過程設(shè)備設(shè)計課程復(fù)習(xí)概要,北方民族大學(xué)化工學(xué)院,2015年6月,說明： 過程設(shè)備設(shè)計屬于專業(yè)主干課，通過考試檢驗同學(xué)們的學(xué)習(xí)效果。 通過期末系統(tǒng)復(fù)習(xí)把有關(guān)內(nèi)容消化，為今后畢業(yè)設(shè)計奠定基礎(chǔ)。以下只是學(xué)完該課程后需要同學(xué)們應(yīng)該掌握的重點部分，如果有精力，盡量系統(tǒng)復(fù)習(xí)。,第一章 、壓力容器導(dǎo)言：,（一）、基本概念 1、過程設(shè)備的特點： （1）功能原理多種多樣； （2）化機(jī)電一體化 （3）外殼一般為壓力容器2、過程設(shè)備的要求：安全可靠；滿足過程要求（主要指功能要求和壽命要求）；綜合經(jīng)濟(jì)性好；易于操作、維護(hù)和控制,3、 過程設(shè)備更新?lián)Q代的途徑： （1）改變工作原理； （2）改進(jìn)制造工藝、結(jié)構(gòu)和材料以提高其綜合技術(shù)性能； （3）加強(qiáng)輔助功能使其更適應(yīng)使用者4、過程裝備的內(nèi)涵： 單元過程設(shè)備和單元過程機(jī)器二者統(tǒng)稱為過程裝備。 5、壓力容器的基本組成： 壓力容器通常是由板、殼組成的焊接結(jié)構(gòu)。過程設(shè)備=內(nèi)件+外殼， 外殼一般包括筒體、封頭、密封裝置、開孔接管、支座和安全附件，其功能是提供能承受一定溫度和壓力的密閉空間。,6、壓力容器的焊接接頭型式有哪些？ 對接、搭接、角接 7、壓力容器按照承壓高低分為四個等級: 低壓(代號L)容器 0.1 MPap1.6 MPa;中壓(代號M)容器 1.6 MPap10.0 MPa;高壓(代號H)容器 10 MPap100 MPa;超高壓(代號U)容器 p100MPa。 8、固定式壓力容器應(yīng)具備的條件： （1）最高工作壓力大于或者等于0.1MPa（不含液體靜壓力）；（2）工作壓力與容積的乘積大于或者等于2.5MPa.L；（3）盛裝介質(zhì)為氣體、液化氣體或最高工作溫度高于等于標(biāo)準(zhǔn)沸點的液體,（二）判斷題 1、判斷下列容器屬一、二、三類容器的哪一類？1）2000mm長度為6000mm的液氨儲罐;2）p為4MPa的劇毒介質(zhì)容器;3）p為10MPa，V為800L的乙烯儲罐。4） 公路上汽油罐車5）設(shè)計壓力為2.5Mpa的空氣儲罐。6）設(shè)計壓力為1.5 Mpa的二氧化硫吸收塔。,第一章 、壓力容器導(dǎo)言：,第一章 、壓力容器導(dǎo)言：,2、按承載方式分類，壓力容器可分為：（）A.內(nèi)壓容器B.外壓容器C.反應(yīng)壓力容器D.真空容器,第一章 、壓力容器導(dǎo)言：,3、介質(zhì)危害性有多種，其中影響壓力容器分類的是：（）A.毒性B.腐蝕性C.氧化性D.易燃性,第二章 壓力容器應(yīng)力分析,（一）、基本概念 1、薄壁圓柱殼或薄壁圓筒劃分： 外直徑與內(nèi)直徑的比(Do/Di)max1.11.2；外直徑與內(nèi)直徑的比值(Do /Di)max1.11.2 。 2、無力距理論的適用條件假設(shè)： 殼體材料連續(xù)、均勻、各向同性；受載后的變形是彈性小變形；殼壁各層纖維在變形后互不擠壓；,3、內(nèi)壓作用下的薄壁容器其筒體上任一點的應(yīng)力情況：,第二章 壓力容器應(yīng)力分析,內(nèi)壓p,B點,軸向：經(jīng)向應(yīng)力或軸向應(yīng)力,圓周的切線方向：周向應(yīng)力或環(huán)向應(yīng)力,壁厚方向：徑向應(yīng)力r,三向應(yīng)力狀態(tài),、,二向應(yīng)力狀態(tài),4、不連續(xù)應(yīng)力（邊緣應(yīng)力）的特點; 局部性、自限性 5、厚壁圓筒熱應(yīng)力的特點：,第二章 壓力容器應(yīng)力分析,a. 