压力容器设计

作者:浙江体彩网发布日期:2020-12-13 18:50

  《过程设备设计基础》 教案 4—压力容器设计 课程名称:过程设备设计基础 专 业:过程装备与控制工程 任课教师: 第 4 章 压力容器设计 本章主要介绍压力容器设计准则、 常规设计方法和分析设计方法, 重点是常规设计的基 本原理和设计方法。 §4-1 概述 主 要 教 学 内 容 授课方式 授课时数 1、压力容器设计的基本内容 2、压力容器设计的基本要求 3、压力容器设计条件 4、压力容器设计文件 教学目的和要求 1、了解压力容器设计的基本内容、基本要求 2、了解压力容器设计条件、设计方法和设计文件的内容 压力容器设计的基本内容和基本要求 思考题 讲授 自学 2 教学重点和难点 课外作业 4.1 概述 教学重点:压力容器设计的基本概念、设计要求 教学难点:无 压力容器发展趋势越来越大型化、高参数、选用高强度材料,本章着重介绍 压力容器设计思想、常规设计方法和分析设计方法。 什么是压力容器的设计? 压力容器设计是指根据给定的工艺设计条件,遵循现行规范标准的规定,在 确保安全的前提下,经济正确地选取材料,并进行结构、强(刚)度和密封设计。 结构设计--------确定合理、经济的结构形式,满足制造、检验、装配和维修 等要求。 强(刚)度设计---------确定结构尺寸,满足强度、刚度和稳定性要求,以确 保容器安全、可靠地运行。 密封设计--------选择合适的密封结构和材料保证密封性能良好。 4.1.1 设计要求 设计的基本要求是安全性和经济性的统一,安全是前提,经济是目标,在充 分保证安全的前提下尽可能做到经济,经济性包括材料的节约、经济的制造过程 和经济的安装维修。 4.1.2 设计文件 压力容器的设计文件包括:设计图样 技术条件 设计计算书 必要时包括设计或安装使用说明书. 分析设计还应提供应力分析报告 强度计算书包括: ★ 设计条件、所用的规范和标准、材料、腐蚀裕量、计算厚度、名义厚 度、计算应力等。 ★ 装设安全泄放装置的压力容器, 还应计算压力容器安全泄放量安全阀 排量和爆破片泄放面积。 ★ 当采用计算机软件进行计算时,软件必须经“压力容器标准化技术委 员会”评审鉴定,并在国家质量技术监督局认证备案,打印结果中应 有软件程序编号、输入数据和计算结果等内容。 设计图样包括:总图和零部件图 总图包括压力容器名称、类别、设计条件; 主要受压元件设计材料牌号及材料要求; 主要受压元件材料牌号及材料要求; 主要特性参数(如容积、换热器换热面积和程数) 制造要求;热处理要求;防腐蚀要求;无损检测要求;耐压试验和气密 性试验要求;安全附件的规格;压力容器铭牌位置; 包装、运输、现场组焊和安装要求;以及其他特殊要求。 4.1.3 设计条件 设计条件可用设计条件图表示(设计任务所提供的原始数据和工艺要求) 设计条件图包含设计要求、简图、接管表等 简图-------示意性的画出容器本体、主要内件部分结构尺寸、接管位置、支座形 式及其他需要表达的内容。 设计要求-------工作介质、压力和温度、操作方式与要求和其他。 为便于填写,设计条件图又分为 一般设计条件图 换热器条件图:应注明换热管规格、管长及根数、排列形式、换热面积与程数等 塔器条件图:应注明塔型、塔板数量及间距、基本风压和地震设计烈度和场地土 类别 搅拌容器条件图:应注明搅拌器形式及转向、轴功率等。 一、压力容器设计的基本内容 、检验等方面的要求, ?结构设计 — 满足工艺、制造、使用 ? 的结构形式。 ?设计简单、合理、经济 ? 确定零部件结 ?强度和刚度设计— 通过强度和刚度计算, 1、基本设计内容 ? 料。 ?构尺寸,选择合适的材 ?密封设计 — 选择或设计合理的密封 结构,选择合适的密 ? ? ?封材料。 