中低壓容器設計PPT

石大留戀

第二章 中低壓容器設計

目   錄
第一節 旋轉殼體的應力分析
一、旋轉殼體的基本概念
  ◆ 旋轉殼體的形成及幾何特征


● 旋轉曲面
           任意平面曲線繞同平面內某已知的直線旋轉而成的曲面稱為旋轉曲面。這一已知的直線稱為旋轉軸，繞其旋轉的平面曲線稱為母線。
● 旋轉殼體
       以旋轉曲面為中間面的殼體稱為旋轉殼體。
● 中間面
      與旋轉殼體內外表面等距的曲面稱為中間面。

● 第一曲率半徑
      經線上任一點的曲率半徑就是旋轉殼體在該點的第一曲率半徑，用r1表示。r1 =K01，O1為第一曲率中心。
● 第二曲率半徑
      用過K點并與經線在K點的切線垂直的平面切割中間面，所得交線為一曲線，此曲線在K點的曲率半徑稱為旋轉殼體在該點的第二曲率半徑，用r2表示。r2=KO2，O2為第二曲率中心。

   ● 平行圓及其半徑
      用垂直旋轉軸的平面過K點切割中間面，所得交線為一個圓，此圓稱為旋轉殼體在該點的平行圓。該圓的半徑稱為旋轉殼體在該點的平行圓半徑，用r表示。r=KO= r2sinφ。


◆ 典型殼體的第一、第二曲率半徑及平行圓半徑
  ● 圓筒形殼體
      設殼體中間面半徑為R，由于經線為直線，故r1=∞；與經線的切線垂直的平面、也就是與旋轉軸垂直的平面，其切割中間面形成的曲線就是平行圓，所以 r2= r= R。



● 球形殼體

    設殼體中間面半徑為R，
由于經線為半圓曲線，與經
線垂直的平面就是半徑所在
的平面，故第一、第二曲率
中心重合，第一、第二曲率
半徑都等于球殼中間面半徑
為R，K點的幾何參數為：
r1= r2 =R ； r= r2sinφ= R sinφ。


  ● 錐形殼體  
      設錐殼的半頂角為。則經線是與旋轉軸夾角為的直線，K點的幾何參數為：r1=∞；r2=xtanα； r= r2cosα.


二、無力矩理論及應用
  ◆ 無力矩理論的概念
      旋轉殼體在內壓力作用下發生變形，在殼壁中產生拉應力和彎曲應力，當殼體的徑比K=Do/Di≤1.2時，為了簡化計算，常忽略彎曲應力而只考慮拉應力的影響，這對一般的工程設計有足夠的精度。這種分析問題的方法稱為“無力矩理論”，由此求得的旋轉殼體中的應力稱為“薄膜應力”。

◆ 無力矩理論的基本方程

          微體平衡方程


          區域平衡方程

      當殼體只受氣體壓力作用時，由于氣體密度很小、其靜壓力隨殼體位置的變化很小，所以可近似認為   與   無關 。可得

◆ 受氣體壓力作用典型殼體的薄膜應力
  ● 圓筒形殼體


  ● 球形殼體


● 錐形殼體


三、有力矩理論及邊緣問題
  ◆ 無力矩理論的適用范圍
殼體曲率半徑的變化是連續的、無突變，殼體的厚度也無突變；
構成同一殼體材料的物理性能（E、μ等）是一致的；
作用在殼體上的外載荷是連續的，沒有突變或集中載荷作用；
殼體邊界處只有沿經線切線方向的約束，而經線的轉動和法向位移均不受約束。
     以上只要有一條不滿足，就不能應用無力矩理論，而應按有力矩理論進行分析。

◆ 有力矩理論的概念
           考察受力平衡、幾何變形、應力應變關系等方面，建立各量之間的關系式，再結合邊界和變形協調條件，求出各種應力，這種方法稱為有力矩理論。
◆ 邊緣問題
  ● 邊緣及邊緣應力
           在殼體上不滿足無力矩理論應用條件的部位稱為連接邊緣，在邊緣處殼體相互之間產生的約束力稱為邊緣應力。