熱應(yīng)力隨約束程度的增大而增大,b. 熱應(yīng)力與零外載相平衡，是自平衡應(yīng)力,c. 熱應(yīng)力具有自限性，屈服流動或高溫蠕變 可使熱應(yīng)力降低,d. 熱應(yīng)力在構(gòu)件內(nèi)是變化的,6、,第二章 壓力容器應(yīng)力分析,減小熱應(yīng)力的措施,1、控制設(shè)備的加熱和冷卻速度,2、控制和減小構(gòu)件的熱變形約束(見圖）,3、設(shè)置膨脹節(jié),4、采用良好的保溫層,第二章 壓力容器應(yīng)力分析,7、降低局部應(yīng)力的措施,（1）減少兩連接件的剛度差,（2）盡量采用圓弧過渡,（3）局部區(qū)域補(bǔ)強(qiáng),（4）選擇合適的開孔方位,8、外壓的短圓筒，失穩(wěn)時，出現(xiàn)的波形個數(shù)為：（ ） A.兩個 B.四個 C.大于兩個 D.大于四個,第二章 壓力容器應(yīng)力分析,第二章 壓力容器應(yīng)力分析,（二）分析題：,1、分析：,問題：鋼板卷制圓筒形容器，縱焊縫與環(huán)焊縫哪個易裂？,筒體縱向焊縫受力大于環(huán)向焊縫，故縱焊縫易裂，施焊時應(yīng)予以注意。,第二章 壓力容器應(yīng)力分析,（二）分析題：,2、分析：,問題1：錐形封頭為什么不適合做壓力容器封頭？,問題2:橢圓形封頭的應(yīng)力分布有什么特點？,問題3:橢圓形封頭為什么要設(shè)置直邊段？,第二章 壓力容器應(yīng)力分析,（三）計算題：1、用應(yīng)力計算說明在同樣內(nèi)壓力的作用下球形容器比圓筒型容器壁厚薄的理由。,2、不同安裝方式下，充裝液體的內(nèi)壓容器應(yīng)力計算：,p0,第二章 壓力容器應(yīng)力分析,p0,第三章 壓力容器材料及環(huán)境和時間對其性能的影響,1、化工設(shè)備選材的重要性和復(fù)雜性.操作條件的限制.制造條件的限制.材料自身性能的限制2、選材要遵循 適用、安全和經(jīng)濟(jì)的原則。,3、怎樣區(qū)分冷熱加工？從金屬學(xué)的觀點來區(qū)分，冷、熱加工的分界線是金屬的再結(jié)晶溫度。,第三章 壓力容器材料及環(huán)境和時間對其性能的影響,4、焊接接頭組成？,焊接接頭組成,5、減少焊接應(yīng)力和變形的措施,如：盡量減少焊接接頭數(shù)量相鄰焊縫間應(yīng)保持足夠的間距盡可能避免交叉，避免出現(xiàn)十字焊縫焊縫不要布置在高應(yīng)力區(qū)焊前預(yù)熱等等當(dāng)焊接造成的殘余應(yīng)力會影響結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行時，還需設(shè)法消除焊接殘余應(yīng)力。,設(shè)計,焊接工藝,第三章 壓力容器材料及環(huán)境和時間對其性能的影響,6、材料的力學(xué)性能指標(biāo)：衡量材料力學(xué)性能的指標(biāo)有強(qiáng)度、硬度、彈性、塑性、韌性等。 7、材料的加工工藝性能： 加工工藝性能包括鑄造性、鍛造性、焊接性和切削加工性等。這些性能直接影響化工設(shè)備和零部件的制造工藝方法和質(zhì)量，因此加工工藝性能是化工設(shè)備選材時必須考慮的因素。,第三章 壓力容器材料及環(huán)境和時間對其性能的影響,5、鐵碳合金應(yīng)如何劃分歸類？含碳量在0.022的稱為鋼；大于2的稱為為鑄鐵，小于0.02時，稱為工業(yè)純鐵。純鐵和含碳量大于4.3的鑄鐵在工程上很少應(yīng)用。 6、金屬材料的熱處理的方法：,第三章 壓力容器材料及環(huán)境和時間對其性能的影響,7、正火與退火的主要區(qū)別：正火與退火的主要區(qū)別在于冷卻速度不同。正火的冷卻速度比退火快，奧氏體轉(zhuǎn)變溫度較低，組織中珠光體量增多，且珠光體比較細(xì)，因此，強(qiáng)度和硬度提高。鑄、鍛件切削加工前一般進(jìn)行退火或正火。