过程设备设计ppt课件.ppt

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1、过程设备设计过程装备与控制工程专业核心课程,茂名石化,过程设备？专业：过程装备与控制装备：过程机器能量转换装置：如泵、压缩机、风机过程设备各种化学反应、单元操作所需设备， 如：精馏塔、干燥塔、反应塔、换热器设计？ 有目的、有约束的工程设计！,目 录 绪论压力容器导言压力容器应力分析压力容器材料及环境和时间对其性能的影响压力容器设计储存设备换热设备塔设备,几点说明：1、本专业最核心的专业课，为本专业的“饭碗”。2、本专业最独特的专业课其它专业学生都不学。3、其核心内容压力容器 非常广泛地使用于工业和 民用领域。2、控制方向和装备方向的必修课。3、本专业的考研课程之一，也是非本专业研究生一 般都需

2、选修的课程。,绪论10个问题：（1） 产品的分类硬件产品（hardware)软件产品(software)流程性产品(processed material),（2）过程工业的概念 过程工业是指包括:化工轻工炼油食品制药冶金能源 等行业在内的工业。,炼油厂设备,（3）过程工业的特点 a. 属于生产流程性材料产品的制造业 b. 生产过程为流程性的 例：合成氨工业 造气、净化、合成三大部分组成。 c.处理的物料以流体、粉体为主,（4）过程装备 过程装备 过程机器 过程设备 过程机器压缩机、泵、分离机、风机等。 完成其功能的主要部件为转动或平动 ！ 过程设备塔器、传热设备、反应器、储罐等 完成其功能的主

3、要部件不运动！几个身边的例子：锅炉、油罐车、压力锅.,（5）工艺与装备的关系 “工艺是先导，装备是保障”。例：余国琮 院士启示：只有既懂工艺，又懂装备与控制，才可能成为合格的过程工业的工程师。 （6） 过程系统 工艺+装备+控制+技术经济学+,（7） 过程工业的主要发展领域过程原理与技术的创新 主要包括三传一反原理与技术的创新。成套装置技术的创新 从系统工程的角度研究装备技术的创新。过程装备放大技术的创新 规模化是过程工业的发展趋势。,过程装备结构技术的创新 具有优良性能的新结构技术。 过程装备设计理论和手段的创新 如热经济学优化设计理论、强度理论、失效判断理论等；计算机辅助设计(CAE)软件

4、包（i-deas、pro-e、UG、ANSYS等）。过程装备材料技术的创新 陶瓷材料、纳米材料、复合材料等的技术创新。,过程装备制造技术的创新 计算机辅助制造技术（CAM)。过程装备故障诊断技术的创新 再线诊断技术的创新。过程控制技术的创新 新型传感器技术和控制理论的创新。清洁生产技术的创新 环境影响评估技术与清洁生产技术的创新。,（8）过程设备与过程机器示例,过程机器和过程设备的联系与区别：都属于过程装备；过程机器：主要功能是把能量传递给物料，提高 其压力或速度。一般为选型设计。过程设备：主要功能是为物料的物理过程或化学 过程提供适宜的场所。非标设计。选型设计：按工艺需求，选择机器的型号。非

5、标设计：遵守国标前提下，针对具体设备进行设计。,（9）过程设备的基本要求a. 安全可靠 过程设备往往都是“炸弹”，即使是常压设备，由于过程工业所处理的物料往往具有较强的腐蚀性、毒性、发射性，一旦物料泄漏，将对环境和各种生物带来毁灭性的伤害，所以，过程设备必须安全可靠。b. 满足过程的要求 过程设备的主要功能是为物料的物理过程或化学过程提供适宜的场所，因此它必须要满足过程的要求。如合成塔、吸收塔、换热器都必须满足相应过程的要求。,c. 有好的经济技术指标 单位产品成本低、热力学完善度高。d. 易于操作、维护和控制 操作简单、可维护性和可修理性好，有优良的控制水平。如换热器的清污性能好、管束替换方

6、便、操作弹性好。e. 优良的环境性能 对环境的影响尽可能地小（包括：物料污染、声污染、光污染、热污染、放射性污染等）。,（10）过程设备的设计a. 设计 制造 使用 维护与修理,评估标准：功能安全性经济性对环境的影响可制造性时间等,改进,b. 过程设备设计的主要内容文献检索与分析确定设计标准确定材料确定设计理论和设计方法工艺设计总体设计强度设计结构设计确定制造工艺性能评价,总结： 过程设备是化工、轻工、炼油、食品、制药、冶金、能源等行业广泛使用的一种装备，有别于一般的装备。过程设备的设计涉及到过程原理、固体力学、流体力学、热力学、机械学、自动控制原理与仪器仪表等学科。其涉及学科的范围和问题的复

