《化工设备机械基础》(第2版)董大勤编著课件《内压》.ppt

第十章 内压容器,第一节 概述 第二节 设计参数的确定 第三节 筒体的设计计算 第四节 封头的设计计算 第五节 在用压力容器的强度校核,第一节 概述,设计标准（规范）简介 压力容器的主要受压元件 压力容器强度计算内容,压力容器的标准简介,压力容器标准是全面总结压力容器生产、设计、安全等方面的经验，不断纳入新科技成果而产生的 它是压力容器设计、制造、验收等必须遵循的准则 压力容器标准涉及设计方法、选材及制造、检验方法等㈠ 国内标准,GB150《钢制压力容器》内容包括： 压力容器板壳元件计算 容器结构要素的确定 密封设计 超压泄放装置的设置 容器的制造与验收的要求等,GB150《钢制压力容器》 压力容器监察规程（容规）,㈡ 国外主要规范,国外的规范主要有： 美国ASME规范 日本国家标准（JIS）,1．美国ASME规范,美国国家标准,美国机械工程师协会（ASME）制定的《锅炉及压力容器规范》 规模庞大、内容完善，仅依靠其本身即可完成选材、设计、制造、检验、试验、安装及运行等全部工作环节1．美国ASME规范,与压力容器密切相关有： 第Ⅱ卷 材料技术条件、 第Ⅴ卷 无损检验、 第Ⅷ卷 压力容器、 第Ⅸ卷 焊接及钎焊评定。

每年增补一次，每三年出一新版，技术先进，修订及时，能迅速反映世界压力容器科技发展的最新成就，为世界上影响最大的一部规范2. 日本国家标准（JIS）,于80年代初制定了两部基础标准， 一部是参照ASME第Ⅷ卷第1册制定的JIS B 8243《压力容器的构造》， 另一部是参照ASME第Ⅷ卷第2册制定的JIS B8250《特定压力容器的构造》 此外，还有与压力容器相关的标准JIS B 8240《冷冻压力容器》、JIS B8241《无缝钢制气瓶》及JIS B8242《圆筒形液化石油气贮罐（卧式）构造》等压力容器的主要受压元件 筒体、封头、设备法兰、开孔补强板、人孔盖、人孔法兰、人孔接管、 M30以上的设备主螺栓、直径大于250的接管、换热管和管板、膨胀节,,压力容器强度计算内容 1、新容器的设计 2、在用容器的校核,,第二节 设计参数的确定,1. 容器直径 公称直径 钢板卷焊公称直径是内径无缝钢管截取,容器直径较小，可直接用无缝钢管制作公称直径指钢管外径设计时，应将工艺计算初步确定的设备内径，调整为符合规定的公称直径2、设计压力和计算压力,最大工作压力：正常操作情况下容器顶部可能出现的最高压力 设计压力：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 计算压力：在相应的设计温度下用于确定容器壳体厚度的压力,设计压力和计算压力区别,计算压力pc：采用公式计算时使用 设计压力p： 查标准件 压力试验 对容器的监察管理,设计压力的确定,1)单个容器不装安全泄放装置 2)装有安全泄放装置 a)装有安全阀的容器 b)装有爆破片的容器,（1.01~1. 1）Pw,a）装有安全阀的容器： 设计压力不得低于安全阀的开启压力,（1.05~1. 1）Pw,,b）装有爆破片的容器：不得低于爆破片的设计爆破压力上限,据爆破片的型式的不同,（1.15~1.75）Pw 3）固定式液化气体压力容器：设计压力不得低于下表的规定,3)液化气体压力容器的设计压力,4)混合液化石油气压力容器的设计压力,,石油气井中伴随石油溢出的气体或石油加工过程中产生的低分子量烃类气体经压缩而成，主要成分为丙烷、丁烷、丙烯、丁烯。

