過程設備設計課件

1、過程設備設計過程裝備與控制工程專業(yè)核心課程,茂名石化,過程設備？專業(yè)：過程裝備與控制裝備：過程機器——能量轉(zhuǎn)換裝置：如泵、壓縮機、風機…過程設備——各種化學反應、單元操作所需設備， 如：精餾塔、干燥塔、反應塔、換熱器…設計？ 有目的、有約束的工程設計！,目 錄 緒論壓力容器導言壓力容器應力分析壓力容器材料及環(huán)境和時間對其性能的影響壓力容

2、器設計儲存設備換熱設備塔設備,幾點說明：1、本專業(yè)最核心的專業(yè)課，為本專業(yè)的“飯碗”。2、本專業(yè)最獨特的專業(yè)課——其它專業(yè)學生都不學。3、其核心內(nèi)容——壓力容器 非常廣泛地使用于工業(yè)和 民用領域。2、控制方向和裝備方向的必修課。3、本專業(yè)的考研課程之一，也是非本專業(yè)研究生一 般都需選修的課程。,緒論10個問題：（1） 產(chǎn)品的分類

3、硬件產(chǎn)品（hardware)軟件產(chǎn)品(software)流程性產(chǎn)品(processed material),,（2）過程工業(yè)的概念 過程工業(yè)是指包括:化工輕工煉油食品制藥冶金能源 等行業(yè)在內(nèi)的工業(yè)。,煉油廠設備,（3）過程工業(yè)的特點 a. 屬于生產(chǎn)流程性材料產(chǎn)品的制造業(yè) b. 生產(chǎn)過程為流程性的 例：合成氨工業(yè) 造氣

4、、凈化、合成三大部分組成。 c.處理的物料以流體、粉體為主,（4）過程裝備 過程裝備 ——過程機器 ——過程設備 過程機器——壓縮機、泵、分離機、風機等。 完成其功能的主要部件為轉(zhuǎn)動或平動 ！ 過程設備——塔器、傳熱設備、反應器、儲罐等 完成其功能的主要部件不運動！幾個身邊的例子：鍋爐、油罐車

5、、壓力鍋…..,（5）工藝與裝備的關系 “工藝是先導，裝備是保障”。例：余國琮 院士啟示：只有既懂工藝，又懂裝備與控制，才可能成為合格的過程工業(yè)的工程師。 （6） 過程系統(tǒng) 工藝+裝備+控制+技術經(jīng)濟學+…,（7） 過程工業(yè)的主要發(fā)展領域過程原理與技術的創(chuàng)新 ——主要包括三傳一反原理與技術的創(chuàng)新。成套裝置技術的創(chuàng)新 ——從系統(tǒng)工程的

6、角度研究裝備技術的創(chuàng)新。過程裝備放大技術的創(chuàng)新 ——規(guī)?；沁^程工業(yè)的發(fā)展趨勢。,過程裝備結構技術的創(chuàng)新 ——具有優(yōu)良性能的新結構技術。 過程裝備設計理論和手段的創(chuàng)新 ——如熱經(jīng)濟學優(yōu)化設計理論、強度理論、失效判斷理論等；計算機輔助設計(CAE)軟件包（i-deas、pro-e、UG、ANSYS等）。過程裝備材料技術的創(chuàng)新 ——陶瓷材料、納米材料、復合材料等

7、的技術創(chuàng)新。,過程裝備制造技術的創(chuàng)新 ——計算機輔助制造技術（CAM)。過程裝備故障診斷技術的創(chuàng)新 ——再線診斷技術的創(chuàng)新。過程控制技術的創(chuàng)新 ——新型傳感器技術和控制理論的創(chuàng)新。清潔生產(chǎn)技術的創(chuàng)新 ——環(huán)境影響評估技術與清潔生產(chǎn)技術的創(chuàng)新。,（8）過程設備與過程機器示例,過程機器和過程設備的聯(lián)系與區(qū)別：——都屬于過程裝備；——過程機器：主要功能是把能量傳遞給物料，提高

8、 其壓力或速度。一般為選型設計?！^程設備：主要功能是為物料的物理過程或化學 過程提供適宜的場所。非標設計。選型設計：按工藝需求，選擇機器的型號。非標設計：遵守國標前提下，針對具體設備進行設計。,（9）過程設備的基本要求a. 安全可靠 過程設備往往都是“炸彈”，即使是常壓設備，由于過程工業(yè)

9、所處理的物料往往具有較強的腐蝕性、毒性、發(fā)射性，一旦物料泄漏，將對環(huán)境和各種生物帶來毀滅性的傷害，所以，過程設備必須安全可靠。b. 滿足過程的要求 過程設備的主要功能是為物料的物理過程或化學過程提供適宜的場所，因此它必須要滿足過程的要求。如合成塔、吸收塔、換熱器都必須滿足相應過程的要求。,c. 有好的經(jīng)濟技術指標 單位產(chǎn)品成本低、熱力學完善度高。d. 易于操作、維護和控

