32Mpa高压容器的结构设计及应力分析毕业论文.doc

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1、毕业设计(论文)题 目 名 称32Mpa高压容器的结构设计及应力分析题 目 类 型毕业设计系 部专 业 班 级学 生 姓 名学 号/序 号指 导 教 师辅 导 教 师时 间前言1833年法国巴黎大学教授Lame和Clapeyron得出了厚壁圆简平衡公式和应力分布公式，提出了在圆简内施加压力时其内部的应力分布，从而为高压容器的发展奠定了理论基础。1888年法国学者Lrchatlirt首先提出利用压力这个因素来促进氢氮的反应及提高氨产量的著名原理及设想。继而德国化学家Haber等继续进行了这方面的研究，并从设备上解决了问题。并于1910年建立了一个中间工厂，第一次在20MPa操作压力下得到氨的工业

2、产品。几乎在同一时代，煤炭的液化亦采用了高压设备。随着近代化工工业的迅速发展，高压容器获得愈来愈广泛的应用。如合成氨工业中的高压设备压力为15 -60MPa;合成甲醇工业中的高压设备压力为15 -30MPa;合成尿素工业中的高压设备压力为20 MPa ;石油加氮工业中的高压设备压力为8 - 70MPa;乙烯气体在超过100MPa的超高压条件下进行聚合反应等，都是利用高压条件手化学平衡向有利于合成产品的方向进行这一原理，它可以提高化学反应速度，并大大减小了反应设备的容积。从各方面的技术应用中表明，高压容器在现代工业中的应用必不可少.而且是得到迅速发展的一个领域。低温技术在宇航等工业上的开发和应用

3、，需要一些深冷低温高压贮液设备和单元操作设备，如液氢、液氧高压容器，其使用压力已高达40MPa，容积亦趋大型化而且，低温容器所贮存的往往是易燃易爆和极易挥发的介质，因此，对低温容器结构的使用安全技术和制造技术的要求亦不断增加，其矛盾越发突出。如要设计一台10m3的液氢容器，内容器材料应选奥氏体不锈钢,当筒体内径为1500 mm时，要求设计壁厚达250 mm以上，要采用如此厚的不锈钢板卷焊技术来制造，不仅制造困难，造价昂贵,其使用安全性亦不足。目前在工矿企业使用的压力容器中，低温压力容器占有一定的比重。因该容器工作温度较低，容器材料的脆性相应增大，即使在工作压力较低的情况下，也极易造成低应力脆断

4、，使容器遭到不同程度的破坏。因此，这种破坏是一种很难预测而危害性又很大的破坏。通过近几年压力容器发生的事故来看，工作压力较低的低温容器占有一定的比例这主要是由于容器的工作压力较低不易引起人们的注意造成的。随着科学的进步，目前国内外对低温容器的低应力脆断都在进行深入的研究，并取得了很大的进展。32MPa高压容器的结构设计及应力分析1 选题背景1.1 研究目的和意义在现代科技高速发展的今天，随着石化工业的迅速发展, 高温、高压容器得到越来越广泛的应用，这类容器要承受较高的压力、温度和介质的腐蚀, 操作条件比较苛刻，在高压容器应用的同时也暴露出更多的安全隐患。高压容器设计时的材料选择、强度计算、结构

5、的合理性等要求都比较高。压力容器因其承受各种静、动载荷或交变载荷，还有附加的机械或温度载荷；其次，大多数容器容纳压缩气体或饱和液体，若容器破裂，导致介质突然卸压膨胀，瞬间释放出来的破坏能量极大，加上压力容器极大多数系焊接制造，容易产生各种焊接缺陷，一旦检验、操作失误容易发生爆炸破裂，容器内易爆、易燃、有毒的介质将向外泄漏，势必造成极具灾难性的后果。因此，对压力容器要求很高的安全可靠性。 在设计压力容器时，对高压容器进行合理的结构设计的目的和意义就是：保证高压容器的安全性和经济性。在设计、制造及使用过程中都以安全为核心问题，在选用经济可靠的材料、经济的制造方法、低的操作和维护费用、长周期的安全运

