【正文】 容器的結構設計及應力分析 題 目 類 型 畢業(yè)設計 系 部 專 業(yè) 班 級 學 生 姓 名 學 號 /序 號 指 導 教 師 輔 導 教 師 時 間 畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文），是我個人在指導教師的指導下進行的研究工作及取得的成果。 中外文摘要 .............................................錯誤 !未定義書簽。吉林、西安等地的液化氣儲罐事故給人們以深刻的教訓。 E. Wei223。C，內(nèi)直徑為 3000～ 5000mm，壁厚為200～ 400 mm，重 400～ 2600 噸，對這類容器的工藝要求和運行可靠性要求更高，顯然比一般壓力容器又有更高更嚴格的安全性要求。在國家科學技術部、國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局等部門的支持下 , 在合肥通用機械研究院、中國特種設備檢測中心、華東理工大學、浙江大學、北京航空航天大學、南京工業(yè)大學、浙江工業(yè)大學等單位的共同努力下 , 我國在高壓容器及管道的結構完整性理論、缺陷檢測、 第 VI 頁（共 41 頁） 事故預測和預防、壽命預測和延壽等方面的研究取得了豐碩的成果 , 解決了一大批在用高壓容器和高壓管道檢測和安全評定中的技術難題 , 產(chǎn)生了重大經(jīng)濟效益和社會效益 , 使得我國的高壓容器、高壓管道安全評定理論和技術接近發(fā)達國家的水平。進而在 2020 年研制出最大工作壓力為 70MPa 的貯氫容器。 焊接技術已經(jīng)在能源、交通、化工、煉油、冶金、建筑、高壓容器、機械、電子、航天航空等幾乎所有的民用和軍用工程與制造領域得到廣泛地應用。從以上這些數(shù)據(jù)不難看出，與發(fā)達國家相比 ,我國焊接材料的生產(chǎn)還存在很大的差距。故在達到單位重量貯氫密度要求的情況下 , 提高容器的可靠性 , 降低成本 ,減輕重量應成為主要任務。隨著科學的進步，目前國內(nèi)外對低 溫容器的低應力脆斷都在進行深入的研究，并取得了很大的進展。正確合理的高壓容器結構設計是使其安全使用的基本要求，同時對降低高壓容器的成本也有一定的影響。 根據(jù)設計方案，對各零件選擇材料，初步計算出高壓容器的結構參數(shù)。 接著對 深冷高壓容器的材料選擇 進行了詳細的分析 , 該高壓容器主要包括內(nèi)、外容器的筒體、封頭及其各自結構的設計， 還對容器所用附件進行了設計，并運用 Auto CAD 軟件繪制了容器裝配圖。如合成氨工業(yè)中的高壓設備壓力為 15 60MPa。 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。因此，對壓力容器要求很高的安全可靠性。容器的使用條件日益苛刻。所謂良好的綜合機械性能即指強度高，塑性和韌性好，以及良好的制造和加工工藝性。 高壓容器的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 高壓容器應用及發(fā)展 高壓容器在化工與石油化學工業(yè)中有著愈來愈廣泛的應用。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。因該容器工作溫度較低，容器材料的脆性相應增大，即使在工作壓力較低的情況下，也極易造成低應力脆斷。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。 設計原始數(shù)據(jù)及設計要求 設計壓力 P=32MPa，設計溫度 T=20K，容積 V=10m3，容器類型：儲液氨高壓容32MPa高壓容器的機構設計及應力分析 第 6 頁（共 41 頁） 器。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。 （ 2）材料的資源符合國情，在足夠安全前提下，有好的經(jīng)濟性。英國為 0℃ 。其中奧氏體鋼是使用溫度最低的鋼種之一，在深冷時，仍能保持很高的韌性，是制造低溫壓力容器 的重要材料，純奧氏體組織即使在 196℃以下的低溫也具有良好的韌性。該高壓容器內(nèi)筒采用鋼板卷制而成，在其筒體上大都存在多道深而厚的環(huán)焊縫，故而對焊接技術要求非常高。同樣由于焊縫采用 100％無損探傷，其焊縫系數(shù)取 1，鋼板負偏 差 C1= ㎜，腐蝕余量 C2=1 ㎜ 由公式 4 itPDP? ??? ?? ??? 代入數(shù)據(jù)有 32 14 00= = 70 .4 ㎜4 16 7 1 32? ??? n 1 2= + + =㎜CC?? 