【文章內(nèi)容簡介】 壓力不得低于爆破片的爆破壓 力。 對于盛裝液化氣體的容器，由于容器內(nèi)介質(zhì)壓力 為液化氣體的飽和蒸汽壓，在規(guī)定的裝量系數(shù)范圍內(nèi)，與體積無關(guān)，僅取 絕于溫度的變化，故設(shè)計壓力與周 圍的大氣環(huán)境溫度密切相關(guān)。此外還要考慮容器外壁有無 保冷設(shè)施，可靠的保冷設(shè)施能有效地保證容器內(nèi)溫度不受大氣環(huán)境溫度的影響，即設(shè)計壓力應(yīng)根據(jù)工作條件下可能達到的最高金屬溫度確定。 設(shè)計溫度 設(shè)計溫度也為壓力容器的設(shè)計載荷條件之一，它是指容器在正常情況下，設(shè)定元件的金屬溫度。當(dāng)元件金屬溫度不低于 0℃時，設(shè)計溫度不得低于元件金屬可能達到的最高溫度；當(dāng)元件金屬溫度低 于 0℃時，其值不得高于元件金屬可能達到的最低溫度。 GB150規(guī)定設(shè)計溫度等于或低于 20℃的容器屬于低溫容器。元件的金屬溫度可以通過傳熱計算或?qū)崪y得到，也可按內(nèi)部介質(zhì)的最高溫度確定，或在基準(zhǔn)上增加（或減少）一定數(shù)值。 7 設(shè)計溫度與設(shè)計壓力存在對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)壓力容器具有不同的操作工況時，應(yīng)按最苛刻的壓力與溫度的組合設(shè)定容器的設(shè)計條件，而不能按其在不同工況下各自的最苛刻條件確定設(shè)計溫度和設(shè)計壓力。 厚度及厚度附加量 設(shè)計時要考慮厚度附加量 C由鋼材的厚度負偏差 C1和腐蝕裕量 C2組成 ， C=C1+C2 ,不包 括加工減薄量 C3。 計算厚度（ δ ）是按有關(guān)公式采用計算壓力得到的厚度。 設(shè)計厚度（ dδ ）是 計算厚度與腐蝕裕量之和。 名義厚度（ nδ ）指設(shè)計厚度加上鋼材厚度負偏差后向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度，即標(biāo)注在圖樣上的厚度。 有效厚度（ eδ ）為名義厚度減去腐蝕裕量和鋼材負偏差。 腐蝕裕量主要是防止容器受壓元件由于均勻腐蝕，機械磨損而導(dǎo)致厚度 的 消弱減薄 。與腐蝕介質(zhì)直接接觸的筒體，封頭，接管，等受壓元件，均應(yīng)考慮材料的腐蝕裕量。腐蝕裕量一般可根據(jù)鋼材在介質(zhì)中的均勻腐蝕速率和容器的設(shè)計壽命確定。在無特殊腐蝕情況下，對于碳素鋼和低合金鋼， C2 不小于 1mm；對于不銹鋼，當(dāng)介質(zhì)的腐蝕性極微時，可取 C2=0。 焊接接頭系數(shù) 通過焊接制成的容器，焊縫中可能存在夾渣，未熔透，裂紋，氣孔等焊接缺陷，且在焊縫的熱影響區(qū)很容易形成粗大晶粒而使母材強度或塑性有所降低，因此焊縫往往成為容器強度比較薄弱的環(huán)節(jié)。為彌補焊縫對容器整體的強度削弱，在強度計算中需引入焊接接 頭系數(shù)。焊接接頭系數(shù)表示焊縫金屬與母材強度的比值，反映容器強度受削弱的程度。 許用應(yīng)力 許用應(yīng)力是容器殼體，封頭等受壓元件的材料許用強度，取材料強度失效判據(jù) 8 的極限值與相應(yīng)的材料設(shè)計系數(shù)之比，設(shè)計時必須合理的選擇材料的許用應(yīng)力，采用過小的許用應(yīng)力，會使設(shè)計的部分過分笨重而浪費的材料，反之則使部件過于單薄而容易破損。 材料強度失效判據(jù)的極限值可以用各種不同的方式表示，如屈服點 s? ，抗拉強度 b? ，持久強度 D? ，蠕變極限 n? 等。應(yīng)根據(jù)失效類型來確定極限值。 在蠕變溫度以下通常取材料常溫下最低抗拉強度 b? ，常溫或設(shè)計溫度下的屈服點或 ts? 三者除以各自的材料設(shè)計系數(shù)后所得到的最小值，作為壓力容器受壓元件設(shè)計時的許用應(yīng)力，即按下式取值 [? ]=min{stsssbb nnn ??? , }，也即是說設(shè)計受壓元件時，以抗拉強度和屈服點同時來控制許用應(yīng)力。