第十四章內(nèi)壓容器設(shè)計

1、第十四章 內(nèi) 壓 容 器 設(shè) 計,,,,,,,14.1概述14.1.1容器的結(jié)構(gòu) 通用零部件——筒體，封頭，法蘭，人孔，手孔，支座及管口。設(shè)計時盡可能直接選用這些通用零部件。,14.1.2容器的分類：,A按容器形狀分類 方形，球形，圓筒形B按承壓性質(zhì)分類 內(nèi)，外壓容器,內(nèi)壓容器習(xí)慣上又分為：常壓: P100MPa,C按結(jié)構(gòu)材料分類 金屬，非金屬D按使用場合分類 反應(yīng)、換熱、分離、貯運E按安全

2、監(jiān)察分類 一類容器、 二類容器、 三 類容器,一類容器：（1）非易燃，無毒介質(zhì)，低 壓容器 （2）易燃，有毒介質(zhì)，低壓 分離容器或換熱器 二類容器：（1）中壓 （2）劇毒介質(zhì)低壓

3、 （3）易燃，有毒介質(zhì)低壓反 映器或貯運容器 （4）內(nèi)徑小于1米的低壓廢 熱鍋爐,三類容器： （1）高壓，超高壓（2）劇毒介質(zhì), P*v>200LMPa的低壓容器或劇毒介質(zhì)中壓容器（3）易燃有毒介質(zhì)，P*v>5

4、00LMPa的中壓反應(yīng)容器，P*v>500LMPa中壓貯運容器（4）中壓廢熱鍋爐或內(nèi)徑小于1米的低壓廢熱容器,14.1.3容器機械設(shè)計的基本要求,1.確定工藝尺寸； 2.強度、剛度、穩(wěn)定性、耐久性、氣密性、其他。,14.2容器的受力分析,14.2.1薄壁容器的應(yīng)力分析A薄壁容器的概念（1）厚壁容器 K>1.2（2）薄壁容器 K≤1.2,B回轉(zhuǎn)薄壁殼體的應(yīng)力分析,化工上常用的圓筒形、圓錐形、球形

5、等薄壁容器，都屬于回轉(zhuǎn)薄壁殼體。假設(shè)：殼體簡化成薄膜，在內(nèi)里的作用下，均勻膨脹，薄膜的橫截面幾乎不能承受彎矩，因此殼體在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生的主要內(nèi)力是拉力。沿著厚度方向是均勻分布的。,,,,,,R2,,dθ2,b,c,,,,,,Q2,,,,,,,,,,,,dθ2/2,dθ2/2,Q2,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,σ1,σ1,σ2,σ2,a,b,c,d,k2,K1,在內(nèi)壓力ｐ的作用下，在微體abcd面積上受力

6、為：F=Pdl1dl2在微體四個截面上的拉力分別為：bc與ad截面上的經(jīng)向力Q1=σ1δdl2ab與cd截面上的環(huán)向力Q2=σ2δdl1根據(jù)力的平衡原理，所有作用在微體上的力沿微體法線方向投影的代數(shù)和應(yīng)等于零。,因為微體的曲率半徑夾角dθ1和dθ2很小，,,Oz軸的分力為： dQ=P2πrdlcosα 由圖可知： cosα=dr/dl 故 dQ= 2πrPdr如果殼體只承受氣壓，則

7、在內(nèi)力的作用下，non`殼體的截面上必將產(chǎn)生內(nèi)力，其值在oz軸方向的分力為： Q`=2πrK δσ1cosΦ根據(jù)分離體平衡條件 Q= Q`,Q`=2πrK δσ1cosΦ根據(jù)分立體平衡條件 Q= Q`得：,如果殼體承受液體，則,14.2.2薄壁容器應(yīng)力分析的實例,A 受氣壓的圓筒形殼體 R1= ∞ , R2= R 代入,,取圓筒體下半為分離體對于Rk=R , cosΦ=cos0°=1故

