C)如油罐、家用液化气罐 3）按安装方式分类 固定式绝大部分压力容器 移动式如火车物料罐、汽车油罐,按安全管理分类（按容规分类 最重要的分类！） 分为三类： 具有下列情况之一的，为第三类压力容器： 高压容器 中压

5、容器且介质为极度毒性和高度危害 中压贮存容器且介质为易燃或中等毒性、pv10MPa. m 中压反应容器且介质为易燃或中等毒性、pv0.5MPa. m 容规：压力容器安全技术监察规程,低压容器且介质为极度毒性和高度危害、 pv0.2MPa. m 高压、中压管壳式余热锅炉 中压搪玻璃压力容器 使用强度级别较高的材料制造的压力容器(抗拉强度540MPa) 移动式压力容器 容积大于50m的球形容器 容积大于5m的低温贮存容器,具有下列情况之一的，为第二类压力容器： 中压容器 低压容器且介质为极度毒性和高度危害 低压反应器和低压贮存容器，介质易燃或毒性中等 低压管壳式余热锅炉 低压搪玻璃压力容器 除上述

6、规定以外的低压容器为第一类压力容器。,1.3 压力容器规范标准 1.3.1 国外压力容器标准简介 ASME规范 美国标准（American society of Machinery engineering) 为世界上第一部压力容器设计和制造方面的规范，历史悠久，更新速度快，涵盖范围宽，同时也是许多国家制定相关规范的蓝本（如日本、中国等国家）。,1965年推出ASME规范； 1968年推出ASME规范的两个分册： 第一册为传统的规则设计（Design by Rules) 第二册为分析设计规范（Design by Analysis） 提示1：压力容器设计分为常规设计和分析设计！后者更科学、更合理！

7、,欧盟压力容器标准 早期的欧盟国家，各国之间的压力容器标准是相对独立的，后来随着国际贸易间的发展，为适应欧洲一体化而逐步建立起统一的标准，正在逐步完善。 该规范对中国的压力容器标准也有一定的影响。如英国1976年制定的BS5500标准，为分析设计标准。 日本标准 日本于1993年推出分析设计标准JIS8250。,1.3.2 国内主要压力容器标准 较为成熟的标准是： 1989年制定的GB150-89钢制压力容器和 GB151-89钢制管壳式换热器等。 1998，1999年又重新修订了这两部标准和相关标准。这些标准都是以ASME规范为蓝本，同时也吸取了欧洲标准的一些思想，同时也加入了一些自己的思想

8、和方法（如管板强度设计方法）。,1.3.3 国家标准和工业国家标准的比较 GB150较多地参照了ASME！ 1、与美国标准、欧洲标准的内容基本相同； 2、制定标准的出发点也相差不多； 3、差别主要在： a、标准的适用范围 b、材料的许用应力 c、材料的牌号及其性能、技术指标有所不同。,1.3.4 制定标准的目的 标准化的目的是为了实现产品的系列化、通用化、降低产品成本、且提供了法律依据。压力容器是一种潜在危害很大的装备，因此，对设计、制造、使用、维修等方面的工作和从事这些工作的资质都必须有章可循。 注意：工程设计必须遵守相关国家标准！,谢谢！,压力容器应力分析 2.1 回转薄壳的应力分析 2.

9、2 厚壁容器的应力分析 2.3 结构与力学性能的关系 2.4 壳体的稳定性分析 2.5 典型局部应力 本章为常规设计的基础！是期末考和考研的重点！ 问题：应力分析的目的？ 问题：何谓强度？,若：壁厚/中面曲率半径0.1，称该壳体为薄壳，反之为厚壳。 为什么要区分厚、薄壳？ 薄壳常规设计，依据无力矩理论！简单，误差大！ 厚壳分析设计，依据有力矩理论！复杂，误差小！ 在应力分析中，假定：材料是连续、各向同性、变形为弹性小变形、壳壁各层纤维在变形过程及变形后互相不挤压（？）。,考研同学注意此假定！,2.1.2 薄壁圆筒的应力分析 分析方法：单元体平衡法 环向应力和经向应力 问题：环向应力和经向应力的

10、作用效果？,水平方向力平衡关系（采用截面法）：,提示：区域平衡方程！ 说明：截面法并不都可用！单元体平衡法更具普遍性！ 扩展：还原论,水平方向的力平衡式：,提示1：厚度设为1 提示2：总体平衡，则其部分必处于平衡状态。,单元体平衡法：由局部微元的平衡关系推导出整体 的平衡关系。 提示：微分 积分 一般方法： 取有代表性微元 （关键！） 建立力平衡关系 （一般为微分方程） 解微分方程得到定解 （一般需考虑边界条件） 提示：轴对称回转薄壳的应力求解非常简单！ 问题：如何取有代表性微元 ？,2.1.3 回转薄壳的几何要素 第一曲率半径R1、第二曲率半径R2,2.1.4 无力矩理论和有力矩理论,壳体内

