压力容器设计基础XXXX1102

压力容器设计基础1压力容器设计基础李洪亮压力容器设计基础2压力容器《特种设备安全监察条例》第九十九条第（二）款：压力容器是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备，其范围规定为最高工作压力大于或者等于0.1MPa（表压），且压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPa·L的气体、液化气体和最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体的固定式容器和移动式容器；盛装公称工作压力大于或者等于0.2MPa（表压），且压力与容积的乘积大于或者等于1.0MPa·L的气体、液化气体和标准沸点等于或者低于60℃液体的气瓶；氧舱等。压力容器设计基础3压力容器TSGR0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》1.3条：工作压力大于或者等于0.1MPa（表压，不含液体静压力，下同）；工作压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPa·L；盛装介质为气体、液化气体以及介质最高工作温度高于等于标准沸点的液体。压力容器设计基础4压力容器的分类根据生产装置中工艺单元过程分类非均相（液固、气固）分离搅拌与混合制冷与深冷热量传递蒸发结晶蒸馏吸收与解析萃取吸附干燥反应贮存压力容器设计基础5压力容器的分类根据生产过程中的作用原理分类反应容器（R）换热容器（E）分离容器（S）储存容器（C）（球罐B）压力容器设计基础6压力容器的分类根据压力等级分类低压容器（L）中压容器（M）高压容器（H）超高压容器（U）常压容器压力容器设计基础7压力容器的分类根据温度分类GB150：≤-20℃低温容器日本：＜-10℃英国：＜0℃德国：＜-10℃压力容器设计基础8压力容器的分类根据《容规》分类Ⅰ类Ⅱ类Ⅲ类压力容器设计基础9压力容器的分类根据“压力容器压力管道设计许可证”分类A类：A1（超高压容器、高压容器）、A2（第三类低、中压容器）、A3（球形储罐）、A4（非金属压力容器）；C类：C1（铁路罐车）、C2（汽车罐车或长管拖车）、C3（罐式集装箱）；D类：D1（第一类压力容器）、D2（第二类低、中压容器）；SAD类：压力容器分析设计。压力容器设计基础10压力容器的分类根据“压力容器制造许可证”分类A类：A1（超高压容器、高压容器）、A2（第三类低、中压容器）、A3（球形储罐现场组焊或球壳板制造）、A4（非金属压力容器）A5（医用氧仓）；B类：B1（无缝气瓶）、B2（焊接气瓶）、B3（特种气瓶）；C类：C1（铁路罐车）、C2（汽车罐车或长管拖车）、C3（罐式集装箱）；D类：D1（第一类压力容器）、D2（第二类低、中压容器）。压力容器设计基础11压力容器的分类其他分类方法按容器主体材料按容器结构型式按容器截面形状按容器主轴线方向按容器壁厚压力容器设计基础12压力容器工作条件及特点温度条件液氢装置：-253℃液态空气及其他气体的制取：-196℃苯乙烯装置中SMART反应器：650℃乙烯生产装置中的管式裂解炉：1100℃压力容器设计基础13压力容器工作条件及特点压力条件超高压人造水晶釜：~200MPa低密度聚乙烯反应釜：~300MPa低真空：100kPa~3kPa（绝压）中真空：3kPa~0.1Pa（绝压）高真空：0.1Pa~0.1mPa（绝压）甚高真空：0.1mPa~0.1μPa（绝压）超高真空：≤0.1μPa（绝压）压力容器设计基础14压力容器工作条件及特点介质腐蚀条件同一种材料在不同介质中，不同材料在同一介质中，同一种材料同一种介质在不同内部、外部条件下都会表现出不同的腐蚀规律。