过程装备机械设计基础—-压力容器

•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封头下封头南京扬子石化公司1000m3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）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）0.1MPa≤p1.6MPa中压容器（M）1.6MPa≤p10MPa高压容器（H）10MPa≤p100MPa超高压容器（U）p≥100MPa2）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、pv≥10MPa.m³•中压反应容器且介质为易燃或中等毒性、pv≥0.5MPa.m³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、pv≥0.2MPa.m³•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50m³的球形容器•容积大于5m³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（AmericansocietyofMachineryengineering)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（DesignbyRules)第二册为分析设计规范（DesignbyAnalysis）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！•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！2压力容器应力分析2.1回转薄壳的应力分析2.2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？2压力容器应力分析问题：压力容器失效的后果？导致压力容器失效的最根本原因是什么呢？2.1回转薄壳的应力分析2.1.1回转薄壳的概念回转壳的特点：母线以回转轴为中心旋转而得，故为对称壳体。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作用效果？水平方向力平衡关系（采用截面法）：DtpD24tpD4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：202sin2tdpRi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。tpD2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R22.1.4无力矩理论和有力矩理论壳体内力分析无力矩理论（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有力矩理论或弯曲理论（静不定）无力矩理论或薄膜理论（静定）10个薄膜内力NNNN＝、、由中面的拉伸、压缩、剪切变形而产生4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！弯曲内力QQ、扭矩横向剪力MM、MM、由中面的曲率、扭矩变形而产生6个弯矩对于承受轴对称载荷的壳体中面受力？薄膜内力N、N2个弯曲内力Q横向剪力MM、3个弯矩有力矩理论更合理，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！tpRR21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：mrrpdrV02cos2rpdldVdldrcosmrrpdrV02cos2`trVm`VV例：圆柱薄壳的区域平衡方程：DtpD24tpD4tpD2结合拉普拉斯方程得：tpD4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：mrrpdrV02prm2mrrpdrV02sin2`trVmtpR2tpR2sinRrm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？tpR2tpR2tpRa.球形壳体b.圆柱壳体提示：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prV2截面是什么形状？过A点截面与OA子线垂直！cos2`rtV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、储存液体的回转薄壳gxpp0tRgxp0tRgxp)(0由拉普拉斯方程得：由A点以上部分的区域平衡方程得：022pRRttRp20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。tRgxp)(0xGRt20G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、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）厚壁容器（Ro/Ri1.2）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