6、行的经济性的同时，更要使高压容器有足够的强度、刚度(或稳定性)、可靠的密封性能和一定的使用寿命等的安全性，即在充分保证足够安全的前提下尽可能做到经济。在化学工业中使用的高压容器，其操作随工艺过程而异。情况比较复杂。它不仅承受高压.而且具有高温(如加氢反应器的设计温度高达500 )和低温(如液氮洗工艺的温度低至-196 )，同时还往往伴有介质(如氢、氮、一氧化碳与尿素等)的强烈腐蚀。所以对高压容器的设计、制造与检验应十分重视。另外，由于压力容器大型化的发展趋势，容器的直径、壁厚、质量越来越大。容器的使用条件日益苛刻。因此在设计高压容器时.必须从操作条件出发，对安全、选材、制造、检骏等各方面进行全

7、面综合的比较和分析，以期做出一个操作安全、技术先进、经济合理的设计。在高压容器的设计过程中。一般应考虑下列问题：1、高压容器的结构必须保证强度的可靠性和密封的严密性为了保证强度的可靠性，便容器在确定压力(或其他外部载荷)作用下，不导致破坏或过量的塑性变形，就必须对容器的受力元件做详细的应力分析，结合选材、制造检验等做综合的考虑，然后定出合理的壳体结构和尺寸。为了保证密封的严密性，使容器在操作时不产生泄漏，避免因而引起的着火或爆炸事故、就必须从结构简单、密封可靠、便于加工、装卸、检验等出发，慎重确定密封结构。由于在一定压力下容器的壁厚随直径的加大而增加，直径和壁厚的增加又对选材、密封、制造、检验

8、、运输等各方面带来许多困难。因此，一般高压容器的结构在满足操作条件的前提下，当容积一定时，希望采用较大的长径比，并要求有效地利用高压空间。2、高压容器的选材高压容器所选用的材料应具有良好的综合机械性能和耐腐蚀性能，同时应遵守经济、节约和符合国情的原则。所谓良好的综合机械性能即指强度高，塑性和韧性好，以及良好的制造和加工工艺性。良好的耐腐蚀性是指材料耐操作介质腐蚀的程度，除了不应直接影响设备使用寿命外，同时还不应影响产品质量。经济节约和符合国情可以降低设备成本，保证材料的来源和供应。3、高压容器的制造和检验必须严格遵守各种技术条件和有关规程不论在制造过程中还是在现场使用过程中都要执行严格的检查和

9、试验。这样，一方面可以及早发现缺陷，保证制造质量;另一方面可对容器的承载能力做验证，以确保容器的安全操作。因此，在设计过程中必须正确选定制造检验技术条件作为制造检验的准绳。同时必须使设计符合技术条件的各种要求。1.2 高压容器的国内外研究现状和发展趋势1.2.1 高压容器应用及发展高压容器在化工与石油化学工业中有着愈来愈广泛的应用。如合成氨工业中的高压设备压力为1560MPa；合成甲醇工业中的高压设备压力为1530MPa；合成尿素工业中的高压设备压力为20MPa；石油加氢工业中的高压设备压力为1070MPa等。这类合成反应装置不但压力高，而且也伴有高温，例如合成氨就常在1532MPa压力和50

10、0高温下进行合成反应。当前压力容器向大容量、高参数发展，如核电站一个1500MW压水堆压力壳，工作压力为1416MPa，工作温度为250330C，容器内直径7800mm，壁厚317 mm，重650吨；又如煤气化液化装置中的压力容器工作压力为17.525MPa，工作温度为450550C，内直径为30005000mm，壁厚为200400 mm，重4002600吨，对这类容器的工艺要求和运行可靠性要求更高，显然比一般压力容器又有更高更严格的安全性要求。 第3页（共41页）选题背景高压容器的设计理论与制造技术起源于军事工业中的炮筒。化学工业中应用最早的是合成氨工业。随着化工及石油化工工业的发展，高压容

11、器的直径、厚度、吨位都在不断地增加。2030年代的氨合成塔内径一般为700800mm，重30t左右。五十年代内径增大到8001000 mm，长10m以上，重80t左右。六十年代发展到直径为16001700mm。而70年代以来，由于单机大型化生产的发展更快，直径已达28003600mm，长20m以上，重300400t加氢反应器也是如此，有的目前已达4.5m直径，厚度达280mm，重约l000t从各方面的技术应用中表明，高压容器在现代石油化学工业中的应用是必不可少，而且是得到迅速发展的一个领域。1.2.2 高压容器的国内外现状和发展趋势低温技术在宇航等工业上的开发和应用，需要一些深冷低温高压贮液设