2、压力容器设计的基本步骤: 用户提出技术要求 ↓ 分析容器的工作条件,确定设计参数 ↓ 结构分析、初步选材 ↓ 选择合适的规范和标准 ↓ 应力分析和强度计算 ↓ 确定构件尺寸和材料 ↓ 绘制图纸,提供设计计算书和其它技术文件 二、压力容器设计的基本要求 ?安全性 设计基本要求 ? ?经济性 基本原则: 安全是前提和核心, 经济是设计的目标, 在充分保证压力容器安全的前提下应尽可能做到经 济。 三、压力容器设计条件 1、设计条件图 ?容器条件图 ? ?换热器条件图 设计条件图 ? ?塔器条件图 ?搅拌容器条件图 ? 2、基本设计要求 ?工作介质 ? ?压力和温度 设计要求? ?操作方式和要求 ?其它(容积、材料、设 计寿命、腐蚀速率、保 温条件等) ? ?常规设计方法 ? ?分析设计方法 四、压力容器设计方法 ? ?疲劳分析设计方法 ?断裂力学分析设计方法 ? ?设计图样 ? 五、压力容器设计文件 ?设计计算书 ?安装、使用说明书及其 它文件 ? §4-2 设计准则 主 要 教 学 内 容 授课方式 讲授 自学 授课时数 2 1、压力容器的失效 2、压力容器失效设计准则 1、了解压力容器失效的基本形式 教学目的和要求 2、了解压力容器的强度失效设计准则、刚度失效设计准则、稳 定失效设计准则和泄漏失效设计准则 教学重点和难点 课外作业 压力容器失效设计准则 思考题 ?强度失效 ? ?刚度失效 ? 一、压力容器的失效形 式?失稳失效 ?泄漏失效 ? ? ?交互失效 1、强度失效 ——由于材料屈服或断裂引起的压力容器失效。 ?韧性断裂 ? ?脆型断裂 ? 强度失效形式?疲劳断裂 ?蠕变断裂 ? ? ?腐蚀断裂 (1)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:①材料断裂前发生较大的塑性变形,容器发生鼓胀。 ②容器断口处厚度减薄。 ③断裂时几乎没有碎片。 失效原因: ①容器厚度不够。 ②压力过大(大于最大工作压力)。 (2)脆性断裂(低应力脆断) ——容器中的应力远低于材料的强度极限而发生的断裂。 特点:①断口平齐,且与最大应力方向垂直。 ②断裂时可能碎裂成碎片飞出。 ③断裂时应里很低,安全附件不起作用,具有突发性。 失效原因: ①容器材料的脆性。 ②材料中存在缺陷。 (3)疲劳断裂 ——在交变载荷作用下,材料原有的或萌生的裂纹扩展导致容器发生的断裂。 特点:①断口有贝壳状的疲劳条纹。 ②断裂时容器无明显的塑性变形,容器整体应力较低。 ③断裂具有突发性,危害性较大。 失效原因: ①交变载荷。 ②高应力区形成疲劳裂纹。 (4)蠕变断裂 ——压力容器长时间在高温下受载, 材料的蠕变变形会随着时间不断增大, 使容器厚 度明显减薄,发生鼓胀变形,最终导致容器发生断裂。 特征:①在恒定载荷和低应力条件下也会发生蠕变断裂。 ②断裂前材料会产生蠕变脆化。 ③断裂前材料具有韧性断裂的特征,断裂时材料具有脆性断裂的特征。 (5)腐蚀断裂 ——由于材料受到介质腐蚀,造成容器整体厚度减薄,或局部凹坑、裂纹等,由此引 起的断裂称为腐蚀断裂。 ①全面腐蚀 ②点腐蚀 ③晶间腐蚀 ④应力腐蚀 2、刚度失效 ——构件发生过度弹性变形引起的失效 3、失稳失效 ①弹性失稳 ②非弹性失稳 4、泄漏失效 5、交互失效 腐蚀疲劳 ②蠕变疲劳 二、压力容器的失效判据和设计准则 1、失效判据 ——判断压力容器是否失效 两个必需的条件:①力学分析结果 ②失效数值 2、压力容器设计准则 ?弹性失效设计准则 ? ?塑性失效设计准则 ?爆破失效设计准则 ? ( 1 )强度失效设计准则 ?弹塑性失效设计准则 ?疲劳失效设计准则 ? ?蠕变失效设计准则 ? ?