11、力分析,无力矩理论 （薄膜理论）,有力矩理论 （弯曲理论）,薄膜力,横向剪力,弯矩、扭矩,十个内力分量,内力,10个,无力矩理论都是围绕中面展开的，因壁很薄，中面上的变形和应力可代表薄壳的变形和应力！,对于承受轴对称载荷的壳体中面受力？,有力矩理论更合理，也更复杂！,设想：如果可以用简单的无力矩理论进行压力容器的设计，且 误差又不大！ 回转薄壳！,2.1.5 无力矩理论的基本方程 采用微元体平衡法导出,注意：以下为无力矩力学理论！,建立作用在微元体上的内力与外载荷之间的平衡关系 最后得： 拉普拉斯方程 注意： P与壳体表面垂直的压力 问题1：公式中各物理量的单位？ 问题2：一个公式中有两个未知

12、量，如何解？ 提示1：记住公式！明确其中物理量！ 提示2：考研者需学会推导！,区域平衡方程应力求解的重要途径！,一般用来求经向应力，在回转轴方向建立力平衡方程。,气体压力在回转轴方向合力： 环带： 内力在回转轴方向合力： 区域平衡方程：,例：圆柱薄壳的区域平衡方程：,结合拉普拉斯方程得：,与之前的推导相同！,提示：环向应力也可由拉普拉斯方程直接得到！,例：承受气压球壳M点经向应力。 得经向应力： 结合拉普拉斯方程得：,2.1.6 无力矩理论的应用 承受气体内压的回转薄壳：,左侧公式为通用公式！通用的范围？,提示：考研必考内容！,问题：载荷不止气压时，怎么办？,a.球形壳体,b.圆柱壳体,提示：

13、记住公式，分析特点！,问题：球形壳体的优点？缺点？,扩展问题：工业实践中，很少使用半球形封头，理由？,扩展问题：工业实践中，很少使用球形容器，理由？,C、锥形壳体,截面是什么形状？,过A点截面与OA子线垂直！,A点的两相应力计算公式？有何特点？,半锥角等于90度时？ 半锥角等于0度时？,O点的应力？,原因？,D、椭球形壳体,情况要复杂一些，但仍然按拉普拉斯方程和区域平衡方程求解！,几个问题： 1. a/b 的不同比值与两向薄膜应力之间的关系； 2. a/b比值为1时，对应球形薄壳； 3. a/b比值为2时，对应标准椭球薄壳，其一半为标准半椭球封头，为应用最广泛的封头（？）。,E、储存液体的回转

14、薄壳,由拉普拉斯方程得：,由A点以上部分的区域平衡方程得：,问题：如果支座在容器的中部，支座上方、下方的应力如何推导？,仅受自重作用时的应力 由拉普拉斯方程得： 由区域平衡方程得： 为A点以上部分壳体的重量。,x,如果支座不再底部，其上方、下方的两向应力？,回转薄壳圆柱、圆锥、球壳 在以下情况时的两向薄膜应力如何推导？ 仅受自重作用 仅受气压作用 仅受液体静压作用 气压和液体静压共同作用 方法都一样！ 拉普拉斯方程 区域平衡方程求经向应力,考研特别注意！,E .球形壳体 应力在支座支承处有突变，说明什么？,支座处弯曲内力很大！无力矩理论计算结果误差大！,图片,无力矩理论的应用条件,壳体的厚度、

15、中面曲率和载荷连续，没有突变，且构成壳体的材料的物理性能相同。 壳体的边界处不受集中力、且不受变形限制。 客观地说，实际的压力容器都不能使用无力矩理论，但对于大部分的薄壁容器，由无力矩理论得到的结果与真实情况之间的偏差并不大，完全可以满足工程界的要求。如果上述条件得不到满足，则无力矩理论不适用。,核心：变形不协调！,2.1.7 回转薄壳的不连续分析,a. 不连续和不连续分析 几何形态不连续、或数学不连续、或载荷突 变，由此造成应力突变或出现大应力状况。 由于不连续情况的存在，在此区域内出现了各 部分变形不协调的情况，造成过大的应力，导致设 备在局部破坏，最终造成设备失效。 分析不连续应力的方法

16、称为不连续分析。,核心：变形不协调！,几何形态不连续,问题：图中，几个地方存在几何形状突变？,材料不连续,核心：变形不协调！,2、 按形状分 圆筒，球形，矩形； 3、 按材料分 金属材料，非金属材料 4、 按壁厚分 薄壁容器（Ro/Ri=1.2） 5、 按作用原理分 反应器（R），换热器（E）， 分离器（S），储存容器（C，B）,反应器（R）：完成介质物理化学反应的压力容器。如反应器，反应釜，分解锅，硫化罐，分解塔，聚合釜，高压釜，合成塔 换热器（E）：用于完成介质的热量交换的压力容器，如余热锅炉，热交换器，消毒罐，染色器，烘缸，预热锅，蒸汽发生器，煤气发生炉的水夹套，冷凝器等 分离器（S）：用于介