32Mpa高压容器的结构设计及应力分析毕业论文.doc

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，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，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、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500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250330ºC，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450550ºC，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。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、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。拉杆结构在内容器加入液氨冷却收缩时能随其移动，在拉杆端部装有弹簧补偿器，用以吸收振动能,提高容器抗震能力。内外容器之间的管线采用波纹管补偿器， 在内筒冷却收缩时能自由伸缩，以防止液氢 温度下因内 管冷却而拉裂焊缝。 2 材料选用原则选择高压容器用材常需遵循下述原则:（1）使用安全，具有良好的综合机械性能，即强度高，塑性和抗断裂性好，以及有较低的冷脆倾向，缺口和时效敏感性。（2）材料的资源符合国情，在足够安全前提下，有好的经济性。（3) 制造加工性能好。（4）具有良好的抗腐蚀的能力。 (5) 热稳定性好。（6）有良好的可焊接性。材料选用：随着低温工业和深冷技术的发展，越来越多的压力容器需要在较低的温度下运行。如低温液化气体储罐等。所谓低温容器，各国规定的界限不大相同，例如美国为<­30；法国为-20；日本、德国为<-10;英国为<0;而我国为-20。在化学工业生产中，设备的制造材料不仅要求有一定的机械性能和工艺性能，而且还要求有耐蚀（不锈）性能。压力容器的断裂事故，大都为脆性断裂，而绝大多数脆性断裂都是在低温条件下发生的。所以通常把这种脆性断裂称为 “冷脆” 。脆性断裂属于低应力破坏，其断裂时的应力往往远低于材料的屈服极限，且断裂前毫无征兆，开裂速度极快，是突然性的，危害性甚大。第7页（共41页）结束语由于容器使用的工作环境为深冷温度，随着温度降低，钢材由韧性状态转变为脆性状态，易发生低温脆裂，决定材料需有好的塑性、高韧性和焊接加工性能好，所以低温韧性是低温容器选材的重要指标；其工作介质是液氨确定材料要有高的抗蚀性能。该类容器使用的材料主要有低合金钢(16MnDR)、Ni钢(2.5Ni，3.5Ni)和奥氏体钢。其中奥氏体钢是使用温度最低的钢种之一，在深冷时，仍能保持很高的韧性，是制造低温压力容器的重要材料，纯奥氏体组织即使在-196以下的低温也具有良好的韧性。深冷高压容器常用的奥氏体不锈钢有0Cr18Ni9、00Cr19Ni11、0Cr18Ni10Ti等。16MnDR、15MnNiDR和09MnNiDR三种钢板是工作在-20及更低温度的压力容器专用钢板，即低温压力容器用钢，D表示低温用钢。16MnDR是制造-40压力容器的经济而成熟的钢种，可用于制造液氨储罐等设备。除此以外，奥氏体不锈钢也是制造深冷高压容器的良好材料。0Cr18Ni9、0Cr18Ni10T、0Cr19Ni10这三种钢均属于奥氏体不锈钢。0Cr18Ni9在固溶态具有良好的塑性、韧性、冷加工性，在氧化性酸和大气、水、蒸汽等介质中耐腐蚀性亦佳。3高压容器的结构设计3.1高压容器内容器的结构设计3.1.1 内容器筒体的设计内容器筒体在结构上比较合理的多层容器如热套、包扎式、螺旋绕板式亦可作为低温高压容器结构。该高压容器内筒采用钢板卷制而成，在其筒体上大都存在多道深而厚的环焊缝，故而对焊接技术要求非常高。内容器内筒材料选择16MnDR钢筒体厚度计算：查GB150-2011可得16MnDR钢板在设计温度下的许用应力由表可得，焊缝应为V型坡口双面焊接，由于焊缝采用100无损探伤，其焊缝系数取= 1。