压力容器设计基础XXXX1102.ppt
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1、压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础李洪亮李洪亮 1压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l压力容器压力容器特种设备安全监察条例特种设备安全监察条例第九十九条第(二)款:第九十九条第(二)款:压压力力容容器器是是指指盛盛装装气气体体或或者者液液体体,承承载载一一定定压压力力的的密密闭闭设设备备,其其范范围围规规定定为为最最高高工工作作压压力力大大于于或或者者等等于于0.1MPa0.1MPa(表表压压),且且压压力力与与容容积积的的乘乘积积大大于于或或者者等等于于2.52.5MPaMPaL L的的气气体体、液液
2、化化气气体体和和最最高高工工作作温温度度高高于于或或者者等等于于标标准准沸沸点点的的液液体体的的固固定定式式容容器器和和移移动动式式容容器器;盛盛装装公公称称工工作作压压力力大大于于或或者者等等于于0.2MPa0.2MPa(表表压压),且且压压力力与与容容积积的的乘乘积积大大于于或或者者等等于于1.0MPaL1.0MPaL的的气气体体、液液化化气气体体和和标标准准沸沸点点等于或者低于等于或者低于6060液体的液体的气瓶;氧舱气瓶;氧舱等。等。2压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l压力容器压力容器TSG R0004-2009TSG R0004-2009固定式压力容器
3、安全技术监察规程固定式压力容器安全技术监察规程1.31.3条:条:n工作压力大于或者等于工作压力大于或者等于0.1MPa0.1MPa(表压,不含液体静压力,下同);(表压,不含液体静压力,下同);n工作压力与容积的乘积大于或者等于工作压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPaL2.5MPaL;n盛装介质为气体、液化气体以及介质最高工作温度高于等于标准盛装介质为气体、液化气体以及介质最高工作温度高于等于标准沸点的液体。沸点的液体。3压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l压力容器的分类压力容器的分类n根据生产装置中工艺单元过程分类根据生产装置中工艺单元过程分类非均相(液固
4、、气固)分离非均相(液固、气固)分离 搅拌与混合搅拌与混合制冷与深冷制冷与深冷 热量传递热量传递 蒸发蒸发 结晶结晶蒸馏蒸馏 吸收与解析吸收与解析萃取萃取 吸附吸附干燥干燥 反应反应贮存贮存4压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l压力容器的分类压力容器的分类n根据生产过程中的作用原理分类根据生产过程中的作用原理分类反应容器(反应容器(R R)换热容器(换热容器(E E)分离容器(分离容器(S S)储存容器(储存容器(C C)(球罐)(球罐B B)5压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l压力容器的分类压力容器的分类n根据压力等级分类根据压力
5、等级分类低压容器(低压容器(L L)中压容器(中压容器(M M)高压容器(高压容器(H H)超高压容器(超高压容器(U U)常压容器常压容器6压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l压力容器的分类压力容器的分类n根据温度分类根据温度分类GB150GB150:-20 -20 低温容器低温容器日本:日本:-10-10英国:英国:00德国:德国:-10-107压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l压力容器的分类压力容器的分类n根据根据容规容规分类分类类类类类类类8压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l压力容器的分类压力
6、容器的分类n根据根据“压力容器压力管道设计许可证压力容器压力管道设计许可证”分类分类uA A类:类:A1A1(超高压容器、高压容器)、(超高压容器、高压容器)、A2A2(第三类低、中压容器)、(第三类低、中压容器)、A3A3(球形储罐)、(球形储罐)、A4A4(非金属压力容器);(非金属压力容器);uC C类:类:C1C1(铁路罐车)、(铁路罐车)、C2C2(汽车罐车或长管拖车)、(汽车罐车或长管拖车)、C3C3(罐式集装(罐式集装箱);箱);uD D类:类:D1D1(第一类压力容器)、(第一类压力容器)、D2D2(第二类低、中压容器);(第二类低、中压容器);uSADSAD类:压力容器分析设
