化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1、第二篇 化工設(shè)備設(shè)計(jì)基礎(chǔ)第七章 概述7.1 容器的結(jié)構(gòu)與分類7.2 容器機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求7.3 容器的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)7.4 化工容器常用金屬材料的基本性質(zhì)7.1 容器的結(jié)構(gòu)與分類化工設(shè)備分類按照用途分反應(yīng)設(shè)備：完成介質(zhì)的物理、化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備換熱設(shè)備：完成介質(zhì)的熱量交換的設(shè)備分離設(shè)備：儲(chǔ)運(yùn)設(shè)備：用來(lái)盛裝生產(chǎn)和生活用的原料氣體、液體、液化氣等 設(shè)備的共同特點(diǎn)是都有一個(gè)外殼。外殼稱作容器7.1 容器的結(jié)構(gòu)與分類容器：化工生產(chǎn)所用各種化工設(shè)備外部殼體的總稱。容器一般由幾種殼體（如圓柱殼、圓錐殼、橢球殼）組合而成。再加上連接法蘭、支座、接口管、人孔、手孔、視鏡等零部件。液面計(jì)接管筒身支座封頭人孔二、容器的

2、分類分類方法 形狀 厚度 承壓性質(zhì) 工作溫度 支承形式 結(jié)構(gòu)材料 技術(shù)管理圓筒形容器球形容器方形和矩形容器形狀分厚壁容器薄壁容器容器厚度分2020020低溫：低于高溫之間中溫：常溫度高溫：達(dá)到材料蠕變溫常溫：壁溫分外壓容器、高、超高內(nèi)壓容器：常、低、中承壓性質(zhì)立式容器臥式容器支承形式分第一類壓力容器第二類壓力容器第三類壓力容器安全技術(shù)管理分璃鋼、搪瓷非金屬：硬聚乙烯、玻鋼、不銹鋼金屬：低碳鋼、低合金結(jié)構(gòu)材料分設(shè)計(jì)資質(zhì) 7.2. 7.2.容器機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求 7.2.1 7.2.1 容器機(jī)械設(shè)計(jì)條件及程序：1.容器機(jī)械設(shè)計(jì)條件：（1 1）工藝結(jié)構(gòu)要求及基本工藝尺寸；）工藝結(jié)構(gòu)要求及基本工藝尺寸

3、；（2 2）工作壓力、工作溫度及工作介質(zhì)；）工作壓力、工作溫度及工作介質(zhì)；（3 3）容器的工作環(huán)境、重要程度；）容器的工作環(huán)境、重要程度；確定設(shè)計(jì)依據(jù)及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)開始選擇材料選擇材料確定容器類別確定容器類別結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壁厚設(shè)計(jì)壁厚設(shè)計(jì)零部件設(shè)計(jì)零部件設(shè)計(jì)壓力試驗(yàn)核算壓力試驗(yàn)核算繪制施工圖繪制施工圖校核審核結(jié)束合格合格不合格不合格批準(zhǔn)2. 2.機(jī)械設(shè)計(jì)程序機(jī)械設(shè)計(jì)程序機(jī)械設(shè)計(jì)的基本要求：1.1.強(qiáng)度不發(fā)生破壞如焊縫開裂，筒體爆破，螺栓拉斷等。如焊縫開裂，筒體爆破，螺栓拉斷等。2.2.剛度不發(fā)生過(guò)大變形如塔體傾斜，塔盤下凹等。如塔體傾斜，塔盤下凹等。3.3.穩(wěn)定性不發(fā)生癟塌或褶皺如臥式容器支座之

4、間的筒體發(fā)生癟塌，氣柜抽負(fù)癟塌，塔體支座在起吊時(shí)如臥式容器支座之間的筒體發(fā)生癟塌，氣柜抽負(fù)癟塌，塔體支座在起吊時(shí)發(fā)生癟塌等。發(fā)生癟塌等。4.4.耐久性保證使用壽命。一般化工設(shè)備一般化工設(shè)備設(shè)計(jì)使用壽命為設(shè)計(jì)使用壽命為10101515年。大多取決于腐年。大多取決于腐蝕情況，有些取決于疲勞、蠕變或振動(dòng)。蝕情況，有些取決于疲勞、蠕變或振動(dòng)。5.5.密封性包括內(nèi)漏和外漏包括內(nèi)漏和外漏。6. 6. 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì) 法蘭、螺栓、封頭、筒體、支座、接管、人孔法蘭、螺栓、封頭、筒體、支座、接管、人孔7.7.方便制造、操作與檢修，便于運(yùn)輸操作閥門位于操作臺(tái)面操作閥門位于操作臺(tái)面2 2米高，可否？米高，可否？?jī)?chǔ)罐內(nèi)介

