第3章水工艺设备理论基础

第3章水工艺设备理论基础3.1.1概述压力容器基本组成压力容器=内件+外壳外壳一般包括筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座和安全附件，其功能是提供能承受一定温度和压力的密闭空间。水工艺中使用的容器壁厚与直径之比一般小于10，称作薄壁容器压力容器基本组成筒体作用：提供工艺所需的承压空间，是压力容器最主要的受压元件之一，其内直径和容积往往需由工艺计算确定。需根据筒体的直径、长度和壁厚，确定结构形式。直径较大时，筒体可用钢板在卷板机上卷成圆筒或用钢板在水压机上压制成两个半圆筒，再用焊缝将两者焊接在一起，形成整圆筒。焊缝的方向和圆筒的纵向，即轴向平行，因此称为纵向焊缝，简称纵焊缝。筒体直径较小（一般小于500mm时），可用无缝钢管制作，此时筒体上没有纵焊缝。当容器较长时，由于钢板幅面尺寸的限制，需要先用钢板卷焊成若干段筒体（某一段筒体称为一个筒节），再由两个或两个以上筒节组焊成所需长度的筒体。筒节与筒节之间、筒体与端部封头之间的连接焊缝，由于其方向与筒体轴向垂直，因此称为环向焊缝，简称环焊缝。长度较短的容器可直接在一个圆筒的两端连接封头，构成一个封闭的压力空间，也就制成了一台压力容器外壳。圆柱形筒体按其结构可分为：单层式:筒体的器壁在厚度方向是由一整体材料所构成，即器壁只有一层（为防止内部介质腐蚀，衬上的防腐层不包括在内）。单层筒体按制造方式又分为单层卷焊式、整体锻造式、锻焊式等几种。组合式:筒体的器壁在厚度方向是由两层或两层以上互不连续的材料构成。组合式筒体按结构和制造方式又可分为多层式和缠绕式两大类:封头根据几何形状的不同：–凸形封头：球形、球冠形、椭圆形、蝶形–锥壳–平盖容器不需开启时，可把封头和筒体焊接在一起，从而有效地保证密封，节省材料和减少加工制造的工作量。对于因检修或更换内件的原因而需要多次开启的容器，封头和筒体的连接应采用可拆式的，此时在封头和筒体之间就必须要有一个密封装置。球形封头椭圆封头球冠形封头平盖封头密封装置螺栓法兰连接（简称法兰连接）是一种应用最广的密封装置，它的作用是通过螺栓连接，并通过拧紧螺栓使密封元件压紧而保证密封。法兰按其所连接的部件分为容器法兰和管道法兰。开孔与接管：由于工艺要求和检修的需要，常在压力容器的筒体或封头上开设各种大小的孔或安装接管，如人孔、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。筒体或封头上开孔后，开孔部位的强度被削弱，并使该处的应力增大。这种削弱程度随开孔直径的增大而加大，因而容器应尽量减少开孔的数量，尤其要避免开大孔。对容器已开设的孔，还应进行开孔补强设计，以确保所需的强度。支座：压力容器靠支座支承并固定在基础上。随安装位置不同，圆筒形容器支座分:立式容器支座：腿式支座、支承式支座、耳式支座、裙式支座卧式容器支座安全附件安全附件：连锁装置、警报装置、计量装、泄放装置压力容器安全附件主要有：安全阀、爆破装置、紧急切断阀、安全联锁装置、压力表、液面计、测温仪表等压力容器零部件间的焊接各部件间的连接大多需要经过焊接，对焊接进行质量控制是整个容器质量保证体系中极为重要的一环。焊接结构设计涉及到接头的形式（如对接、搭接、角接），以及接头的坡口形式、几何尺寸等。3.1容器应力理论3.1.1.1容器的结构–筒体(又称筒身)、–封头(又称端盖)、–法兰、–支座、–进出管–人孔(或手孔)、–视镜等组成3.1.1.2容器的分类(1)按容器形状分为1)方形或矩形容器：由平板焊成，制造简单，便于布置和分格，但承压能力差，故只用于小型常压设备。2)球形容器由数块球瓣板拼焊而成，承压能力好且相同表面积时容器容积最大，但制作麻烦且不便于安置内部构件，故一般只用于承压的贮罐。3)圆筒形容器这种容器由圆柱形简体和各种形状的封头组成，制造较为容易，便于安装各种内部构件，而且承压性能较好，因此在水工艺中应用最为广泛。