2019最新第4章幻灯片1压力容器设计物理

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1.该容器一般应选用什么材料? 2.若在设计温度下材料的许用应力为[σ]t=170MPa,求筒体 的厚度? 3.水压试验时的压力,并进行应力校核。 4.该容器是否可按GB150设计?是否要接受《压力容器安全 技术监察规程》的监督和检查。
韧性断裂
压力容器在载荷作用下,应力达到或接近材料 的强度极限而发生的断裂。
压力容器失效判据
—判断压力容器是否失效
由力学分析得到力学分析结果 由实验测得失效数值
失效判据
压力容器设计准则
强度失效设计准则 压力容器设计准则刚 稳度 定失 失效 效设 设计 计准 准则 则
泄漏失效设计准则
弹性失效设计准则 塑性失效设计准则 爆破失效设计准则 强度失效设计准则弹塑性失效设计准则 疲劳失效设计准则 蠕变失效设计准则 脆性断裂失效设计准则
③ 断裂前发生较大的塑性变形,具有韧性断裂 的特征;断裂时又具有脆性断裂的特征。
失效原因 高温蠕变
返回
腐蚀断裂
材料受到介质腐蚀(全面腐蚀或局部腐蚀),形成容器整 体厚度减薄或局部凹坑、裂纹等,从而造成容器的断裂。
特点
① 对于全面腐蚀和局部腐蚀,容器断裂前发 生明显的塑性变形,具有韧性断裂的特征。
② 对于晶间腐蚀和应力腐蚀,断裂前无明显 塑性变形,具有脆性断裂的特征。
缺点 :(1)绕板薄,不宜制造壁厚很大的容器。 (2)层间松动问题。
槽形绕带式
优点 (1)筒壁应力分布均匀且能承受一部分由内压 产生的轴向力。
(2)机械化程度高,材料利用率高。
缺点 (1)钢带成本高,公差要求严格。
(2)绕带时钢带要求严格啮合,否则无法贴紧。
扁平钢带倾角错绕式
特点
(1)机械化程度高,材料利用率高。 (2)整体绕制,无环焊缝。 (3)带层呈网状,不会整体裂开。 (4)扁平钢带成本低,绕制方便。
第4章 压力容器设计
§4-1 概述
压力容器设计 基本要求
安全 经济
合理选取结构、 材料、参数等
合理选择设计方法
压力容器设计 基本内容
结构设计— 满足工艺、制造、使用、检验等方面 的要求,设计简单、合理、经济的结构形式。 主要设计内容部 强件 度结 和构 刚尺 度寸 设, 计—选择通合过适强的度材和料刚。度计算,确定零 密封设计— 选择或设计合理的密封结构,选择合 适的密封材料。
B
D0 / e e
(稳定性) (强度)
其中: 0

min
2[ ]t 0.9 st或0.9
t 0.2
轴向受压圆筒:
cr

0.25
E e
Ri
(m=4)
图算法
设计压力
设计参数 的规定
1、真空容器 有安全装置时:p

min10..215M( Pp0a
pi
)max
计算长度
加强圈设计
带加强圈的外压圆筒
两个条件
1、筒体不失稳 要求:LS≤ Lmax
2、加强圈不失稳 要求:IS≥I
1、筒体不失稳 要求:LS≤ Lmax
③ 如果材料韧性较好,通过合理设计可实现 “未爆先漏”。
失效原因 ① 交变载荷。
② 疲劳裂纹。
返回
蠕变断裂
压力容器长时间在高温下受载,材料的蠕变变形会 随时间而增长,容器发生鼓胀变形,厚度明显减薄, 最终导致压力容器断裂。
特点
① 在恒定载荷和低应力(应力低于屈服点)下 也会发生蠕变断裂。
② 蠕变断裂前材料会由于蠕变变形而导致蠕变 损伤,使材料在性能上产生蠕变脆化。
工作介质 设计要求操 压作 力方 和式 温和 度要求
其它(材料、设计寿命、腐蚀速率、保温条件等)
§4-2 设计准则
强度失效 压力容器的失效形式刚 失度 稳失 失效 效
泄漏失效 交互失效
韧性断裂 强度失效形式疲 脆劳 性断 断裂 裂
蠕变断裂 腐蚀断裂
压 用户提出基本设计要求
力 容
↓ 分析容器的工作条件,确定设计参数

