第五章---高压容器设计课件

第五章第五章 高压容器设计高压容器设计第一节第一节 概述概述第二节第二节 高压容器筒体的结构与强度设计高压容器筒体的结构与强度设计第三节第三节 高压容器的高压容器的 密封结构与设计计算密封结构与设计计算第四节第四节 高压容器的主要零部件设计高压容器的主要零部件设计第五章 高压容器设计第一节 概述第一节第一节 概述概述工程上：10MPaP设100MPa 高压容器 100MPa以上 超高压容器 一般属于三类容器本章专门介绍其特殊的结构和设计方法第一节 概述工程上：第一节第一节 概述概述 一、高压容器的应用一、高压容器的应用 二、高压容器的结构特点二、高压容器的结构特点 三、高压容器的材料三、高压容器的材料第一节 概述 一、高压容器的应用一、高压容器的应用一、高压容器的应用 军事工业：军事工业：炮筒、核动力装置 化学和石油化工：化学和石油化工：合成氨、合成甲醇、合成尿素、油类加氢等合成反应的高压反器、高压缓冲与贮存容器。电力工业：电力工业：核反应堆，水压机的蓄力器 发展现状：发展现状：直径4.5米，壁厚280毫米，重约1000吨,压力2000MPa一、高压容器的应用 军事工业：炮筒、核动力装置二、高压容器的结构特点二、高压容器的结构特点高压容器设计与制造技术发展的核心问题：既要随着生产的发展能制造出大壁厚的容器 又要设法尽量减小壁厚以方便制造。高压容器特点：1 结构细长 2 采用平盖或球形封头 3 密封结构特殊多样 4 高压筒身限制开孔二、高压容器的结构特点高压容器设计与制造技术发展的核心问题：三、高压容器的材料三、高压容器的材料筒体与封头的特殊要求：1)强度与韧性 为了提高材料强度以减少壁厚，一般采用 低合金钢，如16MnR、15MnVR和18MnMoNBR。同时为了保证韧性，加入少量（2%）Ni和Cr，并控制P和S含量0.004%三、高压容器的材料筒体与封头的特殊要求：三、高压容器的材料筒体与封头的特殊要求：筒体与封头的特殊要求：2)制造工艺性能 具有良好的焊接性能 包括可焊性、吸气性、抗热裂与冷裂倾向、抗晶粒粗大倾向等、具有良好的可锻性三、高压容器的材料筒体与封头的特殊要求：三、高压容器的材料三、高压容器的材料筒体与封头的特殊要求：3)其他要求 耐腐蚀性 原材料检验要求较高三、高压容器的材料筒体与封头的特殊要求：第二节第二节 高压容器筒体的结构与强度设计高压容器筒体的结构与强度设计一、结构型式及设计选型二、厚壁圆筒的弹性应力分析三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析四、高压筒体的失效及强度计算第二节 高压容器筒体的结构与强度设计一、结构型式及设计选型筒体的结构形式筒体的结构形式（一）整体锻造式：直径（一）整体锻造式：直径300300800mm800mm，长度，长度12m12m 优点：性能优良，缺点：加工费用高优点：性能优良，缺点：加工费用高（二）单层式（二）单层式:单层卷焊、单层瓦片和无缝钢管式。单层卷焊、单层瓦片和无缝钢管式。优点：加工简单，缺点：材料设备受限制优点：加工简单，缺点：材料设备受限制（三）多层式：层板包扎式、热套式和绕板式（三）多层式：层板包扎式、热套式和绕板式（四）绕带式：中国独创（四）绕带式：中国独创（浙大浙大）筒体的结构形式（一）整体锻造式：直径300800mm，长度一、结构设计及设计选型一、结构设计及设计选型（一）整体锻造式（一）整体锻造式 最早采用的筒体型式最早采用的筒体型式,筒体和法兰可整段而出或筒体和法兰可整段而出或用螺纹连接，锻造容器的用螺纹连接，锻造容器的质量较好质量较好,特别是和与焊特别是和与焊接性能较差的高强钢所制接性能较差的高强钢所制作的超高压容器作的超高压容器,受锻造受锻造条件限制条件限制,一般直径为长一般直径为长度不超过度不超过1212米米一、结构设计及设计选型（一）整体锻造式一、结构设计及设计选型一、结构设计及设计选型（二）单层式单层厚壁高压容器有种形式：单层卷焊式：直径工序少，周期短效率高单层瓦片式：生产效率比单层卷焊差，费工费时无缝钢管式：效率高，周期短以上三种形式被三方面因素制1）厚壁材料来源2）大型机械条件3）纵向和环向深厚焊逢中缺陷检测一、结构设计及设计选型（二）单层式一、结构设计及设计选型一、结构设计及设计选型（三）多层式（三）多层式1 1）层板包扎式）层板包扎式特点：特点：1.1.只需薄板，原材料供应方便只需薄板，原材料供应方便 2.2.只需卷板机和包扎机只需卷板机和包扎机 3.3.只需筒体应力分布只需筒体应力分布 4.4.较单层安全较单层安全 5.5.内筒可采用与筒体不同的结构内筒可采用与筒体不同的结构缺点：缺点：1.1.生产效率低生产效率低 2.2.层板材料利用率低层板材料利用率低 3.3.