脆性断裂失效设计准则 (2)刚度失效设计准则 (3)稳定失效设计准则 (4)泄漏失效设计准则 §4-3 常规设计 主 要 教 学 内 容 授课方式 授课时数 1、压力容器设计概述 2、圆筒设计 3、封头设计 4、密封装置设计 5、开孔和开孔补强设计 6、支座和检查孔 7、安全泄放装置 8、焊接结构设计 9、压力试验 讲授 自学 18 1、了解压力容器设计的基本内容 2、掌握压力容器筒体和封头设计方法 3、掌握螺栓法兰连接的设计方法 教学目的和要求 4、掌握开孔和开孔补强设计方法 5、了解支座、检查孔、安全泄放装置的作用、结构和选用 6、掌握焊接结构设计方法 7、掌握压力试验的方法和计算 1、压力容器筒体和封头设计计算 教学重点和难点 2、螺栓法兰连接的设计计算 3、开孔和开孔补强设计计算 4、焊接结构设计 课外作业 思考题;习题 T1、T2、T 3、T 5、T 7 一、概述 (1)压力容器常规设计方法 (2)压力容器分析设计方法; (3)弹性失效设计准则 二、圆筒设计 (一)结构 ? ?单层卷焊式 ? ? ?单层式?整体锻造式 ? ? ?单层瓦片式 ? ?无缝钢管式 ? ? ? ? ? ? ? 圆筒结构形式 ? ?多层包扎式 ? ?热套式 ? ? ?组合式? ?绕板式 ? ?整体多层包扎式 ? ? ? ? ?槽形绕带 ? ?绕带式? ? ? ?扁平钢带倾角错绕式 ? ? 1、单层式圆筒 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。 缺点: (1)对制造设备的要求高。 (2)材料的浪费大。 (3)存在较深的纵、环焊缝,不便于焊接和检验。 圆筒层板包扎式: 优点: (1)对加工设备的要求不高。 (2)压缩预应力可防止裂纹的扩展。 (3)内筒可采用不锈钢防腐。 (4)层板厚度薄,韧性好,不易发生脆性断裂。 缺点: (1)包扎工序繁琐,费工费时,效率低。 (2)层板材料利用率低。 (3)层间松动问题热套式优点: (1)套合层数少,效率高,成本低。 (2)纵焊缝质量容易保证。 缺点: (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。绕板式优点: (1)机械化程度高, 操作简便,材料利用率高。 (2)纵焊缝少。 缺点: (1)绕板薄,不宜制造壁厚很大的容器。 (2)层间松动问题。 槽形绕带式优点: (1)筒壁应力分布均匀且能承受一部分由内压 产生的轴向力。 (2)机械化程度高,材料利用率高。 缺点: (1)钢带成本高,公差要求严格。 (2)绕带时钢带要求严格啮合,否则无法贴紧。 扁平钢带倾角错绕式特点: (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。 (二)强度计算 1、单层圆筒 (1) 壁厚计算 ?1 ? Pc D ? [? ]t 4? D ? Di ? ?,引入焊缝系数 ? Pc ( Di ? ? ) ? [? ]t ? 4? 得: ?? pc Di 2[? ]t ? ? pc 设计厚度:δ d=δ +C2 pc ? ?计算压力 ? ? ?焊接接头系数 适用范围: pc ? 0.4[? ]t ? 名义厚度:δ n= δ d + C1+△= δ + C1 +C2+△ 有效厚度:δ e= δ +△= δ n- C1 -C2 上述四个厚度之间的关系: δ δ C2 C1+△ d δ δ n e C1+C2 (2)强度校核 工作应力: ?t ? pc ( Di ? ? e ) ? [? ]t ? 2? e 最大允许工作压力: [ pw ] ? 2? e [? ]t ? Di ? ? e 容器的最小厚度: 碳素钢、低合金钢制容器:δ min≥3mm 高合金钢制容器:δ min≥2mm 规定容器的最小壁厚,在经济上是合理的,因为对于壁后很 薄的容器,在制造过程(例如两个筒节的对接)和运输过程中,为了维持必要的圆度和 刚度,要是用大量的辅助钢材把筒节撑圆,这些钢材所需费用要计入容器的制造成本中 去。 (3)压力试验 ? ?液压试验 ?耐压试验? 压力试验? ?气压试验 ? ?气密性试验 ①液压试验 试验压力:内 外压容器和 [? ] pT ? 