過程設(shè)備設(shè)計(jì)期末知識(shí)總結(jié)

1、瀟湘星辰知識(shí)總結(jié)系列，更多資料請(qǐng)登錄：http:/ 1.壓力容器導(dǎo)言1.1壓力容器總體結(jié)構(gòu)1.2壓力容器分類（1）按壓力等級(jí)分低壓：0.11.6MPa 中壓：1.610 MPa 高壓：10100 MPa 超高壓：大于100 MPa （2）按容器在生產(chǎn)中的作用分：反應(yīng) 換熱 分離 儲(chǔ)存（3）按安裝方式分類：固定式壓力容器 移動(dòng)式壓力容器（4）按安全技術(shù)管理分類：第一 / 二 / 三類壓力容器1.3壓力容器規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)（1）GB150：中國(guó)第一部壓力容器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)壓力：不大于35 MPa的鋼制壓力容器，設(shè)計(jì)溫度：零下196攝氏度至蠕變限用溫度；管轄范圍：殼體本體、容器與外部管道焊接連接的第一道環(huán)向接

2、頭坡口端面、螺紋連接的第一個(gè)螺紋接頭端面、法蘭鏈接的第一個(gè)法蘭密封面、專用連接件或管件連接的第一個(gè)密封面。（2）JB 4732鋼制壓力容器分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn) ：第一部壓力容器分析設(shè)計(jì)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2.壓力容器應(yīng)力分析承受壓力：中低內(nèi)壓力(0.1MPa10MPa)；壁厚：薄壁(徑比K 1.2)；結(jié)構(gòu)：回轉(zhuǎn)殼體。2.2回轉(zhuǎn)薄殼應(yīng)力分析2.2.2 回轉(zhuǎn)薄殼的無力矩理論：基本要素（1）軸對(duì)稱問題是指殼體的幾何形狀、約束條件和所受的外力都是對(duì)稱于旋轉(zhuǎn)軸的。（2）幾種常見殼體的幾何特征（a）圓柱殼 ：，R2=R=r（b）球殼 ： 2.2.3 無力矩理論基本方程（1）基本假設(shè)（假設(shè)殼體是完全彈性體）小位移假設(shè)：殼體受

3、力變形前后，殼體上各點(diǎn)位移量遠(yuǎn)小于壁厚尺寸，屬于彈性小變形。 直法線假設(shè)：（可忽略微元體中的剪力） 互不擠壓假設(shè)：平行于中間面的各層纖維在變形前后均互不擠壓，簡(jiǎn)化成平面應(yīng)力問題。(不計(jì)法向應(yīng)力)無力矩假設(shè)：回轉(zhuǎn)薄殼中彎矩很小，可忽略殼壁中的彎矩影響，使殼體的應(yīng)力分析大為簡(jiǎn)化。（微元體僅受拉壓力和剪力）（2）殼體微元體的取出 一對(duì)殼體內(nèi)外表面； 一對(duì)經(jīng)向截面（也稱經(jīng)線截面）； 一對(duì)與經(jīng)線相正交的圓錐面（也稱緯向截面或 緯線截面）。（3）微元平衡方程（拉普拉斯方程）（4）區(qū)域平衡方程2.2.4 無力矩理論的應(yīng)用承受液體內(nèi)壓的回轉(zhuǎn)薄殼特點(diǎn)：殼體內(nèi)各點(diǎn)的內(nèi)壓力與距液面的高度有關(guān)，液體的重量要考慮。（1

4、）圓筒形殼體 第一步：根據(jù)拉普拉斯方程和任意點(diǎn)的壓力方程求出周向應(yīng)力； 第二步：列區(qū)域平衡方程求經(jīng)向應(yīng)力。（2）具有裙式支座的球形殼體 先討論裙座以上部分（） 再討論裙座以下部分（） （3）無力矩理論應(yīng)用條件對(duì)于薄壁回轉(zhuǎn)殼體，若符合以下條件者可采用忽略彎矩的無力矩理論，否則的話，就必須要考慮殼體中的彎矩作用。1）幾何連續(xù)。包括曲率突變、壁厚突變、材料突變，將出現(xiàn)變形不協(xié)調(diào)導(dǎo)致局部彎曲。2）外載連續(xù)。外載荷須連續(xù)，若有集中力或彎矩，或有加強(qiáng)圈結(jié)構(gòu)等，殼體將為有力矩狀態(tài)。 3）約束連續(xù)。包括：殼體邊界固定形式是自由支承。否則當(dāng)邊界上法向位移和轉(zhuǎn)角受到約束時(shí)，勢(shì)必引起殼體彎曲，無法保持無力矩狀態(tài)。

