第二章 化工设备设计的基础知识

第二章化工设备设计的基础知识第一节概述第二节容器的结构与分类第三节容器的标准化设计第四节压力容器安全监察第五节容器机械设计的基本要求一.概述1.1现代化企业的雄姿一.概述1.1现代化企业的雄姿一.概述1.1现代化企业的雄姿一.概述1.1现代化企业的雄姿现代化企业的召唤，需要新一代的接班人，企业未来的主人，怎样挑起肩上的责任？把美好的理想，凝聚成人生的辉煌。培养你们的才能，誓作祖国的栋梁。一.概述1.2压力容器的特点应用的广泛性一.概述1.2压力容器的特点锅炉、换热器、加热炉=圆筒外壳+传热管束核反应堆=圆筒安全壳+核反应零部件塔器=圆筒外壳+传质元件（浮阀、填料等）反应釜=圆筒夹套+搅拌器压缩机、真空泵=圆筒气缸+活塞透平机、泵=蜗壳+叶轮应用的广泛性一.概述1.2压力容器的特点压力容器不仅被广泛用于化学、石油化工、医药、冶金、机械、采矿、电力、航天航空、交通运输等工业生产部门，在农业、民用和军工部门也颇常见，其中尤以石油化学工业应用最为普遍，石油化工企业中的塔、釜、槽、罐无一不是贮器或作为设备的外壳，而且绝大多数是在压力温度下运行，如一个年产30万吨的乙烯装置，约有793台设备，其中压力容器281台，占了35.4%。蒸汽锅炉也属于压力容器，但它是用直接火焰加热的特种受压容器，至于民用或工厂用的液化石油气瓶，更是到处可见。应用的广泛性一.概述1.2压力容器的特点压力容器的操作条件十分复杂，甚至近于苛刻。压力从1～2×10－5Pa的真空到高压、超高压，如石油加氢为10.5～21.0MPa；高压聚乙烯为100～200MPa；合成氨为10～100MPa；人造水晶高达140MPa；温度从-196ºC低温到超过一千摄氏度的高温；而处理介质则包罗爆、燃、毒、辐(照)、腐(蚀)、磨(损)等数千个品种。操作条件的复杂性使压力容器从设计、制造、安裝到使用、维护都不同于一般机械设备，而成为一类特殊设备。操作的复杂性一.概述1.2压力容器的特点压力容器因其承受各种静、动载荷或交变载荷，还有附加的机械或温度载荷；其次，大多数容器容纳压缩气体或饱和液体，若容器破裂，导致介质突然卸压膨胀，瞬间释放出来的破坏能量极大，加上压力容器极大多数系焊接制造，容易产生各种焊接缺陷，一旦检验、操作失误容易发生爆炸破裂，器内易爆、易燃、有毒的介质将向外泄漏，势必造成极具灾难性的后果。因此，对压力容器要求很高的安全可靠性。安全的高要求一.概述1.2压力容器的特点当前压力容器向大容量、高参数发展，如核电站一个1500MW压水堆压力壳，工作压力为14～16MPa，工作温度为250～330ºC，容器内直径7800mm，壁厚317mm，重650吨；又如煤气化液化装置中的压力容器工作压力为17.5～25MPa，工作温度为450～550ºC，内直径为3000～5000mm，壁厚为200～400mm，重400～2600吨，对这类容器的工艺要求和运行可靠性要求更高，显然比一般压力容器又有更高更严格的安全性要求。安全的高要求一.概述1.3压力容器的安全特征1996年12月的统计资料表明，国内在用固定式压力容器多达122.22万台，移动式压力容器中罐车16910辆，在用气瓶5498.7571万只；锅炉总台数也高达51.57万台。此外全国持有压力容器制造许可证的企业合计2432个，设计单位1380个。如此庞大且潜在隐患容器的存在，以及地域广泛的制造设计部门，自然成为国内外政府部门特别重视其安全管理和监察检查的原因。量大面广一.概述1.3压力容器的安全特征国内1998年共发生锅炉、压力容器、气瓶爆炸事故132起，严重事故274起，共死亡104人，受伤371人，直接经济损失2813.58万元。锅炉、压力容器、气瓶的爆炸事故率分别为1.07次/万台，0.28次/万台，0.65次/万台。事故率高一.概述1.3压力容器的安全特征1968年英国原子能局（UKAEA）安全卫生处和联合部技术委员会（AOTC）工程检验机构调查使用年限在30年以内，符合英国BS1500和BS1515等压力容器规范的一级压力容器发生破坏事故的统计情况如下表所示：危害性大压力容器破坏几率年份容器运行灾难性事故a损伤事故b总计台·年次数事故率次数事故率次数事故1962-196710030070.7×10－41251.25×10－41321.32×10－41967-1972105400161.5×10－41231.17×10－41391.32×10－4一.概述1.3压力容器的安全特征a.灾难性事故指灾难性破坏事故或无法修复的容器；b.损伤事故指有潜在危险的事故；c.事故发生率＝发生事故数/（设备台数×运行年）表中的数字表明10000台容器中发生损坏事故每年12.5次，达到破坏事故0.7次，事故几率为1.32‰，而且这132起使用中的容器事故，按其原因分类，89.3%，即118起是各种制造裂纹所引起。危害性大一.概述1.3压力容器的事故实例1979年9月7日国内某电化厂415升液氯钢瓶爆炸，击穿5个，爆炸5个，10200公斤液氯外泄，波及7公里范围，59人死亡，779人严重中毒。