丙烷、 丁烷、 丙烯、丁烯 沸点（℃ ） -47.4 -0.5 -47.4 -6.3 饱和蒸汽压 1.57 0.79 2.16 1.77,,外压容器的设计压力,真空容器 有安全泄放装置 Min(1.25Δp,0.1) 无安全泄放装置 0.1 外压容器 不小于正常操作情况下可能产生的最大内外压差,3、设计温度,定义： 容器在正常操作情况，在相应的设计压力下， 设定的受压元件金属的温度.,确定原则： 不得低于容器工作时器壁金属可能达到的最高温度; 0℃以下时不得高于器壁金属可能达到的最低温度.,容器内的介质是用蒸汽直接加热或用电器元件插入介质，或进入容器的介质已被加热，取介质可能达到的最高温度 容器内介质的被热载体（或冷载体）间接加热，取热载体的最高工作温度或冷载体的（ 低于0 ℃ 的）最低工作温度 储存容器，壳体金属温度受大气环境气温的影响，取历年来月平均最低气温的最低值 间歇操作的设备，介质温度和压力周期性变化，取最苛刻却属于同一时刻的设计温度和设计压力,确定方法：,4、许用应力 1）、确定方法,常温容器 中温容器 高温容器,2）、安全系数,3）、安全系数主要的影响因素,估算的载荷状态及其数值上的偏差; 计算方法的精确程度; 材料性能的稳定性、可靠性及其可能存在偏差的大小; 制造工艺及其允许的偏差; 检验手段及其严格的程度; 使用操作的经验。

4）、几点说明,1）注意钢板厚度； 2）中间温度的许用应力，用内插法确定； 3）Q235钢板的要乘质量系数0.9； 4）厚度较大（超出附表给定厚度）需查GB150-1998，并注意一些附加条件5、焊接接头系数,1）、定义 2）、影响因素 焊接接头型式 焊接工艺 对焊缝检验的严格程度,,接头,坡口,焊缝,,焊接方法,焊条,焊前热处理等,,3）、Ø的确定,,焊缝型式,对焊缝进行无损检验的长度,,第三节 筒体的设计计算,——圆筒的计算厚度,mm 安全承受压强P所需的最小理论计算厚度 P c ——圆筒的计算压力, MPa Di ——圆筒的内径,mm ——钢板在设计温度t下的许用应力，MPa ——焊接接头系数,1、理论计算厚度,腐蚀裕量C2应根据各种钢材在不同介质中的腐蚀速度和容器设计寿命确定 塔类、反应器类容器设计寿命一般按20年考虑，换热器壳体、管箱及一般容器按10年考虑2、设计厚度,腐蚀速度＜0.05mm／a(包括大气腐蚀)时：碳素钢和低合金钢单面腐蚀C2＝1mm，双面腐蚀取C2＝2mm， 腐蚀速度＞0.05mm／a时，单面腐蚀取C2＝2mm，双面腐蚀取C2＝4mm。

不锈钢取C2＝03.名义厚度 钢板厚度负偏差(或钢管负偏差) Cl,4、有效壁厚,,5、最小壁厚,设计压力较低的容器计算出来的厚度很薄， 大型容器刚度不足，不满足运输、安装 限定最小厚度以满足刚度和稳定性要求,壳体加工成形后不包括腐蚀裕量最小厚度dmin： a. 碳素钢和低合金钢制容器不小于3mm b．对高合金钢制容器，不小于2mm,6、压力试验,制造加工过程不完善，导致不安全，发生过大变形或渗漏 最常用的压力试验方法是液压试验介质为常温水 也可用不会发生危险的其它液体，试验时液体的温度应低于其闪点或沸点不适合作液压试验，可用气压试验代替液压试验 如装入贵重催化剂要求内部烘干， 或容器内衬耐热混凝土不易烘干， 或由于结构原因不易充满液体的容器以及容积很大的容器等.,对压力试验的规定情况如下表所示：,液压试验时水温不能过低(碳素钢、16MnR不低于5℃，其它低合金钢不低于15℃)，外壳应保持干燥 设备充满水后，待壁温大致相等时，缓慢升压到规定试验压力，稳压30min，然后将压力降低到设计压力，保持30min以检查有无损坏，有无宏观变形，有无泄漏及微量渗透 水压试验后及时排水，用压缩空气及其它惰性气体，将容器内表面吹干,7、 厚度系数、最大允许工作压力、 计算应力（工作应力）,,,例题1：某化工厂欲设计一台石油气分离工程中的乙烯精馏塔。