● 常見的連接邊緣
殼體與封頭的連接處。
直徑和材料相同但壁厚不同兩殼體的連接處。
殼體上有法蘭、接管等部位。
殼體上有集中載荷、或邊界法向有約束的部位。
不同材料制造的同直徑和同壁厚圓筒的連接處等。


● 邊緣應力的特點

       局部性
       自限性

● 邊緣應力在工程設計中的考慮
      ＊ 對于塑性較好的低碳鋼、奧氏體不銹鋼，以及銅、鋁等有色金屬材料制成的殼體，當承受靜載荷時，一般可以不對邊緣應力特殊考慮或具體計算。
          對于塑性很差的脆性材料制造的容器殼體，必須充分考慮邊緣應力的影響，正確計算邊緣應力并按應力分類的設計規范進行驗算，否則，將在邊緣高應力區導致脆性或疲勞破壞。


      ＊由于邊緣應力具有局部性，在設計中可以進行局部處理。
      ＊ 用高強度、低塑性的低合金鋼材料制造容器殼體時，在連接焊縫處及其熱影響區，材料容易變脆，并使該局部區域產生很高的局部應力。因此，在焊縫區域要采取焊后熱處理以消除熱應力；另外，在結構上也可進行一些處理，使其更加合理，例如，采用等厚度連接；盡量使焊縫遠離連接邊緣；正確選用加強圈等。   

    ＊  對受脈動載荷或循環載荷作用的殼體，當邊緣應力可能超過材料的屈服極限時，容易引起材料的應變硬化現象。如果在同樣載荷繼續作用下，還可能在該處出現裂紋并形成裂紋源，因此，對承受這類載荷的連接邊緣結構，應采取適當措施以降低邊緣應力的影響。
第二節  內壓薄壁容器的強度計算
一、容器的設計計算
   ◆ 圓筒型容器
      設內壓薄壁圓筒的中間面直徑為D，壁厚為δ，內部受到介質壓力p的作用。

      徑向（軸向）應力：

      環向應力：

  ● 圓筒的強度計算
      對內壓薄圓筒而言，其環向應力遠大于軸向應力，故按環向應力建立強度條件：



   式中：[σ]t ---筒體材料在設計溫度下的的許用應力.


● 工程應用中，還需考慮以下因素 ：
   ＊  焊縫接頭系數 :由于焊縫的存在會使筒體強度減弱,所以要將鋼的許用應力適當降低，將許用應力乘以一個小于1的數值Φ，稱為焊縫接頭系數。引入焊縫接頭系數后的強度條件為：                    
σt=pD/2δ≤ [σ]t φ＊ 內徑：因圓筒的內直徑是由工藝計算決定的，則中間面直徑可表示為為：D = Di+ δ
     ＊ 計算壓力PC :     以計算壓力取代上式中的 p   
        可得：

    ● 圓筒的計算厚度
             δ=pcDi/(2[σ]t Φ-pc)
   式中：δ----圓筒的計算厚度；
         pc----圓筒的計算壓力；
        [σ]t----圓筒材料在設計溫度下的許用應力；
         Φ----圓筒的焊縫接頭系數。
       此式適用范圍為pc≤0.4[σ]t Φ ，且不超過35MPa。  

◆ 球形容器
               σ=pD/4δ
●球形容器的強度計算
         σ=pcD/4δ≤ [σ]t Φ
     設內徑為Di，則中間面直徑為：
       D = Di+ δ


     則強度條件為
            σ=pc（Di +δ）/4δ≤[σ]t Φ
   ● 球形容器的計算厚度
       δ=pcDi/(4[σ]t Φ-pc)
       式中各項參數的意義與內壓薄壁圓筒相同
     此式適用范圍為pc≤0.6[σ]t Φ ，且不超過35MPa
     二、 容器厚度的確定
      1、計算厚度δ
       按各強度公式計算得到的厚度，是滿足容器強度要求的最小值。


  2、設計厚度δd
      計算厚度與腐蝕裕量之和,即δd=δ+C2。
    3、名義厚度δn
      指設計厚度加上鋼材厚度負偏差向上圓整至鋼材的標準規格厚度。即標注在圖樣上的厚度。
   4、有效厚度δe
     名義厚度減去厚度附加量（鋼材厚度負偏差+腐蝕裕量）
   即： δe= δn-(C1+C2)= δn-C