1.25 p [? ]t 压容器: 线p 注意: *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。 ?T ? pT ( Di ? ? e ) ? 0.9? S ? (? 0.2 ) 2? e 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。 pT ? 1.15 p [? ] [? ]t ?T ? pT ( Di ? ? e ) ? 0.8? S ? (? 0.2 ) 2? e ②气压试验 内压容器:外压容器和真空容器:强度校核:③气密性试验容器上没有安全泄 放装置, 气密性试验压力 PT=1.0P 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PT=1.0PW。 (三)设计参数的确定 1、设计压力P (1)设计压力≠工作压力 工作压力由工艺过程决定,其大小在工作过程中可能有变化,在容器顶部和底部工作 压力也可能不同。 设计由具体工作条件规定,通常为定值。 (2)最大工作压力PW 指容器在正常工作情况下其顶部可能出现的最高表压力。 要求:P≥ PW (3)装有安全阀的容器,P(1.05~1.1)PW 装有爆破膜的容器,P=(1.15~1.75)PW 装有液化气的容器,按可能达到最高温度下介质的饱和蒸汽压确定P 装有液体的容器,当受压元件所在截面处的液柱静压力达到或超过设计压力的5%时, 液柱静压力应计入设计压力。 即:P‘= P + PL 2、设计温度t 正常工作情况下及相应设计压力下设定的受压元件的温度。容器的设计温度一般由工艺 条件给出。 3、焊缝系数φ 反映由于焊缝存在,容器材料受到削弱的程度,其值主要考虑焊缝形式和对焊缝进行无 损检验的要求。见表43。 4、壁厚负偏差 见表4-2 5、许用应力[ ? ] [? ] ? 极限强度 安全系数 (1)当材料温度低于蠕变温度时,表示材料抵抗塑性变形能力的强度指标是屈服极限ζ y, 表示材料抵抗断裂能力的强度指标是强度极限ζ b。 当材料温度高于蠕变温度时, 表示材料高温下抵抗塑性变形能力的强度指标是蠕变极限 ζ n,表示材料高温下抵抗断裂能力的强度指标是持久极限ζ D。 (2)安全系数的规定 碳素钢、低合金钢、铁素体高合金钢: nb≥3.0 ns≥1.6 nD≥1.5 nn≥1.0 奥氏体高合金钢: nb≥3.0 ns≥1.5 nD≥1.5 nn≥1.0 见表4-4 ?? b ? ? nb ? ?t ?? [? ] ? min? s 或 s ns ? ns ?? t ?t ? D或 n ? nn ? nD (3)许用压力 (4)对于不锈钢复合板或多层板 ?? ? ? [? ] (t ? C ) ? ? (t ? C ) t i ni 2i ni 2i (四)容器的耐压试验 ? ?液压试验 ?耐压试验? 压力试验? ?气压试验 ? ?气密性试验 1、强度试验 ①试验压力 液压:PT ? 1.25P [? ] 且不小于(P ? 0.1)MPa [? ]t 为了确保耐压实验时容器材料处于弹性状态,应校核容器中的薄膜应力: ? 直立容器卧置进行液压试验时,PT还应加上立置时的液柱压力,再进行校核。 [? ?0.9? Y MPa PT Di ? (? n ? C])] 气压: P[ 且不小于( P ? (液压) 0.1) MPa T ? 1.15P ? ? t ? T ? ?] 2(? n ? C )[? 0 . 8 ? MPa (气压) Y ? ②试验温度 耐压试验时, 为避免材料的低温脆性破裂, 试验环境和水温必须高于材料的无塑性转变温 度(NDT),根据目前我国压力容器用材情况,对于碳素钢、16MnR、正火15 MnVR,试验 温度不得低于5℃;对于其它低合金钢容器,试验温度不得低于15℃。 