1,第一章相关设备的基础知识 一、压力设备及压力管道简介,（一）压力设备 1.设备定义 在流程、生产单位特别是化工厂和石油厂中,所使用的坛坛罐罐大小不同，形状各异.但它们都有一个外壳,这个外壳统称为容器，按用途不同装入不同的内件,并连入生产流程中使用，就统称为设备了.在很多情况下容器和设备可以混用。 2.对容器零部件设计的基本要求 (1)强度要求 强度是容器抵抗外力破坏的能力。,2,(2)刚度要求 刚度是构件抵抗外力使其发生变形的能力。 (3)稳定性要求 稳定性是容器在外力作用下，维持其原有形状的能力。 (4)耐久性要求 耐久性是对容器使用寿命的要求。中低压设备一 般是1020年,高压设备一般为25年左右。 (5)气密性要求 气密性是对设备密封性能的要求。 (6)节省材料，便于制造。 (7)便于运输、安装、操作和检修。,3,3.压力容器的分类 压力容器的种类很多，分类的方法也很多，常用的 有： （1）按容器形状分 方形和矩形容器 球形容器 数块西瓜皮状弓形板拼焊而成。制造复杂，承压能力较好。,4,圆筒形容器 此类容器是由平板卷焊而成的。一般是由筒体和封头组成。内件安装方便，承压能力较好，故应用较多。 （2）按承压性质分类 分为内压容器和外压容器两类 内压环境压力 内压容器 内压外压 外压容器 内压一个绝对大气压 真空容器 内压容器按其内压的大小可以分为:,5,（3）按容器壁温分类 壁温在-20200成为常温容器。 对碳钢，低合金钢容器温度420以上，合金钢温度超过450，奥氏体温度超过550均属于高温容器。 在常温和高温之间工作的容器成为中温容器。 壁温低于-20称为低温容器。-20-40者称为浅冷容器，在-40以下者称为深冷容器。 （4）按制造材料分类 可分为金属设备和非金属设备 （5）按应用情况分 反应压力容器 换热压力容器 分离压力容器 储存压力容器,6,（6）按容器的管理分类 在通常情况下，为了安全技术管理和监督检查，按容器压力的高、介质的危害程度、容积的大小及生产过程中的应用，将压力容器分为三类（其中不包括核能装置、船舶专用容器和直接火焰加热容器。） 一类容器 指非易燃或无毒介质的低压容器，易燃或有毒介质的低压分离器和换热器等。 二类容器 指非易燃或无毒介质的中压容器、剧毒介质的低压容器，易燃或有毒介质的低压反应器和贮运器等。 三类容器 指高压或超高压容器，剧毒介质且PV20LMPa的低压容器和剧毒介质的中压容器，易燃或有毒介质的中压贮运器和反应器,7,介质的划分表,8,安全检查范围内压力容器的条件,9,4.容器零部件的标准化 为了便于设计、有利于成批生产，提高产品质量，方便互换，最大限度地降低成本和提高劳动生产率，有关部门对容器的零部件进行了标准化、系列化、通用化的工作。如封头、法兰，人孔、支座、手孔、视镜、液面计等。 DN公称直径 PN 公称压力 如压力容器的公称直径为：300、400、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1400等，设计时应尽量选用标准直径，以方便制造和选用标准封头。 如压力容器法兰的公称压力为：0.25、0.6、1.0、1.6、2.5、4.0、6.4等（MPa），如果选用标准零部件，必须将设计压力调整到某一公称压力。,10,5.内压容器的设计 （1）薄壁容器 压力容器按壁厚分为薄壁和厚壁两大类。它是一种相对的概念。是根据容器D0外径和Di内径的比值K的大小确定的。 K1.2 为厚壁容 K1.2 为薄壁容器 工程中应用的多为薄壁容器。 （2）圆筒形薄壁容器承受内压时的应力 受力情况如图所示：,11,为保证压力容器安全工作，必须对其进行强度计算。器 壁上的“环向纤维”和“纵向纤维”均因受拉而伸长。用1表 示轴向拉应力，用2表示环向拉应力。