过程设备设计全面复习资料.doc

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绪论

1.压力容器主要由哪几部分组成?

分别起什么作用?

答：

压力容器由筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座、安全附件六大部件组成。

2.GB150、JB4732三个标准有何不同？

它们的适用范围是什么？

答：

GB150《钢制压力容器》属于常规设计标准；JB4732《钢制压力容器—分析设计标准》是分析设计标准。

JB/T4735与GB150及JB4732没有相互覆盖范围，但GB150与JB4732相互覆盖范围较广。

GB150的适用范围：

设计压力为0.1MPa≤p≤35MPa，真空度不低于0.02MPa；设计温度为按钢材允许的使用温度确定（最高为700℃，最低为-196℃）；对介质不限；采用弹性失效设计准则和失稳失效设计准则；应力分析方法以材料力学、板壳理论公式为基础，并引入应力增大系数和形状系数；采用最大应力理论；不适用疲劳分析容器。

JB4732的适用范围：

设计压力为0.1MPa≤p<100MPa，真空度不低于0.02MPa；设计温度为低于以钢材蠕变控制其设计应力强度的相应温度（最高为475℃）；对介质不限；采用塑性失效设计准则、失稳失效设计准则和疲劳失效设计准则，局部应力用极限分析和安定性分析结果来评定；应力分析方法是弹性有限元法、塑性分析、弹性理论和板壳理论公式、实验应力分析；采用切应力理论；适用疲劳分析容器，有免除条件。

3、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

4、过程装备的特点：

（1）功能原理多种多样

（2）机电一体化（3）外壳多为压力容器

5、过程设备的基本要求：

安全可靠；满足过程要求；综合经济性好；优良的环境性能

1.压力容器导言

1、压力容器基本组成：

筒体、封头、密封装置、开孔与接管、支座、安全附件

2、圆筒按其结构可分为单层式和组合式

3、封头形式凸形封头：

球形、椭圆形、蝶形和球冠形封、锥壳、平盖

4、封头与筒体的连接：

不可拆式（焊接）可拆式（螺栓连接）

5、安全附件主要有：

安全阀、爆破片装置、紧急切断阀、安全联锁装置、压力表、液面计测温仪表等

6、介质危害性：

指介质的毒性、易燃性、腐蚀性、氧化性等。

其中影响压力容器分类的主要是毒性和易燃性

7、压力容器分类：

①按压力等级分：

低压（L）容器0.1MPa≤p＜1.6Mpa；中压（M）容器1.6MPa≤p＜10.0Mpa；

高压（H）容器10MPa≤p＜100Mpa；超高压（U）容器p≥100MPa

②按作用分：

反应压力容器（代号R）；换热压力容器（代号E）；分离压力容器（代号S）；储存压力容器（代号C，其中球罐代号B）

③按安装方式分：

固定式压力容器；移动式压力容器

2.压力容器应力分析

1、载荷：

压力、非压力载荷、交变载荷

非压力载荷：

整体载荷（重力、风、地震、运输、波动载荷）；局部载荷：

管系载荷、支座反力、吊装力

2、载荷工况|：

正常操作工况、特殊载荷工况（压力试验、开停车及检修）、意外载荷工况（紧急状态下快速启动、紧急状态下突然停车）

3、壳体：

以两个曲面为界，且曲面之间的距离远比其它方向尺寸小得多的构件。

壳体中面：

与壳体两个曲面等距离的点所组成的曲面。

薄壳：

壳体厚度t与其中面曲率半径R的比值（t/R）max≤1/10。

薄壁圆筒：

外直径与内直径的比值Do/Di≤1.1~1.2厚壁圆筒：

外直径与内直径的比值Do/Di≥1.2

4、回转薄壳应力分析基本假设：

a.壳体材料连续、均匀、各向同性；

b.受载后的变形是弹性小变形；

c.壳壁各层纤维在变形后互不挤压

轴向平衡：

=

5、无力矩理论:

只考虑薄膜内力,忽略弯曲内力的壳体理论。

有力矩理论:

