5000 塔式压力容器在风载荷作用下的动力响应分析(3)

2019-01-12 15:40

太原科技大学毕业设计(论文)

(3)密封组件:借助于螺栓等紧固件的压力而起密封作用; (4)支座:支承容器、固定容器位置;

(5)接管:连接压力容器与介质输送管道或仪表。

2.5压力容器的分类

压力容器是内部或外部承受气体或液体压力、并对安全性有较高要求的密封容器。压力容器主要为圆柱形,少数为球形或其它形状。圆柱形压力容器通常由筒体、封头、接管、法兰等零件和部件组成,压力容器工作压力越高,筒体的壁就应越厚。 (1)按容器在生产中的作用分类:

反应压力容器:用于完成介质的物理、化学反应,代号R; 换热压力容器:用于完成介质的热量交换,代号E;

分离压力容器:用于完成介质的流体压力平衡缓冲和气体净化分离代号S; 储存压力容器:用于储存、盛装气体、液体、液化气体等介质,代号C,其中球罐代号B。

(2)按压力等级分类,压力容器可分为内压容器与外压容器。内压容器又可按设计压力P大小分为四个压力等级,具体划分如下:

低压容器:0.1 MPa≤p<1.6 MPa; 中压容器:1.6 MPa≤p<10.0 MPa; 高压容器:10 MPa≤p<100 MPa; 超高容器:p≥100MPa。 (3)按设计温度分类: 低温压力容器:t≤-20℃; 常温压力容器:-20℃<t<450℃; 高温压力容器:t≥450℃。 (4)按壳体承压方式分类: 内压压力容器; 外压压力容器 。 (5)其它分类方法: 厚壁容器,薄壁容器; 球行,圆筒行,圆锥形;

制造方法:焊接容器,锻造容器,卸接容器,铸造容器;

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钢制容器,铸铁容器,有色金属容器和非金属容器。

2.6压力容器的失效

压力容器的失效是指压力容器在规定的使用环境和寿命期限内,因结构尺寸、形状或材料性能发生变化,完全失去原设计功能或未能达到原设计要求,而不能正常使用的现象。引起压力容器的失效的原因有多种,因而所产生的相应失效形式也多种多样,但失效的最终形式均表现为断裂、过度变形或泄漏。

失效分析是分析压力容器失效的原因、机理,研究采取补救和预防措施的技术和管理活动,失效分析是事故后分析,要强调公正性、正确性和时限性。通过失效分析来判明或者预测发生失效、事故的原因,找出防范失效及事故、提高产品质量和可靠性措施,避免同类事故再次发生,保障生产安全和人民生命财产安全,推动科技和社会进步。在容器失效、事故发生前就进行失效预测、安全评估、失效补救和失效预防,是失效分析工作的主要任务之一。

压力容器的失效的分类方法有很多,按技术观点进行分类,便于对失效进行机理研究、分析诊断和采取预防措施。从失效分析的技术观点主要按失效模式和失效机理分类。失效模式是指失效的外在宏观表现形式和规律,失效机理则是指引起失效的微观的物理化学过程和本质。把失效模式和失效机理相结合对失效进行分类就是宏观和微观相结合、由表及里地揭示失效的物理本质和过程,因而它是一种重要的分类方法。

常见的压力容器失效形式大致分为强度失效、刚度失效、失稳失效和泄露失效等四大类,其中强度失效是最常见的形式。 2.6.1压力容器的强度失效

压力容器在压力等载荷的作用下,因材料屈服或断裂而引起的失效形式,称为强度失效。通常包括韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、蠕变断裂和腐蚀断裂等。

(1)韧性断裂:压力容器在压力等载荷作用下,产生的应力值达到或接近器壁材料的强度极限而发生的断裂。它的特征是,器壁有目测可见的明显塑形变形,如圆筒容器的直径增大、容积增大,壁厚减薄,而轴向增长较小,形成“腰鼓形”,圆周长的最大增长率和容积增长率可达10%~20%;断口为剪切形撕裂,一般呈暗灰色纤维状,断口不平齐,且与主应力方向成45o交角,一般不产生碎片。

(2)脆性断裂:指容器没有明显的塑性变形,且器壁中的应力值远小于材料的强度极限,有时甚至低于材料的屈服极限而发生断裂。这种断裂往往是在较低的应力状态下发生,故又称为低应力断裂。它的特征是,容器断裂前没有明显的外观变化和征兆,断裂后容器也

