《内压容器设计》PPT课件

化工设备设计基础,1、学会内压容器设计的计算 2、掌握内压容器封头的选用 3、了解压力容器的规定,第十四章 内压容器的设计,14.1 概述 14.1.1 容器的结构 各种石油化工设备，虽然大小不同、形状不同、内部构件更是多种多样，但都有一个称之为容器的外壳。 容器可分解成筒体（或称壳体）、封头（端盖）、法兰、人孔、手孔、支座及管口等几种元件。它们又统称为化工设备的通用零部件（将在以后章节中讲授）。承压不大的化工设备通用件大都已有标准件，设计时尽量选用。（参见化工工艺设计手册上、下册，本书稍后会介绍）,第十四章 内压容器的设计,14.1.2 容器的分类 A 按容器形状分类： 方形或矩形容器 球形容器 圆筒形容器,第十四章 内压容器的设计,B 按承压性质分类： 内压容器和外压容器。 内压容器又分为： 常压容器：设计压力为p0.1 MPa； 低压容器（代号L）：设计压力为0.1 MPap1.6 MPa； 中压容器（代号M）：设计压力为1.6 MPap10 MPa； 高压容器（代号H）：设计压力为10 MPap100MPa； 超高压容器（代号U）：设计压力为100Mpa。,14.1.2 容器的分类,C 按结构材料分类： 金属容器和非金属容器 D 按使用场合分类： 反应压力容器（R）、换热压力容器（E）、分离压力容器（S）和储存压力容器（C）。,14.1.2 容器的分类,E 按安全监察分类 参见国家质量技术监督局压力容器安全技术监察规程分类： a 三类压力容器 凡属于下列情况之一者： （1）高压容器； （2）中压容器（仅限毒性程度和高度危害介质）； （3）中压储存容器（仅限易燃或毒性为中度危害介质，且pv乘积大于等于10MPam3）；,14.1.2 容器的分类,（4）中压反应器（仅限易燃或毒性为中度危害介质，且pv乘积大于等于0.5MPam3）； （5）低压容器（仅限毒性为极度和高度危害介质，且pv乘积大于等于0.2MPam3）； （6）高压、中压管壳式余热锅炉（包括用途属于压力容器并主要按压力容器标准、规范进行设计和制造的直接火焰加热的压力容器； （7）中压搪玻璃压力容器； （8）使用强度级别较高（指相应标准中抗拉强度规定值下限大于等于540 Mpa）的材料制造的压力容器；,（9）移动式压力容器，包括铁路罐车（介质为液化气体、低温液体）、罐式汽车（液化气体）运输（半挂）车、低温液体运输（半挂）车、永久气体运输（半挂）车和罐式集装箱（介质为液化气体、低温液体）等； （10）球形储罐（容积大于等于50m3）； （11）低温液体储存容器（容积大于5m3）。,（1）中压容器； （2）低压容器（仅限毒性为极度和高度危害介质）； （3）低压反应容器和低压储存容器（仅限易燃介质 或毒性程度为中度危害介质）； （4）低压管式余热锅炉； （5）低压搪玻璃压力容器。,b 二类压力容器 属于下列情况之一者,三类及二类压力容器中规定的低压容器除外,c 一类压力容器 低压容器,（1）强度 容器应有抵抗外力破坏的能力，以保 证安全生产。 （2）刚度 零部件应有抵抗外力使其变形的能 力，以防容器在使用、运输或安装过 程中发生不允许的变形。 （3）稳定性 容器或其零部件在外力作用下应有维 持其原有形状的能力，以防容器被 压瘪或出现皱折。,14.1.3 容器机械设计的基本要求,（4）耐久性 容器应有一定的抵抗介质及大气腐 蚀的能力，以保持一定的使用年限。 （5）气密性 容器在承受压力或处理有毒介质时， 应有可靠的气密性，以提供良好的 劳动环境及维持正常的操作。 （6）其它 节约材料、便于制造，运输、安装、 操作、维修方便，符合有关国家标准 和行业标准等的规定。