取钢板负偏差C1=0.3，腐蚀裕量C2=1板厚，mm在下列温度（）下的许用应力，MPa20100150200250300350616181181180167153140130>1636174174157157143130120>3660170170160150137123117>6010016716715714713312011316MnDR钢板的许用应力由公式可计算出筒体的厚度代入数据有： 圆整后取筒体的有效厚度（2）水压实验强度校核 规定的实验压力水压实验时的应力 16MnDR钢制容器在常温水压实验时的许用应力 因，筒体厚度满足水压实验时的强度要求。筒体的材料为16MnDR钢能够符合制造要求，总厚度为=150mm3.2.2 内容器封头的设计 封头是容器的重要组成部分，根据不同的工艺用途和制造条件，封头有以下几种形式：凸形（包括半球形、椭圆形、碟形）、圆锥形、平板等。半球形封头在受内压时，与其他封头相比其薄膜应力最小，故所需厚度也最薄。按设计规定，封头中只有球形封头的最小厚度可以小于筒体的最小厚度。有时为了焊接方便，也可以与筒体等厚。 为例保证层间的间隙，球形封头采用多层结构一次冲压成型,工作的可靠性大为提高,封头的材料与筒体的材料相同也为16MnDR钢。同样由于焊缝采用100无损探伤，其焊缝系数取1，钢板负偏差C1=0.3，腐蚀余量C2=1由公式 代入数据有圆整后取封头的有效厚度水压试验校核： 16MnDR钢制容器在常温水压实验时的许用应力 因，故该压力容器封头厚度满足水压实验时的强度要求。该压力容器封头厚度为72，在实际制造时由3层厚度为24的钢板一次冲压形成球封头。内容器的尺寸：Di=1400，筒体长为6300，筒体厚度150，封头为球形封厚度72。 内容器结构3.3高压容器外容器的结构设计外容器为真空容器，由单层筒体及两个椭圆封头组成。由内容器外径及长度来设计外容器内径及长度，取外容器内径为=2400 mm, 筒体长度为7000 mm,采用标准椭圆封头，椭圆封头深度为600mm,取直边高度为30mm 取外容器壁厚和椭圆封头壁厚均为14mm。下来来对外容器稳定性的进行校核。对于无安全控制装置的真空容器可查得设计压力P0.1Mpa简体外径 2400十2×16=2432mm简体计算厚度 mm 简体计算长度 L=7000+2×200+2×30=7460mm 简体的临界长度=1.17 =1.17×2432×故简体属短圆筒,由于外容器所用的材料为16MnR，在设计温度下材料的E=2.09，取m=3.0，则外容器的许用压力为P= =P P，即容器厚度满足设计压力计算凸形封头失稳时的临界压力可按下式计算： - 半球形封头的外半径； - 半球形封头的有效厚度； E - 设计温度下材料的弹性模量； - 泊松比，取=0.3.对于椭圆形封头，应取椭圆形封头的平均曲率半径，其值可按表查得。Di/(2Hi)3.02.82.62.42.22.01.81.61.41.21.0R/D01.361.271.181.080.990.90.810.730.650.570.5 外压椭圆形封头的平均曲率半径折算表 因为 Di/(2Hi)=2.0，则有：代入相应数据由式可得>0.1MPa则外容器所用的材料为16MnR，内径为=2400，外径为2432，筒体长7000，封头为椭圆封头，外容器壁厚和椭圆封头壁厚均为16。外容器结构示意图3.4 保温层厚度及质量计算真空粉末绝热层厚度为170 , 内、外径分别为= 2028和= 2400；外容器壁厚为16 , 内、外径分别为= 2400和= 2432。选用特级珠光砂作为绝热材料, 密度为80kg/m3 。4开孔接管和开孔补强在压力容器设计中，为满足工艺操作，容器制造、安装、检验及维修等要求开孔是不可避免的。由于容器开孔后，不仅削弱了容器的整体强度，而且还因开孔引起的应力集中以及接管和容器壁的连接造成开孔边缘的局部的高应力。这种高应力通常可达到容器筒体一次总体薄膜应力的3倍，某些场合甚至会达到56倍，再加上接管有时还会受到各种外载荷的作用而产生的应力以及温差产生热应力。使得开孔接管处的局部应力进一步提高。又由于材质和制造缺陷等各种因素的综合作用，开孔接管附近就成为压力容器的破坏源主要疲劳破坏和脆性裂口。因此，压力容器设计中必须充分考虑开孔的补强问题。从开孔补强结构来说，整体补强元件全焊透结构比补强板结构应力集中系数小。