5、殼體的邊界力應(yīng)在殼體曲面的切平面內(nèi)。這樣能夠保證在邊界上沒有橫剪力和彎矩。2.2.5 回轉(zhuǎn)薄殼的不連續(xù)分析 （1）不連續(xù)效應(yīng)與不連續(xù)分析的基本方法在不同殼體連接的附近地區(qū)，由于二者的自由變形不可能完全一致（稱為變形不連續(xù)），出現(xiàn)相互約束導(dǎo)致彎曲變形，從而在連接的邊緣處產(chǎn)生較大的力矩和剪力。這種現(xiàn)象稱為不連續(xù)效應(yīng)或邊緣效應(yīng)，由邊緣效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力稱為不連續(xù)應(yīng)力，或邊緣應(yīng)力。由變形不協(xié)調(diào)引起的邊緣應(yīng)力屬于二次應(yīng)力。當(dāng)該應(yīng)力超過材料屈服強(qiáng)度時(shí)就會(huì)產(chǎn)生局部屈服，從而形成較小的變形，這樣就能使連接邊緣處殼體的不同變形得到協(xié)調(diào)。將無力矩理論得到的薄膜解(一次應(yīng)力)與有力矩理論得到的彎曲解(二次應(yīng)力)進(jìn)行疊加

6、，最終得到包含不同殼體連接的最終解。（2）產(chǎn)生原因幾何不連續(xù)、外載不連續(xù)、溫度突變、材料性能突變等。（3）不連續(xù)應(yīng)力的特性 局部性（又稱局限性）：不同性質(zhì)的連接邊緣，產(chǎn)生不同的邊緣應(yīng)力，但都具有明顯的衰減特性。 自限性：發(fā)生邊緣效應(yīng)的根本原因是由于變形不協(xié)調(diào)。但是當(dāng)邊緣處的局部材料發(fā)生屈服時(shí)，這種約束就趨向緩解，結(jié)果邊緣應(yīng)力就自動(dòng)受到限制。 具有自限性的應(yīng)力屬于二次應(yīng)力，一般使壓力容器直接發(fā)生破壞的危險(xiǎn)性較小。（4）工程設(shè)計(jì)中的考慮 對(duì)于連接邊緣的結(jié)構(gòu)，只做局部處理。如局部加強(qiáng)、避免在連接邊緣開孔、設(shè)置焊縫等。 對(duì)于用塑性較好材料制成的容器，受靜載荷時(shí)，除了進(jìn)行連接邊緣局部處理外，不再對(duì)邊緣應(yīng)

7、力作進(jìn)一步考慮。2.3厚壁圓筒應(yīng)力分析一般來說，高壓和超高壓容器的徑比 K 1.2，稱此類容器為“厚壁容器”，特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)細(xì)長(zhǎng)，采用平蓋或球形封頭，密封結(jié)構(gòu)特殊，筒身限制開孔。本章討論的對(duì)象，是厚壁圓筒形容器。承受壓力載荷或者溫差載荷的厚壁圓筒容器，其上任意點(diǎn)的應(yīng)力，是三向應(yīng)力狀態(tài)。即存在經(jīng)向應(yīng)力（又稱軸向應(yīng)力）、周向應(yīng)力和徑向應(yīng)力。 針對(duì)厚壁筒的應(yīng)力求解，將在平衡方程、幾何方程、物理方程三個(gè)方面進(jìn)行分析。2.3.1 彈性應(yīng)力（1）壓力載荷引起的彈性應(yīng)力：僅受內(nèi)壓（） 其中：為周向應(yīng)力，為軸向應(yīng)力，徑向應(yīng)力。2.3.2 彈塑性應(yīng)力（一）彈塑性應(yīng)力：彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（）屈服條件：

8、材料從彈性階段進(jìn)入理想塑性階段所應(yīng)滿足的條件。常用屈服條件有Tresca屈服條件和Mises屈服條件。對(duì)于理想彈塑性材料，忽略材料的硬化階段，同時(shí)認(rèn)為材料的屈服極限為常數(shù)。1.彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：第一強(qiáng)度理論：，對(duì)于內(nèi)壓后壁圓筒：第三強(qiáng)度理論（Tresca屈服失效判據(jù)）：，對(duì)于內(nèi)壓厚壁圓筒：。第四強(qiáng)度理論（Mises屈服失效判據(jù)）：，對(duì)于厚壁圓筒：2.塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，其中為全屈服壓力，全屈服安全系數(shù)。彈塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（Mises屈服條件下的推導(dǎo)）第一步：在塑性區(qū)，利用微元平衡方程（式2-26）和Mises屈服失效判據(jù)得到關(guān)于r的微分方程；第二步：在塑性區(qū)，利用邊界條件（）對(duì)微分方程做積分，解

9、得；第三步：在塑性區(qū)，利用Mises屈服失效判據(jù)式等解出周向應(yīng)力和周向應(yīng)力的表達(dá)式。利用的表達(dá)式變形得到彈塑性交界面上的壓力關(guān)于的表達(dá)式；第四步：彈性區(qū)相當(dāng)于承受內(nèi)壓的彈性厚壁圓筒，在內(nèi)壁處，利用相關(guān)公式計(jì)算出和，再利用Mises屈服失效判據(jù)算出彈性區(qū)內(nèi)壁邊界的關(guān)于的表達(dá)式；第五步：利用彈性區(qū)和塑性區(qū)的關(guān)于的表達(dá)式解得關(guān)于的表達(dá)式：第六步：當(dāng)時(shí)有彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（為初始屈服壓力），當(dāng)時(shí)有塑性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（全屈服壓力）。（二）殘余應(yīng)力：掌握殘余應(yīng)力分布圖在厚壁筒承受內(nèi)壓出現(xiàn)塑性區(qū)后，將內(nèi)壓卸除。由于塑性區(qū)材料變形的不可恢復(fù)，最終使得塑性區(qū)筒體承受壓縮應(yīng)力作用，而彈性區(qū)筒體承受拉伸應(yīng)力的作用。2.

