高壓容器設(shè)計(jì)

1、工程上： 10MPaP設(shè)100MPa 高壓容器 100MPa以上 超高壓容器 一般屬于三類容器本章專門介紹其特殊的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法 一、高壓容器的應(yīng)用一、高壓容器的應(yīng)用 二、高壓容器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)二、高壓容器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 三、高壓容器的材料三、高壓容器的材料 軍事工業(yè)：軍事工業(yè)：炮筒、核動(dòng)力裝置 化學(xué)和石油化工：化學(xué)和石油化工：合成氨、合成甲醇、合成尿素、油類加氫等合成反應(yīng)的高壓反器、高壓緩沖與貯存容器。 電力工業(yè)：電力工業(yè)：核反應(yīng)堆，水壓機(jī)的蓄力器 發(fā)展現(xiàn)狀：發(fā)展現(xiàn)狀：直徑4.5米，壁厚280毫米，重約1000噸, 壓力2000MPa高壓容器設(shè)計(jì)與制造技術(shù)發(fā)展的核心問題： 既要隨著生產(chǎn)的發(fā)展能制造出

2、大壁厚的容器 又要設(shè)法盡量減小壁厚以方便制造。高壓容器特點(diǎn)： 1 結(jié)構(gòu)細(xì)長 2 采用平蓋或球形封頭 3 密封結(jié)構(gòu)特殊多樣 4 高壓筒身限制開孔筒體與封頭的特殊要求：1) 強(qiáng)度與韌性 為了提高材料強(qiáng)度以減少壁厚，一般采用 低合金鋼，如16MnR、15MnVR和18MnMoNBR。 同時(shí)為了保證韌性，加入少量（2%）Ni和Cr， 并控制P和S含量0.004%筒體與封頭的特殊要求：筒體與封頭的特殊要求：2) 制造工藝性能 具有良好的焊接性能 包括可焊性、吸氣性、 抗熱裂與冷裂傾向、 抗晶粒粗大傾向等、 具有良好的可鍛性筒體與封頭的特殊要求： 3) 其他要求 耐腐蝕性 原材料檢驗(yàn)要求較高一、結(jié)構(gòu)型式及

3、設(shè)計(jì)選型二、厚壁圓筒的彈性應(yīng)力分析三、厚壁圓筒的彈塑性應(yīng)力分析四、高壓筒體的失效及強(qiáng)度計(jì)算（一）整體鍛造式：直徑（一）整體鍛造式：直徑300300800mm800mm，長度，長度12m12m 優(yōu)點(diǎn)：性能優(yōu)良，缺點(diǎn)：加工費(fèi)用高優(yōu)點(diǎn)：性能優(yōu)良，缺點(diǎn)：加工費(fèi)用高（二）單層式（二）單層式: :單層卷焊、單層瓦片和無縫鋼管式。單層卷焊、單層瓦片和無縫鋼管式。 優(yōu)點(diǎn)：加工簡單，缺點(diǎn)：材料設(shè)備受限制優(yōu)點(diǎn)：加工簡單，缺點(diǎn)：材料設(shè)備受限制（三）多層式：層板包扎式、熱套式和繞板式（三）多層式：層板包扎式、熱套式和繞板式（四）繞帶式：中國獨(dú)創(chuàng)（四）繞帶式：中國獨(dú)創(chuàng)（浙大浙大）（一）整體鍛造式（一）整體鍛造式 最早采

4、用的筒體型最早采用的筒體型式式, ,筒體和法蘭可整段而筒體和法蘭可整段而出或用螺紋連接，鍛造容出或用螺紋連接，鍛造容器的質(zhì)量較好器的質(zhì)量較好, ,特別是和特別是和與焊接性能較差的高強(qiáng)鋼與焊接性能較差的高強(qiáng)鋼所制作的超高壓容器所制作的超高壓容器, ,受受鍛造條件限制鍛造條件限制, ,一般直徑一般直徑為長度不超過為長度不超過1212米米（二）單層式單層厚壁高壓容器有種形式：單層卷焊式：直徑工序少，周期短效率高單層瓦片式：生產(chǎn)效率比單層卷焊差，費(fèi)工費(fèi)時(shí)無縫鋼管式：效率高，周期短以上三種形式被三方面因素制1）厚壁材料來源2）大型機(jī)械條件3）縱向和環(huán)向深厚焊逢中缺陷檢測（三）多層式（三）多層式1 1）層

5、板包扎式）層板包扎式特點(diǎn)：特點(diǎn)：1.1.只需薄板，原材料供應(yīng)方便只需薄板，原材料供應(yīng)方便 2.2.只需卷板機(jī)和包扎機(jī)只需卷板機(jī)和包扎機(jī) 3.3.只需筒體應(yīng)力分布只需筒體應(yīng)力分布 4.4.較單層安全較單層安全 5.5.內(nèi)筒可采用與筒體不同的結(jié)構(gòu)內(nèi)筒可采用與筒體不同的結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：1.1.生產(chǎn)效率低生產(chǎn)效率低 2.2.層板材料利用率低層板材料利用率低 3.3.層板間間隙較難控制層板間間隙較難控制 4.4.導(dǎo)熱性差導(dǎo)熱性差（三）多層式（三）多層式 2)熱套式熱套式 特點(diǎn)：特點(diǎn)：1.生產(chǎn)效率高，層數(shù)少生產(chǎn)效率高，層數(shù)少 2.材料來源廣泛利用率高材料來源廣泛利用率高 3.焊縫質(zhì)量容易保證焊縫質(zhì)量容易保

