eq情商_壓力容器設(shè)計基礎(chǔ)

1 壓力容器設(shè)計基礎(chǔ)李洪亮 2 壓力容器 特種設(shè)備安全監(jiān)察條例 第九十九條第 二 款 壓力容器是指盛裝氣體或者液體 承載一定壓力的密閉設(shè)備 其范圍規(guī)定為最高工作壓力大于或者等于0 1MPa 表壓 且壓力與容積的乘積大于或者等于2 5MPa L的氣體 液化氣體和最高工作溫度高于或者等于標(biāo)準沸點的液體的固定式容器和移動式容器 盛裝公稱工作壓力大于或者等于0 2MPa 表壓 且壓力與容積的乘積大于或者等于1 0MPa L的氣體 液化氣體和標(biāo)準沸點等于或者低于60 液體的氣瓶 氧艙等 3 壓力容器TSGR0004 2009 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程 1 3條 工作壓力大于或者等于0 1MPa 表壓 不含液體靜壓力 下同 工作壓力與容積的乘積大于或者等于2 5MPa L 盛裝介質(zhì)為氣體 液化氣體以及介質(zhì)最高工作溫度高于等于標(biāo)準沸點的液體 4 壓力容器的分類根據(jù)生產(chǎn)裝置中工藝單元過程分類非均相 液固 氣固 分離攪拌與混合制冷與深冷熱量傳遞蒸發(fā)結(jié)晶蒸餾吸收與解析萃取吸附干燥反應(yīng)貯存 5 壓力容器的分類根據(jù)生產(chǎn)過程中的作用原理分類反應(yīng)容器 R 換熱容器 E 分離容器 S 儲存容器 C 球罐B 6 壓力容器的分類根據(jù)壓力等級分類低壓容器 L 中壓容器 M 高壓容器 H 超高壓容器 U 常壓容器 7 壓力容器的分類根據(jù)溫度分類GB150 20 低溫容器日本 10 英國 0 德國 10 8 壓力容器的分類根據(jù) 容規(guī) 分類 類 類 類 9 壓力容器的分類根據(jù) 壓力容器壓力管道設(shè)計許可證 分類A類 A1 超高壓容器 高壓容器 A2 第三類低 中壓容器 A3 球形儲罐 A4 非金屬壓力容器 C類 C1 鐵路罐車 C2 汽車罐車或長管拖車 C3 罐式集裝箱 D類 D1 第一類壓力容器 D2 第二類低 中壓容器 SAD類 壓力容器分析設(shè)計 10 壓力容器的分類根據(jù) 壓力容器制造許可證 分類A類 A1 超高壓容器 高壓容器 A2 第三類低 中壓容器 A3 球形儲罐現(xiàn)場組焊或球殼板制造 A4 非金屬壓力容器 A5 醫(yī)用氧倉 B類 B1 無縫氣瓶 B2 焊接氣瓶 B3 特種氣瓶 C類 C1 鐵路罐車 C2 汽車罐車或長管拖車 C3 罐式集裝箱 D類 D1 第一類壓力容器 D2 第二類低 中壓容器 11 壓力容器的分類其他分類方法按容器主體材料按容器結(jié)構(gòu)型式按容器截面形狀按容器主軸線方向按容器壁厚 12 壓力容器工作條件及特點溫度條件液氫裝置 253 液態(tài)空氣及其他氣體的制取 196 苯乙烯裝置中SMART反應(yīng)器 650 乙烯生產(chǎn)裝置中的管式裂解爐 1100 13 壓力容器工作條件及特點壓力條件超高壓人造水晶釜 200MPa低密度聚乙烯反應(yīng)釜 300MPa低真空 100kPa 3kPa 絕壓 中真空 3kPa 0 1Pa 絕壓 高真空 0 1Pa 0 1mPa 絕壓 甚高真空 0 1mPa 0 1 Pa 絕壓 超高真空 0 1 Pa 絕壓 14 壓力容器工作條件及特點介質(zhì)腐蝕條件同一種材料在不同介質(zhì)中 不同材料在同一介質(zhì)中 同一種材料同一種介質(zhì)在不同內(nèi)部 外部條件下都會表現(xiàn)出不同的腐蝕規(guī)律 碳鋼在稀硫酸中極不耐蝕 但在濃硫酸中卻很穩(wěn)定 鉛耐稀硫酸 但不能在濃硫酸中使用 不銹鋼在中 低濃度的硝酸中耐蝕 但不耐濃硝酸的腐蝕 碳鋼在稀硫酸中是均勻腐蝕 奧氏體不銹鋼在氯化物的水溶液中會由于應(yīng)力腐蝕而產(chǎn)生裂紋 15 壓力容器工作條件及特點介質(zhì)的危害性在石油 化工 天然氣的工業(yè)生產(chǎn)裝置中 參與過程的絕大部分是易燃 易爆 有毒或有腐蝕性的物質(zhì) 同時這些物質(zhì)的狀態(tài)在工藝過程中受溫度 壓力的控制不斷變化 16 壓力容器工作條件及特點其他載荷條件風(fēng)載荷 地震載荷有些設(shè)備可能是在循環(huán)載荷作用下運行 同時還可能承受熱應(yīng)力循環(huán)作用設(shè)備及其內(nèi)件 附件自重設(shè)備內(nèi)盛裝的物料重量 試驗狀態(tài)下的液體重量來自支承 連接管道及相鄰設(shè)備的作用載荷設(shè)備運輸 安裝 維修時可能承受的作用載荷 17 壓力容器工作條件及特點裝置的大型化煉油裝置中的減壓蒸餾塔直徑10000長40000乙烯裝置中的丙烯塔直徑10000高94000重量1100噸氨合成塔直徑2500長22000壁厚200甲醇反應(yīng)器直徑6500長14000壁厚220核工業(yè)中的沸水反應(yīng)堆直徑7800壁厚190重量1000噸煤液化加氫反應(yīng)器直徑4810壁厚338重量2040噸乙二醇列管式反應(yīng)器直徑5000長10000管數(shù)9000立式圓筒形油品貯罐直徑100000高21800容積150000m3 18 