aar_0901_362854--高压容器设计--mg2326681.ppt
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1、压力容器设计 第五章 高压容器设计,潘家祯 华东理工大学机械与动力工程学院,第五章 高压容器设计,第一节 概述 第二节 高压容器筒体的结构与强度设计 第三节 高压容器的密封结构与设计计算 第四节 高压容器的主要零部件设计,3,第一节 概述,一、高压容器的应用 二、高压容器的结构特点 三、高压容器的材料,4,第一节 概述,工程上: 10 MPa P设 100 MPa 高压容器 100 MPa以上 超高压容器 一般属于三类容器 本章专门介绍其特殊的结构和设计方法,一、高压容器的应用,5,一、高压容器的应用,军事工业:炮筒、核动力装置 化学和石油化工:合成氨、合成甲醇、合成尿素、油类加氢等合成反应的
2、高压反器、高压缓冲与贮存容器。 电力工业:核反应堆,水压机的蓄力器 发展现状:直径4.5米,壁厚280毫米,重约1000吨, 压力2000MPa,第一节 概述,6,二、高压容器的结构特点,高压容器设计与制造技术发展的核心问题: 既要随着生产的发展能制造出大壁厚的容器 又要设法尽量减小壁厚以方便制造。 高压容器特点: 1 结构细长(长径比可达28) 2 采用平盖或球形封头(平盖仅在1m直径以下采用) 3 密封结构特殊多样(多种自紧式密封) 4 高压筒身限制开孔,第一节 概述,7,三、高压容器的材料,筒体与封头的特殊要求: 1) 强度与韧性 为了提高材料强度以减少壁厚,一般采用 低合金钢,如16M
3、nR、15MnVR和18MnMoNBR。 同时为了保证韧性,加入少量(2%)Ni和Cr, 并控制P和S含量0.004%,第一节 概述,8,三、高压容器的材料,筒体与封头的特殊要求: 2) 制造工艺性能 具有良好的焊接性能包括可焊性、吸气性、抗热裂与冷裂倾向、抗晶粒粗大倾向等、 具有良好的可锻性,第一节 概述,9,三、高压容器的材料,筒体与封头的特殊要求: 3) 其他要求 耐腐蚀性 原材料检验要求较高 耐高温性能:高温下有较高强度,抗珠光体球化与石墨化能力较强,第一节 概述,10,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,一、高压筒体的结构型式及设计选型 二、厚壁圆筒的弹性应力分析 三、高压筒体的失
4、效及强度计算,11,一、高压筒体的结构型式及设计选型,(一)整体锻造式:直径300800mm,长度12m 优点:性能优良,缺点:加工费用高 (二)单层式:单层卷焊、单层瓦片和无缝钢管式。 优点:加工简单,缺点:材料设备受限制 (三)多层式:层板包扎式、热套式和绕板式 (四)绕带式:中国独创(浙大),第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,12,一、高压筒体的结构型式及设计选型,(一)整体锻造式 最早采用的筒体型式,筒体和法兰可整段而出或用螺纹连接,锻造容器的质量较好,特别是和与焊接性能较差的高强钢所制作的超高压容器,受锻造条件限制,一般直径为300-800mm,长度不超过12米。,第二节 高压容
5、器筒体的结构与强度设计,13,一、高压筒体的结构型式及设计选型,(二)单层式 单层厚壁高压容器有种形式: 单层卷焊式:直径工序少,周期短效率高 单层瓦片式:生产效率比单层卷焊差,费工费时 无缝钢管式:效率高,周期短 以上三种形式被三方面因素制约: 1)厚壁材料来源; 2)大型机械条件; 3)纵向和环向深厚焊逢中缺陷检测;,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,14,(三)多层式 1)层板包扎式 特点:1.只需薄板,原材料供应方便(4-8mm) 2.只需卷板机和包扎机; 3.改善筒体应力分布(内层压应力) 4.比单层安全 5.内筒可采用与筒体不同的结构 缺点:1.生产效率低 2.层板材料利用率低
6、 3.层板间间隙较难控制 4.导热性差,一、高压筒体的结构型式及设计选型,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,15,一、高压筒体的结构型式及设计选型,(三)多层式 2)热套式不同直径过盈配合的圆筒。 特点:1.生产效率高,中厚板,层数少 2.材料来源广泛利用率高 3.焊缝质量容易保证 3)绕板式薄板均匀地缠绕在内筒上。 特点:1.效率高,不需一片一片地下料; 2.材料利用率高,基本没有边角余料; 3.机械化程度高,绕板机上一次完成。 缺点:探伤困难,焊接残余应力大,坡口量大。,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,16,一、高压筒体的结构型式及设计选型,四)绕带式 对原材料要求一般 材料利用
7、率相当高 缠绕机简单 制造方便 成本低,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,17,一、高压筒体的结构型式及设计选型,(五)设计选型原则 各种结构型式的高压容器主要是围绕如何用经济的方法获得大厚度这一问题。 设计选型时必须综合原材料来源,配套的焊条焊丝、制造厂所具备的设备条件和工夹具条件,以及对特殊材料的焊接能力、热处理要求及工厂装备条件等。 作充分调查论证后才能做到选型正确,确有把握。,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,18,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,一、高压筒体的结构型式及设计选型 二、厚壁圆筒的弹性应力分析 三、高压筒体的失效及强度计算,19,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,