7、计。类:压力容器分析设计。9压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l压力容器的分类压力容器的分类n根据根据“压力容器制造许可证压力容器制造许可证”分类分类uA A类:类:A1A1(超高压容器、高压容器)、(超高压容器、高压容器)、A2A2(第三类低、中压容器)、(第三类低、中压容器)、A3A3(球形储罐现场组焊或球壳板制造)、(球形储罐现场组焊或球壳板制造)、A4A4(非金属压力容器)(非金属压力容器)A5A5(医用氧仓);(医用氧仓);uB B类:类:B1B1(无缝气瓶)、(无缝气瓶)、B2B2(焊接气瓶)、(焊接气瓶)、B3B3(特种气瓶);(特种气瓶);uC C
8、类:类:C1C1(铁路罐车)、(铁路罐车)、C2C2(汽车罐车或长管拖车)、(汽车罐车或长管拖车)、C3C3(罐式集装(罐式集装箱);箱);uD D类:类:D1D1(第一类压力容器)、(第一类压力容器)、D2D2(第二类低、中压容器)。(第二类低、中压容器)。10压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l压力容器的分类压力容器的分类n其他分类方法其他分类方法u按容器主体材料按容器主体材料u按容器结构型式按容器结构型式u按容器截面形状按容器截面形状u按容器主轴线方向按容器主轴线方向u按容器壁厚按容器壁厚11压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l
9、压力容器工作条件及特点压力容器工作条件及特点n温度条件温度条件u液氢装置:液氢装置:-253-253u液态空气及其他气体的制取:液态空气及其他气体的制取:-196-196u苯乙烯装置中苯乙烯装置中SMARTSMART反应器:反应器:650650u乙烯生产装置中的管式裂解炉:乙烯生产装置中的管式裂解炉:1100110012压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l压力容器工作条件及特点压力容器工作条件及特点n压力条件压力条件u超高压人造水晶釜:超高压人造水晶釜:200MPa200MPau低密度聚乙烯反应釜:低密度聚乙烯反应釜:300MPa300MPau低真空:低真空:10
10、0kPa100kPa3kPa3kPa(绝压)(绝压)中真空:中真空:3kPa3kPa0.1Pa0.1Pa(绝压)(绝压)高真空:高真空:0.1Pa0.1Pa0.1mPa0.1mPa(绝压)(绝压)甚高真空:甚高真空:0.1mPa0.1mPa0.1Pa0.1Pa(绝压)(绝压)超高真空:超高真空:0.1Pa0.1Pa(绝压)(绝压)13压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l压力容器工作条件及特点压力容器工作条件及特点n介质腐蚀条件介质腐蚀条件u同一种材料在不同介质中,不同材料在同一介质中,同一种材料同一同一种材料在不同介质中,不同材料在同一介质中,同一种材料同一种介质
11、在不同内部、外部条件下都会表现出不同的腐蚀规律。种介质在不同内部、外部条件下都会表现出不同的腐蚀规律。p碳钢在稀硫酸中极不耐蚀,但在浓硫酸中却很稳定;碳钢在稀硫酸中极不耐蚀,但在浓硫酸中却很稳定;p铅耐稀硫酸,但不能在浓硫酸中使用;铅耐稀硫酸,但不能在浓硫酸中使用;p不锈钢在中、低浓度的硝酸中耐蚀,但不耐浓硝酸的腐蚀;不锈钢在中、低浓度的硝酸中耐蚀,但不耐浓硝酸的腐蚀;p碳钢在稀硫酸中是均匀腐蚀,奥氏体不锈钢在氯化物的水溶液中碳钢在稀硫酸中是均匀腐蚀,奥氏体不锈钢在氯化物的水溶液中会由于应力腐蚀而产生裂纹。会由于应力腐蚀而产生裂纹。14压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设
12、计基础l压力容器工作条件及特点压力容器工作条件及特点n介质的危害性介质的危害性u在石油、化工、天然气的工业生产装置中,参与过程的绝大部分是易在石油、化工、天然气的工业生产装置中,参与过程的绝大部分是易燃、易爆、有毒或有腐蚀性的物质,同时这些物质的状态在工艺过程燃、易爆、有毒或有腐蚀性的物质,同时这些物质的状态在工艺过程中受温度、压力的控制不断变化。中受温度、压力的控制不断变化。15压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l压力容器工作条件及特点压力容器工作条件及特点n其他载荷条件其他载荷条件u风载荷、地震载荷风载荷、地震载荷u有些设备可能是在循环载荷作用下运行,同时还可