10、制 操作簡單、可維護性和可修理性好，有優(yōu)良的控制水平。如換熱器的清污性能好、管束替換方便、操作彈性好。e. 優(yōu)良的環(huán)境性能 對環(huán)境的影響盡可能地?。òǎ何锪衔廴?、聲污染、光污染、熱污染、放射性污染等）。,（10）過程設備的設計a. 設計 制造 使用 維護與修理,,評估標準：功能安全性經(jīng)濟性對環(huán)境的影響可制造性時

11、間等,改進,,,,,,b. 過程設備設計的主要內(nèi)容文獻檢索與分析確定設計標準確定材料確定設計理論和設計方法工藝設計總體設計強度設計結構設計確定制造工藝性能評價,總結： 過程設備是化工、輕工、煉油、食品、制藥、冶金、能源等行業(yè)廣泛使用的一種裝備，有別于一般的裝備。過程設備的設計涉及到過程原理、固體力學、流體力學、熱力學、機械學、自動控制原理與儀器儀表等學科。其涉及學科的范圍和問題的復雜程度都是工程

12、問題中極為少見的。 先進的過程設備設計方法是以計算機輔助設計（CAE)為標志的以尋求最優(yōu)化結果為目標的設計。,,壓力容器導言1.1 壓力容器總體結構1.2 壓力容器的分類1.3 壓力容器規(guī)范標準提示：過程設備通常也稱為壓力容器與設備，或簡 稱為壓力容器。,,封頭,,筒身,,支座,,接管,,筒節(jié),,環(huán)焊縫,,縱焊縫,,補強圈,,盲板,,接管,,,,支座,,上封

13、頭,,下封頭,,圖片,法蘭,,補強圈,,,圖片,返回,問題： 壓力容器主要由哪幾部分構成？各有什么作用？提示：壓力容器必須提供一個密閉的空間！理由？壓力容器通常由以下8個部分組成：,a. 筒身 鋼板卷制而成 制造容易、成本低筒身 整體鍛造而成 制

14、造困難、成本高、性能好 單層 多用于中低壓容器筒身 多層 多用于高壓容器問題：壓力容器可以用什么材料制作？,,,b. 封頭 按形狀可分為：球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭、錐形封頭、平板封頭等。 特點：軸對稱！半橢球封頭 半橢球封頭

15、 半球形封頭,特點？,錐形封頭特點？,,c. 法蘭 容器法蘭： 用于容器間或容器與封頭的連接； 管道法蘭： 用于管道間的連接；問題：法蘭的作用？,d. 密封裝置 用于連接件之間的密封，防止物料泄漏。e. 開孔與接管 在容器上開孔的目的是為了便于檢修（人孔和手孔），或是為了安裝各種安全附件、或

16、是為了滿足工藝的要求。問題：為何在容器上開孔？,f. 支座 把壓力容器支承并固定在基礎上。問題：不要支座行嗎？g. 補強圈 開孔會引發(fā)開孔區(qū)域產(chǎn)生過大的應力，為安全計，需要補強圈補強。 提示：局部增強！,h. 安全附件 安裝各種安全泄放裝置和各種壓力表、測溫儀表、液位計等。問題：高壓鍋的安全泄

17、放裝置？問題：任何保證壓力容器的安全？,,1.2 壓力容器的分類a. 壓力容器分類的理由 壓力容器潛在的危害程度不同！ 壓力容器發(fā)生事故所造成的危害程度差別很大，而決定危害程度的因素又很多，有壓力、溫度、物料的相態(tài)、物料的毒性、易燃易爆性、規(guī)模、使用場所等。提示：聯(lián)系后續(xù)內(nèi)容中的焊縫分類、應力分類！,,b. 壓力容器分類的依據(jù) 主要根據(jù)壓力、溫度

18、、物料的相態(tài)、物料的毒性、易燃易爆性、規(guī)模、使用場所等——都與壓力容器的潛在危害程度相關！壓力容器的分類提示：經(jīng)?？嫉膬?nèi)容！,按壓力大小分 低壓容器（L） 0.1MPa≤p100MPa注：記住幾個壓力界限！提示：大部分的壓力容器為中低壓容器。,按用途分 反應器——如合成塔、反應釜… 換熱器——如廢熱鍋爐、汽車發(fā)動機水冷卻器… 分離器——如精餾塔、干燥塔… 儲 罐——如

19、油罐、家用液化氣罐…按安裝方式分 固定式——絕大部分壓力容器 移動式——如火車物料罐、汽車油罐…,按安全管理分（按容規(guī)分類 最重要的分類?。┓譃槿悾?具有下列情況之一的，為第三類壓力容器：高壓容器中壓容器且介質(zhì)為極度毒性和高度危害中壓貯存容器且介質(zhì)為易燃或中等毒性、pv≥10MPa. m³中壓反應容器且介質(zhì)為易燃或中等毒性、pv≥0.5MPa. m³容規(guī)：壓力容器