在整体补强元件中，以密集补强结构的受力状况为最好。对不同的补强结构，在转角处均可采用圆滑过渡，以减少应力集中程度。由于应力集中产生于结构的不连续性，在容器的结构材料截面突变、转角、制造缺陷、焊缝裂缝等处均会产生应力集中。所以，在设计和制造时要尽最避免这些不利因素。4.1各接管设计查标准GBT5310-1995高压锅炉用无缝钢管，内容器进、出气接管及爆破安全装置接管选用公称外径为102 mm的无缝钢管，由于都连接在内容器上，为保证焊缝质量及接管的低温韧性，接管也应选用与内容器相同的材料16MnDR。同内压容器筒体厚度计算方法相同，考虑腐蚀及厚度负偏差，根据标准选用壁厚为11 mm的无缝钢管，则钢管内径为80 mm。查相关设计手册，取氨气排出管中心距裙座顶部的距离H=1100 mm。外容器抽真空接管、爆破膜接管及与夹套连接管线选用20MnG材料，抽真空接管、爆破膜接管选用公称外径为89 mm、壁厚为4 .5mm的无缝钢管即可；夹套连接管线选用称外径为57mm、壁厚为5.0 mm的无缝钢管。4.2开孔补强设计根据GB/T_150-1998钢制压力容器规定，壳体开孔满足下述全部要求时，可不另行补强：设计压力小于或等于2.5MPa;两相邻开孔中心的间距（对面曲间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的两倍；接管公称外径小与或等于89mm；接管最小壁厚满足表四要求。不另行补强的最小接管壁厚接管公称外径253238454857657689最小壁厚3.54.05.06.0 注 1 钢材的标准抗拉强度下限值>540MPa时，接管与壳体的连接应采用全焊透的结构形式。 2 接管的腐蚀余量为1mm。压力容器接管补强通常采用补强圈补强、厚壁管补强、整锻件补强三种补强结构。补强圈补强是将补强圈贴焊在壳体与接管连接处，结构简单，制造方便，但补强圈与壳体金属之间不能完全贴合，传热效果差，在中温以上使用时，两者存在热膨胀差，因而设补强局部区域产生较大的热应力；另外，补强圈与壳体采用塔接连接，难以与壳体形成整体，所以抗疲劳性能差。一般使用在常常温、静载、中低压、材料的标准抗拉强度地狱541MPa、补强圈厚度小与或等于1.5、壳体名义厚度不大于38mm的场合。厚壁管补强即在开孔处焊上一段厚壁接管。又与接管的加厚部分正处于最大应力区域内，故比补强圈补强更难有效的降低应力集中系数。结构简单，焊缝少。焊接质量容易检验，因此补强效果好。高强度低合金钢制压力容器由于材料缺口敏感性较高，一般采用该结构，但必须保证焊缝圈熔透。整锻件补强是将接管和部分壳体连同补强部分做成整体锻件，再与壳体和接管焊接，补强金属集中于开孔应力最大部分，能最有效的降低应力集中系数；可采用对接焊接，并使焊缝及热影响区离开最大应力点，抗疲劳性能好。但锻件供应困难，制造成本较高。所以只在重要压力容器中应用，如核容器，材料屈服点在500MPa以上的容器以及低温、高温以及疲劳载荷容器的大直径开孔。综合以上各种补强方法结合本设计中实际情况选择厚壁管补强，下面运用等面积补强法对内容器加压进气接管开孔进行补强设计。建立模型图如图二:（1）所需最小补强面积A对受内压的圆筒或球壳，所需要的补强面积A为式中 A - 开孔削弱所需要的补强面积，； d - 开孔直径，圆形孔等于接管内直径加上两倍厚度附加量，即d=，mm； - 壳体开空处的计算厚度，mm； - 接管有效厚度，mm； - 强度削弱系数，等于设计温度下接管材料与壳体材料许用应力之比，当该值大于1.0时，取=1.0。带入相应数据由上式可得：（2） 有效补强范围有效宽度B按下式计算，取两者中较大值：式中 - 壳体开孔处的名义厚度，mm； - 接管名义厚度，mm。带入数值由上式可得：所以B=286。内外侧有效高度，分别取较小值：外侧高度 内侧高度 则带入数值可有：=30.4mm；=10mm。（3） 补强范围内补强金属面积=+ 为壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积：=带入数值计算得到：= 为接管有效厚度减去计算厚度之外多余面积：=为有效补强区内焊缝金属的截面积：=则有 =+ =1494.8+220.8+11554.4=13270 因为>,所以满足补强要求，不需要再另加补强。