换热器设计完整版(7)

2020-05-23 15:27

管连接处。它结构简单,制造方便,使用经验丰富,但补强圈与壳体金属之间不能完全贴合,传热结果差,在中温以上使用时,二者存在较大的热膨胀差,因而使补强局部区域产生较大的热应力;另外,补强圈去壳体采用搭接连接,难以与壳体形成整体,所以抗疲劳性能差。这种补强结构一般使用在静载,常温,中低压,材料的标准抗拉强度低于540MPa,补强圈厚度小于等于1.5δn,壳体名义厚度δn不大于38mm的场合。 (b) 厚壁接管补强

即在开孔处焊上一段厚壁接管,如图7(b)所以。由于接管的加厚部分正处于最大应力区域内,故比补强圈更能有效地降低应力集中系数。接管补强结构简单,焊缝少,焊接质量容易检查,因此补强效果较好。高强度低合金钢制压力容器由于材料缺口敏感性较高,一般都采用该结构,但必须保证焊缝全熔透。 (c) 整锻件补强

该补强结构是将接管和部分壳体连同补强部分金属集中开孔应力最大部位,能有效地降低应力集中系数;可采用对焊焊缝,并使焊缝极其热影响区离开最大应力点,抗疲劳性能好,疲劳寿命只降低10%-15%。缺点是锻件供应困难,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,以上的开孔及受低温,高温,疲劳载荷容器的大直径开孔等。 (2) 开孔补强设计准则

开孔补强设计就是指采取适当增加壳体或接管厚度的方法将应力集中系数减少到某一允许值。目前通用的,也是最早的开孔补强设计准则

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是基于弹性失效设计准则的等面积补强法。但随着各国对开孔补强研究的深入,出现了许多新的设计思想,形成了新的设计准则,如建立了以塑性失效准则为基础的极限分析方法。设计时,对于不同的使用场合和载荷性质可采用不同的设计方法。设计时,对于不同的使用场合和载荷性质可采用不同设计方法。 (a) 等面积补强

认为壳体因开孔倍消弱的承载面积,须有补强材料在离开空变一定距离范围内予以等面积补偿。该方法时以双向受拉伸的无限的大平板上开有小孔时孔边的应力集中作为理论基础的,即仅考虑壳体中存在的拉伸薄膜应力,且以补强壳体的一次应力强度作为设计准则,故对小直径的开孔安全可靠。由于该补强法未计及开孔处的应力集中的影响,补强后对不同接管会得到不同的应力集中系数,即安全裕量,因此有时显得富裕,有时显得不足。

等面积补强准则的优点是有长期的实践经验,简单易行,当开孔较大时,只要对开孔尺寸和形状等予以一定的配套限制,在一般压力容器使用条件下能够保证安全,因此不少国家的容器设计规范主要采用该方法,如ASMEⅧ-1和GB150等。 (b) 极限分析补强

该法要求带有某种补强结构的接管与壳体发生塑性失效时的极限压力和无接管时的壳体极限压力基本相同。 (3) 允许不另行补强的最大开孔直径

压力容器常常存在各种强度裕量,例如接管和壳体实际厚度往往大

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于强度需要的厚度;接管根部有填角焊缝;焊接接头系数小于1但开孔位置不再焊缝上。这些因素相当于对壳体进行了局部加强,降低了薄膜应力从而也降低了开孔出的最大应力。因此,对于满足一定条件的开孔接管,可以不予接管。

GB150规定,当在设计压力小于或等于3.5MPa的壳体上开孔,两相邻开孔中心的间距大于两孔直径之和的两倍,且接管公称外径小于或等于89mm时,只要接管最小厚度满足要求就可不另行补强。

