过程设备设计复习重点

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物理方程：
1 1 => r z , r z E E d 2 r d B B r 3 r 0 A 2 , r A 2 ; 边界条件（r=Ri 处， 2 dr dr r r r pi ，r=Ro 处， r p0 ）=>转下
微元平衡方程：轴向应力法向分量【 (令 去高阶微量)】环向应力法向分量【环向应力平行圆径向分量： ,将以上分量再向法线方向投影(乘 力平衡方程 元平衡方程 区域平衡方程： 轴向合力 微元平衡方程解 . 气体内压 【轴向合力 ( ( )锥壳( ,解 ,球壳( )椭球壳(胡金伯格方程) )=>椭圆壳力的分布特点：各点 )圆筒 解 ( 平行圆直径),代入 )得到 】 最终得到微 ,略
Байду номын сангаас
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基本假设：①应力分析中假设壳体材料连续均匀,各向同性②受载后的变形是弹性小变形
③壳壁各层纤维在变形后互不挤压④应力沿壁厚方向均匀分布.
2 pi p0 Ri2 R02 pi Ri2 p0 R0 , B 2 2 R0 Ri2 R0 Ri2
;球壳厚壁分析：（三向应力应变，
应力不等，与坐标有关；椭球壳应力与内压 p、壁厚 t 有关，与长轴与短轴 之比 a／b 有关；椭球壳承受均匀内压时，在任何 a／b 值下，恒为正值，即拉伸应力， 且由顶点处最大值向赤道逐渐，递减至最小值；随周向压应力增大，大直径薄壁 椭圆形封头出现局部屈曲=>措施： 整体或局部增加厚度， 局部采用环状加强构件; 当 时 将变号（拉变压）,工程常用 )；球壳( 标准封头,此时 在顶点 ,在赤道 ,若底部支撑： ,支座以上 6 在支座处突变应力局部不 在顶点 (最大)】.盛装液体【圆柱壳(
称第一主曲率半径,
称第二主曲率半径
板等):碳素结构钢 Q235-B,Q235-C;优质碳素结构钢 10,20 号钢钢管,20,35 钢锻件;压力容器 专用钢板 Q245R,20G.②低合金钢:Q345R 以前叫 16MnR,中国使用量最大, 屈服强度 r 340MPA 中低压压力容器和多层高压容器;16MnDR,15MnNiDR,09MnNiDR 使用温度≤ -20℃;15CrMoR 铬钼钢,中温抗氢,温度≤550℃;20MnMo -19~470℃重要大中型锻件. 1 ，变形协调方程（推导与厚壁圆筒一致）： , (1 ) r ③高合金钢:(S11306)0Cr13 铁素体不锈钢;(S30408)0Cr18Ni9,=>(S30403)00Cr19Ni10 奥 E 氏体不锈钢;(S21953)00Cr18Ni5Mo3Si2 奥氏体-铁素体双相不锈钢④复合板:复层和基层 d r (耐腐蚀性好). 0 ；利用边界条件（同厚壁圆筒）及下面式子解即可： dr r 有色金属和非金属 2 d r d 1 d r d B 1 B ①有色金属:铜及铜合金(导热，深冷设备);铝及铝合金(低温行业);镍及镍合金(高温设备); 0 r 4 r 0 r A 3 , A 2 钛及钛合金(耐腐蚀设备) 2 dr dr dr dr r 2 r3 ②非金属材料:涂料，工程塑料，不透性石墨，陶瓷，搪瓷,复合材料（重量轻，强度高， 耐腐蚀性好.） 壁圆筒热应力 ； 热应力分布规律： 大小与内外壁温差成正比； 制造工艺对钢材性能的影响 沿厚度方向变化；内压温差同时作用引起弹性应力； （据图具体分析）分布特点： 1.