7、杂程度都是工程问题中极为少见的。 先进的过程设备设计方法是以计算机辅助设计（CAE)为标志的以寻求最优化结果为目标的设计。,压力容器导言1.1 压力容器总体结构1.2 压力容器的分类1.3 压力容器规范标准提示：过程设备通常也称为压力容器与设备，或简 称为压力容器。,封头,筒身,支座,接管,筒节,环焊缝,纵焊缝,补强圈,盲板,接管,支座,上封头,下封头,图片,法兰,补强圈,图片,返回,问题： 压力容器主要由哪几部分构成？各有什么作用？提示：压力容器必须提供一个密闭的空间！理由？压力容器通常由以下8个部分组成：,a. 筒身 钢板卷制而成 制造容易、成本低筒身 整体锻造而成 制造困难、成本高、性能

8、好 单层 多用于中低压容器筒身 多层 多用于高压容器问题：压力容器可以用什么材料制作？,b. 封头 按形状可分为：球形封头、椭圆形封头、碟形封头、锥形封头、平板封头等。 特点：轴对称！半椭球封头 半椭球封头 半球形封头,特点？,锥形封头特点？,c. 法兰 容器法兰： 用于容器间或容器与封头的连接； 管道法兰： 用于管道间的连接；问题：法兰的作用？,d. 密封装置 用于连接件之间的密封，防止物料泄漏。e. 开孔与接管 在容器上开孔的目的是为了便于检修（人孔和手孔），或是为了安装各种安全附件、或是为了满足工艺的要求。问题：为何在容器上开孔？,f. 支座 把压力容器支承并固定在基础上。问题：不要支座

9、行吗？g. 补强圈 开孔会引发开孔区域产生过大的应力，为安全计，需要补强圈补强。 提示：局部增强！,h. 安全附件 安装各种安全泄放装置和各种压力表、测温仪表、液位计等。问题：高压锅的安全泄放装置？问题：任何保证压力容器的安全？,1.2 压力容器的分类a. 压力容器分类的理由 压力容器潜在的危害程度不同！ 压力容器发生事故所造成的危害程度差别很大，而决定危害程度的因素又很多，有压力、温度、物料的相态、物料的毒性、易燃易爆性、规模、使用场所等。提示：联系后续内容中的焊缝分类、应力分类！,b. 压力容器分类的依据 主要根据压力、温度、物料的相态、物料的毒性、易燃易爆性、规模、使用场所等都与压力容器

10、的潜在危害程度相关！压力容器的分类提示：经常考的内容！,按压力大小分 低压容器（L） 0.1MPap100MPa注：记住几个压力界限！提示：大部分的压力容器为中低压容器。,按用途分 反应器如合成塔、反应釜 换热器如废热锅炉、汽车发动机水冷却器 分离器如精馏塔、干燥塔 储 罐如油罐、家用液化气罐按安装方式分 固定式绝大部分压力容器 移动式如火车物料罐、汽车油罐,按安全管理分（按容规分类 最重要的分类！）分为三类： 具有下列情况之一的，为第三类压力容器：高压容器中压容器且介质为极度毒性和高度危害中压贮存容器且介质为易燃或中等毒性、pv10MPa. m中压反应容器且介质为易燃或中等毒性、pv0.5M

11、Pa. m容规：压力容器安全技术监察规程,低压容器且介质为极度毒性和高度危害、 pv0.2MPa. m高压、中压管壳式余热锅炉中压搪玻璃压力容器使用强度级别较高的材料制造的压力容器(抗拉强度540MPa)移动式压力容器容积大于50m的球形容器容积大于5m的低温贮存容器,具有下列情况之一的，为第二类压力容器：中压容器低压容器且介质为极度毒性和高度危害低压反应器和低压贮存容器，介质易燃或毒性中等低压管壳式余热锅炉低压搪玻璃压力容器除上述规定以外的低压容器为第一类压力容器。注意：各国对压力容器的分类方法不尽相同。问题：容规分类中需考虑哪些因素？,1.3 压力容器规范标准1.3.1 国外压力容器标准简

12、介ASME规范 美国标准（American society of Machinery engineering) 为世界上第一部压力容器设计和制造方面的规范，历史悠久，更新速度快，涵盖范围宽，同时也是许多国家制定相关规范的蓝本（如日本、中国等国家）。,提示：压力容器的设计必须遵守各种各样的标准！,1965年推出ASME规范；1968年推出ASME规范的两个分册：第一册为传统的规则设计（Design by Rules)第二册为分析设计规范（Design by Analysis）提示1：压力容器设计分为常规设计和分析设计！后者更科学、更合理！提示2：本课程重点介绍常规设计！,欧盟压力容器标准 为适应

13、欧洲一体化而建立的标准，正在逐步完善。该规范对中国的压力容器标准也有一定的影响。如英国1976年制定的BS5500标准，为分析设计标准。日本标准 日本于1993年推出分析设计标准JIS8250。,1.3.2 国内主要压力容器标准 较为成熟的标准是：1989年制定的GB150-89钢制压力容器和 GB151-89钢制管壳式换热器等。1998，1999年又重新修订了这两部标准和相关标准。这些标准都是以ASME规范为蓝本，同时也吸取了欧洲标准的一些思想，同时也加入了一些自己的思想和方法（如管板强度设计方法）。注：新版标准在征求意见中！,提示：标准很多！,GB150-1998钢制压力容器 为常规设计标

