GIS壓力容器的強(qiáng)度計算.docVIP

第一章 任 務(wù) 書第一節(jié) 畢業(yè)設(shè)計的主要內(nèi)容本次設(shè)計為110kV殼體設(shè)計，共分為任務(wù)書、計算書、說明書三部分，同時還附有12張圖紙加以說明。主要是加工工藝和流程。 第二節(jié) 畢業(yè)設(shè)計應(yīng)完成的成果說明書：如何產(chǎn)品加工出來。計算書：殼體的壁厚和強(qiáng)度計算。圖紙：GIS殼體的總裝圖紙和分解圖。 第三節(jié) 應(yīng)掌握的知識與技能1、學(xué)習(xí)和掌握GIS是的用處基本方法。2、GIS殼體在發(fā)電站地位、作用和運(yùn)行方式等應(yīng)有清晰的概念。3、熟悉三通殼體工作原理和性能，及其運(yùn)行使用中應(yīng)注意的事項(xiàng)。4、熟悉三通殼體總裝圖紙，掌握此產(chǎn)品加工程序。第二章 說 明 書第一節(jié) 概 述一、設(shè)計依據(jù)1、上海中發(fā)2、252KV三通殼體委托書。3、機(jī)械設(shè)計手冊（機(jī)械加工一部分）二、設(shè)計范圍1、殼體的強(qiáng)度及厚度設(shè)計1、將三通殼體制造設(shè)計2、三通殼體加工3、三通殼體的油漆第二節(jié) 系統(tǒng)概述壓力容器的強(qiáng)度計算（1）理解內(nèi)壓容器設(shè)計時主要設(shè)計參數(shù)（容器內(nèi)徑、設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、許用應(yīng)力、焊縫系數(shù)等）的意義及其確定原則；（2）掌握五種厚度（計算壁厚、名義壁厚、有效壁厚、最小壁厚）的概念、相互關(guān)系以及計算方法；能熟練地確定腐蝕裕度和鋼板負(fù)偏差；（3）掌握內(nèi)壓圓筒的厚度設(shè)計；第三節(jié) 設(shè)計參數(shù)的確定1、參照國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)與適用范圍參照我國現(xiàn)執(zhí)行GB15098 “鋼制壓力容器”國家標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)為規(guī)則設(shè)計，采用彈性失效準(zhǔn)則和穩(wěn)定失效準(zhǔn)則，應(yīng)用解析法進(jìn)行應(yīng)力計算，比較簡便。JB4732-1995鋼制壓力容器分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，其允許采用高的設(shè)計強(qiáng)度，相同設(shè)計條件下，厚度可以相應(yīng)地減少，重量減輕。其采用塑性失效準(zhǔn)則、失穩(wěn)失效準(zhǔn)則和疲勞失效準(zhǔn)則，計算比較復(fù)雜，和美國的ASME標(biāo)準(zhǔn)思路相似。2、容器直徑（diameter of vessel）考慮壓制封頭胎具的規(guī)格及標(biāo)準(zhǔn)件配套選用的需要，容器筒體和封頭的直徑都有規(guī)定。對于用鋼板卷制的筒體，以內(nèi)徑作為其公稱直徑。表1 壓力容器的公稱直徑（mm）如果筒體是使用無縫鋼管直接截取的，規(guī)定使用鋼管的外徑作為筒體的公稱直徑。表2 無縫鋼管制作筒體時容器的公稱直徑（mm）3、設(shè)計壓力（design pressure）（1）相關(guān)的基本概念（除了特殊注明的，壓力均指表壓力）工作壓力PW ：在正常的工作情況下，容器頂部可能達(dá)到的最高壓力。 由于最大工作壓力是容器頂部的壓力，所以對于塔類直立容器，直立進(jìn)行水壓試驗(yàn)的壓力和臥置時不同； 工作壓力是根據(jù)工藝條件決定的，容器頂部的壓力和底部可能不同，許多塔器頂部的壓力并不是其實(shí)際最高工作壓力（the maximum allowable working pressure）。 標(biāo)準(zhǔn)中的最大工作壓力，最高工作壓力和工作壓力概念相同。