,A 内压圆筒的厚度设计 内压薄壁圆筒在压力为p的气压（或液压）的作用下，筒壁受两向应力作用，根据P279式（14-4）和式（14-5） 有径向应力（对于圆筒来说是轴向应力，球形内压容器的受力也用这个公式计算）： 环向应力：,14.3 内压薄壁壳体的厚度设计,2=21，因此如按拉伸应力进行设计，则必须使2t，即： 式中：p计算压力，Mpa； D圆筒中径（平均直径，见图1411），； D0圆筒外径，； Di圆筒内径，； 圆筒的计算厚度，； t设计温度下圆筒材料的许用应力，Mpa（见286页）。,14.3 内压薄壁壳体的厚度设计,简易法推出薄壁容器的设计计算公式,受力分析： 当半圆受到压强p时，半圆上的受力面积经积分运算相当于半圆在平面上的投影，即受力面积S1=DH，半圆上所受的力应为： F= S1p=DHp 半圆上所受的力相当于承受在半圆的两截面上， 2=F/（2H）= DHp/（2H）= Dp/2t,简易法推出薄壁容器的设计计算公式,上式只是理想情况下的计算公式，实际应用时还考虑以下几个因素： 1 焊缝接头系数 焊缝内可能由于有夹渣、气孔、未焊透以及焊缝两侧过热的影响，造成焊缝本身或焊缝两侧过热区的强度比圆筒钢板本体的强度为弱，所以要将钢材的许用应力适当将低，变为t，1，因此设计计算公式成为：,14.3 内压薄壁壳体的厚度设计,式中， 圆筒的纵焊缝系数,适用于设计压力p0.4t 中的范围,2.腐蚀裕量 C2,是圆筒的计算厚度，d是设计厚度,B 内压球壳的厚度计算 适用于设计压力p0.6 中的范围 比较上两式可以看出：在相同的压力和容积等情况下，球形容器比表面积最小，厚度最薄，可以节省很多材料；在设计压力容器时，球形封头的厚度较圆筒的厚度要薄些。,14.3 内压薄壁壳体的厚度设计,A 设计压力（具体情况见P284表14-1） 对于最大工作压力小于0.1Mpa的内压塔器，设计压力取0.1Mpa。 B 设计温度（具体情况见P285表14-2） C 许用应力t（见P286表14-4）,14.3.2 设计参数的确定,D 焊缝系数 表14-5 焊缝系数,E厚度,a.附加量C C=C1 +C2 (mm) C1-负偏差 表14-6 C2-腐蚀裕量 表14-7,b 最小厚度min(p290) c 计算厚度 d 设计厚度 d e 名义厚度n（见表14-9） f 有效厚度 e,容器按强度或刚度要求确定了厚度。容器制造时钢板经弯卷、焊接、拼装等工序以后，能否承受规定的工作压力，是否发生过大的变形，在规定的工作压力作用下，焊缝等处又会不会发生局部渗漏？必须经过压力试验予以考核。压力试验的项目和要求应在图样中注明。,14.3.3 压力试验,a 压力试验的分类 （1）液压试验是最常见的压力试验，其中绝大部分为水压试验。 液压试验时压力应缓慢上升，达到规定试验压力后，保压时间一般不少于30分钟，然后降至规定试验压力的80%，并保持足够长的时间，以检查所有的焊缝和连接部位有无泄漏，如有泄漏，修补后重新试验。,14.3.3 压力试验,（2）气压试验时则缓慢升压至试验压力的10%且不超过0.05Mpa时，保持5分钟进行初检，合格后继续升压到试验压力的50%，其后按每级为规定试验压力的10%为级差，逐级升至试验压力保持10分钟，然后再降至规定试验压力的87%，并保持足够长时间再一次进行检查。 （3）气密性试验是对介质的毒性程度为极度或高度危害的容器，在液压试验合格后，必须再一次进行的试验项目，经检查无泄漏，保压不少于30分钟即为合格。