机械设备基础第十章容器设计基础

第十章容器设计基础第一节概论一、容器的结构壳体(筒体)、封头(端盖)、法兰、支座、接口管及人孔等组成。常低压化工设备通用零部件标准直接选用。二、容器的分类压力容器分类按容器的形状按承压性质按管理其它按容器壁温按金属材料按应用情况按容器的形状按容器形状分类名称特点方形\矩形容器平板焊成，制造简便，但承压能力差，只用作小型常压贮槽球形容器弓形板拼焊，承压好，安装内件不便，制造稍难,多用作贮罐圆筒形容器筒体和凸形或平板封头。制造容易，安装内件方便，承压较好，应用最广按承压性质内压容器：内部介质压力大于外界压力外压容器：内部介质压力小于外界压力真空容器：内部压力小于一个绝压的外压容器表10-1内压容器的分类容器分类设计压力p（MPa）低压容器0.1≤p＜1.6中压容器1.6≤p＜10高压容器10≤p＜100超高压容器p≥100按管理表10-2安全检查规程使用范围项目条件最高工作压力pwpw≥0.1MPa，不包括液体静压内径Di，容积VDi≥0.15m且V≥0.025m3介质气体、液化气体或最高工作温度高于等于标准沸点的液体根据压力等级、介质毒性危害程度以及生产中的作用，压力容器可分为三类。第一类压力容器第二类压力容器第三类压力容器不包括核能、船舶专用、直接受火焰加热容器表10-3毒性危害程度分级指标分级Ⅰ极度危害Ⅱ高度危害Ⅲ中毒危害Ⅳ轻度危害急性中毒吸入＜200mg/m3200~mg/m32000mg/m3~＞20000mg/m3经皮＜100100~500~＞2500经口＜2525~500~＞5000急性中毒易中毒后果严重可中毒，愈后良好偶可中毒无中毒但有影响慢性中毒患病率高较高偶有发生有影响慢性中毒后果继续进展不能治愈可基本治愈可恢复无严重后果可恢复无不良后果致癌性人体致癌可疑致癌动物致癌无致癌性最高容许浓度＜0.10.1-1.0-＞10常见化学介质光气、汞、氰化氢甲醛,苯胺、氟化氢、二氧化硫,硫化氢,氨名称说明三类容器（1）高压容器；（2）毒性程度为极度和高度危害介质的中压容器；（3）中度危害介质，且pV大于等于10MPa·m3中压储存容器；（4）中度危害介质，且pV大于等于0.5MPa·m3中压反应容器；（5）毒性程度为极度和高度危害介质，且pV乘积≥0.2MPa·m3的低压容器；（6）高压、中压管壳式余热锅炉；（7）中压搪玻璃压力容器；（8）使用强度级别较高的材料制造的压力容器；（9）移动式压力容器，铁路罐车、罐式汽车和罐式集装箱等；（10）容积大于等于50m3的球形储罐；（11）容积大于5m3的低温液体储存容器。二类容器（1）中压容器；（2）毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器；（3）易燃介质或毒性程度为中度危害介质的低压反应容器和低压储存容器；（4）低压管壳式余热锅炉；（5）低压搪玻璃压力容器。一类容器不在第三、第二类压力容器之内的低压容器为第一类压力容器。按容器壁温常温容器：壁温-20℃至200℃；高温容器：壁温达到蠕变温度,碳素钢或低合金钢容器，温度超过420℃，合金钢超过450℃，奥氏体不锈钢超过550℃，均属高温容器；中温容器：在常温和高温之间；低温容器：壁温低于-20℃,-20℃至-40℃为浅冷容器，低于-40℃者为深冷容器。按材料金属容器:钢制,铸铁,有色金属容器非金属材料：既可作为容器的衬里，又可作为独立的构件。应用最多是低碳钢和普通低合金钢，腐蚀严重或产品纯度要求高用不锈钢、不锈复合钢板、铝板及钛材。在深冷操作中，可用铜或铜合金；常用非金属材料的有：硬聚氯乙烯、玻璃钢、不透性石墨、化工搪瓷、化工陶瓷及砖、板、橡胶衬里等。按应用情况反应压力容器（Ｒ）完成物理、化学反应，如反应器、反应釜、分解锅、聚合釜、变换炉等；换热压力容器（Ｅ）热量交换，如热交换器、管壳式余热锅炉、冷却器、冷凝器、蒸发器等；分离压力容器（Ｓ）流体压力平衡缓冲和气体净化分离，如分离器、过滤器、缓冲器、吸收塔、干燥塔等；储存压力容器（Ｃ，球罐为Ｂ）储存、盛装气体、液体、液化气体等介质，如各种形式的贮罐、贮槽、高位槽、计量槽、槽车等。