高压容器的设计方案课件.ppt

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,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,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,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,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,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16MnR、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,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,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,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,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,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）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,（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 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,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,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,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,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,二、厚壁圆筒的弹性应力分析,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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,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：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,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,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,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,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,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,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,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,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。,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,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,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,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,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。,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,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。,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,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 Co以下较合适。,(二) 改进的卡扎里密封,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,这是保留主螺栓但属自紧式的密封结构，用双锥面的软钢密封垫圈，两个30o锥面是密封面，垫有软金属垫，如退火铝、退火紫铜或奥氏体不锈钢等。,(三) 双锥密封,预紧时双锥垫内表面与平盖贴紧。当内压升高平盖上浮时一方面靠双锥垫自身的弹性扩张(称为回弹)而保持密封锥面仍有相当的压紧力，另一方面又靠介质压力使双锥垫径向向外扩张，进一步增大双锥密封面的压紧力。,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,这是一种使用得最早的自紧式高压密封结构。,(四) 伍德密封,平盖是一个可上下浮动的端盖8，安装时先放入容器顶部，放入楔形密封垫2，再放入由四块拼成一个圆圈的便于嵌入筒体顶部凹槽的四合环4，用螺栓将四合环位置固定，放入牵制环5，由牵制螺栓7将浮动端盖吊起压紧楔形垫，可起预紧作用。压力升高后载荷加到浮动端盖上，压力愈高，垫圈的压紧比压愈大，密封愈可靠。,伍德密封的特点是： 自紧式，压力和温度的波动不影响密封可靠性； 取消了主螺栓，筒体与锻件尺寸大大减小，装拆的劳动强度比主螺栓的密封结构，特别比平垫密封的低得多。 缺点是结构笨重，零件多，加工也麻烦。,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,钢质“C”形密封环形状如图：,(五) C型密封,环的上下面有一圈突出的圆弧，这是线接触密封。由紧固件预紧时“C”形环受到弹性的轴向压缩，允许少量屈服。工作时顶盖上浮，一方面密封环回弹张开，另一方面由内压作用在环的内腔而使环进一步张开，使线接触处仍旧压紧，压力越高越紧。“C”形环是自紧式密封环。,“C”形环的优点是结构简单，无主螺栓，特别适合于快开连接，但由于使用大型设备的经验不多，一般只用于内径1000mm以内32MPa压力以下及350oC以下的场合。,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,空心金属“O”形环是用外径不超过12mm的金属小圆管弯制而成的。,(六) 空心金属O型环密封,“O”形环放在密封槽内，预紧时紧固件将管子压扁，回弹力为“O”形环的密封面压紧力。如果管内充以惰性气体或能升温后气化的固体，可形成3.510.5MPa压力，或在环内侧钻若干小孔使环内与工作介质连通，可加强自紧密封作用。,充气“O”形环工作时，升温后管内压力增加，补偿了由于温度升高使材料回弹能力降低的影响，起自紧作用。,“O”形环密封结构简单，密封可靠，经验较多。可从中低压到超高压的密封，压力可达280MPa，个别甚至达350700MPa。温度从常温到350OC。“O”形环常用奥氏体不锈钢小管制成，为改善密封性能，常在“O”形环外表面镀银。,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,1楔形垫与平垫自紧密封,(七) 其他形式的自紧密封,工作时浮动的端盖受内压作用升高将楔形垫压紧，达到自紧目的。楔形垫有两个密封面，靠斜面受力所得径向分力将垫与筒体压紧。这种结构虽有自紧作用，但仍有主螺栓，主螺栓不仅要提供预紧力，浮动端盖所受到的介质载荷也将由主螺栓承担。因此主螺栓较大，使法兰尺寸也较大。,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,1楔形垫与平垫自紧密封,(七) 其他形式的自紧密封,平垫自紧密封，其结构如图522所示，亦称布里奇曼密封。它由螺栓套筒进行预紧，工作时内压载荷加在端盖上，从而使金属平垫更加压紧。这种密封结构取消了大螺栓，预紧及工作密封载荷均由螺纹套筒承担，但大直径的装拆困难，较少采用。,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,2三角垫、B形环、八角垫与椭圆垫密封,(七) 其他形式的自紧密封,这些都是特殊形式的密封垫，见下图。三角垫和B形环依靠工作介质的压力使密封圈径向压紧，从而产生自紧作用。它们的结构都比较精细，接触面小，加工要求高，B形环要求在密封槽内有一定的过盈量，使制造与装配的要求都大大提高。B形环密封在石油工业中较早采用，从中低压到高压以至在较高温度下都有较可靠的密封性能，但自紧作用较小。金属的八角垫及椭圆垫是炼油与加氢装置中习惯采用的密封结构，简单可靠。,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,由于高压管道在现场安装，对连接的尺寸精度不可能过高，常出现强制连接的情况，带来很大的附加弯矩或剪力。