化工机械设备基础知识710.docx

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化工机械设备基础知识710

第7章压力容器中的薄膜应力,弯曲应力与二次应力

7.1容器

容器是化工生产所用各种设备外部壳体的总称。

7.2容器的结构

容器一般由筒体、封头、法兰、支座、接管记人孔的元件构成。

7.3容器的几何特点

压力容器壳体除平板形封头外都是回转壳体。

7.4圆筒形壳体上的薄膜应力

（1）环向薄膜应力δθδθ=pD/2δ

（2）径向薄膜应力δmδm=pD/4δ

7.5内压圆筒薄膜应力特点

（1）内压圆筒筒壁上各点处的薄膜应力相同，就某点来说，该点的环向薄膜应力比轴向薄膜应力大一倍。

（2）决定应力水平高低的截面几何量是圆筒壁厚鱼直径的比值，而不是壁厚的绝对值。

7.6球形壳体薄膜应力特点

在球壳体外内虽然存在着两向应力，但二者的数值相等。

过球壳上任何一点和球心，不论任何方向将球形壳体截开两半，都可以利用受力平衡条件求得截面上的薄膜应力为

δ=pD/4δ

7.7椭球壳体薄膜应力特点

（1）球形壳体上的δm=δo，而且各点处的应力相同。

（2）在椭球形壳体的顶点B处的薄膜应力有三个特点：

ⅰ当a/b<=2时，顶点处的应力值最大；ⅱ该点处的δm=δθ；ⅲ该点处的应力可按下式计算δm=δθ=pa/2δ（a/b）椭球越扁，顶点处的薄膜应力越大。

（3）在椭球壳的赤道处的薄膜应力有如下特点：

ⅰ在直径不变的情况下，圆球形壳体向椭球形外壳体过渡时，赤道处的径向薄膜应力不变，仍保持与球形壳体相同的值。

ⅱ在直径不变的条件下，圆球形壳体向着椭球形壳体过渡时，赤道处的环向薄膜应力，随着椭球变扁，开始是逐渐减小，当a/b值超过1.414后，赤道处的环向薄膜应力变为负值。