8、徑向應(yīng)力,,,B 受氣壓的球形殼體 R1= R2=R σ1= σ2= σ則：,C受氣壓的錐形殼體對于錐形殼體R1= ∞ , R2=r/cosα,D 受氣壓的橢球形殼體 橢圓形曲線方程為：,14.2.3邊緣應(yīng)力的概念,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,M0,M0,Q0,Q0,,,,14.3 內(nèi)壓薄壁殼體的厚度設(shè)計,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

9、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,c,δ,δ +c,D1,D,D0,,,,,,,,,,,（一）強度設(shè)計A :內(nèi)壓圓筒的厚度計算 徑向應(yīng)力： 環(huán)向應(yīng)力

10、： ?2 = 2?1,因強度理論規(guī)定: ?2?[?]tp—— 設(shè)計壓力（MPa）D—— 中徑?—— 圓筒的計算厚度（mm）[?]t——許用應(yīng)力（MPa）,考慮若干因素：,焊縫系數(shù)?: 由于有夾渣、氣孔、未焊透以及焊縫兩側(cè)過熱區(qū)的影響，造成強度的減弱，因此要將鋼材的需用應(yīng)力適當?shù)臏p少。 [?]?設(shè)=[?]?? （? ?1）適用于設(shè)計壓力p?0.4[?]?? 中

11、的范圍,厚度的附加量c: 由于考慮到鋼板在軋制過程的負偏差、生產(chǎn)過程各種介質(zhì)的腐蝕等因素的影響； ?d = ? + c式中：δd – 設(shè)計厚度 Φ– 圓筒縱焊縫系數(shù),B 內(nèi)壓球殼的厚度計算球形殼體受氣壓時，徑向壓力=環(huán)向壓力球形容器比圓筒形容器具有表面積小，厚度薄，材料節(jié)省的優(yōu)點?？紤]焊縫系數(shù)及厚度附加量適用于設(shè)計

12、壓力p?0.6[?]?? 中的范圍,（二）設(shè)計參數(shù)確定,A 設(shè)計壓力P無安全泄放裝置 P = （1.0~1.1）PW 使用安全泄放裝置 P = （1.05~1.1）PW,B 設(shè)計溫度 設(shè)計溫度是指容器正常工作，在相應(yīng)設(shè)計壓力作用下，器壁金屬可能達到的最高溫度或最低溫度。見表14-2C 許用應(yīng)力[?]t見表14-3,D焊縫系數(shù)表14-5 焊縫系數(shù),E厚度,a.附加量c c=c1 +c2 (mm)

13、 C1----負偏差 表14-5 C2----腐蝕裕量 表14-6,,b.最小厚度碳素鋼和低合金鋼容器 Di?3800mm時Di?3800mm時不銹鋼,3 計算厚度按有關(guān)公式計算得到4 設(shè)計厚度5 名義厚度6 有效厚度7 實際厚度,δe< δ實,14.3.3壓力試驗,水壓和氣壓兩種實驗方法,例14-1液氨貯罐的桶體設(shè)計,已知條件：設(shè)計壓力p=2.5MPa，操作溫度-5~44℃，貯罐內(nèi)徑

14、Di=1200mm。設(shè)計要求：確定桶體厚度、鋼材牌號。解：純液氨腐蝕性很小，壓力較高，可以考慮采用20R、16MnR、15MnVR等鋼種。,第一方案 采用16MnR在-5~44℃，取[σ]=170MPa, Φ=0.85, C2=1mm, C1=0.8mm, C= C1 + C2= 1.8mmδd= δ+c=10.47+1.8=12.27mm根據(jù)鋼板厚度規(guī)格, 取δn=14mm,,水壓試驗強度校核：PT=1

15、.25P=3.13MPa.水壓試驗時的應(yīng)力16MnR在常溫水壓試驗時的許用應(yīng)力[σT]=0.9σs=0.9×345=310.5MPa 因為σT＜ [σT], 故桶體厚度滿足水壓試驗強度試驗。,第二方案 20R鋼板的[σ]=133MPa，Φ=0.85。 C1=0.8mm, C= C1 + C2= 1.8mm δd= δ+c=13.42+1