高压管道的连接结构设计应给予特殊的考虑。,(八) 高压管道密封,采用球面金属垫，形成球面与锥面之间的线接触密封。能自动适应两连接管道不直的情况，即自位性好，线接触处可得到较高密封比压，密封可靠。如图所示，将管端加工成B20o的锥面作为密封面，垫圈则为带有两个球面的透镜式垫圈，用软钢制成，或用原管道材料车削而成。,管道与法兰不用焊接，螺纹连接，法兰对管道的附加弯曲应力很小，当安装管道不同心不直时法兰对管道的附加弯矩大为减小。,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,第三节 高压容器的密封结构与设计计算,二、主要密封结构的设计计算,由于高压管道在现场安装，对连接的尺寸精度不可能过高，常出现强制连接的情况，带来很大的附加弯矩或剪力。高压管道的连接结构设计应给予特殊的考虑。,(一) 平垫密封的密封载荷分析,第三节 高压容器的密封结构与设计计算,二、主要密封结构的设计计算,(二) 双锥密封的密封载荷分析,第三节 高压容器的密封结构与设计计算,二、主要密封结构的设计计算,(1) 预紧时的螺栓载荷W1,第三节 高压容器的密封结构与设计计算,二、主要密封结构的设计计算,(1) 工作时的螺栓载荷W2,第三节 高压容器的密封结构与设计计算,二、主要密封结构的设计计算,(1) 工作时的螺栓载荷W2,第三节 高压容器的密封结构与设计计算,二、主要密封结构的设计计算,(1) 工作时的螺栓载荷W2,一、高压螺栓设计二、高压平盖的设计计算三、高压筒体端部的设计四、高压容器的开孔补强,第四节 高压容器的主要零部件设计,第四节 高压容器的主要零部件设计,一、高压螺栓设计,(一) 高压螺栓设计要求,高压螺栓承受压力和温差载荷(工作温度高于装配时的温度)，压力与温度有波动，有因各种变化引起的冲击载荷，工作条件较复杂，结构设计时应予考虑。,采用中部较细的双头细牙螺栓温差应力小，柔度大，耐冲击，抗疲劳。中间直径略小于螺栓根径。细牙螺纹有利于自锁，根径比粗牙螺纹大。容器的主螺栓，埋入法兰的一端常凸出一点，预埋时可顶紧螺栓孔底部，使各圈螺纹受力均匀。主螺栓的螺母端可以钻注油孔，润滑螺纹。埋入的螺纹长度等于螺纹公称外径。要有较高加工精度高压螺栓的螺纹公差精度应达到精密的要求，螺栓与螺母有较好的配合。螺母与垫圈采用球面接触当螺栓孔与法兰面的垂直度有偏差时，为防止产生附加的弯矩而采用螺母和垫圈的球面接触，可进行自位调节，并可大大减少螺栓的附加弯矩。,螺栓与螺母材料的选用强度上选用比中低压容器螺栓强度更高的材料，要具有足够的塑性与韧性。,第四节 高压容器的主要零部件设计,一、高压螺栓设计,(二) 高压螺栓设计计算,一、高压螺栓设计二、高压平盖的设计计算三、高压筒体端部的设计四、高压容器的开孔补强,第四节 高压容器的主要零部件设计,第四节 高压容器的主要零部件设计,二、高压平盖的设计计算,(一) 平板盖的小挠度计算方法,p74,第四节 高压容器的主要零部件设计,二、高压平盖的设计计算,(二) 近似简化计算,简化法是将圆平盖视为受均布载荷的圆板，假设沿直径的纵向断面弯曲破坏。简化为受弯曲载荷的悬臂梁，用材料力学方法进行弯曲强度校核，,平盖纵向断面上的弯矩由以下三部分组成：,第四节 高压容器的主要零部件设计,二、高压平盖的设计计算,(二) 近似简化计算,简化法是将圆平盖视为受均布载荷的圆板，假设沿直径的纵向断面弯曲破坏。简化为受弯曲载荷的悬臂梁，用材料力学方法进行弯曲强度校核，,平盖纵向断面上的弯矩由以下三部分组成：,一、高压螺栓设计二、高压平盖的设计计算三、高压筒体端部的设计四、高压容器的开孔补强,第四节 高压容器的主要零部件设计,第四节 高压容器的主要零部件设计,三、高压筒体端部的设计,(一) 端部法兰的弯曲应力校核,第四节 高压容器的主要零部件设计,三、高压筒体端部的设计,(一) 端部法兰的弯曲应力校核,第四节 高压容器的主要零部件设计,三、高压筒体端部的设计,(一) 端部法兰的弯曲应力校核,第四节 高压容器的主要零部件设计,三、高压筒体端部的设计,(一) 端部法兰的弯曲应力校核,第四节 高压容器的主要零部件设计,三、高压筒体端部的设计,(一) 端部法兰的弯曲应力校核,第四节 高压容器的主要零部件设计,三、高压筒体端部的设计,(一) 端部法兰的弯曲应力校核,第四节 高压容器的主要零部件设计,三、高压筒体端部的设计,(二) 无主螺栓的筒体端部弯曲强度,一、高压螺栓设计二、高压平盖的设计计算三、高压筒体端部的设计四、高压容器的开孔补强,第四节 高压容器的主要零部件设计,第四节 高压容器的主要零部件设计,四、高压容器的开孔补强,(一) 高压容器补强件的结构,第四节 高压容器的主要零部件设计,四、高压容器的开孔补强,(二) 高压容器接管补强的强度设计准则,一、厚壁筒的弹塑性应力分析二、超高压容器的自增强处理三、超高压容器的材料,第五节 超高压容器,第五节 超高压容器,超高压容器所受压力极高，应力水平很高，轴对称结构的受力情况较好，为便于制造，采用圆筒形结构。