因為對韌性材料制作的容器，按彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則，容器總體部位的最大應(yīng)力強度應(yīng)低于材料的屈服點，故許用應(yīng)力應(yīng)以屈服點為基準(zhǔn)。目前在壓力容器設(shè)計中，不少規(guī)范同時用抗拉強度作為計算許用應(yīng)力的基準(zhǔn)，其目的是為能在一定程度上防止斷裂失效。 當(dāng)碳素鋼和低合金鋼的設(shè)計溫度超過 420℃，鉻鉬合金鋼的設(shè)計溫度高于450℃，奧氏體不銹鋼設(shè)計溫度高于 550℃時，有可能產(chǎn)生蠕變，因而必須同時考慮基于高溫蠕變極限 tn? 或持久強度 tD? 的許用應(yīng)力。 GB150《鋼制壓力容器》 給出了鋼板，鋼管，鍛件以及螺栓材料在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力同時也列出了確定鋼材許用應(yīng)力的依據(jù)。螺栓的許用應(yīng)力應(yīng)根據(jù)材料的不同狀態(tài)和直徑大小而定。為保證螺栓法蘭連接結(jié)構(gòu)的密封性，必須嚴格控制螺栓的彈性變形。一般情況下，螺栓材料的許用應(yīng)力取值比其他受壓元件材料低；同時為防止小直徑螺栓在安裝時斷裂，小直徑螺栓的許用應(yīng)力也比大直徑的低。 設(shè)備材料選擇 材料是壓力容器的物質(zhì)基礎(chǔ)，正確選用壓力容器材料是保證容器長期安全使用 9 的一個基本條件，壓力容器所用材 料必須要有良好的焊接性能和冷熱加工性能，壓力容器材料的物理性能也是選材要考慮的。要進行換熱的容器要用導(dǎo)熱系數(shù)較高的材料達到節(jié)省材料的目的。 壓力容器常用的鋼材主要有板、管、棒、絲、鍛件、鑄件等形狀。壓力容器的本體主要采用板材、管材和鍛件，其緊固件采用 棒材。壓力容器用剛可分為碳素鋼、低合金鋼和高合金鋼 。 16MnR 是一種低合金鋼，它是在碳素鋼的基礎(chǔ)上加入一種或數(shù)種合金元素（不超過 5%）以提高鋼材的強度，耐高溫、耐低溫、耐腐蝕等性能，各種合金元素在低合金鋼中起著不同的作用，錳能有效的提高強度，降低冷脆性能。 作為 聯(lián)接的螺栓，是法蘭密封結(jié)構(gòu)中主要受力元件。要求螺栓材料具有高的強度，好的韌性。為避免螺栓與螺母咬死或膠合，通常選用不同強度級別的材料或選用不同的熱處理規(guī)范。使用有不同的硬度。螺栓硬度一般應(yīng)比螺母高 30HB 以上，考慮到螺母的更換比螺栓容易，螺栓材料強度通常比螺母高。因此，螺栓材料選用A3鋼 [16]。 墊片材料的選擇應(yīng)根據(jù)工作系統(tǒng)的溫度、壓力以及介質(zhì)種類、化學(xué)性能（如腐蝕性、氧化性是否有毒或污染大氣）物理性能（如比重、粘度比）考慮一般要求墊片材料不污染工作介質(zhì)，耐腐蝕，具有良好的變形性和回彈能力。墊片的耐用溫度應(yīng)大于操作溫度，要有一定的機械強度和適當(dāng)?shù)娜彳浶?。在工作溫?200℃下，不易變質(zhì)硬化或軟化；同時，在考慮介質(zhì)的放射性，應(yīng)力以及外力對法蘭變形的附加影響因素。檢修更換墊片是否容易。墊片現(xiàn)場加工是否可能，經(jīng)濟性以及材料來源等。 結(jié)構(gòu)的選擇與論證 換熱管 除光管外，換熱管還可采用各種各樣的強化換熱管，如翅片管，螺旋槽管，螺紋管等。當(dāng)管內(nèi)外兩側(cè)給熱系數(shù)相差較大時，翅片管的翅片應(yīng)布置在給熱系數(shù)低的 10 一側(cè)。 換熱管尺寸換熱管尺寸主要為 φ 19mm 2mm, φ 25mm , φ 38mm ,無縫鋼管以及 φ 25mm 2mm, φ 38mm 。標(biāo)準(zhǔn)管長有 ，, 等。采用小管徑，可使單位體積的傳熱面積增大，結(jié)構(gòu)緊湊，金屬耗量減少，傳熱系數(shù)提高。據(jù)估算，將同直徑換熱器的換熱管有 25mm 改為 19mm，其傳熱面積可增加 40%左右，節(jié)約金屬 20%以上。