同时考虑薄膜内力和弯曲内力的壳体理论。

无力矩理论所讨论的问题都是围绕着中面进行的。

因壁很薄，沿壁厚方向的应力与其它应力相比很小，其它应力不随厚度而变，因此中面上的应力和变形可以代表薄壳的应力和变形。

6、拉普拉斯方程：

7、热应力：

因温度变化引起的自由膨胀或收缩受到约束，在弹性体内所引起的应力，称为热应力。

热应力的特点：

a.热应力随约束程度的增大而增大

b.热应力与零外载相平衡，是自平衡应力

c.热应力具有自限性，屈服流动或高温蠕变可使热应力降低

8、不连续效应：

回转壳的不连续效应：

附加力和力矩产生的变形在组合壳连接处附近较大，很快变小，对应的边缘应力也由较高值很快衰减下来，称为“不连续效应”或“边缘效应”。

不连续应力有两个特征：

局部性和自限性。

局部性：

随着里边缘距离的增加，各内力呈指数函数迅速衰减以致消失。

自限性：

不连续应力是由弹性变形受到约束所致，因此对于用塑性材料制造的壳体，当连接边缘的局部区产生塑变形，这种弹性约束就开始缓解，变形不会连续发展，不连续应力也自动限制，这种性质称不连续应力的自限性。

9、厚壁圆筒应力特征：

三向应力状态；应力沿壁厚分布不均匀；需要考虑内外壁间的温差

10、残余应力产生的原因：

当厚壁圆筒进入弹塑性状态后，将内压卸除，塑性区因纯在残余变形不能恢复原来尺寸，而弹性区由于本身弹性收缩，力图恢复原来的形状，但受到塑性区残余变形的阻挡，从而在塑性区中出现压缩应力，在弹性区内产生拉伸应力，这种自平衡的应力就是残余应力。