(2)按容器承压情况分为1)常压容器：这类容器仅仅承受容器内介质的静压力，一般不设上盖。2)内压容器当容器内部介质压力大于外界压力时称为内压容器。这类容器不仅承受容器内介质的静压力，还需承受介质工作压力。按介质工作压力的大小，内压容器可分为低压、中压和高压3)外压容器当容器内介质压力小于外界压力时，该容器称作外压容器。水工艺中用到的外压容器很少。外压容器设计时主要应考虑稳定问题。3.1.1.2容器的分类(3)按容器材料分为1)金属容器常用于容器制作的金属材料是低碳钢和普通低合金钢。当介质腐蚀性较大时可使用不锈钢、不锈复合钢板或铝制容器。·2)非金属容器常用于制作容器的非金属材料有聚氯乙烯、玻璃钢、陶瓷、木材、橡胶等。非金属材料可以独立制作容器，也可以作为容器的部分构件和衬里。(4)按容器内有无填料分为1)无填料容器各种贮槽、贮罐以及部分反应器如气浮器、活性污泥氧化器属于此类。2)填料容器很多容器，因为工艺的要求在容器内放置了各种不同的填料，如压滤器、吸附塔、离子交换柱等。这类容器和它里边放置的填料构成了填料容器。3.1.1.3容器设计的基本要求(1)工艺要求容器的总体尺寸、接口管的数目与位置、介质的工作压力，填料的种类、规格、厚度等一般是根据工艺生产的要求通过工艺设计计算及生产经验决定。(2)机械设计的要求1)强度强度是容器抵抗外力而不破坏的能力，容器需保证具有足够的强度。2)刚度刚度是容器抵抗外力使其不发生变形的能力。容器必须具有足够的刚度，以防止在外力作用下容器产生不允许的变形。3)稳定性稳定性是容器或容器构件在外力作用下维持其原有形状的能力。以防止在外力作用下容器被压瘪或出现折皱。4)严密性容器必须具有足够的严密性，特别是承压容器和贮存、处理有毒介质的容器应具有良好严密性。5)抗腐蚀性和抗冲刷性容器的材料及其构件和填充的填料要能有效的抵抗介质的腐蚀和水流的冲刷，以保持容器具有较长的使用年限。6)经济方面的要求在保证容器工艺要求和机械设计要求的基础上，应选择较为便宜的材料以降低制作成本。7)制作、安装、运输及维修均应方便3.1.2回转曲面与回转薄壳回转曲面：以一条直线或平面曲线作母线，绕其同平面的轴线(即回转轴)旋转一周就形成了回转曲面。以回转曲面作为中间面的壳体称作回转壳体。内外表面之间的法向距离称为壳体厚度。对于薄壳，常用中间面来代替壳体的几何特性。3.1.2回转曲面与回转薄壳回转薄壳：中间面是由一条平面曲线或直线绕同平面内的轴线回转而成。母线：绕轴线（回转轴）回转形成中面的平面曲线。极点：中间面与回转轴的交点。经线平面：通过回转轴的平面。经线：经线平面与中间面的交线。平行圆：垂直于回转轴的平面与中间面的交线称为平行圆。中间面法线：过中间面上的点且垂直于中间面的直线，法线必与回转轴相交3.1.2回转曲面与回转薄壳第一主曲率半径R1：经线上点的曲率半径。第二主曲率半径R2：垂直于经线的平面与中间面交线上点的曲率半径。等于考察点B到该点法线与回转轴交点K2之间长度（K2B）平行圆半径r：平行圆半径。纬线：平行圆就是回转曲面的纬线同一点的第一与第二主曲率半径都在该点的法线上。3.1.3回转薄壳的薄膜应力回转薄壳承受内压后，在经线方向和纬线方向都要产生伸长变形，所以，在经线方向将会产生经向应力σm，在纬线方向会产生环向应力σθ。由于轴对称，故同一纬线上各点的经向应力σm和环向应力σθ均相等。由于水工艺所涉及的壳体基本为薄壳，可以认为，σm、σθ在壳壁厚度上均匀分布经向薄膜及环向薄膜应力ρ1、ρ2：壳体第一、第二曲率半径，s1、s２-壳体的经向、周向应力，MPa；δ：壳体的厚度，mm；P：壳体所受介质的压力，MPa。3.1.4内压薄壁容器的应力1.圆筒形壳体圆筒壳的第一曲率半径ρ1=∞，第二曲率半径ρ2=D/2，壳体壁厚为δ，中间面直径为D，介质对壳体的内压力为P时，其经向薄膜应力与环向薄膜应力为：可以看出圆柱壳上的环向应力比经向应力大一倍。同时，可以看出圆柱壳的D/δ值越大，在一定的压力作用下所产生的应力越大。