20、安全技術監(jiān)察規(guī)程,低壓容器且介質(zhì)為極度毒性和高度危害、 pv≥0.2MPa. m³高壓、中壓管殼式余熱鍋爐中壓搪玻璃壓力容器使用強度級別較高的材料制造的壓力容器(抗拉強度≥540MPa)移動式壓力容器容積大于50m³的球形容器容積大于5m³的低溫貯存容器,具有下列情況之一的，為第二類壓力容器：中壓容器低壓容器且介質(zhì)為極度毒性和高度危害低壓反應器和低壓貯存容器，介質(zhì)易燃或毒性中等低壓管殼式

21、余熱鍋爐低壓搪玻璃壓力容器除上述規(guī)定以外的低壓容器為第一類壓力容器。注意：各國對壓力容器的分類方法不盡相同。問題：容規(guī)分類中需考慮哪些因素？,,1.3 壓力容器規(guī)范標準1.3.1 國外壓力容器標準簡介ASME規(guī)范 美國標準（American society of Machinery engineering) 為世界上第一部壓力容器設計和制造方面的規(guī)范，歷史悠久，更新速度快，涵蓋范圍

22、寬，同時也是許多國家制定相關規(guī)范的藍本（如日本、中國等國家）。,提示：壓力容器的設計必須遵守各種各樣的標準！,,1965年推出ASME規(guī)范；1968年推出ASME規(guī)范的兩個分冊：第一冊為傳統(tǒng)的規(guī)則設計（Design by Rules)第二冊為分析設計規(guī)范（Design by Analysis）提示1：壓力容器設計分為常規(guī)設計和分析設計！后者更科學、更合理！提示2：本課程重點介紹常規(guī)設計！,歐盟壓力容器標準

23、 為適應歐洲一體化而建立的標準，正在逐步完善。該規(guī)范對中國的壓力容器標準也有一定的影響。如英國1976年制定的BS5500標準，為分析設計標準。日本標準 日本于1993年推出分析設計標準JIS8250。,1.3.2 國內(nèi)主要壓力容器標準 較為成熟的標準是：1989年制定的GB150-89《鋼制壓力容器》和 GB151-89《鋼制管殼式換熱器》等

24、。1998，1999年又重新修訂了這兩部標準和相關標準。這些標準都是以ASME規(guī)范為藍本，同時也吸取了歐洲標準的一些思想，同時也加入了一些自己的思想和方法（如管板強度設計方法）。注：新版標準在征求意見中！,提示：標準很多！,GB150-1998《鋼制壓力容器》 為常規(guī)設計標準 JB4732－95《鋼制壓力容器－分析設計標準》 為兼有常規(guī)設計和分析設計內(nèi)容。注意： 由于部

25、門分割、標準修訂時間間隔過長和所采用的強度設計準則不同，造成了我國有國家標準和行業(yè)標準，甚至還有地方標準的狀況，但這些標準的差別并不是很大，今后，行業(yè)標準和地方標準會逐步淡出，壓力容器的規(guī)范還是以國家標準為主，國家標準也會因為經(jīng)濟全球化而逐步向國際標準靠攏。,強者制定標準！,1.3.3 國家標準和工業(yè)國家標準的比較 GB150較多地參照了ASME！1、與美國標準、歐洲標準的內(nèi)容基本相同；2、制定標準的出發(fā)點也相

26、差不多；3、差別主要在： a、標準的適用范圍 b、材料的許用應力 c、材料的牌號及其性能、技術指標有所不同。,1.3.4 制定標準的目的 標準化的目的是為了實現(xiàn)產(chǎn)品的系列化、通用化、降低產(chǎn)品成本、且提供了法律依據(jù)。壓力容器是一種潛在危害很大的裝備，因此，對設計、制造、使用、維修等方面的工作和從事這些工作的資質(zhì)都必須有章可循。問題：如何看待壓力容器的規(guī)范？“工程

27、設計是一門藝術！”——路甬祥注意：工程設計必須遵守相關國家標準！,,壓力容器應力分析2.1 回轉(zhuǎn)薄殼的應力分析2.2 厚壁容器的應力分析2.3 結構與力學性能的關系2.4 殼體的穩(wěn)定性分析2.5 典型局部應力本章為常規(guī)設計的基礎！是期末考和考研的重點！問題：應力分析的目的？問題：何謂強度？,,2 壓力容器應力分析問題：壓力容器失效的后果？導致壓力容器失效的最根本原因是什么呢？2.