碳钢在稀硫酸中极不耐蚀，但在浓硫酸中却很稳定；铅耐稀硫酸，但不能在浓硫酸中使用；不锈钢在中、低浓度的硝酸中耐蚀，但不耐浓硝酸的腐蚀；碳钢在稀硫酸中是均匀腐蚀，奥氏体不锈钢在氯化物的水溶液中会由于应力腐蚀而产生裂纹。压力容器设计基础15压力容器工作条件及特点介质的危害性在石油、化工、天然气的工业生产装置中，参与过程的绝大部分是易燃、易爆、有毒或有腐蚀性的物质，同时这些物质的状态在工艺过程中受温度、压力的控制不断变化。压力容器设计基础16压力容器工作条件及特点其他载荷条件风载荷、地震载荷有些设备可能是在循环载荷作用下运行，同时还可能承受热应力循环作用设备及其内件、附件自重设备内盛装的物料重量，试验状态下的液体重量来自支承、连接管道及相邻设备的作用载荷设备运输、安装、维修时可能承受的作用载荷压力容器设计基础17压力容器工作条件及特点装置的大型化炼油装置中的减压蒸馏塔直径10000长40000乙烯装置中的丙烯塔直径10000高94000重量1100吨氨合成塔直径2500长22000壁厚200甲醇反应器直径6500长14000壁厚220核工业中的沸水反应堆直径7800壁厚190重量1000吨煤液化加氢反应器直径4810壁厚338重量2040吨乙二醇列管式反应器直径5000长10000管数9000立式圆筒形油品贮罐直径100000高21800容积150000m3压力容器设计基础18压力容器工作条件及特点结构多样性卧式、立式、换热器、塔器、圆筒形贮槽、球罐、空冷器、余热锅炉等换热器：固定管板式、浮头式、填函式、U形管式；单管程、多管程；双管板、带导流筒、带膨胀节压力容器设计基础19压力容器工作条件及特点主要结构组成受内压或外压的圆筒壳各种形式的封头、平盖开孔及其补强元件法兰连接膨胀节压力容器设计基础20近代压力容器的发展趋势大型化,高参数高温蠕变低应力脆断疲劳问题压力容器设计基础21对压力容器的基本要求满足（工艺）使用要求安全可靠性强度、刚度、稳定性、密封性、耐蚀性合理的经济成本压力容器设计基础22压力容器强度失效准则有三种观点弹性失效——常规设计（GB150等）认为壳体内壁产生屈服即达到材料屈服限时该壳体即失效，将应力限制在弹性范围，按照强度理论把筒体限制在弹性变形阶段。塑性失效——分析设计（JB4732）将容器的应力限制在塑性范围，认为圆筒内壁面出现屈服而外层金属仍处于弹性状态时，并不会导致容器发生破坏，只有当容器内外壁面全屈服时才为承载的最大极限。爆破失效——高压、超高压设计认为容器由韧性钢材制成，有明显的应变硬化现象，即便是容器整体屈服后仍有一定承载潜力，只有达到爆破时才是容器承载最大极限。压力容器设计基础23圆筒内的应力关于回转薄壳的无力矩理论压力容器应力分类简述压力容器设计及相关问题压力容器设计基础24一压力容器壳体厚度为δ，内半径为Ri(内直径为Di)，受气体压力p作用的壳体。如图所示：圆筒内的应力δ压力容器设计基础25在圆筒中间沿径线平面切开为两段（如图）在研究的壳体上作用有外力p（流体压力）壳体厚度上存在内力，单位面积上为应力σφ在轴线方向作力的平衡2ii2RpRi2pR圆筒内的应力压力容器设计基础26在圆筒中间沿轴线平面切开为两段（如图）在研究的壳体上作用有外力p（流体压力）壳体厚度上存在内力，单位面积上为应力σθ在轴线方向作力的平衡i22RLpLipR圆筒内的应力压力容器设计基础27受内压的圆筒体的壳体中的轴向和周向应力：周向应力时轴向应力的2倍。如果控制周向应力σθ不超过许用应力，即：则可得容器的强度尺寸为：i2pRipRti[]pRiitt=[]2[]pRpD圆筒内的应力压力容器设计基础28弹性失效准则下的四个强度理论：第一强度理论（最大主应力理论）材料不论在什么复杂的应力状态下，只要三个主应力中有一个达到轴向拉伸或压缩中破坏应力的数值时，材料就要发生破坏。第二强度理论（最大变形理论）材料的破坏取决于最大线应变，即最大相对伸长或缩短。