,b 内压容器试验压力pT （1）液压试验： （2）气压试验： （3）气密性试验： 式中：试验温度下容器材料许用应力； t在设计温度下容器材料许用应力。,14.3.3 压力试验,C 压力实验前的应力校核,已知条件：设计压力p2.5MPa，操作温度544，贮罐内径Di1200mm。设计要求：确定筒体厚度、钢材牌号。,例14-1 液氨贮罐的筒体设计,解：纯液氨腐蚀性很小，贮罐可选用一般钢种，但由于压力较高，根据表144及其适用范围的说明，可以考虑采用20R、16MnR、15MnVR等钢种。现以16MnR和20R两个钢种进行两个方案设计，让你进行比较和选择。贮罐选用卧式，液体静柱压力低，可不计入设计压力中。设计温度按表142即操作温度。,例14-1 液氨贮罐的筒体设计,第一方案：16MnR钢板在544范围内的许用应力由表144查取，估计此筒体厚度在16mm左右，为安全计，取163MPa；焊缝接头应为V型坡口双面焊接，采用局部无损检测，其焊缝接头系数由表145查得：0.85，钢板负偏差由表146查得：C10.8mm，腐蚀裕量有表411选得：C21mm，则壁厚附加量C0.8+1.01.8mm。,例14-1 液氨贮罐的筒体设计,把上述已知数据带入式1411，得： d（pDi）/（2tp）+C2 （2.51200）/（21630.852.5）+1 10.92+111.92mm 根据C10.8mm及钢板厚度规格表149，取n14mm。,例14-1 液氨贮罐的筒体设计,第二方案： 20R钢板的133MPa，焊缝接头应为V型坡口双面焊接，采用局部无损检测，其焊缝接头系数由表145查得：0.85，钢板负偏差由表146查得：C10.8mm，腐蚀裕量有表411选得：C21mm，则壁厚附加量C0.8+1.01.8mm。,例14-1 液氨贮罐的筒体设计,d（pDi）/（2p）+C2 （2.51200）/（21330.852.5）+1 13.42+114.42mm 根据C10.8mm及钢板厚度规格表149，取n16mm。,例14-1 液氨贮罐的筒体设计,使用16MnR和20R两种钢材比较，使用20R比使用16MnR钢材总量增加： （1614）/1610012.5,例14-1 液氨贮罐的筒体设计,封头是容器的重要组成部分。根据不同的工艺用途和制造条件，封头有如下几种形式：凸形（包括半球形、椭圆形、蝶形）、圆锥形、平板等。 14.4.1 半球形封头,14.4 内压封头的厚度设计,与球形容器一样，其封头设计厚度计算公式： 特点：受内压时，与其它封头相比其薄膜应力最小，所需厚度最薄。按设计规定，封头中只有封头的最小厚度小于筒体的最小厚度。有时为了焊接方便，也可取与筒体等厚。,14.4.1 半球形封头,14.4. 2椭圆形封头,对于一般椭圆封头，其封头设计厚度计算公式： 其中 式中Di为椭圆封头的内径，hi是椭圆封头的高度 （见图14-13）。 K为椭圆形封头的形状系数，与椭圆壳体的形状有关,14.4. 2椭圆形封头,对于标准椭圆形封头（a/b=2），K=1，其封头设计厚度计算公式：,14.4. 2椭圆形封头,14.4.3 蝶形封头,其封头设计厚度计算公式： 其中M为碟形封头的形状系数： 式中的符号意义见图14-14。,14.4.3 蝶形封头,其封头设计厚度计算公式： Q值从P295图14-16查出。,14.4.4 无折边球形封头（拱形封头）,（1）无折边锥形封头设计厚度计算公式： 式中符号意义见图14-17。 （2）折边锥形封头设计厚度计算公式：（不作要求）,14.4.5 圆锥形封头,平板封头设计厚度计算公式： 式中：Dc计算直径，见表14-10中简图； K结构特征系数，常见的平盖结构，其数值可查表14-10（298页）。