3内压容器设计基础

第三章内压容器设计基础2.1概述设备都有一个外部壳体，称为容器。由几种不同几何形状的壳体组成一个密闭体。一.容器组成(见右图)1.筒体：一般为圆柱形.2.封头：常用的有椭圆形、半球形、锥形等，密闭作用通常与筒体焊接.3.支座：支撑固定作用，主要型式：、卧式容器支撑式、悬挂式。4.接口管管道接口：主物料管道、辅助物料管道(空气、水、蒸汽)。仪表接口：温度计、压力表、安全阀、液位计、溶氧、pH值等。5.人孔(手孔)：为了便于清洗和维修,一般安装在容器(设备)顶部。竖式安装的大型容器(设备)还应在筒体底部安装人孔.多为椭圆形（Φ400-450×300）或圆形。6.视镜用于观察容器内的情况。一般是对称（两个）安装在容器（设备）顶部或体的中部。二.容器分类1.按压力承受方式分：外压容器：容器内部的工作压力小于外界压力(主要承受外压)。如具有夹套加热的容器(设备)、在真空条件下操作的容器(设备)。内压容器：容器内部的工作压力大于外界压力(主要承受内压)。这类容器(设备)在工业上较普遍应用。如发酵罐等。2.按承受压力大小分：常压容器一般指承受介质内压为0.1MPa(lkgf/cm2)以下的容器；低压容器：容器内压在0.1-1.6MPa范围内；中压容器，容器内压在1.6-10MPa范围内；高压容器，容器内压在10-100MPa范围内；超高压容器：容器内压100MPa以上。3.按设计方法不同（器壁厚度）来分：薄壁容器：容器外径Do内径Di之比不大于1.2，即K=Do/Di≤1.2或S/Di≤0.1(S为容器壁厚)。厚壁容器：容器外径Do内径Di之比大于1.2，即K=Do/Di1.2或S/Di0.1(S为容器壁厚)。一般中低压容器属于薄壁容器范围.4.容器的其它分类方法按容器的材料：分为金属和非金属容器。按容器的形状：分为矩形，圆形，球形，圆锥形容器等。按容器的安装方式：分为立式，卧式容器。5.压力容器综合分类根据容器承受压力的高低、压力与容积的乘积PV、介质的性质、用途等综合分类(不包括核能容器，船舶上的专用容器和直接受火加热的容器)。综合分类根据《压力容器安全监察规程》分为三类。一类容器：属下列情况之一者为一类容器1.非易燃或无毒介质的低压容器。2.易燃或有毒介质的低压分离器外壳及热交换器的外壳。二类容器：属下列情况之一者为二类容器1.中压容器。2.剧毒介质的低压容器。3.易燃或有毒介质的低压反应容器和贮运容器。4.内径小于1米的低压废热锅炉。三类容器：属于下列情况之一者为三类容器1.高压，超高压容器。2.剧毒介质且最高工作压力与容积之乘积PV＞200LMPa(PV＞2000Lkgf/cm2)的低压容器或剧毒介质的中压容器。3.易燃或有毒介且PV＞500LMPa(PV＞5000Lkgf/cm2)的中压贮运容器。4.中压废热锅炉或内径大于1米的低压废热锅炉。剧毒介质：是指进入人体量＜50克即会引起肌体严重损伤或致死作用的介质。如氟，氢氟酸，氢氰酸，氟化氢，光气等。有毒介质：是指进入人体量≥50克即会引起人体正常功能损伤的介质。如二氧化硫，氨，一氧化碳，氯乙烯，甲醇，二氧化碳，乙炔，硫化氢等。易燃介质：指与空气混合的爆炸下限＜10％或爆炸上限和下限之差值＞20％的气体。如甲烷，丙烷，丙烯，丁烷，丁二烯，丁烯，氢，氯甲烷，乙烷，乙烯，环氧乙烷等。2.2内压薄壁容器设计计算在设计受压容器时，其容器的几何形状，结构，尺寸主要是满足工艺要求，而作为设备的强度尺寸(壳体壁厚)，则主要是在工艺给定的压力下，保证其安全生产和可靠运行，而不致于发生破坏。一.内压圆筒体设计计算1.筒体受力拉应力——轴向应力、环向应力。弯曲应力——数值与轴向应力、环向应力相比很小，设计时可略去不计。因此，设计内压薄壁容器时，可以认为筒体上只存在拉应力，且均匀分布在纵、横截面上。2.筒体应力计算轴向应力σzσz=P*D/4So式中P-圆筒内压力，kgf/cm2；D-圆筒平均直径，cm；So-壁厚，cm。