,第三章 壓力容器材料及環(huán)境和時間對其性能的影響,8、普通碳素鋼中含有的雜質(zhì)元素： 除含碳以外，碳鋼中的雜質(zhì)元素有Mn、Si、S、P、O、N、H等。這些雜質(zhì)是由礦石及冶煉過程中帶入的，對鋼材性能有一定影響： S引起“熱脆”、 P引起“冷脆”、 O降低鋼的強(qiáng)度、塑性。有害元素。 Mn使鋼的強(qiáng)度提高、Si有助于脫氧，有益元素。,第三章 壓力容器材料及環(huán)境和時間對其性能的影響,9、新國標(biāo)對常見鋼的牌號表示方法及符號的規(guī)定： Q235-AF中各字母、數(shù)字的意義：Q：鋼材屈服點“屈”字漢語拼音首位字母；235：此鋼的屈服極限為235MPa；A：質(zhì)量等級。共有A、B、C、D四個等級；其中Q195和Q275不分等級，Q215和Q255分A、B兩個等級，Q235分四個等級,第三章 壓力容器材料及環(huán)境和時間對其性能的影響,0Cr13 含碳量小于0.08%，含鉻13% 0Cr18Ni9：含碳量小于0.08%，含鉻18%，含鎳9% 15CrMoR00Cr19Ni1009MnNiD20MnMo 10、金屬材料在焊接厚板時必須在焊接接頭處開適當(dāng)?shù)钠驴冢驴诘闹饕饔檬鞘裁矗?第三章 壓力容器材料及環(huán)境和時間對其性能的影響,11、 對焊接接頭進(jìn)行必要的檢驗是保證焊接質(zhì)量的重要措施，常用的焊接的檢驗方法有哪些？ 外觀檢查、無損探傷、水壓試驗和氣壓試驗、焊接接頭的力學(xué)性能試驗 12、焊縫的內(nèi)部缺陷：未焊透、夾渣、氣孔、裂紋、,第三章 壓力容器材料及環(huán)境和時間對其性能的影響,13、在鋼材焊縫邊緣開坡口的目的。 14、壓力容器焊縫的接頭型式有哪些,第三章 壓力容器材料及環(huán)境和時間對其性能的影響,1、壓力容器按照設(shè)計壓力劃分等級,第四章 壓力容器設(shè)計,一、概念部分,2、壓力容器按照管理等級可以分為三類： 會判斷容器類別： 1）壓力為0.8MPa的低溫液氨儲罐; 2）p為4MPa的氰化鈉介質(zhì)儲存容器; 3）p為1.65MPa的管殼式余熱鍋爐。 4） 工作壓力為23.5Mpa的尿素合成塔,第四章 壓力容器設(shè)計,3、壓力容器失效形式： 按照失效原因，壓力容器失效形式可以分為強(qiáng)度失效、剛度失效、失穩(wěn)失效、泄露失效。 4、薄壁圓筒受內(nèi)壓環(huán)向應(yīng)力與軸向應(yīng)力的大小比較：筒體上開橢圓孔，如何開孔？ 5、什么是壓力容器常規(guī)設(shè)計？ 常規(guī)設(shè)計稱為“按規(guī)則設(shè)計”，只考慮單一的最大載荷工況，按一次施加的靜力載荷處理，不考慮交變載荷，也不區(qū)分短期載荷和永久載荷，因而不涉及容器的疲勞壽命問題。,第四章 壓力容器設(shè)計,6、對于薄壁壓力容器，會用應(yīng)力公式（中經(jīng)公式推導(dǎo)壁厚計算公式。 7、厚壁壓力容器圓筒組合形式有那些 ？ 多層包扎式、熱套式、繞板式、整體多層包扎式、繞帶式 8、壓力容器設(shè)計技術(shù)主要參數(shù)有哪些？ 設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、厚度及其附加量、焊接接頭系數(shù)、許用應(yīng)力等,第四章 壓力容器設(shè)計,9、壓力容器立式容器和臥式容器支座型式： 臥式：鞍座、圈座、支腿 立式：耳式支座、支承式支座、裙式支座 10、各支座在校核載荷時如何確定數(shù)量？ 夾套反應(yīng)器四個耳座、臥式換熱器兩個鞍座 11、分清楚容器設(shè)計的幾種厚度，并搞清楚它們之間的關(guān)系： 計算厚度、設(shè)計厚度、名義厚度、有效厚度，,第四章 壓力容器設(shè)計,12、壓力容器設(shè)計過程中，各種參數(shù)的選?。汉缚p系數(shù)、壁厚負(fù)偏差、腐蝕裕度、設(shè)計壓力、設(shè)計溫度、許用應(yīng)力 13、外壓容器設(shè)計兩種基本方法： 公式法、圖算法 需要設(shè)定壁厚，反復(fù)試算，直到合適為止。 