压力容器结构与分类

Click to add title,Click to add subtitle,ECUST,机械设计与表面工程研究室,华东理工大学,8,、压力容器设计,8.1,压力容器概述,8.4,典型薄壁壳的应力分析,8.5,内压圆筒型薄壁壳的设计,8.6,外压圆筒型薄壁壳的设计,8.7,压力容器的使用与管理,8.2,压力容器典型零部件,8.3,压力容器结构与分类,8.1,压力容器概述,压力容器特点之一,应用广泛,压力容器不仅被广泛用于化学、石油化工、医药、冶金、机械、采矿、电力、航天航空、交通运输等工业生产部门，在农业、民用和军工部门也颇常见，其中尤以石油化学工业应用最为普遍，石油化工企业中的塔、釜、槽、罐无一不是贮器或作为设备的外壳，而且绝大多数是在一定的压力温度下运行。,如一个年产,30,万吨的乙烯装置，约有,793,台设备，其中压力容器,281,台，占了,35.4%,。蒸汽锅炉也属于压力容器，但它是用直接火焰加热的特种受压容器，至于民用或工厂用的液化石油气瓶，更是到处可见。,压力容器特点之二,工况条件复杂,压力容器的操作条件十分复杂，甚至近于苛刻。压力从,1,210,-5,Pa,的真空到高压、超高压，如石油加氢为,10.5,21.0 MPa,；高压聚乙烯为,100,200 MPa,；合成氨为,10,100 MPa,；人造水晶高达,140 MPa,；温度从,-196,低温到超过,1000,的高温；而处理介质则包罗爆、燃、毒、辐,(,照,),、腐,(,蚀,),、磨,(,损,),等数千个品种。操作条件的复杂性使压力容器从设计、制造、安裝到使用、维护都不同于一般机械设备，而成为一类特殊设备。,压力容器 特点之三,数量巨大,2004,年的统计资料表明，国内在用固定式压力容器多达,145.66,万台 ，移动式压力容器中,14645,辆，在用气瓶,12215.65,万只；锅炉总台数也高达,57.27,万台 。此外全国持有压力容器制造许可证的企业合计,4380,个，设计单位,1380,个。如此庞大且潜在隐患容器的存在，以及地域广泛的制造设计部门，自然成为国内外政府部门特别重视其安全管理和监察检查的原因。,压力容器特点之四,安全性要求高,压力容器因其承受各种静、动载荷或交变载荷，还有附加的机械或温度载荷；其次，大多数容器容纳压缩气体或饱和液体，若容器破裂，导致介质突然卸压膨胀，瞬间释放出来的破坏能量极大，加上压力容器极大多数系焊接制造，容易产生各种焊接缺陷，一旦检验、操作失误容易发生爆炸破裂，器内易爆、易燃、有毒的介质将向外泄漏，势必造成极具灾难性的后果。因此，对压力容器要求很高的安全可靠性。,压力容器的结构,零部件的二个基本参数,对于用钢板卷制的容器筒体而言，其公称直径的数值等于筒体内径。,当容器筒体直径较小时，可直接采用无缝钢管制作时，这时容器的公称直径等于钢管的外径。,管子的公称直径（通径）既不是管子的内径也不是管子的外径，而是一个略小于外径的数值。,公称直径（,DN,）,零部件的二个基本参数,国家标准,GB1048,将管路元件的公称压力分为以下十个等级：,0.25MPa,、,0.6MPa,、,1.0Ma,、,1.6MPa,、,2.5MPa,、,4.0MPa,、,6.30MPa,、,10.0MPa,、,16.0MPa,、,25.0MPa,。,公称压力（,PN,）,8.2,典型零部件,8.2.1,筒体和封头,筒体和封头是构成压力容器的两个最基本元件，工程上绝大多数压力容器的筒体均为圆筒形。,筒体通常由钢板卷焊而成或直接采用无缝钢管。,钢板卷焊而成的压力容器公称直径指的是内径；,直接采用无缝钢管制作的容器公称直径指的是外径。,椭圆形封头,椭球形封头,碟形封头,锥形封头,平板封头,8.2.2,法兰联接,法兰联接的特点：,1,、密封可靠：能保证紧密不漏；,2,、强度高：附加法兰不削弱整体强度；,3,、适用面广：设备和管道均可适用；,4,、可拆联接：可多次重复装拆；,5,、经济合理：可批量生产。