10、3.4提高屈服承載能力的措施（1）增加壁厚來提高厚壁筒承載能力：局限性內(nèi)壓等于一半許用應(yīng)力時(shí)（2）提高屈服承載能力： 自增強(qiáng)法 與多層熱套法 1）自增強(qiáng)法：通過使內(nèi)壁面產(chǎn)生塑性區(qū)的預(yù)處理，產(chǎn)生殘余應(yīng)力分布。 2）多層熱套法：先加熱外筒，然后將外筒與內(nèi)筒進(jìn)行過盈套合。冷卻后，外筒收縮，使內(nèi)筒受到外壓作用，而外筒受到內(nèi)壓的作用，在筒壁中產(chǎn)生套合預(yù)應(yīng)力分布，屬于自平衡應(yīng)力。 以周向應(yīng)力為例，給出熱套過程中的應(yīng)力分布如下：2.4 平板應(yīng)力分析：圓形薄板在軸對(duì)稱載荷下的彈性小撓度問題2.4.1 概述 （2）板的分類 按板的厚度分 （對(duì)于圓平板 b = D ） 按板的撓度大小分2.4.3 圓平板中的力：

11、周邊固支周邊簡(jiǎn)支2.5殼體失穩(wěn)應(yīng)力分析2.5.1 概述承受外壓的圓筒，當(dāng)外壓載荷增大到某一數(shù)值時(shí)，圓筒會(huì)突然失去原有的形狀，被壓癟或出現(xiàn)波紋，在筒壁中產(chǎn)生了以彎曲應(yīng)力為主的附加應(yīng)力，導(dǎo)致圓筒彎曲破裂失去承載能力。這種現(xiàn)象稱為外壓圓筒的屈曲（Buckling）或失穩(wěn)（Instability）。此時(shí)筒壁中的壓應(yīng)力稱為臨界應(yīng)力，發(fā)生失穩(wěn)時(shí)的最低外壓力稱為臨界壓力。（3）外壓圓筒失穩(wěn)類型 彈性失穩(wěn)：圓筒為薄壁時(shí)，發(fā)生失穩(wěn)時(shí)筒壁中的壓應(yīng)力小于材料的屈服極限，即此時(shí)筒體的受力變形為彈性階段。 非彈性失穩(wěn)：對(duì)于壁較厚的筒體，有可能在筒壁中的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)入塑性階段后出現(xiàn)失穩(wěn)，即此時(shí)筒體中的壓應(yīng)力超過了材料的屈服

12、點(diǎn)。周向外壓圓筒失穩(wěn)后，其橫截面形狀呈現(xiàn)正選波形曲線。其變形波數(shù)n可能等于2、3、4、5，取決于圓筒的結(jié)構(gòu)尺寸和約束條件。我們稱波紋數(shù) n=2 的圓筒為長(zhǎng)圓筒；而n2 的圓筒稱為短圓筒。圓筒長(zhǎng)度越短，其失穩(wěn)后截面的波紋數(shù)就越多。本節(jié)主要推導(dǎo)周向外壓下的長(zhǎng)圓筒彈性失穩(wěn)臨界壓力。（5）臨界壓力的概念外壓圓筒在發(fā)生失穩(wěn)那一刻所承受的外壓力，稱為臨界壓力，用表示。2.5.2 外壓薄壁圓柱殼彈性失穩(wěn)分析（1）受均布周向外壓的長(zhǎng)圓筒的臨界壓力： 臨界應(yīng)力：（2）承受均布周向外壓短圓筒的臨界壓力：（3）臨界長(zhǎng)度 臨界長(zhǎng)度是區(qū)分長(zhǎng)、短圓筒的尺度。 外壓圓筒設(shè)計(jì) 圖算法原理及工程應(yīng)用在工程設(shè)計(jì)過程

13、中，分別通過查A圖和B圖，得到B值，從而得到許用外壓力 p。 有關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)的規(guī)定外壓容器的設(shè)計(jì)參數(shù)主要有設(shè)計(jì)壓力、安全系數(shù)和計(jì)算長(zhǎng)度。2.6 典型局部應(yīng)力2.6.1 概述(2) 局部載荷的特點(diǎn)：局部載荷對(duì)殼件的影響通常僅限于附件與殼體連接處附近的局部地區(qū)，局部載荷將在殼體相接管等附件中產(chǎn)生較高的局部應(yīng)力。2.6.2 受內(nèi)壓殼體與接管連接處的局部應(yīng)力(1) 受內(nèi)壓殼體開孔接管連接處結(jié)構(gòu)分析 開孔部位強(qiáng)度削弱； 開孔附近產(chǎn)生應(yīng)力集中； 殼體與接管變形不協(xié)調(diào)產(chǎn)生邊緣力系； 開孔結(jié)構(gòu)制造過程中產(chǎn)生缺陷和殘余應(yīng)力。2.6.3 降低局部應(yīng)力的措施(1) 合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 減少兩連接件的剛度差 盡量采用圓弧