設(shè)計壓力 指設(shè)定的容器頂部的最高壓力，與相應(yīng)的設(shè)計溫度一起作為設(shè)計載荷條件，其值不低于工作壓力。 對最大工作壓力小于0.1Mpa 的內(nèi)壓容器，設(shè)計壓力取為0.1Mpa； 當(dāng)容器上裝有超壓泄放裝置時，應(yīng)按“超壓泄放裝置”的計算方法規(guī)定。 對于盛裝液化氣體的裝置，在規(guī)定的充滿系數(shù)范圍內(nèi)，設(shè)計壓力由工作條件下，可能達(dá)到的最高金屬溫度確定。（詳細(xì)內(nèi)容，參考GB150-1998，附錄B（標(biāo)準(zhǔn)的附錄），超壓泄放裝置。）計算壓力PC 是GB150-1998 新增加的內(nèi)容，是指在相應(yīng)設(shè)計溫度下，用以確定元件厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力，當(dāng)靜壓力值小于5的設(shè)計壓力時，可略去靜壓力。 注意與GB150-1989 對設(shè)計壓力規(guī)定的區(qū)別；鋼制壓力容器規(guī)定設(shè)計壓力是指在相應(yīng)設(shè)計溫度下，用以確定容器殼壁計算厚度的壓力，亦是標(biāo)注在銘牌上的設(shè)計壓力，取略高或等于最高工作壓力。當(dāng)容器受靜壓力值大于5設(shè)計壓力時，應(yīng)取設(shè)計壓力與液柱靜壓力之和進(jìn)行元件的厚度計算。 使許多設(shè)計人員誤將設(shè)計壓力和液柱靜壓力之和作為容器的設(shè)計壓力。 一臺設(shè)備的設(shè)計壓力只有一個，但受壓元件的計算壓力在不同部位可能有所變化。 計算壓力在壓力容器總圖的技術(shù)特性中不出現(xiàn)，只在計算書中出現(xiàn)。4、設(shè)計溫度設(shè)計溫度是指容器在正常工作情況下，在相應(yīng)的設(shè)計壓力下，設(shè)定的受壓元件的金屬溫度。主要用于確定受壓元件的材料選用、強(qiáng)度計算中材料的力學(xué)性能和許用應(yīng)力，以及熱應(yīng)力計算時設(shè)計到的材料物理性能參數(shù)。設(shè)計溫度不得低于元件金屬在工作狀態(tài)可能達(dá)到的最高溫度；當(dāng)設(shè)計溫度在0以下時，不得高于元件金屬可能達(dá)到的最低溫度；當(dāng)容器在各部分工作狀態(tài)下有不同溫度時，可分別設(shè)定每一部分的設(shè)計溫度；5、許用應(yīng)力許用應(yīng)力是以材料的極限應(yīng)力除以適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)，在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力的大小，直接決定容器的強(qiáng)度，GB150-1998 對鋼板、鍛件、緊固件均規(guī)定了材料的許用應(yīng)力。表3 鋼制壓力容器中使用的鋼材安全系數(shù)焊接接頭系數(shù)（Joint efficiency）的影響（1）焊接接頭的影響焊接接頭是容器上比較薄弱的環(huán)節(jié)，較多事故的發(fā)生是由于焊接接頭金屬部分焊接影響區(qū)的破裂。一般情況下，焊接接頭金屬的強(qiáng)度和基本金屬強(qiáng)度相等，甚至超過基本金屬強(qiáng)度。但由于焊接接頭熱影響區(qū)有熱應(yīng)力存在，焊接接頭金屬晶粒粗大，以及焊接接頭中心出現(xiàn)氣孔和未焊透缺陷，仍會影響焊接接頭強(qiáng)度，因而必須采用焊接接頭強(qiáng)度系數(shù)，以補(bǔ)償焊接時可能產(chǎn)生的強(qiáng)度消弱。焊接接頭系數(shù)的大小取決于焊接接頭型式、焊接工藝以及焊接接頭探傷檢驗(yàn)的嚴(yán)格程度等。（2）焊接接頭系數(shù)的選?。