  5、最小厚度δmin
    不包括腐蝕裕量的最小厚度。是滿足容器剛度要求的最小值。
  （1）對于碳素鋼、低合金鋼制容器，不小于3mm；
  （2）對有高合金鋼制容器，不小于2mm。


三、容器的校核計算
   ● 圓筒形容器
        [pw]= 2[σ]tΦδe/(Di+δe)
   ● 球形容器
        [pw]= 4[σ]tΦδe/(Di+δe)

       式中 [pw] —容器的最大允許工作壓力，MPa；
           δe   —容器的有效厚度，
           δn —容器的名義厚度，mm；
            C  —容器的厚度附加量，
            C1  —鋼板或鋼管的厚度負偏差，mm；
            C2  —腐蝕裕量，mm。

  第三節   設計參數的確定
一、設計壓力
◆ 定義
   ● 設計壓力
      設計壓力是指設定的容器頂部的最高工作壓力，用p表示，設計壓力應標在容器的名牌上；其值不低于工作壓力。
   ● 工作壓力
      工作壓力是指正常操作情況下容器頂部可能出現的最高壓力，用pw表示。


  ● 計算壓力
      在相應的設計溫度下，用以確定容器元件厚度的壓力稱為計算壓力，用pc表示，計算壓力等于設計壓力加上容器工作時所承受的液注靜壓力，當元件各部位的液注靜壓力小于5%的設計壓力時，也可忽略不計。
◆ 設計壓力的確定
   ● 當容器上裝有安全閥時，設計壓力應大于等于安全閥的開啟壓力，取開啟壓力為（1.1～1.05）倍的工作壓力；當容器上裝有爆破片裝置時，容器的設計壓力隨爆破片的形式、載荷的性質及爆破片的制造精度等因素有關，具體數值可按GB150的有關規定進行確定

● 當容器系統中裝有安全控制裝置，而單個容器上無安全控制裝置且各個容器之間的壓力降難以確定時，其設計壓力可按表2-1確定。
● 盛裝液化氣體或混合液化石油氣的容器，設計壓力可按表2-2確定





二、設計溫度
   ◆ 定義
        設計溫度是指容器在正常工作情況下，設定的元件的金屬溫度（沿元件金屬截面溫度的平均值），用t表示。
    ◆ 設計溫度的確定：
        ● 容器內介質被熱載體或冷載體直接加熱時，設計溫度按表2-3確定 。
      ● 容器內壁與介質直接接觸且有外保溫時，設計溫度按表2-4確定

   ● 容器內介質用蒸汽直接加熱或被內置加熱元件（如加熱盤管、電熱元件等）間接加熱時，其設計溫度取被加熱介質的最高工作溫度。
    ● 對液化氣用壓力容器當設計壓力確定后，其設計溫度就是與其對應的飽和蒸氣的溫度。
     ● 對儲存用壓力容器（包括液化氣儲罐）當殼體溫度僅由大氣環境條件確定時，其設計溫度可取該地區歷年來月平均氣溫的最低值，或據實計算。

   三、許用應力
          許用應力是容器殼體、封頭等受壓元件所用材料的許用強度，它是由材料的各極限應力
    除以相應的安全系數來確定的。
   四、焊接接頭系數
            焊接接頭系數，它是接頭處材料的強度與母材強度之比，用φ表示。焊接接頭系數的取值與接頭的形式及對其進行無損檢測的長度比例有關。


●當采用雙面焊對接接頭和相當于雙面焊的全焊透對接接頭時：   
         100%無損檢測  φ=1.0；
                局部無損檢測  φ=0.85。
●當采用單面焊對接接頭（沿焊縫根部有緊貼基本金屬的墊板）時：
        100%無損檢測  φ=0.90；
        局部無損檢測  φ=0.80。
      至于在什么情況下需要采取100%無損檢測，可查閱GB150。

五、厚度附加量
      厚度負偏差C1和腐蝕裕量C2，二者之和稱為厚度附加量，用C表示。


第四節  內壓封頭的結構及強度計算
◆ 常用封頭的形狀
    壓力容器封頭可分為凸形封頭、錐形封頭、平板形封頭等。
    凸形封頭包括半球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭和球冠形封頭四種。