三、容器的零部件标准容器的零部件(例如封头、法兰、支座、人孔、手孔、视镜、液面计等)标准化、系列化，许多化工设备(例如贮槽、换热器、搪玻璃与陶瓷反应器)也有了相应的标准。两个基本参数：公称直径DN：指标准化以后的标准直径，以DN表示，单位mm，例如内径1200mm的容器的公称直径标记为DN1200。公称压力PN：容器及管道的操作压力经标准化以后的标准压力称为公称压力，以PN表示，单位MPa。㈠公称直径1.压力容器的公称直径钢板卷焊公称直径是内径。300(350)400(450)500(550)600(650)700(750)8009001000(1100)1200(1300)1400(1500)1600(1700)1800(1900)2000(2100)2200(2300)24002500260028003000320034003500360038004000420044004500460048005000520054005500560058006000容器直径较小，可直接用无缝钢管制作。公称直径指钢管外径。159219273325377426表10-5无缝钢管制作筒体时容器的公称直径（mm）设计时，应将工艺计算初步确定的设备内径，调整为符合表10-4或表10-5所规定的公称直径。封头的公称直径与筒体一致。2.管子的公称直径也称公称口径、公称通径。有缝管：电焊钢管，化工厂用来输送水、煤气、空气、油以及取暖用蒸汽等流体管道。无缝管：分热轧管和冷拔管两种。如输送流体用无缝钢管(GB8163-87)、石油裂化用无缝钢管(GB9948-88)、化肥设备用高压无缝钢管（GB647986)等。有缝管的公称直径：公称直径近似普通钢管内径的名义尺寸。公制mm，英制in，见表10-6。公称直径15mm或1/2英寸，外径21.3mm，壁厚2.75mm（普通）3.25mm（加厚）每一公称直径对应一外径，其内径数值随厚度不同而不同。有缝管按厚度可分为薄壁钢管、普通钢管和加厚钢管。管路附件也用公称直径表示，意义相同。无缝钢管的公称尺寸：分热轧管和冷拔管。无缝钢管不用公称直径而是以外径乘厚度表示。为公称外径与公称厚度。在管道工程中，管径超过57mm时，常采用热轧管。管径在57mm以内常选用冷拔管。冷拔管的最大外径为200mm；热轧管的最大外径为630mm。3.容器零部件的公称直径法兰、支座等公称直径是相配的筒体、封头的公称直径。DN2000法兰，DN2000鞍座还有一些零部件的公称直径是与它相配的管子公称直径DN200管法兰另有一些容器零部件公称直径是指结构中某一重要尺寸，DN80(Dg80)视镜是指窥视孔的直径为80mm。㈡公称压力工作压力不同，相同公称直径的压力容器其筒体及其零部件的尺寸也不同。将承受的压力范围分为若干个标准压力等级，即公称压力。表10-7压力容器法兰与管法兰的公称压力压力容器法兰0.250.61.01.62.54.06.4管法兰0.250.61.01.62.54.05.0101525设计时如果选用标准零部件，必须将操作温度下的最高操作压力(或设计压力)调整为所规定的某一公称压力等级(调整方法见第五节)，然后根据DN与PN选定该零部件的尺寸。如果零件不选用标准零部件，而是自行设计，设计压力就不必符合规定的公称压力。四、压力容器的标准简介压力容器标准是全面总结压力容器生产、设计、安全等方面的经验，不断纳入新科技成果而产生的。它是压力容器设计、制造、验收等必须遵循的准则。压力容器标准涉及设计方法、选材及制造、检验方法等。㈠国内标准1989我国压力容器标准化技术委员会制订了GB150-89《钢制压力容器》1998年修订成GB150-1998，使标准更加完善。