压力容器设计

第4章压力容器设计§4-1概述压力容器设计基本要求安全经济合理选取结构、材料、参数等合理选择设计方法常规设计和分析设计结果比较适的密封材料。结构，选择合选择或设计合理的密封—密封设计适的材料。部件结构尺寸，选择合确定零通过强度和刚度计算，—强度和刚度设计理、经济的结构形式。的要求，设计简单、合、检验等方面满足工艺、制造、使用—结构设计主要设计内容压力容器设计基本内容用户提出基本设计要求↓分析容器的工作条件，确定设计参数↓结构分析、初步选材↓选择合适的规范和标准↓应力分析和强度计算↓确定构件尺寸和材料↓绘制图纸，提供设计计算书和其它技术文件压力容器设计的基本步骤搅拌容器条件图塔器条件图换热器条件图一般容器条件图设计条件图等）、腐蚀速率、保温条件其它（材料、设计寿命操作方式和要求压力和温度工作介质设计要求设计条件交互失效泄漏失效失稳失效刚度失效强度失效压力容器的失效形式§4-2设计准则腐蚀断裂蠕变断裂疲劳断裂脆性断裂韧性断裂强度失效形式压力容器失效判据—判断压力容器是否失效由力学分析得到力学分析结果由实验测得失效数值失效判据泄漏失效设计准则稳定失效设计准则刚度失效设计准则强度失效设计准则压力容器设计准则压力容器设计准则脆性断裂失效设计准则蠕变失效设计准则疲劳失效设计准则弹塑性失效设计准则爆破失效设计准则塑性失效设计准则弹性失效设计准则强度失效设计准则§4-3常规设计一、概述基于弹性失效设计准则不连续应力的考虑扁平钢带倾角错绕式槽形绕带绕带式绕板式热套式整体多层包扎式多层包扎式组合式无缝钢管式锻焊式整体锻造式单层卷焊式单层式圆筒结构形式二、圆筒设计单层式圆筒的优点：不存在层间松动等薄弱环节，能较好地保证筒体的强度。单层式圆筒的缺点：1、单层厚壁圆筒对制造设备的要求高。2、材料的浪费大。3、锻焊式圆筒存在较深的纵、环焊缝，不便于焊接和检验。层板包扎式（1）包扎工序繁琐，费工费时，效率低。（2）层板材料利用率低。3）层间松动问题。缺点（1）对加工设备的要求不高。（2）压缩预应力可防止裂纹的扩展。（3）内筒可采用不锈钢防腐。（4）层板厚度薄，韧性好，不易发生脆性断裂。优点整体多层包扎式（1）套合层数少，效率高，成本低。（2）纵焊缝质量容易保证。（1）只能套合短筒，筒节间深环焊缝多。（2）要求准确的过盈量，对筒节的制造要求高。热套式优点缺点优点：（1）机械化程度高，操作简便，材料利用率高。（2）纵焊缝少。缺点：（1）绕板薄，不宜制造壁厚很大的容器。（2）层间松动问题。绕板式优点缺点槽形绕带式（1）筒壁应力分布均匀且能承受一部分由内压产生的轴向力。（2）机械化程度高，材料利用率高。（1）钢带成本高，公差要求严格。（2）绕带时钢带要求严格啮合，否则无法贴紧。优点缺点（1）机械化程度高，材料利用率高。（2）整体绕制，无环焊缝。（3）带层呈网状，不会整体裂开。（4）扁平钢带成本低，绕制方便。扁平钢带倾角错绕式特点内压圆筒强度设计cticpDp][2单层内压圆筒焊接接头系数计算压力cptcp][0.4适用范围：壁厚计算强度校核工作应力teeictDp][2)(最大允许工作压力eitewDp][2][时（单层厚壁圆筒）tcp][0.4按塑性失效设计准则：)1()1(230pniisseRKR按爆破失效设计准则：)1()1()2(23pniibssbeRKR多层圆筒壁厚cticpDp][2注意000][][][tnitinit最小厚度碳素钢、低合金钢制容器：δmin≥3mm高合金钢制容器：δmin≥2mm设计参数的选取设计压力p1、设计压力由工艺条件确定，在设计过程中是一个定值；工作压力在容器正常工作过程中可能变动，容器顶部和底部的工作压力也可能不同。2、要求设计压力不低于最大工作压力。