所用钢材的强度级别较高，不适合焊接，多采用锻造式结构。常见的超高压筒体的结构有如下几种：单层式厚壁容器。有整体锻造筒体和单层自增强筒体。多层缩套容器(有过盈配合的)。有双层缩套、多层缩套以及缩套加自增强处理的筒体。绕丝式筒体(利用筒外多层绕丝增厚的)。有绕丝式简体和绕丝式框架。剖分式筒体。在内外筒之间夹有剖分式的扇形块以分离主应力，外筒是缩套在扇形块上的。压力夹套式容器。系在同心的内外筒之间的夹套环隙内注入压力可控的液体，可使内筒的应力得到夹套压力的平衡而提高内筒的操作压力。,第五节 超高压容器,一、厚壁筒的弹塑性应力分析,(一)塑性层,第五节 超高压容器,一、厚壁筒的弹塑性应力分析,(一)塑性层,第五节 超高压容器,一、厚壁筒的弹塑性应力分析,(二)弹性层,第五节 超高压容器,一、厚壁筒的弹塑性应力分析,(二)弹性层,5-41,5-42,第五节 超高压容器,一、厚壁筒的弹塑性应力分析,(二)弹性层,第五节 超高压容器,一、厚壁筒的弹塑性应力分析,(二)弹性层,一、厚壁筒的弹塑性应力分析二、超高压容器的自增强处理三、超高压容器的材料,第五节 超高压容器,第五节 超高压容器,二、超高压容器的自增强处理,(一)自增强原理,自增强是将厚壁筒在使用前进行大于工作压力的超压处理，形成预应力使工作时壁内应力趋于均匀。超压时形成塑性层和弹性层。卸压后，塑性层有残余应变，弹性层受到残余应变的阻挡也恢复不到原来的位置，两层之间形成相互作用力。塑性层中形成残余压应力，弹性层中形成残余拉应力，在筒壁中形成了预应力。厚壁筒自增强处理的一种方法是液压法，采用超高压的液压泵对已密闭的厚壁筒进行加压使内层筒壁发生塑性变形。另一种是机械式挤压法。用冲头或水压机将有过盈的心轴压入厚壁筒，或用桥式起重机将心轴拉过厚壁筒等方法使筒壁内层发生塑性变形。另外还有爆炸胀压法，利用高能源的炸药在极短的时间内产生高压和冲击波使圆筒，产生塑性变形。,第五节 超高压容器,二、超高压容器的自增强处理,(一)自增强原理,第五节 超高压容器,二、超高压容器的自增强处理,(二)超应变度的选择,不论用什么方法使筒壁内层发生塑性变形， 自增强处理中最核心的问题是将筒壁中的弹塑性分界层应控制在何处，其目的是控制卸载后得到最合理的残余应力分布，以使工作承载后得到最合理的应力分布。这就是筒壁径向变形的最佳选择或称“最佳超应变度”的选择。超应变度的含义是指自增强处理时内壁塑性层厚度与总厚度之比。,最佳超应变度的选择：不发生反向屈服的原则：自增强处理卸载后内壁得到最大压应力不使材料发生反向屈服。工作承载时获得最佳应力分布：自增强处理后的三向残余应力，叠加上工作压力作用下的三个主应力的相当应力(或称应力强度)达到最佳。,第五节 超高压容器,二、超高压容器的自增强处理,(三)自增强处理中的反向屈服问题,第五节 超高压容器,二、超高压容器的自增强处理,(四)塑性应变硬化及鲍辛格效应,以上对圆筒的弹塑性分析都基于理想塑性假设：认为材料一旦拉伸屈服后不管塑性应变多大，应力总保持在屈服应力水平，即材料不发生应变硬化。它可使圆筒塑性层的应力应变分析大为简化。实际上钢材并非理想塑性材料，屈服后的应力应变为非线性，中低强度钢屈服后的应变硬化较明显，随着应变量的增大，材料应力有明显增强，按理想塑性求得的自增强压力下圆筒的塑性层偏薄，卸载后的压缩残余应力偏低，自增强效果不足。高强钢的屈强比较高，屈服后强化效应较小，自增强压力下圆筒的塑性层偏薄的效应不明显，残余压力偏低的效应也不明显，自增强效果尚可。精确分析塑性应变硬化对自增强效果的影响很复杂，主要在于材料应变硬化效应本构关系上，塑性力学中的线性强化模型和指数强化模型均有局限性，分析十分复杂。自增强圆筒的部分塑性变化，在影响不大的情况下，可不考虑应变硬化的影响。,第五节 超高压容器,二、超高压容器的自增强处理,(四)塑性应变硬化及鲍辛格效应,鲍辛格(Bauschinger)效应是指这样一种情况，材料受到拉伸屈服后继续加载将会产生一定量的塑性变形，如果卸除拉伸载荷继而承受压缩载荷，其压缩屈服强度明显小于原来的拉伸屈服强度。这种压缩屈服强度明显小于拉伸屈服强度的现象称为鲍辛格效应。将压缩屈服强度与拉伸屈服强度之比称为鲍辛格效应系数(简称BEF)。当材料不存在预拉伸屈服史的情况下BEF值应等于1，当预拉伸屈服应变值不断增大时BEF值随之下降，但当预拉伸屈服应变值达到或超过一定值时BEF值将不再降低而趋向为一常数。鲍辛格效应的存在会使厚壁圆筒自增强卸载过程中内壁过早屈服，内壁的压缩残余应力绝对值降低，减少了圆筒的弹性操作范围。鲍辛格效应还使自增强卸载时更容易发生内壁反向屈服。鲍辛格效应愈明显(即BEF值愈低)时，厚壁筒100超应变度卸载时发生反向屈服的临界径比Kcr，也愈低。