《过程设备设计基础》教案-4压力容器

（5）腐蚀断裂
——由于材料受到介质腐蚀，造成容器整体厚度减薄，或局部凹坑、裂纹等，由此引起的断裂称为腐蚀断裂。
①全面腐蚀
②点腐蚀
③晶间腐蚀
④应力腐蚀
2、刚度失效
——构件发生过度弹性变形引起的失效
3、失稳失效
①弹性失稳
②非弹性失稳
4、泄漏失效
5、交互失效
腐蚀疲劳
②蠕变疲劳
二、压力容器的失效判据和设计准则
（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。
（二）强度计算
1、单层圆筒
（1） 壁厚计算
得：
设计厚度：δd=δ+C2
名义厚度：δn=δd+ C1+△=δ+ C1+C2+△
有效厚度：δe=δ+△=δn- C1-C2
上述四个厚度之间的关系：
（2）强度校核
工作应力：
最大允许工作压力：
容器的最小厚度：
碳素钢、低合金钢制容器：δmin≥3mm
《过程设备设计基础》
教案
4—压力容器设计
课程名称：过程设备设计基础
专业：过程装备与控制工程
任课教师：
第4章压力容器设计
本章主要介绍压力容器设计准则、常规设计方法和分析设计方法，重点是常规设计的基本原理和设计方法。
§4-1概述
主 要 教 学 内 容
授课方式
授课时数
1、压力容器设计的基本内容
2、压力容器设计的基本要求
4.1.3设计条件
设计条件可用设计条件图表示(设计任务所提供的原始数据和工艺要求)
设计条件图包含设计要求、简图、接管表等
简图-------示意性的画出容器本体、主要内件部分结构尺寸、接管位置、支座形式及其他需要表达的内容。
设计要求-------工作介质、压力和温度、操作方式与要求和其他。
为便于填写，设计条件图又分为
1、失效判据
——判断压力容器是否失效
两个必需的条件：①力学分析结果
②失效数值
2、压力容器设计准则
（2）刚度失效设计准则
（3）稳定失效设计准则
（4）泄漏失效设计准则
§4-3常规设计
主 要 教 学 内 容
授课方式
授课时数
1、压力容器设计概述
2、圆筒设计
3、封头设计
4、密封装置设计
5、开孔和开孔补强设计
6、支座和检查孔
当材料温度高于蠕变温度时，表示材料高温下抵抗塑性变形能力的强度指标是蠕变极限σn，表示材料高温下抵抗断裂能力的强度指标是持久极限σD。
(2)安全系数的规定
碳素钢、低合金钢、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
一般设计条件图
换热器条件图：应注明换热管规格、管长及根数、排列形式、换热面积与程数等
塔器条件图：应注明塔型、塔板数量及间距、基本风压和地震设计烈度和场地土类别
搅拌容器条件图：应注明搅拌器形式及转向、轴功率等。
一、压力容器设计的基本内容
2、压力容器设计的基本步骤：
用户提出技术要求
↓
分析容器的工作条件，确定设计参数
设计由具体工作条件规定，通常为定值。
（2）最大工作压力PW
指容器在正常工作情况下其顶部可能出现的最高表压力。
要求：P≥PW
（3）装有安全阀的容器，P（1.05~1.1）PW
装有爆破膜的容器，P=（1.15~1.75）PW
装有液化气的容器，按可能达到最高温度下介质的饱和蒸汽压确定P
装有液体的容器，当受压元件所在截面处的液柱静压力达到或超过设计压力的5%时，液柱静压力应计入设计压力。
密封设计--------选择合适的密封结构和材料保证密封性能良好。
4.1.1设计要求
设计的基本要求是安全性和经济性的统一，安全是前提，经济是目标，在充分保证安全的前提下尽可能做到经济，经济性包括材料的节约、经济的制造过程和经济的安装维修。
4.1.2设计文件
压力容器的设计文件包括：设计图样
技术条件
设计计算书
特点：①断口平齐，且与最大应力方向垂直。
②断裂时可能碎裂成碎片飞出。
③断裂时应里很低，安全附件不起作用，具有突发性。
失效原因：Байду номын сангаас
①容器材料的脆性。
②材料中存在缺陷。
（3）疲劳断裂
——在交变载荷作用下，材料原有的或萌生的裂纹扩展导致容器发生的断裂。