,14.4.6 平板封头（平盖）,14.4.6 平板封头（平盖）,14.4.6 平板封头（平盖）,14.4.6 平板封头（平盖）,14.4.6 平板封头（平盖）,14.4.6 平板封头（平盖）,14.4.6 平板封头（平盖）,设计要求：确定合理的封头形式和壁厚。 按上述公式计算： 椭圆封头的厚度：d=14； 蝶形封头的厚度：d=16； 球形封头的厚度：d=8； 平板封头的厚度：d=100。 由上计算可知：从钢材用量考虑：球形封头用材最小，比椭圆封头节约25.8%；平板封头用材最多，是椭圆封头的4倍多。因此从强度、结构和制造等方面综合考虑，以采用椭圆封头最为合理。,例题：液氨贮罐的封头设计（同条件下圆筒的厚度为14）,习题一 某厂需要设计一台液氨贮罐，其内径为1800mm，总容积12m3，最大工作压力1.6MPa，工作温度-1040 ，选用圆筒形容器，筒体材料为20R （GB6654-96) ，试计算筒体厚度。 解：Di1800mm，设计压力选取最大工作压力1.1倍， P=1.11.6=1.76MPa， =133MPa,焊缝采用V型坡口双面焊接，局部无损检测，0.85，,=PDi/2 t-P =1.76 1800/ /2 133 0.85-1.76=14.1mm 查表14-6可知：负偏差取0.25mm，腐蚀余量取1mm，则设计厚度为d=14.1+0.25+1=15.35mm 取n=16mm ， e=16-0.25-1=14.75mm,水压试验强度校核：PT=1.251.76=2.2MPa T=PTDi+ e/2 e =2.2 1800+ 14.75/2 14.750.85=159.3MPa 20R钢制容器常温水压试验时的许用应力 T=0.9s=0.9245=220.5MPa 因为T T, 故筒体厚度满足水压试验时强度要求。,习题二：某化工厂欲设计一台石油气分离工程中的乙烯精馏塔。工艺要求为塔体内径Di=600mm；设计压力p2.2MPa；工作温度t-3-20。塔体材料选用16MnR，试确定塔体厚度。 解析：根据式(14-11),式中p2.2MPa；Di=600mm；s170MPa j=0.8(表14-5)； C2=1.0 mm 得：,考虑钢板厚度负偏差C10.6mm圆正取dn=8mm,水压试验时的应力,16MnR的屈服限ss=345MPa（表14-4）,水压试验时满足强度要求。,58,习题三,确定精流塔封头尺寸（半球形封头和标准椭圆封头）。塔径Di=600mm，壁厚n=7mm，材质为16MnR（GB6654-96) ，设计压力P=2.2MPa, 工作温度t=-3-20C，腐蚀裕量C2=1mm。 【解】 1.半球形封头 补充参数：半球形封头与筒体连接的环焊缝属于封头内的部分，采用带垫板单面对接焊，局部无损检测， =0.8 。 计算壁厚为：,d=2.4+1.0=3.4(mm) C1=0.25mm 名义壁厚为 n=3.4+0.25+=3.65+ (mm) 取4mm。 n=4mm。,59,2.用标准椭圆形封头 此封头可以整板冲压，=1。 计算壁厚为：,d=3.9+1.0=4.9(mm) 取C1=0.25mm 名义壁厚为 n=4.9+0.25+=5.15+ (mm) 板厚为6mm。,了解三类压力容器的分类。 掌握压力容器设计的基本要求。 掌握薄壁球型压力容器和薄壁圆形压力容器的设计计算。 掌握钢制压力容器中使用的钢板许用应力的取值（考虑厚度和温度的影响）。 掌握内压封头的厚度设计（分别比较同压力和等直径时半球形、椭圆形封头、碟形封头和平板封头的厚） 根据设计温度和试验温度的不同，选择试验压力。,本章小结,