【正文】 ract] This Passage introduces the current research status of high pressure vessel at home and abroad and the development trend, and the high pressure vessel structure were simply introduced. Then the high pressure vessel cryogenic materials selection are analyzed in detail, and the high pressure vessel mainly includes the inside and outside of the cylinder .and their respective head of the design of the structure, but also to designing the accessories which the vessel use, protracting how to set up the vessel by Auto CAD software. When design these accessories aim at the area where the biggest stress distribution to do Reinforcement design. From analyzing the strength and security features of the high pressure vessel to prove the structure design is feasible. At the end of to analyze the high pressure copious cooling making、inspection and seal machining.[Keyword]： Copious cooling high pressure vessel the structural design of container reinforcement of openings security feature analyzing seal machiningXVII選題背景前言1833年法國(guó)巴黎大學(xué)教授Lame和Clapeyron得出了厚壁圓簡(jiǎn)平衡公式和應(yīng)力分布公式，提出了在圓簡(jiǎn)內(nèi)施加壓力時(shí)其內(nèi)部的應(yīng)力分布，從而為高壓容器的發(fā)展奠定了理論基礎(chǔ)。1888年法國(guó)學(xué)者Lrchatlirt首先提出利用壓力這個(gè)因素來(lái)促進(jìn)氫氮的反應(yīng)及提高氨產(chǎn)量的著名原理及設(shè)想。繼而德國(guó)化學(xué)家Haber等繼續(xù)進(jìn)行了這方面的研究，并從設(shè)備上解決了問(wèn)題。并于1910年建立了一個(gè)中間工廠，第一次在20MPa操作壓力下得到氨的工業(yè)產(chǎn)品。幾乎在同一時(shí)代，煤炭的液化亦采用了高壓設(shè)備。隨著近代化工工業(yè)的迅速發(fā)展，高壓容器獲得愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用。如合成氨工業(yè)中的高壓設(shè)備壓力為15 60MPa。合成甲醇工業(yè)中的高壓設(shè)備壓力為15 30MPa。合成尿素工業(yè)中的高壓設(shè)備壓力為20 MPa 。石油加氮工業(yè)中的高壓設(shè)備壓力為8 70MPa。乙烯氣體在超過(guò)100MPa的超高壓條件下進(jìn)行聚合反應(yīng)等，都是利用高壓條件手化學(xué)平衡向有利于合成產(chǎn)品的方向進(jìn)行這一原理，它可以提高化學(xué)反應(yīng)速度，并大大減小了反應(yīng)設(shè)備的容積。從各方面的技術(shù)應(yīng)用中表明。低溫技術(shù)在宇航等工業(yè)上的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，需要一些深冷低溫高壓貯液設(shè)備和單元操作設(shè)備，如液氫、液氧高壓容器，其使用壓力已高達(dá)40MPa，容積亦趨大型化而且，低溫容器所貯存的往往是易燃易爆和極易揮發(fā)的介質(zhì)，因此，對(duì)低溫容器結(jié)構(gòu)的使用安全技術(shù)和制造技術(shù)的要求亦不斷增加，其矛盾越發(fā)突出。如要設(shè)計(jì)一臺(tái)10m3的液氫容器，內(nèi)容器材料應(yīng)選奧氏體不銹鋼,當(dāng)筒體內(nèi)徑為1500 mm時(shí)，要求設(shè)計(jì)壁厚達(dá)250 mm以上，要采用如此厚的不銹鋼板卷焊技術(shù)來(lái)制造，不僅制造困難，造價(jià)昂貴,其使用安全性亦不足。目前在工礦企業(yè)使用的壓力容器中，低溫壓力容器占有一定的比重。