压力容器的设计步骤

作者:浙江体彩网发布日期:2020-12-13 18:50

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  储气罐——压力容器的设计步骤 1. 确定压力容器设备的各项参数:压力,介质,温度 最高工作压力为 1.5MPa,工作温度为常温 20℃,工作介质为压缩空气,容积为 2m3 确定压力容器的类型 容器类别的划分在国家质量技术监督局所颁发的《压力容器安全技术监察规程》 (以下简称容规)第一章中有详细的规定,主要是根据工作压力的大小、介质 的危害性和容器破坏时的危害性来划分。 储气罐为低压(1.6MPa)且介质无毒不易燃,应为第Ⅰ类容器。 2. 确定设计参数 (1)确定设计压力 容器的最高工作压力为 1.5MPa, 设计压力取值为最高工作压力的 1.05~1.10 倍。 取 1.05 还是取 1.10,取决于介质的危害性和容器所附带的安全装置。 介质无害或装有安全阀等就可以取下限 1.05,否则上限 1.10。 介质为压缩空气,管路中有泄压装置,符合取下限的条件,则得到设计压力为 Pc=1.05x1.4 (2)确定设计温度 一般是在用户提供的工作温度的基础上,再考虑容器环境温度而得。 如在室外在工作, 无保温, 容器工作温度为 30℃, 冬季环境温度最低可到-20℃, 则设计温度就应该按容器可能达到的最恶劣的温度确定为-20℃。 《容规》提供 了一些设计所需的气象资料供参考。 假定在容器在室内工作,取常温为设计温度。 (3)确定几何容积 按结构设计完成后的实际容积填写。 (4) 确定腐蚀裕量 根据受压元件的材质、介质对受压元件的腐蚀率、容器使用环境和容器的使用 寿命来确定。 先选定受压元件的材质,再确定腐蚀裕量。 《容规》对一些常见介质的腐蚀裕量进行了一些规定。工作介质对受压元件的 腐蚀率主要按实测数据和经验来确定,受使用环境影响很大,变数很多,目前 无现成的数据。 介质无腐蚀的容器,其腐蚀裕量取 1~2mm 即可满足使用寿命的要求。 取腐蚀裕量为 2mm。 (5)确定焊缝系数 焊缝系数的标准叫法叫焊接接头系数,GB150 对其取值与焊缝检测百分比进行 了规定。 具体取值,可以按《容规》所规定的种情况选择: 其焊缝系数取 1,即焊接接头应进行 100%的无损检测,其他情况一般选焊缝系 数为 0.85。 本例选焊缝系数为 0.85。 (6)主要受压元件材质的确定 材质的确定在满足安全和使用条件的前提下,还要考虑工艺性和经济性。 GB150 对材料的使用有规定。 比较常用的材料有 Q235,16MnR 和 0Cr18Ni9 这几种材料。 1.0Cr18Ni9 一般用于低于-20℃的低温容器和 对介质有洁净要求的容器,如低温分离器、氟利昂蒸发器等; 2.16MnR 一般用于对安全性要求较高、使用 Q235-B 时壁厚较大的容器,如油、 天然气等。 3.Q235-B 使用最广也最经济,GB150 第 9 页对其使用条件作了详细规定: 规定设计压力≤1.6MPa; 钢板使用温度 0℃~350℃; 用于壳体时厚度不得大于 20mm,且不得用于高度危害的介质。 储气罐使用压力、温度和介质都符合 Q235-B 的条件,厚度还未知,若超过了 20mm,能使用 16MnR。 暂定使用 Q235-B。 3.确定设备基本尺寸 (1)确定容器直径 首先要确定容器直径。如果是圆筒型压力容器,一般取长径比为 2~5,很多情 况下取 2~3 就可以了。 本例要求容器的几何容积为 2m3 。 先设定直径,再根据此直径和容积求出筒体高度,验算其长径比。设定的直径 应符合封头的规格。 有了容器直径,可按照 GB150 公式计算出厚度。此厚度即为计算厚度,其名义 厚度为计算厚度与腐蚀裕量之和,再向上圆整到钢板的商品厚度。 