压力容器受力特点及工程设计.pdf

2007-9-41压力容器受力特点及工程设计压力容器受力特点及工程设计压力容器受力特点及工程设计陈冰冰陈冰冰浙江工业大学化工机械设计研究所浙江工业大学化工机械设计研究所2007-9-42内容介绍 压力容器典型受压元件应力分布特点 压力容器的设计与计算机辅助设计压力容器概论工程设计介绍软件SW6介绍2007-9-43压力容器典型元件应力分布特点压力容器典型元件应力分布特点压力容器典型元件应力分布特点2007-9-44以薄壁容器为例来说明 圆筒体受内压的应力分布 球壳受内压的应力分布 椭圆壳受内压的应力分布 锥体壳受内压的应力分布 平板受压的应力分布 各元件连接后的应力分布2007-9-45圆筒体受内压的应力分布轴向应力是周向应力的一半!2007-9-46球壳受内压的应力分布1.轴向应力与周向应力相等;2.为圆筒体周向应力的一半!2007-9-47椭圆体受内压的应力分布标准椭圆K1椭圆形封头，有效厚度不小于封头内直径的0.15%，K1椭圆形封头，有效厚度不小于封头内直径的0.30%，2007-9-48锥体受内压的应力分布最大2007-9-49平板受压的应力分布2243tPR)3(8322+tPR2007-9-410圆筒与半球形封头受压的应力分布边缘应力(是由于几何不连续引起的,具有自限性!)2007-9-411圆筒与半球形封头受压的应力分布边缘应力(几何不连续)2007-9-412圆筒与半球形封头受压的应力分布边缘应力(几何不连续)2007-9-413圆筒与半球形封头受压的应力分布边缘应力(几何不连续)2007-9-414圆筒与椭圆封头受压的应力分布注意:存在负值!2007-9-415圆筒与锥体连接受压的应力分布几何不连续产生的2007-9-416圆筒与锥体连接受压的应力分布2007-9-417圆筒与平盖连接受压的应力分布较大!2007-9-418圆筒与平盖连接受压的应力分布圆角有减轻应力集中作用2007-9-419接管区的应力分布内表面外表面应力集中,2.倍2007-9-420接管区的应力分布2007-9-421接管区的应力分布2007-9-422接管区的应力分布2007-9-423接管区的应力分布椭圆封头2007-9-424接管区的应力分布圆筒体上开孔3倍多2007-9-425接管区的应力分布球壳上2007-9-4262.44倍2007-9-4273.6倍2007-9-428H2007-9-2007-9-430压力容器的设计与计算机辅助设计压力容器的设计与计算机辅助设计压力容器的设计与计算机辅助设计2007-9-431第一节 特种设备法规体系全国人大拟定:中华人民共和国特种设备安全法2006年12月启动立法工作国务院：特种设备安全监察条例省人大：浙江省特种设备安全管理条例行政规章（8个）特种设备质量监督与安全监察规定安全技术规范、强制性国家标准容规，蒸汽锅炉安全技术规程GB150，GB151开始特种设备安全技术规范（代号TSG）的修订工作，2004年至今已颁布实施了41个，以外仍有效40多项第一层次法律第二层次行政法规第三层次部门规章第四层次第五层次引用标准容规与GB150将全面修订！2007-9-432第二节 压力容器概论定义：盛装压力介质的密闭容器(Pressure Vessel)压力容器压力容器2007-9-433压力容器GB150GB150适用范围适用范围真空度真空度0.02MPa0.02MPa的容器的容器设计压力在设计压力在0.1MPa 35MPa0.1MPa 35MPa的容器的容器内直径内直径150mm150mm的单独静止的容器的单独静止的容器2007-9-434换热容器GB151GB151适用范围适用范围固定管板式、浮头式、固定管板式、浮头式、U U形管式形管式和填料式换热器和填料式换热器公称压力公称压力PNPN 35MPa35MPa的容器的容器公称直径公称直径 DNDN2600mm2600mmDNDN与与PNPN乘积不大于乘积不大于1.751.7510104 2007-9-435压力容器安全技术监察规程1最高工作压力最高工作压力（Pw)0.1MPa1Pw)0.1MPa100MPa00MPa（不含液（不含液体静压力）。体静压力）。2内直径内直径（非圆形（非圆形截面指其最大尺截面指其最大尺寸）寸）0.15m0.15m，且容积且容积(V)(V)0.025m0.025m3 3。注注2 23盛装介质为气体、盛装介质为气体、液化气体或最高液化气体或最高工作温度高于等工作温度高于等于标准沸点的液于标准沸点的液体。体。