河山宇^形式和無損探傷的長度確定 雙面焊對接接頭和相當(dāng)于雙面焊的全焊透對接接頭： 100無損探傷， 1.00； 局部無損探傷， 0.85；第二節(jié) 內(nèi)壓容器筒體與封頭厚度的設(shè)計1、內(nèi)壓圓筒（cylindrical shell）的厚度設(shè)計（1）理論計算厚度（required thickness） GB150-1998 定義：按各章公式計算得到的厚度，為能安全承受計算壓力PC（必要時尚需計入其他載荷）。內(nèi)壓圓筒壁內(nèi)的基本應(yīng)力是薄膜應(yīng)力，由第三強(qiáng)度理論可知薄膜應(yīng)力的強(qiáng)度條件為： ， （1）式中： -制造筒體鋼板在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力；考慮到焊接接頭的影響，公式（1）中的許用應(yīng)力應(yīng)使用強(qiáng)度可能較低的焊接接頭金屬的許用應(yīng)力，即把鋼板的許用應(yīng)力乘以焊縫系數(shù)。，則有：式中D為中徑，當(dāng)壁厚沒有確定時，則中徑也是待定值，利用D=Di+則有： （2）公式（2）一般被簡化為： （3）（2）設(shè)計壁厚（design thickness） 計算壁厚與腐蝕余量C2之和稱為設(shè)計壁厚?？梢詫⑵淅斫鉃橥瑫r滿足強(qiáng)度、剛度和使用壽命的最小厚度。 （4）C2為腐蝕裕度 根據(jù)介質(zhì)對選用材料腐蝕速度和設(shè)計使用壽命共同考慮。C2=k a， mm； k腐蝕速度（corrosion rate），mm/a； a設(shè)計年限（desired life time）。對碳素鋼和低合金鋼，C2 1mm；對于不銹鋼，當(dāng)介質(zhì)腐蝕性能極微時，取C20。（3）名義厚度（normal thickness） 設(shè)計厚度加上鋼板負(fù)偏差C1后向上圓整至剛才標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度，即標(biāo)注在設(shè)計圖樣上的殼體厚度。 （5）C1鋼板負(fù)偏差。任何名義厚度的鋼板出廠時，都允許有一定的負(fù)偏差。鋼板和鋼管的負(fù)偏差按鋼材標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。當(dāng)鋼板負(fù)偏差不大于0.25mm，且不超過名義厚度的6時，負(fù)偏差可忽略不計。 表4 鋼板負(fù)偏差值鋼板厚度（mm）22.22.52.83.03.23.53.84.04.55.5負(fù)偏差（mm）0.180.190.20.220.250.30.5鋼板厚度（mm）6782526303234364042505260負(fù)偏差（mm）0.60.80.91.01.11.21.3(4) 有效厚度 名義厚度減去腐蝕裕量和鋼材厚度負(fù)偏差，從性質(zhì)上可以理解為真正可以承受介質(zhì)壓強(qiáng)的厚度，成為有效厚度。數(shù)值上可以看作是計算厚度加上向上鋼材圓整量。 （6）厚度系數(shù)：圓筒的有效厚度和計算厚度之比稱為圓筒的厚度系數(shù)。（5）最小厚度為滿足制造、運(yùn)輸及安裝時剛度要求，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)規(guī)定的不包括腐蝕裕量的最小壁厚。碳素鋼和低合金鋼制造的容器，最小壁厚不小于3mm； 高合金鋼制容器，（如不銹鋼制造的容器），最小壁厚不小于2mm。當(dāng)筒體的計算厚度小于最小厚度，應(yīng)取最小厚度作為計算厚度，這時筒體的名義厚度可以分為兩種不同的情況分別計算。（1） 當(dāng)，（2） 當(dāng)時，必須考慮鋼板負(fù)偏差，表5 鋼板的常用厚度表（6）平板封頭（circular flat heads）圓形平板作為封頭承受壓力時，處于受彎的不利狀態(tài)，而且造成筒體在邊界處產(chǎn)生較大的邊界應(yīng)力，所以一般不使用平板封頭。但是壓力容器的人孔、手孔等為平板。