层板间间隙较难控制层板间间隙较难控制 4.4.导热性差导热性差一、结构设计及设计选型（三）多层式一、结构设计及设计选型一、结构设计及设计选型（三）多层式（三）多层式 2)热套式热套式 特点：特点：1.生产效率高，层数少生产效率高，层数少 2.材料来源广泛利用率高材料来源广泛利用率高 3.焊缝质量容易保证焊缝质量容易保证 3)绕板式绕板式 特点：特点：1.效率高效率高 2.材料利用率高材料利用率高 3.机械化程度高机械化程度高一、结构设计及设计选型（三）多层式一、结构设计及设计选型一、结构设计及设计选型四）绕带式 对原材料要求一般材料利用率也相当高缠绕机简单制造方便成本低一、结构设计及设计选型四）绕带式一、结构设计及设计选型一、结构设计及设计选型（五）设计选型原则五）设计选型原则需综合原材料来源，配套的焊条焊丝、制造厂需综合原材料来源，配套的焊条焊丝、制造厂所具备的设备条件和工夹具条件，以及对特殊所具备的设备条件和工夹具条件，以及对特殊材料焊接能力、热处理要求及工厂装备条件等材料焊接能力、热处理要求及工厂装备条件等等，作充分调查论证后才能做到选型正确，确等，作充分调查论证后才能做到选型正确，确有把握。有把握。一、结构设计及设计选型（五）设计选型原则二、厚壁圆筒的弹性应力分析二、厚壁圆筒的弹性应力分析 厚壁容器承受压力载荷作用时产生的应力厚壁容器承受压力载荷作用时产生的应力具有如下特点：具有如下特点：考虑作经向、周向和径向三向应力分析考虑作经向、周向和径向三向应力分析 沿壁厚出现应力梯度，薄膜假设不成立沿壁厚出现应力梯度，薄膜假设不成立 不能忽视温差应力不能忽视温差应力二、厚壁圆筒的弹性应力分析 厚壁容器承受压力载荷作用二、厚壁圆筒的弹性应力分析（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力 几何方程几何方程 物理方程物理方程 平衡方程平衡方程二、厚壁圆筒的弹性应力分析（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应二、厚壁圆筒的弹性应力分析二、厚壁圆筒的弹性应力分析受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力（一）力平衡方程：（一）力平衡方程：化简为：化简为：二、厚壁圆筒的弹性应力分析受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力二、厚壁圆筒的弹性应力分析二、厚壁圆筒的弹性应力分析（二）几何方程二）几何方程当单元体两条圆弧边的径向位移分别为当单元体两条圆弧边的径向位移分别为w w和和w+dww+dw时时微元体的径向应变：微元体的径向应变：微元体的周向应变：微元体的周向应变：对周向应变方程求导、变换可得：对周向应变方程求导、变换可得：二、厚壁圆筒的弹性应力分析（二）几何方程二、厚壁圆筒的弹性应力分析（三）物理方程按广义虎克定律可表示为整理以上方程组得：二、厚壁圆筒的弹性应力分析（三）物理方程二、厚壁圆筒的弹性应力分析（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力 求解微分方程，得通解：求解微分方程，得通解：根据边界条件当根据边界条件当rRi时时 rRo时时带入求出带入求出A与与B：二、厚壁圆筒的弹性应力分析（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应二、厚壁圆筒的弹性应力分析二、厚壁圆筒的弹性应力分析（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力 内外压作用下厚壁圆筒的三向应力表达式如下：周向应力 径向应力 轴向应力二、厚壁圆筒的弹性应力分析（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应二、厚壁圆筒的弹性应力分析（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力 三向应力沿厚度的分布规律如图三向应力沿厚度的分布规律如图 1 1）周向应力）周向应力 及轴向应力及轴向应力 为正值（拉应力），为正值（拉应力），径向应力为负值（压应力）径向应力为负值（压应力）2 2）在数值上：）在数值上：为所有应力中最大为所有应力中最大 内壁处内壁处 外壁处外壁处 沿壁厚均匀分沿壁厚均匀分 3 3）应力沿壁厚的不均匀程度与径比）应力沿壁厚的不均匀程度与径比K K值有关值有关二、厚壁圆筒的弹性应力分析（一）受内压单层厚壁圆筒中的弹性应二、厚壁圆筒的弹性应力分析（二）单层厚壁圆筒中的温差应力（二）单层厚壁圆筒中的温差应力 1.1.