换热器设计完整版(3)

2020-05-23 15:27

对于盛装液化气体的容器,由于容器内介质压力为液化气体的饱和蒸汽压,在规定的装量系数范围内,与体积无关,仅拒绝于温度的变化,故设计压力与周围的大气环境温度密切相关。此外还要考虑容器外壁有否保冷设施,可靠的保冷设施能有效地保证容器内温度不受大气环境温度的影响,即设计压力应根据工作条件下可能达到的最高金属温度确定。

计算压力是指在相应的设计温度下,用以确定元件最危险截面厚度的压力,其中包括液柱静压力。通常情况下,计算压力等于设计压力加上液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时,可忽略不计。

(2) 设计温度

设计温度也为压力容器的设计载荷条件之一,它是指容器在正常情况下,设定元件的金属温度。当元件金属温度不低于0℃时,设计温度不得低于元件金属可能达到的最高温度;当元件金属温度低于0℃时,其值不得高于元件金属可能达到的最低温度。GB150规定设计温度等于或低于-20℃的容器属于低温容器。元件的金属温度可以通过传热计算或实测得到,也可按内部介质的最高温度确定,或在基准上增加(或减少)一定数值。

设计温度与设计压力存在对应关系。当压力容器具有不同的操作工况时,应按最苛刻的压力与温度的组合设定容器的设计条件,而不能按其在不同工况下各自的最苛刻条件确定设计温度和设计压力。 (3) 厚度及厚度附加量

设计时要考虑厚度附加量C由钢材的厚度负偏差C1和腐蚀裕量C2组

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成,C=C1+C2 ,不包括加工减薄量C3。

计算厚度(δ)是按有关公式采用计算压力得到的厚度。 设计厚度(δd)系计算厚度与腐蚀裕量之和。

名义厚度(δn)指设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度,即标注在图样上的厚度。

有效厚度(δe)为名义厚度减去腐蚀裕量和钢材负偏差。

腐蚀裕量主要是防止容器受压元件由于均匀腐蚀,机械磨损而导致厚度消弱减薄。与腐蚀介质直接接触的筒体,封头,接管,等受压元件,均应考虑材料的腐蚀裕量。腐蚀裕量一般可根据钢材在介质中的均匀腐蚀速率和容器的设计寿命确定。在无特殊腐蚀情况下,对于碳素钢和低合金钢,C2 不小于1mm;对于不锈钢,当介质的腐蚀性极微时,可取C2=0。 (4) 焊接接头系数

通过焊接制成的容器,焊缝中可能存在夹渣,未熔透,裂纹,气孔等焊接缺陷,且在焊缝的热影响区很容易形成粗大晶粒而使母材强度或塑性有所降低,因此焊缝往往成为容器强度比较薄弱的环节。为弥补焊缝对容器整体的强度削弱,在强度计算中需引入焊接接头系数。焊接接头系数表示焊缝金属与母材强度的比值,反映容器强度受削弱的程度。 (5) 许用应力

许用应力是容器壳体,封头等受压元件的材料许用强度,取材料强度失效判据的极限值与相应的材料设计系数之比,设计时必须合理的选择材料的许用应力,采用过小的许用应力,会使设计的部分过分笨重而浪费的材料,反之则使部件过于单薄而容易破损。

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材料强度失效判据的极限值可以用各种不同的方式表示,如屈服点

σs,抗拉强度σb,持久强度σD,蠕变极限σn等。应根据失效类型来确定极限值。

在蠕变温度以下通常取材料常温下最低抗拉强度σb,常温或设计温

tσs度下的屈服点或三者除以各自的材料设计系数后所得到的最小值,作

为压力容器受压元件设计时的许用应力,即按下式取值

{????min{,,},也即是说设计受压元件时,以抗拉强度和屈服nbnsns点同时来控制许用应力。因为对韧性材料制作的容器,按弹性失效设计准则,容器总体部位的最大应力强度应低于材料的屈服点,故许用应力应以屈服点为基准。目前在压力容器设计中,不少规范同时用抗拉强度作为计算许用应力的基准,其目的是为能在一定程度上防止断裂失效。