因該容器工作溫度較低，容器材料的脆性相應(yīng)增大，即使在工作壓力較低的情況下，也極易造成低應(yīng)力脆斷，使容器遭到不同程度的破壞。因此，這種破壞是一種很難預(yù)測(cè)而危害性又很大的破壞。通過(guò)近幾年壓力容器發(fā)生的事故來(lái)看，工作壓力較低的低溫容器占有一定的比例這主要是由于容器的工作壓力較低不易引起人們的注意造成的。隨著科學(xué)的進(jìn)步，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)低溫容器的低應(yīng)力脆斷都在進(jìn)行深入的研究，并取得了很大的進(jìn)展。32MPa高壓容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)力分析1 選題背景 研究目的和意義在現(xiàn)代科技高速發(fā)展的今天，隨著石化工業(yè)的迅速發(fā)展, 高溫、高壓容器得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，這類(lèi)容器要承受較高的壓力、溫度和介質(zhì)的腐蝕, 操作條件比較苛刻，在高壓容器應(yīng)用的同時(shí)也暴露出更多的安全隱患。高壓容器設(shè)計(jì)時(shí)的材料選擇、強(qiáng)度計(jì)算、結(jié)構(gòu)的合理性等要求都比較高。壓力容器因其承受各種靜、動(dòng)載荷或交變載荷，還有附加的機(jī)械或溫度載荷；其次，大多數(shù)容器容納壓縮氣體或飽和液體，若容器破裂，導(dǎo)致介質(zhì)突然卸壓膨脹，瞬間釋放出來(lái)的破壞能量極大，加上壓力容器極大多數(shù)系焊接制造，容易產(chǎn)生各種焊接缺陷，一旦檢驗(yàn)、操作失誤容易發(fā)生爆炸破裂，容器內(nèi)易爆、易燃、有毒的介質(zhì)將向外泄漏，勢(shì)必造成極具災(zāi)難性的后果。因此，對(duì)壓力容器要求很高的安全可靠性。 在設(shè)計(jì)壓力容器時(shí)，對(duì)高壓容器進(jìn)行合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目的和意義就是：保證高壓容器的安全性和經(jīng)濟(jì)性。在設(shè)計(jì)、制造及使用過(guò)程中都以安全為核心問(wèn)題，在選用經(jīng)濟(jì)可靠的材料、經(jīng)濟(jì)的制造方法、低的操作和維護(hù)費(fèi)用、長(zhǎng)周期的安全運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性的同時(shí)，更要使高壓容器有足夠的強(qiáng)度、剛度(或穩(wěn)定性)、可靠的密封性能和一定的使用壽命等的安全性，即在充分保證足夠安全的前提下盡可能做到經(jīng)濟(jì)。在化學(xué)工業(yè)中使用的高壓容器，其操作隨工藝過(guò)程而異。情況比較復(fù)雜。(如加氫反應(yīng)器的設(shè)計(jì)溫度高達(dá)500 ℃)和低溫(如液氮洗工藝的溫度低至196 ℃ )，同時(shí)還往往伴有介質(zhì)(如氫、氮、一氧化碳與尿素等)的強(qiáng)烈腐蝕。所以對(duì)高壓容器的設(shè)計(jì)、制造與檢驗(yàn)應(yīng)十分重視。另外，由于壓力容器大型化的發(fā)展趨勢(shì)，容器的直徑、壁厚、質(zhì)量越來(lái)越大。容器的使用條件日益苛刻。，對(duì)安全、選材、制造、檢駿等各方面進(jìn)行全面綜合的比較和分析，以期做出一個(gè)操作安全、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)。在高壓容器的設(shè)計(jì)過(guò)程中。一般應(yīng)考慮下列問(wèn)題：高壓容器的結(jié)構(gòu)必須保證強(qiáng)度的可靠性和密封的嚴(yán)密性為了保證強(qiáng)度的可靠性，便容器在確定壓力(或其他外部載荷)作用下，不導(dǎo)致破壞或過(guò)量的塑性變形，就必須對(duì)容器的受力元件做詳細(xì)的應(yīng)力分析，結(jié)合選材、制造檢驗(yàn)等做綜合的考慮，然后定出合理的殼體結(jié)構(gòu)和尺寸。為了保證密封的嚴(yán)密性，使容器在操作時(shí)不產(chǎn)生泄漏，避免因而引起的著火或爆炸事故、就必須從結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、密封可靠、便于加工、裝卸、檢驗(yàn)等出發(fā)，慎重確定密封結(jié)構(gòu)。由于在一定壓力下容器的壁厚隨直徑的加大而增加，直徑和壁厚的增加又對(duì)選材、密封、制造、檢驗(yàn)、運(yùn)輸?shù)雀鞣矫鎺?lái)許多困難。因此，一般高壓容器的結(jié)構(gòu)在滿足操作條件的前提下，當(dāng)容積一定時(shí)，希望采用較大的長(zhǎng)徑比，并要求有效地利用高壓空間。高壓容器的選材高壓容器所選用的材料應(yīng)具有良好的綜合機(jī)械性能和耐腐蝕性能，同時(shí)應(yīng)遵守經(jīng)濟(jì)、節(jié)約和符合國(guó)情的原則。