一、半球形封頭
           半球形封頭即為半個球殼，半球形封頭的設計計算與球形容器相同。  

二、橢圓形封頭
◆ 結構組成
      橢圓形封頭是由半個橢球殼和一段高度為h的直邊部分所組成。直邊部分的作用是使橢圓殼和圓筒的連接邊緣與封頭和圓筒焊接連接的接頭錯開，避免邊緣應力與熱應力疊加的現象，改善封頭和圓筒連接處的受力狀況。
  ◆ 強度計算
      當橢圓形封頭的Di/2hi=2時，稱為標準橢圓封頭。

＊ 設計計算


＊ 校核計算

式中  K—橢圓形封頭的形狀系數，

三、碟形封頭
   ◆ 結構組成
    碟形封頭是由半徑為
Ri的部分球面、高度為h的
直邊部分及連接以上兩部
分的半徑為r的過渡區所組
成。GB150中推薦取
Ri=0.9Di, r=0.17Di

◆ 強度計算
     ＊ 設計計算


      ＊ 校核計算

式中： Ri—碟形封頭球面部分內半徑，mm；
       M—碟形封頭的形狀系數

四、錐形封頭


◆ 結構及適用范圍  
     當半頂角α≤300時，大、小端均可無折邊，當半頂角300＜α≤450時，小端可無折邊，大端須有折邊，當450＜α≤600時，大、小端均須有折邊，當半頂角α＞600時，按平封頭考慮或用應力分析方法確定。
◆ 設計計算
     ＊無折邊錐形封頭

      錐體部分厚度


     大端加強厚度


     小端加強厚度  

          式中 Q1、Q2—大、小端應力增值系數

兩端加強段長度按以下規定確定：

大端封頭上加強段長度

大端筒體上加強段長度

小端封頭上加強段長度

小端筒體上加強段長度

＊大端有折邊、小端無折邊錐形封頭

大端過渡厚度


中間錐體部分厚度


           小端是否要加強，加強端厚度與兩端都無折邊時小端的情況相同.   

   ＊兩端都有折邊的錐形封頭
         小端過渡段厚度

五、圓形平封頭
        圓形平封頭厚度
          計算公式為：



第五節  容器的壓力試驗
一、壓力試驗的目的
                      壓力試驗的目的是檢查容器的宏觀強度、焊縫的致密性及密封結構的可靠性，及時發現容器鋼材、制造及檢修過程中存在的缺陷，是對材料、設計、制造及檢修等各環節的綜合性檢查。
二、壓力試驗的對象
          對下列容器應進行壓力試驗
              1、新制造的容器。
              2、改變使用條件，且超過原設計參數并經強度校核合格的容器。
              3、停止使用兩年后重新啟用的容器。
              4、使用單位從外單位拆來新安裝的或本單位內部移裝的容器。
              5、用焊接方法修理改造、更換主要受壓元件的容器。
              6、需要更換襯里（重新更換襯里前）的容器。
              7、使用單位對安全性能有懷疑的容器。

三、壓力試驗的方法
◆ 液壓試驗：
   ● 試驗介質
     凡是在壓力試驗時不會導致發生危險的液體，在低于其沸點溫度下都可作為液壓試驗的介質，一般用清潔水作為試壓液體。
    ● 試驗裝置






  ● 試驗方法與要求
    ＊ 液壓試驗時應先打開放空口，充液至放空口有液體溢出時，表明容器內空氣已排盡，再關閉放空口的排氣閥，試驗過程中應保持容器表面干燥。待容器壁溫與液體溫度接近時開始緩慢升壓至設計壓力，確認無泄漏后繼續升壓到規定的試驗壓力，保壓30min，然后將壓力降至規定試驗壓力的80%，并保持足夠長的時間（一般不少于30min），以便對所有的焊接接頭及連接部位進行檢查，如發現有泄漏應進行標記，卸壓修補后重新試壓，直至合格為止。在保壓期間不得采用連續加壓的做法維持壓力不變，也不得帶壓緊固螺栓或向受壓元件施加外力。


