壓力容器設(shè)計

1、壓力容器設(shè)計24.3 4.1 概述 4.2 設(shè)計準(zhǔn)則 4.3 4.4 分析設(shè)計 4.5 疲勞分析 4.6 壓力容器設(shè)計技術(shù)進(jìn)展 4.3.3 4.3.4 密封裝置設(shè)計 4.3.5 開孔和開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計 4.3.6 支座和檢查孔4.3.7 安全泄放裝置 4.3.2 圓筒設(shè)計 4.3.1 概述 4.3.8 焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計 4.3.9 壓力試驗(yàn) 3 力載荷處 理，不考慮交變載荷，也不區(qū)分短期載荷和永久載荷，不涉及容器的疲勞壽命問題。區(qū)別于分析設(shè)計一、設(shè)計思想 “按規(guī)則設(shè)計”（Design by Rules） ，只考慮單一的最大 載荷工況，按一次施加的靜應(yīng)力求解依據(jù) 材料力學(xué)及板殼 理論，按最大拉 應(yīng)力準(zhǔn)則

2、來推導(dǎo) 受壓元件的強(qiáng)度 尺寸計算公式。校核受壓元件 的應(yīng)力強(qiáng)度 材料許用應(yīng)力 （強(qiáng)度） 30mm）卷焊成直徑不同但可過盈配合的筒節(jié)，將外層筒節(jié)加熱到計算的溫度進(jìn)行套合，冷卻收縮后得到緊密貼合的厚壁筒節(jié)。圖4-2 (b) 熱套筒節(jié)二、熱套式154.3.2.1 圓筒結(jié)構(gòu)2、優(yōu)點(diǎn)：工序少，周期短，且具有包扎式筒體的大多數(shù)優(yōu)點(diǎn)。3、缺點(diǎn)： 筒體要有較準(zhǔn)確的過盈量， 卷筒的精度要求很高，且套 合時需選配套合； 套合時貼緊程度不很均勻； 套合后，需熱處理以消除 套合預(yù)應(yīng)力及深環(huán)焊縫的焊 接殘余應(yīng)力。二、熱套式(續(xù))164.3.2.1 圓筒結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)：由內(nèi)筒、繞板層和外筒三部分組成，是在多層包扎式 筒體的

3、基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。2、制造：內(nèi)筒與多層包扎式內(nèi)筒相同，繞板層是在內(nèi)筒外面連 續(xù)纏繞若干層35mm厚的薄鋼板而構(gòu)成筒節(jié)，只有內(nèi)外兩 道縱焊縫，需要2個楔形過渡段，外筒為保護(hù)層，由兩塊半 圓或三塊“瓦片”制成。3、優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械化程度高，制造效率高，材料利用率高（可達(dá) 90%以上）。4、缺點(diǎn)：中間厚兩邊薄，累積間隙。圖42（c） 繞板式三、繞板式174.3.2.1 圓筒結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)：錯開環(huán)縫和采用液壓夾鉗逐層包扎的筒體結(jié)構(gòu)。2、制造： 將內(nèi)筒拼接到所需的長度，兩端焊上法蘭或封頭； 在整個長度上逐層包扎層板，待全長度上包扎好并 焊完磨平后再包扎第二層，直至所需厚度。3、優(yōu)點(diǎn)：環(huán)、縱焊縫錯開，筒體與封頭或

4、法蘭間的環(huán)焊縫為一 定角度的斜面焊縫，承載面積增大。內(nèi)筒包扎層板端部法蘭底封頭圖43 整體多層包扎是厚壁容器筒體 四、整體多層包扎式184.3.2.1 圓筒結(jié)構(gòu)以鋼帶纏繞在內(nèi)筒外面獲得所需厚度筒壁兩種結(jié)構(gòu)型槽繞帶式扁平鋼帶傾角錯繞式型槽繞帶式 用特制的型槽鋼帶螺旋纏繞在特制的內(nèi) 筒上，端面形狀見圖4-4（a），內(nèi)筒外表面上預(yù)先加 工有與鋼帶相嚙合的螺旋狀凹槽。纏繞時，鋼帶先經(jīng)電加熱，再進(jìn)行螺旋纏繞，繞制后依次用空氣和水進(jìn)行冷卻，使其收縮產(chǎn)生預(yù)緊力，可保證每層鋼帶貼緊；各層鋼帶之間靠凹槽和凸肩相互嚙合(見圖4-4（b）)，纏繞層能承受一部分由內(nèi)壓引起的軸向力。五、繞帶式194.3.2.1 圓筒結(jié)

