压力容器的定义和结构 在化工生产中,我们能看到形形色色的容器,例如反应器(代号R)、换热器(代号E)、储罐 […]
压力容器的定义和结构
在化工生产中,我们能看到形形色色的容器,例如反应器(代号R)、换热器(代号E)、储罐(代号C)等,它们都属于压力容器。压力容器的定义是指盛装气体或者液体,承载一定压力的密闭设备。它的基本组成可以简单概括为:筒体、封头、密封装置、开孔与接管、支座、安全附件,结构如图1所示:
图1 压力容器的整体结构
压力容器分类(按承压性质)
按照承压方式分类,压力容器可以分为内压容器和外压容器,内压容器又可按设计压力(P)大小分为四个压力等级,具体划分如下:
a) 低压容器:0.1MPa≤P<1.6MPa
b) 中压容器:1.6MPa≤P<10.0 MPa
c) 高压容器:10.0MPa≤P<100.0MPa
d) 超高压容器:P≥100.0MPa
外压容器中,当容器的内压力小于1个绝对大气压时又称为真空容器。
压力容器的失效及设计准则
压力容器设计的一般思路如图2所示,首先是判断压力容器失效的形式,失效的形式一般有以下几种:
1) 强度失效:因材料屈服或断裂引起的压力容器失效;
2) 刚度失效:由于压力容器变形大到足以引起其正常工作而引起的失效;
3) 失稳失效:在压应力作用下,压力容器突然失去其原有的原则几何形状而引起的失效;
4) 泄露失效:泄露引起的失效(一般为跑、冒、滴、漏几种形式)。
图2 压力容器设计步骤
对于一般使用的薄壁压力容器,强度失效主要失效形式,采用弹性设计准则,即将容器总体部位的初始屈服视为失效,以最大拉应力准则(即σ1≤[σ]t)来设计,并且按GB150《压力容器》进行制造、检验和验收,并接受TSG21《固定式压力容器》的监督。
压力容器的材料选择
压力容器选材应依据GBT13-2014《锅炉和压力容器用钢板》标准。对于普通用途没有特殊要求的压力容器,常用的钢材是Q345R(相当于旧牌号16MnR),它是压力容器使用范围最广泛的钢材,表示的意思为屈服极限为345MPa(即σs=345MPa);但当温度在475-600℃环境下,应使用Cr-Mo热强钢,提高设备的热强性和抗氢腐蚀性能,如15CrMoR、12Cr1MoVR等;当温度低于-20℃工作的压力容器,应按照低温压力容器选材,如铁素体低温用钢(16MnDR、15MnNiDR)、奥氏体钢(Fe-Cr-Ni系)等。并且对于有氯化物应力腐蚀和孔蚀环境,应选用奥氏体-铁素体双相不锈钢。
应力分析
对于不同的压力容器,应力分析都不一样并且很复杂,故可以使用软件SW6进行设计,以板式浮阀塔为例,操作步骤如下。
如图3,首先选择塔设备选项
图3 塔设备选项
即可出现图4所示,点击“文件操作”,新建一个项目
图4 新建文件
在如图5,在“数据输入”中,首先是“筒体数据”
图5 输入筒体数据
如图6,对于筒体壁厚,可以先大概自己估填一个值(例如10mm)
图6 估算筒体壁厚
在后续的“计算结果”中,会给出一个推荐值(例如14mm),在回过来更改此处即可,还需要说明的两个地方是“焊缝系数”和“实验压力”,选择和计算分别如下表:
液压实验压力(MPa) |
|
气压实验压力(MPa) |
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(注:[σ]表示材料在试验温度(通常为常温15℃)下的许用应力,[σ]t表示材料在设计温度下的许用应力)
其次是“内件数据”,根据塔的类型输入相应数据,如图7:
图7 内件数据
接下来是“附件数据”,对于“扶梯和管线的相对位置”,推荐取90°,“平台宽度”取1000mm即可,如图8:
图8 附件数据
对于“上封头数据”,若无特殊要求,通常取标准椭圆封头,即“封头内曲面深度”为筒体内直径的1/4,“封头名义厚度”通常取和筒体壁厚相同,在筒体内径小于2000mm时,封头直边段取25mm,大于取40mm,如图9:
图9 上封头数据
“下封头数据”输入如图10:
图10 下封头数据
对于“载荷数据”,“偏心载荷”指的是塔体上悬挂的再沸器、冷凝器等附属设备,质量系数取1.2即可,其余的参数按照塔设备建造的地方选取,可参照GB150《压力容器》。偏心载荷的设置如下:
图11 偏心载荷数据设置1
图12 偏心载荷数据设置2
“裙座数据”输入中,按照“化工原理课程设计”中计算得到相应的参数即可。
图13 裙座数据设置1
图14 裙座数据设置2
图15 裙座数据设置3
随后点击“计算”->“设备计算”如图16:
图16 设备计算
在图17所示中,选择已经输入过的数据选项,得到图18,检查图18中是否所有的选项都合格之后,才可形成“计算说明书”,否则得对相应的数据进行修改直至合格。
图17 选择数据选项
图18 整体数据校核
所有数据校验合格后,即可导出“设计计算书”,如下图19所示。至此,运用软件SW进行本压力容器的应力分析初步完成。
图19 导出设计计算书
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