所謂良好的綜合機(jī)械性能即指強(qiáng)度高，塑性和韌性好，以及良好的制造和加工工藝性。良好的耐腐蝕性是指材料耐操作介質(zhì)腐蝕的程度，除了不應(yīng)直接影響設(shè)備使用壽命外，同時(shí)還不應(yīng)影響產(chǎn)品質(zhì)量。經(jīng)濟(jì)節(jié)約和符合國(guó)情可以降低設(shè)備成本，保證材料的來(lái)源和供應(yīng)。高壓容器的制造和檢驗(yàn)必須嚴(yán)格遵守各種技術(shù)條件和有關(guān)規(guī)程不論在制造過(guò)程中還是在現(xiàn)場(chǎng)使用過(guò)程中都要執(zhí)行嚴(yán)格的檢查和試驗(yàn)。這樣，一方面可以及早發(fā)現(xiàn)缺陷，保證制造質(zhì)量。另一方面可對(duì)容器的承載能力做驗(yàn)證，以確保容器的安全操作。因此，在設(shè)計(jì)過(guò)程中必須正確選定制造檢驗(yàn)技術(shù)條件作為制造檢驗(yàn)的準(zhǔn)繩。同時(shí)必須使設(shè)計(jì)符合技術(shù)條件的各種要求。 高壓容器的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 高壓容器應(yīng)用及發(fā)展高壓容器在化工與石油化學(xué)工業(yè)中有著愈來(lái)愈廣泛的應(yīng)用。如合成氨工業(yè)中的高壓設(shè)備壓力為15～60MPa；合成甲醇工業(yè)中的高壓設(shè)備壓力為15～30MPa；合成尿素工業(yè)中的高壓設(shè)備壓力為20MPa；石油加氫工業(yè)中的高壓設(shè)備壓力為10～70MPa等。這類(lèi)合成反應(yīng)裝置不但壓力高，而且也伴有高溫，例如合成氨就常在15～32MPa壓力和500℃高溫下進(jìn)行合成反應(yīng)。當(dāng)前壓力容器向大容量、高參數(shù)發(fā)展，如核電站一個(gè)1500MW壓水堆壓力殼，工作壓力為14～16MPa，工作溫度為250～330186。C，容器內(nèi)直徑7800mm，壁厚317 mm，重650噸；～25MPa，工作溫度為450～550186。C，內(nèi)直徑為3000～5000mm，壁厚為200～400 mm，重400～2600噸，對(duì)這類(lèi)容器的工藝要求和運(yùn)行可靠性要求更高，顯然比一般壓力容器又有更高更嚴(yán)格的安全性要求。 第3頁(yè)（共41頁(yè)）選題背景高壓容器的設(shè)計(jì)理論與制造技術(shù)起源于軍事工業(yè)中的炮筒?；瘜W(xué)工業(yè)中應(yīng)用最早的是合成氨工業(yè)。隨著化工及石油化工工業(yè)的發(fā)展，高壓容器的直徑、厚度、噸位都在不斷地增加。20～30年代的氨合成塔內(nèi)徑一般為700～800mm，重30t左右。五十年代內(nèi)徑增大到800～1000 mm，長(zhǎng)10m以上，重80t左右。六十年代發(fā)展到直徑為1600～1700mm。而70年代以來(lái)，由于單機(jī)大型化生產(chǎn)的發(fā)展更快，直徑已達(dá)2800～3600mm，長(zhǎng)20m以上，重300～400t加氫反應(yīng)器也是如此，厚度達(dá)280mm，重約l000t從各方面的技術(shù)應(yīng)用中表明，高壓容器在現(xiàn)代石油化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用是必不可少，而且是得到迅速發(fā)展的一個(gè)領(lǐng)域。 高壓容器的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)低溫技術(shù)在宇航等工業(yè)上的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用，需要一些深冷低溫高壓貯液設(shè)備和單元操作設(shè)備，如液氫、液氧高壓容器，其使用壓力已高達(dá)40MPa，容積亦趨大型化而且，低溫容器所貯存的往往是易燃易爆和極易揮發(fā)的介質(zhì)，因此，對(duì)低溫容器結(jié)構(gòu)的使用安全技術(shù)和制造技術(shù)的要求亦不斷增加，其矛盾越發(fā)突出。如要設(shè)計(jì)一臺(tái)10m3的液氫容器，內(nèi)容器材料應(yīng)選奧氏體不銹鋼,當(dāng)筒體內(nèi)徑為1500 mm時(shí)，要求設(shè)計(jì)壁厚達(dá)250 mm以上，要采用如此厚的不銹鋼板卷焊技術(shù)來(lái)制造，不僅制造困難，造價(jià)昂貴,其使用安全性亦不足。目前在工礦企業(yè)使用的壓力容器中，低溫壓力容器占有一定的比重。因該容器工作溫度較低，容器材料的脆性相應(yīng)增大，即使在工作壓力較低的情況下，也極易造成低應(yīng)力脆斷。因此，這種破壞是一種很難預(yù)測(cè)而危害性又很大的破壞。