与残余应力有关的因素：

应力应变关系简化模型；屈服失效判据；弹塑性交界面的半径。

11、失稳：

承受外压载荷的壳体，当外压载荷增大到某一值时，壳体会突然失去原来的形状，被压扁或出现波纹，载荷卸去后，壳体不能恢复原状的现象叫外压壳体的失稳

12、局部应力计算方法：

应力集中系数法；数值解法；实验测试法；经验公式

降低局部应力的措施：

1、合理的结构设计（减少两连接件的刚度差、尽量采用圆弧过渡、局部区域补强、选择合适的开孔方位）2、减少附件传递的局部载荷3、尽量减少结构中的缺陷

3.压力容器材料及环境和时间对其性能的影响

1、压力容器本体主要采用板材、管材和锻件，其紧固件采用棒材。

2、压力容器用刚可分为碳素钢、低合金钢和高合金钢。

碳素钢：

强度低，塑性和可焊性较好价格低廉；常用于常压或中、低压容器；也做垫板、支座等零部件材料。

低合金钢：

是一种低碳低合金钢，合金元素含量较少（总量一般不超过3%），具有优良的综合力学性能，其强度、韧性、耐腐蚀性、低温和高温性能等均优于相同含碳量的碳素钢。

采用低合金钢，不仅可以减薄容器的壁厚，减轻重量，节约钢材，而且能解决大型压力容器在制造、检验、运输、安装中因壁厚太厚所带来的各种困难。

3、焊接：

通过加热或（和）加压使工件达到结合的一种方法。

有熔焊，压焊和钎焊。

焊接接头：

焊缝、融合区和热影响区。

焊接缺陷：

裂纹、夹渣、未熔透、未熔合、焊瘤、气孔、咬边

焊接接头检验：

1、破坏性检验2、非破坏性检验（外观检验、密封性检验、无损检测）

4、环境因素对压力容器的性能影响：

温度高低；载荷波动；介质性质；加载速率

5、金属腐蚀分类：

1、按腐蚀的机理来分：

电化学腐蚀、化学腐蚀2、按金属腐蚀的形势来分：

全面腐蚀、局部腐蚀

局部腐蚀：

晶间腐蚀、小孔腐蚀、缝隙腐蚀

晶间腐蚀：

腐蚀沿着金属的晶粒边界及其邻近区域发生或扩展的局部腐蚀形态。

6、应力腐蚀的预防措施：

合理选择材料；减少或消除残余拉应力；改善介质条件；涂层保护；合理设计

7、压力容器用钢的基本要求：

有较高的强度，良好的塑性、韧性、制造性能和与介质相容性。

压力容器用钢的含碳量一般不大于0.25%

8、硫和磷是钢中最主要的有害元素：

硫能促进非金属夹杂物的形成，使塑性和韧性降低。

磷能提高钢的强度，但会增加钢的脆性，特别是低温脆性。

将硫和磷等有害元素含量控制在很低水平，即大大提高钢材的纯净度，可提高钢材的韧性、抗中子辐照脆化能力，改善抗应变时效性能、抗回火脆性性能和耐腐蚀性能

9、机械产品通常希望提高材料的曲强比，压力容器对材料的要求则相反，一般情况下应避免采用调质热处理等方法不恰当的提高材料的强度，以留有一定的塑性储备量。

4.压力容器设计

1、压力容器失效：

压力容器在规定的使用环境和时间内，因尺寸、形状或者材料性能变化而危及安全或者丧失正常功能的现象。

失效表现形式：

泄漏、过度变形、断裂

2、失效形式：

1）强度失效2）刚度失效3）失稳失效4）泄漏失效

3、强度失效：

因材料屈服或断裂引起的压力容器失效，称为强度失效，包括（a）韧性断裂、（b）脆性断裂、（c）疲劳断裂、（d）蠕变断裂、（e）腐蚀断裂等。

韧性断裂——韧性断裂是压力容器在载荷作用下，产生的应力达到或接近所用材料的强度极限而发生的断裂。

4、设计准则：

①强度失效设计准则、②刚度失效设计准则（在载荷作用下，要求构件的弹性位移和或转角不超过规定的数值）、③失稳失效设计准则（防止失稳的发生，小于临界压力值）、④泄漏失效设计准则

5、组合式圆筒的类型：

多层包扎式、热套式、绕板式、整体多层包扎式、绕带式

6、压力容器设计技术参数：

设计压力、设计温度、厚度及其附加量、焊接接头系数、许用应力

设计压力：

指设定的容器顶部的最高压力与相应的设计温度一起作为设计载荷的条件，其值不得低于工作压力。

计算厚度δ

名义厚度δn

设计厚度δd

腐蚀裕量C2

厚度负偏差C1

最小厚度δmin

第一次厚度圆整值

腐蚀裕量C2

7、计算厚度：

按有关公式采用计算压力得到的厚度

设计厚度：

计算厚度与腐蚀裕量之和

名义厚度：

设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度。

有效厚度：

为名义厚度减去腐蚀裕量和钢材负偏差

碳素钢、低合金钢制造的容器最小厚度不小于3mm,高合金钢最小厚度不小于2mm

8、焊接接头系数：

表示焊缝金属与母材强度的比值，反映容器强度受削弱的程度。

9、许用应力：

容器壳体、封头等受压元件的材料许用强度，取材料强度失效判据的极限值与相应的材料设计系数比。

10、外压容器的设计参数：

设计压力、稳定性安全系数、外压计算长度

11、加强圈的作用：

在外压圆筒上设置加强圈，将长圆筒转化为短圆筒，可以有效的减少圆筒厚度、提高圆筒稳定性。

加强圈主要确定：

加强圈的间距、截面尺寸、结构设计，以保证有足够的稳定性。

12、封头种类：

凸形封头（半球形、椭圆形、蝶形、球冠形）、锥壳、变径段、平盖

13、螺栓法兰连接主要由法兰、螺栓和垫片组成。

螺栓的作用：

提供预紧力实现初始密封，并承担内压产生的轴向力；使螺栓法兰连接变成可拆连接。

14、流体在密封口泄露两条途径：

渗透泄漏—通过垫片材料本体毛细管的渗透泄露；

界面泄露—沿着垫片与压紧面之间的泄露（密封失效的主要途径）

15、密封机理：

防止流体泄露的基本方法是在密封口增加流体的流动阻力，当介质通过密封口的阻力大于密封口两侧的介质压力差时，介质就被密封。

而介质通过密封口的阻力是借施加于压紧面上的比压力来实现的，作用在压紧面上的密封比压力越大，则介质通过密封口的阻力越大，越有利于密封。

16、密封分类：

强制式密封、自紧式密封、半自紧式密封

17、密封性能的主要因素：

螺栓预紧力、垫片性能、压紧面的质量、法兰刚度、操作条件

18、高压密封的基本特点：

一般采用金属密封元件；采用窄面或线接触密封；尽可能采用自紧或半自紧式密封

高压密封的结构形式：

平垫密封、卡扎里密封、双锥密封、伍德密封、高压管道密封

提高高压密封性能的措施：

改善密封接触表面；改进垫片结构；采用焊接密封元件

19、开孔局部补强结构：

补强圈补强、厚壁接管补强、整体锻件补强

20、开孔补强设计准则：

等面积补强法、压力面积补强法、极限载荷补强法

A1：

壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积

A2：

接管有效厚