当碳素钢和低合金钢的设计温度超过420℃,铬钼合金钢的设计温度高于450℃,奥氏体不锈钢设计温度高于550℃时,有可能产生蠕变,因

ttσσnD而必须同时考虑基于高温蠕变极限或持久强度的许用应力。

?b?s?st材料设计系数的一个强度保险系数,主要是为了保证受压元件强度有足够的安全储备量,其大小与应力计算的精确性,材料性能的均匀性,载荷的确切程度,制造工艺和使用管理的先进性以及检验水平等因素有着密切关系。材料设计系数数值的确定,不仅需要一定的理论分析更需要长期实践经验积累。近年来,随着生产的发展和科学研究的深入,对压力容器设计,制造,检验和使用的认识日益全面,深刻,材料设计系数也逐步降低。例如,20实际50年代中国取nb≥4.0,ns≥3,0,而现在则为nb≥3.0,ns≥1.6.

GB150给出了钢板,钢管,锻件以及螺栓材料在设计温度下的许用应力同时也列出了确定钢材许用应力的依据。螺栓的许用应力应根据材料

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的不同状态和直径大小而定。为保证螺栓法兰连接结构的密封性,必须严格控制螺栓的弹性变形。一般情况下,螺栓材料的许用应力取值比其他受压元件材料低;同时为防止小直径螺栓在安装时断裂,小直径螺栓的许用应力也比大直径的低。

1.2.2 材料的选取

压力容器材料的选取,压力容器材料费用占总成本的比例很大,一般超过30%。材料性能对压力容器运行的安全性有显著的影响。选材不当,不仅会增加总成本,而且有可能导致压力容器破坏事故。因此,合理选材是压力容器设计的关键之一。压力容器用料多种多样,有钢,有金属,非金属,复合材料等,

压力容器用钢的基本要求是有较高的强度,良好的塑性,韧性,制造性能和与介质形容性。改善钢材性能的途径主要有化学成分的设计,组织结构的改变和零件表面改性。 (1)化学成分

钢材的化学成分对其性能和热处理有较大的影响。提高碳含量可能使强度

增加,但是可焊性变差,焊接时易在热影响区出现裂纹。因此,压力容器用钢的含碳量一般不大于0.25%。在钢中加入钒,钛,铌等元素,可提高钢的强度和韧性。

硫和磷是钢中最主要的有害元素。硫能促进非金属夹杂物的形成,使塑料和韧性降低。磷能使高钢的强度,使会增加钢的脆性,特别是低温脆性。将硫和磷等有害元素含量控制在很低水平,即大大提高钢材的

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纯净度,可提高钢材的韧性,抗中子辐照脆化能力,改善抗应变时效性能,抗回火脆化性能和耐腐蚀性能。因此,与一般结构钢相比,压力容器用钢对磷,硫,氢等有害杂质元素含量的控制更加严格。例如,中国压力容器用钢的硫和磷含量分别应低于0,020%和0.030%。随着冶炼水平的提高,目前已可将硫的含量控制在0.002%以内。

另外,化学成分对热处理也有决定性的影响,如果对成分控制不严,就达不到预期的热处理效果。 (2)力学与性能

由于载荷和应力状态的不同,以及钢材在受力状态下所处的工作环境的不同,钢材受力后所表现出的不同行为,称为材料的力学行为。例如,低碳钢拉伸试件缩颈中心部位处于三向应力状态,出现的是大体上与载荷方向垂直的纤维状断后,而边缘区域接近平面应力状态,产生的是与载荷成45°的剪切唇。因此,钢材的力学行为,不仅与钢材的化学成分,组织结构有关,而且与材料所处的应力状态和环境有密切的关系。

钢材的力学性能主要的表征强度,韧性,塑性变形能力的判据,是近些设计时选材和强度计算的主要依据。压力容器设计中,常用的强度判据包括抗拉强度σb,屈服点σs,持久强度σD,蠕变极限σn和疲劳极限

σ1;塑性判据包括延伸率δ5,断面收缩率ψ;韧性判据包括吸收功AKV,韧脆转变温度,断裂韧性等。

韧性对压力容器安全运行具有重要意义。在载荷作用下,压力容器中的缺陷常会发生扩展,当裂纹扩展到某一临界尺寸时将会引起断裂事故,此临近裂纹尺寸的大小主要取决于钢的韧性。如果钢的韧性高,压

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