14、過渡； 局部區(qū)域補(bǔ)強(qiáng)； 選擇合適的開孔方位。 (2) 減少附件傳遞的局部載荷 (3) 盡量減少結(jié)構(gòu)中的缺陷3 壓力容器材料及環(huán)境和時(shí)間對(duì)其性能的影響3.1 壓力容器材料3.1.1 壓力容器常用鋼材（2）從鋼材類型上分類碳素鋼含碳量小于1.35%，除鐵、碳和限量以內(nèi)的硅、錳、磷、硫等雜質(zhì)外，不含其他合金元素的鋼。主要有：Q235鋼板；10, 20鋼管；20, 35鍛件；20R鋼板。低合金鋼在碳鋼基礎(chǔ)上，為改善鋼的性能向鋼中加入一種或幾種合金元素，稱為合金鋼。合金元素總量低于3.5%的叫低合金鋼，合金含量在3.5-10%之間稱為中合金鋼，大于10%的稱為高合金鋼。低合金鋼主要有：壓力容器專用鋼板

15、Q345R(原來的16Mng和16MnR、19Mng合并為Q345R )；用于-20 -70的16MnDR, 15MnNiDR, 09MnNiDR低溫容器鋼；用于550以內(nèi)的15CrMoR熱強(qiáng)鋼；用于-19 470大中型鍛件20MnMo。高合金鋼用于耐腐蝕、耐高溫場(chǎng)合。有鉻鋼0Cr13鉻鎳鋼0Cr18Ni9、鉻鎳鉬鋼00Cr18Ni5Mo3Si2。（3）壓力容器常用鋼介紹 Q235系列 Q235-AF、 Q235-A等。這里，Q235：屈服強(qiáng)度是235MPa。質(zhì)量等級(jí)一共有A、B、C、D、E五個(gè)等級(jí)其含碳量依次降低，沖擊溫度依次降低，表示為： A：不做沖擊功試驗(yàn)； B：做常溫沖擊功試驗(yàn)，V型缺

16、口； C：做0沖擊功試驗(yàn), V型缺口； D：做-20沖擊功試驗(yàn)， V型缺口； E：做-40沖擊功試驗(yàn),型缺口。F：沸騰鋼； b：半鎮(zhèn)靜鋼； Z：鎮(zhèn)靜鋼； T，Z：特殊鎮(zhèn)靜鋼鎮(zhèn)靜鋼：鋼液在脫氧過程中加入強(qiáng)脫氧劑(錳鐵、硅鐵等)，使得澆鑄過程平靜不再發(fā)生碳氧反應(yīng)。除了在鋼錠頂部形成縮孔外，其組織致密，鋼質(zhì)高，用于重要用途。 沸騰鋼：鋼液在脫氧過程中加入弱脫氧劑，使氧沒有完全脫盡。在澆鑄過程發(fā)生碳氧反應(yīng)，生成大量CO氣體，鋼液出現(xiàn)沸騰現(xiàn)象。在鋼錠內(nèi)部形成許多小氣泡。鋼質(zhì)不如鎮(zhèn)靜鋼，但成本較低。舉例： Q235-AF適用的范圍是設(shè)計(jì)壓力小于或等于0.6MPa、設(shè)計(jì)溫度在0250、壓力容器殼體厚度小于1

17、2mm、沒有易燃或毒性介質(zhì)的容器用鋼。Q235-A為鎮(zhèn)靜鋼，適用的范圍是設(shè)計(jì)壓力小于或等于1.0MPa、設(shè)計(jì)溫度在0350、壓力容器殼體厚度小于16mm、沒有液化石油氣或毒性介質(zhì)的容器用鋼。 當(dāng)使用溫度為475時(shí)，應(yīng)選擇優(yōu)質(zhì)碳素鋼；當(dāng)使用溫度為525時(shí)，應(yīng)選擇奧氏體不銹鋼，而且碳含量不應(yīng)大于0.04%。 Q345R鋼 是我國(guó)用途最為廣泛、用量最大的壓力容器用低合金鋼，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB 713-2008鍋爐和壓力容器用鋼板。屈服強(qiáng)度為340MPa，使用溫度在 -20 450之間。 0Cr18Ni9不銹鋼 作為不銹鋼耐熱鋼使用最廣泛，用于食品用設(shè)備，一般化工設(shè)備，原子能用工業(yè)設(shè)備，也稱304不銹鋼。屈