如果腐蚀裕量为 2mm,与计算厚度之和为 10.30mm,与之最接近的钢板商品厚 度为 12mm,故确定容器厚度为 12mm,并且此值符合 Q235-B 对厚度不超过 20mm 的要求。 另外本例若选择腐蚀裕量为 1mm 经济性会好得多,可以思考一下为什么? 至此,得到容器外形。 (2)按照工艺要求确定配置各管口的法兰和接管。 容器上开孔要符合 GB150 的规定,要进行补强计算,如满足 GB150 不需补强的 条件,可不必再计算补强。 应尽量满足 GB15 条件,安全性和经济性都最好,避免增加补强圈。 法兰及其密封面型式 法兰及其密封面型式是设计协议书中要求的, 1.压力等级必须高于设计压力; 2.其材质一般与筒体相同; 3.确定管口在壳体上的位置时,在空间较为紧张的情况下,一般也应保持焊缝与 焊缝间的距离不小于 50mm,以避免焊接热影响区的相互叠加。 检查孔 除了用户要求的管口外, 《容规》第 45 条(p26)还对检查孔的设置进行了规定。 本例直径为 1000mm,按规定必须开设一个人孔。查《回转盖平焊法兰人孔》标 准 JB580-79 压力容器与化工设备实用手册 p614,选择压力 1.6MPa 级、公称直 径 450 的人孔,密封型式为 A 型,其接管为φ 480x10。因人孔开孔较大,所以 人孔一定要使用补强圈补强,查《补强圈》标准 JB/T4736,补强圈外径为 760, 厚度一般等同于筒体。人孔的位置以方便出入人孔为原则,应尽量靠近下封头。 本例选定人孔中心距下封头环焊缝 500。 立式容器的支座一般选用支承式支座 JB/T4724(压力容器与化工设备实用手册 (3)技术要求的书写 1 本设备按 GB150-1998《钢制制压力容器》进行制造、试验和验收,并接受 国家质量技术监督局颁发的《压力容器安全技术监察规程》的监督。 2 焊接采用电弧焊,焊条牌号:焊接采用 J422。 3 焊接接头型式和尺寸除图中注明外, 按 HG20583 的规定进行施焊: A 类和 B 类焊接接头型式为 DU3; 接管与筒体、封头的焊接接头型式见接管表;未注角 焊缝的焊角尺寸为较薄件的厚度;法兰的焊接按相应法兰标准的规定。 4 容器上的 A 类和 B 类焊接接头应进行射线探伤检查, 探伤长度不小于每条 焊缝长度的 20%,其结果应以符合 JB4730 规定中的 Ⅲ 级为合格。 4.进行强度计算校核 压力容器的制造工艺 压力容器, 储气罐, 规格Φ 1000×2418×10, 设计压力 1.78MPa, 设计温度 40℃, 属二类压力容器。通过该压力容器的试制,对压力容器的制造工艺流程有了更 深的了解。 工艺流程:下料——成型——焊接——无损检测——组对、焊接——无损 检测——热处理——耐压实验 一、选材及下料 (一)压力容器的选材原理 1.具有足够的强度,塑性,韧性和稳定性。 2.具有良好的冷热加工性和焊接性能。 3.在有腐蚀性介质的设备必须有良好的耐蚀性和抗氢性。 4.在高温状态使用的设备要有良好的热稳定性。 5.在低温状态下使用的设备要考虑有良好的韧性。 (二)压力容器材料的种类 1.碳钢,低合金钢 2.不锈钢 3.特殊材料:①复合材料(16MnR+316L) ②刚镍合金 ③超级双向不锈钢 ④哈氏合金(NiMo:78% 20%合金) (三)常用材料 常用复合材料:16MnR+0Gr18Ni9 A:按形状分:钢板、棒料、管状、铸件、锻件 B:按成分分: 碳素钢:20 号钢 20R Q235 低合金钢:16MnR、16MnDR、09MnNiDR、15CrMoR、16Mn 锻件、20MnMo 锻件 高合金钢:0Cr13、0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti 尿素级材料:X2CrNiMo18.143mol(尿素合成塔中使用,有较高耐腐蚀性) 二、下料工具与下料要求 (一)下料工具及试用范围: 1、气割:碳钢 2、等离子切割:合金钢、不锈钢 3、剪扳机:&≤8 ㎜ 4、锯管机:接管 5、滚板机:三辊 (二)椭圆度要求: (三)错边量要求:见下表 (四)直线度要求: 三、焊接 (一)焊前准备与焊接环境 1、焊条、焊剂及其他焊接材料的贮存库应保持干燥,相对湿度不得大 于 60%。 