压力容器的设计与计算机辅助设计

1第七章压力容器的设计与计算机辅助设计2第一节引言这一章我们主要学习压力容器设计的基本方法，学习如何运用SW6-1998V2.0《过程设备强度计算软件包》及PVCAD《计算机辅助设计软件包》使我们能更进一步对所学知识全面巩固和提高。3一、压力容器设计步骤及主要规程及标准设计步骤:工艺计算机械计算主要规程及标准:《压力容器安全技术监察规定》《钢制压力容器》《钢制管壳式换热器》《钢制塔式容器》4二、压力容器设计中一些参数的定义1压力2.温度3.厚度4.载荷5.许用应力6.焊缝接头系数7.压力试验51.压力工作压力：指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高工作压力。设计压力：指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。计算压力：指在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。试验压力：指在压力试验时，容器顶部的压力62.温度设计温度：指容器在正常工作情况下，设定的元件的温度（沿元件金属截面的温度平均值）。设计温度和设计压力一起作为设计载荷条件。试验温度：指压力试验时，壳体的金属温度。73.厚度计算厚度：指按各公式计算得到的厚度。需要时尚应计入其他载荷所需厚度（见下面的载荷）设计厚度：指计算厚度与腐蚀裕量之和名义厚度：指设计厚度加上钢板负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，既标注在图样上的尺寸有效厚度：指名义厚度减去腐蚀裕量和钢板负偏差84.载荷内压、外压或最大压差液体静压力容器的自重（包括内件和填料）附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯、平台等的重力载荷风载荷、地震载、雪载荷支座、底座圈、支耳及其他型式支撑件的反作用力连接管道和其他部件的作用力温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力包括压力急剧波动的冲击载荷9105.许用应力钢材（除螺栓材料外）的许用应力选取的依据可按表7-1；螺栓材料的许用应力选取的依据可按表7-211表7-1材料许用应力取下列各值中的最小值，MPa碳素钢、低合金钢0.3bσ6.1sσ6.1tsσ5.1tbσ0.1tnσ高合金钢0.3bσ5.12.0σσs5.1)12.0ttsσσ5.1tDσ0.1tnσ1）对奥氏体高合金钢受压元件，当设计温度低于蠕变温度范围，且允许有微量的永久变形时，可适当提高许用应力至0.9tsσ（t2.0σ）但不超过5.12.0σσs。此规定不适用于法兰或其他有微量永久变形就产生泄漏或故障的场合。12表7-2材料螺栓直径mm热处理状态许用应力Mpa取下列各值中的最小值≤M227.2tsσ碳素钢M24~M48热扎、正火5.2tsσ≤M225.32.0ttsσσM24~M480.32.0ttsσσ低合金钢、马氏体高合金钢≥M52调质7.22.0ttsσσ≤M226.12.0ttsσσ奥氏体高合金钢M24~M48固溶5.12.0ttsσσ5.1tDσ13表格中符号的意义—钢材标准抗拉强度下限值—钢材标准常温屈服点（或0.2%屈服强度）—钢材在设计温度下的屈服点(或0.2%屈服强度)—钢材在设计温度下经10万小时断裂的持久强度的平均值—钢材在设计温度下经10万小时蠕变率为1%的蠕变限bσ2.0σσstts2.0σσtDσtnσ14在设计中，如需计入复层材料的强度时，其设计温度下的许用应力按下式确定：——设计温度下符合钢板的许用应力，MPa——设计温度下基层钢板的许用应力，MPa——设计温度下复层材料的许用应力，MPa——基层钢板的名义厚度，mm——基层材料的厚度，不计入腐蚀裕量，mm212211δδδσδσσttttσt1σt2σ1δ2δ156.