圓整后取 n=72㎜? 封頭的有效厚度 e n 1 2= = 7 2 1 0 . 3 = 7 0 . 7 ㎜CC?? 水壓試驗校核： iee（ D+ ） 32 （ 1400+ ）= = = 1 6 6 . 4 a4 2 7 0 . 7 1T P MP?? ?? ? ?? 16MnDR 鋼制容器在常溫水壓實驗時的許用應力 ? ? ???? ST ?? aMP 因 T? ＜ ? ?T? ，故該壓力容器封頭厚度滿足水壓實驗時的強度要求。 外容器結構示意圖 保溫層厚度及質量計算 真空粉末絕熱層厚度為 170 ㎜ , 內(nèi)、外徑分別為 giD = 2028 ㎜ 和 0gD = 2400 ㎜ ；32MPa高壓容器的機構設計及應力分析 第 14 頁（共 41 頁） 外容器壁厚為 16 ㎜ , 內(nèi)、外徑分別為 iD = 2400 ㎜ 和 0D = 2432 ㎜ 。 從開孔補強結構來說，整體補強元件全焊透結構比補強板結構應力集中系數(shù)小。外容器 抽真空接管、爆破膜接管及與夾套連接管線選用 20MnG 材料，抽真空接管、爆破膜接管選用公稱外徑為 89 mm、 壁厚為 4 .5mm 的 無縫鋼管即可；夾套連接管線選用稱外徑為 57mm、 壁厚為 mm 的 無縫鋼管。 厚壁管補強即在開孔處焊上一段厚壁接管。 綜合以上各種補強方法結合本設計中實際情況選擇厚壁管補強，下面運用等面積補強法對內(nèi)容器加壓進氣接管開孔進行補強設計。 結束語 第 19 頁（共 41 頁） 工作原理 法蘭聯(lián)接由一對波蘭，若干個螺栓、螺母和一個墊片所組成，如圖 三 所示。墊片的材料有非金屬和金屬兩大類，非金屬中用得最多的是石棉、橡膠、合成樹脂等，與金屬墊片相比，耐溫度和壓力的性能較差，但耐蝕性及柔軟性比金屬為優(yōu)，故適用于中、低壓和常、中溫設備與管法蘭密封。 墊片性能： 墊片的作用是封住兩法蘭密封面之間的間隙，阻止流體泄漏。 法蘭結構及材料的選用 管法蘭用于管道之間或設備上的接管與管帶 的連接。 密封面型式： 法蘭間置入墊片并壓緊而起到密封作用的接觸面稱為法蘭密封面或壓緊面，密封面型式的選擇又與操作條件、泄漏的后果以及 墊片的性質有關。適當提高螺栓預緊力可以增加墊片的密封能力，因此加大預緊力可使墊片在正常工況下保留較大的接觸面比壓力。為此，設備或管道在開工操作以前，螺栓、螺母就需擰緊至給墊片以一個適當?shù)念A緊力。 內(nèi)外側有效高度，分別取較小值： 外側高度 ????接管實際外伸高度 ntdh ?1 內(nèi)側高度 ????接管實際內(nèi)伸高度 ntdh ?2 則帶入數(shù)值可有： 1h =； 2h =10mm。高強度低合金鋼制壓力容器由于材料缺口敏感性較高，一般采用該結構，但必須保證焊縫圈熔透。 2 接管的腐蝕余量為 1mm。所以，在設計和制造時要盡最避免這些不利因素。這種高應力通?？蛇_到容器筒體一次總體薄膜應力的 3 倍，某些場合甚至會達到 5— 6 倍，再加上接管有時還會受到各種外載荷的作用而產(chǎn)生的應力以及溫差產(chǎn)生熱應力。由內(nèi)容器外徑及長度來設計外容器內(nèi)徑及長度，取外容器內(nèi)徑為 iD =2400 mm, 筒體長度為 7000 mm,采用標準橢圓封頭，橢圓封頭深度為 600mm,取直邊高度為 30mm 取外容器壁厚和橢圓封頭壁厚均為 14mm。半球形封頭在受內(nèi)壓時，與其他封頭相比其薄膜應力最小，故所需厚度也最薄。除此以外，奧氏體不銹鋼也是制造深冷高壓容器的良好材料。所以通常把這種脆性斷裂稱為 “冷脆” 。 （ 6）有良好的可焊接性。角 ,拉桿的端點支承面為球形鉸鏈，以保證安裝時對接方便。 （ 4） 在封頭開孔區(qū)進行適當?shù)难a強 。 高壓容器的結構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關鍵性因素。 高壓容器的 結構簡介 低溫高壓容器貯罐由內(nèi)容器、和外容器外裙座立式結構等組成。而 70 年代以來，由于單機大型化生產(chǎn)的發(fā)展更快，直徑已達 2800～3600mm，長 20m以上，重 300～ 400t 加氫 反應器也是如此，有的目前已達 直徑，厚度達 280mm，重約 l000t 從各方面的技術應用中表明，高壓容器在現(xiàn)代石油化學工業(yè)中的應用是必不可少，而且是得到迅速發(fā)展的一個領域。C，容器內(nèi)直徑 7800mm，壁厚 317 mm，重 650 噸；又如煤氣化液化裝置中的壓力容器工作壓力為 ～ 25MPa，工作溫度為 450～ 550186。這樣，一方面可以及早發(fā)現(xiàn)缺陷，保證制 造質量 。