5、構(gòu)縮套環(huán)雙錐面墊片焊縫圖4-4 （a）型槽繞帶式筒體 （b）型槽鋼帶結(jié)構(gòu)示意圖 五、繞帶式（續(xù)）204.3.2.1 圓筒結(jié)構(gòu)五、繞帶式（續(xù)）缺點(diǎn)：鋼帶需由鋼廠專門軋制，尺寸公差要求 嚴(yán)，技術(shù)要求高；為保證鄰層鋼帶能相 互嚙合，需采用精度較高的專用纏繞機(jī) 床。優(yōu)點(diǎn)：筒體具有較高的安全性，機(jī)械化程度 高，材料損耗少，且由于存在預(yù)緊力， 在內(nèi)壓作用下，筒壁應(yīng)力分布較均勻。214.3.2.1 圓筒結(jié)構(gòu)（2）扁平鋼帶傾角錯繞式 中國首創(chuàng)的一種新型繞帶式筒體；該結(jié)構(gòu)已被列入 ASME -1和ASME -2標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范案例，編號分別 為 2229和2269。內(nèi)筒鋼帶層底封頭端部法蘭 圖4-4（c） 扁平鋼帶傾

6、角錯繞式筒體五、繞帶式（續(xù)）224.3.2.1 圓筒結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：內(nèi)筒厚度約占總壁厚的1/61/4，采用 “預(yù)應(yīng)力冷繞”和“壓棍預(yù)彎貼緊”技術(shù)，環(huán)向1530傾角在薄內(nèi)筒外交錯纏繞扁平鋼帶。鋼帶寬約80160mm、厚約416mm，其始末兩端分別與底封頭和端部法蘭相焊接。與其它類型厚壁筒體相比，扁平鋼帶傾角錯繞式筒體結(jié)構(gòu)具有設(shè)計靈活、制造方便、可靠性高、在線安全監(jiān)控容易等優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：五、繞帶式（續(xù)）234.3.2.2 內(nèi)壓圓筒的強(qiáng)度設(shè)計筒體強(qiáng)度設(shè)計單層圓筒體多層厚壁圓筒中徑公式（薄壁筒體）Mises屈服公式（厚壁筒體）Faupel爆破公式（厚壁筒體）24cticp 2Dp1、厚度計算式：由中徑公式 （

7、4-13）0.4t式中 計算厚度，mm；Pc計算壓力，MPa；焊接接頭系數(shù)。條件：Pcteeict2)D(p2、應(yīng)力強(qiáng)度判別式： （對筒體進(jìn)行強(qiáng)度校核，已知筒體尺寸Di、n或e） （4-14）式中 e有效厚度， e=n C，mm； n名義厚度，mm； C厚度附加量，mm； t設(shè)計溫度下圓筒的計算應(yīng)力，MPa。 一、單層筒體（薄壁筒體） k1.5（工程）4.3.2.2 內(nèi)壓圓筒的強(qiáng)度設(shè)計25 eitewDp23、筒體最大允許工作壓力pw：MPa （4-15）4、說明： Pc0.4t式（4-13）由筒體的薄膜應(yīng)力按最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則導(dǎo)出的，用于一定厚度范圍，如厚度過大，則由于實(shí)際應(yīng)力情況與應(yīng)力沿厚度均