5、質(zhì)臟，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如何考慮？?jī)?chǔ)罐內(nèi)介質(zhì)臟，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如何考慮？塔高塔高100100米，設(shè)計(jì)要求整體運(yùn)輸。合理？米，設(shè)計(jì)要求整體運(yùn)輸。合理？直徑直徑2 2米的碳鋼制容器，壁厚米的碳鋼制容器，壁厚2mm2mm就滿足強(qiáng)度要求，就滿足強(qiáng)度要求，可否批準(zhǔn)？可否批準(zhǔn)？8.8.技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)合理經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：?jiǎn)挝簧a(chǎn)能力；消耗系數(shù)；設(shè)備價(jià)格；經(jīng)濟(jì)指標(biāo)：?jiǎn)挝簧a(chǎn)能力；消耗系數(shù)；設(shè)備價(jià)格；管理費(fèi)用和生產(chǎn)總成本。管理費(fèi)用和生產(chǎn)總成本。7.3.1 7.3.1 標(biāo)準(zhǔn)化的意義設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)無(wú)需計(jì)算和制圖，按已有標(biāo)準(zhǔn)圖選擇。無(wú)需計(jì)算和制圖，按已有標(biāo)準(zhǔn)圖選擇。制造制造有利于成批生產(chǎn)，降低成本，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高競(jìng)爭(zhēng)力。有利于成批生產(chǎn)，降低成

6、本，保證產(chǎn)品質(zhì)量，提高競(jìng)爭(zhēng)力。維修維修備件規(guī)格尺寸通用，實(shí)現(xiàn)互換性。備件規(guī)格尺寸通用，實(shí)現(xiàn)互換性。通商貿(mào)易通商貿(mào)易國(guó)內(nèi)、國(guó)際間通用，消除貿(mào)易障礙。國(guó)內(nèi)、國(guó)際間通用，消除貿(mào)易障礙。我國(guó)已實(shí)現(xiàn)容器零部件標(biāo)準(zhǔn)化的有：圓筒體、封頭、法蘭、支座、人孔、手孔、我國(guó)已實(shí)現(xiàn)容器零部件標(biāo)準(zhǔn)化的有：圓筒體、封頭、法蘭、支座、人孔、手孔、視鏡和液面計(jì)等。視鏡和液面計(jì)等。7.3 容器標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)容器標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)國(guó)外主要規(guī)范國(guó)外主要規(guī)范國(guó)外的規(guī)范主要有四個(gè)：國(guó)外的規(guī)范主要有四個(gè)：美國(guó)美國(guó)ASMEASME規(guī)范，規(guī)范，英國(guó)壓力容器規(guī)范（英國(guó)壓力容器規(guī)范（BSBS），），日本國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（日本國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（JISJIS），），德國(guó)壓力容

7、器規(guī)范（德國(guó)壓力容器規(guī)范（ADAD）。）。相關(guān)法規(guī)及常用標(biāo)準(zhǔn)1.基本法規(guī)：壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程 國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局 199919992. 2. 壓力容器常用標(biāo)準(zhǔn)：GB150-98 鋼制壓力容器國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB151-99 管殼式換熱器 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) JB4709-2000 鋼制壓力容器焊接規(guī)程JB4730-2005 壓力容器無(wú)損檢測(cè)HG2059220635-97 鋼制管法蘭、墊片、緊固件JB/T47004707-2000壓力容器法蘭7.3 容器的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)二、容器零部件標(biāo)準(zhǔn)化的基本參數(shù)公稱直徑DN：將容器及管子直徑加以標(biāo)準(zhǔn)化以后的標(biāo)準(zhǔn)直徑。公稱壓力PN：規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)力等級(jí)（板卷）無(wú)縫管筒體接管封頭

8、法蘭接管公稱直徑 DN是公稱直徑， (或叫公稱通徑),就是各種管子與管路附件的通用口徑。同一公稱直徑的管子與管路附件均能相互連接，具有互換性.它不是實(shí)際意義上的管道外徑或內(nèi)徑，雖然其數(shù)值跟管道內(nèi)徑較為接近或相等； 公稱直徑A壓力容器(筒體、封頭)的公稱直徑：由鋼板卷制的筒體，公稱直徑是指它的內(nèi)徑；當(dāng)筒體的直徑較小，直接采用無(wú)縫鋼管制作時(shí)，容器的公稱直徑應(yīng)是指無(wú)縫鋼管的外徑；封頭的公稱直徑與筒體一致。 B管子：公稱直徑既不是它的內(nèi)徑，也不是外徑，而是小于管于外徑的一個(gè)數(shù)值。只要管子的公稱直徑一定，它的外徑也就確定了，而管子的內(nèi)徑則根據(jù)壁厚的不同有多種尺寸，它們大都接近于管子的公稱直徑。 C其它零