14、准 JB473295钢制压力容器分析设计标准 为兼有常规设计和分析设计内容。注意： 由于部门分割、标准修订时间间隔过长和所采用的强度设计准则不同，造成了我国有国家标准和行业标准，甚至还有地方标准的状况，但这些标准的差别并不是很大，今后，行业标准和地方标准会逐步淡出，压力容器的规范还是以国家标准为主，国家标准也会因为经济全球化而逐步向国际标准靠拢。,强者制定标准！,1.3.3 国家标准和工业国家标准的比较 GB150较多地参照了ASME！1、与美国标准、欧洲标准的内容基本相同；2、制定标准的出发点也相差不多；3、差别主要在： a、标准的适用范围 b、材料的许用应力 c、材料的牌号及其性能、技术指

15、标有所不同。,1.3.4 制定标准的目的 标准化的目的是为了实现产品的系列化、通用化、降低产品成本、且提供了法律依据。压力容器是一种潜在危害很大的装备，因此，对设计、制造、使用、维修等方面的工作和从事这些工作的资质都必须有章可循。问题：如何看待压力容器的规范？“工程设计是一门艺术！”路甬祥注意：工程设计必须遵守相关国家标准！,压力容器应力分析2.1 回转薄壳的应力分析2.2 厚壁容器的应力分析2.3 结构与力学性能的关系2.4 壳体的稳定性分析2.5 典型局部应力本章为常规设计的基础！是期末考和考研的重点！问题：应力分析的目的？问题：何谓强度？,2 压力容器应力分析问题：压力容器失效的后果？导

16、致压力容器失效的最根本原因是什么呢？2.1 回转薄壳的应力分析2.1.1 回转薄壳的概念回转壳的特点： 母线以回转轴为中心旋转而得，故为对称壳体。,若：壁厚/中面曲率半径0.1，称该壳体为薄壳，反之为厚壳。为什么要区分厚、薄壳？薄壳常规设计，依据无力矩理论！简单，误差大！厚壳分析设计，依据有力矩理论！复杂，误差小！在应力分析中，假定：材料是连续、各向同性、变形为弹性小变形、壳壁各层纤维在变形过程及变形后互相不挤压（？）。,考研同学注意此假定！,2.1.2 薄壁圆筒的应力分析分析方法：单元体平衡法环向应力和经向应力问题：环向应力和经向应力的作用效果？,水平方向力平衡关系（采用截面法）：,提示：区

17、域平衡方程！说明：截面法并不都可用！单元体平衡法更具普遍性！扩展：还原论,水平方向的力平衡式：,提示1：厚度设为1提示2：总体平衡，则其部分必处于平衡状态。,单元体平衡法：由局部微元的平衡关系推导出整体 的平衡关系。提示：微分 积分一般方法：取有代表性微元 （关键！）建立力平衡关系 （一般为微分方程）解微分方程得到定解 （一般需考虑边界条件）提示：轴对称回转薄壳的应力求解非常简单！问题：如何取有代表性微元 ？,2.1.3 回转薄壳的几何要素第一曲率半径R1、第二曲率半径R2,2.1.4 无力矩理论和有力矩理论,壳体内力分析,无力矩理论（薄膜理论）,有力矩理论（弯曲理论）,薄膜力,横向剪力,弯矩

18、、扭矩,十个内力分量,内力,10个,无力矩理论都是围绕中面展开的，因壁很薄，中面上的变形和应力可代表薄壳的变形和应力！,对于承受轴对称载荷的壳体中面受力？,有力矩理论更合理，也更复杂！,设想：如果可以用简单的无力矩理论进行压力容器的设计，且 误差又不大！ 回转薄壳！,2.1.5 无力矩理论的基本方程采用微元体平衡法导出,注意：以下为无力矩力学理论！,建立作用在微元体上的内力与外载荷之间的平衡关系最后得： 拉普拉斯方程注意： P与壳体表面垂直的压力问题1：公式中各物理量的单位？问题2：一个公式中有两个未知量，如何解？提示1：记住公式！明确其中物理量！提示2：考研者需学会推导！,区域平衡方程应力求

19、解的重要途径！,一般用来求经向应力，在回转轴方向建立力平衡方程。,气体压力在回转轴方向合力：环带：内力在回转轴方向合力：区域平衡方程：,例：圆柱薄壳的区域平衡方程：,结合拉普拉斯方程得：,与之前的推导相同！,提示：环向应力也可由拉普拉斯方程直接得到！,例：承受气压球壳M点经向应力。得经向应力：结合拉普拉斯方程得：,2.1.6 无力矩理论的应用 承受气体内压的回转薄壳：,左侧公式为通用公式！通用的范围？,提示：考研必考内容！,问题：载荷不止气压时，怎么办？,a.球形壳体,b.圆柱壳体,提示：记住公式，分析特点！,问题：球形壳体的优点？缺点？,扩展问题：工业实践中，很少使用半球形封头，理由？,扩展