28、1 回轉(zhuǎn)薄殼的應力分析2.1.1 回轉(zhuǎn)薄殼的概念回轉(zhuǎn)殼的特點： 母線以回轉(zhuǎn)軸為中心旋轉(zhuǎn)而得，故為對稱殼體。,若：壁厚/中面曲率半徑≤0.1，稱該殼體為薄殼，反之為厚殼。為什么要區(qū)分厚、薄殼？薄殼——常規(guī)設計，依據(jù)無力矩理論！簡單，誤差大！厚殼——分析設計，依據(jù)有力矩理論！復雜，誤差??！在應力分析中，假定：材料是連續(xù)、各向同性、變形為彈性小變形、殼壁各層纖維在變形過程及變形后

29、互相不擠壓（？？）。,考研同學注意此假定！,2.1.2 薄壁圓筒的應力分析分析方法：單元體平衡法環(huán)向應力和經(jīng)向應力問題：環(huán)向應力和經(jīng)向應力的作用效果？,水平方向力平衡關系（采用截面法）：,提示：區(qū)域平衡方程！說明：截面法并不都可用！單元體平衡法更具普遍性！擴展：還原論,水平方向的力平衡式：,,,提示1：厚度設為1提示2：總體平衡，則其部分必處于平衡狀態(tài)。,單元體平衡法：由局部微元的平衡關系推導出整體

30、 的平衡關系。提示：微分 積分一般方法：取有代表性微元 （關鍵?。┙⒘ζ胶怅P系 （一般為微分方程）解微分方程得到定解 （一般需考慮邊界條件）提示：軸對稱回轉(zhuǎn)薄殼的應力求解非常簡單！問題：如何取有代表性微元 ？,,2.1.3 回轉(zhuǎn)薄殼的幾何要素第一曲率半徑R1、第二曲率半徑R2,2.1.4 無力矩理論和有力矩理論,殼體內(nèi)力分析,無力矩

31、理論（薄膜理論）,有力矩理論（彎曲理論）,薄膜力,橫向剪力,彎矩、扭矩,十個內(nèi)力分量,,,,,,內(nèi)力,10個,無力矩理論都是圍繞中面展開的，因壁很薄，中面上的變形和應力可代表薄殼的變形和應力！,,對于承受軸對稱載荷的殼體中面受力？,有力矩理論更合理，也更復雜！,設想：如果可以用簡單的無力矩理論進行壓力容器的設計，且 誤差又不大！ 回轉(zhuǎn)薄殼！,2.1.5 無力矩理論的基本方程采用微元體平衡法導

32、出,注意：以下為無力矩力學理論！,建立作用在微元體上的內(nèi)力與外載荷之間的平衡關系最后得： 拉普拉斯方程注意： P——與殼體表面垂直的壓力問題1：公式中各物理量的單位？問題2：一個公式中有兩個未知量，如何解？提示1：記住公式！明確其中物理量！提示2：考研者需學會推導！,區(qū)域平衡方程——應力求解的重要途徑！,一般用來求經(jīng)向應力，在回轉(zhuǎn)軸方向建立力平衡方程

33、。,氣體壓力在回轉(zhuǎn)軸方向合力：環(huán)帶：內(nèi)力在回轉(zhuǎn)軸方向合力：區(qū)域平衡方程：,例：圓柱薄殼的區(qū)域平衡方程：,結合拉普拉斯方程得：,與之前的推導相同！,提示：環(huán)向應力也可由拉普拉斯方程直接得到！,例：承受氣壓球殼M點經(jīng)向應力。得經(jīng)向應力：結合拉普拉斯方程得：,,,,2.1.6 無力矩理論的應用 承受氣體內(nèi)壓的回轉(zhuǎn)薄殼：,左側(cè)公式為通用公式！通用的范圍？,提示：考研必考內(nèi)容！,問題：載荷不止氣壓時，

34、怎么辦？,a.球形殼體,b.圓柱殼體,提示：記住公式，分析特點！,問題：球形殼體的優(yōu)點？缺點？,擴展問題：工業(yè)實踐中，很少使用半球形封頭，理由？,擴展問題：工業(yè)實踐中，很少使用球形容器，理由？,C、錐形殼體,截面是什么形狀？,過A點截面與OA子線垂直！,,A點的兩相應力計算公式？有何特點？,半錐角等于90度時？ 半錐角等于0度時？,O點的應力？,原因？,D、橢球形殼體,情況要復雜一些，但仍然按拉普拉斯方程和區(qū)域平衡方程求解！,幾個問

35、題：1. a/b 的不同比值與兩向薄膜應力之間的關系；2. a/b比值為1時，對應球形薄殼；3. a/b比值為2時，對應標準橢球薄殼，其一半為標準半橢球封頭，為應用最廣泛的封頭（？）。,E、儲存液體的回轉(zhuǎn)薄殼,由拉普拉斯方程得：,由A點以上部分的區(qū)域平衡方程得：,,問題：如果支座在容器的中部，支座上方、下方的應力如何推導？,僅受自重作用時的應力由拉普拉斯方程得：由區(qū)域平衡方程得： 為A點以上部分殼體的