18、服強(qiáng)度205MPa，抗拉強(qiáng)度520MPa，延伸率40%，使用溫度 -196 800。3.4 壓力容器材料選擇3.4.1 壓力容器用鋼的基本要求（1）化學(xué)成分 C(碳)元素影響：C含量的提高可使強(qiáng)度提高，但性降低，焊接時(shí)易出現(xiàn)裂紋。一般要求 。 S(硫)、P(磷)元素影響：S、P是有害元素！ S可生成非金屬夾雜物，使塑性和韌性降低。P能提高強(qiáng)度，但增加脆性，特別是低溫脆性。控制S0.02%, P0.03%.（2）力學(xué)性能 強(qiáng)度指標(biāo)：抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、持久極限、蠕變極限、疲勞極限。 塑性指標(biāo)：延伸率、斷面收縮率。 韌性指標(biāo)：沖擊吸收功、韌脆轉(zhuǎn)變溫度、斷裂韌性。3.4.2 壓力容器鋼材的選擇（1）

19、壓力容器鋼材的使用條件 （2）相容性 （3）零件的功能和制造工藝 （4）材料的使用經(jīng)驗(yàn) （5）綜合經(jīng)濟(jì)性 （6）規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)3.3 環(huán)境對(duì)壓力容器用鋼性能的影響3.3.1 溫度（p86）4 壓力容器設(shè)計(jì)4.2 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則4.2.1 壓力容器失效（1） 強(qiáng)度失效因材料屈服或斷裂引起的容器失效，主要方式有：韌性斷裂：結(jié)構(gòu)里的應(yīng)力達(dá)到或接近所用材料的強(qiáng)度極限而發(fā)生的斷裂，其特征是斷后有宏觀塑性變形。脆性斷裂：容器破裂時(shí)沒有直徑的增大及壁厚的減薄，斷裂時(shí)材料幾乎沒有發(fā)生過塑性變形。材料的脆性和缺陷兩種原因都會(huì)引起壓力容器發(fā)生脆性斷裂。疲勞斷裂(Fatigue Fracture)在交變載荷作用下，經(jīng)一定循環(huán)次

20、數(shù)后產(chǎn)生裂紋或突然發(fā)生斷裂失效的過程。疲勞斷裂出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力較高的部位，危險(xiǎn)性很大。 蠕變斷裂(Creep Rupture)壓力容器在高溫下長(zhǎng)期受載，隨時(shí)間的增加材料不斷發(fā)生蠕變變形，造成厚度明顯減薄與鼓脹變形，最終導(dǎo)致斷裂。 腐蝕斷裂(Corrosion Fracture)因均勻腐蝕導(dǎo)致的厚度減薄，或局部腐蝕造成的凹坑所引起的斷裂。（2）剛度失效：由于構(gòu)件過度的彈性變形引起的失效。 （3）失穩(wěn)失效：在壓應(yīng)力作用下，壓力容器突然失去其原有的規(guī)則幾何形狀引起的失效。 （4）泄漏失效：由于泄漏而引起的失效。4.3 常規(guī)設(shè)計(jì)4.3.2 圓筒設(shè)計(jì)彈性失效設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（1）內(nèi)壓薄壁圓筒第一強(qiáng)度理論推導(dǎo)，

21、 第一強(qiáng)度理論： 內(nèi)壓厚壁容器（會(huì)推導(dǎo)）（3）設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)的確定壓力容器設(shè)計(jì)技術(shù)參數(shù)主要有：設(shè)計(jì)壓力、設(shè)計(jì)溫度、厚度、厚度附加量、焊縫系數(shù)和許用應(yīng)力。設(shè)計(jì)壓力是容器頂部的最高壓力，其值不得低于工作壓力，工作壓力是指正常工作情況下容器頂部可能達(dá)到的最高壓力。設(shè)計(jì)溫度是指容器在工作過程中在相應(yīng)的設(shè)計(jì)壓力下殼壁或元件金屬可能達(dá)到的最高或最低溫度。當(dāng)元件金屬溫度不低于0，設(shè)計(jì)溫度為元件金屬可能達(dá)到的最高溫度。 當(dāng)元件金屬溫度低于0，設(shè)計(jì)溫度不得高于元件金屬可能達(dá)到的最低溫度。 當(dāng)設(shè)計(jì)溫度等于或低于-20時(shí)，稱為低溫容器。 容器中元件壁溫可以由實(shí)測(cè)或由化工傳熱過程計(jì)算確定。厚度及厚度附加量 焊縫系數(shù)焊縫

22、系數(shù)的大小與焊接接頭形式和焊縫無損檢測(cè) (NDE) 程度有關(guān)。4.3.3 封頭設(shè)計(jì)壓力容器封頭主要有凸形封頭和平封頭（平蓋）。其中，凸形封頭又包括半球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭、球冠形封頭等。封頭厚度的計(jì)算要考慮兩方面的因素：薄膜應(yīng)力和邊緣應(yīng)力。通常，由薄膜應(yīng)力導(dǎo)出厚度計(jì)算式，將邊緣效應(yīng)的影響以應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)的形式引入到厚度計(jì)算式中。 承受內(nèi)壓的半球形封頭 球形封頭和圓筒連接處存在邊緣應(yīng)力，但其值較小，可忽略不計(jì)。 承受內(nèi)壓的橢圓形封頭橢圓形封頭是由半個(gè)橢球殼和一段短圓筒組成。橢圓形封頭和圓筒連接處附近存在較大的邊緣應(yīng)力，用應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)K來表示邊緣效應(yīng)的影響。 平封頭（平蓋）4.3.4 密封裝