特点：①断口有贝壳状的疲劳条纹。
②断裂时容器无明显的塑性变形，容器整体应力较低。
缺点：
（1）对制造设备的要求高。
（2）材料的浪费大。
（3）存在较深的纵、环焊缝，不便于焊接和检验。
2、多层式圆筒
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。
缺点：（1）包扎工序繁琐，费工费时，效率低。
②气压试验
内压容器：
外压容器和真空容器：
强度校核：
③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。
（三）设计参数的确定
1、设计压力P
（1）设计压力≠工作压力
工作压力由工艺过程决定，其大小在工作过程中可能有变化，在容器顶部和底部工作压力也可能不同。
7、安全泄放装置
8、焊接结构设计
9、压力试验
讲授
自学
18
教学目的和要求
1、了解压力容器设计的基本内容
2、掌握压力容器筒体和封头设计方法
3、掌握螺栓法兰连接的设计方法
4、掌握开孔和开孔补强设计方法
5、了解支座、检查孔、安全泄放装置的作用、结构和选用
6、掌握焊接结构设计方法
7、掌握压力试验的方法和计算
教学重点和难点
什么是压力容器的设计？
压力容器设计是指根据给定的工艺设计条件，遵循现行规范标准的规定，在确保安全的前提下，经济正确地选取材料，并进行结构、强（刚）度和密封设计。
结构设计--------确定合理、经济的结构形式，满足制造、检验、装配和维修等要求。
强（刚）度设计---------确定结构尺寸，满足强度、刚度和稳定性要求，以确保容器安全、可靠地运行。
设计图样包括：总图和零部件图
总图包括压力容器名称、类别、设计条件；
主要受压元件设计材料牌号及材料要求；
主要受压元件材料牌号及材料要求；
主要特性参数（如容积、换热器换热面积和程数）
制造要求；热处理要求；防腐蚀要求；无损检测要求；耐压试验和气密性试验要求；安全附件的规格；压力容器铭牌位置；
包装、运输、现场组焊和安装要求；以及其他特殊要求。
即：P‘= P + PL
2、设计温度t
正常工作情况下及相应设计压力下设定的受压元件的温度。容器的设计温度一般由工艺条件给出。
3、焊缝系数φ
反映由于焊缝存在，容器材料受到削弱的程度，其值主要考虑焊缝形式和对焊缝进行无损检验的要求。见表43。
4、壁厚负偏差
见表4-2
5、许用应力[ ]
(1)当材料温度低于蠕变温度时，表示材料抵抗塑性变形能力的强度指标是屈服极限σy，表示材料抵抗断裂能力的强度指标是强度极限σb。
2、致密性试验
气密性试验：①容器上无安全泄防装置PT=1.0P
②容器上有安全泄防装置PT=1.0Pw
（气压试验合格的容器可不做致密性试验）
（五）外压圆筒设计
1、解析法
解析法的缺点：要经过多次试算，计算过程繁琐；
弹性范围的判断；
2、图算法
（1）几何参数计算图
几何参数计算图：
①平行于纵轴的直线代表长圆筒，斜线代表短圆筒。
见表4-4
(3)许用压力
(4)对于不锈钢复合板或多层板
（四）容器的耐压试验
1、强度试验
①试验压力
为了确保耐压实验时容器材料处于弹性状态，应校核容器中的薄膜应力：
直立容器卧置进行液压试验时，PT还应加上立置时的液柱压力，再进行校核。
②试验温度
耐压试验时，为避免材料的低温脆性破裂，试验环境和水温必须高于材料的无塑性转变温度（NDT），根据目前我国压力容器用材情况，对于碳素钢、16MnR、正火15 MnVR，试验温度不得低于5℃；对于其它低合金钢容器，试验温度不得低于15℃。
注意：
*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。
强度校核：
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。
（1）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。
特点：①材料断裂前发生较大的塑性变形，容器发生鼓胀。
②容器断口处厚度减薄。
③断裂时几乎没有碎片。
失效原因：
①容器厚度不够。