36、重量。,,x,如果支座不再底部，其上方、下方的兩向應力？,回轉(zhuǎn)薄殼——圓柱、圓錐、球殼在以下情況時的兩向薄膜應力如何推導？僅受自重作用僅受氣壓作用僅受液體靜壓作用氣壓和液體靜壓共同作用方法都一樣！ 拉普拉斯方程區(qū)域平衡方程——求經(jīng)向應力,考研特別注意！,E .球形殼體應力在支座支承處有突變，說明什么？,支座處彎曲內(nèi)力很大！無力矩理論計算結果誤差大！,圖片,無力矩理論的應用條件,殼體的厚度、中面曲率和載荷

37、連續(xù)，沒有突變，且構成殼體的材料的物理性能相同。殼體的邊界處不受集中力、且不受變形限制。 客觀地說，實際的壓力容器都不能使用無力矩理論，但對于大部分的薄壁容器，由無力矩理論得到的結果與真實情況之間的偏差并不大，完全可以滿足工程界的要求。如果上述條件得不到滿足，則無力矩理論不適用。,核心：變形不協(xié)調(diào)！,2.1.7 回轉(zhuǎn)薄殼的不連續(xù)分析,a. 不連續(xù)和不連續(xù)分析 幾何形態(tài)不連續(xù)、或數(shù)學不連

38、續(xù)、或載荷突變，由此造成應力突變或出現(xiàn)大應力狀況。 由于不連續(xù)情況的存在，在此區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了各部分變形不協(xié)調(diào)的情況，造成過大的應力，導致設備在局部破壞，最終造成設備失效。 分析不連續(xù)應力的方法稱為不連續(xù)分析。,核心：變形不協(xié)調(diào)！,幾何形態(tài)不連續(xù),問題：圖中，幾個地方存在幾何形狀突變？,材料不連續(xù),核心：變形不協(xié)調(diào)！,集中載荷,核心：變形不協(xié)調(diào)！,材料厚度突變,核心：變形不協(xié)調(diào)！,b. 不連續(xù)分析方法,

39、變形分析（△M、△Q、φM、φQ） ↓變形協(xié)調(diào)方程 ↓邊緣力和邊緣力矩（Mo、Qo） ↓位移（w） ↓內(nèi)力和內(nèi)力矩（Nx、Nθ、Mx、Mθ、Qx） ↓應力（∑σψ、∑σθ）,求解不連續(xù)應力的步驟,了解,力的連續(xù)（各種內(nèi)力、應力） 分析方法的核心是：

40、 變形的連續(xù)（線位移、角位移）注意：內(nèi)力包括軸力、剪力、彎距；應力包括正應力和 剪應力。 通過有力矩理論建立協(xié)調(diào)方程后即可求解出不連續(xù)區(qū)域的各種力和變形。,,c. 不連續(xù)應力的特性局限性自限性（限于塑性材料）,距相貫處約60mm，應力以急速衰減至薄膜應力的大??！,重要特點！,局限性、自限性的意義？,d. 對不連續(xù)應力的處理盡量消除或降低不連續(xù)應力產(chǎn)生的條件；對一般的由塑

41、性材料制成的壓力容器不進行不連續(xù)應力的計算（計算難度大且工作量大、局限性和自限性也降低了不連續(xù)應力的危害），僅根據(jù)不連續(xù)應力的特點進行局部處理；對由脆性材料制成的壓力容器或重要的設備（如三類容器），必須用有限元程序計算不連續(xù)應力。,(1)    殼體必須光滑連續(xù)——R1、R2、d 及材質(zhì)（如E、m 等）無突變；(2)    殼體上載荷必須連續(xù)——表面力或溫度無突變，無集

42、中力或力矩作用；(3)    邊界支承（或連接）的邊界力只能作用在經(jīng)線切線方向且無彎矩。在違背上述三個條件的局部區(qū)域內(nèi)，必然存在較大內(nèi)彎矩，無力矩理論不適用，必須用有力距理論分析。,無力矩理論的應用條件,,2.2 厚壁容器的應力分析分析方法：老三步，力平衡+幾何方程+物理方程。 在彈性力學和板殼理論的基礎上，按有力矩理論的方法處理。但只有一部分相對簡單的問題可以得到理論解，而

43、大部分的問題無法得到理論解，此時，只能利用有限元程序包（i-deas、pro-e、UG、ANSYS等）來對厚壁容器的應力和變形進行分析。2.2.1 壓力載荷引起的彈性應力采用微元體平衡分析方法。,彈性應力——壓力、溫差引起,內(nèi)外壓力作用下厚壁圓筒的應力表達式：,軸向應力 ： 因為變形前后圓筒橫截面保持平面，假設其在厚度方向均勻分布,周向應力 ？？？徑向應力？？？,平衡方程：,,幾何方程：,,,,,,