23、置設(shè)計(jì)（1）密封機(jī)理及分類泄漏途徑：墊片本身毛細(xì)管的泄漏為滲透泄漏，而墊片與壓緊面之間的泄漏為界面泄漏。界面泄漏是密封失效的主要途徑。密封過程：密封口處的阻力大于密封口兩側(cè)的介質(zhì)壓力差時(shí)，介質(zhì)就被密封住。預(yù)緊工況下形成初始密封條件有“墊片比壓力 y，MPa ”。通入介質(zhì)，在操作狀態(tài)下保持密封性能，有“操作密封比壓 mp，MPa” p為介質(zhì)壓力，m為墊片系數(shù)。（2）影響密封性能的主要因素螺栓預(yù)緊力：通過預(yù)緊力產(chǎn)生“墊片比壓力 y”，形成初始密封條件。但預(yù)緊力過大可使墊片擠出或壓壞。 墊片性能：有適宜的變形及良好的回彈能力。至今，墊片的性能是根據(jù)(y，m)來確定。 壓緊面質(zhì)量：壓緊面形狀和粗糙度與

24、墊片相匹配，不允許有徑向劃痕。 法蘭剛度：法蘭剛度不足易引起變形泄漏(圖4-24)，增大法蘭盤厚度可提高法蘭剛度 。另外，螺栓數(shù)目4n。 操作條件：主要指壓力、溫度和介質(zhì)性能，其中尤以溫度影響較大。高溫下，介質(zhì)對(duì)墊片溶解和腐蝕加劇，同時(shí)蠕變使密封系統(tǒng)產(chǎn)生應(yīng)力松弛。溫度若為波動(dòng)，會(huì)產(chǎn)生疲勞。（3）螺栓法蘭連接設(shè)計(jì) 法蘭密封性設(shè)計(jì)：螺栓法蘭連接失效的主要原因是，密封性能不良而導(dǎo)致泄漏。因此，法蘭連接的設(shè)計(jì)主要是其密封性能的設(shè)計(jì)。 法蘭結(jié)構(gòu)類型及標(biāo)準(zhǔn)公稱直徑DN是容器和管道標(biāo)準(zhǔn)化后的尺寸系列。（1）對(duì)于容器而言是容器內(nèi)徑，例如內(nèi)徑1200mm容器，其公稱直徑標(biāo)記為DN1200； （2）對(duì)于管子或管件

25、而言是名義直徑，數(shù)值上接近管子內(nèi)徑。公稱直徑相同的管子，外徑相同而厚度變化，如DN100無縫鋼管，尺寸系列有：1084、1084.5、1085等。 標(biāo)記示例：內(nèi)徑273mm容器的公稱直徑：公稱直徑 DN273 GB 9019-88.公稱壓力PN是容器或管道的標(biāo)準(zhǔn)化壓力等級(jí)。在容器設(shè)計(jì)選用零部件時(shí)，應(yīng)選取設(shè)計(jì)壓力相近且又稍高一級(jí)的公稱壓力選取零部件。 高壓密封設(shè)計(jì)（P154）：平墊密封結(jié)構(gòu)、卡扎里密封、雙錐密封（會(huì)看圖）、伍德密封、高壓管道密封。4.3.5 開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)4.3.8 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（3）焊接接頭形式及坡口焊接接頭形式是由兩個(gè)被焊接件的相互結(jié)構(gòu)位置而決定，分為對(duì)接接頭、角接接頭及

26、T字接頭、搭接接頭。為保證焊接質(zhì)量，減少焊接變形和焊接材料消耗，施焊前需將焊件連接處加工成各種形狀，稱為坡口。對(duì)接接頭受力較好，應(yīng)力集中較小，能承受較大的靜載荷和動(dòng)載荷。是壓力容器應(yīng)用最多的接頭形式。V型坡口：易于實(shí)現(xiàn)，可用火焰切割設(shè)備進(jìn)行切割，中低壓容器U型坡口：可用鎢極氬弧焊，焊材少，速度快，成本高，適于大型材料（5）壓力容器焊接接頭分類A類焊縫是容器中受力最大的焊縫，要求采用雙面焊或保證全焊透的單面焊縫。B類焊縫的工作應(yīng)力為A類的一半。法蘭、平封頭等部件與殼體及管道的連接焊縫屬于C類，一般為角焊縫。接管、人孔等與殼體或封頭的連接焊縫屬于D類焊縫。(6) 壓力容器焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本原則 盡

