压力容器零部件设计

压力容器零部件设计一、压力容器的封头设计⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧平板形封头带折边锥形封头无折边锥形封头锥形封头无折边球形封头头带折边球形（碟形）封半椭球（椭圆形）封头半球形封头凸形封头封头椭圆形封头的最小厚度 标准椭圆形封头：δe≥0.15%Di非标准椭圆形封头：δe≥0.30%Di内压碟形封头e i e t W C t i C MR P P R MP δφδσφσδ5.0][2][5.0][2+=-=最大允许工作压力：壁厚：碟形封头的最小厚度 标准碟形封头：δe≥0.15%Di 非标准碟形封头：δe≥0.30%Di（1）受内压(凹面受压)球冠形端封头 封头的计算厚度按式(7-6)计算： 式中：Q ——系数，由GB150图7—5查取。

（2） 受外压(凸面受压)球冠形端封头封头的计算厚度按下列两种方法确定，取其较大值：a) 按球形封头计算公式确定的外压球壳厚度；b) 按式(7-6)计算得到的厚度。

（3） 两侧受压的球冠形中间封头（3.1）当不能保证在任何情况下封头两侧的压力都同时作用时，封头计算厚度应分别按下列两种情况计算，取较大值：（3.2）当能够保证在任何情况下封头两侧的压力同时作用时，可以按封头两侧的压力差进行计算：在任何情况下，与球冠形封头连接的圆筒厚度应不小于封头厚度。

否则，应在封头与圆筒间设置加强段过渡连接。

圆筒加强段的厚度应与封头等厚；端封头一侧或中间封头两侧的加强段长度L均应不小于2c t i c p D P -=φσδ][2Q δ0.5DiGB/T25198-2010压力容器封头几点变化二、法兰设计螺栓法兰连接结构及密封设计垫片选择原则①要有全面的观念，综合考虑温度、压力、介质、压紧面形式等方面要求，其中温度和压力是影响密封的主要因素，也是选择垫片的主要依据。

②在保证密封的前提下，尽量选用结构简单、价格便宜、便于安装和更换的垫片。

螺栓是法兰密封连接中的重要元件，对其基本要求是强度要高、韧性要好。

①螺母更换比螺栓容易，且螺母价廉，所以要求螺栓材料的强度比螺母高。

②为避免螺栓和螺母咬死或胶合，要求螺栓材料的硬度比螺母高HB30以上。

③对于t≤-20℃的螺栓，要求选用低合金钢，并进行夏比V形缺口低温冲击试验。

管法兰设计常见问题1、法兰螺栓通孔应与壳体或管道主轴线和或管道铅垂线跨中布置。

凹凸面法兰及榫槽面法兰配置凹面、槽面法兰朝上；配对供应。

2、法兰当量设计压力Pe(HG20582-9)外载荷作用下：包括轴向力F和外力矩MPe=16M/πDG3+4F/πDG2+P3、商品级螺栓螺柱使用问题4、螺栓螺柱的螺纹问题：粗牙细牙M48以下含M48——GB5782M48以上——GB57855、PL法兰使用问题——一类介质不使用6、凸缘法兰的计算——HG20582-167、法兰、法兰盖标注问题8、各类垫片的使用问题-——适用范围、对应法兰表面粗糙度非金属垫片-HG/T20606金属包覆垫片-HG/T20607~20609缠绕垫-HG/T20610 齿形垫20611容器法兰设计的几个问题：1、法兰腐蚀裕量问题：2、法兰连接筒节问题3、最高允许工作温度和压力问题开孔和开孔补强设计器壁强度削弱：开孔造成局部应力集中和强度削弱；★不连续应力：壳体与接管形成结构曲率不连续，产生较大的附加弯曲应力；★局部应力：壳体与接管拐角处不等截面过渡，引起很高的局部附加应力。

★焊接缺陷和残余应力峰值应力容器大开孔与小开孔容器孔边应力集中的理论分析是以无限大平板上开小圆孔为基础的，壳体曲率变化不计，因此，孔边应力均为拉（压）应力。

大开孔时，除有拉（压）应力外，还有很大的弯曲应力，其应力范围超出了开小孔时的局部范围，在较大范围内破坏了壳体的薄膜应力状态。

因此小开孔理论不适用。

应力集中的特点开孔接管处应力集中的特点：在操作压力作用下，壳体和开孔接管的连接处必须满足变形协调条件，因而产生相互约束力和弯矩，使开孔接管处除了有孔边集中应力、薄膜应力外，还有边缘应力和焊接应力，比小孔K值高达3～6倍。

应力集中具有局部性。

开孔接管补强的目的：使孔边的应力峰值降低到允许值。

2、接管的腐蚀余量C2=1mm适用范围：等面积补强:适用于开孔直径小于筒体内径的一半。

即d/Di≤1/2 ;压力面积法:（HG20582.7“大开孔的补强计算”)适用于开孔直径小于筒体内径的0.8倍。

即d/Di≤0.8;（但注意五个限制条件）超出以上范围就属于焊制三通，参照标准HG20582.23“焊制三通的计算”热交换例题： 例1、A 型分子筛制备中使用的间歇釜式反应器，反应釜的釜壁为5mm 厚的不锈钢板（ ）粘附内壁的污垢层厚lmm 釜夹套中通入0.12MPa饱和水蒸气（t1＝105℃）进行加热，釜垢层内壁面温度t3为90℃，试计算釜壁的面积热流量，并与无污垢层（设内壁面温度不变）作比较。