44、物理方程：,,,,,,,,,,微分方程：,,,邊界條件：,（或?qū)τ陂_式圓筒）,,Lame公式,厚壁圓筒應力分布,僅受內(nèi)壓時的應力特點 ：,,,① 周向應力：拉應力，三個應力中最大,且 ② 徑向應力：壓應力，且③ 軸向應力：拉應力，均勻分布，且,④ 應力分布的不均勻性：⑤ 按Mises 屈服條件(第四強度理論）,僅受內(nèi)壓時的應力特點 ：,,,,,,2.2.2 溫度變化引起的彈性熱應力,微元體

45、的熱應力,,,y方向受到剛性約束時的熱應力：,x和y方向受到剛性約束時的熱應力：,x 、y 、z方向 均受到剛性約束時的熱應力：,,厚壁圓筒的熱應力,* 熱應力與溫差△t成正比，和溫度的絕對值沒有直接的關系。,* 壁厚越大，傳熱阻力越大，內(nèi)外壁溫差也越大，會導致熱應力增大。,軸向溫度不變，穩(wěn)態(tài)傳熱,,,綜合應力分布,內(nèi)壓內(nèi)加熱：內(nèi)壁應力減小，而外壁應力增大，應力狀態(tài)有可能惡化。 內(nèi)壓外加熱：內(nèi)壁的綜合應力增大，而外壁應力減小，應力狀態(tài)

46、惡化。必須考慮溫差應力,內(nèi)壓內(nèi)加熱：內(nèi)壁應力減小，而外壁應力增大，應力狀態(tài)有可能惡化。,內(nèi)壓外加熱：內(nèi)壁的綜合應力增大，而外壁應力減小，應力狀態(tài)惡化。必須考慮溫差應力,,,熱應力分布特點： 1、內(nèi)外壁處,2、內(nèi)外壁應力之差：,,3、任意一點應力關系：,溫差應力的工程估算：,,,不計溫差應力的條件：,(1)    保溫良好；(2)    材料已發(fā)生蠕變變形；(3)

47、 的內(nèi)壓內(nèi)加熱的容器。,,設計壓力,減小熱應力的措施,1、控制設備的加熱和冷卻速度,2、控制和減小構件的熱變形約束,3、設置膨脹節(jié),4、采用良好的保溫層,減小熱應力的措施,1、控制設備的加熱和冷卻速度,2、控制和減小構件的熱變形約束,3、設置膨脹節(jié),4、采用良好的保溫層,2.2.3 厚壁容器材料的有效利用,厚壁內(nèi)壓容器在承受壓力時，內(nèi)部材料先于外部材料進入塑性狀態(tài)，由此提出兩個問題：一是容器的失效判

48、定，二是材料的有效利用問題。 第一個問題涉及容器設計的強度理論，第二個問題涉及容器的合理結構和材料的配置使用問題。,厚壁圓筒使用前，用超過工作壓力的壓力進行超壓處理，使圓筒發(fā)生彈塑性變形，卸除壓力后保留殘余應力，工作時殘余應力和工作應力疊加，使圓筒應力分布趨于均勻，提高圓筒的彈性承載能力。,,提高圓筒屈服承載能力的措施,(1)  自增強：施加內(nèi)壓，使內(nèi)壁屈服，產(chǎn)生殘余應力（預壓縮應力）

49、。(2) 預應力：施加外壓，使內(nèi)壁產(chǎn)生預壓縮應力；多層圓筒結構，內(nèi)層為薄壁圓筒，外層采用鋼板、型帶、鋼絲等作外層材料，用包扎、纏繞等方法或過盈配合方法使外層緊貼內(nèi)層，并施加外壓力。,,2.2.4 平板應力分析,應用：平蓋、人（手）孔蓋、管板、法蘭環(huán)、矩形容器器壁 形式：圓形、圓環(huán)形、橢圓形、矩形,（3）變形特征——軸對稱橫向載荷下，圓形薄板雙向彎曲。——周向彎曲＆徑向彎曲（4）圓平板應力分析主要考慮：軸對稱橫向載荷、小撓度圓形

50、薄板的應力和變形,,①中性面假設：純彎曲問題；②直法線假設：中面的法線變形后仍為直線，且⊥于中面；③不擠壓假設：板內(nèi)垂直于板面的正應力不予考慮，且不計應變。 上述假定統(tǒng)稱為克?；舴颍↘irchhoff）假定。,5）彈性薄板小撓度理論的基本假設：,(6) 分析過程：,根據(jù)特定邊界條件，求解圓板軸對稱彎曲的基本微分方程得撓度w，于是有：,徑向應力,,周向彎矩Mq,周向應力,徑向彎矩Mr,,應力與厚度t的關系：——線性,,