6、證 3)繞板式繞板式 特點(diǎn)：特點(diǎn)：1.效率高效率高 2.材料利用率高材料利用率高 3.機(jī)械化程度高機(jī)械化程度高四）繞帶式 對(duì)原材料要求一般材料利用率也相當(dāng)高纏繞機(jī)簡單制造方便成本低（五）設(shè)計(jì)選型原則五）設(shè)計(jì)選型原則需綜合原材料來源，配套的焊條焊絲、制造廠需綜合原材料來源，配套的焊條焊絲、制造廠所具備的設(shè)備條件和工夾具條件，以及對(duì)特殊所具備的設(shè)備條件和工夾具條件，以及對(duì)特殊材料焊接能力、熱處理要求及工廠裝備條件等材料焊接能力、熱處理要求及工廠裝備條件等等，作充分調(diào)查論證后才能做到選型正確，確等，作充分調(diào)查論證后才能做到選型正確，確有把握。有把握。 厚壁容器承受壓力載荷作用時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力厚壁容器承受

7、壓力載荷作用時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力具有如下特點(diǎn)：具有如下特點(diǎn)： 考慮作經(jīng)向、周向和徑向三向應(yīng)力分析考慮作經(jīng)向、周向和徑向三向應(yīng)力分析 沿壁厚出現(xiàn)應(yīng)力梯度，薄膜假設(shè)不成立沿壁厚出現(xiàn)應(yīng)力梯度，薄膜假設(shè)不成立 不能忽視溫差應(yīng)力不能忽視溫差應(yīng)力（一）受內(nèi)壓單層厚壁圓筒中的彈性應(yīng)力（一）受內(nèi)壓單層厚壁圓筒中的彈性應(yīng)力 幾何方程幾何方程 物理方程物理方程 平衡方程平衡方程厚壁圓筒的應(yīng)力與變形分析dd21d211p2prrddrww +dwPPdrPrdrP受內(nèi)壓單層厚壁圓筒中的彈性應(yīng)力受內(nèi)壓單層厚壁圓筒中的彈性應(yīng)力（一）力平衡方程：（一）力平衡方程：化簡為：化簡為：02sin2ddrdrddrrdrrrdrdrrr

8、（二）幾何方程二）幾何方程當(dāng)單元體兩條圓弧邊的徑向位移分別為當(dāng)單元體兩條圓弧邊的徑向位移分別為w w和和w+dww+dw時(shí)時(shí)微元體的徑向應(yīng)變：微元體的徑向應(yīng)變：微元體的周向應(yīng)變：微元體的周向應(yīng)變：對(duì)周向應(yīng)變方程求導(dǎo)、變換可得：對(duì)周向應(yīng)變方程求導(dǎo)、變換可得：drdwdrwdwwrrwrdrddwrrrdrd1（三）物理方程按廣義虎克定律可表示為整理以上方程組得：0322drddrdrrrzrzrrEE11（一）受內(nèi)壓單層厚壁圓筒中的彈性應(yīng)力（一）受內(nèi)壓單層厚壁圓筒中的彈性應(yīng)力 求解微分方程，得通解：求解微分方程，得通解： 根據(jù)邊界條件當(dāng)根據(jù)邊界條件當(dāng)rRi時(shí)時(shí) rRo時(shí)時(shí)帶入求出帶入求出A與與B

9、：,22rBArBArirporp22222222)(iooioiioooiiRRRRPPBRRRPRPA（一）受內(nèi)壓單層厚壁圓筒中的彈性應(yīng)力 內(nèi)外壓作用下厚壁圓筒的三向應(yīng)力表達(dá)式如下： 周向應(yīng)力 徑向應(yīng)力 軸向應(yīng)力222222222222222222222211ioooiiziooioiioooiiriooioiioooiiRRRpRprRRRRppRRRpRprRRRRppRRRpRp（一）受內(nèi)壓單層厚壁圓筒中的彈性應(yīng)力（一）受內(nèi)壓單層厚壁圓筒中的彈性應(yīng)力 三向應(yīng)力沿厚度的分布規(guī)律如圖三向應(yīng)力沿厚度的分布規(guī)律如圖 1 1）周向應(yīng)力）周向應(yīng)力 及軸向應(yīng)力及軸向應(yīng)力 為正值（拉應(yīng)力），為正值（