8、布的假設(shè)相差太大而不能使用。按照薄殼理論，（413）僅能在/D0.1即K1.2范圍內(nèi)適用。但作為工程設(shè)計，因?yàn)椴捎昧俗畲罄瓚?yīng)力準(zhǔn)則和材料設(shè)計系數(shù)(安全系數(shù))，厚度范圍擴(kuò)大到在最大承壓（液壓試驗(yàn)）時圓筒內(nèi)壁的應(yīng)力強(qiáng)度在材料屈服點(diǎn)以內(nèi)。 (K 1.5)4.3.2.2 內(nèi)壓圓筒的強(qiáng)度設(shè)計26 形狀改變比能屈服失效判據(jù)計算出的內(nèi)壓厚壁筒體初始屈服壓力與實(shí)測值較為吻合，應(yīng)力強(qiáng)度4eq能較好地反映厚壁筒體的實(shí)際應(yīng)力水平，4eq應(yīng)力強(qiáng)度（認(rèn)為是真實(shí)的） eqm應(yīng)力強(qiáng)度（與中徑公式相對應(yīng)）4eq=cpKK1322ceqmpKK) 1(21eqmeq/4隨徑比K的增大而增大。eqmeq/41.25當(dāng)K=1.5時

9、，比值：4、說明： Pc0.4t（續(xù)）內(nèi)壁實(shí)際應(yīng)力強(qiáng)度是按中徑公式計算的應(yīng)力強(qiáng)度的1.25倍。4.3.2.2 內(nèi)壓圓筒的強(qiáng)度設(shè)計27 由于GB150取ns=1.6，若筒體徑比不超過1.5，仍可按式（4-13）計算筒體厚度。4、說明： Pc0.4t（續(xù)）液壓試驗(yàn)（pT=1.25p）時，筒體內(nèi)表面的實(shí)際應(yīng)力強(qiáng)度最大為許用應(yīng)力的1.251.25=1.56倍（1.6），說明筒體內(nèi)表面金屬仍未達(dá)到屈服點(diǎn)，處于彈性狀態(tài)。cticipDpD 225. 0pc =0.4t當(dāng)K=1.5時，=Di（K-1）/2=0.25Di，代入式（4-13）得這就是式（4-13）的適用范圍pc0.4t的依據(jù)所在。 4.3.2.

10、2 內(nèi)壓圓筒的強(qiáng)度設(shè)計28二、單層筒體（厚壁筒體） 1、Mises屈服公式： 與 Mises屈服失效判據(jù)相對應(yīng)的全屈服壓力可按 式（2-52）計算。將式（2-52） 代入式（4-7），得 Kpnssoln32圓筒計算厚度：) 1() 1(23pniissoeRKR（4-16）nso2.02.2。ASME -3 采用式（4-16）。單層厚壁筒體（計算壓力大于0.4t），常采用塑性失效設(shè)計準(zhǔn)則或爆破失效設(shè)計準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計。4.3.2.2 內(nèi)壓圓筒的強(qiáng)度設(shè)計294.3.2.2 內(nèi)壓圓筒的強(qiáng)度設(shè)計二、單層筒體（厚壁筒體）（續(xù)）2、Faupel爆破公式： 采用爆破失效設(shè)計準(zhǔn)則，用Faupel公式計算爆破壓

11、力， 將式（2-53）爆破壓力計算式，代入式（4-8）爆破設(shè)計準(zhǔn)則，圓筒計算厚度： 1e Rp)2(2n3ibssb（4-17） nb2.53.0日本的超高壓圓筒容器設(shè)計規(guī)則和中國的超高壓容器安全監(jiān)察規(guī)程等采用式（4-17）。30三、多層厚壁筒體多層厚壁筒體在制造中施加預(yù)應(yīng)力。1、預(yù)應(yīng)力（內(nèi)壓）筒體內(nèi)壁應(yīng)力 降低，外壁應(yīng)力 增加， 壁厚方向應(yīng)力分布趨向于均勻，從而提高筒體的彈性 承載能力。 但由于結(jié)構(gòu)和制造上的原因，定量地控制預(yù)應(yīng)力的大小是困難的。設(shè)計計算：不考慮預(yù)應(yīng)力，作強(qiáng)度儲備用。只有壓力很高時，才考慮預(yù)應(yīng)力。多層包扎式繞帶式筒體例如：4.3.2.2 內(nèi)壓圓筒的強(qiáng)度設(shè)計314.3.2.2