注注3 3容积容积0.025m0.025m3 3的高压容器的高压容器2007-9-436压力容器分类根据压力容器压力管道设计许可证和压力容器制造许可证分类压力容器压力容器压力容器压力容器第二类第二类压力容器压力容器第一类第一类压力容器压力容器超高压超高压高压高压第三类第三类中、低压中、低压非金属非金属压力容器压力容器A1A2A3A4D1D2球形球形储罐储罐2007-9-437压力容器分类按容器承受的压力（P）可分为内压容器和外压容器。内压容器内压容器低压容器（代号低压容器（代号L L）0.10.1P P1.6MPa1.6MPa中压容器（代号中压容器（代号MM）1.61.6P P10MPa10MPa2 高压容器（代号高压容器（代号H H）1010P P100MPa100MPa3 超高压容器（代号超高压容器（代号U U）P P100MPa100MPa4按压力分分类分类2007-9-438压力容器的压力分级TSG R002-2005超高压容器安全技术监察规程2007-9-439容器分类二类容器二类容器三类容器三类容器一类容器一类容器反应压力容器反应压力容器换热压力容器换热压力容器分离压力容器分离压力容器储运压力容器储运压力容器低温压力容器低温压力容器高温压力容器高温压力容器常温压力容器常温压力容器非金属容器非金属容器金属容器金属容器单层容器单层容器多层容器多层容器衬里容器衬里容器夹套容器夹套容器按结构形式按容规按壁温按材料按在生产工艺过程中的作用原理外压容器 内压容器外压容器和真空容器外压容器和真空容器低压容器低压容器中压容器中压容器高压容器高压容器按承受的压力超高压容器超高压容器2007-9-440压力容器设计过程根据给定的工艺尺寸和工作条件考虑到制造和安装检修要求对压力容器的各个元件正确地选择结构、材料全面地进行载荷条件分析和应力、变形分析等选择合理的结构型式，确定合适的强度尺寸,并给出有关制造和检验的技术条件压力容器的设计压力容器的设计2007-9-441压力容器设计的基本要求 总体要求:满足使用条件下,保证安全可靠，尽量做到经济合理。具体要求:1.对设备的操作条件和载荷进行正确的分析与计算；2.对容器元件的的总体应力、局部应力和温差应力，以及可能产生的失效形式等进行全面分析和评估；3.正确选择材料和合理的结构设计；4.必须遵守我国的有关标准、规范和制造技术条件；5.对于重要容器，还应进行全面的技术经济分析。2007-9-442符合各项结构上的要求结构要求结构要求BBF FC CE EAAGGDD强度强度强度强度耐久性耐久性刚度刚度操作运输方便操作运输方便制造方便制造方便材料消耗量材料消耗量密封性密封性2007-9-443值得引起注意的：在设计压力容器时，应考虑到其可能产生的失效形式。所谓“失效“是指容器在载荷作用下丧失其正常工作能力。强度失效或发生过量的弹塑性变形在压应力作用下容器的稳定失效高温下的蠕变破坏低温或有缺陷时的脆性断裂常见的压力容器失效形式交变载荷作用下的疲劳破坏腐蚀破坏密封失效EN，ASME最新标准体现了这种思想！2007-9-444压力容器设计总图的要求压力容器的名称、类别：设计条件：工作和设计条件下的压力及温度、介质、腐蚀裕量、焊接接头系数、充装系数、设备最大质量等；主要受压元件的材料和对材料的要求；压力容器的全容积、换热设备的换热面积与程数等；制造、热处理及防腐蚀要求；无损检测要求；耐压试验和气密性试验的要求；安全阀、爆破片等安全附件的规格和要求；压力容器的名牌位置；包装、运输、现场组焊和要求安装；2007-9-445压力容器设计总图的特殊要求 下列情况的特殊要求：（1）夹套压力容器应分别注明壳体和夹套的试验压力、允许的内外压差，以及试验步骤和试验的要求；（2）装有触媒的反应器和装有充填物的大型压力容器，应注明使用过程中定期检查的要求；（3）因结构原因不能进行内部检查的，应注明计算壁厚、使用中定期进行检查（测厚）和耐压试验的要求；（4）对不能进行耐压试验和气密性试验的，应注明计算壁厚和制造、使用的特殊要求，并应与使用单位协商提出推荐的使用年限等；（5）对有耐热衬里的反应器，应注明防止受压元件超温的技术要求。2007-9-446装设安全阀、爆破装置的压力容器容规第33条规定：必要时，设计单位应向使用单位提供压力容器安全泄放量、安全阀排量和爆破片泄放面积计算书，无法计算时，应征求使用单位意见，协商选用安全泄放装置。2007-9-447第三节 内压薄壁压力容器的工程设计一、薄壁圆筒体设计公式说明一、薄壁圆筒体设计公式说明 GB150按弹性失效准则来判定受压元件的强度。第一强度理论 称最大主应力理论。第三强度理论 称最大剪应力理论。第四强度理论 称最大剪切变形能理论。1 eq=13()eq=2221223311()()()2eq=[phone]圆筒体由无力矩理论知轴向应力环向应力由第一强度理论的:式中p设计压力，MPa;R筒体平均半径，mm；D筒体平均直径，mm；筒体计算厚度，mm；设计温度下材料的许用应力，MPa（或N/mm2）。