据图列力的平衡 方程为：,D 4,2,+,1DS=0,1 =,PD 4S,（11）,由图（C）列平衡方程为,-PDL+22SL=0,2=,PD 2S,（12）,-P,12,以上两式中 1轴向应力， MPa； 2环向应力， MPa； P内压力， MPa； Di筒体中径，mm； S筒体壁厚，mm。 环向应力是轴向应力的2倍。 （3）基本假设 小位移假设 直线法假设 互不挤压假设 （4）筒壁厚度的计算,PD 2S,t,t,设备材料在相应温度下的许用应力,13,考虑焊缝影响,PD 2S, ,t,将中径换称内径Di 则得,P(Di+S) 2S, ,t,整理得：,PDi 2 -P,s,t,14,考虑钢板的负偏差，介质对设备的腐蚀，考虑壁厚附 加量C，则上式变为：,s,PDi 2 -P,t,+C,（13）,设计参数的选取： 设计压力P 取1.151.30倍的最大工作压力。对于堵漏夹具而言，取（P介质+5）MPa。 设计温度 取介质的最高温度或是最低温度。,15,许用应力 在手册中可查(见附录) 焊缝系数 与焊接接头形式和焊缝检测比例有关。一般是： 双面对接焊取10.85 单面对接焊取0.9 0.80 壁厚附加量C C=C1+C2+C3 C1钢板负偏差，由手册可查到，教材中也有。 C2热、冷加工减薄量。 C3腐蚀余量。 C3与材料腐蚀速度有关，与设备的使用寿命有关，与单双面腐蚀也有关。,16,当腐蚀速度小于0.05mm/a时，碳钢与低合金钢： 单面腐蚀时 C3 =1mm 双面腐蚀时 C3 =2mm 当腐蚀速度大于0.05mm/a时： 单面腐蚀时 C3 =2mm 双面腐蚀时 C3 =4mm （5）最小壁厚 当设计压力较低时，用理论计算得到的壁厚很 薄，从刚度、加工、运输等方面考虑，必须有一个 最小壁厚的要求。一般是碳素钢或低合金钢，不得 小于3mm。高合金钢不得小于2mm。,17,6.外压容器 指容器外部压力大于内部压力的容器。 （1）容器的失稳形式： 分为轴向失稳和侧向失稳两种。 侧向失稳 截面由圆形变成波形，如下图所示。其波数n可为 2、3、4、5,18,轴向失稳 轴向失稳是外压容器受到轴向 压力，到达一定的值以后，圆筒 的母线由直线变为波浪线，如图 所示：,局部失稳 有时由于局部外压过大，造成瘪进去一块，称局部失 稳。多发生在运输、安装等过程中。,19,（2）长圆筒、短圆筒和刚性圆筒 长圆筒 两端刚性较高的封头对筒体中部变形不起支承作用 时，波数一般为n=2，临界压力只与相对厚度S/D0有关， 而与相对长度L/D0无关。 短圆筒 两端封头对筒体变形有支承作用，一般失稳波数大于 2，多为n=3，4等，此时称短筒。其临界压力与S/D0有 关，与L/D0也有关。L/D0值越小，封头约束作用越大，反 之亦然。 刚性筒体 如L/D0较小， S/D0较大，则容器刚性好，不会失稳， 称为刚性筒体。,20,7.容器封头结构 多数容器都有上下两个封头。有时也称端盖。封头按形 状分为三类：,半球形封头 椭圆形封头 碟形封头 球冠形封头,无折边封头 大端折边封头 折边封头,凸形封头,锥形封头,平板封头,封头,21,平板封头受力情况不好，故只用于常压或低压。高压或 超高压顶盖也用平板。原因是凸形封头太厚时难制造，同 时高压设备直径一般较小。 （二）压力管道 管道一般是直径较小，故在相同壁厚下比容器承压能力 高。管道与设备的区别就在于直径的大小，故设计计算方 法是完全相同的。,1=,PD 4S,2=,PD 2S,由上两式得,S=,S=,由上式可以看出，因D小，P必须增大，才能使S不变。,22,（三）法兰连接 在压力设备和压力管道中，为了方便或是工艺要求， 常采用可拆连接。现设备法兰及管道法兰都已标准化、系 列化，按公称直径和工程压力选取即可，勿需进行设计。 1.