16、.8=15.22mm 按鋼板厚度規(guī)格，園整為δn=16mm。,水壓試驗時的應(yīng)力20R鋼制容器常溫水壓試驗時的許用應(yīng)力[σT]=0.9σs=0.9×245=220.5MPa 因為σT＜ [σT],故桶體厚度滿足水壓試驗強度試驗。,兩種方案的比較：,3 內(nèi)壓封頭的厚度設(shè)計,凸形：半球形、橢圓形、碟形圓錐形平板形,14-6 某廠需要設(shè)計一臺液氨貯罐，其內(nèi)徑為1800mm，總?cè)莘e12m3，最大工作

17、壓力1.6MPa，工作溫度-10℃～40 ℃，試選擇筒體材料和型式，并計算筒體厚度。解：根據(jù)容器承裝的物品性質(zhì)及特點，選用圓筒形容器，選用20R，Di＝1800mm，設(shè)計壓力選取最大工作壓力1.1倍， P=1.1×1.6=1.76MPa， [σ]=133MPa,焊縫采用V型坡口雙面焊接，局部無損探傷，Φ＝0.85，,δ=PDi/[2 [σ]tΦ-P] =1.76 ×1800/ /[2 ×133 &

18、#215; 0.85-1.76]=14.1mm查表14-6可知：負偏差取0.25mm，腐蝕余量取1mm，則設(shè)計厚度為δd=14.1+0.25+1=15.35mm取δn=16mm ， δe=16-0.25-1=14.75mm,水壓試驗強度校核：PT=1.25×1.76=2.2MPaσT=PT×[Di+ δe]/2 δe Φ=2.2 ×[1800+ 15.75]/[2 ×14.75×0

19、.85]=159.3MPa20R鋼制容器常溫水壓試驗時的許用應(yīng)力[σT]=0.9σs=0.9×245=220.5MPa 因為σT＜ [σT],故桶體厚度滿足水壓試驗強度試驗,14-7某廠脫水塔的塔體內(nèi)徑700mm，實際厚度為12mm，材料為20R，其200℃時的σs=245MPa，塔的工作壓力P=2MPa，工作溫度180℃，塔體采用單面對接焊（帶墊板），局部無損檢測，腐蝕余量1mm，試校核塔體工作與試壓時的強度。

20、解：Di＝700mm，實際厚度12mm，C2=1mm，P=2MPa， σs=245MPa， Φ＝0.80 δe=12-1=11mm,塔體工作強度為：,采用液體試壓試壓時強度：設(shè)計壓力取1.1倍工作壓力，則P=1.1×2=2.2MPa,14-8設(shè)計一臺不銹鋼（0Cr18Ni10Ti）制承壓容器，最大工作壓力1.6MPa，裝有安全閥，工作溫度150 ℃，容器內(nèi)徑1.2m，筒體縱向焊縫為雙面對接焊，做局部透視，試確定

21、容器厚度。解：Di＝1200mm，Pw=1.6MPa，Φ＝0.85，[σ]t=103MPa ，腐蝕余量為0mm； 查表得：σs=205MPa， 設(shè)計壓力取1.1倍工作壓力，則 P=1.1Pw=1.1×1.6=1.76MPa,采用液體試壓試壓時強度：答：器壁厚度為14mm。,14-9 一材質(zhì)為20R的反應(yīng)釜，內(nèi)徑為1600mm，正常操作壓力為1.3MPa，安全閥的開啟壓力為1.4MPa

22、，反應(yīng)溫度200 ℃，介質(zhì)有輕微腐蝕，取C2=1mm，焊縫為雙面對接焊，局部無損探傷，經(jīng)檢修實測最小厚度為12mm，試判斷該釜能否繼續(xù)使用。14-9解：Di＝1600mm，實際厚度12mm, C2=1mm， 設(shè)計壓力取安全閥的開啟壓力Pw=1.4MPa， σs=245MPa，Φ＝0.85, δe=12-1=11mm,14-10 某化肥廠加壓變換飽和熱水塔內(nèi)徑為800mm，厚度為12mm，材料20R，塔的工作壓力1.2MPa，工作溫度6