在實(shí)際工程中，可把圓形平蓋簡化為受均勻分布橫向載荷的圓平板，最大彎曲應(yīng)力公式為： 應(yīng)用第一強(qiáng)度理論，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，其設(shè)計公式為： （15）式中：K結(jié)構(gòu)系數(shù)，從相關(guān)的表中查??； -計算直徑，一般為筒體內(nèi)直徑； -平板的計算厚度。第三節(jié) 壓力試驗(yàn)與在用壓力容器的強(qiáng)度校核壓力試驗(yàn)容器制造時，鋼板經(jīng)過了彎卷、焊接、拼裝等工序以后，會存在以下的問題：l 是否能夠承受規(guī)定的工作壓力？是否會發(fā)生過大變形？l 在規(guī)定的工作壓力作用下，焊縫等處是否會發(fā)生局部滲漏？因此需要進(jìn)行壓力試驗(yàn)，試驗(yàn)的項(xiàng)目和要求應(yīng)在圖樣中注明。壓力試驗(yàn)可以選用液壓和氣壓。由于氣壓試驗(yàn)的危害性大，故一般都采用液壓試驗(yàn)，只有不易做液壓試驗(yàn)的容器才采用氣壓試驗(yàn)。（1）液壓試驗(yàn)試驗(yàn)介質(zhì)，一般用水，試驗(yàn)壓力為： （16）設(shè)計溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa；試驗(yàn)溫度下材料的許用應(yīng)力，MPa。液壓試驗(yàn)方法：液壓試驗(yàn)時，壓力應(yīng)緩慢上升，達(dá)到規(guī)定試驗(yàn)壓力時，保持30分鐘，然后將壓力降至規(guī)定試驗(yàn)壓力的80，并保持足夠長時間以便對所有焊縫和連接部位進(jìn)行檢查。實(shí)驗(yàn)結(jié)果以無滲漏和無可見的殘余變形為合格。（2）氣壓實(shí)驗(yàn)不適合做液壓實(shí)驗(yàn)的容器，例如由于工藝要求，容器內(nèi)不允許有微量殘留液體，或由于結(jié)構(gòu)原因，不能充滿液體的容器，才允許用氣壓實(shí)驗(yàn)。凡采用氣壓實(shí)驗(yàn)的容器其焊縫需進(jìn)行100的無損探傷，且應(yīng)增加實(shí)驗(yàn)場所的安全措施，并在有關(guān)安全部門的監(jiān)督下進(jìn)行。試驗(yàn)介質(zhì)，干燥氣體或者潔凈的空氣、氮?dú)狻⒍栊詺怏w。試驗(yàn)壓力為： （17）氣壓試驗(yàn)方法：試驗(yàn)時壓力應(yīng)緩慢上升，至規(guī)定試驗(yàn)壓力0.1P，且不超過0.05MPa，保壓5分鐘，檢查焊接接頭部位。若存在泄漏，修復(fù)，重新進(jìn)行水壓實(shí)驗(yàn)。合格后，方可重新進(jìn)行氣壓實(shí)驗(yàn)。2、強(qiáng)度校核的思路（1）許用應(yīng)力校核 即根據(jù)有效厚度計算出容器在校核壓力下的計算應(yīng)力，判斷其是否小于材料的許用應(yīng)力。在用容器在校核壓力Pch（PW，Pk or P）作用下的計算應(yīng)力為： （18）式中：K形狀系數(shù)，其值根據(jù)受壓元件形狀確定，對于圓柱形筒體和標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭，K=1.0；對于球殼與半球殼封頭，K=0.5；碟形封頭，K=M；無折邊封頭錐形封頭，K=Q；折邊錐形封頭，K=。筒體或者封頭的有效厚度，對于新容器筒體：對于使用多年的容器：式中：-實(shí)測的年腐蝕率，/a；-受壓元件的實(shí)測最小厚度；n檢驗(yàn)周期。（2）在用容器最大允許工作壓力 （19）但是在工程實(shí)際中，應(yīng)該嚴(yán)格按照GB150-1998或者JB4732-1995進(jìn)行校核。例題1：有一圓筒計量罐，內(nèi)裝濃度為99的液氨，筒體內(nèi)徑，筒高3200，一端采用標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭，一端采用半球形封頭，操作溫度不超過50。罐頂裝有安全閥，安全閥的開啟壓力，材料選用16MnR，在t50時的機(jī)械性能。氨對材料的腐蝕速度年，若設(shè)計壽命為15年，不計液