但小管徑流體大，不便清洗，易結(jié)垢堵塞。一般大直徑管子用于粘性大或污濁的流體，小直徑管子用于較清潔的流體。 常用材料有碳素鋼，低合金鋼，不銹鋼，銅銅鎳合金，鋁合金，鈦等。此外還有一些非金屬材料，如石 墨，陶瓷，聚四氟乙烯等。設(shè)計時應(yīng)根據(jù)工作壓力，溫度和介質(zhì)腐蝕性等選用合適材料。 換熱管在管板上的排列形式主要有正三角形，正方形和轉(zhuǎn)角三角形，轉(zhuǎn)角正方形。正三角形排列形式可以在同樣的管板面積上排列最多的管數(shù)，故用的最為普遍，但管外不一清洗。為便于管外清洗，可以采用正方形或轉(zhuǎn)角正方形排列的管束。 管板 管板是管殼式換熱器最重要的零件之一，用來排布換熱管，將管程和殼程的流體分隔開來，避免冷熱流體混合，并同時受管程，殼程壓力和溫度的作用。 在選擇管板材料時除力學(xué)性能外，還應(yīng)考慮管程和殼程的流體的腐蝕性， 以及管板和換熱管之間的電位差對腐蝕的影響。當(dāng)流體物腐蝕性或有輕微腐蝕時，管板一般采用壓力容器用碳素鋼或低合金鋼板或鍛件制造。 當(dāng)流體腐蝕性較強時，管板應(yīng)采用不銹鋼，銅，鋁，鈦等耐腐蝕材料。但對于較厚的管板，若整體采用價格昂貴的耐腐蝕性，造價很高。例如，高溫，高壓換熱器中，管板厚度達 300mm 以上，有的甚至達到 50mm。為節(jié)約耐腐蝕材料，工程上常采用不銹鋼 和 鋼，鈦 和 鋼，銅 和 鋼等符合板，或堆焊襯里。 11 當(dāng)換熱器承受高溫，高壓時，高溫和高壓對管板的要求的矛 盾的。增大管板厚度，可以提高承受能力，但當(dāng)管板兩側(cè)流體溫差很大時，管板內(nèi)部沿厚度方向的熱應(yīng)力。當(dāng)迅速停車或進氣溫度突然變化時，熱應(yīng)力往往會導(dǎo)致管板和換熱管在連接處發(fā)生破壞。因此，在滿足強度的前提下，應(yīng)盡量減少管板厚度。薄管板顧名思義是指相對于采用標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范計算所得的管板厚度要薄很多的管板，一般厚度為820mm。 當(dāng)要求嚴格禁止管程和殼程中的介質(zhì)互相混合時，可采用雙管板結(jié)構(gòu)。在雙管板結(jié)構(gòu)中管子分別固定在兩塊管板上，兩塊管板保持一定距離，如果管子與管板連接處有少量流體 漏出，可讓其從連管板之間的空隙泄放之外界，也可利用一薄壁圓筒將此空隙封閉起來，充入惰性氣體，使其壓力高于管程和殼程的壓力，達到避免兩種介質(zhì)混合的目的。 封頭 壓力容器的封頭種類較多，分為凸形封頭、錐殼、變徑段、平蓋及緊縮口等。其中凸形封頭包括半球形封頭、橢圓形封頭、碟形封頭和球冠形封頭。采用什么樣的封頭要根據(jù)工藝條件的要求、制造的難易程度和材料的消耗等情況來決定。 在這個設(shè)計中封頭的設(shè)計為標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭。受均勻內(nèi)壓作用封頭強度計算，由于封頭和圓筒相連接。所以不僅需要考慮封頭本身因內(nèi)壓引起的薄膜應(yīng) 力，還有考慮與圓筒連接處的不連續(xù)應(yīng)力。連接處總應(yīng)力的大小與封頭的幾何形狀尺寸，封頭與圓筒厚度的比值大小有關(guān)，但在導(dǎo)出分頭厚度計算公式時，主要利用內(nèi)薄膜應(yīng)力作為依據(jù)，而將因不連續(xù)效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力增強影響以應(yīng)力增強的系數(shù)形式引入厚度計算式中。 在本設(shè)計中使用標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭和短圓筒組成，有內(nèi)段的作用是避免封頭和圓筒的連接焊縫處出現(xiàn)經(jīng)向曲率半徑突變，以改善焊縫的受力情況。由于封頭的橢圓部分經(jīng)線曲率變化平滑連續(xù)，故應(yīng)力分布比較均勻，采用橢圓形封頭還易于制造。 