51、,,,,圓平板中的應力,,,,,,,,確定邊界條件？？？,周邊固支圓平板,Wmax=?,,,板上、下表面處（z＝±t/2)：,,,r/R,在哪兒？,周邊簡支圓平板,板上、下表面處（z＝±t/2)：,,,r/R,在哪兒？,支承方式對變形和應力的影響： 在其它條件相同的情況下，周邊固定圓平板的最大應力小于周邊簡定圓平板的最大應力，只約為后者的2/3；前者的最大變形也僅為后者的1/4。,2.2.5

52、 有限元方法有限單元法：把連續(xù)的實體（無限多自由度）離散為有限多個單元實體的集合（有限多自由度），即把一個連續(xù)的問題轉(zhuǎn)化為不連續(xù)的問題，最終得到問題的數(shù)值解。啟示：布料的結構,p p 總的質(zhì)量不變，梁的剛度不變，把連續(xù)分布的質(zhì)量離散為4個集中質(zhì)量，梁本身無質(zhì)量。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,引擎連桿的(CAE)分析（實

53、體分為2978個元素）,作為一種數(shù)學方法，有限元法的思想在很早以前就提出來了，但由于計算量太大，限制了該方法的應用。80年代以后，由于計算機的普及尤其是PC機性能的提高，有限元法得到了飛速發(fā)展，出現(xiàn)了集CAD、CAE、CAM為一體的各種有限元軟件包，如i-deas、pro-e、UG、ANSYS、SAP等。 目前，有限元方法的軟件包越來越多，功能也越來越強大，大量地應用于航天、機械、水利、能源等等領域，不僅用于力學

54、方面，也用于溫度場的確定。,,2.3 結構與力學性能的關系 決定設備應力分布的因素很多，其中，設備的結構是重要的一個因素。通過比較各種結構薄壁容器的應力大小，我們可以得到如下的一些結論：對筒身來說，力學性能由好到差的順序是按球體、橢球體、圓筒、錐筒、平壁容器排列的；對封頭來說，力學性能由好到差的順序是按半球形、半橢球形、碟形、錐形、平板形。,,,2.4 殼體的穩(wěn)定性分析,,圓筒失穩(wěn)時出現(xiàn)的波紋,殼體失

55、穩(wěn)的概念？？,對外壓容器，存在失穩(wěn)的破壞形式。2.4.1 圓柱殼體的三種類型：長圓筒 失穩(wěn)呈兩個波形短圓筒 失穩(wěn)呈兩個以上波形剛性圓筒 不失穩(wěn)問題：什么樣的圓筒易失穩(wěn)？,2.4.2 臨界壓力和臨界長度臨界長度 Lcr,式中：D0 —— 圓筒外徑 t ——厚度當LcrL時，為短圓筒 計算長度L為剛性構件（如封頭、法蘭

56、、加強圈等）之間的距離，取法見下圖：,,臨界壓力對長圓筒：對短圓筒：,,,Pamm公式,,外壓圓筒的穩(wěn)定條件,m—穩(wěn)定性安全系數(shù)，圓筒m=3,,設計壓力：,壓縮壓力：,外壓容器的失效形式步驟：判斷圓筒類型計算臨界壓力判斷圓筒是否安定,,2.4.3 理論計算和工程實踐的關系現(xiàn)象：外壓力<臨界壓力 ,有時也會發(fā)生容器的失穩(wěn)?。拷Y論：理論計算的預測不夠準確原因：理論計算的模型和真實容器存在較大的

57、出入。 理論模型的假定條件？材料是各向同性的；材料無缺陷；圓筒的不直度和不圓度為0；各處壁厚完全一樣。,理論的功能：解釋現(xiàn)象預測現(xiàn)象問題：什么樣的理論是正確的？ 表象上可能有偏差，但必須揭示現(xiàn)象的本質(zhì)規(guī)律！,大衛(wèi)·思各特的實驗,,2.5 典型局部應力,不連續(xù)問題!,解決不連續(xù)問題的方法?有力矩理論采用塑性好的材料 如銅、鋁、鈦的合金，或低碳鋼

58、合理的結構設計還有其它計算方法嗎？,不開孔時殼體上的環(huán)向薄膜應力,最大應力,,,,,,,如何降低局部應力?合理的結構設計減少兩連接部件的剛度差別；盡量采用圓弧過渡；,減少附件傳遞的局部載荷盡量減少結構中的缺陷,局部補強選擇合理的開孔位置,圖片,總結：回轉(zhuǎn)薄殼,薄壁圓筒的應力分析 單元體平衡法 ： 拉普拉斯公式

59、 區(qū)域平衡方程 無力矩理論及其使用條件 有力矩理論 不連續(xù)問題及其解決方法厚壁容器的 應力分析 方法：有力矩理論、有限元法,,壓力容器材料及環(huán)境和時間對其性能的影響3.1 壓力容器常用鋼材3.2 非金屬材料3.3 環(huán)境對壓力容器用鋼性能的影響3.4 壓力容器材料的選擇,3.1 壓力容器常用鋼材鋼材形狀：鋼板 如筒身