环(周)向应力σtσt=P*D/2So因此，σt=2σz可以得出结论：σzσt↓↓↓↓a.圆筒形容器危险截面是纵截面，纵向强度较弱，要确保纵向焊缝的质量；b.在圆筒体上开椭圆形人孔时，应使其短轴与筒体轴向一致；c.筒体纵向和横向焊缝不交叉。3.内压筒体强度设计1).强度设计的基本知识关于弹性失效准则:设计压力容器时，确定器壁内允许应力的限度，即容器判废标准有不同的理论依据。依据这一理论，容器上某处的最大应力达到材料在该温度下的屈服限σs，容器即告破坏(这里所讲的“破坏”并不完全指容器破裂，而是泛指容器失去正常的工作能力，即工程上所说的‘失效”)。也就是说，容器的每一部分必须处于弹性变形范围内，保证器壁内的相当应力必须小于材料由单向拉伸时测得的屈服极限σs，即σ当≤σs。为了保证结构安全可靠地工作，必须留有一定的安全裕度，使结构中的最大工作应力与材料的许用应力间，满足一定的关系。这就是强度安全条件，即σ当≤[σ]。2).理论基础：第一强度理论从实验的性质来看，适合于脆性材料，第三，四强度理论适用于塑性材料，而第二强度理论与实际相差很大，目前已很少采用。压力容器都是采用塑性材料制造的，应该采用第三和第四强度理论，但由于多年来沿用第一强度理论使用经验丰富，业已习惯，且因计算结果与第三强度理论相同，工程上也常采用第一强度理论，我国“钢制石油化工压力容器设计规定”中也采用第一强度理论来建立强度计算公式。第一强度理论，最大主应力不超过容器材料的许用应力，即σ≤［σ］；σ=P*D/2So≤［σ］3).理论计算公式So=P*D/2［σ］式中P-设计压力，kgf/cm2；D-平均直径，cm；［σ］-设计温度下材料许用应力，kgf/cm2；So-壁厚，cm。4).理论计算公式校正a.D→Di为了计算方便把D用Di来表示。则有D＝Di+Sob.焊缝的影响考虑到一般直径较小的容器(D在500mm以下),可采用无缝钢管，其余多数情况是由各种不同的钢板卷焊而成。由于不管采用什么样的焊接形式，都有一个局部热影响区。都有一定程度的夹渣，气孔，末焊透和冷缩后出现一些不同程度的裂纹。虽然焊接后采用了各种手段进行了不同程度的无损检验(而检验的目的是按一定的检验标准把这些削弱强度的因素控制在一定的范围)。这样由于焊接使得金属母体的强度在一定程度上有所降低。为了补足这一点，引入了焊缝系数Ф。一般取Ф＜1。即［σ］→［σ］·Фc.设计温度化工设备一般都在有一定的温度的场合下使用，而要使公式适用，必须考虑一般材料的许用应力随着温度的变化而变化。故[σ]采用设计温度下的许用应力[σ]t来表示。即［σ］·Ф→[σ]t·Фd.壁厚附加量C在实际工程设计中，按理论计算公式得到的容器壁厚S。仅能满足强度计算的要求，还没有考虑到：(1)介质对材料的腐蚀作用(C1)；(2)钢板在轧制过程中不可避免地出现负偏差(C2)；(3)容器在加工制造过程中钢板可能会减薄(C3)等。为了补足这些金属损耗，又引入壁厚附加量C(C=C1+C2+C3)。因此，我国《钢制石油化工压力容器设计规定》规定了一般压力容器强度计算公式。4).压力容器强度计算公式S=P·Di/(2[σ]t·Ф―P)+C式中S-容器钢板厚度（壁厚），cm；[σ]t-设计温度下材料的许用应力，kgf/cm2；Ф-焊缝系数；Di-容器内径，cm；C-壁厚附加量，cm。强度校核：σ=P(Di+S+C)/2(S―C)当容器（设备）使用一段时间后，按规定需对筒体壁厚进行校核。若σ≤[σ]t·Ф，则容器(设备)可继续使用；若σ≥[σ]t·Ф，则需对容器最薄处补强后，才能使用。二.内压球形壳体(容器)强度设计设计公式S=P·Di/(4[σ]t·Ф―P)+C式中S-容器钢板厚度（壁厚），cm；[σ]t-设计温度下材料许用应力，kgf/cm2；Ф-焊缝系数；Di-容器内径，cm；C-壁厚附加量，cm。