焊接接头系数对容器来说，主要存在两种对接焊缝，即纵向对接焊缝与环向对接焊缝双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头100%无损检测φ=1.00局部无损检测φ=0.85对于单面焊对接接头（沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板）100%无损检测φ=0.9局部无损检测φ=0.8167.压力试验液压试验气压试验气密性试验压力试验的确定：内压容器液压试验：气压试验：外压容器和真空容器液压试验：气压试验：—试验压力，Mpa—设计压力，MPattppσσ25.1ttppσσ15.1ppt25.1ppt15.1tpp17容器在压力试验前还必须进行应力校核，校核公式为：—试验压力下圆筒的应力MPa—圆筒内直径mm—试验压力MPa—圆筒的有效厚度mm应满足的条件：液压试验时，≤0.9φ气压试验时，≤0.9φ—圆筒材料在试验温度下的屈服点（或0.2%屈服强度），MPaφ—圆筒的焊接接头系数eeittDpδδσ2)(tσiDtpeδtσtσtσ2.0σσs2.0σσs2.0σσs18三、压力容器设计材料压力容器用钢材类型主要有钢板、钢管、锻件、螺柱和螺母。选择压力容器用钢应考虑容器的使用条件，例如：设计压力、设计温度、介质特性、和操作特点等，从而选择钢材为焊接性能良好的钢材，同时还要考虑到容器的制造工艺和经济合理性。下面我们谈谈这些类型的钢材在压力容器中使用过程中的一些规定。191.钢板碳素沸腾钢，和碳素镇静钢适用范围钢材名称使用压力MPa使用温度℃使用厚度mm不得使用场合Q235-A·F≤0.60～250≤12易燃介质，中、高或极度毒性Q235-A≤1.00～350≤16液化石油气，高或极度毒性Q235-B≤1.60～350≤20高或极度毒性Q235-C≤2.50～400≤3020在正火状态下碳素钢和低合金钢使用规定20R(壳体)＞30mm20R(其他受压元件)＞50mm16MnR（壳体）＞30mm16MnR(其他受压元件)＞50mm15MnVR＞16mm21进行拉伸和夏比（V型缺口）冲击（常温或低温-20℃以上）试验碳素钢和低合金钢使用规定材料名称使用温度℃使用厚度mm调质状态供货的钢板多层包扎压力容器内筒钢板用于壳体钢板所有厚度20R＜0℃＞2516MnR＜0℃＞3815MnVR＜0℃＞3815MnVNR＜0℃＞3818MnMoNbR＜0℃所有厚度13MnNiMoNbR＜0℃所有厚度Cr-Mo＜0℃所有厚度20R＜-10℃＞1216MnR＜-10℃＞2015MnVR＜-10℃＞2015MnVNR＜-10℃＞2022应逐张进行超声检测的碳素钢和低合金钢钢板钢板名称钢板厚度mm质量等级20R＞30Ⅲ16MnR＞30Ⅲ15MnVR＞25Ⅲ15MnVNR＞25Ⅲ18MnMoNbR＞25Ⅲ13MnNiMoNbR＞25Ⅲ16MnDR＞20Ⅲ15MnNiDR＞20Ⅲ09Mn2DVR＞20Ⅲ09MnNiDR＞20Ⅲ多层包扎压力容器内筒Ⅱ调质状态供货钢板Ⅱ23注意碳素钢和低合金钢钢板使用温度低于-20℃时，对使用状态及最低冲击试验温度按相应标准高合金钢板一般用GB4237标准。当厚度大于4mm时钢板需保证钢板表面缺陷的厚度不小于钢板的允许最小厚度。对于厚度不大于4mm设计应注明钢板表面质量耐热用途的钢板按GB4238标准选用00Cr18Ni5Mo3Si2钢板的伸长率(δ5)应不小于23%24不锈复合钢板除符合以下规定，还应符合GB8165和GB4733的相应规定。a.复合界面的结合剪切强度应不小于200MPab.复合界面的结合率指标及超声检测范围，应在图样或相应技术文件中说明c.基板和复材均为GB150所规定的碳素钢和低合金钢钢板或锻件，复材也为GB150中的高合金钢钢板d.复合钢板应在热处理后供货，基层的状态应符合GB150规定e.复合钢板使用范围应符合基材和复材使用范围的规定注意252.钢管钢管的标准及许用应力按附录中规定当碳素钢及低合金钢钢管使用温度低于-20℃时，其使用状态为正火状态。