工艺要求为塔体内径Di=600mm；设计压力p＝2.2MPa；工作温度t＝-3～-20℃试选择塔体材料并确定塔体厚度解析：由于石油气对钢材腐蚀不大，温度在-20℃以上，承受一定的压力，故选用16MnR 根据式,式中p＝2.2MPa；Di=600mm；[s]＝170MPa j=0.8得：,,C2=1.0 mm 得：,考虑钢板厚度负偏差C1＝0.6mm圆正取dn=7mm,水压试验时的应力,16MnR的屈服限ss=345MPa（附录表6）,水压试验时满足强度要求例题2,有一圆筒形汽包，内径1200mm，操作压力为4MPa,此时 蒸汽温度为250℃ ，有安全阀，材料为20R,筒体采用带垫板的对接焊，全部探伤，设计该汽包的厚度第四节 封头的设计,凸形 锥形 平板,球型 椭圆型 碟型（带折边球型） 无折边球型（球冠型）,带折边锥型 无折边锥型,,,,薄膜 应力理论,平板弯曲 理论,,形状特点 应力情况 危险点 最大薄膜 应力 最大应力及计算σmax 强度条件 计算厚度 最小厚度 优点 缺点,,,,,,形状特点 应力情况 危险点 最大薄膜 应力 最大应力σmax及计算 强度条件 计算厚度 最小厚度 优点 缺点,,,形状特点： 直径小、厚度薄： 整体冲压 大直径：分瓣冲压 ，再焊接,一、半球形封头,二、椭圆形封头,结构：半椭球和高度为h的短圆筒(通称直边) 直边： 保证封头制造质量和避免边缘应力作用。

应力情况 危险点 最大薄膜 应力 最大应力σmax及计算 强度条件 计算厚度 最小厚度 优点 缺点,标准椭圆封头壁厚与筒体同,为满足稳定性：对标准椭圆形封头计算厚度不小于封头内直径的0.15％三、碟形封头,又称带折边球形封头: 球面半径Ri、 过渡圆弧半径r 高度为h的直边 Rci=(0.9-1.0)Di r =（0.15-0.17-0.2）Rci,,,,形状特点 应力情况 危险点 最大薄膜应力 最大应力σmax 及计算 强度条件 计算厚度 最小厚度 优点 缺点,,,相同受力，碟形封头壁厚比椭圆形封头壁厚要大些，而且碟形封头存在应力不连续，,计算壁厚满足：不小于封头内直径的0.15—0.3％四、球冠形封头,无折边球形封头: 降低凸形封头高度，将碟形封头的直边及过圆弧部分去掉，只留下球面部分最大应力处,,形状特点 应力情况 危险点 最大薄膜 应力 最大应力σmax 及计算 强度条件 计算厚度 最小厚度 优点 缺点,五、锥形封头,a30°,30 ° a  45 °,450 a ≤ 600,广泛用于化工设备(如蒸发器、喷雾干燥器、结晶器及沉降器等)的底盖 便于收集与卸除设备中的固体物料。

塔设备上、下部分的直径不等，也常用锥形壳体连接，称为变径段一）无折边锥形封头或锥形筒体,半锥角a30°,1. 按大端，计算壁厚为,Q为锥壳与圆筒联接处的应力增值系数，查图8-7,,3、无折边锥壳的厚度,锥壳厚度,考虑制造成本，统一厚度,（二）折边锥形封头或锥形筒体,a300 锥壳大端 450600时，按平盖计算1、锥壳大端计算壁厚,1、锥壳大端计算壁厚,2、锥壳小端 半锥角a450 ,小端无折边 半锥角450 a ≤ 600 ,小端必须加折边， Di/Dsi ≥4 无需计算,六、平板封头,圆形、椭圆形、长圆形、矩形和方形等 相同(R／d)和受载下，薄板应力比薄壳大得多，即平板封头比凸形封头厚得多平盖系数K查表,,,,,,,,,,,,,,半球形封头受力最好，壁厚最薄、重量轻，但深度大制造难，中、低压小设备不宜采用； 标准椭圆形封头制造比较容易，受力状况比碟形封头好，故可采用标准椭圆形封头 碟形封头深度可调节，适合于加工，但曲率不连续，局部应力，故受力不如椭圆形封头平板封头结构简单，制造方便 压力不高直径较小或高压容器直径较小 承压设备人孔、手孔以及在操作时需要用盲板封闭的地方，用平板盖。

第五节 在用压力容器的校核,校核原则 校核思路与公式,,按原设计标准校核 材料不明时，按同类材料最低标准值进行校核 焊接接头系数按实际结构形式和检验结果，参照原规定原则 对使用多年的，或腐蚀严重的容器 强度校核压力 壁温的选取,,非低温,低温,。