t12pD=24pD=1 2tpD=薄壁圆筒体设计公式薄壁圆筒体设计公式薄壁圆筒体设计公式薄壁圆筒体设计公式2007-9-449GBl50钢制压力容器中圆筒厚度计算公式（5-1），是采用的第一强度理论推导出的中径公式。该式适用范围：，相当于内外径之比K1.5。0.4tPc薄壁圆筒体薄壁圆筒体薄壁圆筒体薄壁圆筒体2 citcp Dp=2007-9-450二、压力容器设计中一些参数的定义二、压力容器设计中一些参数的定义1.压力2.温度3.厚度4.载荷5.许用应力6.焊缝接头系数7.压力试验2007-9-4511.压力1.压力工作压力：工作压力：指在正常工作情况下，容器顶部可能达到的最高工作压力。设计压力设计压力：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，其值不低于工作压力。计算压力：计算压力：指在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。试验压力：试验压力：指在压力试验时，容器顶部的压力。2007-9-4522.温度2.温度 设计温度设计温度：指容器在正常工作情况下，设定的元件的温度（沿元件金属截面的温度平均值）。设计温度和设计压力一起作为设计载荷条件。试验温度：试验温度：指压力试验时，壳体的金属温度。3.厚度3.厚度计算厚度：计算厚度：指按各公式计算得到的厚度。需要时尚应计入其他载荷所需厚度（见下面的载荷）。设计厚度：设计厚度：指计算厚度与腐蚀裕量之和。名义厚度：名义厚度：指设计厚度加上钢板负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，既标注在图样上的尺寸。有效厚度：有效厚度：指名义厚度减去腐蚀裕量和钢板负偏差。3.厚度3.厚度加工减薄量dne1C2CC下料计算厚度腐蚀余量设计厚度4.载荷4.载荷 内压、外压或最大压差；液体静压力；容器的自重（包括内件和填料）；附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯、平台等的重力载荷；风载荷、地震载、雪载荷；支座、底座圈、支耳及其他型式支撑件的反作用力；连接管道和其他部件的作用力；温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力；包括压力急剧波动的冲击载荷。5.许用应力5.许用应力 钢材（除螺栓材料外）的许用应力与螺栓等材料的许用应力见GB150-98； 材料 许用应力 取下列各值中的最小值，MPa 碳素钢、低合金钢 0.3b 6.1s 6.1ts 5.1tb 0.1tn 高合金钢 0.3b ()5.12.0s ()5.1)12.0tts 5.1tD 0.1tn 1）对奥氏体高合金钢受压元件，当设计温度低于蠕变温度范围，且允许有微量的永久变形时，可适当提高许用应力至 0.9 ts（t2.0）但不超过()5.12.0s。此规定不适用于法兰或其他有微量永久变形就产生泄漏或故障的场合。nb=2007-9-458在设计中，如需计入复层材料的强度时，其设计温度下的许用应力按下式确定：设计温度下符合钢板的许用应力，MPa设计温度下基层钢板的许用应力，MPa设计温度下复层材料的许用应力，MPa基层钢板的名义厚度，mm基层材料的厚度，不计入腐蚀裕量，mm 212211+=ttt t t1 2007-9-4596.焊接接头系数6.焊接接头系数对容器来说，主要存在两种对接焊缝，即纵向对接焊缝与环向对接焊缝双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透对接接头100%无损检测=1.00 局部无损检测 =0.85对于单面焊对接接头（沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板）100%无损检测=0.9 局部无损检测 =2007-9-4607.压力试验7.压力试验液压试验气压试验气密性试验液压试验气压试验气密性试验压力试验的确定：内压容器压力试验的确定：内压容器液压试验：气压试验：外压容器和真空容器外压容器和真空容器液压试验：气压试验：试验压力，Mpa设计压力，MPa ttpp25.1=ttpp15.1=ppt25.1=ppt15.1=2007-9-461容器在压力试验前还必须进行应力校，校核公式为：容器在压力试验前还必须进行应力校，校核公式为：试验压力下圆筒的应力 MPa圆筒内直径 mm 试验压力 MPa圆筒的有效厚度 mm应满足的条件：液压试验时，0.9气压试验时，0.9圆筒材料在试验温度下的屈服点（或0.2%屈服强度），MPa 圆筒的焊接接头系数eeittDp2)(+=tiDtpettt()2.0s()2.0s()2007-9-462三、压力容器设计材料三、压力容器设计材料 压力容器用钢材类型主要有钢板、钢管、锻件、螺柱和螺母。