9、部件的公稱直徑：有些零部件的公稱直徑，如壓力容器法蘭，鞍式支座等就是指與它相配的筒體與封頭的公稱直徑。而管法蘭、手孔等則是指與它相配的管子的公稱直徑。7.4 化工容器常用金屬材料的基本性能選用材料的一般要求選用材料的一般要求 （1）材料品種應(yīng)符合我國(guó)資源和供應(yīng)情況； （2）材質(zhì)可靠，能保證使用壽命； （3）足夠的強(qiáng)度，良好的塑性和韌性，對(duì)腐蝕性介質(zhì)能耐腐蝕； （4）便于制造加工，焊接性能良好； （5）成本低，經(jīng)濟(jì)上合算。 選材要抓住主要矛盾，遵循適用、安全和經(jīng)濟(jì)的原則。7.4 化工容器常用金屬材料的基本性能一、力學(xué)性能 材料抵抗外力而不產(chǎn)生超過(guò)允許的變形或不被破壞的能力，叫做材料的力學(xué)性能。主

10、要特征指標(biāo)包括強(qiáng)度、塑性、韌性、 硬度、材料高溫下的力學(xué)性能這是設(shè)計(jì)時(shí)選用材料的重要依據(jù)。二、物理性能：密度、熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)和導(dǎo)電性等三、化學(xué)性能：耐腐蝕性、抗氧化性四、工藝性能五、其他性能屈服極限1、強(qiáng)度 強(qiáng)度是固體材料在外力作用下抵抗產(chǎn)生塑性變形和斷裂的特性。常用的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度等。2 . 0s或強(qiáng)度極限b持久極限1 -斷后伸長(zhǎng)率2、塑性 金屬在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。0ll斷面收縮率0AA韌性：是材料對(duì)缺口或裂紋敏感程度的反映沖擊韌性來(lái)表示材料承受動(dòng)載荷時(shí)抗裂紋的能力。沖擊載荷：在很短時(shí)間內(nèi)作用于物體上的載荷 特點(diǎn)：加載時(shí)間短 加載速率高 必須考慮

11、材料在沖擊載荷作用下的破壞行為3、韌性沖擊韌性實(shí)驗(yàn) 材料在沖擊載荷下吸收塑性變形功和斷裂功的能力。用沖擊吸收功AK或沖擊韌度K表示。沖擊功 AK=GH1-GH2，沖擊韌度 K= AK/F（F為面積）沖擊實(shí)驗(yàn)機(jī)沖擊實(shí)驗(yàn) 4、 硬度 硬度是指金屬材料抵抗局部變形，特別是塑性變形、壓痕或劃痕的能力。 可用硬度試驗(yàn)機(jī)測(cè)定，常用的硬度指標(biāo)有布氏硬度HBW、洛氏硬度（HRA、HRB、HRC等）和維氏硬度HV。 布氏硬度試驗(yàn)原理222dDDDF布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：試驗(yàn)時(shí)使用的壓頭直徑較大，在試樣表面上留下壓痕也較大，所得值也較準(zhǔn)確。缺點(diǎn)：對(duì)金屬表面的損傷較大，不易測(cè)試太薄工件的硬度，也不適于測(cè)定成品件

12、硬度。5、材料在高溫下的力學(xué)性能-蠕變極限( n) 高溫（比如：碳素鋼420，合金鋼450） 一定應(yīng)力聯(lián)合作用下金屬將逐漸產(chǎn)生塑性變形蠕變?nèi)渥內(nèi)渥儯涸诟邷貢r(shí)，在一定的應(yīng)力下，應(yīng)變隨時(shí)間而增加的現(xiàn)象，或者金屬在高溫和應(yīng)力作用下逐漸產(chǎn)生塑性變形的現(xiàn)象。蠕變極限：材料在高溫條件下抵抗發(fā)生緩慢塑性變形的能力。表現(xiàn)為兩種： a 在工作溫度下引起規(guī)定變形速度的應(yīng)力值； b 在一定工作溫度下，在規(guī)定的使用時(shí)間內(nèi)，使試件發(fā)生一定量的總變形的應(yīng)力 值。二、物理性能 相對(duì)密度 熔點(diǎn) 熱膨脹性 導(dǎo)熱性 導(dǎo)電性 磁性 彈性模數(shù) 泊桑比三、化學(xué)性能主要指耐腐蝕性和抗氧化性1、耐腐蝕性： 金屬和合金對(duì)周圍介質(zhì)，如大氣、水汽、各種電解液侵蝕的抵抗能力。2、抗氧化性： 在高溫工作條件下，設(shè)備不僅有自由氧的氧化腐蝕過(guò)程，還有其