20、问题：工业实践中，很少使用球形容器，理由？,C、锥形壳体,截面是什么形状？,过A点截面与OA子线垂直！,A点的两相应力计算公式？有何特点？,半锥角等于90度时？ 半锥角等于0度时？,O点的应力？,原因？,D、椭球形壳体,情况要复杂一些，但仍然按拉普拉斯方程和区域平衡方程求解！,几个问题：1. a/b 的不同比值与两向薄膜应力之间的关系；2. a/b比值为1时，对应球形薄壳；3. a/b比值为2时，对应标准椭球薄壳，其一半为标准半椭球封头，为应用最广泛的封头（？）。,E、储存液体的回转薄壳,由拉普拉斯方程得：,由A点以上部分的区域平衡方程得：,问题：如果支座在容器的中部，支座上方、下方的应力如何

21、推导？,仅受自重作用时的应力由拉普拉斯方程得：由区域平衡方程得： 为A点以上部分壳体的重量。,x,如果支座不再底部，其上方、下方的两向应力？,回转薄壳圆柱、圆锥、球壳在以下情况时的两向薄膜应力如何推导？仅受自重作用仅受气压作用仅受液体静压作用气压和液体静压共同作用方法都一样！ 拉普拉斯方程区域平衡方程求经向应力,考研特别注意！,E .球形壳体应力在支座支承处有突变，说明什么？,支座处弯曲内力很大！无力矩理论计算结果误差大！,图片,无力矩理论的应用条件,壳体的厚度、中面曲率和载荷连续，没有突变，且构成壳体的材料的物理性能相同。壳体的边界处不受集中力、且不受变形限制。 客观地说，实际的压力容器都不

22、能使用无力矩理论，但对于大部分的薄壁容器，由无力矩理论得到的结果与真实情况之间的偏差并不大，完全可以满足工程界的要求。如果上述条件得不到满足，则无力矩理论不适用。,核心：变形不协调！,2.1.7 回转薄壳的不连续分析,a. 不连续和不连续分析 几何形态不连续、或数学不连续、或载荷突变，由此造成应力突变或出现大应力状况。 由于不连续情况的存在，在此区域内出现了各部分变形不协调的情况，造成过大的应力，导致设备在局部破坏，最终造成设备失效。 分析不连续应力的方法称为不连续分析。,核心：变形不协调！,几何形态不连续,问题：图中，几个地方存在几何形状突变？,材料不连续,核心：变形不协调！,集中载荷,核心

23、：变形不协调！,材料厚度突变,核心：变形不协调！,b. 不连续分析方法,变形分析（M、Q、M、Q） 变形协调方程 边缘力和边缘力矩（Mo、Qo） 位移（w） 内力和内力矩（Nx、N、Mx、M、Qx） 应力（、）,求解不连续应力的步骤,了解,力的连续（各种内力、应力） 分析方法的核心是： 变形的连续（线位移、角位移）注意：内力包括轴力、剪力、弯距；应力包括正应力和 剪应力。 通过有力矩理论建立协调方程后即可求解出不连续区域的各种力和变形。,c. 不连续应力的特性局限性自限性（限于塑性材料）,距相贯处约60mm，应力以急速衰减至薄膜应力的大小！,重要特点！,局限性、自限性的意义？,d. 对不连续应

24、力的处理尽量消除或降低不连续应力产生的条件；对一般的由塑性材料制成的压力容器不进行不连续应力的计算（计算难度大且工作量大、局限性和自限性也降低了不连续应力的危害），仅根据不连续应力的特点进行局部处理；对由脆性材料制成的压力容器或重要的设备（如三类容器），必须用有限元程序计算不连续应力。,(1) 壳体必须光滑连续R1、R2、d 及材质（如E、m 等）无突变；(2) 壳体上载荷必须连续表面力或温度无突变，无集中力或力矩作用；(3) 边界支承（或连接）的边界力只能作用在经线切线方向且无弯矩。在违背上述三个条件的局部区域内，必然存在较大内弯矩，无力矩理论不适用，必须用有力距理论分析。,无力矩理论的应用

25、条件,2.2 厚壁容器的应力分析分析方法：老三步，力平衡+几何方程+物理方程。 在弹性力学和板壳理论的基础上，按有力矩理论的方法处理。但只有一部分相对简单的问题可以得到理论解，而大部分的问题无法得到理论解，此时，只能利用有限元程序包（i-deas、pro-e、UG、ANSYS等）来对厚壁容器的应力和变形进行分析。2.2.1 压力载荷引起的弹性应力采用微元体平衡分析方法。,弹性应力压力、温差引起,内外压力作用下厚壁圆筒的应力表达式：,轴向应力 ： 因为变形前后圆筒横截面保持平面，假设其在厚度方向均匀分布,周向应力 ？径向应力？,平衡方程：,几何方程：,物理方程：,微分方程：,边界条件：,（或对于

