《过程设备设计基础》教案-4压力容器设计

《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。

⎩⎨⎧经济性安全性设计基本要求⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧封材料。

结构，选择合适的密选择或设计合理的密封—密封设计料。

构尺寸，选择合适的材确定零部件结通过强度和刚度计算，—强度和刚度设计的结构形式。

设计简单、合理、经济、检验等方面的要求，满足工艺、制造、使用—结构设计、基本设计内容1三、压力容器设计条件 1、设计条件图2、基本设计要求§4-2 设计准则⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧搅拌容器条件图塔器条件图换热器条件图容器条件图设计条件图⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧温条件等）计寿命、腐蚀速率、保其它（容积、材料、设操作方式和要求压力和温度工作介质设计要求⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧断裂力学分析设计方法疲劳分析设计方法分析设计方法常规设计方法四、压力容器设计方法⎪⎩⎪⎨⎧它文件安装、使用说明书及其设计计算书设计图样五、压力容器设计文件1、强度失效——由于材料屈服或断裂引起的压力容器失效。

（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。

⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧交互失效泄漏失效失稳失效刚度失效强度失效式一、压力容器的失效形⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧腐蚀断裂蠕变断裂疲劳断裂脆型断裂韧性断裂强度失效形式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（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⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧脆性断裂失效设计准则蠕变失效设计准则疲劳失效设计准则弹塑性失效设计准则爆破失效设计准则塑性失效设计准则弹性失效设计准则）强度失效设计准则（1一、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。

⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧扁平钢带倾角错绕式槽形绕带绕带式整体多层包扎式绕板式热套式多层包扎式组合式无缝钢管式单层瓦片式整体锻造式单层卷焊式单层式圆筒结构形式（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） 壁厚计算得：ct ic p D p -=φσδ][2tc DP ][41σδσ≤=φσδδφδt i c i D P D D ][4)(≤++=，引入焊缝系数设计厚度：δd =δ+C 2名义厚度：δn = δd + C 1+△= δ+ C 1 +C 2+△ 有效厚度：δe = δ+△= δn - C 1 -C 2 上述四个厚度之间的关系：（2）强度校核工作应力：最大允许工作压力：焊接接头系数计算压力----φc p φσt c p ][0.4≤适用范围：φσδδσt ee i c t D p ][2)(≤+=ei t e w D p δφσδ+=][2][容器的最小厚度：碳素钢、低合金钢制容器：δmin ≥3mm高合金钢制容器：δmin ≥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①液压试验 试验压力： 内压容器： 外压容器和真空容器：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。

如果直立容器卧置进行液压试验，则在应力校核时，P T 应加上容器立置充满水时的最大液柱压力。

⎪⎩⎪⎨⎧⎩⎨⎧气密性试验气压试验液压试验耐压试验压力试验tT pp ][][25.1σσ=pp T 25.1=)(9.02)(2.0σφσδδσS ee i T T D p ≤+=tT pp ][][15.1σσ=)(8.02)(2.0σφσδδσS ee i T T D p ≤+=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P T =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P T =1.0P W 。

（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P W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 ≥ P W（3）装有安全阀的容器，P （1.05~1.1）P W装有爆破膜的容器，P=（1.15~1.75）P W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。