為了保證密封的嚴密性，使容器在操作時不產(chǎn)生泄漏，避免因而引起的著火或爆炸事故、就必須從結構簡單、密封可靠、便于加工、裝卸、檢驗等出發(fā)，慎重確定密封結構。情況比較復雜。隨著科學的進步，目前國內(nèi)外對低溫容器的低應力脆斷都在進行深入的研究，并取得了很大的32MPa高壓容器的機構設計及應力分析 第 2 頁（共 41 頁） 進展。乙烯氣體在超過 100MPa 的超高壓條件下進行聚合反應等，都是利用高壓條件手化學平衡向有利于合成產(chǎn)品的方向進行這一原理，它可以提高化學反應速度，并大大減小了反應設備的容積。繼而德國化學家 Haber 等繼續(xù)進行了這方面的研究，并從設備上解決了問題。 繪制裝配圖以及零件圖。 解決辦法 在圖 書館查閱焊接設計的、設計手冊和雜志等相關書籍，閱讀國內(nèi)外關于高壓容器的設計與制造的書籍，借助網(wǎng)絡資源，在學校圖書館網(wǎng)站和一些焊接論壇上查閱下載必要的資料，認真閱讀，多與同學討論，并在老師的指導下，認真思考、歸納總結，逐步解決在設計過程中遇到的理論性困難問題，及時補充學習所需要的各方面的知識。 在進行高壓容器結構設計時，高壓容器必須進行開孔接管，而開孔接管 區(qū)的應力狀況非常復雜，勢必在開孔附近造成應力集中；另一方面接管使接管區(qū)成為總體結構不連續(xù)區(qū)而產(chǎn)生邊緣應力；同時接管與殼體是通過焊縫連接在一起，焊縫的結構尺寸如焊縫高度、過渡圓角等會形成局部結構不連續(xù)，形成局部不連續(xù)應力。 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。但提高容器最大工作壓力并不是一個無止境的目標。焊接技術在國民經(jīng)濟中日益重要的作用 ,也是當代焊接技術發(fā)展的一個重 要特點。很多企業(yè)都在進行該類氣瓶的開發(fā)、生產(chǎn)工作 , 有較高水平。在系統(tǒng)深入的理論分析和試驗研究的基礎上 , 浙江大學建立了完整的扁平鋼帶傾角錯繞式高壓容器設計理論 , 并將其列入 ASME 鍋爐高壓容器規(guī)范。 20～ 30 年代的氨合成塔內(nèi)徑一般為 700～ 800mm，重 30t 左右。如合成氨工業(yè)中的高壓設備壓力為 15～ 60MPa；合成甲醇工業(yè)中的高壓設備壓力為 15～ 30MPa；合成尿素工業(yè)中的高壓設備壓力為 20MPa；石油加氫工業(yè)中的高壓設備壓力為 10～ 70MPa等。所謂焊接工藝是指焊接過程中的一整套技術規(guī)定，其中包括焊前準備、焊接材料、焊接設備、焊接方法、焊接順序、焊接操作的最佳選擇以及焊后處理等，如果不按照焊接工藝的要求運行，產(chǎn)品質量就得不到保證。 完成畢業(yè)設計所需的條件及上機時數(shù)要求 上機時間不少于 200 機時，一定數(shù)量的參考資料，網(wǎng)絡資源， AutoCAD 軟件 任務書批準日期 教研室主任（簽字） 任務書下達日期 指導教師（簽字） 完成任務日期 學生（簽名） III 32Mpa 高壓容器的結構設計及應力分析 學 生 ： xxxxxxx 指導教師： xxxxxxx 1 課題來源及題目類別 題目名稱： 32MPa 高壓容器的結構設計及應力 分析 題目來源：生產(chǎn)實際 題目類別：真題 2 研究的目的和意義 本課題的題目來源于生產(chǎn)實習，很顯然，研究的目的是為了生產(chǎn)服務。 作 者 簽 名： 日 期： 指導教師簽名： 日 期： 使用授權說明 本人完全了解 大學關于收集、保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交畢業(yè)設計（論文）的印刷本和電子版本；學校有權保存畢業(yè)設計（論文）的印刷本 和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務；學校可以采用影印、縮印、數(shù)字化或其它復制手段保存論文；在不以贏利為目的前提下，學?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。 作者簽名： 日 期： 第 II 頁（共 41 頁） 目錄 長江大學工程技術學院畢業(yè)設計任務書 ..................................... I 畢業(yè)設計（論文）開題報告 ...............................錯誤 !未定義書簽。 高壓容器是在核工業(yè)、石油化工、輕工、電廠、化學化工、制藥等工業(yè)生產(chǎn)中廣泛使用的重要設備。 焊接質量直接影響到高壓容器的運行安全 ,而焊接的超標缺陷又不可避免 ,