26、开式圆筒）,Lame公式,厚壁圆筒应力分布,仅受内压时的应力特点 ：, 周向应力：拉应力，三个应力中最大,且 径向应力：压应力，且 轴向应力：拉应力，均匀分布，且, 应力分布的不均匀性： 按Mises 屈服条件(第四强度理论）,仅受内压时的应力特点 ：,2.2.2 温度变化引起的弹性热应力,微元体的热应力,y方向受到刚性约束时的热应力：,x和y方向受到刚性约束时的热应力：,x 、y 、z方向 均受到刚性约束时的热应力：,厚壁圆筒的热应力,* 热应力与温差t成正比，和温度的绝对值没有直接的关系。,* 壁厚越大，传热阻力越大，内外壁温差也越大，会导致热应力增大。,轴向温度不变，稳态传热,综合应力分

27、布,内压内加热：内壁应力减小，而外壁应力增大，应力状态有可能恶化。 内压外加热：内壁的综合应力增大，而外壁应力减小，应力状态恶化。必须考虑温差应力,内压内加热：内壁应力减小，而外壁应力增大，应力状态有可能恶化。,内压外加热：内壁的综合应力增大，而外壁应力减小，应力状态恶化。必须考虑温差应力,热应力分布特点： 1、内外壁处,2、内外壁应力之差：,3、任意一点应力关系：,温差应力的工程估算：,不计温差应力的条件：,(1) 保温良好；(2) 材料已发生蠕变变形；(3) 的内压内加热的容器。,设计压力,减小热应力的措施,1、控制设备的加热和冷却速度,2、控制和减小构件的热变形约束,3、设置膨胀节,4、

28、采用良好的保温层,减小热应力的措施,1、控制设备的加热和冷却速度,2、控制和减小构件的热变形约束,3、设置膨胀节,4、采用良好的保温层,2.2.3 厚壁容器材料的有效利用,厚壁内压容器在承受压力时，内部材料先于外部材料进入塑性状态，由此提出两个问题：一是容器的失效判定，二是材料的有效利用问题。 第一个问题涉及容器设计的强度理论，第二个问题涉及容器的合理结构和材料的配置使用问题。,厚壁圆筒使用前，用超过工作压力的压力进行超压处理，使圆筒发生弹塑性变形，卸除压力后保留残余应力，工作时残余应力和工作应力叠加，使圆筒应力分布趋于均匀，提高圆筒的弹性承载能力。,提高圆筒屈服承载能力的措施,(1)自增强：

29、施加内压，使内壁屈服，产生残余应力（预压缩应力）。(2) 预应力：施加外压，使内壁产生预压缩应力；多层圆筒结构，内层为薄壁圆筒，外层采用钢板、型带、钢丝等作外层材料，用包扎、缠绕等方法或过盈配合方法使外层紧贴内层，并施加外压力。,2.2.4 平板应力分析,应用：平盖、人（手）孔盖、管板、法兰环、矩形容器器壁 形式：圆形、圆环形、椭圆形、矩形,（3）变形特征轴对称横向载荷下，圆形薄板双向弯曲。周向弯曲径向弯曲（4）圆平板应力分析主要考虑：轴对称横向载荷、小挠度圆形薄板的应力和变形,中性面假设：纯弯曲问题；直法线假设：中面的法线变形后仍为直线，且于中面；不挤压假设：板内垂直于板面的正应力不予考虑，

30、且不计应变。 上述假定统称为克希霍夫（Kirchhoff）假定。,5）弹性薄板小挠度理论的基本假设：,(6) 分析过程：,根据特定边界条件，求解圆板轴对称弯曲的基本微分方程得挠度w，于是有：,径向应力,周向弯矩Mq,周向应力,径向弯矩Mr,应力与厚度t的关系：线性,圆平板中的应力,确定边界条件？,周边固支圆平板,Wmax=?,板上、下表面处（zt/2)：,r/R,在哪儿？,周边简支圆平板,板上、下表面处（zt/2)：,r/R,在哪儿？,支承方式对变形和应力的影响： 在其它条件相同的情况下，周边固定圆平板的最大应力小于周边简定圆平板的最大应力，只约为后者的2/3；前者的最大变形也仅为后者的1/4

31、。,2.2.5 有限元方法有限单元法：把连续的实体（无限多自由度）离散为有限多个单元实体的集合（有限多自由度），即把一个连续的问题转化为不连续的问题，最终得到问题的数值解。启示：布料的结构, p 总的质量不变，梁的刚度不变，把连续分布的质量离散为4个集中质量，梁本身无质量。,引擎连杆的(CAE)分析（实体分为2978个元素）,作为一种数学方法，有限元法的思想在很早以前就提出来了，但由于计算量太大，限制了该方法的应用。80年代以后，由于计算机的普及尤其是PC机性能的提高，有限元法得到了飞速发展，出现了集CAD、CAE、CAM为一体的各种有限元软件包，如i-deas、pro-e、UG、ANSYS、

