化工设备第5讲

化工设备设计基础－第十章内压容器设计第十章内压容器设计内压容器设计的概念压力容器壳体构成：圆筒、球壳和封头（凸形、锥形与平板）。内压容器的设计内容：①确定壳体（圆筒、球壳和封头）壁厚；②壳体壁厚强度校核；③计算容器最大允许工作压力。内压容器的设计方法：壳体内的应力材料的许用应力强度条件设计计算①②③。内压容器的设计参数：设计压力，设计温度，许用应力，焊缝系数，壁厚附加量（钢板负偏差和腐蚀裕量），最小壁厚等。化工设备设计基础－第十章内压容器设计内压容器设计的理论依据薄膜应力理论第一强度理论压力容器的设计标准GB150《钢制压力容器》（现行1998版）化工设备设计基础－第十章内压容器设计§10.1内压圆筒的强度计算一、内压圆筒中的最大薄膜应力1.已知条件：设计计算压力pc，圆筒内径Di，壁厚δ2.圆筒中的最大薄膜应力：根据式（8-9）：二、材料的许用应力三、强度条件根据第一强度理论：，即(a)22icθmaxDppDttmaxtic2Dp化工设备设计基础－第十章内压容器设计四、强度计算1.壳体计算厚度δ由式（a）得到：(10-1)2.壳体壁厚强度校核(10-2)3.容器最大允许工作压力[pw](10-a)ctic2pDpteeicmax2Dpeietw2Dp化工设备设计基础－第十章内压容器设计五、公式(10-1)和(10-2)的适用范围(10-b)上式相当于圆筒外径与内径之比K≤1.5。tc4.0p化工设备设计基础－第十章内压容器设计六、压力容器设计几种厚度的定义1.计算厚度δ：强度计算得到的厚度。2.设计厚度δd：计算厚度加上腐蚀裕量。3.名义厚度δn：设计厚度加上钢板负偏差向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度。4.有效厚度δe：能起强度作用的厚度，等于名义厚度减去腐蚀裕量和钢材厚度负偏差。5.毛坯厚度：名义厚度加上壁厚加工减薄量。化工设备设计基础－第十章内压容器设计§10.2内压球壳的强度计算一、内压球壳中的最大薄膜应力1.已知条件：设计压力pc，球壳内径Di，壁厚δ2.球壳中的最大薄膜应力：根据式（8-8）：二、材料的许用应力三、强度条件根据第一强度理论：，即(b)44icmaxDppDttmaxtic4Dp化工设备设计基础－第十章内压容器设计四、强度计算1.壳体计算厚度δ由式（b）得到：(10-3)2.壳体壁厚强度校核(10-4)3.容器最大允许工作压力pmax(10-c)ctic4pDpteeicmax4Dpeietmax4Dp化工设备设计基础－第十章内压容器设计五、公式(10-3)和(10-4)的适用范围(10-d)上式相当于球壳外径与内径之比K≤1.353。tc6.0p化工设备设计基础－第十章内压容器设计§10.3设计参数的确定一、设计压力和设计温度1.设计压力pd：设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不低于工作压力。工作压力pw：在正常工作情况下容器顶部可能达到的最高压力。计算压力pc：在相应设计温度下，用于确定元件厚度的压力。其值等于设计压力加上液柱静压力。当液柱静压力小于5％的设计压力时可以忽略不计。化工设备设计基础－第十章内压容器设计设计压力的确定：按GB150要求（1）容器上安装有超压泄放装置（安全阀、爆破片）时，应按GB150附录B确定设计压力。（2）对于盛装液化气体的容器，应根据设计温度下介质的饱和蒸汽压确定设计压力。（3）由两个或两个以上压力室组成的容器，除考虑各压力室的设计压力外，还要考虑各室之间的压力差作为设计压力。化工设备设计基础－第十章内压容器设计2.设计温度td：设定的元件的金属温度，其值低温容器不高于工作温度，非低温容器不低于工作温度。通常指设计图纸上规定的最高或最低允许工作温度。工作温度tw：在正常工作情况下元件可能达到的最高或最低温度。低温容器：设计温度低于或等于-20℃的压力容器。当工作温度低于或等于-20℃时，应按低温容器来设定设计温度。化工设备设计基础－第十章内压容器设计二、焊接接头系数（焊缝系数）1.定义：焊缝金属与母材金属强度之比，用符号φ来表示。表示焊接接头对容器整体的削弱程度。2.影响因素：焊接接头质量焊缝及热影响区的组织和性能焊接缺陷焊接应力3.焊缝系数的取值：按GB150规定双面焊或相当于双面焊的全焊透对接接头100％无损检测：φ=1.0局部无损检测：φ=0.85单面焊的对接接头化工设备设计基础－第十章内压容器设计单面焊的对接接头100％无损检测：φ=0.9局部无损检测：φ=0.8关于焊接结构和无损检测要求可参见GB150。三、厚度附加量厚度附加量包括钢材负偏差和腐蚀裕量两部分：C=C1+C2其中C为厚度附加量，mmC1为钢材负偏差，mm（表10-1~4）C2为腐蚀裕量，mm。可按腐蚀速率乘以设计寿命来计算，但通常按经验选取：无腐蚀取0，弱腐蚀取1~2，强腐蚀考虑选材。化工设备设计基础－第十章内压容器设计四、许用应力1.定义：材料在一定温度下安全服役所允许的最高应力，用[σ]t表示，单位是MPa。2.取值：[σ]t＝极限应力/安全系数式中分别为材料在温度t时的强度、屈服、持久和蠕变极限应力；分别为与对应的安全系数。GB150中规定：nb=3.0，ns=1.6(高合金钢为1.5)，nD=1.5，nn=1.0。ntnDtDstsbtbt,,,minnnnntntDtstb,,,tntDtstb,,,nDsb,,,nnnn化工设备设计基础－第十章内压容器设计3.安全系数的影响因素：（1）条件载荷的准确性程度（2）设计计算方法的精确性（3）材料性能的稳定性（4）制造与检验水平（5）操作与管理水平（6）安全裕度（7）其它因素化工设备设计基础－第十章内压容器设计五、最小厚度1.圆筒的最小厚度δmin碳钢及低合金钢制容器，不小于3mm;高合金钢制容器，不小于2mm。2.椭圆形封头和碟形封头的最小有效厚度δmin椭圆形封头：形状系数k≤1时，δmin＝0.15％Di形状系数k＞1时，δmin＝0.30％Di碟形封头：形状系数M≤1.34时，δmin＝0.15％Di形状系数M＞1.34时，δmin＝0.30％Di注：当确定封头厚度时已考虑了内压下的弹性失稳问题，可不受上述限制。化工设备设计基础－第十章内压容器设计六、压力试验与气密性试验1.试验压力的确定液压试验：(10-6)气压试验：(10-7)气密性试验：(10-c)tT25.1pptT15.1ppppT化工设备设计基础－第十章内压容器设计2.压力试验情况下圆筒的应力校核液压试验：(10-8a)气压试验：(10-8b)3.压力试验类型选定与气密性试验规定压力试验一般应采用液压试验，介质通常为水。当不能用液体作为试验介质时，可采用气压试验。工作介质的毒性程度为极度或高度危害的容器，应在压力试验合格后进行气密性试验。seeiTmax9.02DpseeiTmax8.02Dp化工设备设计基础－第十章内压容器设计