5附件设计5.1法兰设计考虑到生产工艺上的要求和制造、运输和安装检修时的需要，化工设备和管道、零部件间常采用可拆卸的法兰联接方式，石油化工中法兰的用量是相当大的。5.1.1对法兰联接的基本要求法兰联接从结构功能和一般设计准则出发，应满足下列基本要求：密封可靠 在规定的工作压力、温度下和介质的腐蚀情况下能保证紧密不漏，强度足够 在各种情况中，能承载一定的外载和内力，有足够的强度，在附加法兰等结构后不致削弱整体的强度； 适用面广 在设备和管道上都能应用，尺寸范围大，还应该突出互换性的要求；可拆结构 便于多次拆装而不影响其密封性能；经济合理 结构简单，成本低廉，适于大批生产。5.1.2工作原理法兰联接由一对波兰，若干个螺栓、螺母和一个垫片所组成，如图三所示。放置在法兰密封面间的环形垫片，在螺栓预紧力的作用下，被压紧而变形，从而填满了法兰密封面上的微观凹凸不平处，这样，就达到了密封的要求。当设备或管道工作时， 法兰联接示意图介质内压有将法兰分开，并降低密封面与垫片问压紧力的趋势。当这一压紧力被降低到某一数值以下，密封就会失效。为此，设备或管道在开工操作以前，螺栓、螺母就需拧紧至给垫片以一个适当的预紧力。显然，所需的预紧力与垫片的材料及宽度有关。 由合适材料制作的垫片，在适当的预紧力作用下，既能产生必需的变形，而又不致被压坏或挤出；工作时，法兰密封面被拉大距离后，垫片的材料又应具有足够的回弹能力，以继续保持良好的密封性能。垫片的宽度也要适当，垫片越宽，所需的预紧力就越大，从而螺栓及法兰的尺寸也要求越大，否则不足以保持法兰与螺栓的强度与刚度。垫片的材料有非金属和金属两大类，非金属中用得最多的是石棉、橡胶、合成树脂等，与金属垫片相比，耐温度和压力的性能较差，但耐蚀性及柔软性比金属为优，故适用于中、低压和常、中温设备与管法兰密封。金属垫片的材料有软铝、铜、软钢、铬钢等，用于中、高温和中、高压处法兰联接中。还有种组合式垫片，在非金届材料外包以金属薄片，以改善其强度和耐热性；或将薄钢带与石棉带一起绕制而成缠绕式垫片，其耐热性和弹性都较好，应用广泛。5.1.3影响密封的主要因素 螺栓预紧力：预紧力必须使垫片压紧以实现初始密封。适当提高螺栓预紧力可以增加垫片的密封能力，因此加大预紧力可使垫片在正常工况下保留较大的接触面比压力。但预紧力不宜过大，否则会使垫片整体屈服而丧失回弹能力，甚至将垫片挤出或压坏。另外预紧力应尽可能均匀的作用带垫片上。通常采取减小螺栓直径、增加螺栓数量、采取适当的预紧力等措施来提高密封性能。垫片性能：垫片的作用是封住两法兰密封面之间的间隙，阻止流体泄漏。其类型有非金属垫片、金属垫片、非金属与金属的组和垫片。合适的垫片材料要求垫片在适当的预紧力作用下既能产生必须的弹性变形，又不致被压坏或挤出；工作时法兰密封面的距离被拉大，垫片材料又应具有足够的回弹能力，使垫片表面与法兰表面能紧密接触，以继续保持良好的密封性能；选用垫片材料时还应考虑工作介质和工作温度。垫片的宽度也是影响密封的一个主要因素，垫片越宽，所需的预紧力就越大，从而螺栓及法兰的尺寸也就要求越大。密封面型式：法兰间置入垫片并压紧而起到密封作用的接触面称为法兰密封面或压紧面，密封面型式的选择又与操作条件、泄漏的后果以及垫片的性质有关。法兰刚度：法兰刚度与很多因素有关，其中是的的增加法兰环的厚度、缩小螺栓中心圆直径和增大法兰环外径，都能提高法兰刚度，采用带颈法兰或增大锥颈部分尺寸，可显著提高法兰的抗弯能力。但无原则地提高法兰刚度，将使法兰变得笨重，造价提高。操作条件：压力、温度及介质的物理化学性质对密封性能的影响很复杂，单纯的压力及介质对密封的影响并不显著，但在温度的联合作用下，尤其是波动的高温下，会严重的影响密封性能，甚至使密封因疲劳而完全失效。5.1.4法兰结构及材料的选用管法兰用于管道之间或设备上的接管与管带的连接。管法兰的选用步骤与压力容器法兰的选用标准基本相同。HG 20592-206351997钢制管法兰、垫片、紧固件包括国际通用的欧洲和美洲两大体系，它是与国际接轨的钢制管法兰、垫片紧固件标准，中国母亲啊使用的大部分管材是公制管，属于欧洲体系。法兰间置入垫片并压紧而起到密封作用的接触面称为法兰密封面，密封面型式的选择又与操作条件、泄漏的后果以及垫片的性质有关。选用凹凸密封面，密封面的结构如图3所示，它相当于在一对光滑密封面的法兰上，其中一个制成带有凸起平台的压紧面，并把这只法兰叫做凸面法兰，另一个相应做出凹面的叫做凹面法兰，与凹面尺寸恰好相同的垫片嵌入其中，凸起平面的高度略大于凹面的深度，用螺栓压紧起密封的作用，压紧时垫片不会被挤出，可用于压力稍高或介质易燃、易爆、有毒的场合。