GB150《钢制压力容器》内容包括：压力容器板壳元件计算容器结构要素的确定密封设计超压泄放装置的设置容器的制造与验收的要求等㈡国外主要规范国外的规范主要有四个：美国ASME规范，英国压力容器规范（BS），日本国家标准（JIS），德国压力容器规范（AD）。1．美国ASME规范美国机械工程师协会（ASME）制定的《锅炉及压力容器规范》。美国国家标准该规范规模庞大、内容完善，仅依靠其本身即可完成选材、设计、制造、检验、试验、安装及运行等全部工作环节。与压力容器密切相关有：第Ⅱ卷材料技术条件、第Ⅴ卷无损检验、第Ⅷ卷压力容器及第Ⅸ卷焊接及钎焊评定。每年增补一次，每三年出一新版，技术先进，修订及时，能迅速反映世界压力容器科技发展的最新成就，为世界上影响最大的一部规范。2．英国压力容器规范（BS）BS5500《非直接火熔焊压力容器》是由英国标准协会（BSI）负责制定。由两部规范合并而成：一部相当于ASME第Ⅷ卷第一册的BS1500《一般用途的熔融焊压力容器标准》，另一部是近似于德国AD规范的BS1515《化工及石油工业中应用的熔融焊压力容器标准》。3.日本国家标准（JIS）于80年代初制定了两部基础标准，一部是参照ASME第Ⅷ卷第1册制定的JISB8243《压力容器的构造》，另一部是参照ASME第Ⅷ卷第2册制定的JISB8250《特定压力容器的构造》。此外，还有与压力容器相关的标准JISB8240《冷冻压力容器》、JISB8241《无缝钢制气瓶》及JISB8242《圆筒形液化石油气贮罐（卧式）构造》等。4.德国压力容器规范（AD）AD压力容器规范是由七个部门编制的：职工联合会、锅炉压力容器管道联合会、化学工业联合会、冶金联合会、机械制造者协会、大锅炉企业主技术协会及技术监督会联合会（VDTUV）。AD规范在技术上有许多独特的观点，它在世界上也是具有广泛影响的规范。AD规范与ASME规范相比，特点：①AD规范只对材料屈服极限取安全系数，且取数较小。因此产品厚度薄、重量轻；②AD规范允许用较高强度级别的钢材；③在制造要求方面，AD规范没有ASME详尽，这样可使制造厂具有较大的灵活性，易于发挥各厂的技术特长和创新。一、薄壁容器设计的理论基础㈠薄壁容器根据容器外径DO与内径Di的比值K来判断，iiiiDDDDDK2120当K≤1.2为薄壁容器K＞1.2则为厚壁容器第二节内压薄壁容器设计㈡圆筒形薄壁容器承受内压时的应力只有拉应力无弯曲“环向纤维”和“纵向纤维”受到拉力。σ1（或σ轴）圆筒母线方向(即轴向)拉应力，σ2（或σ环）圆周方向的拉应力。㈢圆筒的应力计算1.轴向应力D-筒体平均直径，亦称中径，mm404112pDDDp2.环向应力20222pDlpDl分析：（1）薄壁圆筒受内压环向应力是轴向应力两倍。问题a：筒体上开椭圆孔，如何开?2/24/pDpD应使其短轴与筒体的轴线平行，以尽量减少开孔对纵截面的削弱程度，使环向应力不致增加很多。（2）分析式(10-1)和(10-2)也可知，2/24/pDpDDp/2/内压筒壁的应力和δ/D成反比，δ/D值的大小体现着圆筒承压能力的高低。因此，分析一个设备能耐多大压力，不能只看厚度的绝对值。二、无力矩理论基本方程式㈠基本概念与基本假设1．基本概念（1）旋转壳体：壳体中面（等分壳体厚度）是任意直线或平面曲线作母线，绕其同平面内的轴线旋转一周而成的旋转曲面。（2）轴对称壳体的几何形状、约束条件和所受外力都是对称于某一轴。化工用的压力容器通常是轴对称问题。（3）旋转壳体的几何概念母线与经线法线、平行圆第一曲率半径R1：经线曲率半径第二曲率半径R2：垂直于经线的平面与中面相割形成的曲线BE的曲率半径n2．基本假设假定壳体材料有连续性、均匀性和各向同性，即壳体是完全弹性的。(1)小位移假设各点位移都远小于厚度。可用变形前尺寸代替变形后尺寸。变形分析中高阶微量可忽略。(2)直线法假设变形前垂直于中面直线段，变形后仍是直线并垂直于变形后的中面。变形前后法向线段长度不变。沿厚度各点法向位