另外，钢管的工艺性能试验（压扁、扩口等）要求，应根据钢管使用使用时的加工工艺和各钢管标准中的相应规定提出。263.锻件锻件级别检验项目检验数量Ⅰ硬度（HB）逐件检查Ⅱ拉伸（bσ、2.0σ、5δ）拉伸（bσ、2.0σ、5δ）同冶炼炉号、同炉热处理的锻件组成一批，每批抽检一件Ⅲ超声检测逐件检查拉伸（bσ、2.0σ、5δ）逐件检查Ⅳ超声检测逐件检查a.锻件的标准及许用应力按附录中的规定b.锻件的形状有筒形锻件、环形锻件、饼形锻件、碗形锻件、长颈法兰锻件和条形锻件。c.锻件按使用要求分成Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ级,具体见下表27低温压力容器用低合金钢锻件最低为Ⅱ级锻件锻件的使用技术要求可按JB4726《压力容器用碳钢和低合金钢锻件》、JB4726-27《低温压力容器用低合金钢锻件》以及JB4728《压力容器用不锈钢锻件》当碳素钢及低合金钢锻件使用温度低于-20℃时，其热处理状态及最低冲击试验见有关标准3.锻件284.螺柱和螺母螺柱的材料一般要求是强度高、韧性好、耐介质腐蚀。低合金钢螺柱用毛坯，经调质热处理后做力学性能试验为了避免螺栓与螺母咬死，螺母的硬度一般要比螺栓低HB30低合金钢螺柱使用温度低于-20℃时应进行使用温度下的低温冲击试验，其要求见有关标准螺栓和螺母的组合可见下表螺栓用钢螺母用钢钢材标准使用温度范围℃Q235-AQ235-AGB700＞0~300Q235-AGB699＞-20~3003515GB699＞-20~35040MnB,40MnVB,40Cr35,40Mn,45GB3077＞-20~40030CrMoA30CrMoAGB699-100~50040Mn,45GB3077＞-20~40035CrMoA30CrMoA,35CrMoAGB3077-100~50035CrMoVA35CrMoA,35CrMoVAGB3077＞-20~50030CrMoAGB3077＞-20~50025CrMoVA25Cr2MoAGB3077＞-20~5501Cr5Mo1Cr5MoGB1221＞-20~6002Cr131Cr13,2Cr13GB1220＞-20~45025Cr2MoVAGB3077＞-20~5500Cr19Ni90Cr19Ni9GB1220-196~7000Cr17Ni12Mo20Cr17Ni12Mo2GB1220-196~70030四、压力容器设计计算软件包SW6《过程设备强度计算软件包》，以下简称SW6-98。该软件包是以国标GB150《钢制压力容器》；GB151《钢制管壳式换热器》；GB12333《钢制球形储罐》；JB4710《钢制塔式容器》；JBxxxx《钢制卧式容器》及HG20582《钢制化工容器强度计算规定》为编制依据。它的运行环境为WINDOWS系统，此软件在运行过程中直观、方便、灵活。该软件包含了10个设备计算程序，每个设备计算程序既可进行设备的整体计算，也可进行该设备中某一个零部件的单独计算。311.SW6-98在使用过程中有以下特点在数据输入时可随时退出程序运行程序运行时数据输入和运算可以任意交替进行对于结构数据的输入在界面上采取了图形提示在一个设备计算程序中，各数据输入页面可方便的随意切换计算结果可用两种形式输出。一种是屏幕显示，另一种是通过WORD以表格形式打印输出或作为文件存放322．SW6-98软件内容SW6-98软件有10个设备级计算程序，一个零部件计算程序和一个用户材料数据库管理程序。每个计算程序有对应的一组图标，只要点击图标就能使某个程序运行。SW6-98对一种设备的输入数据文件都规定了一个后缀名。3310个设备计算程序和一个零部件计算程序的后缀名见下表程序计算内容输入数据文件名后缀名程序计算内容输入数据文件名后缀名塔设备.col浮头式换热器.efe填函式换热器.efe带夹套立式容器（带或不带搅拌）.rec高压设备.hpv卧式容器.htk球形储罐.sph固定管板换热器.fix非圆形容器.ncvU形管换热器.uex零部件.par3435D:/sw6/aa浆式反应釜120-0536370.98200120014002.