12、备和单元操作设备，如液氢、液氧高压容器，其使用压力已高达40MPa，容积亦趋大型化而且，低温容器所贮存的往往是易燃易爆和极易挥发的介质，因此，对低温容器结构的使用安全技术和制造技术的要求亦不断增加，其矛盾越发突出。如要设计一台10m3的液氢容器，内容器材料应选奥氏体不锈钢,当筒体内径为1500 mm时，要求设计壁厚达250 mm以上，要采用如此厚的不锈钢板卷焊技术来制造，不仅制造困难，造价昂贵,其使用安全性亦不足。目前在工矿企业使用的压力容器中，低温压力容器占有一定的比重。因该容器工作温度较低，容器材料的脆性相应增大，即使在工作压力较低的情况下，也极易造成低应力脆断。因此，这种破坏是一种很难预

13、测而危害性又很大的破坏。通过近几年压力容器发生的事故来看，工作压力较低的低温容器占有一定的比例这主要是由于容器的工作压力较低不易引起人们的注意造成的。随着科学的进步，目前国内外对低温容器的低应力脆断都在进行深入的研究，并取得了很大的进展。1.3 高压容器的结构简介低温高压容器贮罐由内容器、和外容器外裙座立式结构等组成。内容器采用耐低温钢材，结构安全可靠，多次来回卷制而成。内容器封头为球形多层结构，外容器为真空容器，其封头为椭圆形结构，整体容器支撑在外容器的裙座上。为满足外容器外压稳定性的要求，在外容器的内壁处焊了两只工型钢刚性圈。内容器因低温条件下工作用奥氏体不锈钢制造，外容器用16MnR制造

14、。内外容器之间采用具有良好绝热性能的多层绝热结构。内容器近中部两端处用6根可调节的特殊不锈钢拉杆固定在外容器内部的加强吊耳上，上下各3根, 3根为1组,分别与轴线成45角,拉杆的端点支承面为球形铰链，以保证安装时对接方便。 高压容器的结构型式是决定容器受力状态、制造工艺和使用安全性的一个关键性因素。综合分析目前世界上的单层式、多层包扎式、多层热套式、缠绕式等高压容器的特点，以及工业生产对高压容器所提出的要求，一种合理的、先进的高压容器结构应具有以下几个特点：1.4 研究的主攻方向由于对深冷高压容器要求有很高的安全可靠性，故在容器设计时，应做出合理的第5页（共41页）材料选用原则结构设计，如：内

15、、外容器筒体的结构形式及各自的材料选用，支撑裙座的结构设计等。在进行高压容器结构设计时，高压容器必须进行开孔接管，而开孔接管区的应力状况非常复杂，势必在开孔附近造成应力集中；另一方面接管使接管区成为总体结构不连续区而产生边缘应力；同时接管与壳体是通过焊缝连接在一起，焊缝的结构尺寸如焊缝高度、过渡圆角等会形成局部结构不连续，形成局部不连续应力。所以为保证容器安全，需在开孔区进行适当的补强处理。1.5 设计原始数据及设计要求设计压力P=32MPa，设计温度T=20K，容积V=10m3，容器类型：储液氨高压容器。取内容器筒体内径Di=1400 mm。主要设计要求如下：（1）对深冷高压容器主体结构的设计； (2）对容器主要部分计算； 内、外容器各尺寸计算。（3）附件设计；密封形式、法兰设计、封头形式、拉杆设计、裙座的设计等。 （4）在封头开孔区进行适当的补强。1.6 结构简介低温高压容器贮罐由内容器、外容器和外裙座立式结构等组成，如图1所示。内容器采用新型的扁平绕带式结构,它兼备绕带式容器的优点；结构安全可靠和制造简便，成本低。内容器封头为球形多层结构，外容器为真空容器，其封头为椭圆形结构，整体容器支撑在外容器的裙座上。为满足外容器外压稳定性的要求，在外容器的内壁处焊了两只工型钢刚性圈。内容器因低温条件下工作用奥氏体不锈钢制造，外容器用16MnR制造。内外容器