因此，决定圆柱壳承压能力大小是中径与壳体壁厚之比，而不是壁厚的绝对数值3.1.4.2球壳的薄膜应力球壳的母线为半径为R的半圆周，其壳体上的任一点的ρ1、ρ2均相等，且都等于球壳的中间面半径。球壳上各点的应力相等，而且σm和σθ也相等。球壳上的薄膜应力只有同直径同壁厚圆柱壳的环向应力的一半。3.1.4.3椭球壳水工程中常用椭球壳的一半作为容器的封头，它是由四分之一椭圆曲线绕回转轴Oy旋转而形成的。半椭球壳上各点的σm，σθ3.1.4.3椭球壳1.椭球壳上各点的应力是不等的，它与各点的坐标(x，y)有关。2.椭球壳上应力的大小及其分布情况与椭球的长轴与短轴之比a／b有关。a／b值增大时，椭球壳上的最大应力将增大，而当a／b＝1时，椭球壳即变为球壳3.水工艺设备用半个椭球做为容器的端盖时，为便于冲压制造和降低容器高度，封头的深度浅一些较好，但a／b的增大将导致应力的增大，故椭球封头的a／b不应超过2。4.当a／b2时，半椭球封头的最大膜应力产生于半椭球的顶点，即x＝0，y＝b处，其值为3.1.4.4锥形壳锥形壳一般用于容器的封头或变径段，锥形壳的薄膜应力P——介质的内压力；α——锥壳的半顶角；δ——锥壳的壁厚；r——计算点所在平行圆的半径，即该点距回转轴的距离3.1.4.4锥形壳随着半锥角的增大壳体的应力将变大，所以在承压容器中太大的锥角是不宜采用。锥形壳中最大应力产生于大端，其值分别为3.1.5压力容器的强度计算3.1.5.1压力容器与常压容器受劳动部颁发的《压力容器安全技术监察规程》(简称《容规》)管理的压力容器必须同时满足以下三个条件：1.最高工作压力pw≥0.1MPa(不含液体静压力)。2.容器内径D1≥150mm，且容积V≥25L。3.介质为气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体。在水工艺设备中，使用最多的是充满常温水的压力容器。严格地讲，这些容器不属于《容规》监察的压力容器。但是若水的压力较高，器壁也会产生较大的应力，这种容器的壁厚仍然与受《容规》监察的容器一样按强度计算确定。常压容器的壁厚一般按刚度及制造要求来确定。3.1.5.2内压圆筒壁厚的确定(1)理论计算壁厚和设计厚度中径为D，壁厚为δ的圆筒体，在承受介质的内压为p时，其经向薄膜应力和环向薄膜应力分别是3.1.5.2内压圆筒壁厚的确定环向薄膜应力是经向薄膜应力的两倍，若钢板在设计温度下的许用应力为[σ]按薄膜应力条件，考虑焊缝强度、内径等等3.1.5.2内压圆筒壁厚的确定若容器的设计使用寿命为n年，介质对容器壁的年腐蚀量为λmm／年，则在容器的使用过程中，器壁因腐蚀而减薄的总量称作腐蚀裕量，其值为C1＝nλ，腐蚀裕量应包括在容器的壁厚之中。计算厚度与腐蚀裕量之和称作设计厚度，用δd表示。δd=δ+C1(2)圆筒壁的名义厚度由于钢板的生产标准中规定了一定量的允许正、负偏差值，故钢板的实际厚度可能小于标注的名义厚度。故在容器壁的厚度应加上钢板的负偏差C2另外，计算得出的钢板厚度一般不会恰恰等于钢板的规格厚度，故需将计算厚度向上调整使其符合钢板的规格厚度，此调整值称为圆整值Δ，其值不应大于1至2mm。将钢板的设计厚度加上钢板的负偏差并向上圆整至钢板的规格厚度得出容器壁的名义厚度，用δn表示，即(3)圆筒的有效厚度负偏差C2可能在一开始就根本不存在，钢板的腐蚀裕量C1会随着容器使用而逐渐减小直至为零，而只有器壁的计算厚度δ和圆整值Δ在整个使用过程中一直存在，并起抵抗介质压力的作用。我们把δ和Δ之和称作容器壁的有效厚度δe即容器的设计压力P，钢板在设计温度下的许用应力[σ]、焊缝系数φ、钢板或钢管的负偏差C以及圆整值Δ均可按有关设计规范和设计手册选用。3.1.5.3容器壁的最小厚度δmin当容器的设计压力较低时，由强度计算确定的容器壁的厚度不能满足容器制造、运输和安装等方面的要求，因此对圆筒的最小壁厚作了规定，用δmin表示。应当注意的是，规定的最小厚度内并不包括腐蚀裕量C1。即器壁圆筒的名义厚度