60、鋼管 如接管鍛造件 如法蘭,鋼材類型 碳素鋼 含碳量〈2.06% 如Q235系列、10、20、20R鋼低合金鋼 低碳低合金，合金元素總量〈3% 如16MnR、16MnDR等高合金鋼 低碳高合金 如0Cr18Ni9、40Cr、1Cr18Ni9Ti等,鐵-碳合金相圖：α—α鐵素體γ—奧氏體δ—δ鐵素體,3.1.1

61、 晶粒尺寸和合金元素提示：晶體：原子或分子在空間規(guī)則排列的 物質(zhì)。 材料分為晶體和非晶體，金屬材料是晶體。晶粒尺寸與材料性能的關系,結論：晶粒尺寸越小，材料的整體性能越好。措施？塑性變形 鐵匠反復鍛打鐵塊的目的？ 加工拉面或千層餅的面團如何處理？淬火處理 可以細化晶粒。 回火、焊接操作對晶粒尺寸的 影響？,合金元素的作用純金屬的特點

62、 以純鐵為例合金的特點合金元素 在基體材料中加入的某些金屬或非金屬元素。合金化合金化的目的 提高材料的綜合性能。如力學性能、加工性能、防止腐蝕的性能等。,3.1.2 塑性變形 塑性變形

63、的優(yōu)點？ 細化晶粒尺寸使晶格扭曲 提高材料的強度！ 塑性變形的缺點？ 造成加工硬化降低材料的抗腐蝕性能。,3.1.3 焊接焊接的優(yōu)點 加工方便、成本低等優(yōu)點。焊接的缺點 造成晶粒粗大、有殘余應力、局部變形、焊接缺陷等現(xiàn)象。,圖片,圖片,焊接缺陷,焊接質(zhì)量檢驗 一般采用無損探傷方法，如射線探傷、超聲波探傷、磁粉探傷等方法。3.2 非金屬材料

64、 主要有工程塑料、石墨、陶瓷等。共同特點為耐蝕性好、強度低。 用途逐漸增多，如汽車發(fā)動機、石墨換熱器、陶瓷換熱器等。,,3.3 環(huán)境對壓力容器用鋼性能的影響溫度 性能變化 高溫蠕變介質(zhì) 腐蝕,3.3.1 溫度短期、靜載條件下溫度對鋼材力學性能的影響E—彈性模量σs—屈服強度σb—抗拉強度δ—延長率Ψ —斷面收縮率,高溫、長期靜載條件下鋼材的力

65、學性能,3.3.2 介質(zhì) 化學腐蝕腐蝕 電化學腐蝕 局部腐蝕腐蝕 全面腐蝕,,,圖片,金屬腐蝕的危害？ 金屬材料的浪費、突發(fā)安全事故、污染產(chǎn)品等。絕大部分金屬材料的腐蝕都是能夠自發(fā)進行的過程 提示：不要想從根本上消除腐蝕！影響金屬材料腐蝕的因素？ 四個：材料、介質(zhì)、力學因素和結構因素。

66、 提示：防止或減小腐蝕的措施也要從這幾方面著手！,腐蝕分類 局部腐蝕 全面腐蝕局部腐蝕分類應力腐蝕孔蝕間隙腐蝕晶間腐蝕腐蝕疲勞磨損腐蝕,,3.4 壓力容器材料的選擇3.4.1 壓力容器用鋼的基本要求 較高的強度良好的塑性韌性制造性與介質(zhì)的相容性 介質(zhì)使材料脆化、腐蝕經(jīng)濟性,3.4.2 壓力容器鋼材的選擇 需考慮以下因素：壓力容器的使用條件制造工藝的特點

67、材料的使用經(jīng)驗（尤其是工業(yè)經(jīng)驗）經(jīng)濟性能相關規(guī)范和標準,,壓力容器設計4.1 概述4.2 設計準則4.3 工程設計的過去、現(xiàn)在、將來4.4 常規(guī)設計4.5 分析設計4.6 疲勞分析4.7 壓力容器設計進展,,4.1 概述4.1.1 設計要求設計要求：功能、安全性、先進性、經(jīng)濟性的統(tǒng)一 滿足設備的功能是最基本的要求； 安全是核心，是前提； 經(jīng)濟是目標； 先進性必須以設備的功能

68、、安全、經(jīng)濟性為前提，并 在這三個方面得到體現(xiàn)。,壓力容器設計基本內(nèi)容,常規(guī)設計,分析設計,注意事項：對待工程設計的態(tài)度決定了設計的成??；設備設計必須有系統(tǒng)思想；設計依據(jù)必須充分；設計方案的論證是關鍵；必須遵循設計規(guī)范；工程設計可以不完美，但絕不能有錯誤；沒有哪個設計是十全十美的；相關技術問題的有效解決是達成合格設計的前提；先進、高效的設計手段是達成優(yōu)秀設計作品的有力保證。,4.1.2 設計文件包括：設計