7.8圆锥壳体应力特点

（1）圆锥形壳体中间面的母线虽然也是直线，但不平行于回转轴，而是与回转轴相交，起交角称为圆锥壳体的半锥角。

（2）圆锥形壳体的锥截面和横截面不是同一截面，作用在锥截面上的径向薄膜应力与回转轴也相交。

7.9边界应力

局部边界地区产生相互约束的附加内力，即边界应力。

7.10边界应力的性质

（1）应力的自限性

（2）二次应力的局限性

7.11回转壳体内部的边界应力

当壳体承压变形时，点B或点C两侧也应看成是边界地区。

7.12薄膜应力的相当应力

相当应力是根据强度理论对双向薄膜应力进行某种组合后得到的。

7.13强度理论

（1）最大拉应力理论。

（2）最大切应力理论（3）形状改变比能理论

第8章压力容器

8.1设计压力容器

根据化工生产工艺提出的条件，确定设计所需的参数，选定材料和结构形式，通过强度计算确定容器体及封头的壁厚。

8.2校核在用容器

（1）判定在下一个检验周期内，或在剩余寿命期间内，容器是否还能在原设计条件下安全使用。

如果容器已不能在原设计条件先使用，应通过计算，为容器提出最高允许工作压力。

（2）如果容器针对某一使用条件需要判废，应为判废提供依据。

8.3容器直径

对用钢板卷焊的筒体，以内径作为公称直径，无缝钢管用外径。

参见8-1

8.4设计压力

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条件。

8.5工作压力

由工艺过程决定的，在工作过程中是可变动的，同时在容器顶部和底部的压力也可能是不同的。

8.6装有安全阀容器

起设计压力不得低于安全阀的整定压力，安全阀的整定压力是根据容器最大工作压力调定的。

8.7装有爆破片容器设计压力

不得低于爆破片的设计爆破压力上限。

8.8设计温度

指容器在正常操作情况、在相应的设计压力下，设定的受压元件的金属温度。

8.9蒸汽直接加热容器的设计温度

取介质的最高温度作为设计温度。

8.10间接加热容器的设计温度

取载体最高工作温度或冷载体的最低工作温度为设计温度。

8.11储存容器的设计温度

按该地区的气象资料，取历年月平均最低气温的最低值。

8.12间歇操作容器的设计温度

若器内介质的温度和压力随反应和操作程序进行周期性变化时，应按最苛刻的但却属同一时刻的温度与压力作为设计温度与设计压力的依据。

8.13计算压力

在相应设计温度下，用以确定受压元件厚度的压力，包括液柱静压力。

8.14设计压力与计算压力的区分

确定压力容器受压元件尺寸一般是有两个途径；容器进行压力测试时，试验压力的确定都由容器的设计压力为基准。

8.15新旧许用应力对比

主要是碳素钢和低合金钢在350~400度以下的许用应力值有变化。

8.16复合板的许用应力

只考虑基层金属的许用应力。

8.17焊接接头系数

参见表8-122

8.18理论计算厚度

为能安全承受计算压力所需的最小理论计算厚度为计算厚度。

8.19设计厚度

计算厚度与腐蚀裕量之和。

8.20名义厚度

将设计厚度加上钢板负偏差后向上圆整至钢板标准中规定的厚度。

8.21有效厚度

真正可以承受介质压强的厚度

8.22最小厚度

8.23标准椭圆封头厚度的确定

封头的曲面深度h=Di/4，封头的直边高度与封头公称直径有关

8.24锥形封头的结构形式

参见图8-6

8.25平板形封头

最大弯曲应力为δmax=KpD²／δ²

8.26厚度计算通用式

δ=KPcDi／（2*σ^t*Ψ）

8.27在用压力容器的强度校核

（1）按标准进行强度的校核

（2）原设计未注明所依据的强度设计标准或者无强度计算的，原则上可以根据用途或设计结构按当时的标准校核。

8.28强度校核的思路和公式

思路：

算出容器在校核压力下的计算应力，看其是否小于材料的许用应力。

（1）计算应力δ=KPchDi/2δe

（2）在容器最大允许压力p>=pi

8.29钢板用前的验收

内容齐全的质量证明书，钢印标志，符合规定。

8.30压力容器用碳钢和低合金钢选用材规定

（1）焊接用钢

（2）压力容器用钢（3）冲击功（4）断后伸长率（5）钢板超声检测（6）使用Q235系列的规定（7）要求正火状态交货的压力容器钢板。

8.31压力容器用有色金属选用材规定

（1）通用要求

（2）铝和铝合金（3）铜和铜合金（4）钛和钛合金（5）钽、锆、铌及合金

8.32复合钢板

不锈钢-钢复合钢板，镍-钢复合钢板，钛-钢复合钢板，铜钢复合钢板。

第9章外压容器鱼压杆的稳定计算

9.1稳定的概念

稳定是就平衡而言的。

平衡有两种：

稳定平衡和不稳定平衡。

9.2稳定问题的实例

（1）压杆，

（2）外压容器

9.3长圆筒、短圆筒、计算长度和临界长度

长圆筒;得不到封头支撑作用的圆筒称为长圆筒。

短圆筒：

为提高外压圆筒的抗失稳定性，可以压缩圆筒的长度或在不改变圆筒长度的前提下，在圆筒上焊接一至数个加强圈，将长圆筒变为能够得到封头或加长圈支撑的短圆筒。

计算长度：

两相邻加强圈的间距。

临界长度：

叫临界长度。

9.4材料性能对外压圆筒稳定性的影响

在进行内压圆筒的强度计算时，材料的强度指标ðs，ðb，ðn，ðd，对圆筒的承压能力具有直接的，重要的影响。

筒体的临界压力与屈服强度没有直接关系，然而材料弹性模量E却直接影筒体的临界压力。

9.5临界压力计算公式的应用条件

长圆筒ðcr=Pcr*Do/2ðe=1.1E（ðe/Do）²

短圆筒ðcr=Pcr*Do/2ðe=1.3E（ðe/Do）½/（l/Do）

应用条件：

（1）要利用临界长度Lcr，判明所给圆筒是长圆筒，还是短圆筒。

（2）要判定筒体失稳时的环向压缩应力ðcr是不是小于或等于材料的比例极限ðp。

9.6防止内压凸形封头失稳的规定

为防止出现内压凸形封头的失稳，对内压凸形封头的最小厚度做了规定：

对0.1Di<=折边半径r<0.17Di范围内的蝶形封头，它们的有效厚度不得小于3/1000Di；对于标准椭圆形封头和折边半径=0.17Di，球面半径Rci=0.9Di的蝶形封头，其有效壁厚不得小于1.5/1000Di。