2、当施焊环境出现下列任一情况,且无有效防护措施时,禁止施焊: A)手工焊时风速大于 10m/s B)气体保护焊时风速大于 2m/s C)相对湿度大于 90% D)雨、雪环境 (二)焊接工艺 1、容器施焊前的焊接工艺评定,按 JB4708 进行 2、A、B 类焊接焊缝的余高不得超过 GB150 的有关规定 3、焊缝表面不得有裂纹、气孔、弧坑和飞溅物 (三)焊缝返修 1、焊逢的同一部位的返修次数不宜超过两次。如超过两次,返修前均 应经制造单位技术总负责人批准,返修次数、部位和返修情况应记入容器的质 L≤2500 ㎜ 切边为直边 量证明书。 2、要求焊后热处理的容器,一般应在热处理前进行返修。如在热处理后 返修时,补焊后应做必要的热处理 四、无损探伤 (一)理论 1.定义:借用于现今的手段和一起在不损坏和破坏材料机器及其结构的情况下 对它们的化学性质、机械性能以及内部结构进行检测。 2.目的: ① 确保工件和设备的质量,保证设备的正常运行。 射线: RT 超声波 UT (焊缝、 锻件) 磁粉 MT (检查铁磁性表面) 透 PT(表面开口缺陷) ②改善制造工艺 ③降低成本 ④提高设备的可靠性 3.应用特点: ①无损检测要与破坏性试验相结合。 ②正确的选用最适当的无损检测。 ③正确使用无损检测的时机 ④综合应用各种无损检测方法 4.应用范围: ①组合件的内部结构或内部组成的检查,不破坏对象,利用射线检查内部情况。 ②材料,铸、锻件和焊缝间检查。 ③材料和机械的质量检测。 ④表面测厚 5.焊缝缺陷:①裂纹:有冶金因素和应力因素或者是由组织因素和致脆因素、氢 等的综合作用所引起的局部断裂。 ②气孔:焊接过程中溶入液体金属的气体在金属凝固结晶时来不及 逸出而留在焊缝内形成的空纹。 ③夹渣:焊接过程中,溶池内冶金反应所生成的非金属夹杂物,由 于各种原因来不及浮出表面而留在焊缝内。 ④未焊透:是焊缝金属与母材或焊缝金属之间未被热源熔化而留下 来的局部空隙。 ⑤夹钨 (二)射线mm <200mm 射线性质:①都是电磁波 ②具有两重性:波动性、粒子性 射线特性:①不可见 ②直线传播,有衍射,绕射能穿透物质,使物质电离,能使胶片 感光,也能使增感材料产生荧光,伤害有生命的细胞。 防护学:①时间 ②距离 ③躲避 (三)超声波探伤法 利用超声波在组件中的传播,经反射接收后根回波判断是否有缺陷的方法。 (四)MT 磁粉探伤: ①操作简单,直观。 ②铁磁性材料(表面和内表面)首先 MT ③检测缺陷位置和表面长度而不能确定深度。 特点:检查静表面缺陷 (五)PT 渗透 涂上渗透液→进入毛细管→清洗→回渗 检测:开口缺陷,表面光洁度 五、压力容器的热处理: (一) 正火 ① 目的:细化晶粒,提高母材及常化处理焊缝的综合机械性能,消除冷作硬化, 便于切削加工。 ② 方法: 把要正火的零件放入加热炉中加热到一定温度按每毫米 1.5 分~2.5 分 保温出炉空冷,风冷或雾冷。 ③ 应用:16MnR 高温保温时间过长,使奥氏体晶粒大(正火) 35﹟锻件(正 火)封头,筒体(正火) (二) 调质处理: ① 目的:提高零件的综合机械性能。 ② 方法:淬火+高温回火(500℃以上) 。得到索氏体。 ③ 应用:封头,筒体,法兰,管板等。 20MnMo 20MnMoNb 13MnNiMoNb 900℃~950℃ 2 分~3.5 分/mm 水冷+空冷。 