27、量采用對(duì)接接頭； 盡量采用全焊透的結(jié)構(gòu)； 盡量減少焊縫處的應(yīng)力集中6.換熱設(shè)備6.1 概述6.1.2 換熱設(shè)備的分類與結(jié)構(gòu) 換熱設(shè)備按照傳熱方式，可以分為直接接觸式、蓄熱式、間壁式和中間載熱體式四種。 （3）間壁式：按照壁面的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，它可分為以下三類： 管式換熱器，如套管式、螺旋管式、管殼式； 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性高、適應(yīng)性強(qiáng)、處理量大、成本較低；但一般熱效率不高。 板片式換熱器，如螺旋板式、板殼式等； 特點(diǎn)是：板式換熱器便于組裝與拆卸，有利于清洗與除垢，可任意改變傳熱面積，傳熱系數(shù)高。但板式換熱器不易密封，承壓能力低，使用溫度受密封元件限制，流道狹窄等缺點(diǎn)。 擴(kuò)展表面式換熱器，如板翅式（

28、 特點(diǎn)是：傳熱效率較高，結(jié)構(gòu)緊湊，但制造工藝復(fù)雜，難以清洗。）、管翅式等。6.2 管殼式換熱器6.2.1 基本類型管殼式換熱器種類很多，根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同，可以分為剛性結(jié)構(gòu)的和具有溫差補(bǔ)償?shù)膬纱箢?。剛性結(jié)構(gòu)的主要為固定管板式換熱器，具有溫差補(bǔ)償?shù)闹饕校焊☆^式、U型管式和填料函式。此外，教材上還列出一種用于高溫的釜式重沸器。其結(jié)構(gòu)不同之處在于：根據(jù)工藝需要，在殼體上部設(shè)置一個(gè)蒸發(fā)空間，空間大小由產(chǎn)量和蒸氣品質(zhì)要求而定。（1）固定管板式：其特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造成本較低。管板支撐較好，管內(nèi)產(chǎn)生污垢便于清洗，但是這種換熱器管外表面無法進(jìn)行機(jī)械清洗。 另一個(gè)主要缺點(diǎn)是管殼之間將產(chǎn)生溫差應(yīng)力，此時(shí)須在

29、殼體上設(shè)置膨脹節(jié)，利用膨脹節(jié)在外力作用下產(chǎn)生較大的變形能力來降低溫差應(yīng)力。（2）浮頭式：浮頭式換熱器中的一塊管板通過螺栓夾緊在殼體法蘭和管箱法蘭之間，另一塊管板能沿軸向自由移動(dòng)。當(dāng)管束與殼體受熱伸長(zhǎng)不等時(shí)，兩者互不牽制，因而不會(huì)產(chǎn)生溫差應(yīng)力。另外，管束可以抽出，便于清洗管子內(nèi)外表面的污垢。（3）U型管式：U形管式換熱器的換熱管被彎成U形，管束的兩端固定在同一塊管板上，省去了一塊管板。由于管子的進(jìn)出口端都在這一塊管板上，U形管束可以自由伸縮，不會(huì)使殼體與管子因壁溫差而產(chǎn)生溫差應(yīng)力。（4）填料函式：填料函式換熱器的結(jié)構(gòu)持點(diǎn)，基本上與浮頭式換熱器相同，管束也可以自由伸縮，不會(huì)產(chǎn)生由于殼體與管束因溫差

30、而引起的溫差應(yīng)力。只是它的浮頭端暴露在外面，與殼體之間采用的是填料函密封結(jié)構(gòu)，因此也可稱之為外浮頭式換熱器。6.2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)管殼式換熱器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要包括：管程結(jié)構(gòu)與殼程結(jié)構(gòu)。其中管程結(jié)構(gòu)包括換熱管、管板、管箱、管束分程、換熱管與管板連接；殼程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括殼體、折流板、折流桿、防短路結(jié)構(gòu)、殼程方程。（1）管程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 1）換熱管 換熱管按照使用條件選用標(biāo)準(zhǔn)中的冷拔管。從傳熱效果上說，換熱管徑較小時(shí)，傳熱面積增大，傳熱效果較好，但管徑較小易結(jié)垢，不易清洗。因此，所選管徑大小取決于流體性能。換熱管在管板上的排布，有下列形式：正三角形、轉(zhuǎn)角正三角形、正方形、轉(zhuǎn)角正方形。2）管板 管板是換熱器中

31、最重要的零部件，受力復(fù)雜，造價(jià)較高。 常見的管板與殼體的連接形式有：管板與殼體焊接并延長(zhǎng)兼作法蘭，常用于固定管板式換熱器；管板與殼體焊接但不兼作法蘭，用于殼體尺寸較小的結(jié)構(gòu)；管板與殼體的可拆連接，管束可抽出清洗，常用于浮頭、填料函和U形管式換熱器。3）管箱 管箱位于筒體的兩端，起著分布流體和改變流體流向的作用管箱內(nèi)通常有隔板，隔板形狀不同，換熱管里流體走向也會(huì)不同P246表6-3給出管箱內(nèi)隔板與管束分程布置圖。4）管束分程 ：流體從管子的一端流到另一端，稱為一個(gè)管程。5）換熱管與管板的連接 換熱管與管板的連接處應(yīng)保證良好的緊密性，否則會(huì)導(dǎo)致兩種流體的混合，影響工藝操作的正常進(jìn)行造成連接處失效的