2、致密性试验 气密性试验:①容器上无安全泄防装置 PT=1.0P ②容器上有安全泄防装置 PT=1.0Pw (气压试验合格的容器可不做致密性试验) (五)外压圆筒设计 1、解析法 解析法的缺点:要经过多次试算,计算过程繁琐; 弹性范围的判断; 2、图算法 (1)几何参数计算图 临界压力: 长圆筒:Pcr ? 2.2 E ( ?e D0 ( )3 ) 2.5 D0 短圆筒:Pcr ? 2.59E L ( ) D0 临界压力: ? 长圆筒:? cr ? 1.1E ( e ) 2 D0 短圆筒:? cr )1.5 D0 ? 1.3E L ( ) D0 ( ?e ?e 临界应变: 长圆筒:? cr ? 1.1( ?e D0 )2 短圆筒:? cr )1.5 D0 ? 1.3 L ( ) D0 ( ?e 几何参数计算图: ① 平行于纵轴的直线代表长圆筒,斜线代表短圆筒。 ② A仅与圆筒的几何参数有关,与材料无关。 ③ 几何参数图对长圆筒和短圆筒都适用。 (2)壁厚计算图 ① 不同材料有不同的ζ -ε 曲线,故有不同的B-A曲线。 ② 同一材料在不同温度下的ζ -ε 曲线不同,所以每张图中都有一组与不同温度对应的曲 线。 ③ 每条曲线均有两部分组成, 直线部分代表弹性变形阶段, 可直接计算得 B (比查图准确) , 曲线部分代表非弹性变形阶段,需由 A 查图得 B。 (3)图算法的设计计算步骤 ① 假设δ n,δ e=δ n-C ② 计算(D0/δ e) 、 (L/ D0),由几何参数计算图查 A ③ 由壁厚计算图 A-B(弹性变形阶段和非弹性变形阶段) ④ [P]=B(δ e/D0),比较 PC 和[P],若 PC 小于[P]且较接近,则假设δ n 合适,否则重新假设 δ n,重复以上步骤,直到满足要求。 3、设计参数的确定 (1)设计压力① 真空容器 有安全装置时: ?1.25( p 0 ? p i ) max p ? min ? ?0.1MPa 无安全装置时:p=0.1Mpa 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-pi)max 注意:最大内外压差的取值 (2)稳定性安全系数 根据 GB150 的规定 对于圆筒:m=3.0(周向外压) m=4.0(轴向外压) 对于球壳:m=14.52 (3)计算长度 图(4-11) 4、加强圈的设计计算 (1)加强圈设计步骤: 1、初步取加强圈的数目和间距 n? L Lmax ?1 Ls ? L n ?1 2、计算加强圈和圆筒组合而成的当量圆筒所需的组合惯性矩 I 3、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。 (2)加强圈结构设计: 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。 三、封头设计 封头按形状分类 ? ?半球形封头 ? ? ?凸形封头?半椭球(椭圆形)封头 ? ? 头 ?带折边球形(碟形)封 ? ? ? ?无折边球形封头 内压封头? ?无折边锥形封头 ? ?锥形封头?带折边锥形封头 ? ? ? ? ?平板形封头 1、凸形封头 (1)半球形封头 计算厚度: ?? (2) 椭圆形封头 计算厚度: ?? PC Di 4[? ]t ? ? PC KPC Di 2[? ]t ? ? 0.5PC K----应力增强系数 a 如果 ? 1.0 ~ 2.6 b D 1 则K ? [2 ? ( i ) 2 ] 6 2hi hi — 封头内表面高度(不含 直边) 标准椭圆形封头: K ?1 [P W]? 最小厚度: 2[? ]t ?? e KDi ? 0.5? e 标准椭圆形封头:δ e≥0.15%Di 非标准椭圆形封头:δ e≥0.30%Di (3) 碟形封头 计算厚度: ? ? MPC Ri 2[? ]t ? ? 0.5PC M----应力增强系数 Ri 1 M ? [3 ? ] 4 r r — 过渡区半径 标准椭圆形封头: M ? 