即：P≥PW3、PC=P+PL(当PL≤5%P时，PL可忽略不计)设计压力的规定1、容器上装有安全阀时P=(1.05~1.10)PW2、容器上装有爆破膜时P=(1.15~1.30)PW3、盛装液化气体的容器设计压力取工作时可能达到的最高温度下液化气体的饱和蒸气压设计温度t----容器在正常工作情况下设定元件的金属温度。元件金属温度高于零度时，设计温度不得低于元件可能达到的最高温度；元件金属温度低于零度时，设计温度不得高于元件可能达到的最低温度。根据规定：当钢板厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，可取C1=0。所以在设计计算中，对于GB6654-1996、GB3531-1996种的钢板（如20R、16MnR、16MnDR等），均可取C1=0。钢板厚度负偏差焊接接头系数材料许用应力安全系数强度极限值][安全系数碳素钢、低合金钢及铁素体高合金钢：nb≥3.0ns≥1.6nD≥1.5nn≥1.0奥氏体高合金钢：nb≥3.0ns≥1.5nD≥1.5nn≥1.0压力试验气密性试验气压试验液压试验耐压试验压力试验1、试验压力●内压容器：tTpp][][25.1●外压容器和真空容器：ppT25.1●夹套容器：视内筒为内压或外压容器，分别按内压或外压容器的试验压力公式确定试验压力；夹套按内压容器确定试验压力。*需校核内筒在夹套液压试验压力下的稳定性，如不满足稳定性要求，则需在夹套液压试验时，内筒内保持一定的压力。液压试验)(9.02)(2.0SeeiTTDp如果直立容器卧置进行液压试验，则在应力校核时，PT应加上容器立置充满水时的最大液柱压力。2、强度校核注意气压试验●内压容器：tTpp][][15.1●外压容器和真空容器：ppT15.11、气压试验2、强度校核)(8.02)(2.0SeeiTTDp●容器上没有安全泄放装置，气密性试验压力PT=1.0P。●容器上设置了安全泄放装置，气密性试验压力应低于安全阀的开启压力或爆破片的设计爆破压力。通常取PT=1.0PW。气密性试验设计压力为1.6Mpa的储液罐罐体，材料Q235-A，Di=1800mm，罐体高度4500mm，液料高度3000mm，C1=0.8mm，腐蚀裕量C2=1.5mm，焊缝系数φ=1.0，液体密度为1325kg/m3，罐内最高工作温度50ºC。试计算罐体厚度并进行水压试验应力校核。注：Q235-A材料的许用应力[σ]20=113MPa，[σ]50=113MPa，屈服极限σS=235Mpa试确定罐体厚度并进行水压试验校核。练习题mmPDPMPPPMPPMPghPMPPCticaCaaLa83.126.10.1113218006.1][26.108.0%50390.0100.38.913256.16解：壁厚满足要求水压试验压力asaeeiTTaTatTnnMPMPDPMPghPMPPPCmmCC5.2119.03.1352)(044.2105.48.910000.20.26.125.1][][25.11687.013.158.05.183.126min221断裂前发生较大的塑性变形，容器发生明显的鼓胀，断口处厚度减薄，断裂时几乎不形成碎片。返回韧性断裂压力容器在载荷作用下，应力达到或接近材料的强度极限而发生的断裂。特点失效原因①容器厚度不够。②压力过大。①断口平齐，且与最大主应力方向垂直。②容器断裂时可能裂成碎片飞出，往往引起严重后果。③断裂前没有明显塑性变形，断裂时应力很低，安全阀、爆破膜等安全附件不起作用，断裂具有突发性。脆性断裂（低应力脆断）器壁中的应力远低于材料强度极限时发生的断裂。①材料的脆性。②材料中的裂纹、未焊透、夹渣等缺陷。特点失效原因返回①交变载荷。