第三强度理论（最大剪应力理论）无论材料在什么应力状态下，只要最大剪应力达到在轴向拉伸中破坏时的数值，材料就发生破坏。第四强度理论（剪切变形能理论）材料的破坏取决于变形比能，把材料的破坏归结为应力与变形的综合。圆筒内的应力压力容器设计基础29根据第一强度理论，最大主应力（周向应力）小于等于许用应力，承压容器就是安全的。但是该公式所计算出的最大应力值，与精确值相比相差较大（大约小23％），将内径换为中径，计算值与精确值相差减小（约为3.8％）容器的中径D=Di+δ,则有按照第一强度理论，用中径公式计算压力容器的壁厚圆筒内的应力2tiipRpDti(+)=[]2pDit=[]-2pDp压力容器设计基础30基本概念壳体：以两个曲面为界，且曲面间的距离远小于其他方向尺寸的物体壳体厚度：两曲面间的距离中面：平分壳体曲面的曲面薄壳：壳体厚度δ与中面曲率半径R之比δ/R≤0.1的壳体回转壳：中面由一根平面曲线绕一根在平面内的定轴旋转而成的壳体轴对称问题：几何形状、承受载荷、边界支承均对旋转轴对称的力学问题回转薄壳无力矩与有力矩理论概念压力容器设计基础31薄膜内力：引起薄壳结构中面的拉伸、压缩和剪切变形的内力（在轴对称情况下由于对称性，不存在剪切内力）。弯曲内力：引起薄壳结构中面产生曲率、扭率改变的内力（在轴对称情况下不存在扭矩和横向剪力）。无力矩理论：壳体的应力状态仅由法向内力确定的薄壳应力理论。有力矩理论：壳体内的应力状态同时由薄膜内力和弯曲内力确定的薄壳应力理论。回转薄壳无力矩与有力矩理论概念压力容器设计基础32回转壳的几何特性母线形成中间面的平面曲线经线通过回转轴作一纵截面，其与壳体中间曲面相交所得的交线形状与母线相同经线平面经线平面的位置θ法线通过经线上任意一点M垂直于中间面的直线MN，称为中间面在该点的法线法线的延长线必与回转轴相交薄膜应力理论的应力方程式压力容器设计基础33纬线与锥截面过M点作圆锥面与壳体中间面正交，所得的交线是一个圆，称其为回转面的纬线。过M点作垂直于回转轴的平面与中间面相交形成的交线也是一个圆，称为回转面的平行圆。从形成的相交线来说，纬线和平行圆是同一条圆周曲线。用与壳体正交的圆锥截面截取壳体，得到壳体的厚度——锥截面。用垂直于轴线的平面截取壳体，得不到壳体的真实厚度——横截面。薄膜应力理论的应力方程式压力容器设计基础34第一曲率半径R1中间面上任一点M处经线的曲率半径曲率中心必在过M点的法线上第二曲率半径R2通过经线上一点M的法线作垂直于经线的平面，其与中间面相交得平面曲线CM，CM的曲率半径即第二曲率半径第二曲率半径的中心在MN上，且在回转轴上32221121dydyRMKdxdx薄膜应力理论的应力方程式22RMK压力容器设计基础35平行圆半径r平行圆圆心在回转轴上32sinrMKR薄膜应力理论的应力方程式压力容器设计基础36回转壳体受轴对称的内压力p经线和纬线均发生伸长变形经线方向产生经向应力σφ纬线方向产生周向应力（环向应力）σθ经向应力作用在锥截面上环向应力作用在经线平面与壳体相截形成的纵向截面上由于对称性，在同一纬线上各点经线应力均相等，周向应力也相等薄膜应力理论的应力方程式压力容器设计基础37经向应力计算公式——区域平衡方程式作用在锥截面上的经向应力在轴线方向的合力2sinmNr薄膜应力理论的应力方程式压力容器设计基础38经向应力计算公式——区域平衡方程式作用在分离体上的外力（内压）在轴线方向的合力——Q力的大小只取决于截面处的横截面面积与气体压强p，而与截取壳体承压的内表面形状与尺寸无关2cosdQprdlcosdrdl2dQprdr02mrQprdr202mrmprdrpr薄膜应力理论的应力方程式压力容器设计基础39经向应力计算公式——区域平衡方程式222sinmprpRNQ22sinmmrpr注意：适用于承受气体介质压力的壳体薄膜