32、SAP等。 目前，有限元方法的软件包越来越多，功能也越来越强大，大量地应用于航天、机械、水利、能源等等领域，不仅用于力学方面，也用于温度场的确定。,2.3 结构与力学性能的关系 决定设备应力分布的因素很多，其中，设备的结构是重要的一个因素。通过比较各种结构薄壁容器的应力大小，我们可以得到如下的一些结论：对筒身来说，力学性能由好到差的顺序是按球体、椭球体、圆筒、锥筒、平壁容器排列的；对封头来说，力学性能由好到差的顺序是按半球形、半椭球形、碟形、锥形、平板形。,2.4 壳体的稳定性分析,圆筒失稳时出现的波纹,壳体失稳的概念？,对外压容器，存在失稳的破坏形式。2.4.1 圆柱壳体的三种类型：长圆筒

33、失稳呈两个波形短圆筒 失稳呈两个以上波形刚性圆筒 不失稳问题：什么样的圆筒易失稳？,2.4.2 临界压力和临界长度临界长度 Lcr,式中：D0 圆筒外径 t 厚度当LcrL时，为短圆筒 计算长度L为刚性构件（如封头、法兰、加强圈等）之间的距离，取法见下图：,临界压力对长圆筒：对短圆筒：,Pamm公式,外压圆筒的稳定条件,m稳定性安全系数，圆筒m=3,设计压力：,压缩压力：,外压容器的失效形式步骤：判断圆筒类型计算临界压力判断圆筒是否安定,2.4.3 理论计算和工程实践的关系现象：外压力临界压力 ,有时也会发生容器的失稳！？结论：理论计算的预测不够准确原因：理论计算的模型和真实容器存在较大的出入

34、。 理论模型的假定条件？材料是各向同性的；材料无缺陷；圆筒的不直度和不圆度为0；各处壁厚完全一样。,理论的功能：解释现象预测现象问题：什么样的理论是正确的？ 表象上可能有偏差，但必须揭示现象的本质规律！,大卫思各特的实验,2.5 典型局部应力,不连续问题!,解决不连续问题的方法?有力矩理论采用塑性好的材料 如铜、铝、钛的合金，或低碳钢合理的结构设计还有其它计算方法吗？,不开孔时壳体上的环向薄膜应力,最大应力,如何降低局部应力?合理的结构设计减少两连接部件的刚度差别；尽量采用圆弧过渡；,减少附件传递的局部载荷尽量减少结构中的缺陷,局部补强选择合理的开孔位置,图片,总结：回转薄壳,薄壁圆筒的应力分

35、析 单元体平衡法 ： 拉普拉斯公式 区域平衡方程 无力矩理论及其使用条件 有力矩理论 不连续问题及其解决方法厚壁容器的 应力分析 方法：有力矩理论、有限元法,压力容器材料及环境和时间对其性能的影响3.1 压力容器常用钢材3.2 非金属材料3.3 环境对压力容器用钢性能的影响3.4 压力容器材料的选择,3.1 压力容器常用钢材钢材形状：钢板 如筒身钢管 如接管锻造件 如法兰,钢材类型 碳素钢 含碳量2.06% 如Q235系列、10、20、20R钢低合金钢 低碳低合金，合金元素总量3% 如16MnR、16MnDR等高合金钢 低碳高合金 如0Cr18Ni9、40Cr、1Cr18Ni9Ti等,铁-碳合

36、金相图：铁素体奥氏体铁素体,3.1.1 晶粒尺寸和合金元素提示：晶体：原子或分子在空间规则排列的 物质。 材料分为晶体和非晶体，金属材料是晶体。晶粒尺寸与材料性能的关系,结论：晶粒尺寸越小，材料的整体性能越好。措施？塑性变形 铁匠反复锻打铁块的目的？ 加工拉面或千层饼的面团如何处理？淬火处理 可以细化晶粒。 回火、焊接操作对晶粒尺寸的 影响？,合金元素的作用纯金属的特点 以纯铁为例合金的特点合金元素 在基体材料中加入的某些金属或非金属元素。合金化合金化的目的 提高材料的综合性能。如力学性能、加工性能、防止腐蚀的性能等。,3.1.2 塑性变形 塑性变形的优点？ 细化晶粒尺寸使晶格扭曲 提高材料的

37、强度！ 塑性变形的缺点？ 造成加工硬化降低材料的抗腐蚀性能。,3.1.3 焊接焊接的优点 加工方便、成本低等优点。焊接的缺点 造成晶粒粗大、有残余应力、局部变形、焊接缺陷等现象。,图片,图片,焊接缺陷,焊接质量检验 一般采用无损探伤方法，如射线探伤、超声波探伤、磁粉探伤等方法。3.2 非金属材料 主要有工程塑料、石墨、陶瓷等。共同特点为耐蚀性好、强度低。 用途逐渐增多，如汽车发动机、石墨换热器、陶瓷换热器等。,3.3 环境对压力容器用钢性能的影响温度 性能变化 高温蠕变介质 腐蚀,3.3.1 温度短期、静载条件下温度对钢材力学性能的影响E弹性模量s屈服强度b抗拉强度延长率 断面收缩率,高温、长