塑性变形:①应变强化:金属在常温或低温下塑性变形,随着变形量增加,强度.硬度提高,塑 热应力随约束程度的增大而增大,由于 受温度影响,故热应力受初始温度影响； 性.韧性下降②热加工与冷加工:再结晶温度为界限,有无加工硬化③各向异性:最大正应 力与纤维同向,切应力垂直④应变时效:经冷加工塑性变形的碳素钢.低合金钢,在室温下 热应力与另外载相平衡，是由热变形受约束引起的自平衡应力；热应力具有自限 停留较长时间或在高温下停留一定时间,强度硬度提高,塑性韧性下降.冲击吸收功大幅度 性屈服流动和高温蠕变可降低热应力,对于塑性材料,热应力不会导致构件断裂，但 下降,而且韧脆转变温度上升,表现出常温下的脆化.可减少碳氮含量,加入铝钛钒等元素 交变热应力可能导致疲劳及塑性变形积累。 2.焊接(熔焊钎焊压焊)①焊接接头组织性能==焊缝:由熔池的液态金属凝固结晶而成,由填 弹塑性分析思路：从远离边缘处选一筒节，将其分为塑性区（塑性区半径 Rc）和弹 充金属和部分母材金属组成,因结晶是从熔池边缘的半熔化区开始的,低熔点的硫磷杂质 和氧化铁等易偏析集中在焊缝中心区,影响焊缝的力学性能==熔合区:焊缝向热影响区 性区，弹性区按照前述厚壁圆筒分析即可解决(注意边界条件变化)，塑性区按 过渡的区域,加热温度在合金的固相和液相线之间,其化学成分和组织性能有很大的不均 1 Mises 失效判据得关系 2 R ， 联合平衡方程以及 z r 匀性,塑性差.强度低.脆性大.易产生焊接裂纹,是焊接接头中最薄弱的环节==热影响区: r eL 2 3 两侧母材因焊接热作用(但未熔化)而发生金相组织和力学性能变化,各处离开焊缝金属 求解即可；注意：平衡方程对于弹塑性均成立，该方程建立在微元体力学平衡基 距离不同,材料被加热和冷却速度也不同,从而形成了多种金相组织区,使其力学性能也不 同.②焊接应力与变形:焊接残余应力与外载荷产生的应力叠加,局部区域应力过高,使结 础上，与材料是否发生屈服无关。 构承载能力下降.焊接变形使焊件形状和尺寸发生变化,需要进行矫形.变形过大会因无法 爆破【过程(弹性变形--屈服 -塑性变形--垮塌--爆破 ),Mises 判据(初始 矫形而报废.尽量减少焊接接头数量;相邻焊缝间应保持足够的间距;尽可能避免交叉,避 全屈服 ), 免出现十字焊缝;焊缝不要布置在高应力区;焊前预热;焊接造成的残余应力会影响结构 安全运行时,还需设法消除焊接残余应力.③焊接接头常见缺陷:裂纹(最危险的缺陷,分热 Faupel 公式( )=>提高屈服承载能力：（加外压及自增强原 裂纹.冷裂纹.再热裂纹.层状撕裂);夹渣(往往是裂纹的起源);未熔透(减小焊缝有效面积, 理：内层受压缩预应力，外层处于拉伸状态，均化沿壁厚应力分布）增厚（K 较 在根部应力集中);未融合(类似裂纹,易应力集中);焊瘤(易应力集中,并伴有未熔透.未融 小时效果好）,加外压如多层过盈连接,自增强（残余压应力）应变强化=>平板应 合);气孔(减少焊缝承载面积);咬边(减少母材承载面积,造成应力集中)④焊接接头检验: 力 Kirchhoff 假设：板弯曲时中面保持中性,即各点无变形,只有沿中面法线方向的 破坏性;非破坏性(外观检查);密封性检验(水,气);无损检测(射线;超声);表面(磁粉.渗透. 涡流) 挠度；变形前中面法线上各点变形后仍位于同一法线上且法线上各点距离不变； 3.热处理:①焊后消除应力热处理(消除降低焊接残余应力和冷作硬化,提高接头抗脆断能力, 厚度方向正应力忽略不计. 改善接头塑形和韧性,提高抗应力腐蚀,稳定焊接构件形状,避免或减少焊后变形,促使焊 周边固支圆平板 抗弯刚度 缝中的氢向外扩散,一般消氢处理的都要焊后热处理,反之不然)②改善综合性能热处理 (冷成型及中温成型后恢复性能热处理消除加工硬化;热加工后恢复性能热处理达到设计 最大应力在板边缘上下表面， 要求;固溶处理提高合金的韧性和抗腐蚀性;稳定化处理稳定组织,防构件形状和尺寸发 周边简支圆平板 最大弯矩 ,最大 生时效性变化;调质使低合金钢具有较好的综合力学性能;中间退火为了便于后续工序)