1.325 (4)锥形封头 计算厚度:? C ? ① 无折边锥形封头 Q----应力增强系数 ②带折边锥形封头 PC DC 1 ? t 2[? ] ? ? PC cos? 若需加强,则: ?C ? QPC Di 2[? ]t ? ? PC 锥体计算厚度: ?? f ? 系数() fPC Di [? ] ? ? 0.5PC t 过渡段:t ? K c PC Di 2[? ]t ? ? 0.5PC K----应力增强系数(表4-6) (5)平板形封头 周边固支:? max ? ? 3PR2 D ? ?0.188P( ) 2 ( ? ? 0.3) 2 ? 4? 周边简支:? max ? ? ( 3 3 ? ?)PR 2 D ? ?0.31P( ) 2 ( ? ? 0.3) 2 t 8t 则: ? max ? KP ( D ? ) 2 ? [? ]t ? 得:? P ? Dc KPC [? ]t ? K----结构特征系数(表4-8) Dc----封头的有效直径(表4-8) * 在封头直径较大时,采用平板形封头其壁厚将非常大,不仅浪费材料,而且笨重,给运输 和安装带来不便。所以尽管平板形封头结构简单、制造容易,但承压设备一般都不采用平板 形封头,只有压力容器的人孔盖、手孔盖及接管所用盲板等处采用平板结构。 外压凸形封头 1、半球形封头 2、椭圆形封头 按半球形封头计算壁厚 R0=K1D0 3、碟形封头 ? ? [ P ] ? 0.0833E ( e ) 2 ?弹性阶段: D ? 0 假设? n ? ? e ? A ? 0.125( ) ? 壁厚计算图? ? ? D0 ?非弹性阶段: [ P] ? B( e ) ? D0 ? ?e ? P ? [ P ] ? ? 调整? n直到满足要求 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 四、密封装置设计 (一)密封机理及分类 密机封理 螺栓预紧力 → 压紧垫片 → 垫圈变形 → 达到初始密封条件→ 介质压力作用 → 法兰 向分离方向移动 → 依靠螺栓力使垫圈上保持一定比压 泄漏形式:① 界面泄漏 ② 渗透泄漏 影响密封的因素:螺栓预紧力、垫圈性能、压紧面形式、法兰刚度、操作条件等。 (二)垫片特性与选择 (1)预紧密封比压y (Mpa) -----预紧工况下,形成初始密封条件时,垫圈单位面积上所需的最小压紧力。 (垫圈的压紧力必须合适, 压紧力太小会导致泄漏, 压紧力太大会导致垫片变形破坏。 ) 预紧密封比压y由试验确定,是计算螺栓预紧力的重要参数。 (2)垫片系数m -----操作时,为保证密封,垫圈上必须维持的比压与介质压力的比值。 垫片参数m的物理意义表示在操作状况下,实现密封的难易程度。 预紧密封比压y和垫片参数的值见表2-9。 保证密封的条件:预紧时,法兰密封面上的比压不低于预紧密封比压y;工作时,法兰密封 面上的比压不低于m倍的介质压力。 (3)垫片的类型 垫片形状:平面形、O形、波形、齿形、八角形、椭圆形等 垫片类型 ① 非金属垫片 常用材料:石棉橡胶板、橡胶板、聚四氟乙烯、合成纤维、石墨等。 ② 金属垫片 常用材料:铜、铝、低碳钢、不锈钢、合金等。 ③ 组合式垫片 包括:金属包垫片;缠绕式垫片;带骨架的非金属垫片; (三)螺栓法兰连接设计 1、压紧面选择 (1)平面形压紧面 (2)凹凸形压紧面 (3)榫槽形压紧面 (4)梯形槽压紧面 2、螺栓设计 (1)螺栓材料 螺栓是法兰密封连接中的重要元件,对其基本要求是强度要高、韧性要好。 ① 螺母更换比螺栓容易,且螺母价廉,所以要求螺栓材料的强度比螺母高。 ② 为避免螺栓和螺母咬死或胶合,要求螺栓材料的硬度比螺母高HB30以上。 ③ 对于t≤-20℃的螺栓,要求选用低合金钢,并进行夏比V形缺口低温冲击试验。 螺栓常用材料和许用应力见附录。 (2)螺栓载荷 预紧时 Fa=π bDG×y ① b0≤6.4mm时,b= b0,DG=垫片接触面平均直径 ② b0 ? 