法兰连接结构与密封原理 法兰连接结构如下图所示：,23,法兰的密封原理 增加泄漏介质在泄漏通道中的流动阻力。当阻力降大 于设备内外的压差时，介质就被封住了。 2.法兰的分类 法兰根据结构可分为三类： （1）整体法兰 法兰、法兰颈、设备或接管三者能有效地连成一个整 体的结构。有平焊法兰和对焊法兰，如下图所示：,24,平焊法兰 结构简单，制造容易，应用广泛。但受力后会发 生微小移动，如下图所示：,对焊法兰 对焊法兰又称高颈法兰。由于颈的存在提高了法兰的 整体性。焊缝由角焊变对焊，提高了强度，故可用于高 温，高压的场合。,25,（2）活套法兰 它与设备或管道不直接连在一起而是套在外面。,由于法兰、设备或是管道不直接焊在一起。故可选用 不同的材质，也可用在非金属设备上。同时，法兰在受力 后筒体或管道不生产附加应力。,26,螺纹法兰 螺纹法兰多用于高压管道上。 法兰与管道即是一体，又不完全 是一体，故附加弯曲应力很小。 如图所示：,法兰除圆形外，还有方形和椭圆形的。 法兰接触面分为宽面和窄面两种。 3.法兰密封面的形式 压紧面的形状与垫片材料、形状、介质压力有关，与温度和设备尺寸有关。常用压紧面的形式如下图所示：,27,（1）平面形压紧面 压紧面是一个光滑的平面，有时也车上数条三角形沟 槽。结构简单、加工方便，成本低。一般用于PN2.5MPa 和无毒介质的场合。,28,（2）凹凸形压紧面 它是有凹凸面配合而成的。在槽中放垫片，从而不 容易被挤出，故多用于压力较高的场合。 （3）榫槽形压紧面 由榫和槽配合而成。垫片置于槽中。螺栓力较小，可 以得到较大的比压。但加工复杂，更换垫片较为困难。多 用于易燃、易爆、有毒介质的场合。 （4）其他类型压紧面 对于高压设备和管道，压紧面可采用梯形和锥形压紧 面。如图所示：,29,锥形压紧面用金属球面垫片，或称透镜垫片。梯形槽 压紧面用椭圆形或八角形垫片。 4.密封垫片 密封垫片是法兰密封的主要元件之一。垫片的变形和 回弹力是保证法兰密封的主要条件。 垫片有金属垫片、非金属垫片和金属和非金属合制的 垫片。其垫片的形状如图所示：,30,介绍几种常 用设备的整体 情况： 1.塔设备 有板式塔和 填料塔两类， 如图所示：,（四）整体设备简介,31,2.换热设备 只介绍使用最多的列管式换热器。列管式换热器的结 构，如下图所示：,32,33,3.夹套反应器,34,压力设备压力管道的泄漏与密封,一.泄漏与密封 1.泄漏 （1）定义：隔离物体上出现的传质现象。发生事故的主要原因依次是： 泄漏 误操作 故障 工程管理不善 压力、温度 残留、混合,35,维修不完备 静电 冲击 异常反应 （2）泄漏的危害 第一，污染环境； 第二，经济损失； 第三，缩短机器、设备及厂房的使用寿命； 第四，引发火灾。,泄漏引发的事故见下表,36,（3）泄漏的分类； 第一种，按泄漏的原因分为： 介面性泄漏， 渗透性泄漏， 人为性泄漏， 焊缝缺陷引起的泄漏， 腐蚀引起的泄漏， 振动引起的泄漏， 冲刷引起的泄漏， 冻裂引起的泄漏。,37,第二种，按泄漏量的大小分类 液体泄漏分为： 无泄漏 渗漏 滴漏 重漏,气体泄漏分为： 无泄漏 渗漏 泄漏 重漏,法兰泄漏 阀门泄漏 管道泄漏,第三种，按泄漏发生的部位名称分类：,三通泄漏 螺纹泄漏 焊缝泄漏,38,（4）密封效果的检测方法 直接观察法 肥皂液法 气球法 化学反应法 仪器检测法 2.密封 （1）定义：防止或切断隔离物上传质的有效方法 （2）密封原理 增加泄漏介质在泄漏通道中的流动阻力。,39,以法兰密封为例： 内压为P2，环境压力为P1，内外压差为P=P2-P1。 介质泄漏由A点B点，阻力降为PAB，则：,PABP2-P1时,设备不漏, PABP2-P1时,设备发生泄漏。,P2,A,B,P1,（3）密封的分类：,动密封 密封 静态密封 静密封 带压注剂密封 动态密封 带压粘接密封 带