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壓力容器設計的基本步驟

作者: 2013年07月22日 來源: 瀏覽量:
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以穩(wěn)壓罐的設計為例,對容器設計的全過程進行講解。首先,我們根據用戶提出的、在壓力容器規(guī)范范圍內雙方簽署的具有法律約束力的設計技術協議書,該協議書也可以經雙方同意共同修改、完善,以期達到產品使用最優(yōu)化。
以穩(wěn)壓罐的設計為例,對容器設計的全過程進行講解。
首先,我們根據用戶提出的、在壓力容器規(guī)范范圍內雙方簽署的具有法律約束力的設計技術協議書,該協議書也可以經雙方同意共同修改、完善,以期達到產品使用最優(yōu)化。
根據穩(wěn)壓罐的設計技術協議,我們知道了容器的最高工作壓力為1.4MPa,工作溫度為200℃,工作介質為壓縮空氣,容積為2m3,要求使用壽命為10年。這些參數就是用戶提供給我們的設計依據。
有了這些參數,我們就可以開始設計。
一. 設計的第一步
就是要完成容器的技術特性表。除換熱器和塔類的容器外,一般容器的技術特性表包括
a 容器類別
b 設計壓力
c 設計溫度
d 介質
e 幾何容積
f 腐蝕裕度
j 焊縫系數
h 主要受壓元件材質等項。一般我所圖紙上沒有做強行要求寫上主要受壓元件材質
一. 確定容器類別
容器類別的劃分在國家質量技術監(jiān)督局所頒發(fā)的《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》(以下簡稱容規(guī))第一章第6條(p7)有詳細的規(guī)定,主要是根據工作壓力的大小(p75)、介質的危害性和容器破壞時的危害性來劃分(p75)。本例穩(wěn)壓罐為低壓(<1.6MPa)且介質無毒不易燃,則應劃為第Ⅰ類容器。
   另:具體壓力容器劃分類別見培訓教材 p4  1-11
        何謂易燃介質見 p2  1-6
        介質的毒性程度分級見 p3  1-7
劃分壓力容器等級見  p3  1-9
二. 確定設計壓力
我們知道容器的最高工作壓力為1.4MPa,設計壓力一般取值為最高工作壓力的1.05~1.10倍。
至于是取1.05還是取1.10,就取決于介質的危害性和容器所附帶的安全裝置
介質無害或裝有安全閥等就可以取下限1.05,否則就取上限1.10。
本例介質為無害的壓縮空氣,且系統(tǒng)管路中有泄壓裝置,符合取下限的條件,則得到設計壓力為
            Pc=1.05x1.4
=1.47MPa。
      另:什么叫設計壓力?計算壓力?如何確定?見p11  3-1
         液化石油儲罐設計中,是如何確定設計壓力的?