1979年12月18日国内某液化气站400M3储罐爆炸，引发3个球罐和一个卧罐爆炸，5000只气瓶爆炸，600吨液化气燃烧，32人死亡，54人伤。一.概述1.3压力容器的事故实例1986年4月28日前苏联切尔诺贝利核电站压力壳发生核泄漏，31人死亡，20个国家4亿人受害。一.概述1.3压力容器的事故实例1984年12月3日印度博帕尔市农药厂异氰甲酸脂储罐发生泄漏，2580人死亡，125000人中毒，5万人失明。第二节容器的结构与分类按用途分类按压力分类按容器的形状分类按综合性分类按压缩器内的介质分类１、按用途分类反应容器主要用来完成工作介质的物理、化学反应的容器称为反应容器。如：反应器、发生器、聚合釜、合成塔、变换炉等。传热容器主要用来完成介质的热量交换的容器称为传热容器。如：热交换器、冷却器、加热器、硫化罐等。分离容器主要用来完成介质的流体压力平衡、气体净化、分离等的容器称为分离容器。如：分离器、过滤器、集油器、缓冲器、洗涤塔、铜洗塔、干燥器等。储运容器主要用来盛装生产和生活用的原料气体、液体、液化气体的容器称为储运容器。如：储槽、储罐、槽车等。２、按压力分类低压、中压、高压和超高压4类３、按容器的形状分类1、按容器的形状分类（1）方形和矩形容器（2）球形容器（3）圆筒形容器2、按容器厚度分类（1）薄壁容器（2）厚壁容器2.1/1.0/ioiDDKD或４、按综合性分类按综合性:按危险性和危害性分类一类容器、二类容器、三类容器５、按压缩器内的介质分类国家劳动总局颁发的《压力容器安全监察规程》的规定，压力容器按介质的有毒、剧毒和易燃的界限划分其它：１、按承压性质和能力分类（1）内压容器（2）外压容器２、按壁温分类（1）常温容器（2）高温容器（3）中温容器（4）低温容器３、按支承形式分类（1）卧式容器（2）立式容器４、按容器材料分类（1）金属容器（2）非金属容器５、按管理分类（1）第三类压力容器（2）第二类压力容器（3）第三类压力容器第三节容器的标准化设计容器零件标准化的基本参数：公称直径DN和公称压力PN（压力容器标准和无缝钢管标准）筒体的公称直径DN：内径（钢板卷制）；外径（无缝钢管制作）无缝钢管标准：公称直径DN是小于外径的一个数值第四节压力容器安全监察1、压力容器安全监察的范围：最高工作压力pw≥0.1pa内直径Di≥150mm,且容积V≥0.025m3介质为气体、液化气体或最高工作温度高于标准沸点的液体。第四节压力容器安全监察2、我国压力容器常用法规：强制性标准和技术性标准《锅炉压力容器安全监察暂行条例》：根本法规。国务院和人事部。《压力容器安全技术监察规程》：具体法规。国家质量技术监督局。《钢制压力容器》：核心标准；国家质量技术监督局第五节容器机械设计的基本要求1质量保证体系定义确保容器从设计、选材、制造、投入运行到退出服役的整个过程安全地完成使用要求而采取的有计划、系统的措施。内容材料—设计—制造与制造过程中的检验—在役检验与监控。第五节容器机械设计的基本要求2基本要求安全性足够的强度足够的刚度(或稳定性)可靠的密封性能一定的使用寿命经济性经济可靠的材料经济的制造方法低的操作和维护费用长周期的安全运行安、稳、长、满、优原则：充分保证安全的前提下尽可能做到经济第五节容器机械设计的基本要求2基本要求按规则设计-GB150《钢制压力容器》基于经济方法的设计，其典型过程是确定设计载荷，选用设计公式、曲线或图表，并对材料取一个安全应力，最终给出容器的基本厚度，然后根据规范许可的构造细则及有关制造检验要求进行制造。第五节容器机械设计的基本要求2基本要求按分析设计-JB4732《钢制压力容器—分析设计标准》基于考虑作用在容器上载荷的性质，进行详细的应力分析，计算得到的应力按其对容器破坏的作用分类，与许用应力强度比较和评定，并加上严格的材料、制造和检验要求。第五节容器机械设计的基本要求３设计准则设计准则—在特定的设计条件下，有效地利用材料的强度或刚度，使容器或其部件在设计寿命内安全运行。强度设计准则弹性设计准则塑性设计准则脆断设计准则疲劳设计准则蠕变设计准则刚度设计准则弹性变形设计准则失稳设计准则第五节容器机械设计的基本要求３设计准则容器不出现涉及总体范围的较大变形，即在内压或其他拉伸等静力载荷在器壁中所引起的最大应力不超过材料的弹性极限。如考虑设计安全裕度，则限制在材料的许用应力以下。σd=σ2=pDc/2t≤[σ]弹性设计准则σ1=pD/4tσ2=pD/2tσ1σ2pDt第五节容器机械设计的基本要求３设计准则当容器总体范围进入整体塑性变形或局部区域沿整个壁厚进入塑性变形时，则认为容器己耗尽承载能力而失效。极限设计安定性准则塑性设计准则Mp=（bh/4）σyMe=（bh2/6）σyMpσyσy第五节容器机械设计的基本要求４小结压力容器设计正确选材正确设计正确制造严格检验按照规范要求减少内应力减少不连续应力无损探伤保证焊缝质量材料的韧性本章结束