12 折流板 設(shè)置折流板的目的是為了提高殼程流體的流速 ，增加湍動程度，并使殼程流體垂直沖刷管束，以改善傳熱，增大殼程流體的傳熱系數(shù)，同時減少結(jié)構(gòu)。在臥式換熱器中，折流板還起支撐管束的作用。當(dāng)工藝上無需折流板要求，而換熱管有比較細長時，以及浮頭式換熱器的浮頭端重量較重時或 U形管換熱器的管束較長，則應(yīng)考慮設(shè)置支持板，以起到防止換熱管變形的目的。 常用的折流板形式有弓形和圓盤 圓環(huán)形兩種，其中弓形折流板有單弓形，雙弓形和三弓形三種，根據(jù)需要也可采用其他形式的折流板與支持板，如堰形折流板。 弓形折流板缺口高度應(yīng)使流體通過缺口時與橫向流過管束時的流速相近。缺口大小用切去 的弓形弦高占殼體內(nèi)直徑的百分比來確定。如單弓形折流板，缺口弦高宜取 ，最常用的是 。 折流板一般應(yīng)按等間距布置，管束兩端的折流板應(yīng)盡量靠近殼程進出口接管。折流板最小間距宜不下于內(nèi)直徑的 1/5，且不小于 50mm；最大間距應(yīng)不大于恰提內(nèi)直徑。折流板上管孔與換熱管之間的間隙以及折流板與殼體內(nèi)壁之間的間隙應(yīng)合乎要求，間隙過大，泄漏嚴重，對傳熱不利，還易引起振動；間隙過小，安裝困難。 折流板與支持板一般用拉桿和定距管連接在一起，在大直徑的換熱器中，如折流板的間距較大，流 體繞道折流板背后接近殼體處，會有一部分流體停滯起來，形成了對傳熱不利的死去。為了消除這個弊病，宜采用多弓形折流板。如雙弓形折流板，因流體分為兩股流動，在折流板之間的流速相同時，其間距只有單弓形的一半。不僅減少了傳熱死去，而且提高了傳熱效率。 開孔和開孔補強設(shè)計 由于各種工藝和結(jié)構(gòu)要求，不可避免地要在容器上開孔并安裝接管，開孔后，除 削弱 器壁的強度處，在殼體和接管的連接處，因結(jié)構(gòu)的連續(xù)性被破壞，會產(chǎn)生很高的局部應(yīng)力，給容器的安全操作帶來隱患。因此，壓力容器的設(shè)計必須充分考慮 13 開孔的補強設(shè)計。 開孔應(yīng)力 集中的程度與孔的形狀有關(guān)，圓孔應(yīng)力集中程度最低。因此，我們所設(shè)計的固定管板式換熱器選擇圓形開孔。為了降低峰值應(yīng)力需要在開孔邊緣補強，即用在開孔邊緣附近增加截面的方法，來提高應(yīng)力。 壓力容器接管補強結(jié)構(gòu)通常采用局部補強結(jié)構(gòu)主要有補強圈補強，厚壁接管補強和整鍛件補強三種形式。 （ 1） 補強圈補強 這是中低壓容器應(yīng)用最多的補強結(jié)構(gòu)，補強圈補強貼焊在殼體與接管連接處。它結(jié)構(gòu)簡單，制造方便，使用經(jīng)驗豐富，但補強圈與殼體金屬之間不能完全貼合，傳熱結(jié)果差，在中溫以上使用時，二者存在較大的熱膨脹差，因而使補強局部區(qū)域產(chǎn)生較 大的熱應(yīng)力；另外，補強圈去殼體采用搭接連接，難以與殼體形成整體，所以抗疲勞性能差。這種補強結(jié)構(gòu)一般使用在靜載，常溫，中低壓，材料的標(biāo)準(zhǔn)抗拉強度低于 540MPa，補強圈厚度小于等于 nδ ，殼體名義厚度 nδ 不大于 38mm的場合。 （ 2） 厚壁接管補強 即在開孔處焊上一段厚壁接管。由于接管的加厚部分正處于最大應(yīng)力區(qū)域內(nèi)，故比補強圈更能有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)。接管補強結(jié)構(gòu)簡單，焊縫少，焊接質(zhì)量容易檢查，因此補強效果較好。高強度低 合金鋼制壓力容器由于材料缺口敏感性較高，一般都采用該結(jié)構(gòu)，但必須保證焊縫全熔透。 （ 3） 整鍛件補強 該補強結(jié)構(gòu)是將接管和部分殼體連同補強部分金屬集中開孔應(yīng)力最大部位，能有效地降低應(yīng)力集中系數(shù)；可采用對焊焊縫，并使焊縫極其熱影響區(qū)離開最大應(yīng)力點，抗疲勞性能好，疲勞壽命只降低 10%15%。缺點是鍛件供應(yīng)困難，制造成本較高，所以只在重要壓力容器中應(yīng)用，如核容器，材料屈服點在 500MPa,以上的開孔 14