,法兰联接的工作原理：,平焊法兰,对焊法兰,按联接型式分：,法兰联接的分类：,活套法兰,螺纹法兰,光滑面,凹凸面,榫槽面,环密封面,按密封面型式分：,压力容器法兰标准,JB4701,92,甲型平焊法兰,乙型平焊法兰,对焊法兰,管法兰标准,HG20592,HG,法兰按下列规定标记：,法兰（法兰盖）,b,c d e f g h,a,标准号：按,HG,标准统一号,HG20592,b,法兰类型代号：按表,8,12,c,法兰公称通径,DN(mm),与适用钢管外径系列,d,法兰公称压力,PN,，,MPa,e,密封面型式代号，突面法兰如车制密纹线，则标记为,RF(A),f,应由用户提供的钢管壁厚,g,材料牌号,h,其它（如表面粗糙度）,HG 20592,法兰,PL1200,0.6 RF Q235-A,8.2.3,设备的支座,1),、悬挂式支座,悬挂式支座通常由两块筋板和一块底板焊接而成,支座号,型号,A,、,AN,、,B,、,BN,JB/T 4725,92,，耳座, ,如,A,型、不带垫板，,3,号耳式支座，支座材料为,Q235A.F,标记为：,JB/T4725-92,，耳座,AN3,，,Q235A.F,JB/T4724,标准规定了耳式支座的标记：,2),、支腿式支座,（,1,）公称直径,DN400,1600,；,（,2,）圆筒长度,L,与公称直径,DN,之比,L/DN5,；,（,3,）容器的总高,H5000mm,。,型号,A,、,B,支座号,JB/TB4724,92,，支座, ,支腿式支座的标记为：,如容器公称直径,DN800,，角钢支柱支腿，不带垫板，材料为,Q235-A.F,，支承高度,H=800mm,。标记为：,JB/T 4713,92,，支腿,AN3,800,3),、支承式支座,（,1,）公称直径,DN800,4000,；,（,2,）圆筒长度,L,与公称直径,DN,之比,L/DN5,；,（,3,）容器的总高,H10m,。,型号,A,、,B,支座号,JB/TB4724,92,，支座, ,支承式支座的标记为：,裙座的结构,4,）裙式支座,5,）鞍式支座,鞍式支座常用于卧式设备。鞍座由一块底板、一块竖板和若干块肋板焊接而成。,卧式设备一般采用双支座，一个,型，一个,型。其中,型的螺栓孔为园孔，,型的螺栓孔为长园孔。,鞍式支座的位置布置应符合,ARi/2,和,A L/2,。,A,L,8.3.3,设备的开孔,1),、设备开孔的装置,设备的管口与凸缘,人孔,手孔及检查孔,8.2.4,设备安全附件,1),、安全阀,作用：当压力超过正常工作压力，能自动打开，介迅速排放，使设备内的压力保持在最高许用压力范围内，保证其处于安全状态。,2),、爆破片,使用场合,容器内的介质易于结晶或聚合，或带有较多的粘性物质，容易堵塞安全阀，或使安全阀的阀芯和阀座粘在一起；,容器的内压由化学反应或其他原因会迅速上升，安全阀难以及时排出所产生的大量气体，且无法及时降压。但不适用于压力剧增，反应速度达到爆轰时的压力容器；,容器内的介质为剧毒或极为昂贵的气体，使用安全阀难以达到防漏要求。,3),、压力表、液面计和测温仪表,压力表选用要求,所选压力表必须与压力容器内的介质相适应；,低压容器使用的压力精度不低于,2.5,级；中、高压容器使用的压力表精度不应低于,1.5,级；,压力表盘刻度极限值为最高工作压力的,1.53.0,倍，最好选用,2,倍，表盘直径不应小于,100mm,。,压力表安装要求,装设位置应便于操作人员观察和清洗，且应避免受到辐射热、冻结或震动的不利影响；,压力表与压力容器之间，应装设三通旋塞或针形阀，三通旋塞或针形阀上应有开启标记和锁紧装置，压力表和压力容器之间不得连接其他用途的任何配件或接管；,用于水蒸汽介质的压力表，在压力表与压力容器之间应装有存水弯管；,用于具有腐蚀性或高粘度介质的压力表，在压力表与压力容器之间应装设能隔离介质的缓冲装置。,液位计选用要求,应根据压力容器的介质、最高工作压力和温度选用；,在安装使用前，低、中压容器用的液面计，应进行,1.5,倍液面计公称压力的水压试验，高压容器用的液面计，应进行,1.25,倍液面计公称压力的水压试验；,盛装,0,以下介质的压力容器，应选用防霜液面计；,寒冷地区室外使用的液面计，应选用夹套型或保温型结构的液面计；,易燃、毒性程度为极度、高度危害介质的液化气体压力容器，应采用板式或自动液面指示计，并应有防止泄漏的保护装置；,要求液面指示平稳时不应采用浮子式液面计。,8.3,压力容器分类,1),、 按承压性质分,2),、 按监察规程分,1,、 最高工作压力,Pw0.1MPa,2,、 内直径,Di0.15m,，,且,V0.025m3,3,、 盛装介质为气体、液化气体或最高工作高于等于标准沸点的液体。,监察规程的管辖范围,GB5044,职业性接触毒物危害程度分级,(1),极度危害,10mg/m,3,氢氧化钠、丙酮等,一类容器,1.,非易燃或低毒的低压反应容器和储存容器,;,2 .,有毒和有危害的低压容器,1,、一般中压容器；,二类容器,2,、 介质为易燃或毒性程度为中度危害的低压反应容器和储存容器；,3,、 毒性程度为极度和高度危害介质的低压容器；,4,、低压管壳式余热锅炉；,5,、搪玻璃压力容器。