32、原因主要有：接頭因高溫應(yīng)力松馳而失效；接頭因腐蝕而破壞；管束在流體沖擊下產(chǎn)生振動(dòng)，使接頭疲勞破壞；制造工藝不合理，接頭中焊接殘余應(yīng)力過大，在操作中引起應(yīng)力腐蝕和疲勞破壞；操作不當(dāng)，溫度波動(dòng)，引起疲勞破壞等。換熱管與管板連接的方法主要有以下幾種：強(qiáng)度脹接、 強(qiáng)度焊接、漲焊并用。（2）殼程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 殼體 ：為圓筒，殼壁上焊有接管，殼程進(jìn)口接管處裝有防沖擋板。 折流板 ：設(shè)置折流板的目的是，提高殼程流體的流速，增加喘動(dòng)的程度，并使殼程流體與管程流體相垂直。 拉桿和定距管：拉桿定距桿結(jié)構(gòu)、點(diǎn)焊結(jié)構(gòu)殼程分程：E型、F型、G型、H型 管殼式換熱器型號(hào)表示示例：平蓋管箱，公稱直徑500mm，管程和殼程設(shè)計(jì)壓

33、力均為1.6MPa，公稱換熱面積為54mm*2，碳素鋼較高級(jí)冷拔換熱管外徑25mm，管長(zhǎng)6m，4管程，單殼程的浮頭式熱交換器，其型號(hào)為：。6.2.4 管板設(shè)計(jì)管板是管殼式換熱器最主要的部件。正確分析管板的受力狀態(tài)，合理地確定管板的厚度，對(duì)保證換熱器的安全運(yùn)轉(zhuǎn)，降低成本，起著相當(dāng)重要的作用。 （1）影響管板強(qiáng)度和剛度的主要因素 ： 管束對(duì)管板的支撐作用； 管孔對(duì)管板的削弱作用 管板外周邊的固定方式 ； 殼壁和管壁的溫度差 （2）管板強(qiáng)度設(shè)計(jì)的主要思想： 將管板看成承受均布載荷的實(shí)心圓板； 將管板看成彈性基礎(chǔ)上受載的多孔圓平板；（3）管板強(qiáng)度設(shè)計(jì)步驟： 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定； 應(yīng)力計(jì)算； 應(yīng)力校核； 應(yīng)

34、力調(diào)整6.2.5 管殼式換熱器設(shè)計(jì)過程管殼式換熱器設(shè)計(jì)分為以下幾個(gè)過程： 工藝設(shè)計(jì)計(jì)算熱負(fù)荷、傳熱面積、流體溫度等；結(jié)構(gòu)選型確定換熱器型式、換熱管排列方式等；強(qiáng)度核算筒體、管箱、管板尺寸，應(yīng)力核算。管殼式換熱器的自身改進(jìn)：改變傳熱面的形狀使用橫槽管、螺旋管、波紋管、縮放管等；加入擾動(dòng)促進(jìn)體在管內(nèi)加入擾動(dòng)促進(jìn)體或管內(nèi)插入體，通過攪亂流動(dòng)來達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的；折流擋板及支撐物；特殊材料管子的換熱器；7.塔設(shè)備7.1 概述塔設(shè)備通常應(yīng)用于蒸餾、吸收、萃取，以及氣體的洗滌、增濕及冷卻等單元操作中。塔設(shè)備的核心內(nèi)件是傳質(zhì)傳熱元件。目前，塔的主要傳質(zhì)傳熱元件分為：塔板（塔盤）和填料兩大類。（1）塔設(shè)備分類

35、 按照工藝過程，塔設(shè)備分為：精餾塔、吸收塔、抽提塔、水洗塔、干燥塔等； 按照操作壓力，分為常壓塔、減壓塔和加壓塔； 按照塔內(nèi)件結(jié)構(gòu)，分為填料塔和板式塔。（2）填料塔的液體分布器：管式液體分布器、槽式液體分布器、噴灑式液體分布器、盤式液體分布器。（3）填料塔的其它內(nèi)件 主要有：液體收集器、液體再分布器、除沫裝置等。（4）板式塔的分類 按照塔盤結(jié)構(gòu)分：泡罩塔、篩板塔、浮閥塔、舌形塔等。 按照氣液流動(dòng)方式分：錯(cuò)流板式塔、逆流板式塔。 按照液體流動(dòng)形式分：?jiǎn)我缌餍秃碗p溢流型。7.5 塔的強(qiáng)度設(shè)計(jì)單個(gè)塔體設(shè)備通常承受以下載荷的作用：（1）塔內(nèi)介質(zhì)引起的操作載荷，為內(nèi)壓或者外壓；（2）塔體的重量載荷； （3）偏心載荷； （4）風(fēng)載荷； （5）地震載荷。7.5.1 塔的固有周期（1）振型和自振周期的概念對(duì)于振動(dòng)體而言，其體現(xiàn)振動(dòng)性能的指標(biāo)有二個(gè)：振型和自振周期。