9.7真空容器的加强圈

安装加强圈是提高外压容器承压能力的有效措施之一。

一类是夹套容器，另一类是没有夹套的真空容器。

9.8圆筒的轴向稳定校核

有些化工设备的壳体却有可能在其他在和作用下使启闭的局部地区出现较大的轴向压缩应力，如果这些压缩应力超过某一许可值，这里的器壁便会出现皱褶。

第10章法兰连接

10.1连接和法兰连接

在各种容器和管道中由于生产工艺的要求，或考虑制造、运输、安装、检修的方便，常采用可拆的结构。

由于法兰连接有较好的强度和密封性，而且试用尺寸范围广，在设备和管道都能应用。

10.2法兰连接的密封原理

法兰连接是由一对法兰、数个螺栓和一个垫片（圈）所组成。

法兰在螺栓预紧力的作用下，把处于法兰压紧面之间的垫片压紧，当垫圈单位面积上所受到的压紧力大道某一值时借助于垫片的变形把凹凸不平处填满即达到初始密封条件。

10.3法兰连接讨论

法兰连接所受外力，法兰在外力偶距作用下的变形和内力还有内压对器壁产生的薄膜应力及边界应力，但后者对法兰强度的影响远小于前者。

10.4压力容器法兰

三种形式：

甲型平焊法兰，乙型平焊法兰，长颈平焊法兰。

10.5甲型平焊法兰

是一个截面基本为矩形的圆环,这个圆环通常称为法兰盘，它的直径与容器的筒体或封头焊接。

10.6乙型平焊法兰

乙型平焊法兰与甲型平焊法兰相比除法兰盘外增加了一个厚度常常是大于筒体比厚的短接，有了这个短接，既可以增加整个法兰的刚度，又可以使容器壁避免承受附加弯矩。

10.7长颈对焊法兰

是用根部增厚的颈取代了乙型平焊法兰中的短接。

从而更有效地增大了法兰的整体刚度，由于去掉了乙型法兰中法兰盘与短接的焊接，所以消除了可能发生的焊接变形记可能存在的焊接残余应力。

10.8法兰密封面形式

平面型密封面，凹凸型密封面，榫槽型密封面。

10.9法兰结构

板式平焊接法兰（PL）结构简单，密封面型式只有突出和全平面两种。

带颈平焊法兰（SO）与板式平焊接法兰（PL）带颈对焊接法兰（WN）整体法兰（IF）承插焊法兰（SW）螺纹法兰（Th）松套法兰（PJ）法兰盖（BL）和不锈钢里法兰盖