通過(guò)近幾年壓力容器發(fā)生的事故來(lái)看，工作壓力較低的低溫容器占有一定的比例這主要是由于容器的工作壓力較低不易引起人們的注意造成的。隨著科學(xué)的進(jìn)步，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)低溫容器的低應(yīng)力脆斷都在進(jìn)行深入的研究，并取得了很大的進(jìn)展。 高壓容器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介低溫高壓容器貯罐由內(nèi)容器、和外容器外裙座立式結(jié)構(gòu)等組成。內(nèi)容器采用耐低溫鋼材，結(jié)構(gòu)安全可靠，多次來(lái)回卷制而成。內(nèi)容器封頭為球形多層結(jié)構(gòu)，外容器為真空容器，其封頭為橢圓形結(jié)構(gòu)，整體容器支撐在外容器的裙座上。為滿足外容器外壓穩(wěn)定性的要求，在外容器的內(nèi)壁處焊了兩只工型鋼剛性圈。內(nèi)容器因低溫條件下工作用奧氏體不銹鋼制造，外容器用16MnR制造。內(nèi)外容器之間采用具有良好絕熱性能的多層絕熱結(jié)構(gòu)。內(nèi)容器近中部?jī)啥颂幱?根可調(diào)節(jié)的特殊不銹鋼拉桿固定在外容器內(nèi)部的加強(qiáng)吊耳上，上下各3根, 3根為1組,分別與軸線成45176。角,拉桿的端點(diǎn)支承面為球形鉸鏈，以保證安裝時(shí)對(duì)接方便。 高壓容器的結(jié)構(gòu)型式是決定容器受力狀態(tài)、制造工藝和使用安全性的一個(gè)關(guān)鍵性因素。綜合分析目前世界上的單層式、多層包扎式、多層熱套式、纏繞式等高壓容器的特點(diǎn)，以及工業(yè)生產(chǎn)對(duì)高壓容器所提出的要求，一種合理的、先進(jìn)的高壓容器結(jié)構(gòu)應(yīng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 研究的主攻方向由于對(duì)深冷高壓容器要求有很高的安全可靠性，故在容器設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)做出合理的第5頁(yè)（共41頁(yè)）材料選用原則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如：內(nèi)、外容器筒體的結(jié)構(gòu)形式及各自的材料選用，支撐裙座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。在進(jìn)行高壓容器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，高壓容器必須進(jìn)行開(kāi)孔接管，而開(kāi)孔接管區(qū)的應(yīng)力狀況非常復(fù)雜，勢(shì)必在開(kāi)孔附近造成應(yīng)力集中；另一方面接管使接管區(qū)成為總體結(jié)構(gòu)不連續(xù)區(qū)而產(chǎn)生邊緣應(yīng)力；同時(shí)接管與殼體是通過(guò)焊縫連接在一起，焊縫的結(jié)構(gòu)尺寸如焊縫高度、過(guò)渡圓角等會(huì)形成局部結(jié)構(gòu)不連續(xù)，形成局部不連續(xù)應(yīng)力。所以為保證容器安全，需在開(kāi)孔區(qū)進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)強(qiáng)處理。 設(shè)計(jì)原始數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)壓力P=32MPa，設(shè)計(jì)溫度T=20K，容積V=10m3，容器類(lèi)型：儲(chǔ)液氨高壓容器。取內(nèi)容器筒體內(nèi)徑Di=1400 mm。主要設(shè)計(jì)要求如下：（1）對(duì)深冷高壓容器主體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)； (2）對(duì)容器主要部分計(jì)算； 內(nèi)、外容器各尺寸計(jì)算。（3）附件設(shè)計(jì)；密封形式、法蘭設(shè)計(jì)、封頭形式、拉桿設(shè)計(jì)、裙座的設(shè)計(jì)等。 （4）在封頭開(kāi)孔區(qū)進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)強(qiáng)。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介低溫高壓容器貯罐由內(nèi)容器、外容器和外裙座立式結(jié)構(gòu)等組成，如圖1所示。內(nèi)容器采用新型的扁平繞帶式結(jié)構(gòu),它兼?zhèn)淅@帶式容器的優(yōu)點(diǎn)；結(jié)構(gòu)安全可靠和制造簡(jiǎn)便，成本低。內(nèi)容器封頭為球形多層結(jié)構(gòu)，外容器為真空容器，其封頭為橢圓形結(jié)構(gòu)，整體容器支撐在外容器的裙座上。為滿