壓力容器工作條件及特點結(jié)構(gòu)多樣性臥式 立式 換熱器 塔器 圓筒形貯槽 球罐 空冷器 余熱鍋爐等換熱器 固定管板式 浮頭式 填函式 U形管式 單管程 多管程 雙管板 帶導(dǎo)流筒 帶膨脹節(jié) 19 壓力容器工作條件及特點主要結(jié)構(gòu)組成受內(nèi)壓或外壓的圓筒殼各種形式的封頭 平蓋開孔及其補強元件法蘭連接膨脹節(jié) 20 近代壓力容器的發(fā)展趨勢大型化 高參數(shù)高溫蠕變低應(yīng)力脆斷疲勞問題 21 對壓力容器的基本要求滿足 工藝 使用要求安全可靠性強度 剛度 穩(wěn)定性 密封性 耐蝕性合理的經(jīng)濟成本 22 壓力容器強度失效準則有三種觀點彈性失效 常規(guī)設(shè)計 GB150等 認為殼體內(nèi)壁產(chǎn)生屈服即達到材料屈服限時該殼體即失效 將應(yīng)力限制在彈性范圍 按照強度理論把筒體限制在彈性變形階段 塑性失效 分析設(shè)計 JB4732 將容器的應(yīng)力限制在塑性范圍 認為圓筒內(nèi)壁面出現(xiàn)屈服而外層金屬仍處于彈性狀態(tài)時 并不會導(dǎo)致容器發(fā)生破壞 只有當(dāng)容器內(nèi)外壁面全屈服時才為承載的最大極限 爆破失效 高壓 超高壓設(shè)計認為容器由韌性鋼材制成 有明顯的應(yīng)變硬化現(xiàn)象 即便是容器整體屈服后仍有一定承載潛力 只有達到爆破時才是容器承載最大極限 23 圓筒內(nèi)的應(yīng)力關(guān)于回轉(zhuǎn)薄殼的無力矩理論壓力容器應(yīng)力分類簡述壓力容器設(shè)計及相關(guān)問題 24 一壓力容器殼體厚度為 內(nèi)半徑為Ri 內(nèi)直徑為Di 受氣體壓力p作用的殼體 如圖所示 圓筒內(nèi)的應(yīng)力 25 在圓筒中間沿徑線平面切開為兩段 如圖 在研究的殼體上作用有外力p 流體壓力 殼體厚度上存在內(nèi)力 單位面積上為應(yīng)力 在軸線方向作力的平衡 圓筒內(nèi)的應(yīng)力 26 在圓筒中間沿軸線平面切開為兩段 如圖 在研究的殼體上作用有外力p 流體壓力 殼體厚度上存在內(nèi)力 單位面積上為應(yīng)力 在軸線方向作力的平衡 圓筒內(nèi)的應(yīng)力 27 受內(nèi)壓的圓筒體的殼體中的軸向和周向應(yīng)力 周向應(yīng)力時軸向應(yīng)力的2倍 如果控制周向應(yīng)力 不超過許用應(yīng)力 即 則可得容器的強度尺寸為 圓筒內(nèi)的應(yīng)力 28 彈性失效準則下的四個強度理論 第一強度理論 最大主應(yīng)力理論 材料不論在什么復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)下 只要三個主應(yīng)力中有一個達到軸向拉伸或壓縮中破壞應(yīng)力的數(shù)值時 材料就要發(fā)生破壞 第二強度理論 最大變形理論 材料的破壞取決于最大線應(yīng)變 即最大相對伸長或縮短 第三強度理論 最大剪應(yīng)力理論 無論材料在什么應(yīng)力狀態(tài)下 只要最大剪應(yīng)力達到在軸向拉伸中破壞時的數(shù)值 材料就發(fā)生破壞 第四強度理論 剪切變形能理論 材料的破壞取決于變形比能 把材料的破壞歸結(jié)為應(yīng)力與變形的綜合 圓筒內(nèi)的應(yīng)力 29 根據(jù)第一強度理論 最大主應(yīng)力 周向應(yīng)力 小于等于許用應(yīng)力 承壓容器就是安全的 但是該公式所計算出的最大應(yīng)力值 與精確值相比相差較大 大約小23 將內(nèi)徑換為中徑 計算值與精確值相差減小 約為3 8 容器的中徑D Di 則有按照第一強度理論 用中徑公式計算壓力容器的壁厚 圓筒內(nèi)的應(yīng)力 30 基本概念殼體 以兩個曲面為界 且曲面間的距離遠小于其他方向尺寸的物體殼體厚度 兩曲面間的距離中面 平分殼體曲面的曲面薄殼 殼體厚度 與中面曲率半徑R之比 R 0 1的殼體回轉(zhuǎn)殼 中面由一根平面曲線繞一根在平面內(nèi)的定軸旋轉(zhuǎn)而成的殼體軸對稱問題 幾何形狀 承受載荷 邊界支承均對旋轉(zhuǎn)軸對稱的力學(xué)問題 回轉(zhuǎn)薄殼無力矩與有力矩理論概念 31 薄膜內(nèi)力 引起薄殼結(jié)構(gòu)中面的拉伸 壓縮和剪切變形的內(nèi)力 在軸對稱情況下由于對稱性 不存在剪切內(nèi)力 彎曲內(nèi)力 引起薄殼結(jié)構(gòu)中面產(chǎn)生曲率 扭率改變的內(nèi)力 在軸對稱情況下不存在扭矩和橫向剪力 無力矩理論 殼體的應(yīng)力狀態(tài)僅由法向內(nèi)力確定的薄殼應(yīng)力理論 有力矩理論 殼體內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)同時由薄膜內(nèi)力和彎曲內(nèi)力確定的薄殼應(yīng)力理論 回轉(zhuǎn)薄殼無力矩與有力矩理論概念 32 回轉(zhuǎn)殼的幾何特性母線形成中間面的平面曲線經(jīng)線通過回轉(zhuǎn)軸作一縱截面 其與殼體中間曲面相交所得的交線形狀與母線相同經(jīng)線平面經(jīng)線平面的位置 