10、拉應(yīng)力）， 徑向應(yīng)力為負(fù)值（壓應(yīng)力）徑向應(yīng)力為負(fù)值（壓應(yīng)力） 2 2）在數(shù)值上：）在數(shù)值上： 為所有應(yīng)力中最大為所有應(yīng)力中最大 內(nèi)壁處內(nèi)壁處 外壁處外壁處 沿壁厚均勻分沿壁厚均勻分 3 3）應(yīng)力沿壁厚的不均勻程度與徑比）應(yīng)力沿壁厚的不均勻程度與徑比K K值有關(guān)值有關(guān)R1R0zrOrpr0r（二）單層厚壁圓筒中的溫差應(yīng)力（二）單層厚壁圓筒中的溫差應(yīng)力 1.1.溫差應(yīng)力方程溫差應(yīng)力方程 物理方程：物理方程：tEtEtEttrtzztztrttzttrr111（二）單層厚壁圓筒中的溫差應(yīng)力（二）單層厚壁圓筒中的溫差應(yīng)力設(shè)軸向應(yīng)變設(shè)軸向應(yīng)變 z 保持不變?yōu)槌?shù)，則保持不變?yōu)槌?shù)，則 徑向和周向的熱應(yīng)力

11、：徑向和周向的熱應(yīng)力：代入代入解得解得MEG12trwdrdwrwGtrudrdwdrdwGztztr211212211212drdrrr2112111CrrCtrdrrwrRi（二）單層厚壁圓筒中的溫差應(yīng)力任意r處的溫度t為：設(shè)因?yàn)閮?nèi)外表面（rRi及rRo）處導(dǎo)出穩(wěn)定傳熱狀態(tài)的三向溫差應(yīng)力表達(dá)式ioiooiRRRrtrRttlnlnlnoittt0tr（二）單層厚壁圓筒中的溫差應(yīng)力（二）單層厚壁圓筒中的溫差應(yīng)力周向溫差應(yīng)力周向溫差應(yīng)力徑向溫差應(yīng)力徑向溫差應(yīng)力軸向溫差應(yīng)力軸向溫差應(yīng)力12lnln211211lnln1211lnln11222222KKKtEKKKKtEKKKKtErtzrrtr

12、rrt（二）單層厚壁圓筒中的溫差應(yīng)力溫差應(yīng)力及分布有如下規(guī)律：（1）內(nèi)壁面或外壁面處 的溫差應(yīng)力最大（2）溫差應(yīng)力的大小主 要取決于溫差t， 其次也與線膨脹系 數(shù)有關(guān)，t取決 于壁厚，K越大t越大OttztrttztrttORiRiRoRorr（二）單層厚壁圓筒中的溫差應(yīng)力（二）單層厚壁圓筒中的溫差應(yīng)力 2.溫差應(yīng)力的工程近似計(jì)算溫差應(yīng)力的工程近似計(jì)算 （1）計(jì)算公式的簡化）計(jì)算公式的簡化,令令 近似計(jì)算方法為：近似計(jì)算方法為：12Emtmtzt材料高碳鋼低碳鋼低合金鋼Cr-Mo鋼Cr-Ni鋼m1.51.61.71.8（二）單層厚壁圓筒中的溫差應(yīng)力 2.溫差應(yīng)力的工程近似計(jì)算 2）多層圓筒溫差

13、應(yīng)力 工程上近似取為： 對(duì)于室外容器 對(duì)于室內(nèi)容器 t為圓筒實(shí)際壁厚ttit0 . 2CttCtt15. 02 . 0（二）單層厚壁圓筒中的溫差應(yīng)力（3）不計(jì)溫差應(yīng)力的條件 a）內(nèi)外壁面的溫差t1.1P設(shè)時(shí) b）有良好的保溫層 c）高溫操作的容器，材料已發(fā)生蠕變變 形時(shí)內(nèi)外層的熱膨脹約束逐步解除（三）內(nèi)壓與溫差同時(shí)作用的厚壁圓筒中的應(yīng)力 在彈性變形的前提下筒壁的綜合應(yīng)力為兩種 應(yīng)力的迭加 內(nèi)加熱情況下內(nèi)壁應(yīng)力綜合后得到改善，而外壁 有所惡化，外加熱時(shí)則相反，內(nèi)壁的綜合應(yīng)力惡 化，而外壁應(yīng)力得到很大改善。tzzzttrrr,rrORiRiRoRorrO當(dāng)內(nèi)壓大到使內(nèi)壁材料屈服后，再增加壓力時(shí)則屈服層向外擴(kuò)展，從而在近內(nèi)壁處形成塑性層，塑性層之外仍為彈性層，筒體處于彈塑性狀態(tài)。處于塑性狀態(tài)的單層厚壁圓筒的分解彈性區(qū)塑性區(qū)RoRoPcPcPiPi（一）塑性層一）塑性層彈塑性層交界面上壓力：彈塑性層交界面上壓力：iiyziiyiiyrpRrpRrpRrln5 . 0ln1lniicycpRRpln（二）彈性層（二）彈性層出現(xiàn)屈服層時(shí)屈服層與彈性層的壓力分布有明顯區(qū)出現(xiàn)屈服層時(shí)屈服層與彈性層的壓力分布有明顯區(qū)別，卸載之后，塑性層產(chǎn)生殘余拉伸變形，彈性層別，卸載之后，塑性層產(chǎn)生殘余拉伸變形，彈性層仍有完全恢復(fù)彈性變形的能力，產(chǎn)生殘余應(yīng)力。仍有完全恢復(fù)