器 结构分析、初步选材


计 选择合适的规范和标准



应力分析和强度计算

↓ 确定构件尺寸和材料


骤 绘制图纸,提供设计计算书和其它技术文件
设计条件
一般容器条件图 设计条件图换 塔热 器器 条条 件件 图图
搅拌容器条件图
2[ ]t PC 2 1131.0 1.6
n C1 C2 12.83 1.5 0.8
15.13 0.87 16mm
n C2 min
水压试验压力PT

1.25P
[ ] [ ]t
1.251.6 2.0MPa
缺点 (1)包扎工序繁琐,费工费时,效率低。 (2)层板材料利用率低。3)层间松动问题。
整体多层包扎式
热套式
优点 (1)套合层数少,效率高,成本低。 (2)纵焊缝质量容易保证。
缺点 (1)只能套合短筒,筒节间深环焊缝多。 (2)要求准确的过盈量,对筒节的制造要求高。
绕板式
优优点点:(1)机械化程度高,操作简便,材料利用率高。 (2)纵焊缝少。
2、强度校核
T

pT (Di e ) 2 e
0.9 S ( 0.2 )
注意
如果直立容器卧置进行液压试验,则在应力校 核时,PT应加上容器立置充满水时的最大液柱 压力。
气压试验
1、气压试验
● 内压容器:pT
[ ]
1.15 p
[ ]t
● 外压容器和真空容器: pT 1.15 p
焊接接头系数
材料许用应力
强度极限值
[ ] 安全系数
安全系数
碳素钢、低合金钢及铁素体高合金钢: nb≥3.0 ns≥1.6 nD≥1.5 nn≥1.0
奥氏体高合金钢: nb≥3.0 ns≥1.5 nD≥1.5 nn≥1.0
压力试验
压力试验
耐压试验
液压试验 气压试验
气密性试验
§4-3 常规设计
基于弹性失效设计准则 不连续应力的考虑
圆筒设计

单层卷焊式
单层式无 整锻缝 体焊钢 锻式管 造式 式



圆筒结构形式
多层包扎式
组合式绕 绕 热 整体 带 板 套多 式 式 式层扁槽包平形扎钢绕式带带倾角错绕式
计算δe
计算(D0/δe)和(L / D0)
几何参数计算图(A) 壁厚计算图(B)
验算PC≤[P],若满足,则假设δn 合适,否则重新计算。
厚壁圆筒 ( D0 20)
e 需同时考虑稳定性和强度
[
P]

min
(
2.25 0.0625)
D0 / e 2 0 (1 D0 )
失效原因 介质腐蚀
返回
外压圆筒设计
解析法 图解法
短圆筒来自百度文库临界压力
( e )2.5
pcr 2.59 E
D0 (L)
D0
长圆筒的临界压力
pcr

2.2E
e
D0
3
几 何 参 数 计 算 图
壁 厚 计 算 图
外压圆筒设计设计步骤:
薄壁圆筒 ( D0 20)
e
假设δn
特点 断裂前发生较大的塑性变形,容器发生明显的鼓 胀,断口处厚度减薄,断裂时几乎不形成碎片。
失效原因 ① 容器厚度不够。 ② 压力过大。
返回
脆性断裂
(低应力脆断)
器壁中的应力远低于材料强度极限时发生的断裂。
特点 ① 断口平齐,且与最大主应力方向垂直。
② 容器断裂时可能裂成碎片飞出,往往引起严重 后果。
pc 0.4[ ]t 时(单层厚壁圆筒)
按塑性失效设计准则:
3ns 0 p
Ri (K 1) Ri (e 2 s 1)
按爆破失效设计准则:
Ri (K 1)

R (e 2
s
3nb
(2 s b
)
p
i
1)
多层圆筒壁厚


pc Di
2[ ]t
pc
注意
试计算罐体厚度并进行水压试验应力校核。
注 : Q235-A 材 料 的 许 用 应 力 [ σ]20=113MPa , [σ]50=113MPa,屈服极限σS=235 Mpa
试确定罐体厚度并进行水压试验校核。
解:P 1.6MPa PL gh 1325 9.8 3.0 106 0.0390MPa 5%P 0.08MPa PC P 1.6MPa Pc Di 1.6 1800 12.83mm
③ 断裂前没有明显塑性变形,断裂时应力很低, 安全阀、爆破膜等安全附件不起作用,断裂具有 突发性。
失效原因 ① 材料的脆性。
② 材料中的裂纹、未焊透、夹渣等缺陷。
返回
疲劳断裂
在交变载荷作用下,由于材料中的裂纹扩展导致容器的断裂。
特点
① 断口上有贝壳状的疲劳裂纹。
② 断裂时容器整体应力较低,断裂前无明显塑 性变形。
2、强度校核
T