6.4mm时,b ? 6.4b0 ? 2.53 b0 DG=垫片接触面外径-2b 操作时 FP ? ?DG b(2m) p 螺栓载荷: 预紧时: Wa=Fa 操作时: WP ? F ? FP ? (3)螺栓直径与个数 预紧时(按常温计算) 2 ?DG 4 pC ? 2?DG bm p Aa ? Wa [? ]b [ζ ]b----螺栓材料常温时的许用应力 操作时(按设计温度计算) AP ? t WP [? ]tb [ζ ]b ----螺栓材料设计温度下的许用应力 螺栓所需总截面积: ? Aa ?d 2 Am ? n 4 ? A b ? max ? m 4 ? AP d0 ? ?n (4)螺栓间距的限制 ? S min ? (3.5 ~ 4) d B ? 6? f S max ? 2d B ? ( m ? 0.5) δ f----法兰厚度 (5)螺栓设计载荷 操作:W=Wp 预紧:W ? Am ? Ab [? ]b 2 3、法兰结构类型及标准 (1) 法兰结构类型 ?松式法兰 ? 法兰类型?整体法兰 ?任意式法兰 ? (2)法兰标准 ?容器法兰标准 法兰标准? ?钢制管法兰标准 ① 公称压力(PN)和公称直径(DN) 法兰的公称压力-----与法兰相配的筒体、封头及管子的公称直径。 对于钢板卷焊制成的筒体和与其相配的封头: DN=Di 对于钢管,DN通常介于外径和内径之间 ② 压力容器法兰最大允许工作压力 -----表示一定材料和温度的法兰的最大操作压力,其值可能与PN相同,也可能不同。 ③ 管法兰标准和容器法兰标准不同,既使PN和 DN相同,其尺寸也不相同,所以一对相配的 法兰必须选用同一标准。 (3)法兰的强度设计计算方法 Timoshenko法(了解) *Waters法 ① 载荷 a、 螺栓载荷 b、 垫片反力 c、 内压载荷 ② 力学模型 ③ 基本假设 a、 中面假设 b、 线弹性假设 c、 小变形假设 ④ 计算方法 a、 法兰力矩的计算 轴向力 → 力臂 → 力矩 b、 法兰应力的计算 c、 法兰强度校核 法兰强度校核条件: ?H t ? ?1.5[? ] f ? min? t ? ?2.5[? ] n ? R ? [? ]tf ? T ? [? ]tf ? H ??R 2 ? [? ]tf (四)高压密封设计 1、高压密封的基本要求: ①工作可靠,在正常压力和温度波动范围内均能保证密封。 ②结构简单紧凑,装拆、维修方便。 ③密封元件能耐介质腐蚀且价格便宜。 2、高压密封的基本特点: ①金属密封元件 ②窄面或线接触密封 ③自紧或半自紧密封 3、高压密封的结构型式①平垫密封特点: ● 强制式密封● 采用窄面金属垫片 主螺栓直径大 ● 适用范围:t ≤200?C Di ≤1000mm ②卡扎里密封优点: ● 螺纹套筒代替主螺栓,承载能力大,装拆方便。● 预紧螺栓直径小缺点: 螺纹套筒可能锈蚀 而拆卸困难。 (螺纹套筒可用主螺栓代替) 适用范围:大直径、高压力 ③双锥密封 g 的大小 锥环刚度 锥环尺寸 预紧力的大小 双锥密封特点: ● 结构简单,装拆方便、密封可靠。 半自紧密封,主螺栓直径较小。 压力和温度波动时也能保证良好密封。 ● ● 适用范围:P=6.4~35MPa t =0~400?C Di =400~2000mm ④伍德密封优点: ● 全自紧式密封,压力和温度的波动不会影响密封可靠性。 取消了主螺栓,使筒体端部尺寸减小。 ● 缺点:零件多、结构复杂。 ⑤C 形环密封 ⑥O 形环密封⑦其它密封结构⑧高压管道密封提高高压密封性能的措施 ● 改善密封接触表面 改进垫片结构 采用焊接密封元件五、开孔和开孔补强设计 ● ● 开孔接管部位的应力集中:强度削弱 不连续应力 局部应力 焊接缺陷和残余应力 1、补强结构 ① 补强圈补强 ② 厚壁管补强 ③ 整锻件补强 2、开孔补强计算 (1)开孔补强设计准则 ① 等面积补强在有小补强范围内, 可起补强作用的金属截面积 Ae 应大于或等于开孔所削弱 的金属截面积 A,即要求 Ae≥A ② 极限分析补强 (2)等面积补强计算 B δ et δ t △ C di+2C h1 δ δ n e △ δ C h2 C1+2C2 δ nt ① 允许不另行补强的最大开孔直径 ② 允许开孔的范围 ③ 有效补强范围 补强区宽度: B ? 