38、期静载条件下钢材的力学性能,3.3.2 介质 化学腐蚀腐蚀 电化学腐蚀 局部腐蚀腐蚀 全面腐蚀,图片,金属腐蚀的危害？ 金属材料的浪费、突发安全事故、污染产品等。绝大部分金属材料的腐蚀都是能够自发进行的过程 提示：不要想从根本上消除腐蚀！影响金属材料腐蚀的因素？ 四个：材料、介质、力学因素和结构因素。 提示：防止或减小腐蚀的措施也要从这几方面着手！,腐蚀分类 局部腐蚀 全面腐蚀局部腐蚀分类应力腐蚀孔蚀间隙腐蚀晶间腐蚀腐蚀疲劳磨损腐蚀,3.4 压力容器材料的选择3.4.1 压力容器用钢的基本要求 较高的强度良好的塑性韧性制造性与介质的相容性 介质使材料脆化、腐蚀经济性,3.4.2 压力容器钢材的

39、选择 需考虑以下因素：压力容器的使用条件制造工艺的特点材料的使用经验（尤其是工业经验）经济性能相关规范和标准,压力容器设计4.1 概述4.2 设计准则4.3 工程设计的过去、现在、将来4.4 常规设计4.5 分析设计4.6 疲劳分析4.7 压力容器设计进展,4.1 概述4.1.1 设计要求设计要求：功能、安全性、先进性、经济性的统一 满足设备的功能是最基本的要求； 安全是核心，是前提； 经济是目标； 先进性必须以设备的功能、安全、经济性为前提，并 在这三个方面得到体现。,压力容器设计基本内容,常规设计,分析设计,注意事项：对待工程设计的态度决定了设计的成败；设备设计必须有系统思想；设计依据必须

40、充分；设计方案的论证是关键；必须遵循设计规范；工程设计可以不完美，但绝不能有错误；没有哪个设计是十全十美的；相关技术问题的有效解决是达成合格设计的前提；先进、高效的设计手段是达成优秀设计作品的有力保证。,4.1.2 设计文件包括：设计任务书；设计参数；设计方案论证；设计图纸，包括装配图和零部件图；设计说明书，包括工艺设计、强度设计、结构设计等内容。,4.2 设计准则4.2.1 压力容器失效 压力容器在使用条件和使用时间内，因尺寸、形状或材料的性能发生改变而不能继续使用的现象称为失效。失效形式：强度失效刚度失效失稳失效泄漏失效,a. 强度失效韧性失效断裂前有明显的塑性变形。厚度过薄或压力过高是主

41、要原因。脆性失效断裂前无明显的塑性变形。脆性材料或材料存在严重缺陷是主要原因。疲劳断裂失效在交变载荷作用下，经历一段时间后，突然断裂。材料脆性或有裂纹或腐蚀疲劳等是主要因素。,蠕变断裂失效容器在高温下长期承载，逐步发生蠕变变形，最终断裂。腐蚀断裂失效腐蚀导致壁厚减薄，或局部腐蚀导致断裂。b. 刚度失效过度的弹性变形使设备无法使用。c. 失稳失效外压容器或受压杆件的失效。泄漏失效物料泄漏量超过规定的设备。,4.2.2 失效判据与设计准则问题：如何判定设备是否会失效？失效判据 对各种失效形式，以相应物理量是否超过某个值作为失效与否的判据。使用失效判据的优缺点：优点：直观且物理意义明确；,缺点：使用

42、的可靠性低； 例如：不同企业制造的Q235钢，力学和化学指标是有差别的；不同企业加工的产品；各种判据的定量指标的获取是有误差的或是其使用场合有限制的话。,设计准则理想气体 真实气体；理想叶轮 真实叶轮失效判据 设计准则 强度失效设计准则 刚度失效设计准则设计准则 稳定失效设计准则 泄漏失效设计准则,修正,修正,修正,安全系数,4.2.3 强度失效设计准则弹性失效设计准则一 为最大拉应力， 为设计温度下的许用应力。称为最大拉应力准则。,弹性失效设计准则二（最大剪应力理论）,弹性失效设计准则三（形状改变能理论） 外力 变形 能量 变形能当比变形能临界比变形能 失效！,塑性失效设计准则判据：材料整体

43、屈服为失效 整体失效载荷； 安全系数,爆破失效设计准则(爆破为失效) 爆破压力 安全系数,安定设计准则 局部材料屈服但塑性变形不会持续增加，周围材料仍处于弹性状态时，设备处于安定状态，不会失效！疲劳失效设计准则 注意：腐蚀疲劳的特点蠕变失效设计准则脆性断裂设计准则,4.2.4 刚度失效设计准则刚度的物理意义？位移=许可位移 不失效！例如：传动轴的许可位移为0.51.0度/米注意：位移为广义位移,4.2.5 稳定失效设计准则即：承载压力临界压力 ppcr4.2.6 泄漏失效设计准则,4.3 工程设计的过去、现在、将来工程设计？有目标有手段非实体作品 运用科技方法和知识，有目标地创造工程产品的构思