13、能承受热应力循环有些设备可能是在循环载荷作用下运行,同时还可能承受热应力循环作用作用u设备及其内件、附件自重设备及其内件、附件自重u设备内盛装的物料重量,试验状态下的液体重量设备内盛装的物料重量,试验状态下的液体重量u来自支承、连接管道及相邻设备的作用载荷来自支承、连接管道及相邻设备的作用载荷u设备运输、安装、维修时可能承受的作用载荷设备运输、安装、维修时可能承受的作用载荷16压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l压力容器工作条件及特点压力容器工作条件及特点n装置的大型化装置的大型化u炼油装置中的减压蒸馏塔炼油装置中的减压蒸馏塔 直径直径10000 10000 长长
14、40000 40000 u乙烯装置中的丙烯塔乙烯装置中的丙烯塔 直径直径10000 10000 高高94000 94000 重量重量11001100吨吨u氨合成塔氨合成塔 直径直径2500 2500 长长22000 22000 壁厚壁厚200200u甲醇反应器甲醇反应器 直径直径6500 6500 长长14000 14000 壁厚壁厚220220u核工业中的沸水反应堆核工业中的沸水反应堆 直径直径7800 7800 壁厚壁厚190 190 重量重量10001000吨吨u煤液化加氢反应器煤液化加氢反应器 直径直径4810 4810 壁厚壁厚338 338 重量重量20402040吨吨u乙二醇列管
15、式反应器乙二醇列管式反应器 直径直径5000 5000 长长10000 10000 管数管数90009000u立式圆筒形油品贮罐立式圆筒形油品贮罐 直径直径100000 100000 高高21800 21800 容积容积150000m150000m3 317压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l压力容器工作条件及特点压力容器工作条件及特点n结构多样性结构多样性u卧式、立式、换热器、塔器、圆筒形贮槽、球罐、空冷器、余热锅炉卧式、立式、换热器、塔器、圆筒形贮槽、球罐、空冷器、余热锅炉等等u换热器:换热器:p固定管板式、浮头式、填函式、固定管板式、浮头式、填函式、U U形
16、管式;形管式;p单管程、多管程;单管程、多管程;p双管板、带导流筒、带膨胀节双管板、带导流筒、带膨胀节18压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l压力容器工作条件及特点压力容器工作条件及特点n主要结构组成主要结构组成u受内压或外压的圆筒壳受内压或外压的圆筒壳u各种形式的封头、平盖各种形式的封头、平盖u开孔及其补强元件开孔及其补强元件u法兰连接法兰连接u膨胀节膨胀节19压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l近代压力容器的发展趋势近代压力容器的发展趋势n大型化大型化,高参数高参数n高温蠕变高温蠕变n低应力脆断低应力脆断n疲劳问题疲劳问题20压力
17、容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l对压力容器的基本要求对压力容器的基本要求n满足(工艺)使用要求满足(工艺)使用要求n安全可靠性安全可靠性u强度、刚度、稳定性、密封性、耐蚀性强度、刚度、稳定性、密封性、耐蚀性n合理的经济成本合理的经济成本21压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l压力容器强度失效准则有三种观点压力容器强度失效准则有三种观点n弹性失效弹性失效常规设计(常规设计(GB150GB150等)等)认为壳体内壁产生屈服即达到材料屈服限时该壳体即失效,将应力限认为壳体内壁产生屈服即达到材料屈服限时该壳体即失效,将应力限制在弹性范围,按照
18、强度理论把筒体限制在弹性变形阶段。制在弹性范围,按照强度理论把筒体限制在弹性变形阶段。n塑性失效塑性失效分析设计(分析设计(JB4732JB4732)将容器的应力限制在塑性范围,认为圆筒内壁面出现屈服而外层金属将容器的应力限制在塑性范围,认为圆筒内壁面出现屈服而外层金属仍处于弹性状态时,并不会导致容器发生破坏,只有当容器内外壁面全仍处于弹性状态时,并不会导致容器发生破坏,只有当容器内外壁面全屈服时才为承载的最大极限。屈服时才为承载的最大极限。n爆破失效爆破失效高压、超高压设计高压、超高压设计 认为容器由韧性钢材制成,有明显的应变硬化现象,即便是容器整体认为容器由韧性钢材制成,有明显的应变硬化现
19、象,即便是容器整体屈服后仍有一定承载潜力,只有达到爆破时才是容器承载最大极限。屈服后仍有一定承载潜力,只有达到爆破时才是容器承载最大极限。22压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l圆筒内的应力圆筒内的应力l关于回转薄壳的无力矩理论关于回转薄壳的无力矩理论l压力容器应力分类简述压力容器应力分类简述l压力容器设计及相关问题压力容器设计及相关问题23压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l一压力容器壳体厚度为一压力容器壳体厚度为,内半径为,内半径为Ri(内直径为内直径为Di),受,受气体压力气体压力p作用的壳体。如图所示:作用的壳体。如图所示:圆