选择压力容器用钢应考虑容器的使用条件，例如：设计压力、设计温度、介质特性、和操作特点等，从而选择钢材为焊接性能良好的钢材，同时还要考虑到容器的制造工艺和经济合理性。详细见GB150-98中规定。2007-9-463四、压力容器设计计算软件包四、压力容器设计计算软件包SW6过程设备强度计算软件包，以下简称 SW6-98。该软件包是以:GB150钢制压力容器；GB151钢制管壳式换热器；GB12333钢制球形储罐；JB4710钢制塔式容器；JB4731钢制卧式容器;HG20582钢制化工容器强度计算规定为编制依据。它的运行环境为WINDOWS系统，此软件在运行过程中直观、方便、灵活。该软件包含了10个设备计算程序，每个设备计算程序既可进行设备的整体计算，也可进行该设备中某一个零部件的单独计算。2007-9-4641.SW6-98在使用过程中有以下特点在使用过程中有以下特点 在数据输入时可随时退出程序运行 程序运行时数据输入和运算可以任意交替进行 对于结构数据的输入在界面上采取了图形提示 在一个设备计算程序中，各数据输入页面可方便的随意切换 计算结果可用两种形式输出。一种是屏幕显示，另一种是通过WORD以表格形式打印输出或作为文件存放2007-9-4652SW6-98软件内容软件内容 SW6-98软件有10个设备级计算程序，一个零部件计算程序和一个用户材料数据库管理程序。每个计算程序有对应的一组图标，只要点击图标就能使某个程序运行。SW6-98对一种设备的输入数据文件都规定了一个后缀名。2007-9-4662SW6-98软件内容软件内容界面介绍2007-9-46710个设备计算程序和一个零部件计算程序的后缀名见下表10个设备计算程序和一个零部件计算程序的后缀名见下表 程序计算内容 输入数据文件 名后缀名程序计算内容 输入数据文 件名后缀名塔设备 .col浮头式换热器 .efe填函式换热器 .efe带夹套立式容器（带或不带搅拌）.rec高压设备 .hpv卧式容器 .htk球形储罐 .sph固定管板换热器 .fix非圆形容器 .ncv U 形管换热器 .uex零部件 2007-9-2007-9-2007-9-470输入基本设计参数2007-9-471基本理论公式2007-9-2007-9-473是标准法兰,则按标准选2007-9-474华特氏（Waters)法2007-9-2007-9-476等面积补强!2007-9-2007-9-2007-9-2007-9-2007-9-2007-9-482举例立式搅拌容器立式搅拌容器校核 立式搅拌容器校核 计算单位浙江工业大学化工机械研究所浙江工业大学化工机械研究所 筒体设计条件 内 筒 夹 套 设计压力 p MPa 0.89 0.23 0.89 0.23 设计温度 t C 200 200 200 200 内径 Di mm 1200 1300 1200 1300 名义厚度 n mm 10 610 6 材料名称 20R20R Q235-BQ235-B 许用应力 133 113 133 113 t MPa 123 105 123 105 压力试验温度下的屈服点 ts 245 235 245 235 钢材厚度负偏差 C1 mm 0 0.60 0.6 2007-9-483举例立式搅拌容器腐蚀裕量 C2 mm 2 22 2 厚度附加量 CC1C2 mm 2 2.62 2.6 焊接接头系数 0.85 0.850.85 0.85 压力试验类型 液压 液压液压 液压 试验压力 pT MPa 1.2 0.311.2 0.31 筒体长度 Lw mm 1400 10001400 1000 内筒外压计算长度 L mm 10001000 2007-9-484举例立式搅拌容器封 头 设 计 条 件 筒体上封头 筒体下封头 夹套封头 封头形式 椭圆形 大端有折边锥形 大端有折边锥形椭圆形 大端有折边锥形 大端有折边锥形名义厚度 n mm 12 15 7 12 15 7 材料名称 20R20R 20R20R Q235-B Q235-B 设计温度下的许用应力 tMPa 123 123 105 123 123 105 钢材厚度负偏差 C1 mm 0 0 0.6 0 0 0.6 腐蚀裕量 C2 mm 2 2 2 2 2 2 厚度附加量 CC1C2 mm 2 2 2.62 2 2.6 焊接接头系数 0.850.85 0.850.85 0.850.85 2007-9-485请看演示请看演示请看演示2007-9-486谢谢大家！谢谢大家！谢谢大家！