②疲劳裂纹。疲劳断裂在交变载荷作用下，由于材料中的裂纹扩展导致容器的断裂。特点①断口上有贝纹状的疲劳裂纹。②断裂时容器整体应力较低，断裂前无明显塑性变形。③如果材料韧性较好，通过合理设计可实现“未爆先漏”。失效原因返回返回①在恒定载荷和低应力（应力低于屈服点）下也会发生蠕变断裂。②蠕变断裂前材料会由于蠕变变形而导致蠕变损伤，使材料在性能上产生蠕变脆化。③断裂前发生较大的塑性变形，具有韧性断裂的特征；断裂时又具有脆性断裂的特征。蠕变断裂压力容器长时间在高温下受载，材料的蠕变变形会随时间而增长，容器发生鼓胀变形，厚度明显减薄，最终导致压力容器断裂。特点高温蠕变失效原因①对于全面腐蚀和局部腐蚀，容器断裂前发生明显的塑性变形，具有韧性断裂的特征。②对于晶间腐蚀和应力腐蚀，断裂前无明显塑性变形，具有脆性断裂的特征。返回腐蚀断裂材料受到介质腐蚀（全面腐蚀或局部腐蚀），形成容器整体厚度减薄或局部凹坑、裂纹等，从而造成容器的断裂。特点失效原因介质腐蚀外压圆筒设计解析法图解法)()(59.205.20DLDEpecr短圆筒的临界压力302.2DEpecr长圆筒的临界压力几何参数计算图壁厚计算图外压圆筒设计设计步骤：薄壁圆筒)20(0eD假设δn计算δe计算（D0/δe)和（L/D0)几何参数计算图（A）壁厚计算图（B）验算PC≤[P]，若满足，则假设δn合适，否则重新计算。厚壁圆筒)20(0eD需同时考虑稳定性和强度)1(/2)0625.0/25.2(min][0000eeeDDBDPttst2.009.09.0][2min或（稳定性）（强度）其中：iecrRE25.0(m=4)轴向受压圆筒:图算法1、真空容器有安全装置时：无安全装置时：p=0.1MpaMPapppi1.0)(25.1minmax02、带夹套的真空容器p取真空容器的设计压力加上夹套压力3、其它外压容器（包括带夹套的外压容器）p应不小于容器正常工作过程中可能出现的最大内外压力差即：p≥(p0-pi)max设计压力注意：最大内外压差的取值设计参数的规定稳定性安全系数圆筒：m=3.0球壳：m=14.52计算长度加强圈设计带加强圈的外压圆筒两个条件1、筒体不失稳要求：LS≤Lmax2、加强圈不失稳要求：IS≥I1、筒体不失稳要求：LS≤Lmax5.200max)(59.2DmpEDLec2、加强圈不失稳要求：IS≥IALALDIsses)(9.1020ssecLADpB01、初步取加强圈的数目和间距1maxLLn1nLLs3、计算加强圈和圆筒组合而成的当量圆筒所需的组合截面惯性矩I。2、选择加强圈材料，按型钢规格初定加强圈的截面形状和尺寸，计算实际组合截面惯性矩IS。4、比较IS和I，若IS≥I且比较接近，则加强圈的尺寸、数目和间距满足要求，否则重新选择加强圈，重复以上步骤，直到满足要求为止。加强圈设计步骤1、加强圈可采用扁钢、角钢、工字钢或其它型钢，这样材料供应方便且型钢具有较大的截面惯性矩。加强圈可设置在容器的内部或外部，并应环绕容器整个圆周。2、加强圈和壳体的连接必须足够紧密，以保证加强圈和壳体一起承载，加强圈和壳体之间可采用连续焊或间断焊。3、为保证筒体和加强圈的稳定性，加强圈不得被任意削弱或割断。加强圈结构设计外加强圈加强圈每侧间断焊接的总长不小于圆筒外圆周长度的1/2内加强圈加强圈每侧间断焊接的总长不小于圆筒内圆周长度的1/3外压圆筒练习题某圆筒形容器，内径2400mm，长14000mm，两端为标准椭圆形封头，直边高度为50mm，圆筒和封头材料均为1Cr18Ni9Ti，腐蚀裕量取1mm，设计温度510ºC，真空下操作，无安全控制装置。用图算法求筒体厚度一圆筒形容器，材料为Q235-A，内径2800mm，长10m（含封头直边段