两类容器比较：a.壁厚－－球形容器制造材料用量少；b.表面积－－球形容器占地少，基础工程费用少，防护剂用量少，保温层用量少，因此，广泛用作贮罐（如石油液化气、乙烯、氨、氧气等）。直径在3000mm以下的容器多采用圆筒形。若采用球形容器由于直径小，壁厚很薄，不易壳体成型和焊接，制造费用也较高。三.设计公式中各参数确定1.设计压力设计压力是指在相应设计温度下用以确定容器器壁的厚度及元件尺寸的表压力，一般取略高于或等于容器的最高工作压力。所谓容器的最高工作压力，是指容器顶部(安全泄放装置一般装于顶部)在操作过程中可能产生的最高表压力。如果容器内的工作介质是液体，在计算容器各不同截面的壁厚及元件尺寸时，该截面处所受液柱静压力应计入设计压力中。对于一般容器，当液体压力超过工作压力的5％时则计入液体静压。设计时，一般设计压力稍高于工作压力(这主要考虑到设备中的安全装置泄压情况和安全阀的误差，以免造成安全装置不必要的泄放)。具体确定如下：a.当容器装有安全阀时，取安全阀起跳压力(一般取工作压力的1.05-1.1倍)作为设计压力。安全阀结构见图。单个容器装有平衡型安全阀时取1.1倍；单个容器装有弹簧型安全阀时取1.05倍。最高工作压力≤4MPa取1.1倍，最高工作压力4MPa取1.05倍。单个容器不装安全阀时(低压)，设计压力取稍高于最高工作压力。安全阀b.当容器内装有爆炸性介质，一般都采用防爆膜。根据爆炸的瞬时压力、气相容积和防爆膜的防爆面积等因素，一般要考虑5％的误差。还要注意到，由于防爆膜一般工作压力较高，应尽量避免由蠕变和疲劳而引起过早的破坏和泄放。根据长期使用经验，一般取工作压力的1.15-1.3倍。防爆膜c.当操作压力由于化学反应比较强烈等原因而波动较大，压力有突然上升的可能，按其压力升高的速度快慢取最高工作压力的1.15-1.4倍，该容器必须装上防爆膜。d.对装有液化气体的容器，选取最高温度下的相应的饱和蒸汽压作为设计压力。此种容器若无温度调节装置时，在地面仅受地温影响，可取40℃时介质的饱和蒸气压作为设计压力。若埋在地下，则取30℃时的饱和蒸汽压。2.设计温度设计温度是指容器在操作过程中在相应的设计压力下，壳体或元件金属可能达到的最高或最低(指－20℃以下)温度。是选择材料及确定许用应力时的一个基本设计参数。容器的壁温可由实测或化工操作传热过程计算来确定。当无法预计壁温时，可参照以下情况来确定。a.装有不被加热或冷却的介质的容器，其器壁温度一般取介质本身的温度。b.用水蒸汽，热水或其它液体加热或冷冻的容器，器壁温度取加热介质或冷冻介质的温度。c.用可燃气体或电加热的器壁，有衬砌层或一侧裸露在大气中，其器壁温度为被加热介质温度加上20℃，且不低于250℃．d.直接用可燃气体或电加热的器壁，壁温取被加热介质的温度加上50℃，且不低于250℃；当载热体温度等于或高于600℃时，器壁温度取被加热介质温度加上100℃．且不低于250℃。3.许用应力[σ]t设计温度下所选材料的许用应力，是一个很重要的参数。确定方法有两种：计算法和查表法。计算法：[σ]t=σ/n式中σ-材料的极限应力n-安全系数查表法：确定所选材料和设计温度，查阅相应许用应力表。内压容器设计基础4.焊缝系数Ф焊接容器的焊缝区是容器上强度比较薄弱的地方。焊缝区强度降低的原因在于焊接焊缝时可能出现缺陷而末被发现，焊接热影响区往往形成粗大晶粒区而使强度和塑性降低。由于结构刚性约束造成焊缝内应力过大等，焊缝区的强度主要决定于熔焊金属，焊缝结构和施焊质量。选取焊缝系数的大小主要根据焊接接头的形式和焊缝的检验程度(保证的焊接质量)而定。可按表选取。5.壁厚附加量C容器壁厚附加量主要考虑钢板或钢管的负偏差C1，介质的腐蚀程度C2和制造过程中的减薄量C3，即C=C1+C2+C3。内压容器设计基础a.钢板和钢管的负偏差C1一般情况下C1可按表选取。当实际钢板厚度负偏差小于计算厚度的6％且少于0