44、过程和计划过程。例如：？,工具生活资料公共工程家庭用品仪器运载工具武器服装设备计算机软件电子产品,工程设计涉及人类生活的各个方面！,工程设计的费用,1977年河南出土的距今7000年的用于价格谷物的石磨盘和磨棒功能！合理性！,设计特点：经验、灵感,1973山东出土的距今4000多年的黑陶高柄杯高265mm厚、0.20.3mm功能！结构！制造工艺！,132年张衡 候风地动仪,数学、自然科学知识和原理的应用,1852年德国学者Redtenbacher：机械设计的力学和方法学40年代Kesslring提出工程设计的5项评价标准：最低成本原理最小尺寸原理最小质量原理最低损耗原理最方便操作原理60年代以

45、后： 工程设计：方案设计 技术设计 工艺设计,60年代以后,社会,经济,政治,人文,法律,环境,工程设计,造型艺术,自然科学,工程科学,管理科学,工程设计的基础与环境,4.4 常规设计4.4.1 概述设计思想按规则设计（Design by Rules)；规则GB150-1998 及相关规定；载荷最大静载荷（寻找最危险截面）；设计准则最大拉应力理论； 为什么不用最大剪应力准则、比能设计准则？不连续问题的处理通过局部结构的合理设计来规避风险，不教学具体计算；,前言范围引用标准总论材料内压圆筒和内压球壳外压圆筒和外压球壳封头开孔和开孔补强法兰制造、检验与验收附录,范围本标准规定了钢制压力容器的设计、

46、制 造、检验和验收的要求。规定了适用的容器类型。 引用标准45个，涉及材料、加工、公差与配合、运输、探伤、结构、检验澄方面。 总论设计单位、制造单位的资格和职责；基本概念、基本公式、基本规定等。 材料压力容器用材料的使用规定和力学性能。 内压圆筒和内压球壳设计计算方法与公式。,外压圆筒和外压球壳设计计算方法与公式。封头类型、结构、应力计算公式与图表。开孔和开孔补强结构、应力计算公式与图表、补强方法和计算公式等。法兰类型、结构、应力计算公式与图表、焊接坡口制造、检验与验收标准、规定、方法等,计算公式薄壁容器：最大拉应力准则中径公式,说明：a. 中径公式只能用于薄壁容器，此处未考虑此限制。b. 纵

47、坐标为表41中应力强度项系数的倒数。结论：a. 比能理论最合理；b. 对于薄壁容器，各种设计准则的差别很小；c. 最大拉应力理论最激进，而最大剪应力理论最保守。,4.4.2 圆筒设计4.4.2.1 结构圆筒：单层 多层： 多层包扎式 热套式 绕板式 整体多层包扎式 绕带式,多层包扎圆筒（捆绑后焊接、通气小孔）,整体多层包扎式,（1）套合层数少，效率高，成本低。 （2）纵焊缝质量容易保证。 （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。,热套式,优点,缺点,扁平钢带倾角（1530）错绕式筒体,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）

48、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。,4.4.2.2 内压圆筒的设计中径公式：设计计算公式：式中： 为计算压力，为焊缝系数。,校核计算：若已知 、 （名义厚度）或强度校核：确定最大允许工作压力：,（真实厚度）,多层圆筒壁厚,注意,4.4.2.3 安全泄放装置,4.4.2.4 设计参数的确定 设计参数：设计压力容器的依据，由设备运行中 的参数得出。 有： 设计压力 设计温度 厚度及厚度附加量 焊接系数 许用应力,设计压力的规定,1、容器上装有安全阀时 P=(1.051.10)PW2、容器上装有爆破膜时 P=(1.151.30)PW3、盛装液化气体的

49、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,对于装有液体的容器，当 ，应考虑液柱的影响,设计压力 用于容器设计的压力，其值往往为设备工作过程中可能出现的最大压力。容器是有超压泄放装置时，执行GB150 附录B的规定：设计压力不小于安全阀的开启压力，通常为最高工作压力的1.051.1倍；b. 安装了爆破片的装置，取爆破片标定压力的上限；c. 对于承装液化气体的容器，按工作过程中可能出现的最高金属温度来确定设计压力；,注意：压力：一般指表压，MPa；工作压力：在正常工作情况下，容器中可能出现的最高压力。计算压力：用来确定元件最危险截面厚度的压力，一般为设计压力加液柱静压力。,设

50、计温度 一般为工作过程中金属可能达到的最高温度或最低温度（对低温设备）。厚度及厚度附加量a. 计算厚度：设计公式计算值；b. 设计厚度：计算厚度腐蚀裕量c. 名义厚度：设计厚度钢板负偏差，圆整得到的钢板标准规格厚度。d. 有效厚度 ：名义厚度腐蚀裕量钢板负偏差,设计图纸标注的厚度,单纯满足机械强度所需的基本壁厚,设计寿命期内满足强度和均匀腐蚀条件所需的壁厚,实际用于承受应力载荷的壁厚。,制造、安装、运输时对壳体刚度要求的最小厚度,最小厚度,碳素钢、低合金钢制容器：min3mm,高合金钢制容器：min2mm,钢板负偏差 例：GB/T 3274 中5.57.5规格钢板的负偏差为0.6mm腐蚀裕量