化工设备设计基础8

llDCHAP.8内压容器1.概述本章内容主要涉及两个方面(1)设计压力容器：根据强度、刚度条件，确定容器各受压元件厚度；(2)校核在用容器；a.使用一段时间后是否安全;b.该容器针对某一使用条件需要判废时,提出判废依据;c.若不能在原设计条件下使用时，提出其最高允许工作压力.2.设计参数的确定1）容器直径考虑到压制封头胎具的规格及标准配套选用的需要，容器的直径不可随意选取。对于卷制筒体，按表8-1。300（350）400……4000括号中的尺寸尽量少采用。当用无缝钢管做筒体时，以外径作为它的公称直径，见表8-2。219273325377426llDCHAP.8内压容器2）工作压力与设计压力P设计压力是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。用P表示。工作压力在操作过程中不断变动，其顶部和底部的压力可能不同。将容器在正常操作情况下容器顶部可能会出现的最高工作压力称为容器的最大工作压力。用Pw表示。内压容器在正常工作情况下，容器顶部可能出现的最高压力真空容器在正常工作情况下，容器可能出现的最大真空度外压容器在正常工作情况下，容器可能出现的最大内外压力差设计压力取值：（a）装有安全阀P=(1.05~1.1)PW（b）装有爆破片P=(1.15~1.75)PW（c）固定式液化气体压力容器按表8-4规定（d）固定式液化石油气储罐按表8-5规定llDCHAP.8内压容器（e）真空容器按外压设计，设计压力取安全装置较小值无安全装置P=0.1Mpa（f）对带夹套的真空容器，设计压力为上述真空容器的设计压力再加上夹套内的设计压力。夹套容器：内筒接内压设计，外压校核外筒容器：内压设计1.25倍最大内外压力差0.1MPa3）设计温度T设计温度指容器在正常操作情况下，在相应设计压力下设定的受压元件的金属温度(截面温度的平均值)。其值不得低于容器工作时容器壁可能达到的最高温度；当金属温度低于0℃时，不得高于可能达到的最低温度。高温下，材料屈服强度下降,且材料可能进入蠕变范围低温下,材料韧性降低,且可能发生脆性转变。所以取两种温度。llDCHAP.8内压容器4）计算压力PC计算压力是指在相应设计温度下,用以确定受压元件厚度的压力,其中包括液柱静压力。当液柱静压力小于5%设计压力时,可以不计入液柱静压力的影响。PPc=P+rH设计工作中,Pc与P区别主要有以下几点:a在某些场合P≠Pc；（考虑液柱静压力，夹套容器）b水压试验压力PT由设计压力P确定;c压力容器的类别划分是按照容器设计压力P划分.仅强度计算中用到PC,设计压力比计算压力应用广泛.llDCHAP.8内压容器5）许用应力许用应力由材料的力学性能除以相应的安全系数而得。影响许用应力的因素：1使用温度2钢板厚度表8-9中，高合金钢（不锈钢）：对筒体等允许产生微量变形，许用应力取高值；对法兰等不匀许产生微量变形，许用应力取低值。表8-6碳素钢板的许用应力表8-7低合金钢板的许用应力表8-8低、中温用钢板的许用应力表8-9高合金钢板的许用应力llDCHAP.8内压容器6）焊接接头系数因为焊接是容器上比较薄弱的环节，一般来说焊缝自身有可能低于没有参与焊接钢板自身的强度指标，因此引入一个焊接接头系数来补偿焊缝对设备强度的削弱。的大小由焊接接头的结构形式和对焊接接头进行无损探伤的比例确定。*2m表8-10壳体与封头的焊接接头都是对接接头对接焊缝，有纵向、环向两种。由于，纵缝承受的是环向薄膜应力，因此针对纵向焊缝焊接接头。llDCHAP.8内压容器表8-10焊接接头系数llDCHAP.8内压容器3.内压容器筒体与封头厚度的计算1)内压圆筒的五种厚度及其确定方法(1)理论计算厚度为能安全承受计算压力PC(必要时尚需计入其他载荷)所需的最小理论计算厚度,用表示。3tr2tPD2tPD2tPDiDDP=PC*2citcPDPllDCHAP.8内压容器3.内压容器筒体与封头厚度的计算（2）设计厚度d引入腐蚀裕量C2,,2dC2*Cn为介质对钢板的年腐蚀率，n为使用寿命（3）名义厚度n任何钢板出厂时都允许有一定的负偏差，引入C1——钢板厚度负偏差，见表8-11。211CCCdn（4）有效厚度e图样上标注的厚度即是名义厚度。真正可以承受介质压强的厚度称为有效厚度，用表示。e21CCnellDCHAP.8内压容器例题8-1已知Di=1m,=12mm,P=2Mpa,=1,C2=2mm,20R,=133Mpa试求计算厚度，设计厚度，圆整值以及有效厚度。nt解:*2*10007.582[]2*133*12citcPDP27.5829.58dC19.5809.582.42ndC12120210enCCllDCHAP.8内压容器厚度系数其值越大,容器在强度上安全储备也越大。e允许的最大压力PP][（5）最小厚度min为了满足容器在制造，运输以及安装过程中最小刚度要求，根据工程经验规定的不包括腐蚀裕量的最小厚度。mina.对于碳素钢和低合金钢制容器，不小于3mm;b.