10.10压力容器法兰基本参数

法兰的公称直径，公称压力

10.11法兰尺寸的确定

是由法兰的公称直径和工称压力唯一确定

10.12压力容器法兰最大容许工作压力

法兰标准中的法兰尺寸实际上是根据上述特定的设计条件确定，可以在法兰尺寸表中显示的却是法兰尺寸是由其PN,DN唯一确定。

10.13法兰材料的选用

选用板材Q235B、C时，除在工程压力和使用温度限制，Q235B钢板不得用作盛装毒性为高度货极度危害介质的压力容器法兰。

选用20R、16MnR钢板是要注意两点：

以适当厚度大于50mm时钢板要在正火下使用。

二是当温度低于0C时，厚度大于25mm的20R，厚度大于38mm的16MnR，应做使用温度下的低温冲击实验，得到的冲击值不得小于31J

乙型法兰短接材料应与法兰材料相同

选用段件时，锻件要按JB4726或JB4727的二检验和验收。

10.14压力容器法兰用密封垫片

非金属软垫片，缠绕式垫片，金属包垫片

10.15压力容器法兰用等长双头螺柱

形式与尺寸，A型与B型螺柱的选用，双头螺柱材料，标记

10.16管法兰连接

管法兰连接包括管法兰、密封垫片和紧固件。

10.17管法兰标准

HG/T20592-2009《钢制管法兰（PN系列）》

HG/T20606~20612-2009，包括六个垫片标准

HG/T20613-2009《钢制管法兰用紧固件（PN）系列》

HG/T20614-2009《钢制管法兰、垫片、紧固件选配规定（PN）系列》

10.18管法兰类型和密封面

板式平焊法兰，带颈平焊法兰，带颈对焊法兰，整体法兰，螺纹法兰，承插焊法兰，对焊环松法兰，法兰盖，衬里法兰盖。

全平面密封面，突面密封面，凹凸面密封面，榫槽面密封面和环连接面

10.19管法兰结构和使用

板式平焊法兰，带颈平焊法兰，带颈对焊法兰，整体法兰，螺纹法兰，承插焊法兰，对焊环松法兰，法兰盖，衬里法兰盖。

10.20法兰尺寸质量表

PN<=4.0MPa,DN<=600mm，最常用的接管法兰是板式平焊法兰、带颈平焊法兰，带颈对焊法兰三种。

法兰厚度C在法兰尺寸中占有重要地位，当接管的法兰DN<600mm时有板式平焊接法兰和带有对焊环的法兰。

至于具体的尺寸详见PN0.25~1.6Mpa管法兰盘后度表。

10.21管法兰密封面尺寸

三个密封面，突面，凹面、槽面、中都有尺寸d,在数值上相同，但作用不同，突面d与所用的密封垫片有关。

凹面与槽面中的d与密封垫片尺寸直接搭不上关系。

在凹凸密封面的法兰连接X小于Y值1mm，与PN无关。

在榫槽密封面的法兰连接中，X小于Y值1mm,而W又大于Z值1mm，表明榫槽密封面法兰连接，槽面中槽的宽度不随PN的而改变。

突面密封凸出的高度f1,凸面和榫面的凸出高度f1,安放垫片的凹面或凹模深度f3，三者关系f2>f3>f1。

10.22管法兰用材料

管法兰材料一般应采用锻件，不推荐用钢制制造。

管法兰用锻件的级别及技术要求符合以下规定。

下面的锻件应符合3级或3级以上锻件的要求

公称直径PN>=10MPa,公称压力PN>4.0MPa的镉钼钢锻件；

称压力PN>1.6Mpa且工作温度小于或等于-20度的铁素体钢锻件。

10.23管法兰最大容许工作压力

管法兰的设计压力不得高于设计温度下法兰允许承受的最高无冲击压力的原则。

详见表10-36~表10-41

10.24夹套法兰

当管道的外面有套筒，而且内管与套管都焊接在同一个法兰上时，这个法兰即为夹套法兰。

夹套法兰的类型有三种板式平焊套法兰；带颈平焊夹套法兰；带颈对焊夹套法兰

10.25管法兰标记

HG/T20592法兰bcdefgh,b-法兰类型代号

c-法兰公称尺寸DN并注明所用的钢管外径系列。

d-法兰公称压力等级e-密封面型号代号

f-钢管壁厚，应该有用户提供，对于带颈对焊法兰、松套法兰所用的对焊环均应标注钢管壁厚。

g-法兰材料牌号,h-表示其他附加的要求，譬如密封表面的粗糙度等。

10.26管法兰连接用密封垫片

管法兰连接的主要失效形式是泄漏。

泄漏与密封结构型式、被连接件的刚度、密封件的性能、操作和配合等许多因素有关。

垫片作为法兰连接的主要元件，对密封起着重要作用。

10.27密封垫片的类型

非金属平垫片其材料为橡胶，石棉橡胶，合成纤维橡胶压制板，聚四氟乙烯，增强柔韧性石墨板，温云母复合板。

聚四氟乙烯包覆垫片;金属包覆垫片;缠绕是垫片;具有覆盖层的齿轮组合垫;金属环形垫

10.28密封垫片的尺寸

用于突面密封面的垫片尺寸见表10-56，在突面密封面上使用的垫片有：

除金属环形垫以外的所有五种垫片

10.29密封垫片的适用范围

在不同公称压力条件下所试用的不同DN范围表示出来见表10-59

10.30密封垫片的标记

一般标记规定为垫片标准号，垫片名称，垫片的PN（bar）,和DN（mm），垫片材料代号。

10.31钢制法兰用紧固件

紧固件型式，钢制法兰用紧固件的型式包括：

六角头螺栓、等长双头螺柱、全螺纹螺柱、I型六角头螺母（螺母厚度约为0.8d）、II型六角头螺母（螺母厚度约为1.0d）

商品级和专用级：

在钢制法兰用紧固件中，按螺栓的性能等级分为商品级和专用级。

管法兰用紧固件材料的分类和力学性能：

管法兰用紧固件材料分为高强度。

中强度和高强度三级。

专用紧固件的力学性能应符合表10-62的规定。