解： = 7579W ·m-2 无污垢层时： = 48000 W ·m-2计算结果表明，反应釜内壁面有无污垢层，面积热流量相差数倍，在有的场合会相差数十倍，差别很大，说明污垢层虽薄，但因其热导率很小，对传热影响很大，热阻主要集中在污垢层中，故生产中要设法避免垢层的形成或间隔一段时间要清除污垢层。

例2 ：某管道外径为2r ，外壁温度为t1，如外包两层厚度均为r （即δ2＝δ3＝r ）、导热系数分别为δ2和δ3（ δ2 / δ3=2）的保温材料，外层外表面温度为t2。

如将两层保温材料的位置对调，其他条件不变，保温情况变化如何？由此能得出什么结论？解： 设两层保温层直径分别为d2、d3和d4，则d3/d2=2，d4/d3=3/2。

导热系数大的在里面：导热系数大的在外面： 两种情况散热量之比为：结论：导热系数大的材料在外面，导热系数小的材料放在里层对保温更有利。

例3： 一室内暖气片的散热面积为3m2，表面温度为tw = 50℃，和温度为20℃的室内空气之间自然对流换热的表面传热系数为h = 4 W/(m2·K)。

试问该暖气片相当于多大功率的电暖气?解： 暖气片和室内空气之间是稳态的自然对流换热，Q= Ah(tw – tf) = 3m2×4 W/(m2·K)×(50-20)K = 360W = 0.36 kW11116--⋅⋅=K m W λ1126.0--⋅⋅=K m W λ13i i t t q δλ-=∑1311/t t q δλ-=;11969.023ln 212ln 221ln 21ln 2133334323221t t d d d d t t q L ∆=⋅∆=+-=λπλλππλπλ＋1426.023ln 2212ln 2133321t t t q L ∆⋅+-='λλππλ＝84.019.111969.01426.01='=='L L Lq q q q 或即相当于功率为0.36kW 的电暖气。

例4 在一单程换热器中用120℃的蒸汽将常压空气从20℃加热到80℃,管束为φ38mm ×3mm,蒸汽走壳程,空气走管程,其流速为14m ·s-1.求管壁对空气的表面传热系数.解: 空气的定性温度为t 定=(20+80)/2=50℃查50℃下空气的物性数据 Cp=1017J ·kg-1·K-1 λ=2.83×10-2W ·m-1·K-1μ=1.96×10-5Pa ·s ρ=1093kg ·m-3 u=14m ·s-1 d=0.032m得 计算结果表明:空气在管内流动Re>10000, 160>Pr>0.6, 必然符合下式的条件例5：一房屋的混凝土外墙的厚度为=200mm ，混凝土的热导率为=1.5W/(m ·K) ，冬季室外空气温度为tf2=-10℃, 有风天和墙壁之间的表面传热系数为h2=20W/(m2·K)，室内空气温度为tf1= 25℃,和墙壁之间的表面传热系数为h1=5 W/(m2·K)。

假设墙壁及两侧的空气温度及表面传热系数都不随时间而变化，求单位面积墙壁的散热损失及内外墙壁面的温度。

解： 由给定条件可知，这是一个稳态传热过程。

通过墙壁的热流密度，即单位面积墙壁的散热损失为：根据牛顿冷却公式，对于内、外墙面与空气之间的对流换热，例6某有机物生产中使用的搅拌式全混流反应釜，内径为1.0m，釜壁铜板厚8mm （λ=50W ·m-1·K-1）若釜内壁面结有垢层厚2mm （Rh1=0.002 W-1·m2·K ）夹套中用115℃的饱和水蒸气进行加热（h1＝9000 W ·m-2·K-1），釜内有机物温度为80℃（h2＝250 W ·m-2·K-1）。

试求该条件下的面积热流量和各热阻的百分率。

解：因反应釜内径1.0 m 与外径1.016 m 相差不大，可近似地当作平面壁来处理.取传热面积为求得 代入式K 计算，得 K=159 W-1·m2·K计算结果表明，主要热阻在垢层和有机物这一侧，其中垢层热阻占总热阻的31.9%,有机物热阻占63.8%；而蒸汽冷凝及金属釜壁的热阻只占总热阻的1.75%和2.55% 24983R e ==μρdu 70.0Pr ==λμp c 124.08.01.58Pr Re 023.0--⋅⋅==K m W d h λ212f 1f 11h h t t q ++-=λδ222/100)(201)(5.115.0)(51)]10(25[m W K m W K m W m K m W K =⋅+⋅+⋅--=()1w 1f 1t t h q -=()2f 2w 2t t h q -=C h q t t ︒=-=5111f 1w C h q t t ︒-=+=15122f 2w 41101.11-⨯=h W-1·m2·K 21.0A m =时： 411106.1-⨯=λδW-1·m2·K 31102-⨯=h R W-1·m2·K 421041-⨯=h W-1·m2·K 传热总阻力为：31027.6-⨯=R W-1·K 反应釜的面积热为： 58.5=∆⋅=t K q kW·m-2。