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无明显变形;断口平齐,呈金属光泽的结晶状,并与最大主应力方向垂直;断裂速度极快(可达到1800m/s),容器常裂成碎片并飞出。

(3)疲劳断裂:指压力容器受到交变载荷的长期作用,材料本身含有裂纹或经一定循环次数后产生裂纹,裂纹扩展使容器没有经过明显的塑形变形而突然发生断裂。交变载荷是指大小和方向随时间周期性变化的载荷,包括开车停车、反复加压和卸压过程的操作压力波动,加热或冷却时温度变化引起的热应力变化,振动或容器接管引起的附加载荷的交变而形成交变载荷。若材料所收的交变载荷循环周次高达105次以上,相应的应力值在材料的弹性范围内,则容器可以承受无数次的交变载荷作用而不会发生疲劳断裂,这种疲劳称为低应力高周疲劳。若材料承受到应力水平较高,交变应力幅度较大,但其交变周次较少,当容器材料在较高应力水平下,接近或高于材料的屈服极限,承受到交变周次超过102~

105次后,材料就易发生疲劳断裂,这种疲劳称为高应力低周疲劳。

疲劳断裂的特征:压力容器的疲劳断裂源于局部应力较高的部位或材料缺陷处产生的微裂纹,在交变应力反复作用下,微裂纹逐渐扩展为疲劳裂纹,而导致容器突发性破坏,危险性很大。疲劳失效时,压力容器常处于正常工作状态,器壁的整体应力水平较低,整个截面都处于弹性范围内,因而容器没有明显的塑性变形。与脆性断裂相似,断裂后压力容器的直径没有明显增大,大部分容器壁厚也无减薄。

(4)蠕变断裂:指压力容器在高温下长期受载,随时间增加材料发生缓慢的塑性变形,塑性变形经长期积累而造成厚度明显减薄和鼓胀变形,最终导致容器断裂。压力容器发生蠕变时,一般器壁的温度达到或超过其材料溶化温度的25%~35%,此时的温度值称为蠕变温度。一般碳钢的蠕变温度界限为300~4000C,部分低合金钢的蠕变温度界限大约为

4500C。蠕变断裂的机理是:金属材料在高温下金相组织发生明显的变化,晶粒长大,珠

光体和某些合金成分有球化或絮化倾向,钢中的碳化物析出石墨等,有时还可能出现蠕变的晶间开裂或疏松微孔。某些情况下,材料的金相组织改变时,其韧性会下降,因而蠕变断裂也可能无明显塑性变形。

蠕变断裂的特征:按断裂前的变形来看,具有韧性断裂的特征,按断裂时的应力来看,又具有脆性断裂特征。蠕变断裂的变形量取决于材料的塑性,断裂时的应力值低于材料使用温度下的强度极限。

(5)腐蚀断裂:指压力容器材料在腐蚀介质作用下,因均匀腐蚀导致壁厚减薄及材料组

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织结构改变,或局部腐蚀造成的凹坑,使材料力学性能降低,容器承载能力不足而发生的断裂。腐蚀断裂一般有明显的塑性变形,具有韧性断裂的特征;但因晶间腐蚀、应力腐蚀等引起的断裂没有明显的塑性变形,具有脆性断裂的特征。

压力容器的腐蚀情况比较复杂,同一种材料在不同介质中有不同的腐蚀规律;不同的材料在同一种腐蚀介质中的腐蚀规律也不相同,即使同一种材料在同一种介质中因其内外部条件的变化,也常表现出不同的腐蚀规律。因此,只有了解腐蚀规律,才能正确判断腐蚀的危害程度,而采取有效地防止措施。 2.6.2压力容器的刚度失效和失稳失效

压力容器的刚度失效是指由于容器过度的弹性变形而引起的失效。例如,露天立置的塔在风载荷的作用下,若发生过大的弯曲变形,会破坏塔的正常工作,或塔受到过大的弯曲应力。

压力容器的失稳失效,是指在压力的作用下,容器突然失去其原有的规则几何形状而引起的失效。容器的失稳失效的重要特征是弹性挠度与载荷不成比例,且临界压力与材料的强度无关,而主要取决于容器的尺寸和材料的弹性性质。但是,当容器中的应力水平超过材料的屈服点而发生非弹性失稳时,临界压力与材料的强度有关。 2.6.3压力容器的泄露失效