对于高合金钢制容器，不小于2mm.minminnllDCHAP.8内压容器当筒体,应取作为计算厚度，有以下几种方法确定：minminn2min1min,.CCan时当21min1min,.CCCbn时当llDCHAP.8内压容器n例题8-2试确定，，以及已知：PC=0.18MPa和0.28MPa,=113Mpa,Di=2m,C2=2mm,=0.85材质Q235-Bdent解:(1)Pc=0.18MPa9.118.085.0*113*22000*18.0][2*cticPDP5.25.025125231.19.132min1minmin,CCCCnedn且因(2)Pc=0.28MPa9.228.085.0*113*22000*28.0][2*cticPDP4.36.0261264.06.0231.09.2312min1minmin,CCCCCnen且因llDCHAP.8内压容器n2）内压凸形封头厚度计算封头又名端盖,按其形状可分为三类:a凸形封头:半球形封头,椭圆形封头,碟形封头,球冠形封头b锥形封头:带折边和不带折边的c平板形封头:从封头设计力学模型来看,凸形封头和锥形封头都是回转壳体,以薄膜理论为基础分析,同时考虑到封头与筒体连接处的边缘应力。平板封头以平板弯曲为基础,对圆平板进行理论分析。llDCHAP.8内压容器n半球形封头(1)制造技术图8-1对于Di2500mm的球形封头,常用整体(块)钢板一次冲压成型(热成型)；对于Di2500mm的球形封头,常用数块球瓣拼焊接而成.分辨冲压可使模具减小,制造方便。(2)强度条件pDpDDPDPDticitrm][4][443球形封头连接处的弯矩为0,剪力很小,所以其边界上的边界应力不考虑。计算同筒体.end,,指所有拼缝接头系数（纵缝、环缝）。注意包括球封与圆筒连接的环缝系数。llDCHAP.8内压容器(3)结构特点①从名义来看，球形封头的应力最小，承载能力最高。②从几何角度来看，相同容积的封头，球形封头表面积最小，材料最省。③从制造来看，制造困难，容易出现皱折。标准椭圆形封头（1）封头几何形状DNh1h2t直边高度h2取25，40当DN=2000,h2=25;DN2000,h2=40直边作用：使焊缝错开边缘应力区，改善应力分布。llDCHAP.8内压容器（2）强度分析对于标准椭圆封头来说，（a/b=2）最大薄膜应力位于椭球的顶点3()24[]44[]2[]0.522[]0.5mtricicicitttcccPaamPDbmPDDDmPDPDPDmmPmPP指所有拼缝接头系数。不包括椭封与圆筒连接的环缝系数。整体冲压时，1llDCHAP.8内压容器（3）结构特点①从应力角度，应力较球形封头次之，但比其他凸形封头都好。②从几何角度看，相同体积的封头，其表面积较球壳次之。③制造比球形封头较易冲压成型。（4）最小厚度考虑到内压的椭圆形封头在赤道处产生环向压缩薄膜应力，规定标准椭圆封头的计算厚度不得小于封头内径的0.15%，即iD10005.1min拉应力——强度计算压应力——稳定控制212()62iiDKh22iiDmhllDCHAP.8内压容器碟形封头（1）几何形状半径为Rc的球壳，半径为r的环状壳体，及直边段圆柱形壳体三部分组成。一般情况下，RrDNh1h2ticcicDRrRrDR9.03,1.0,标准且（2）强度分析以薄膜应力为基础，考虑到弯曲应力，计入应力增强系数M，M值见表8-13。)3(41rRMciM与形状有关，也称形状系数。llDCHAP.8内压容器碟形封头（2）强度分析球壳面的一次薄膜应力为2cspPR考虑弯曲变形时较大曲率变化和弯曲应力影响，折边内的应力*2cspPRMM折＝cticicictcicctciccictrPDPMDRPRMPMPRMPRR5.0][219.0,*5.0][25.0][25.0][3或令折指所有拼缝接头系数。不包括椭封与圆筒连接的环缝系数。整体冲压时，1llDCHAP.8内压容器（3）结构特点①从应力角度，应力较椭球形封头次之；②从几何角度看，相同体积的封头，其表面积较椭球封头大，材料消耗大；③制造较方便。（4）最小厚度考虑到内压的碟形封头也会产生环向压缩薄膜应力，考虑到弹性失稳，规定：iiDMDM%3.0,34.1%15.0,34.1minminllDCHAP.8内压容器球冠形封头（1）几何形状将碟形封头的过渡圆弧及直边部分都去掉,只留下球面部分,并把它直接焊在圆柱壳体上,就构成了球冠形封头。一般用作容器中两个相邻承压空间的中间封头，或用作端封头。T形接头必须全部焊透，使用压力一般都不高。（2）强度分析考虑到边界应力,2citcQPDP如果凸面受压，封头壁厚除按照上式计算外，还要进行稳定性的校核计算。Q值从三组曲线中查，值取法同半球形封头。llDCHAP.8内压容器例8-3已知：Di=800mm，P=0.8MPa,[]t=110MPa,焊接接头系数=1，试分别求半球形封头、标准椭圆形封头及碟形封头的计算厚度。解：取Pc=P（1）半球形封头citcPD0.8*8001.54[]P4*110*10.8（2）标准椭圆形封头citcPD0.8*8002.92[]0.5P2*110*10.5*0.8（2）碟形封头ccitcMPR1.4*0.8*7203.72[]0.5P2*110*10.5*0.8llDCHAP.8内压容器大端有折边3）内压锥形封头计算（1）锥形封头的结构形式a.按照平盖设计，本节不讨论。不能用薄膜应力理论，用弯曲应力计算。60b.大端无折边，303045c.小端无折边45小端有折边llDCHAP.8内压容器3）内压锥形封头计算（2）不带折边锥形封头壁厚的确定锥形封头的最大薄膜应力位于锥体的大端，其值为mtr3icicittccPD14cosPD1