法兰盖的型式如图四所示：其各参数如下表所示，单位：mm。公称通径DN连接尺寸密封面法兰厚度C法兰颈部直径两法兰间距近似值螺栓法兰外径D螺栓孔中心圆直径K螺栓孔径L数量n螺栓规格Th槽号dminPEFRmax80305228.535.58M33R32168.0127.09.5213.491.567.01333100355273.00428M39R38203.0157.1811.1316.661.576.51654 所选型号管法兰各参数由于法兰与低温氨气接触，根据标准JB 4727选用16MnD锻钢。与外容器抽真空接管及爆破膜接管联结法兰，根据标准选择公称通经为=80 mm法兰型号。5.2垫片的选择垫片是密封元件，它的耐温、耐腐蚀能力，以及适宜的垫片变形和回弹能力都是形成密封的重要条件。垫片的选择主要根据介质的性质、温度和压力来确定，根据各种垫片性质及用途和介质环境选用八角形金属环垫，垫片系数m=6.50,预紧面比压y=175.3 MPa。按标准GB 9128.1-88查得垫片型式如图： 八角形金属环垫型式图查得PN=42.0MPa时其各项数据如表六所示：公称通径环号节径P环宽A环高H环的平均宽度C环的理论重量kg80R32127.0012.717.58.70.56100R38157.1815.920.610.51.14PN=42.0MPa的八角形金属环尺寸表5.3连接螺栓设计法兰联接密封是靠螺栓压紧垫片来实现的，螺栓载荷不仅应保证预紧时的初始密封条件，并应在操作时，使垫片保持较高的工作密封比压。由所选管法兰型号选用的螺栓规格为M39，螺栓数量为8个，由标准JB4372-1995钢制压力容器螺栓及螺母选用材料都为35CrMoA,其在设计温度及常温下许用应力均为228 Mpa。5.3.1 螺栓载荷计算a、预紧时，螺栓拉力等于垫片所需预紧力，即式中 - 预紧时垫片预紧力，kg； - 为压紧力作用的计算直径，mm,即垫片压紧力作用处的直径 （以内都有P的作用）； - 垫片基本密封宽度，mm。 b - 为垫片有效密封宽度，mm。当6.4mm时，b=；当b时，b=0.8； y - 预紧密封比压。 则带入相关数据可得： =mm，因为6.4mm，b=1.3125mm;=.。即有; =b、操作时，螺栓拉力等于由内压产生的轴向力P与垫片工作时的反力G之和。 式中 P为工作压力（最大操作压力），N； m为垫片系数m=6.50 则 = =35447N5.3.2螺栓强度校核 所需螺栓的总截面积 预紧时， = 操作时， M39的螺栓其螺纹根径d=33.877mm，则实有螺栓总截面积为 A=0.785=0.78533.87733.8778 =7206因A，A，故满足强度要求。5.4爆破片的设计爆破片又称防爆膜、防爆片，是一种断裂型的安全泄压装置，在受压容器中它是利用膜片的断裂来泄压的，泄压后爆破片不能继续有效使用，容器也被迫停止运行。他的作用在于防止压力容器在操作过程中因压力突然变化，达到容器不能承受时，爆破片突然破裂，随着压力介质的泄放，容器的压力降低，安全获得保障。5.4.1爆破片装置的特点压力容器的超压泄放装置中除爆破片装置外，还有安全阀，它与安全阀相比，有如下的特点。能适应快速升压的要求 爆破片在正常工作压力下产生一定的应力，当升压速度较快时，膜片材料的应力增长速度能够同步。而当压力上升到容器所允承受时，膜片的应力达到强度极限而破裂或应力达到失稳临界值而失稳。对于安全阀则是控制其阀瓣开启的弹簧必须克服其惯性，从一个平衡状态变化到另一种被压缩的平衡状态，就需要一定的时间，如果在克服惯性所需的时间内，压力上升已达到较严重的超压程度，则安全阀还未发挥作用容器已经失效。通常化学反应失控会产生较快的升压速度，故此时容器上的安全装置应采用爆破片装置。密封性能可靠爆破片装置被法兰压紧后，膜片与夹持器之间的密封程度能达到一般法兰联接的密封状态，可满足工业生产的密封要求。相比之下安全阀的阀瓣和阀座之间的密封状况往往不尽如人意，会产生微量或少量的介质泄漏。故此对于有毒或易燃的介质宜选用爆破片装置。安全装置的动作与介质的状态无关对于有少量固体结晶或粘性液体粘在爆破片上面不会影响爆破片的爆破压力，如果这些介质粘在安全阀的阀瓣阀座