,三类容器,1,、 高压容器；,2,、,低压容器(,毒性为极度或高度危害介质的中压和,PV,大于0.2,MPam,3,),；,3、 中压反应容器(,易燃或,毒性程度为中度危害介质且,PV0.5MPam,3,),；,4、 中压储存容器(,易燃或,毒性程度为中度危害介质且,PV10MPam,3,),；,5、 高压、中压管壳式余热锅炉；,6,、 中压搪玻璃压力容器；,7,、球形（,V50m,3,),和低温储存容器(,V5m,3,),；,8,、,移动式压力容器。,8.4,典型薄壁容器应力分析,按容器的外径,Do,和内径,Di,的比值,K,不同，可将容器分为：,1、 厚壁容器：,K1.2,2,、,薄壁容器：,K,1.2,1),、 受气压圆筒壳体,静力平衡方程：,环向应力为,:,环向应力,静力平衡方程：,经向应力为,经向应力,薄壁圆筒形压力容器环向应力为经向应力的二倍,2),、承受内压的球形壳体,3),、承受内压的椭球形壳体,在顶点：,在赤道：,椭圆形封头的应力分布,4),、承受内压的锥形壳体,8.5,内压圆筒形薄壁壳体设计,8.5.1.,强度设计公式,强度条件：,设计公式：,设计参数确定,1),、 设计压力,(P),通常：,P,(1.01.1)PW,有安全阀：,P= (1.051.1)PW,且不低于安 全阀开启压力。,有爆破片：爆破压力制造偏差,介质为液化气：液化气的饱和蒸汽压。,介质为液体：当液柱静压大于,0.05P,时， 应计入液体静压力。,指容器正常工作时，在相应的设计压力下，器壁金属可能达到的最高和最低温度（低于或等于-20),2),设计温度,3),、许用应力,影响许用应力的因素：,1,使用温度,2,钢板厚度,许用应力由材料的力学性能除以相应的安全系数而得。,4 ),焊接接头系数,焊缝系数决定于二个因素：,1,）焊缝的结构形式,2,） 无损探伤水平,5) .,厚度,(t),a.,壁厚附加量,C,C1,C2,C1,：,钢板负偏差,C2,：,腐蚀裕量,b.,最小壁厚,保证设备在运输和安装过程中的安全。,压力试验,1,、,水压试验,试验压力：,强度条件：,2,、气压试验,试验压力：,强度条件：,3,、 气密性试验,试验压力：,8.6,外压薄壁圆筒的设计,外压容器的定义：内压大于外压的容器。,失效的主要形式为失稳。其后果是造成容器几何形状偏离原形状。,8.6.1,外压容器失稳的概念,长园筒,短园筒,容器失稳与压杆失稳类似，取决于：,1),圆筒外径与有效壁厚之比,Do/,te,；,2),圆筒长度与外径的比值,L/Do,3),材料的力学性能 （,E,，,),压杆失稳的主要因素：,1,、外载大小,2,、压杆柔度,(,细长比,),3,、材料的力学性能。,8.6.2,外压薄壁圆筒厚度设计,外压设计的总体思路：保证工作压力,P,小于许用外压,P,而,P=P,cr,/m,m,决定于,P,cr,的准确程度、制造技术、焊缝结构形式等因素。我国规定,m=3,一、解析法,2),求,P,cr,，,确定,P,3),如,PP,且较为接近，则所假定的,t,n,符合要求，否则重算，直到符合要求。,1),假设设计名义厚度,t,n,，,则有,te=t,n,-C,二、 图解法,器壁上的应变：,器壁上的应力：,K,为特征系数,临界压力：,图解法来源,外压圆筒几何参数计算图,圆筒的许用外压力：,令,则,而,此即为,B,A,图的由来,外压圆筒计算图,(B,A,图,),设计方法和计算步骤,1,假设,2,确定比值：,L/Do,和,D/,te,3,查图,8-21,，确定,A,值,4 根据不同材料查图,8-22,8-23,8-24,确定,B,值，求得许用外压,P,A,在温度线的右方,5,比较,P,与,P ,以,P,小于且接近于,P,为原则,A,在温度线的左方，属弹性失稳,8.6.3.,轴向受压圆筒的设计,在弹性阶段：,在弹塑性阶段用,B,A,图确定,cr,8.7,压力容器的安全使用与管理,8.7.1,压力容器的安全技术监察,1),、安全技术监察的依据,2),、压力容器的设计监察,3),、压力容器的设计监察,8.7.2,压力容器的安全使用与管理,1,、管理体系与职责,2,、建立压力容器使用档案,3,、压力容器的使用登记,4,、制订容器的安全操作规程,5,、正确操作容器,8.7.3,压力容器的定期检验,1,、定期检验的目的,2,、定期检验的内容与期限,结束语,对流程工业而言，保证压力容器的安全、经济运行，对企业的生产安全和经济效益具有非常重要的意义，通过本章的学习，你对保证压力容器的安全有何感想？保证压力容器的安全应做那几个方面？,