法線通過經(jīng)線上任意一點M垂直于中間面的直線MN 稱為中間面在該點的法線法線的延長線必與回轉(zhuǎn)軸相交 薄膜應(yīng)力理論的應(yīng)力方程式 33 緯線與錐截面過M點作圓錐面與殼體中間面正交 所得的交線是一個圓 稱其為回轉(zhuǎn)面的緯線 過M點作垂直于回轉(zhuǎn)軸的平面與中間面相交形成的交線也是一個圓 稱為回轉(zhuǎn)面的平行圓 從形成的相交線來說 緯線和平行圓是同一條圓周曲線 用與殼體正交的圓錐截面截取殼體 得到殼體的厚度 錐截面 用垂直于軸線的平面截取殼體 得不到殼體的真實厚度 橫截面 薄膜應(yīng)力理論的應(yīng)力方程式 34 第一曲率半徑R1中間面上任一點M處經(jīng)線的曲率半徑曲率中心必在過M點的法線上第二曲率半徑R2通過經(jīng)線上一點M的法線作垂直于經(jīng)線的平面 其與中間面相交得平面曲線CM CM的曲率半徑即第二曲率半徑第二曲率半徑的中心在MN上 且在回轉(zhuǎn)軸上 薄膜應(yīng)力理論的應(yīng)力方程式 35 平行圓半徑r平行圓圓心在回轉(zhuǎn)軸上 薄膜應(yīng)力理論的應(yīng)力方程式 36 回轉(zhuǎn)殼體受軸對稱的內(nèi)壓力p經(jīng)線和緯線均發(fā)生伸長變形經(jīng)線方向產(chǎn)生經(jīng)向應(yīng)力 緯線方向產(chǎn)生周向應(yīng)力 環(huán)向應(yīng)力 經(jīng)向應(yīng)力作用在錐截面上環(huán)向應(yīng)力作用在經(jīng)線平面與殼體相截形成的縱向截面上由于對稱性 在同一緯線上各點經(jīng)線應(yīng)力均相等 周向應(yīng)力也相等 薄膜應(yīng)力理論的應(yīng)力方程式 37 經(jīng)向應(yīng)力計算公式 區(qū)域平衡方程式作用在錐截面上的經(jīng)向應(yīng)力在軸線方向的合力 薄膜應(yīng)力理論的應(yīng)力方程式 38 經(jīng)向應(yīng)力計算公式 區(qū)域平衡方程式作用在分離體上的外力 內(nèi)壓 在軸線方向的合力 Q力的大小只取決于截面處的橫截面面積與氣體壓強p 而與截取殼體承壓的內(nèi)表面形狀與尺寸無關(guān) 薄膜應(yīng)力理論的應(yīng)力方程式 39 經(jīng)向應(yīng)力計算公式 區(qū)域平衡方程式 注意 適用于承受氣體介質(zhì)壓力的殼體 薄膜應(yīng)力理論的應(yīng)力方程式 40 周向應(yīng)力計算公式 微體平衡方程式用三對截面從殼體上切出一微體作為分離體殼體的內(nèi)外表面相鄰的經(jīng)線平面相鄰的與殼體正交的錐截面 薄膜應(yīng)力理論的應(yīng)力方程式 41 周向應(yīng)力計算公式 微體平衡方程式bc和ad上作用有經(jīng)向應(yīng)力 ab和cd上作用有周向應(yīng)力 內(nèi)表面作用有內(nèi)壓力p外表面不受力由于所取微體足夠小 認為應(yīng)力在截面上分布均勻 可由區(qū)域平衡方程求得 薄膜應(yīng)力理論的應(yīng)力方程式 42 周向應(yīng)力計算公式 微體平衡方程式在微體abcd面積上內(nèi)壓力p所產(chǎn)生的合力在法線n上的投影 薄膜應(yīng)力理論的應(yīng)力方程式 43 周向應(yīng)力計算公式 微體平衡方程式在bc cd截面上經(jīng)向應(yīng)力 的合力在法線n上的投影 薄膜應(yīng)力理論的應(yīng)力方程式 44 周向應(yīng)力計算公式 微體平衡方程式在bc cd截面上經(jīng)向應(yīng)力 的合力在法線n上的投影 薄膜應(yīng)力理論的應(yīng)力方程式 45 周向應(yīng)力計算公式 微體平衡方程式 薄膜應(yīng)力理論的應(yīng)力方程式 微體平衡方程式 拉普拉斯方程式 46 只要回轉(zhuǎn)殼體任一點的R1 R2以及殼體壁厚為已知 則該點由介質(zhì)內(nèi)壓力p產(chǎn)生分經(jīng)向應(yīng)力和周向應(yīng)力就可求出 兩個應(yīng)力方程式的導(dǎo)出都以應(yīng)力沿壁厚均勻分布為前提 而這種情況只有在殼壁較薄以及離兩個不同形狀的殼體聯(lián)接區(qū)稍遠處才是正確的 薄膜應(yīng)力理論的應(yīng)力方程式 薄膜應(yīng)力理論基本方程式 47 薄膜應(yīng)力理論的應(yīng)用條件是回轉(zhuǎn)殼體 而且回轉(zhuǎn)殼體曲面在幾何上是對稱的 殼壁厚度無突變 曲率半徑是連續(xù)變化的 材料的物理性能是相同的 載荷在殼體曲面上的分布是軸對稱和連續(xù)的 沒有突然變化 殼體幾何形狀及載荷分布的對稱性和連續(xù)性 薄膜應(yīng)力理論的應(yīng)力方程式 48 承受氣體壓力的球形殼體 無矩理論的應(yīng)用 球殼是中心對稱的 各處應(yīng)力相等 強度最好 49 承受氣體壓力的圓筒形殼體 無矩理論的應(yīng)用 圓筒形殼體周向應(yīng)力是軸向應(yīng)力的兩倍 50 承受氣體壓力的圓筒形殼體焊接的圓筒壓力容器 其縱向 軸向 焊縫的強度應(yīng)高于橫向 周向 焊縫的強度 