外壓容器為什么要設(shè)置加強(qiáng)圈？,第四章 壓力容器設(shè)計,14、壓力容器封頭類型： 球形封頭與橢圓形封頭的內(nèi)應(yīng)力分布特點對比,第四章 壓力容器設(shè)計,15、受內(nèi)壓的錐形封頭與球形封頭 其內(nèi)應(yīng)力分布特點？ 16、為什么壓力容器很少采用平板封頭？ 17、壓力容器局部開孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)形式有哪些？ 補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)、厚壁接管補(bǔ)強(qiáng)、整鍛件補(bǔ)強(qiáng) 18、開孔補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計準(zhǔn)則： 等面積補(bǔ)強(qiáng)法、壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法、極限載荷補(bǔ)強(qiáng)法,第四章 壓力容器設(shè)計,19、 影響法蘭密封的因素主要有哪些: 螺栓預(yù)緊力； 壓緊面質(zhì)量（密封面特征）； 墊片性能；法蘭剛度和螺栓剛度； 操作條件的影響。,第四章 壓力容器設(shè)計,20、壓力容器和管道中常用的法蘭密封面型式：突面、凹凸面、榫槽面（各適用場合） 21、根據(jù)工作條件選取標(biāo)準(zhǔn)法蘭：法蘭公稱壓力：與最大操作壓力、操作溫度以及材料有關(guān)。見下面法蘭標(biāo)準(zhǔn)局部：,第四章 壓力容器設(shè)計,給定法蘭的工作溫度、工作壓力根據(jù)下表會選用法蘭。如工作溫度280，工作壓力為0.9MPa,應(yīng)選用那種法蘭？,第四章 壓力容器設(shè)計,22、壓力容器耐壓試驗:23、壓力容器泄漏試驗：24、壓力容器安全泄放裝置有哪些？25、壓力容器焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計：,第四章 壓力容器設(shè)計,二、計算題 1、內(nèi)壓容器計算：例題1-1：某化工廠欲設(shè)計一臺石油氣分離工程中的乙烯精餾塔。工藝要求為塔體內(nèi)徑Di=600mm；設(shè)計壓力p2.2MPa；工作溫度t-3-20。試選擇塔體材料并確定塔體厚度。解析：由于石油氣對鋼材腐蝕不大，溫度在-20以上，承受一定的壓力，故選用16MnR。 根據(jù)式(10-12),第四章 壓力容器設(shè)計,d為設(shè)計厚度,式中p2.2MPa；Di=600mm；s170MPa j=0.8(已知)； C2=1.0 mm 得：,第四章 壓力容器設(shè)計,考慮鋼板厚度負(fù)偏差C10.6mm圓正取dn=7mm,水壓試驗時的應(yīng)力校核：,第四章 壓力容器設(shè)計,16MnR的屈服限s=345MPa（附錄表6）,2、外壓容器計算： 例題：有一臺聚乙烯聚合釜，外徑1580mm，高7060mm，壁厚llmm，材質(zhì)為0Crl8Ni9，試確定釜體的最大允許外壓力。(設(shè)計溫度為200。) 解：首先判斷外壓圓筒的臨界長度Lcr, Lcr=1.17DoDo/e/Do=1580mm, e=11-0.8=10.2(mm).Lcr=1.17*15801580/10.2=23007.6mm,Lcr大于筒體高度，所以屬于短圓筒。,第四章 壓力容器設(shè)計,根據(jù)短圓筒臨界壓力計算公式得：Pcr=2.59Et(e/ Do)2.5 /（L/Do） Et=1.84*105Mpa,帶入上式得：Pcr=2.59*1.84*105（10.2/15802.5/(7060/1580) Pcr =0.36Mpa。取安全系數(shù)為m=3,則【P】=Pcr/m=0.119 Mpa. 