20、筒内的应力24压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l在圆筒中间沿径线平面切开为两段(如图)在圆筒中间沿径线平面切开为两段(如图)n在研究的壳体上作用有外力在研究的壳体上作用有外力p(流体压力)(流体压力)n壳体厚度上存在内力,单位面积上为应力壳体厚度上存在内力,单位面积上为应力n在轴线方向作力的平衡在轴线方向作力的平衡圆筒内的应力25压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l在圆筒中间沿轴线平面切开为两段(如图)在圆筒中间沿轴线平面切开为两段(如图)n在研究的壳体上作用有外力在研究的壳体上作用有外力p(流体压力)(流体压力)n壳体厚度上存在内
21、力,单位面积上为应力壳体厚度上存在内力,单位面积上为应力n在轴线方向作力的平衡在轴线方向作力的平衡圆筒内的应力26压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l受内压的圆筒体的壳体中的轴向和周向应力:受内压的圆筒体的壳体中的轴向和周向应力:l周向应力时轴向应力的周向应力时轴向应力的2 2倍。倍。l如果控制周向应力如果控制周向应力不超过许用应力,即:不超过许用应力,即:l则可得容器的强度尺寸为:则可得容器的强度尺寸为:圆筒内的应力27压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l弹性失效准则下的四个强度理论:弹性失效准则下的四个强度理论:n第一强度理论第一
22、强度理论(最大主应力理论)(最大主应力理论)材料不论在什么复杂的应力状态下,只要三个主应力中有一个达到材料不论在什么复杂的应力状态下,只要三个主应力中有一个达到轴向拉伸或压缩中破坏应力的数值时,材料就要发生破坏。轴向拉伸或压缩中破坏应力的数值时,材料就要发生破坏。n第二强度理论第二强度理论(最大变形理论)(最大变形理论)材料的破坏取决于最大线应变,即最大相对伸长或缩短。材料的破坏取决于最大线应变,即最大相对伸长或缩短。n第三强度理论第三强度理论(最大剪应力理论)(最大剪应力理论)无论材料在什么应力状态下,只要最大剪应力达到在轴向拉伸中破无论材料在什么应力状态下,只要最大剪应力达到在轴向拉伸中破
23、坏时的数值,材料就发生破坏。坏时的数值,材料就发生破坏。n第四强度理论第四强度理论(剪切变形能理论)(剪切变形能理论)材料的破坏取决于变形比能,把材料的破坏归结为应力与变形的综合。材料的破坏取决于变形比能,把材料的破坏归结为应力与变形的综合。圆筒内的应力28压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l根据第一强度理论,最大主应力(周向应力)小于等于许用应力,承根据第一强度理论,最大主应力(周向应力)小于等于许用应力,承压容器就是安全的。压容器就是安全的。l但是该公式所计算出的最大应力值,与精确值相比相差较大(大约小但是该公式所计算出的最大应力值,与精确值相比相差较大(大约
24、小23),将内径换为中径,计算值与精确值相差减小(约为),将内径换为中径,计算值与精确值相差减小(约为3.8)l容器的中径容器的中径 D=Di+,则有则有l按照第一强度理论,用中径公式计算压力容器的壁厚按照第一强度理论,用中径公式计算压力容器的壁厚圆筒内的应力29压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l基本概念基本概念n壳体壳体:以两个曲面为界,且曲面间的距离远小于其他方向尺寸的:以两个曲面为界,且曲面间的距离远小于其他方向尺寸的物体物体n壳体厚度壳体厚度:两曲面间的距离:两曲面间的距离n中面中面:平分壳体曲面的曲面:平分壳体曲面的曲面n薄壳薄壳:壳体厚度:壳体厚度与
25、中面曲率半径与中面曲率半径R之比之比/R0.10.1的壳体的壳体n回转壳回转壳:中面由一根平面曲线绕一根在平面内的定轴旋转而成的:中面由一根平面曲线绕一根在平面内的定轴旋转而成的壳体壳体n轴对称问题轴对称问题:几何形状、承受载荷、边界支承均对旋转轴对称的:几何形状、承受载荷、边界支承均对旋转轴对称的力学问题力学问题回转薄壳无力矩与有力矩理论概念回转薄壳无力矩与有力矩理论概念30压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础压力容器设计基础l薄膜内力薄膜内力:引起薄壳结构中面的拉伸、压缩和剪切变形的内力(在轴:引起薄壳结构中面的拉伸、压缩和剪切变形的内力(在轴对称情况下由于对称性,不存在剪切内
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