開設(shè)橢圓形人孔時 應(yīng)將短軸放在軸線方向 以盡量減小縱截面強度削弱程度 殼壁應(yīng)力大小與 R成反比 R的大小體現(xiàn)著圓筒承壓能力的高低 無矩理論的應(yīng)用 51 承受氣體壓力的圓錐形殼體 不宜過大 一般 45 r 錐底應(yīng)力最大 錐頂應(yīng)力最小 2 無矩理論的應(yīng)用 52 承受氣體壓力的橢圓形殼體 無矩理論的應(yīng)用 53 承受氣體壓力的橢圓形殼體橢球殼中的 是坐標(biāo) x y 的函數(shù)橢球殼上應(yīng)力是連續(xù)變化的橢球殼中應(yīng)力的大小及分布與a b有關(guān)a b 1 橢球殼即為球殼 應(yīng)力分布均勻a b 受力狀況變差 無矩理論的應(yīng)用 54 承受氣體壓力的橢圓形殼體 無矩理論的應(yīng)用 55 承受氣體壓力的橢圓形殼體橢圓形封頭鋼板沖壓成型a b 淺易制造 a b 深制造難 標(biāo)準橢圓封頭a b 2最大拉應(yīng)力與最大壓應(yīng)力在數(shù)值上相等 等于筒體上周向應(yīng)力 封頭與筒體等強度 無矩理論的應(yīng)用 56 承受氣體壓力的橢圓形殼體封頭是與筒體相連接的 在連接部位 由于封頭和筒體的變形不協(xié)調(diào) 將產(chǎn)生邊緣力和力矩 引起封頭內(nèi)的附加應(yīng)力 無矩理論的應(yīng)用 57 受壓薄殼部件獨立變形情況如圖左受壓薄殼整體實際變形情況如圖右等厚度薄殼產(chǎn)生變形不一致的原因應(yīng)力突變 如球殼的周向應(yīng)力比圓筒殼的周向應(yīng)力小 球殼的周向應(yīng)變比圓筒殼的周向應(yīng)變小 導(dǎo)致球殼的半徑增大小于圓筒殼的半徑的增大量 曲率突變 球殼的曲率半徑為有限定值 而圓筒的第一曲率半徑無限大 力學(xué)分析證明曲率變化引起彎曲應(yīng)力 薄殼壓力容器有力矩問題簡述 58 一般回轉(zhuǎn)薄殼產(chǎn)生彎曲應(yīng)力的原因應(yīng)力突變幾何曲率突變剛度突變 如圓平板與圓筒殼的連接 平板在其面內(nèi)的剛度比圓筒在同一面內(nèi)的剛度大得多 平板的徑向應(yīng)變比圓筒小很多 殼體厚度突變載荷突變 如支承處 載荷不對稱 存在集中力和力偶 存在圓周方向的法向線性分布載荷材料性能突變均勻應(yīng)力引起曲殼的拉伸 使其曲率發(fā)生變化 產(chǎn)生彎曲應(yīng)力 由于變形限制在彈性范圍內(nèi) 這一彎曲應(yīng)力相對薄膜應(yīng)力是微量 薄殼壓力容器有力矩問題簡述 59 邊緣應(yīng)力的概念不連續(xù)部位 殼體連接處和支承處不連續(xù)部位的力學(xué)分析法 力法 把殼體的解分解為薄膜解和有矩解 薄膜解用無力矩理論求解 有矩解采用如圖計算模型 求解保證不連續(xù)部位的變形協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的邊緣力P0和邊緣彎矩M0 分別建立在P0和M0以及介質(zhì)壓力作用下 使不連續(xù)部位的兩殼體的徑向位移和轉(zhuǎn)角保持相等的兩個方程 可求出P0和M0 然后把它們代入有力矩解方程中 求出它們產(chǎn)生的應(yīng)力 邊緣應(yīng)力 由邊緣力和邊緣彎矩引起的應(yīng)力 薄殼壓力容器有力矩問題簡述 60 邊緣應(yīng)力的類型和特點邊緣應(yīng)力的類型 使不連續(xù)部位發(fā)生轉(zhuǎn)角變化的是彎曲應(yīng)力 沿殼體厚度線性變化 使平行圓脹縮的主要是沿壁厚均勻分布的應(yīng)力 屬薄膜應(yīng)力 邊緣應(yīng)力的局部性 邊緣應(yīng)力僅局限在不連續(xù)部位附近 稱為邊緣應(yīng)力的局部性 其作用范圍與同一量級 理論分析表明 邊緣應(yīng)力在邊緣附近區(qū)域較大 很快衰減到零 邊緣應(yīng)力的自限性 當(dāng)殼體材料具有良好的塑性 在邊緣附近邊緣應(yīng)力值很高時 會使材料發(fā)生屈服 自動使邊緣應(yīng)力限制在一定范圍 又因邊緣應(yīng)力的局部性 屈服區(qū)被廣大彈性區(qū)包圍 從而不致使塑性區(qū)發(fā)生整體性塑性流動 造成殼體破裂 薄殼壓力容器有力矩問題簡述 61 回轉(zhuǎn)薄殼無力矩理論的適用條件殼體的幾何 殼體厚度 曲率半徑不得有突變 殼體的材料 殼體材料的物理性能相同 受力情況 不能有集中力 不能有垂直于殼面法向的力和力矩 分布面力必須軸對稱 邊界支承情況 只可有沿切線方向的約束 而且邊界處轉(zhuǎn)角與撓度不應(yīng)受到約束 薄殼壓力容器有力矩問題簡述 62 規(guī)則設(shè)計 對邊緣應(yīng)力的處理方法殼體連接處采用撓性結(jié)構(gòu) 如圓弧過渡 不等厚板削薄連接 局部加強措施 如錐殼的加厚段 減少外界引起的附加應(yīng)力 如焊接殘余應(yīng)力 支座處的集中應(yīng)力 開孔接管處的應(yīng)力集中 薄殼壓力容器有力矩問題簡述 63 在半徑為R 厚度為t 承受軸對稱橫向載荷pZ的圓平板中 用半徑為r和r dr的兩個圓柱以及夾角為d 的兩個徑向截面 從圓板中截出一微圓體 見圖 平板問題 64 平板問題 65 