温差应力方程温差应力方程 物理方程：物理方程：二、厚壁圆筒的弹性应力分析（二）单层厚壁圆筒中的温差应力二、厚壁圆筒的弹性应力分析二、厚壁圆筒的弹性应力分析（二）单层厚壁圆筒中的温差应力（二）单层厚壁圆筒中的温差应力设轴向应变设轴向应变 z 保持不变为常数，则保持不变为常数，则 径向和周向的热应力：径向和周向的热应力：代入代入解得解得二、厚壁圆筒的弹性应力分析（二）单层厚壁圆筒中的温差应力二、厚壁圆筒的弹性应力分析（二）单层厚壁圆筒中的温差应力任意r处的温度t为：设因为内外表面（rRi及rRo）处导出稳定传热状态的三向温差应力表达式二、厚壁圆筒的弹性应力分析（二）单层厚壁圆筒中的温差应力二、厚壁圆筒的弹性应力分析（二）单层厚壁圆筒中的温差应力（二）单层厚壁圆筒中的温差应力周向温差应力周向温差应力径向温差应力径向温差应力轴向温差应力轴向温差应力二、厚壁圆筒的弹性应力分析（二）单层厚壁圆筒中的温差应力二、厚壁圆筒的弹性应力分析二、厚壁圆筒的弹性应力分析（二）单层厚壁圆筒中的温差应力温差应力及分布有如下规律：（1）内壁面或外壁面处 的温差应力最大（2）温差应力的大小主 要取决于温差t，其次也与线膨胀系 数有关，t取决 于壁厚，K越大t越大二、厚壁圆筒的弹性应力分析（二）单层厚壁圆筒中的温差应力二、厚壁圆筒的弹性应力分析二、厚壁圆筒的弹性应力分析（二）单层厚壁圆筒中的温差应力（二）单层厚壁圆筒中的温差应力 2.温差应力的工程近似计算温差应力的工程近似计算 （1）计算公式的简化）计算公式的简化,令令 近似计算方法为：近似计算方法为：材料高碳钢低碳钢低合金钢Cr-Mo钢Cr-Ni钢m1.51.61.71.8二、厚壁圆筒的弹性应力分析（二）单层厚壁圆筒中的温差应力材料二、厚壁圆筒的弹性应力分析（二）单层厚壁圆筒中的温差应力 2.温差应力的工程近似计算 2）多层圆筒温差应力 工程上近似取为：对于室外容器 对于室内容器 t为圆筒实际壁厚二、厚壁圆筒的弹性应力分析（二）单层厚壁圆筒中的温差应力二、厚壁圆筒的弹性应力分析（二）单层厚壁圆筒中的温差应力（3）不计温差应力的条件 a）内外壁面的温差t1.1P设时 b）有良好的保温层 c）高温操作的容器，材料已发生蠕变变 形时内外层的热膨胀约束逐步解除二、厚壁圆筒的弹性应力分析（二）单层厚壁圆筒中的温差应力二、厚壁圆筒的弹性应力分析二、厚壁圆筒的弹性应力分析（三）内压与温差同时作用的厚壁圆筒中的应力 在弹性变形的前提下筒壁的综合应力为两种 应力的迭加 内加热情况下内壁应力综合后得到改善，而外壁 有所恶化，外加热时则相反，内壁的综合应力恶 化，而外壁应力得到很大改善。二、厚壁圆筒的弹性应力分析（三）内压与温差同时作用的厚壁圆筒二、厚壁圆筒的弹性应力分析二、厚壁圆筒的弹性应力分析二、厚壁圆筒的弹性应力分析三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析当内压大到使内壁材料屈服后，再增加压力时则屈服层向外扩展，从而在近内壁处形成塑性层，塑性层之外仍为弹性层，筒体处于弹塑性状态。三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析当内压大到使内壁材料屈服后，再增三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析（一）塑性层一）塑性层弹塑性层交界面上压力：弹塑性层交界面上压力：三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析（一）塑性层三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析（二）弹性层（二）弹性层出现屈服层时屈服层与弹性层的压力分布有明显区出现屈服层时屈服层与弹性层的压力分布有明显区别，卸载之后，塑性层产生残余拉伸变形，弹性层别，卸载之后，塑性层产生残余拉伸变形，弹性层仍有完全恢复弹性变形的能力，产生残余应力。仍有完全恢复弹性变形的能力，产生残余应力。三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析（二）弹性层三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析（三）自增强原理（三）自增强原理自增强处理就是将厚壁筒在使用前进行大于工作自增强处理就是将厚壁筒在使用前进行大于工作压力的超压处理，目的是形成预应力使工作时壁压力的超压处理，目的是形成预应力使工作时壁内应力趋于均匀。即塑性层中形成残余压应力，内应力趋于均匀。即塑性层中形成残余压应力，弹性层中形成残余拉应力。弹性层中形成残余拉应力。三、厚壁圆筒的弹塑性应力分析（三）自增强原理