2d ? ?取大值 B ? d ? 2? n ? 2? nt ? 补强区外侧高度: ? ? ?取小值 ? h1 ? 接管实际外伸高度 ? h1 ? d? nt 补强区内侧高度: ④ 补强计算 a、开孔削弱的有效金属截面积 ? ? ?取小值 ? h ? 接管实际内伸高度 2 ? A ? d? ? 2?? et (1 ? f r ) h2 ? d? nt 受内压的圆筒或球壳: 受外压的圆筒或球壳: A ? 0.5[d? ? 2?? et (1 ? f r )] 平盖(开孔直径d≤0.5Di): A ? 0.5d? p b、补强金属截面积 ● 壳体: A1 ? ( B ? d )(? e ? ? ) ? 2? et (? e ? ? )(1 ? f r )] ● 接管: A2 ? 2h1 (? et ?? t) f r ? 2h2 (? et ? C2 ) f r ● 焊缝 A3 ? 2 ? ● 1 2 ? h0 2 补强元件金属截面积:A4 判断是否需要补强: 若 Ae=A1+A2+A3A 则开孔后不需另行补强 若 Ae=A1+A2+A3〈A 则开孔后需另行补强 补强强圈厚度: T? ? A ? ( A1 ? A2 ? A3 ) A4 ? B0 ? d n B0 ? d n 六、支座和检查孔 ? ) ?耳式支座(悬挂式支座 ? ? ?支承式支座 ?立式容器支座 ? ? ?腿式支座 ? ? ?裙式支座 容器支座? ? ? ?鞍式支座 ? ? ?卧式容器支座 ?圈座 ? ?支腿 ? ? ? ?人孔 检查孔? ?手孔 七、安全泄放装置 1、安全泄放原理 ① 安全泄放装置的作用 ② 安全泄放装置的要求 2、安全阀 结构和类型: ?重锤杠杆式 按加载机构? ?弹簧式 ?微启式 按阀瓣开启高度 ? ?全启式 ?全封闭式 ? 按气体排放方式 ?半封闭式 ?开放式 ? ?直接作用式 按作用原理? ?非直接作用式 3、爆破膜 特点:密闭性能好;破裂速度快。 类型和结构: ?拉伸型 ? ?压缩型 按破坏时的受力形式 ? ?剪切型 ?弯曲型 ? ?正拱型 ? 按产品外观?反拱型 ?平板型 ? ?爆破型 ? 按破坏动作?触破型 ?脱落型 ? 八、焊接结构设计 1、焊接接头型式 (1)对接接头 (2)角接接头和 T 型接头 (3)搭接接头 2、坡口形式 3、焊接接头分类 (1)A 类焊接接头 (1)B 类焊接接头 (3)C 类焊接接头 (4)D 类焊接接头 4、焊接接头布置原则: (1)焊接接头布置应避免交叉和密集 ● 主要受压元件上的 A、B 类焊接接头应避免十字交叉 几条焊缝汇集在一起时应设法避开 ● (2)焊接接头应尽量避开高应力区 (3)尽量降低焊件刚度 5、焊接结构设计原则: (1)尽量采用对接接头 (2)尽量采用全焊透结构 (3)尽量减小焊缝处的应立集中 (4)便于进行无损检验 §4-4 分析设计和疲劳分析 主 要 教 学 内 容 授课方式 启发 自学 授课时数 2 1、压力容器的分析设计 2、压力容器的疲劳分析 教学目的和要求 1、了解压力容器的分类和 2、了解疲劳分析的基本概念 分析设计和疲劳分析的概念 思考题 教学重点和难点 课外作业 思考题: 1、常规设计和分析设计有何不同? 2、什么是一次应力?其基本特征是什么?一次应力可分为那几种? 3、什么是二次应力? 4、什么是极限载荷? 5、什么是安定性分析? 6、疲劳分为那几种?如何定义? 7、什么是可靠性设计?


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