受軸對稱均布載荷薄圓平板的應(yīng)力有以下特點 板內(nèi)為二向應(yīng)力 r 平行于中面各層相互之間的正應(yīng)力及剪力引起的切應(yīng)力均可予以忽略 正應(yīng)力 r 沿板厚度呈直線分布 在板的上下表面有最大值 是純彎曲應(yīng)力 應(yīng)力沿半徑的分布與周邊支承方式有關(guān) 在工程實際中的圓平板周邊支承是介于固支和簡支兩者之間的形式 薄板結(jié)構(gòu)的最大彎曲應(yīng)力 max與 R t 2成正比 而薄殼的最大拉 壓 應(yīng)力與R t成正比 故在相同R t條件下 薄板所需厚度比薄殼大 平板問題 66 對于周邊簡 鉸 支情況來說 最大撓度和最大應(yīng)力均發(fā)生在圓板中心處 而對于周邊固支情況來說 最大撓度發(fā)生在中心處 最大應(yīng)力發(fā)生在圓板周邊處 如圖所示 平板問題 67 支承的影響 周邊簡 鉸 支板的最大正應(yīng)力大于周邊固支板的應(yīng)力 周邊簡 鉸 支板的最大撓度遠大于周邊固支板的撓度 通常最大撓度和最大應(yīng)力與圓平板的材料 E 半徑 厚度有關(guān) 因此 若構(gòu)成板的材料和載荷已確定 則減小半徑或增加厚度都可減小撓度和降低最大正應(yīng)力 欲提高平板的強度和剛度 多是采用改變其周邊支承結(jié)構(gòu) 使它更趨近于固支條件 增加圓平板厚度或用正交柵格 圓環(huán)肋加固平板等方法來實現(xiàn) 平板問題 68 壓力容器的應(yīng)力分類應(yīng)力分類的原因 應(yīng)力產(chǎn)生的原因不同 如薄膜應(yīng)力是由于與外力平衡而產(chǎn)生的 邊緣應(yīng)力是由于保持不連續(xù)處的變形協(xié)調(diào)而產(chǎn)生的 應(yīng)力沿殼體壁厚的分布規(guī)律不同 如薄膜應(yīng)力是均勻分布 邊緣彎曲應(yīng)力是線性分布 對殼體失效的貢獻不同 與外力平衡產(chǎn)生的應(yīng)力無自限性 對失效的貢獻大 有自限性的應(yīng)力對失效的貢獻小 壓力容器應(yīng)力分析方法簡述 69 壓力容器的應(yīng)力分類應(yīng)力分類的原則 按應(yīng)力產(chǎn)生的原因按應(yīng)力的分布按對失效的影響 壓力容器應(yīng)力分析方法簡述 70 應(yīng)力分類 一次應(yīng)力二次應(yīng)力峰值應(yīng)力一次應(yīng)力 P 平衡壓力與其它機械載荷的應(yīng)力 它是維持結(jié)構(gòu)各部分平衡直接需要的應(yīng)力 無自限性 隨外載荷增加而增加 直至容器破壞 一次總體薄膜應(yīng)力 Pm 一次彎曲應(yīng)力 Pb 一次局部薄膜應(yīng)力 PL 壓力容器應(yīng)力分析方法簡述 71 一次總體薄膜應(yīng)力 Pm 沿厚度方向均勻分布 影響范圍遍及整個受壓元件 一旦達到屈服點 受壓元件整體發(fā)生屈服 應(yīng)力不重新分布 一直到整體破壞 例如 薄壁圓筒中由內(nèi)壓引起的環(huán)向薄膜應(yīng)力 一次彎曲應(yīng)力 Pb 是平衡壓力或其他機械載荷所需沿厚度方向線性分布的彎曲應(yīng)力 例如 周邊簡支的受側(cè)面壓力的圓平板中心處的彎曲應(yīng)力 壓力容器應(yīng)力分析方法簡述 72 一次局部薄膜應(yīng)力 PL 是應(yīng)力水平超過一次總體薄膜應(yīng)力而影響范圍僅限于結(jié)構(gòu)局部區(qū)域的一次薄膜應(yīng)力 由內(nèi)壓和其它機械載荷引起的薄膜應(yīng)力及邊緣應(yīng)力中的薄膜應(yīng)力部分的統(tǒng)稱 即局部應(yīng)力區(qū)中薄膜應(yīng)力的總量 例如 殼體與固定支座或與接管連接處由外加載荷引起的薄膜應(yīng)力 壓力容器應(yīng)力分析方法簡述 73 二次應(yīng)力 Q 為滿足相鄰元件間的約束或結(jié)構(gòu)自身變形的連續(xù)性要求的應(yīng)力 具有局部性和自限性 即滿足變形協(xié)調(diào)要求的附加應(yīng)力 如邊緣應(yīng)力 溫差引起的應(yīng)力 只要不重復(fù)加載 二次應(yīng)力不會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的破壞 在結(jié)構(gòu)內(nèi)的一次應(yīng)力能確保安全承受外載以及材料有足夠的延伸性的前提下 二次應(yīng)力水平的高低對結(jié)構(gòu)承受靜載能力并無影響 只在循環(huán)和交變載荷下 二次應(yīng)力會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)喪失安定 壓力容器應(yīng)力分析方法簡述 74 峰值應(yīng)力 F 附加在一次加二次應(yīng)力之上的應(yīng)力增量 此增量源于局部不連續(xù)或局部熱應(yīng)力的影響 沿殼體厚度方向非線性分布 影響到1 4厚度范圍內(nèi) 數(shù)值很大 具有局部性和自限性 是疲勞裂紋產(chǎn)生的根源或可能斷裂的原因 危險程度較低 例如在接管根部的應(yīng)力峰值存在峰值應(yīng)力 