三. 確定設計溫度
一般是在用戶提供的工作溫度的基礎上,再考慮容器環(huán)境溫度而得。
比如為華北油田設計的容器,且在工作狀態(tài)無保溫的情況下,其工作溫度為30℃,其冬季環(huán)境溫度最低可到-20℃,則設計溫度就應該按容器可能達到的最惡劣的溫度確定為-20℃。《容規(guī)》附件二(p77)提供了一些設計所需的氣象資料供參考。本例取設計溫度為200℃即可。
四. 確定幾何容積
結構設計完成后的實際容積填寫即可。
五. 確定腐蝕裕量
由所選定受壓元件的材質、工作介質對受壓元件的腐蝕率、容器使用環(huán)境和用戶期待的使用壽命來確定,實際上應先選定受壓元件的材質,再確定腐蝕裕量。
《容規(guī)》第三章表3-3(p23)和GB150第3.5.5.2節(jié)(p5)對一些常見介質的腐蝕裕量進行了一些規(guī)定。工作介質對受壓元件的腐蝕率主要按實測數據和經驗來確定,受使用環(huán)境影響很大,變數很多,目前無現成的數據。
一般介質無腐蝕的容器,其腐蝕裕量取1~2mm即可滿足使用壽命的要求。本例取腐蝕裕量為2mm。
另:什么叫計算厚度、設計厚度、名義厚度、有效厚度?何謂最小厚度?如何確定?見p12 3-5  3-6
六. 確定焊縫系數
焊縫系數的標準叫法叫焊接接頭系數,GB150的3.7節(jié)(p6)對其取值與焊縫檢測百分比進行了規(guī)定。
具體取值,可以按《容規(guī)》第85條(p43)所規(guī)定的10種情況選擇
其焊縫系數取1,即焊接接頭應進行100%的無損檢測,其他情況一般選焊縫系數為0.85。
本例選焊縫系數為0.85。
七. 主要受壓元件材質的確定
材質的確定在滿足安全和使用條件的前提下,還要考慮工藝性和經濟性。
GB150第8頁材料的使用有嚴格的規(guī)定,對這些規(guī)定的掌握是非常必要的。比較常用的材料有Q235-B(Q235-C)16MnR和0Cr18Ni9這幾種材料
1.        0Cr18Ni9一般用于低于-20℃的低溫容器和                        
對介質有潔凈要求的容器,如低溫分離器、氟利昂蒸發(fā)器等;
2.        16MnR一般用于對安全性要求較高、使用Q235-B時壁厚較大的容器,如油、天然氣等。
3.        Q235-B使用最廣也最經濟,GB150第9頁對其使用條件作了詳細規(guī)定:
●        規(guī)定設計壓力≤1.6MPa;
●        鋼板使用溫度0℃~350℃;
●        用于殼體時厚度不得大于20mm,且不得用于高度危害的介質。
就本例來說,其使用壓力、溫度和介質都符合Q235-B的條件,唯有厚度還未知,若超過了20mm則只能使用16MnR,本例就暫定使用Q235-B。
當然啦,如果我們按以下:
●規(guī)定設計壓力≤2.5MPa;
●鋼板使用溫度不得超過0℃~400℃;
●用于殼體時厚度不得大于30 mm,且不得用于高度危害的介質。
Q235-B與Q235-C的主要區(qū)別也就是沖擊試驗溫度不同,前者為在溫度20℃下做 V型沖擊試驗;后者為在0℃ 時做V型沖擊試驗
完成了技術特性表,下一步就是容器計算了。
◆ 確定容器直徑
計算時首先要確定容器直徑。除非用戶有要求,一般取長徑比為2~5,很多情況下取2~3就可以了。
本例要求容器的幾何容積為2m3 。
我們只得先設定直徑,再根據此直徑和容積求出筒體高度,驗算其長徑比。設定的直徑應符合封頭的規(guī)格。
我們設定為800mm,查標準JB/T4746《鋼制壓力容器用封頭》附錄B,得知此規(guī)格的封頭容積為0.0796 m3,
則:
筒體高度為   3664mm,
長徑比為     3664/800=4.58
若加上封頭的高度,可知其長徑比太大,我們先前設定的直徑太小。
再設定直徑為1000mm,查得封頭容積為0.1505立方。
得到:
筒體高度為   2164mm
長徑比為     2164/1000=2.16
比較理想,則我們確定本例穩(wěn)壓罐的內直徑為1000mm,筒體高度圓整為2200mm。
