压力容器设计.ppt

,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,,设计条件,4-2设计准则,,,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,压力容器设计准则,,,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,,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,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,槽形绕带式,（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,单层内压圆筒,壁厚计算,强度校核,工作应力,最大允许工作压力,,,按塑性失效设计准则,按爆破失效设计准则,,,多层圆筒壁厚,注意,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p,1、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≥PW,3、PCPPL当PL≤5P时，PL可忽略不计,设计压力的规定,1、容器上装有安全阀时P1.051.10PW2、容器上装有爆破膜时P1.151.30PW3、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C10。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C10。,钢板厚度负偏差,焊接接头系数,材料许用应力,,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,,1、试验压力,●内压容器,●外压容器和真空容器,●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,,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,●外压容器和真空容器,1、气压试验,2、强度校核,●容器上没有安全泄放装置，气密性试验压力PT1.0P。,●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PT1.0PW。,气密性试验,练习题,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,几何参数计算图,壁厚计算图,外压圆筒设计设计步骤,1、真空容器有安全装置时无安全装置时p0.1Mpa,2、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-pimax,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m3.0球壳m14.52,计算长度,,加强圈设计,两个条件,1、筒体不失稳要求LS≤Lmax,2、加强圈不失稳要求IS≥I,1、筒体不失稳要求LS≤Lmax,2、加强圈不失稳要求IS≥I,1、初步取加强圈的数目和间距,3、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510C，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），两端为标准椭圆形封头，圆筒和封头名义厚度均为12mm，其中壁厚附加量C2mm；容器负压操作，最高操作温度50C。（1）试确定容器最大允许真空度为多少mmHg（2）该容器是否应设置安全控制装置,,外压圆筒和加强圈练习题,现有一真空塔，材料为Q235-A，Di2500mm，封头为标准椭圆形封头，塔体部分高20m包括直边段，设计温度250C，腐蚀裕量2.5mm。1、确定塔体圆筒壁厚。2、塔体上均匀设置6个加强圈（材料与塔体相同）后的筒体壁厚。,,三、封头设计,封头形式,α＜30,30＜α＜60,,内压半球形封头,,凸形封头,半球形封头,,外压半球形封头,,,椭圆形封头,内压椭圆形封头,,,标准椭圆形封头δe≥0.15Di非标准椭圆形封头δe≥0.30Di,椭圆形封头的最小厚度,外压椭圆形封头,与外压半球形封头计算方法相同R0K1D0K1----系数（表4-5）,碟形封头,要求r≥0.1Di且r≥3δRi≤Di,标准碟形封头r0.17DiRi0.9Di,碟形封头,,内压碟形封头,标准碟形封头δe≥0.15Di非标准碟形封头δe≥0.30Di,碟形封头的最小厚度,外压碟形封头,与外压半球形封头计算方法相同R0----碟形封头球面部分外半径,1、半球形封头,2、椭圆形封头按半球形封头计算壁厚R0K1D0,3、碟形封头按半球形封头计算壁厚，R0取球面部分外半径。,4、无折边球形封头按半球形封头计算壁厚,,总结,α≤30,α＞30大端应设折边，r≥0.1Di且r≥3δ,α＞45小端也应设折边，rs≥0.05Dis且rs≥3δr,,锥形封头,内压无折边锥形封头,,,大端,取大值,内压带折边锥形封头,,外压锥形封头,,等效圆筒,,与外压圆筒的壁厚计算方法相同,,壁厚,DC----平盖计算直径K----结构特征系数（表4-8）,圆形平盖,