壓力容器應(yīng)力分析方法簡述 75 壓力容器分析設(shè)計規(guī)范對各類應(yīng)力強度的限制Pm Sm 許用應(yīng)力強度 PL 1 5Sm 極限載荷限制 Pm或PL Pb 1 5Sm 極限載荷限制 Pm或PL Pb Q 3Sm 安定性限制 Pm或PL Pb Q F 2 Sa 疲勞壽命限制 許用應(yīng)力幅 壓力容器應(yīng)力分析方法簡述 76 壓力容器應(yīng)力分析方法簡述 77 規(guī)則設(shè)計標(biāo)準 方法和強度準則GB150各部件單獨設(shè)計 總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)的附加應(yīng)力 以應(yīng)力增強系數(shù)和形狀系數(shù)的形式引入壁厚計算式 并將這些局部應(yīng)力控制在許用范圍內(nèi)GB150采用彈性失效準則的最大主應(yīng)力理論 壓力容器設(shè)計 78 分析設(shè)計標(biāo)準 方法和強度準則 JB4732各部件單獨設(shè)計厚度 然后再詳細考慮需要進行應(yīng)力分析的部位 準確計算容器內(nèi)重要部位的應(yīng)力分布情況 然后根據(jù)產(chǎn)生應(yīng)力的原因不同 對應(yīng)力進行分類對不同類別的應(yīng)力采用不同的強度準則進行限制 壓力容器設(shè)計 79 壓力容器設(shè)計的內(nèi)容GB150按承壓性質(zhì)分內(nèi)壓容器設(shè)計和外壓容器設(shè)計容器材料選擇 內(nèi)壓容器按強度設(shè)計 采用薄殼理論 對總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)部位 在壁厚計算式中 考慮邊緣處應(yīng)力增強系數(shù)或形狀系數(shù)進行修正 外壓容器的失效屬穩(wěn)定性破壞 GB150采用圖解法迭代計算 開孔接管 支座處的局部應(yīng)力 采用局部處理或整體簡化模型處理 如開孔補強 對立式容器校核支座處局部應(yīng)力 對于臥式容器除校核支座處應(yīng)力外 采用Zick的簡化模型對筒體進行校核 法蘭密封和強度設(shè)計 支座設(shè)計 壓力容器設(shè)計 80 壓力容器設(shè)計 壓力容器設(shè)計 正確選材 正確設(shè)計 正確制造 嚴格檢驗 按照規(guī)范要求 減少內(nèi)應(yīng)力 減少不連續(xù)應(yīng)力 無損探傷 保證焊縫質(zhì)量 材料的韌性 81 內(nèi)壓球殼強度計算計算厚度計算應(yīng)力設(shè)計溫度下最大允許工作壓力 內(nèi)壓容器設(shè)計 82 內(nèi)壓圓筒強度計算計算厚度計算應(yīng)力設(shè)計溫度下最大允許工作壓力 內(nèi)壓容器設(shè)計 83 內(nèi)壓橢圓形封頭 凹面受壓 強度計算計算厚度設(shè)計溫度下最大允許工作壓力為保證內(nèi)壓下的穩(wěn)定 還應(yīng)滿足 對于Di 2hi 2的封頭 有效厚度應(yīng)不小于0 15 Di 對于Di 2hi 2的封頭 有效厚度應(yīng)不小于0 30 Di 已考慮了內(nèi)壓下的彈性失穩(wěn) 可不受此限制 內(nèi)壓容器設(shè)計 84 內(nèi)壓碟形封頭 凹面受壓 強度計算計算厚度設(shè)計溫度下最大允許工作壓力為保證內(nèi)壓下的穩(wěn)定 還應(yīng)滿足 對于Ri r 5 5的封頭 有效厚度應(yīng)不小于0 15 Di 其他的封頭 有效厚度應(yīng)不小于0 30 Di 已考慮了內(nèi)壓下的彈性失穩(wěn) 可不受此限制 內(nèi)壓容器設(shè)計 85 GB150其它受內(nèi)壓封頭球冠形封頭 凹面受壓 用增強系數(shù)修正筒體壁厚計算式 直接作封頭分隔兩獨立受壓室的中間封頭 內(nèi)壓容器設(shè)計 86 錐形封頭 半錐角 60 時按平蓋計算 無折邊錐殼 當(dāng)半錐角 30 時可采用 大小端如需增強 用增強系數(shù)修正筒體壁厚計算式 大端折邊錐殼 當(dāng)半錐角30 45 時采用 過渡段轉(zhuǎn)角半徑r 10 Di 且不小于該過渡段厚度的3倍 小端如需增強 用增強系數(shù)修正筒體壁厚計算式 小端折邊錐殼 當(dāng) 45 時采用 用增強系數(shù)修正筒體壁厚計算式計算過渡段壁厚 小端過渡段轉(zhuǎn)角半徑rs 5 Dis 且不小于該過渡段厚度的3倍 內(nèi)壓容器設(shè)計 87 GB150其它封頭變徑段平蓋 內(nèi)壓容器設(shè)計 88 外壓圓筒和外壓管子設(shè)計D0 e 20的圓筒假定 n 令 e n C 定出L D0和D0 e 在外壓圓筒和管子的幾何參數(shù)計算圖的左方找到L D0值 過此點沿水平方向右移與D0 e線相交 遇中間值用內(nèi)插法 若L D0值大于50 則用L D0 50查圖 若L D0值小于0 05 則用L D0 0 05查圖 過此交點沿垂直方向下移 在圖的下方得到系數(shù)A 外壓容器設(shè)計 89 外壓圓筒和外壓管子設(shè)計D0 e 20的圓筒按所用材料選用適當(dāng)?shù)牟牧嫌嬎銏D 