内压 内 压 普通 内壁 外壁 0
外 压
外压
压力容器载荷分压力载荷(内压、外压、液体静压力)、 非压力载荷(重力载荷,风,地震, 运输,波浪,管系)和交变载荷 压力容器载荷工况分正常操作工况(设计压力、液体静压力、重力载荷)、特殊载荷 工况（压力试验、开停工及检修）和意外工况(爆炸、热冲击) 薄壁壳体 ,薄圆筒
一.压力容器总体结构：基本组成:筒体,封头,密封装置,开孔与接管,支座,安全附件.六个构成 了外壳 .二.压力容器分类：(介质的毒性,易燃性,腐蚀性) 1.介质危害性:毒性(极度危害 I 级 <0.1mg/m3;高度危害 0.1~1.0;中度危害 1.0~10;轻度危 害 IV 级≥10)易燃性:爆炸下限小于 10%,或上下限差大于 20%.易燃介质压力容器所有焊 缝均应采用全焊透结构.====2.压力容器分类①按压力等级分类(表压,真空容器<0.1; 低压容器 L0.1~<1.6;中压 M1.6~<10;高压 H10~<100;超高压 U≥100)②按容器在生产 中的作用分类(反应压力容器;换热;分离;储存,其中球罐代号 B)同时具备两个以上的工艺 作用原理时,按主要作用来划分③按安装方式分类(固定式;移动式)④按安全技术管理分 类(介质分组:第一组介质毒性危害程度为极度危害,高度危害的化学介质,易爆介质,液化 气体;第二组介质为其他介质;压力容器分类:按介质特性选图,再根据 pV 确定容器类别) 三.压力容器规范标准 1.美国 ASME 规范:分 4 个层次:规范,规范案例,条款解释,规范增补.共 12 篇. VIII 分为三 册:ASMEVIII-1<压力容器>====1925 年首次颁布,为常规设计标准,适用压力≤20MPa; 以弹性失效设计准则为依据,根据经验确定材料许用应力,并对零部件尺寸做出一些规定。 ====ASMEVIII-2<压力容器另一规则>,1968 年首次颁布,为分析设计标准要求对压力 容器各区域的应力进行详细分析,并根据应力对容器失效的危害程度进行应力分类,再按 不同的安全准则分别予以限制.与 VIII-1 相比,VIII-2 对结构的规定更为详细,对材料,设计, 制造,检验和验收的要求更高,允许采用较高的许用应力,所设计出的容器壁厚较薄.包括 疲劳设计,但设计温度限制在蠕变温度以内.为解决高温压力容器的分析设计,在 1974 年 后又补充了一份<规范案例 N-47>.ASMEVIII-3 于 1997 年首次颁布,主要用于设计压力 不小于 70MPa 的高压容器,不仅要求对容器各部零件做详细的应力分析和分类评定,而且 要做疲劳分析或断裂力学评估,是一个到目前为止要求最高的压力容器规范. X<玻璃纤 维增强塑料压力容器>,现有 ASME 中唯一的非金属材料篇. XII<移动式容器建造和连续 使用规则>于 2004 年首次颁布,适用于便携式容器,汽车,铁路槽车. 2.欧盟压力容器规范标准 EEC/EC 指令和协调标准 76/767/EEC <压力容器一般指令>,为 压力容器及其检验的一般规定;87/404/EEC<简单压力容器指令>,仅适用于介质为空气 或氮气,表压超过 0.05MPa 的简单压力容器;97/23/EC<承压设备指令>.