8、厚壁容器承受压力载荷时产生的应力具有如下特点: 薄壁容器中的应力只考虑经向和周向两向应力,忽略径向应力。但厚壁容器中压力很高,径向应力则难以忽略,应考虑三向应力分析。 在薄壁容器中将二向应力视为沿壁厚均匀分布薄膜应力,厚壁容器沿壁厚出现应力梯度,薄膜假设不成立。 内外壁间的温差随壁厚的增大而增加,由此产生的温差应力相应增大,厚壁容器中的温差应力不应忽视。,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,20,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,(一)受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,21,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,(一)受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力,第二节 高压容器筒体的
9、结构与强度设计,22,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,(一)受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力,物理方程 按广义虎克定律可表示为:,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,23,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,(一)受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,24,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,(一)受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力,(2)平衡方程,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,25,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,(一)受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力,(2)平衡方程,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,26,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,(一)受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力,(2
10、)平衡方程,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,27,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,(一)受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力,(2)平衡方程,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,28,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,(一)受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力,(2)平衡方程,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,29,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,(一)受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力,(2)平衡方程,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,30,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,(一)受内压单层厚壁圆筒中的弹性应力,分布规律,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,31,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,(二)单层厚壁圆筒
11、的位移表达式,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,32,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,(二)单层厚壁圆筒的位移表达式,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,33,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,(三)单层厚壁圆筒中的温差应力,(1)温差应力方程,对无保温层的高压容器,若内部有高温介质,内外壁面必然形成温差,内外壁材料的热膨胀变形存在相互约束,变形不是自由的,导致温差应力。 内壁温度高于外壁时(称为内加热),内层材料的自由热膨胀变形大于外层,但内层变形受到外层材料的限制,因此内层材料出现了压缩温差应力,而外层材料则出现拉伸温差应力。 当外加热时,内外层温差应力的方向则相反。可以想象,当壁厚愈厚时,沿