在圖的下方找到系數(shù)A 若A值落在設(shè)計溫度下材料的右方 則過此點垂直上移 與設(shè)計溫度下的材料線相交 遇中間溫度值用內(nèi)插法 再過此交點水平方向右移 在圖的右方得到系數(shù)B 并按下式計算許用外壓力 p 若A超出設(shè)計溫度曲線的最大值 取對應(yīng)溫度曲線右端點的縱坐標(biāo)值為B值 外壓容器設(shè)計 90 外壓圓筒和外壓管子設(shè)計D0 e 20的圓筒按所用材料選用適當(dāng)?shù)牟牧嫌嬎銏D 在圖的下方找到系數(shù)A 若所得A值落在設(shè)計溫度下材料線的左方 則用下式計算許用外壓力 p p 應(yīng)大于或等于pc 否則須再假設(shè) n 重復(fù)上述計算 直到 p 大于且接近pc為止 外壓容器設(shè)計 91 外壓圓筒和外壓管子設(shè)計D0 e 20的圓筒用與上面相同的步驟得到系數(shù)B值 但對D0 e 4 0的圓筒和管子按下式計算系數(shù)A值 系數(shù)A 0 1時 取A 0 1 外壓容器設(shè)計 92 外壓圓筒和外壓管子設(shè)計D0 e 20的圓筒按下式計算許用外壓力 p 0應(yīng)力 取以下兩值中的較小值 p 應(yīng)大于或等于pc 否則須再假設(shè) n 重復(fù)上述計算 直到 p 大于且接近pc為止 外壓容器設(shè)計 93 GB150其它外壓殼體球殼外壓橢圓形封頭 凸面受壓 應(yīng)注意系數(shù)K1外壓碟形封頭 凸面受壓 球冠形封頭 凸面受壓 外壓錐殼封頭加強圈設(shè)計 外壓容器設(shè)計 94 殼體厚度計算厚度 滿足容器強度剛度和穩(wěn)定性的厚度 設(shè)計厚度 d 計算厚度與腐蝕裕量C2之和 除上述要求外 還包括使用壽命 d C2名義厚度 n 設(shè)計厚度加上鋼板負偏差C1向上圓整至鋼材標(biāo)準規(guī)格的厚度 即圖樣上注明的厚度 其值不小于設(shè)計厚度 有效厚度 e e n C1 C2毛坯厚度 名義厚度加上加工減薄量 壓力容器設(shè)計參數(shù) 95 各厚度之間的關(guān)系 壓力容器設(shè)計參數(shù) 96 設(shè)計壓力p設(shè)定的容器頂部的最高壓力 與相應(yīng)的設(shè)計溫度一起作為容器的基本設(shè)計載荷條件 其值不低于工作壓力 設(shè)計壓力的確定按GB150 1第4 3 3規(guī)定也可參照HG20581的規(guī)定 見下頁 計算壓力pc在相應(yīng)設(shè)計溫度下 用以確定元件厚度的壓力 其中包括液柱靜壓力 當(dāng)元件所承受的液柱靜壓力小于5 設(shè)計壓力時 可忽略不計 工作壓力在正常工作情況下 容器頂部可能達到的最高壓力 壓力容器設(shè)計參數(shù) 97 壓力容器設(shè)計參數(shù) 98 壓力容器設(shè)計參數(shù) 99 壓力容器設(shè)計參數(shù) 100 壓力容器設(shè)計參數(shù) 101 設(shè)計溫度容器在正常工作情況下 設(shè)定的元件的金屬溫度 沿元件金屬截面的溫度平均值 設(shè)計溫度與設(shè)計壓力一起作為設(shè)計載荷條件 設(shè)計溫度的確定按GB150 1第4 3 4和4 3 5規(guī)定 壓力容器設(shè)計參數(shù) 102 焊接接頭系數(shù) 表示焊縫區(qū)金屬強度與母材金屬強度的比值 對鋼制容器 對非鋼制容器按相應(yīng)標(biāo)準的規(guī)定 雙面焊或相當(dāng)于雙面焊的全焊透對接接頭100 無損探傷 1 0局部無損探傷 0 85單面焊的對接接頭 沿焊縫根部全長具有緊貼基本金屬的墊板 100 無損探傷 0 9局部無損探傷 0 8 壓力容器設(shè)計參數(shù) 103 鋼材厚度負偏差C1按鋼材標(biāo)準的規(guī)定選取 GB708 2 4mm GB709 4 5 60mm GB713規(guī)定厚度負偏差采用GB709中的B級 壓力容器設(shè)計參數(shù) 104 腐蝕裕量C2為防止容器元件由于腐蝕 機械磨損而導(dǎo)致厚度減薄 應(yīng)考慮腐蝕裕量 對有腐蝕或磨損的元件 應(yīng)根據(jù)預(yù)期的容器壽命和介質(zhì)對金屬材料的腐蝕速率確定腐蝕裕量 容器各元件受到的腐蝕程度不同時 可采用不同的腐蝕裕量 介質(zhì)為壓縮空氣 水蒸汽或水的碳素鋼或低合金鋼制容器 腐蝕裕量不小于1mm 壓力容器設(shè)計參數(shù) 105 殼體加工成形后不包括腐蝕裕量的最小厚度對碳素鋼 低合金鋼制容器 不小于3mm對高合金鋼制容器 不小于2mm 壓力容器設(shè)計參數(shù) 106 許用應(yīng)力按GB150 2和相應(yīng)引用標(biāo)準選取 壓力容器設(shè)計參數(shù) 107 安全系數(shù) 容規(guī) 3 8 壓力容器設(shè)計參數(shù) 108 安全系數(shù) 容規(guī) 3 8 壓力容器設(shè)計參數(shù) 109 安全系數(shù) 容規(guī) 3 8 壓力容器設(shè)計參數(shù) 110 耐壓試驗檢查容器在超工作壓力下的宏觀強度 包括材料的缺陷 容器各部分的變形和致密性 壓力試驗的種類 液壓 