有了容器直徑,即可按照GB150公式5-1(p26)計算出厚度為8.30mm。此厚度即為計算厚度,其名義厚度為計算厚度與腐蝕裕量之和,再向上圓整到鋼板的商品厚度。本例腐蝕裕量為2mm,與計算厚度之和為10.30mm,與之最接近的鋼板商品厚度為12mm,故確定容器厚度為12mm,并且此值符合Q235-B對厚度不超過20mm的要求。
另外本例若選擇腐蝕裕量為1mm經濟性會好得多,可以思考一下為什么
至此,我們已得到容器外形。
◆ 下一步該是按用戶要求和《容規(guī)》的規(guī)定配置各管口的法蘭和接管。
容器上開孔要符合GB150第8.2節(jié)(p75)的規(guī)定,一般都要進行補強計算,除非滿足GB150第8.3節(jié)(p75)的條件,則可不必再計算補強。
選擇接管時應盡量滿足GB150第8.3節(jié)的條件,其安全性和經濟性都最好,避免增加補強圈。
本例要求的管口直徑都在GB150第8.3節(jié)的范圍內,因此進氣口和出氣口接管選擇φ57x5的無縫鋼管,排污口選擇φ25x3.5的無縫鋼管。法蘭按HG20592選擇1.6MPa的突面(RF)板式平焊法蘭(PL)。
◆ 法蘭及其密封面型式
法蘭及其密封面型式是設計協議書中要求的,
1.        壓力等級必須高于設計壓力;
2.        其材質一般與筒體相同;
3.        確定管口在殼體上的位置時,在空間較為緊張的情況下,一般也應保持焊縫與焊縫間的距離不小于50mm,以避免焊接熱影響區(qū)的相互疊加。
本例選定進氣口、出氣口距上下封頭環(huán)焊縫各300mm。因本例穩(wěn)壓罐工作溫度為200℃,故其工作狀態(tài)下必定有保溫層,考慮到保溫層厚度以及螺栓安裝的需要,選定法蘭密封面到筒體表面的距離為150。
◆ 檢查孔
除了用戶要求的管口外,《容規(guī)》第45條(p26)還對檢查孔的設置進行了規(guī)定。
本例直徑為1000mm,按規(guī)定必須開設一個人孔。查《回轉蓋平焊法蘭人孔》標準JB580-79 壓力容器與化工設備實用手冊p614,選擇壓力1.6MPa級、公稱直徑450的人孔,密封型式為A型,其接管為φ480x10。因人孔開孔較大,所以人孔一定要使用補強圈補強,查《補強圈》標準JB/T4736,補強圈外徑為760,厚度一般等同于筒體。人孔的位置以方便出入人孔為原則,應盡量靠近下封頭。本例選定人孔中心距下封頭環(huán)焊縫500。
立式容器的支座一般選用支承式支座JB/T4724(壓力容器與化工設備實用手冊第599頁),
另:鍛件的級別如何確定?對于公稱厚度大于300mm的碳素鋼和低合金鋼鍛件應選用何級別?
◆  管口表的填寫
◆        技術要求的書寫
1  本設備按 GB150-1998《鋼制制壓力容器》進行制造、試驗和驗收,并接受國家質量技術監(jiān)督局頒發(fā)的《壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程》的監(jiān)督。
2  焊接采用電弧焊,焊條牌號:焊接采用J422。
3  焊接接頭型式和尺寸除圖中注明外,按HG20583的規(guī)定進行施焊:A 類和 B 類焊接接頭型式為DU3; 接管與筒體、封頭的焊接接頭型式見接管表;未注角焊縫的焊角尺寸為較薄件的厚度;法蘭的焊接按相應法蘭標準的規(guī)定。
4  容器上的 A 類和 B 類焊接接頭應進行射線探傷檢查,探傷長度不小于每條焊縫長度的20%,其結果應以符合JB4730 規(guī)定中的 Ⅲ 級為合格。
5  設備制造完畢應進行水壓試驗,試驗壓力為     MPa。
6  管口、支座及銘牌架方位按本圖。
7  設備檢驗合格后,外表面涂 C06-1 鐵紅醇酸底漆兩道,再涂 C04-42 灰色醇酸磁漆一道。
8  設備檢驗合格后,內部清理干凈,各管口用盲板封嚴。
10 設備筒體的計算厚度為     mm,封頭計算厚度為     mm。
   建議使用年限為10年。
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