12、壁厚的传热阻力加大,内外壁的温差也相应增大,温差应力便随之加大。,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,34,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,(三)单层厚壁圆筒中的温差应力,(1)温差应力方程,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,35,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,(三)单层厚壁圆筒中的温差应力,(1)温差应力方程,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,36,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,(三)单层厚壁圆筒中的温差应力,(1)温差应力方程,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,37,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,(三)单层厚壁圆筒中的温差应力,(1)温差应力方程,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,
13、38,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,(三)单层厚壁圆筒中的温差应力,(1)温差应力方程,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,39,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,(三)单层厚壁圆筒中的温差应力,(1)温差应力分布规律,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,40,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,(三)单层厚壁圆筒中的温差应力,(1)温差应力分布规律,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,41,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,(三)单层厚壁圆筒中的温差应力,2 温差应力的工程近似计算,(1) 计算公式的简化,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,42,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,(三)单层厚壁圆筒中的温差应力
14、,2 温差应力的工程近似计算,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,t 为圆筒实际壁厚,mm,43,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,(四)内压与温差同时作用的厚壁圆筒中的应力,2 温差应力的工程近似计算,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,44,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,(四)内压与温差同时作用的厚壁圆筒中的应力,2 温差应力的工程近似计算,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,45,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,一、结构型式及设计选型 二、厚壁圆筒的弹性应力分析 三、高压筒体的失效及强度计算,46,三、高压筒体的失效及强度计算,(一)高压筒体强度失效及强度设计准则,高压容器的失效类型
15、: 强度不足引起的塑性变形甚至韧性破坏; 材料脆性或严重缺陷引起的脆性破坏; 环境因素引起的腐蚀失效; 高温下的蠕变失效以及交变载荷下的疲劳失效等。 高压容器常规设计计算,主要考虑要使高压容器具有足够的防止发生过度的塑性变形及爆破等强度失效的能力,即要具有足够的强度。 防止高压筒体的强度失效应考虑厚壁筒应力分布的两个重要特点: 沿壁厚的应力分布不均匀,弹性状态下内壁的应力状态是最恶劣的; 处于三向应力状态,其径向应力不应忽略。 对筒体强度的设计计算时必然会碰到:采用什么强度失效的设计准则和采用什么强度理论来处理三向应力。,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,47,三、高压筒体的失效及强度计算
16、,(一)高压筒体强度失效及强度设计准则,1. 弹性失效设计准则,为防止筒体内壁发生屈服,以内壁相当应力达到屈服状态时为发生弹性失效。这就应将内壁的应力状态限制在弹性范围以内,此为弹性失效设计准则。这是目前世界各国使用得最多的设计准则,中国高压容器设计也习惯采用此准则。 设计计算时如何表达内壁三向应力的相当应力(应力强度)这需要采用各种强度理论。将相当应力限制在设计许用应力之内,以此作为强度条件即可防止筒体发生弹性失效,并有足够的安全裕度。,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,48,三、高压筒体的失效及强度计算,(一)高压筒体强度失效及强度设计准则,1. 弹性失效设计准则,第二节 高压容器筒体