过于容易发生反向屈服的厚壁筒就会在今后的投用运行中随着开车与停车不断发生反复的拉伸与压缩塑性变形，从而影响筒体的疲劳寿命。,第五节 超高压容器,二、超高压容器的自增强处理,(五)自增强效果的衰减,超高压容器或管道径自增强处理后在内壁形成压缩残余应力会对容器带来很多好处。但如果长期在高温环境下使用或有振动的影响，自增强残余应力会有一定程度的衰减。例如高压聚乙烯的超高压管式反应器运行10年后，由于温度与振动的影响残余应力会衰减3040。若经残余应力测定衰减至50以上，就需要考虑进行再次自增强处理，以恢复残余应力，从而提高超高压设备的安全性。这对存在压力与温度交变的设备延长疲劳寿命显得尤为重要。,一、厚壁筒的弹塑性应力分析二、超高压容器的自增强处理三、超高压容器的材料,第五节 超高压容器,第五节 超高压容器,三、超高压容器的材料,(一) 强度要求,工程上将抗拉强度在400700MPa的钢称为非调质高强度钢，通常是普通低合金钢或低合金钢，中低压容器大量采用这类钢。抗拉强度在6001200MPa范围内的称为调质型高强度钢，经过淬火加回火的调质处理才能达到高的强度及合适的韧性，其含碳量在0.2左右，可以得到低碳马氏体组织。抗拉强度超过1200MPa或1400MPa的则称为超高强度钢。国外也相仿，将抗拉强度至少在500MPa以上的钢称为高强度工程用钢。抗拉强度在700900MPa范围内的称为特高强度钢，而14002200MPa的为超高强度用钢。超高压容器一般都采用抗拉强度在800MPa以上的特高强度钢和1300MPa以上的超高强度钢。,第五节 超高压容器,三、超高压容器的材料,(二) 塑性要求,通常压力容器要求钢材有足够的断后伸长率(5)，这是由于要满足冷变形塑性加工的需要，同时有足够的塑性储备以防止发生脆性破坏。但超高压容器通常采用锻造法加工，不需要冷加工，因此可适当降低对超高强度钢的塑性要求。事实上抗拉强度超过1000MPa的钢，要保证5 15是很困难的，强度愈高对5的要求愈不能过高。从使用安全角度仍应对5提出要求，但目前尚无统一的最低要求，一般国内外锻造的单层超高压容器要求 ；5为10一15。事实上b在2000MPa左右的钢能保证的5 还不到10。,第五节 超高压容器,三、超高压容器的材料,(三) 韧性要求,钢材的韧性是保证超高压容器安全性的极重要的性能，绝不低于对强度与塑性的要求。尤其是超高强度钢对微缺陷非常敏感，特别是应力集中区再存在微缺陷(如裂纹，或由夹杂物在交变应力下引发的微裂纹)特别容易导致低应力脆断。超高压容器用钢往往从两个方面提出韧性要求，一是冲击韧性，另一是断裂韧性。冲击韧性应采用V形缺口夏比冲击试验来获得，用冲击吸收功值AKV来衡量材料的冲击韧性。 断裂韧性在ASME3中是作为附加要求提出的。在设计时就对钢材提出这一要求，意在考虑万一有宏观裂纹性缺陷存在而又要保证结构的完整性，即不发生低应力脆断，则必须保证材料有足够的断裂韧性。,第五节 超高压容器,三、超高压容器的材料,(四) 对钢的化学成分及冶炼的要求,超高压容器用钢冶炼时除按规定的强化与韧化合金元素成分要求进行严格控制以外，最重要的应是对钢中有害杂质元素(特别是磷硫)、有害微量元素(砷、锡、锑、铅、铋等)和含气(氧、氢、氮)量的控制。这对于提高钢的韧性、横向性能以及防止疲劳破坏的性能有显著影响。磷与硫的存在会在钢中形成多种夹杂物，这些微缺陷愈多愈大，钢的冲击韧性和断裂韧性值将愈低，而且钢的冷脆转变温度会提高，横向性能也比纵向性能更低。在交变载荷作用下夹杂物将是钢材内部引发疲劳裂纹的重要发源地，夹杂物愈小愈少，则诱发疲劳裂纹的机会愈少，疲劳寿命愈长。,第五节 超高压容器,三、超高压容器的材料,(五) 超高压容器钢的热处理,特高或超高强度钢应充分体现强度高的优势，同时又要顾及钢的塑性与韧性，尤其是韧性。都要进行调质热处理，以得到优良的综合性能。调质时首先进行淬火，可以得到足够的马氏体，强度显著升高，但塑性与韧性差，并存在很大内应力，必须再进行回火处理。不同的回火温度可以得到不同的效果。200多度()的低温回火仍可保持较高的强度，塑性与韧性的变化也不大。500600C的高温回火虽可提高塑性与韧性，但强度损失过于明显。中温回火介于其中。因此回火温度的确定十分关键。中低合金含量的超高强度钢一般多采用低温回火，可以得到较高的强度，而韧性与塑性也可以得到较为满意的保证。,第五节 超高压容器,三、超高压容器的材料,(五) 超高压容器钢的热处理,对于中低合金的超高强度钢，近年来也有采用一些新的热处理工艺以发挥强度优势和提高韧性与塑性。例如：控制热处理的气氛和真空热处理；形变热处理，即淬火后使钢材发生低温塑性变形再强化，然后再回火，抗拉强度可提高3一10，而韧性与塑性提高更多；超高温淬火，例如AISl4340钢的淬火温度从870C提高到1200C，得到板条状的低碳马氏体，再作200oC的低温回火，断裂韧性值可提高1倍，屈服强度也明显提高。超细晶粒淬火，通过多次加热冷却循环相变快