pT (Di e ) 2 e
0.8 S ( 0.2 )
气密性试验
● 容器上没有安全泄放装置,气密性试验压力 PT=1.0P。 ● 容器上设置了安全泄放装置,气密性试验压力应 低于安全阀的开启压力或爆破片的设计爆破压力。
通常取PT=1.0PW。
练习题
设 计 压 力 为 1 . 6 Mpa 的 储 液 罐 罐 体 , 材 料 Q235-A, Di=1800mm, 罐 体 高 度 4 5 0 0 mm, 液 料 高 度 3 0 0 0 mm, C1=0.8mm,腐蚀裕量C2=1.5mm,焊缝系数φ=1.0,液体密 度为1325kg/m3,罐内最高工作温度50ºC 。
液压试验
1、试验压力
[ ]
● 内压容器:pT
1.25 p
[ ]t
● 外压容器和真空容器: pT 1.25 p
● 夹套容器:视内筒为内压或外压容器,分别按内压 或外压容器的试验压力公式确定试验压力;夹套按内 压容器确定试验压力。
* 需校核内筒在夹套液压试验压力下的稳定性,如不 满足稳定性要求,则需在夹套液压试验时,内筒内保 持一定的压力。
[ ]t

i n
[ i ]t i

0 n
[ 0 ]t 0
最小厚度
碳素钢、低合金钢制容器:δmin≥3mm 高合金钢制容器:δmin≥2mm
设计参数的选取
设计压力p 设计温度t
设计压力的规定
1、容器上装有安全阀时 P=(1.05~1.10)PW
2、容器上装有爆破膜时 P=(1.15~1.30)PW
PT gh 2.0 1000 9.8 4.5 106 2.044MPa
T

PT (Di e ) 2 e
135.3MPa
0.9 s
211.5MPa
壁厚满足要求
练习题
某圆柱形容器的设计压力为P=0.85MPa;设计温度为t=50℃;内直径为1200mm;总高4000mm;对接焊缝采用双面全 熔透焊接接头,并进行局部无损检测,容器盛装液体介质, 介质密度ρ=1500kg/m3,介质具有轻微的腐蚀性;腐蚀速 率K≤0.1mm/年;设计寿命B=20年,试回答以下问题:
内压圆筒强度设计
单层内压圆筒
壁厚计算


pc Di
2[ ]t
pc
pc 计算压力
焊接接头系数
适用范围: pc 0.4[ ]t
强度校核
工作应力
t pc (Di e ) [ ]t 2 e
最大允许工作压力
[ pw ]

2e[ ]t Di e
3、盛装液化气体的容器 设计压力取工作时可能达到的最高温度下
液化气体的饱和蒸气压
钢板厚度负偏差
根据规定:当钢板厚度负偏差不大于0.25mm,且不超过名 义厚度的6%时,可取C1=0。所以在设计计算中,对于 GB6654-1996、GB3531-1996种的钢板(如20R、16MnR、 16MnDR等),均可取C1=0。
无安全装置时:p=0.1Mpa
2、带夹套的真空容器 p取真空容器的设计压力加上夹套压力
3、其它外压容器(包括带夹套的外压容器) p应不小于容器正常工作过程中可能出现的最大 内外压力差
即:p≥(p0-pi)max 注意:最大内外压差的取值
稳定性安全系数
圆筒:m = 3.0 球壳: m = 14.52
单层式圆筒的优点:不存在层间 松动等薄弱环节,能较好地保证 筒体的强度。
单层式圆筒的缺点:
1、单层厚壁圆筒对制造设备的要 求高。
2、材料的浪费大。
3、锻焊式圆筒存在较深的纵、环 焊缝,不便于焊接和检验。
层板包扎式
优点 (1)对加工设备的要求不高。 (2)压缩预应力可防止裂纹的扩展。 (3)内筒可采用不锈钢防腐。 (4)层板厚度薄,韧性好,不易发 生脆性断裂。
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