螺栓螺母: ①35CrMoA 25Cr2MoVA 35CrMoVA ②30Mn 硬度 HB=187~229 40Mn 用亚温淬火。 35CrMoA (三)固溶处理: (针对奥氏体不锈钢)即在室温条件下保留奥氏体。 ①目的:将零件加热使碳化物溶到奥氏体中,再以足够快的冷却速度将碳化物 固定在奥氏体中。具有最低的强度、最高塑性、最好的耐蚀性。 ②应用:封头 ③方法:加热到 1000℃~1150℃,以 2 分到 4 分/㎜保温后快冷,然后水冷,再 进行空冷。 (四)焊后热处理: (消除应力,退火)PWHT 一般热处理:SR ISR ①目的:A.改善焊接接头及热影响区的组织和性能。 B.消除焊接和冷作硬化的应力。 C.防止产生焊接裂纹。 ②方法:A.优先采用炉内整体消除应力方法(另一法:把容器视为加热炉,在设 备内部加热外壳保温) 99 版压力容器规则: (高压容器、中压反应器、储存容器、石油液化器 储罐)不能用内部加热法。 B.分段热处理: 一端在炉内, 采取适当保温措施以防有害的温度梯度 (重 复加热的长度≥1.5m) Φ 3.6m 加氢反应器,长 26m C.对环缝进行局部消除应力处理→加热宽度: 焊缝中心线 倍板厚。 ③焊后热处理工艺: A.炉温 400℃以下装炉 B.升温速率 5000℃/T(有效厚度)/h D.降温速率:400℃以上,6500/T ℃/h ④压力容器焊后热处理的注意事项 (1)容器整体消应力处理须在整体制造完经检验合格后,水压试验之前进行。 (2)严禁火焰直射工作产生过热或过烧。 (3)产品试板(含母材试板)挂片试样等应与容器同炉 PWHT 六、压力试验和气密性试验 (一)压力试验 压力试验按试验介质不同分为液压试验及气压试验。 1、液压试验 液压实验一般采用水,需要时也可采用不会导致发生危险的其他液体。试验时 液体的温度应低于其闪点或沸点。奥氏体不锈钢制压力容器用水进行液压试验 后应将水渍清楚干净。当无法达到这一要求时,应控制水的氯离子含量不超过 25mg/L。 且≤200℃/h 且≤260℃/h C.保温时间 T≤50mm,25mm/h T>50mm 保温时间=(150+T)/100(h) 液压试验方法: a)试验时容器顶部应设排气口,充液时应将容器内的空气排尽。试验过程中, 应保持容器观察表面的干燥; 试验时压力应缓慢上升, 达到规定试验压力后, 保压时间一般不少于 30min。 然后将压力降至规定试验压力的 80%,并保持足够长时间对所有焊接接头和连 接部位进行检查。如有渗漏,修补后重新试验; 对于夹套容器,先进行内筒液压试验,合格后再焊夹套,然后进行夹套内 的液压试验; 液压试验完毕后,应将液体排尽并用压缩空气将内部吹干。 2、气压试验 气压试验应有安全措施。该安全措施需经试验单位技术总负责人批准,并 经本单位安全部门监督检查。试验所用气体为干燥、洁净的空气、氮气或其他 惰性气体。 气压试验时压力应缓慢上升,至规定试验压力的 10%,且不超过 0.05MPa 时,保压 5min,然后对所有焊接接头和连接部位进行初次泄漏检查,如有泄漏, 修补后重新试验。初次泄漏检查合格后,再继续缓慢升压至规定试验压力的 50%, 其后按每级为规定压力的 10%的级差逐级增至规定试验压力。 保压 10min 后将压力降至规定试验压力的 87%, 并保持足够长的时间后再次进行泄漏检查。 如有泄漏,修补后再按上述规定重新试验。 (二)气密性试验 容器需经液压试验合格后方可进行气密性试验。试验压力、试验介质和检 验要求按照图样上的注明。试验时压力应缓慢上升,达到规定试验压力后保压 10min,然后降至设计压力,对所有焊接接头和连接部位进行泄漏检查。小型容 器亦可浸入水中检查。如有泄漏,修补后重新进行液压试验和气密性试验.


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