17、的结构与强度设计,49,三、高压筒体的失效及强度计算,(一)高压筒体强度失效及强度设计准则,1. 弹性失效设计准则,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,50,三、高压筒体的失效及强度计算,(一)高压筒体强度失效及强度设计准则,2. 塑性失效设计准则,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,51,三、高压筒体的失效及强度计算,(一)高压筒体强度失效及强度设计准则,3. 爆破失效设计准则,非理想塑性材料在筒体整体屈服后仍有继续承载的能力。因为随着压力的增加筒体的屈服变形增大,材料不断发生屈服强化。当筒体出现塑性大变形时,筒体因材料强化而使承载能力继续上升的因素与因塑性大变形造成壁厚减薄而使承载能力
18、下降的因素相抵消,此时筒体便无法增加承载能力,筒体即将爆破,此时的压力即为筒体的最大承载压力,称为爆破压力。 以容器爆破作为失效状态,以爆破压力作为设计的基准,再考虑安全系数便可确定能安全使用的压力或确定筒体的设计壁厚,称为爆破失效设计准则。,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,52,三、高压筒体的失效及强度计算,(一)高压筒体强度失效及强度设计准则,3. 爆破失效设计准则,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,53,三、高压筒体的失效及强度计算,(二)单层高压圆筒的强度计算,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,压力在35MPa以下,壁厚比K1.2时,与中低压容器筒体壁厚计算方法一样。,5
19、4,三、高压筒体的失效及强度计算,(二)单层高压圆筒的强度计算,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,55,三、高压筒体的失效及强度计算,(三)多层圆筒的强度计算,多层圆筒包括层板包扎式、绕板式及热套式等结构型式。不论在包扎、缠绕或热套时都会在逐层紧缩过程中产生一定大小的预应力,它们使内层材料受到周向压缩预应力作用,而外层材料的收缩(如包扎中纵焊缝收缩、绕带收紧、热套冷却收缩)受到内层的抑制时便产生拉伸预应力。这些预应力将使筒体在受内压的工作状态下的应力分布由不均匀趋向于均匀,如图512所示。,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,56,三、高压筒体的失效及强度计算,(三)多层圆筒的强度计算,
20、多层厚壁筒体的强度计算是粗糙的工程化方法。实际多层圆筒并非理想的组合圆筒,贴紧度、层间预应力不能达到均匀状况,采用简化的工程化方法是合理的。 直径不太大的双层或多层热套超高压容器,可用机加工保证过盈量的精度,预应力或承压的应力均可计算。可用优化设计方法求得各层等强度情况下最小总厚度。,第二节 高压容器筒体的结构与强度设计,57,第三节 高压容器的密封结构与设计计算,一、高压密封的结构形式 二、主要密封结构的设计计算,58,第三节 高压容器的密封结构与设计计算,一、高压密封的结构形式,高压下的密封设计,从密封原理与密封结构上总的原则如下。 采用金属垫圈高压密封面的比压大大超过中低压容器的密封比压
21、才能满足高压密封的要求,非金属垫片材料无法达到如此大的密封比压。高压容器常用的金属垫圈是延性好的退火铝、退火紫铜或软钢。 采用窄面密封代替中低压容器中的宽面密封有利于提高密封面比压,可大大减少总的密封力,减小密封螺栓的直径,也有利于减小法兰与封头的结构尺寸。甚至将窄面密封演变成线接触密封。 利用介质压力达到自紧密封利用介质的高压来帮助密封。首先使垫圈预紧,工作时随压力提高使垫片压紧,达到自紧的目的。自紧式密封比中低压容器中常用的强制密封更为可靠和紧凑。,59,第三节 高压容器的密封结构与设计计算,一、高压密封的结构形式,依靠紧固件(螺栓)压紧垫圈达到预紧并保证工作时也能密封,称为强制密封。 常
22、见的强制式高压密封结构是平垫密封结构。与中低压容器中常用的法兰垫片密封相似,但将非金属垫片改为金属垫圈,将宽面密封改为窄面密封。 窄面金属垫圈为退火紫铜、退火铝或10钢制成的扁平金属圈。预紧和工作密封靠端部大法兰的主螺栓施加足够的压紧力。预紧时使垫圈产生塑性变形堵塞微小的泄漏通道。预紧力的大小与垫片的宽度和材料的屈服强度有关。,(一) 平垫密封,60,第三节 高压容器的密封结构与设计计算,一、高压密封的结构形式,(一) 平垫密封,内压上升后压力作用在顶盖上传至主螺栓、使其弹性伸长,垫片回弹,需保持垫片有一定的比压。无论预紧还是工作状态,尽可能减小垫片的宽度。为防止因垫圈塑性变形咬死密封口无法拆
23、卸,顶盖可配46个起卸螺栓,使螺栓的端面顶住法兰端面,将平盖顶开。,平垫密封的的优点是结构简单。 缺点是主螺栓直径过大,法兰与平盖的外径也随之加大,变得笨重; 装拆主螺栓都极不方便; 不适合温度与压力波动较大的场合,对垫片压紧力变化敏感易引起泄漏。 因此一般仅用于200以下的场合,容器内径也不大。,61,第三节 高压容器的密封结构与设计计算,一、高压密封的结构形式,这也是强制式密封,但为了解决拧紧与拆卸主螺栓的困难,改用螺纹套筒来代替主螺栓,见右图。 螺纹套筒与顶盖和法兰上的螺纹是间断的螺纹,每隔一定角度(10一30)螺纹断开,装配时只要将螺纹套筒旋转相应角度就可装好, 垫片的预紧力靠预紧螺栓
24、施加,通过压环传递给三角形截面的垫圈。 介质压力引起的轴向力由螺纹套筒承担,预紧螺栓的直径比平垫密封的主螺栓小。预紧方便是卡扎里密封最大的优点。,(二) 卡扎里密封,62,第三节 高压容器的密封结构与设计计算,一、高压密封的结构形式,改进卡扎里密封(见右图)是为改善套筒螺纹锈蚀给拆卸增加困难的情况,仍采用主螺栓,但预紧仍依靠预紧螺栓,主螺栓不需拧得很紧,从而装拆较为省力。 卡扎里密封中的压环材料一般应采用强度较高硬度也较高的35CrMo钢或优质钢45、35钢。密封垫圈材料与金属平垫相同。 卡扎里密封适宜平垫密封不适用的较大直径,如直径在1m以上、压力在30MPa以上的情况,但设计温度在350
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