②压力过大（大于最大工作压力）。
（2）脆性断裂（低应力脆断）
——容器中的应力远低于材料的强度极限而发生的断裂。
1、压力容器筒体和封头设计计算
2、螺栓法兰连接的设计计算
3、开孔和开孔补强设计计算
4、焊接结构设计
课外作业
思考题；习题T1、T2、T 3、T 5、T 7
一、概述
（1）压力容器常规设计方法
（2）压力容器分析设计方法；
（3）弹性失效设计准则
二、圆筒设计
（一）结构
1、单层式圆筒
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。
↓
结构分析、初步选材
↓
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
↓
绘制图纸，提供设计计算书和其它技术文件
二、压力容器设计的基本要求
基本原则：
安全是前提和核心，经济是设计的目标，在充分保证压力容器安全的前提下应尽可能做到经济。
三、压力容器设计条件
1、设计条件图
2、基本设计要求
§4-2设计准则
高合金钢制容器：δmin≥2mm
规定容器的最小壁厚，在经济上是合理的，因为对于壁后很薄的容器，在制造过程（例如两个筒节的对接）和运输过程中，为了维持必要的圆度和刚度，要是用大量的辅助钢材把筒节撑圆，这些钢材所需费用要计入容器的制造成本中去。
（3）压力试验
①液压试验
试验压力：
内压容器：
外压容器和真空容器：
③断裂具有突发性，危害性较大。
失效原因：
①交变载荷。
②高应力区形成疲劳裂纹。
（4）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着时间不断增大，使容器厚度明显减薄，发生鼓胀变形，最终导致容器发生断裂。
特征：①在恒定载荷和低应力条件下也会发生蠕变断裂。
②断裂前材料会产生蠕变脆化。
③断裂前材料具有韧性断裂的特征，断裂时材料具有脆性断裂的特征。
（2）层板材料利用率低。
（3）层间松动问题
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
优点：（1）机械化程度高，操作简便，材料利用率高。
（2）纵焊缝少。
缺点：（1）绕板薄，不宜制造壁厚很大的容器。
主 要 教 学 内 容
授课方式
授课时数
1、压力容器的失效
2、压力容器失效设计准则
讲授
自学
2
教学目的和要求
1、了解压力容器失效的基本形式
2、了解压力容器的强度失效设计准则、刚度失效设计准则、稳定失效设计准则和泄漏失效设计准则
教学重点和难点
压力容器失效设计准则
课外作业
思考题
1、强度失效
——由于材料屈服或断裂引起的压力容器失效。
②A仅与圆筒的几何参数有关，与材料无关。
③几何参数图对长圆筒和短圆筒都适用。
（2）壁厚计算图
①不同材料有不同的σ-ε曲线，故有不同的B-A曲线。
②同一材料在不同温度下的σ-ε曲线不同，所以每张图中都有一组与不同温度对应的曲线。
③每条曲线均有两部分组成，直线部分代表弹性变形阶段，可直接计算得B（比查图准确），曲线部分代表非弹性变形阶段，需由A查图得B。
必要时包括设计或安装使用说明书.
分析设计还应提供应力分析报告
强度计算书包括：
★设计条件、所用的规范和标准、材料、腐蚀裕量、计算厚度、名义厚度、计算应力等。
★装设安全泄放装置的压力容器，还应计算压力容器安全泄放量安全阀排量和爆破片泄放面积。
★当采用计算机软件进行计算时，软件必须经“压力容器标准化技术委员会”评审鉴定，并在国家质量技术监督局认证备案，打印结果中应有软件程序编号、输入数据和计算结果等内容。
3、压力容器设计条件
4、压力容器设计文件
讲授
自学
2
教学目的和要求
1、了解压力容器设计的基本内容、基本要求
2、了解压力容器设计条件、设计方法和设计文件的内容
教学重点和难点
压力容器设计的基本内容和基本要求
课外作业
思考题
4.1概述
教学重点:压力容器设计的基本概念、设计要求
教学难点：无
压力容器发展趋势越来越大型化、高参数、选用高强度材料，本章着重介绍压力容器设计思想、常规设计方法和分析设计方法。