壓力容器設計步驟

tags:    時間:2014-03-07 11:36:55
壓力容器設計步驟簡介
壓力容器設計的基本步驟: 以穩壓罐的設計為例,對容器設計的全過程進行講解。 首先,我們根據用戶提出的、在壓力容器規範範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……
壓力容器設計步驟正文

壓力容器設計的基本步驟:

以穩壓罐的設計為例,對容器設計的全過程進行講解。

首先,我們根據用戶提出的、在壓力容器規範範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化。

根據穩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。

.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焊縫係數

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

.確定容器類別 

容器類別的劃分在國家質量技術監督局所頒發的《壓力容器安全技術監察規程》(以下簡稱容規)第一章第6條(p7)有詳細的規定,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

.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1.051.10倍。

至於是取1.05還是取1.10,就取決於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:什麼叫設計壓力?計算壓力?如何確定?見p11  3-1

       液化石油氣儲罐設計中,是如何確定設計壓力的?

.確定設計溫度

一般是在用戶提供的工作溫度的基礎上,再考慮容器環境溫度而得。

比如為華北油田設計的容器,且在工作狀態無保溫的情況下,其工作溫度為30℃,其冬季環境溫度最低可到-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》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。

.確定幾何容積

按結構設計完成後的實際容積填寫即可。

.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》第三章表3-3p23)和GB1503.5.5.2節(p5)對一些常見介質的腐蝕裕量進行了一些規定。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12mm即可滿足使用壽命的要求。本例取腐蝕裕量為2mm

另:什麼叫計算厚度、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

.確定焊縫係數

焊縫係數的標準叫法叫焊接接頭係數,GB1503.7節(p6)對其取值與焊縫檢測百分比進行了規定。 

具體取值,可以按《容規》第85條(p43)所規定的10種情況選擇:

其焊縫係數取1,即焊接接頭應進行100%的無損檢測,其他情況一般選焊縫係數為0.85

本例選焊縫係數為0.85

.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。

GB1508頁材料的使用有嚴格的規定,對這些規定的掌握是非常必要的。比較常用的材料有Q235-BQ235-C16MnR0Cr18Ni9這幾種材料

1.        0Cr18Ni9一般用於低於-20℃的低溫容器和                        

對介質有潔凈要求的容器,如低溫分離器、氟利昂蒸發器等;

2.        16MnR一般用於對安全性要求較高、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,GB1509頁對其使用條件作了詳細規定:

●       規定設計壓力1.6MPa

●       鋼板使用溫度0~350℃;

●       用於殼體時厚度不得大於20mm,且不得用於高度危害的介質。

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:

規定設計壓力2.5MPa

鋼板使用溫度不得超過0~400℃;

用於殼體時厚度不得大於30 mm,且不得用於高度危害的介質。

Q235-BQ235-C的主要區別也就是衝擊試驗溫度不同,前者為在溫度20℃下做 V型衝擊試驗;後者為在0 時做V型衝擊試驗

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25,很多情況下取23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格。

我們設定為800mm,查標準JB/T4746《鋼製壓力容器用封頭》附錄B,得知此規格的封頭容積為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5-1p26)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,並且此值符合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,可以思考一下為什麼

至此,我們已得到容器外形。

 下一步該是按用戶要求和《容規》的規定配置各管口的法蘭和接管。

容器上開孔要符合GB1508.2節(p75)的規定,一般都要進行補強計算,除非滿足GB1508.3節(p75)的條件,則可不必再計算補強。

選擇接管時應盡量滿足GB1508.3節的條件,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GB1508.3節的範圍內,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.       壓力等級必須高於設計壓力;

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於50mm,以避免焊接熱影響區的相互疊加。

本例選定進氣口、出氣口距上下封頭環焊縫各300mm。因本例穩壓罐工作溫度為200℃,故其工作狀態下必定有保溫層,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》第45條(p26)還對檢查孔的設置進行了規定。

本例直徑為1000mm,按規定必須開設一個人孔。查《迴轉蓋平焊法蘭人孔》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,厚度一般等同於筒體。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)

另:鍛件的級別如何確定?對於公稱厚度大於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

本設備按 GB150-1998《鋼製制壓力容器》進行製造、試驗和驗收,並接受國家質量技術監督局頒發的《壓力容器安全技術監察規程》的監督。

焊接採用電弧焊,焊條牌號:焊接採用J422

焊接接頭型式和尺寸除圖中註明外,按HG20583的規定進行施焊: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定。

容器上的 A類和 B類焊接接頭應進行射線探傷檢查,探傷長度不小於每條焊縫長度的20%,其結果應以符合JB4730規定中的  級為合格。

設備製造完畢應進行水壓試驗,試驗壓力為     MPa

管口、支座及銘牌架方位按本圖。

設備檢驗合格后,外表面塗 C06-1鐵紅醇酸底漆兩道,再塗 C04-42灰色醇酸磁漆一道。

設備檢驗合格后,內部清理乾淨,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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