氣壓 氣液組合 耐壓試驗一般采用液壓試驗 對不適宜進行液壓試驗的容器 可采用氣壓試驗或氣液組合試驗 氣液組合試驗的試驗壓力按氣壓試驗 外壓容器以內(nèi)壓進行耐壓試驗 對于有2個或2個以上壓力室組成的多腔容器 每個壓力室的試驗壓力按其設(shè)計壓力確定 各壓力室分別進行耐壓試驗 注意公用元件在試驗壓力下的穩(wěn)定性以及提高試驗壓力時壓力腔的強度 壓力容器耐壓試驗 111 液壓試驗試驗液體一般用水 試驗合格后應(yīng)立即將水排凈吹干 無法完全排凈吹干時 對奧氏體不銹鋼制容器 應(yīng)控制水的氯離子含量不超過25ppm 也可采用不會導(dǎo)致發(fā)生危險的其他試驗液體 但試驗時液體的溫度應(yīng)低于其閃點或沸點 并有可靠的安全措施 試驗溫度Q345R Q370R 07MnMoVR制容器 試驗液體溫度不得低于5 其他碳鋼和低合金鋼制容器試驗液體溫度不得低于15 低溫容器試驗液體溫度應(yīng)不低于殼體材料和焊接接頭的沖擊試驗溫度加20 若由于板厚等因素造成材料無塑性轉(zhuǎn)變溫度升高 需相應(yīng)提高試驗溫度 壓力容器耐壓試驗 112 氣壓試驗和氣液組合試驗試驗用氣體應(yīng)為干燥潔凈的空氣 氮氣或其他惰性氣體 試驗液體與液壓試驗相同 試驗溫度同液壓試驗 壓力容器耐壓試驗 113 耐壓試驗壓力內(nèi)壓容器液壓試驗氣壓試驗或氣液組合試驗 壓力容器耐壓試驗 外壓容器液壓試驗氣壓試驗或氣液組合試驗 114 耐壓試驗壓力對于立式容器采用臥置進行液壓試驗時 試驗壓力應(yīng)計入立置試驗時的液柱靜壓力 工作條件下內(nèi)裝介質(zhì)的液柱靜壓力大于液壓試驗的液柱靜壓力時 應(yīng)適當(dāng)考慮相應(yīng)增加試驗壓力 容器銘牌上規(guī)定有最高允許工作壓力時 以其代替設(shè)計壓力p 容器各主要受壓元件材料不同時 t取最小值 t不應(yīng)低于材料受抗拉強度和屈服強度控制的許用應(yīng)力最小值 壓力容器耐壓試驗 115 耐壓試驗應(yīng)力校核如果采用大于上述規(guī)定的試驗壓力 在耐壓試驗前 應(yīng)校核各受壓元件在試驗條件下的應(yīng)力水平 例如對殼體元件校核最大總體薄膜應(yīng)力 T液壓試驗 T 0 9ReL 氣壓試驗或氣液組合試驗 T 0 8ReL 壓力容器耐壓試驗 116 耐壓試驗的免除不能按規(guī)定進行耐壓試驗的容器 設(shè)計單位應(yīng)提出在確保容器安全運行的前提下免除耐壓試驗所應(yīng)采取的安全措施 經(jīng)設(shè)計單位技術(shù)負責(zé)人批準 并在圖樣上注明 什么情況下耐壓試驗可以免除 需要采取哪些措施 壓力試驗的免除是僅僅針對那些不可能進行耐壓試驗的現(xiàn)場組焊的大型壓力容器 如催化裂化裝置中的有隔熱層大型反應(yīng)器和再生器 基礎(chǔ)不能承受試驗液體重量的壓力容器等 不能作為一般在制造廠內(nèi)生產(chǎn)的壓力容器不進行耐壓試驗的依據(jù) 壓力容器耐壓試驗 117 耐壓試驗的免除壓力試驗免除相當(dāng)于減少了壓力容器制造過程中的一個檢驗環(huán)節(jié) 當(dāng)然應(yīng)當(dāng)采取相應(yīng)的措施以保證壓力容器的安全質(zhì)量 所采取的措施取決于使用者和設(shè)計者對容器的要求 一般性的措施如下 1 提高對壓力容器材料的要求 化學(xué)成分 力學(xué)性能和檢驗要求 2 提高結(jié)構(gòu)設(shè)計要求 盡量采用全焊透接頭 避免嚴重的幾何不連續(xù) 3 提高無損檢測的比例和級別 4 提高容器的超壓泄放的能力 壓力容器耐壓試驗 118 泄漏試驗?zāi)蛪涸囼灪细窈?對于介質(zhì)毒性程度為極度 高度危害或者設(shè)計上不允許有微量泄漏的壓力容器 應(yīng)當(dāng)進行泄漏試驗HG20584規(guī)定應(yīng)作氣密性試驗的壓力容器為 介質(zhì)為易燃易爆的 介質(zhì)毒性程度為極度或高度危害的 較高真空度要求的 有微量泄漏危機容器安全 襯里容器 和正常操作的 氣密性試驗壓力等于設(shè)計壓力 壓力容器泄漏試驗 119 泄漏試驗試驗方法 以空氣或其他惰性氣體 加壓至設(shè)計壓力 氣密性試驗 氨滲漏檢測 以氨為介質(zhì) 用試紙檢查泄漏的方法 A B C法 鹵素檢漏 氦質(zhì)譜泄漏試驗 壓力容器泄漏試驗 120 節(jié)能要求TSGR0004 2009 固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程 3 7規(guī)定 壓力容器的設(shè)計應(yīng)當(dāng)充分考慮節(jié)能降耗原則 并且符合以下要求 充分考慮壓力容器的經(jīng)濟性 合理選材 合理確定結(jié)構(gòu)尺寸 對換熱器進行優(yōu)化設(shè)計 提高傳熱效率 滿足能效要求 對有保溫或者保冷要求的壓力容器 要在設(shè)計文件中提出有效地保溫或者保冷措施 其他問題 121 關(guān)于充裝系數(shù)對于液化石油氣體 當(dāng)容器內(nèi)剩有 5 的氣相空間 溫度升高1 容器內(nèi)的飽和蒸氣壓就升高0 02 0 03MPa 由于超量灌裝 隨著溫度升高 液化石油氣的液體就會充滿整個