     ＊   液壓試驗時無滲漏、無可見的變形，試驗過程中無異常的聲響，對拉伸強度σb＞510MPa的鋼材、經表面無損檢測抽查未發現裂紋即為合格。
   ＊  對碳素鋼、16MnR和正火15MnVR鋼容器液壓試驗時，液體溫度不得低于5℃，其他低合金鋼容器液體溫度不得低于15℃；如果由于板厚等因素造成材料的無延性轉變溫度升高時，則需要相應提高試驗液體的溫度。其他鋼種容器液壓試驗溫度按圖樣規定。
  ＊   液壓試驗完畢后，應將液體排盡并用壓縮空氣將內部吹干。對奧氏體不銹鋼制造的容器用水進行試驗后，應采取措施除去水漬，防止氯離子腐蝕；無法達到這一要求時，應控制水中氯離子的含量不超過25mg/L。

◆ 氣壓試驗：
   ● 試驗介質
        干燥、清潔的空氣、氮氣或其他惰性氣體。
   ● 試驗方法與要求
       ＊ 容器作定期檢查時若其內有殘留易燃氣體存在將導致爆炸時，不得使用空氣作為試驗介質。對碳素鋼和低合金鋼容器，試驗用氣體溫度不得低于15℃，其他鋼種的容器按圖樣規定。

    ＊  氣壓試驗時應緩慢升壓至規定試驗壓力的10%且不超過0.05MPa，保壓5min后對容器的所有焊接接頭和連接部位進行初步泄漏檢查，合格后繼續緩慢升壓至規定試驗壓力的50%，然后按每級為規定試驗壓力10%的級差逐步升到規定的試驗壓力。保壓10min后將壓力降至規定試驗壓力的87%，并保壓不少于30min，進行全面的檢查，如有泄漏則卸壓修補后再按上述規定重新試驗。在保壓期間不得采用連續加壓的做法維持壓力不變，也不得帶壓緊固螺栓或向受壓元件施加外力。
      ＊  氣壓試驗時容器無異常響聲，經肥皂液或其他檢漏液檢查無漏氣，無可見異常變形即為合格。試驗過程中若發現有不正常現象，應立即停止試驗，待查明原因后方可繼續進行試驗。

◆ 氣密性試驗
        ●  氣密性試驗的條件
           對劇毒介質和設計要求不允許有微量介質泄露的容器，在液壓試驗后還要作氣密性試驗，氣壓試驗合格的容器不必再作氣密性試驗。
     ● 試驗方法與要求
      氣密性試驗的試驗壓力一般取容器設計壓力的1.05倍，試驗時緩慢升壓至規定的試驗壓力，保壓10min后降至設計壓力。對所有的焊接接頭及連接部位進行泄漏檢查，對小型容器亦可侵入水中檢查，如有泄漏則卸壓修補后重新進行液壓試驗和氣密性試驗。

四、壓力試驗時容器的強度校核
         壓力試驗是在高于工作壓力的情況下進行的，所以在進行試驗前應對容器在規定的試驗壓力下的強度進行理論校核，滿足要求時才能進行壓力試驗的實際操作。
   ◆ 試驗壓力的確定
             ● 液壓試驗時試驗壓力為

             ● 氣壓試驗時試驗壓力為


  ◆ 在確定試驗壓力時應注意以下幾點：
容器銘牌上規定有最大允許工作壓力時，公式中應以最大允許工作壓力代替設計壓力；
容器各元件（圓筒、封頭、接管、法蘭及緊固件等）所用材料不同時，應取各元件材料的[σ]/[σ]t比值中最小者；
立式容器（正常工作時容器軸線垂直地面）臥置（容器軸線處于水平位置）進行液壓試驗時，其試驗壓力按上式確定的值再加上容器立置時圓筒所承受的最大液柱靜壓力。容器的試驗壓力（液壓試驗時為立置和臥置兩個壓力值）應標在設計圖紙上。

◆ 壓力試驗前容器應力的校核
      ●  液壓試驗時圓筒的應力及應滿足的條件為：

                             ≤0.9

      ● 氣壓試驗時圓筒的應力及應滿足的條件為：

                             ≤0.8

動力火車

謝謝樓主的分享