适用于最高工作 压力大于 0.05MPa 的承压设备设计制造和评估.EN13445<非火焰接触压力容器> 3.国内主要规范标准====特种设备八大类:锅炉,压力容器(含气瓶),压力管道,电梯,起重机 械,客运索道,大型游乐设施,场(厂)内专用机动车辆=>(对特种设备实施全过程安全监察: 全过程包括特种设备的设计、制造、安装、使用、检验、修理、改造等涉及安全的各个 环节)=>四个层次:行政法规--部门规章--安全技术规范--引用标准.=>82 年 2 月<锅炉压 力容器安全检查暂行条例>=>03 年 3 月<特种设备安全监察条例>适用范围:工作压力 ≥0.1MPa,压力与容积的乘积≥2.5MPa·L,盛装气体,液化气体或最高工作温度≥标准沸点 的液体的固定式容器和移动式容器(以上为压力容器定义);盛装工程工作压力≥ 0.2MPa(表压),且压力与容积的乘积≥1.0MPa·L 的气体.液化气体和标准沸点等于或低于 60℃液体的气瓶.氧舱等.====GB150<压力容器>:中国第一部压力容器国家标准,基本 思路同 ASMEVIII-1.1989 年第一版,1998 年全面修订.新 GB150 将改名为<固定式压力容 器>,由通用要求,材料,设计,制造四部分组成.=>GB150 适用范围(只适用于固定的承受恒 定载荷的压力容器)：适用于设计压力不大于 35MPa 的钢制压力容器的设计、制造、检 验及验收。适用的设计温度范围根据钢材允许的使用温度确定，从-196℃到钢材的蠕变 限用温度=>JB4732<钢制压力容器—分析设计标准>:中国第一部压力容器分析设计行 业标准,基本思路同 ASMEVIII-2.与 GB150 同时实施,设计者可选其中之一,但不得混用.JB 允许采用较高的设计应力强度,相同条件下厚度可薄,重量可轻.由于计算工作量大,选材 制造检验验收要求严,综合经济效益不一定高.用于重量大,结构复杂,操作参数高的压力 容器设计
绪论 1.过程设备的应用:加氢反应器,储氢容器,超高压食品杀菌釜,核反应堆,超临界流
体萃取装置。 2.过程设备特点:功能原理多种多样,化机电一体化,外壳一般为压力容 器。 3.过程设备基本要求①安全可靠(材料强度高韧性好,材料与介质相容,结构有足 够的刚度和抗失稳能力;密封性能好)②满足过程要求(功能要求;寿命要求).③综合 经济性好(生产效率高消耗低;结构合理,制造简便,易于运输和安装)④易于操作、 维 护和控制(操作简单;可维护性和可修理性好;便于控制)⑤优良的环境性。4.过程设 备设计概述①基本设计步骤(需求分析和目标界定;总体结构设计;零部件结构设计; 参数设计)②影响参数设计的因素(设计准则;材料;规范标准)。 5.设备更新的三个途 径:工作原理;制造工艺,结构材料;辅助功能. 压力容器 无力矩理论：不考虑壳体弯曲内力
2cos2 1+cos ,
5
=
26 5 6cos +2cos2 1+cos ,支座以下
连续=>有力矩理论分析) 无力矩应用条件： ①壳体厚度,中面曲率和载荷连续无突变,②壳体边界不受横向剪力, 弯矩和转矩作用,③壳体边界约束沿经线切线方向，不得限制边界处转角与挠度。 常先按无力矩理论求解,在弯矩较大区域再行修正。不连续应力的特性：局部性、 自限性。拉美公式 推导=>压力载荷弹性应力(圆筒)：(1)轴向应力：假设 轴向应力沿壁厚方向均匀分布，
z
Ri2 pi R02 p0 pi Ri2 p0 R02 ;平衡方程： 2 R0 Ri2 R02 Ri2
r d r r dr d r rd 2 dr sin
几何方程：

2
0 r r