12、內(nèi)壓圓筒的強(qiáng)度設(shè)計三、多層厚壁筒體(續(xù)) 2、厚度計算式：（熱套式、多層包扎式、繞板式、 扁平鋼帶傾角錯繞式） 計算壓力不超過0.4t時，按式（4-13）計算 otonoitinit（4-18）多層圓筒的組合許用應(yīng)力cticp 2Dp（4-13）324.3.2.2 內(nèi)壓圓筒的強(qiáng)度設(shè)計式中 i多層圓筒內(nèi)筒的名義厚度，mm； o多層圓筒層板總厚度，mm； it設(shè)計溫度下多層圓筒內(nèi)筒材料的許用應(yīng)力，MPa； ot設(shè)計溫度下多層圓筒層板或帶層材料的許用應(yīng)力， 對扁平鋼帶傾角錯繞式筒體，應(yīng)乘以鋼帶傾角錯繞 引起的環(huán)向削弱系數(shù)0.9，MPa； i多層圓筒內(nèi)筒的焊接接頭系數(shù)，一般取i=1.0； o多層圓筒層

13、板層或帶層的焊接接頭系數(shù)，對于多層 包扎式筒體，取o=0.95，其余筒體取o=1.0。3、熱應(yīng)力不考慮。高溫操作時有熱應(yīng)力，但有保溫設(shè)施， 且嚴(yán)格控制升降溫速度 不考慮熱應(yīng)力（常規(guī)設(shè)計）。 三、多層厚壁筒體(續(xù))33設(shè)計壓力設(shè)計溫度厚度及附加量焊接接頭系數(shù)許用應(yīng)力等341、設(shè)計壓力 為壓力容器的設(shè)計載荷條件之一，其值 不低于。設(shè)計壓力應(yīng)視內(nèi)壓或外壓容器分別取值。容器頂部在正常工作過程中可能產(chǎn)生的最高表壓。35外壓：（略）裝安全閥不低于安全閥開啟壓力，1.051.10倍 最高工作壓力。裝爆破片爆破片最低標(biāo)定爆破壓力加上所選爆 破片制造范圍的上限。盛裝液化氣體容器根據(jù)工作條件下可能達(dá)到的 最高金屬

14、溫度確定。 綜合考慮介質(zhì)壓力(飽和蒸氣壓)裝量系 數(shù)溫度變化環(huán)境溫度保冷設(shè)施。36計算壓力是指在相應(yīng)設(shè)計溫度下，用以確定元件最危險截 面厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。通常情況下，計算壓力等于設(shè)計壓力加上液柱靜壓力。當(dāng)元件所承受的液柱靜壓力小于5%設(shè)計壓力時，可忽略不計。37注解：設(shè)計溫度與設(shè)計壓力存在對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)壓力容器具有 不同的操作工況時，應(yīng)按最苛刻的壓力與溫度的組合 設(shè)定容器的設(shè)計條件，而不能按其在不同工況下各自 的最苛刻條件確定設(shè)計溫度和設(shè)計壓力。GB150規(guī)定：設(shè)計溫度等于或低于-20的容器屬于低溫容器。金屬溫度不低于0設(shè)計溫度不得低于元件金屬可能達(dá)到的最高溫度；金屬溫度低于0不得

15、高于元件金屬可能達(dá)到的最低溫度。2、設(shè)計溫度為壓力容器的設(shè)計載荷條件之一，指容器在正 常情況下，設(shè)定元件的金屬溫度（沿元件金屬 截面的溫度平均值）。38厚度計算厚度設(shè)計厚度d名義厚度n有效厚度e成型厚度39計算厚度由公式采用計算壓力得到的厚度。 必要時還應(yīng)計入其它載荷對厚度的影響。設(shè)計厚度d計算厚度與腐蝕裕量之和。dC2 名義厚度n設(shè)計厚度加上鋼材厚度負(fù)偏差后向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度，即標(biāo)注在圖樣上的厚度。ndC1有效厚度e名義厚度減去鋼材負(fù)偏差和腐蝕裕量。enC1C2厚度附加量C由鋼材的厚度負(fù)偏差C1和腐蝕裕量C2 組成，不包括加工減薄量C3。 C=C1+C2加工減薄量根據(jù)具體制造工藝和板材實(shí)際厚度由制造 廠而并非由設(shè)計人員確定。40成形后厚度制造廠考慮加工減薄量并按鋼板厚度規(guī)格第二 次向上圓整得到