聚合釜的最大允許外壓力為0.119MPa,第四章 壓力容器設(shè)計,第五章 儲運(yùn)設(shè)備,基本概念： 1、設(shè)計雙鞍座臥式容器時，支座位置應(yīng)按照那些原則確定？試說明理由根據(jù)均布載荷的外伸梁的力學(xué)分析可知，當(dāng)外伸梁的長度A為梁的全長L的0.207倍時，跨間的最大彎矩與支座截面處的彎矩(絕對值)相等，若外伸加長，支座截面處的應(yīng)力加大。因而，臥式容器通常要求A0.2L。此外，由于封頭的剛性大于圓筒體的剛性，封頭對于圓筒體有加強(qiáng)作用，若支座鄰近封頭，即A0.5D0（D0為圓筒平均外徑），則可充分利用封頭的加強(qiáng)效應(yīng)。因此在滿足A0.2L時，尚應(yīng)盡量滿足A0.5D0。,第五章 儲運(yùn)設(shè)備,和立式容器一樣，臥式容器的支座也應(yīng)固定在基礎(chǔ)上。但是，環(huán)境和物料溫度的變化會使臥式容器的圓筒體產(chǎn)生伸縮，若因支座固定而不允許圓筒體伸縮，圓筒體內(nèi)部將增加附加應(yīng)力。因此臥式容器只允許一個支座固定，另一支座的地腳螺栓孔開成長圓孔，允許滑動。 2、雙鞍座臥式容器設(shè)計中應(yīng)計算那些應(yīng)力？試分析這些應(yīng)力是如何產(chǎn)生的？ 圓筒軸向應(yīng)力計算及校核：主要包括兩支座跨中截面處筒體的軸向應(yīng)力和支座截面處圓筒的軸向應(yīng)力。這些軸向應(yīng)力是由于內(nèi)壓與筒體的重力載荷引起的。 圓筒和封頭切應(yīng)力的計算及校核： 分三種情況，支座截面處有加強(qiáng)圈、無加強(qiáng)圈等。 支座截面處的環(huán)向應(yīng)力計算： 由支座反力產(chǎn)生的切應(yīng)力會對圓筒徑向產(chǎn)生環(huán)向彎矩,（1）軸向彎矩（M1-M2 ）的計算,（2）軸向應(yīng)力（1-4 ）的校核,1：跨中截面最低點（壓應(yīng)力）， 2：跨中截面最高點（拉應(yīng)力），,3：支座截面最低點（壓應(yīng)力）， 4：支座截面最高點（拉應(yīng)力），K1、K2為系數(shù),第五章 儲運(yùn)設(shè)備,3、儲罐設(shè)計裝填系數(shù)的確定： 一般對液化氣體有充裝系數(shù)的說法，確定充裝系數(shù)是為了確保液化氣體在升溫時，儲罐內(nèi)能保留一定的氣相安全空間，不至于液化氣體體積膨脹，引起儲罐的壓力劇增。因此首先確定儲罐的安全系數(shù)。再用液化氣體的飽和密度乘以有效容積系數(shù)。 一般設(shè)計容積大于裝填容積，裝填容積大于實際容積。例如液化儲罐設(shè)計容積就是儲罐的具體容積，裝填容積就是因為按照盛裝介質(zhì)的理化性質(zhì)，需要在里面安裝溫度、壓力等容器，所以需要富裕一定的空間。液化石油氣在一定條件下易氣化，所以實際重裝的液化氣不易裝滿，一般充裝系數(shù)為0.85. 根據(jù)GB18442低溫絕熱壓力容器6.3.2.1的規(guī)定“有效容積不得超過幾何容積的95%”，所以充裝系數(shù)都在0.95以下，現(xiàn)在大部分低溫壓力容器生產(chǎn)廠家取的都在0.9到0.95之間，充裝系數(shù)越低，氣相空間越大，相對而言稍微安全點，但要達(dá)到固定的有效容積，幾何容積就會做的越大，材料消耗稍微多一點點。,第五章 儲運(yùn)設(shè)備,第五章 儲運(yùn)設(shè)備,4、球罐一般開設(shè)幾個人孔？怎樣布局？ 人孔是球罐便于檢修人員進(jìn)入其內(nèi)部進(jìn)行檢驗和檢修的通道。球罐在施工過程中，罐內(nèi)的通風(fēng)、煙塵的排除以及腳手架、工器具至內(nèi)件的組裝也是需要通過人孔來完成。 根據(jù)工作需要，球罐一般需要開設(shè)兩個人孔，分別設(shè)置在上下極板上，球罐必須進(jìn)行焊后整體熱處理，則人孔應(yīng)設(shè)置在上下極板的中心。球罐人孔直徑以DN500為主。 5、設(shè)計球形儲罐應(yīng)考慮那些載荷？各種罐體形式有何特點？,第六章 換