1.2.6密封装置设计

压力容器的可拆密封装置形式很多,如中低压容器中的螺纹连接,承插式连接和螺栓法兰连接等,其中以结构简单,装备比较方便的螺栓法兰连接最为普通。

螺栓法兰连接主要由法兰,螺栓和垫片组成,螺栓作用有两个:一是提供预紧力实现初始密封,并承担内压产生的轴向力;二是使螺栓法兰连接变成可拆连接。垫片装在两个法兰中间,作用是防止容器发生泄漏。法兰上有螺栓孔,以容纳螺栓。螺栓力,垫片反力与作用在筒体中面上的压力载荷不再同一直线上,法兰受到弯矩的作用,会发生弯曲变形。螺栓法兰连接设计的一般目的是:对于已知的垫片特性,确定安全,经济的法兰和螺栓尺寸,使接头的泄漏率在工艺和环境允许范围内,使接头内的应力在材料允许范围内,即确保密封性和结构完整性。

密封机理

流体在密封口泄漏有两条途径,一是渗透泄漏,即通过垫片材料本体毛细管的渗透泄漏,除了受介质压力,温度,粘度,分子结构等流体

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状态性质影响外,主要与垫片的结构与材料性质有关,可通过对渗透性垫片材料添加某些填充剂进行改良,或与不透性材料组合成型来避免渗透泄漏;二十界面泄漏,即沿着垫片与压紧面之间的泄漏,泄漏量大小主要与界面间隙尺寸有关。压紧面就是指上,下法兰与垫片的接触面。加工时压紧面上凹凸不平的间隙及压紧力不足时造成界面泄漏的直接原因。界面泄漏时密封失效的主要途径。

防止流体泄漏的基本方法是密封口增加流体流动的阻力,当介质通过密封口的阻力越大,约有利于密封。螺栓法兰连接的整个工作过程可用尚未预紧工况,预紧工况与操作工况来说明。

1.2.7焊接结构设计

压力容器各受压部件的组装大多采用焊接方式,焊缝的接头形式和坡口形式的计算直接影响到焊接的质量与容器的安全,因而必须对容器焊接接头的结构进行合理设计。 (1) 焊接接头形式

焊缝系指焊件经焊接所形成的结合部分,而焊接接头时焊缝,熔合线和热影响区的总称。焊接接头形式一般由被焊接两金属件的相互结构位置来决定,通常分为对接接头,角接接头及T字接头,搭接接头。 (a) 对接接头

系两个相互连接零件在接头处的中间处于同一平面或同一弧面内进行焊接的接头。这种焊接接头受热均匀,受力对称,便于无损检测,焊接质量容易得到保证,因此,是压力容器中最常用的焊接结构形式。 (b) 角接接头和T型接头

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系两个相互连接零件在接头处的中间相互垂直或相交成某一角度进行焊接的接头。两构件成T字形焊接在一起的接头,叫T型接头。角接接头和T字接头都形成角焊缝。

角接接头和T型接头,在街头处构件结构是不连续的,承载后受力状态不如对连接头,应力集中比较严重,且焊接质量也不易得到保证。但是在容器的某些特殊部位,由于结构的限制,不得不采用这种焊接结构,如接管,法兰,夹套,管板和凸缘的焊接,多为角接接头或T型接头。

(c) 搭接接头

系两个相互连接零件在接头处有部分重合在一起,中间相互平行,进行焊接接头。

搭接接头的焊缝属于角接缝,与角接接头一样,在接头处结构明显不连续,承载后接头部位受力情况较差。在压力容器中,搭接接头主要用于加强圈与壳体,支座垫板与器壁以及凸缘与容器的焊接。 (2)坡口形式

为了保证全熔透和焊接质量,减少焊接变形,施焊前,一般需将焊件连接处预先加工成各种形式,称为焊接坡口。不同的焊接坡口,适用于不同的焊接方法和焊件厚度。

其中的坡口形式有5种,即I形,V形,V单边形,U形和,J形,基本坡口可以单独应用,也可以两种或两种以上组合使用,如X形坡口是由两个V形坡口和一个I形组成而成。

压力容器用对接接头,角接接头和T型接头,施焊前,一般应开设

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