压力容器泄露失效,是指因容器各种接口密封面失效或器壁出现穿透性裂纹发生泄露而引起的失效。泄露介质可能引起燃烧、爆炸和人畜中毒事故,并造成严重的环境污染。因此,设计压力容器时,应加强各种可拆式接头和不同压力腔之间连接接头(如换热器管和管板的连接)的密封性能。

压力容器泄露失效的原因是多方面的,受压部件受到频繁的振动而产生裂纹、胀接管口松动、器壁局部腐蚀变薄穿孔、局部鼓包变形减薄穿孔及密封面失效等,都会造成压力容器因泄露失效。

2.7高压力容器的特点和发展趋势

人们把工业领域中压力超过10MPa称之为“高压”,把10MPa压力以上操作的容器称为高压容器。在人类历史上,高压技术的开发,并把它利用到化学反应以及其它物质的加工时间并不很长。1888年法国化学家、物理学家Le Chatelier第一个介绍利用高压技术来促进氢、氮的反应,使氢、氮在10MPa以上,5000C的温度和有触媒存在的条件下,直接合成氨。1910年,经过德国化学家、工程师Haber及Carlbosch的努力,在德国第一次获得合成氨的工业产品,虽然工作压力只有20MPa,但在当时已经是世界上最高压力容器。从此以

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后,世界很多国家出于提高生产率、发展经济,甚至战争的需要,揭开了利用高压进行工业生产的序幕。为了满足高压生产的需要,高压容器技术随之不断的发展与进步。 2.7.1高压容器结构的基本特点

高压容器简体结构形式的出现始终是围绕着如何方便并且经济地获得足够的壁厚,并解决容器轴向承力这一问题。所以高压容器与一般压力容器相比有以下特点:

(1)多采用细长结构:容器壁厚较厚容器直径越大,器壁也越厚,这就需要重型锻件,厚钢板,相应地要有大型冶、锻设备,大型轧机和大型加工机械。同时还给焊接及其缺陷控制、残余应力消除、热处理设备以及生产成本带来许多不利因素。另外因介质对容器端盖的作用力与直径的平方成正比,直径越大密封就越困难。因此,高压容器结构外形比较细长,长径比达12~15,有时甚至高达40。但这样厚的器壁如何 接长,以解决轴向强度问题,会给高压厚壁容器的制造带来特殊的困难。

(2)多采用平底或球形封头:一般较小直径的高压厚壁容器采用平底封头,因为它的制造比较容易,适用于多种密封装置。但平盖受力条件差、浪费材料,结构比较笨重,并且大型锻件的质量难以保证,故在直径lm以上的高压容器常采用不可拆 的半球形封头。目前大型高压容器趋向于采用多层球形封头。

(3)密封装置特殊复杂多样:高压容器的密封装置由端盖及承受容器内压轴向力的承力构件和使容器端部开盖周边得到安全可靠密封的密封元件构成。常见的承力构件有大螺栓、大螺纹套筒、抗剪螺钉、抗剪环、径向销、带齿卡环及机动(或液压)快开承力构件等。常用的密封元件有:双锥环、O形环、C形环、B形环、三角垫、八角垫和透镜垫等。为尽可能利用介质的高压作用来帮助密封元件压紧,常采用“半自紧”或“全自紧”式密封结构,且一般仅一端可拆,另一端不可拆,以减少可拆结构给密封带来的困难。

(4)使用工况苛刻,受力状态复杂:高压容器所需处理或储存的各种气体或液体多为易燃易爆和有毒介质,且往往要承受高温、低温、强腐蚀、辐射和载荷波动引起的疲劳作用。此外高压容器结构上存在的局部不连续(孔、接管、焊缝)会引起应力集 中,恶化受力状态,往往成为萌生疲劳裂纹和引起疲劳破坏的根源区域。

(5)潜在爆炸危险较大:在高温、低温及腐蚀介质下运行的高压容器,一旦发生破坏,容器内巨大能量的瞬间释放会产生冲击波、容器碎片抛飞和易燃、易爆、有毒介质喷漏,导致灾难性事故。 2.7.2压力容器的安全技术

为确保压力容器长期,稳定,可靠地安全运行,防止其突然失效而造成的破坏,

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