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压力容器设计过程中常见问题的介绍

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qikan006 发表于 2018-8-29 18:50:43 | 显示全部楼层 |阅读模式 打印 上一主题 下一主题
 
摘要:结合自己多年的工作经验,对压力容器设计过程一些容易出现的问题的进行了分析
关键词:压力容器设计; 法兰设计;水压试验
引言
随着社会工业的快速发展,压力容器得到越来越广泛的应用。这类容器要承受特定的压力、温度和介质的腐蚀,其操作条件比较苛刻。所以压力容器设计时的材料选择、强度计算、结构合理性等要求比较高。
目前的常规设计是计算用软件、画图用电脑,设计者常常充分依赖电算,对国家标准的理解不深,对数据的推敲、理解不够,只看结果,忽视计算过程,容易产生错误和安全隐患。
1、 经济性的考虑
压力容器用钢材料的选用必须考虑设备的设计压力、设计温度、介质特性、材料焊接性能、冷热加工性能、热处理以及容器的结构外,还需考虑经济合理性,盲目提高钢板等级是错误的。压力容器的造价一般取决于设备的材质及设备的总质量。在设备总质量中壳体的质量占有比较大的比例,特别是内容积比较大的容器,其壳体质量在设备总质量中所占比例可达80%~90%。在保证使用要求的情况下,在选材时,选择价格比较低的材料代替一些价格比较高的材料,可以降低设备的材料成本和制造成本;另外,合理选择压力容器的结构尺寸,也可以降低壳体的质量,进而降低整台设备的费用支出,从而达到降低设备造价的目的,最终达到设备的设计既经济又合理。但是有一些设计者认为,对一定容积的焊接压力容器,在工艺条件许可范围内,取较大的高径比,可以节省材料,我觉的这种思想是没有根据的。
现有一台设备材料为S30408,设计压力是1.0MPa,设计温度150℃,容积为5m3,可选两种规格:一种为Φ1600x1900,另一种为Φ1200x4000。前者的理论重量为878Kg,后者的理论重量为872Kg,两种规格的设备的不锈钢用量几乎一样。
从理论上来说,压力容器的筒体壁厚和直径成正比,在容积一定的情况下,筒体高度和直径的平方成反比。缩小压力容器直径,其壁厚将按比例减少,但筒体的高度却按直径的平方反比例增加。例如,将某一压力容器的直径缩小一半,壁厚则为原来的1/2,筒体高度却为原来的四倍,所以该压力容器的筒体重量不变。
奥氏体不锈钢材料价格昂贵,如能减轻重量,则可降低设备价格。因此,有些设计人员将奥氏体不锈钢制压力容器的焊接接头系数一律取1,焊接接头系数取1,当然可以降低设备重量,但却大提高了检查费用,包括人工时费用和底片费用;实际上设备制造厂宁可提高底片质量的合格等级,而不故意提高透视率。应该说把不锈钢制压力容器的焊接接头系数一率取1的做法是不合适的。正确的做法应按标准规定哪些设备要做100%的射线或超声波探伤检查。
在满足压力容器使用条件下,选择不同的壳体尺寸,可以得到不同的设备质量,从中选择最佳的结构尺寸组合,可使设备质量最小,从而降低设备造价。
同时,如果压力容器的设计温度不大于-20℃,还需考虑是否处于低温低应力工况。若处于低温低应力工况,且其设计温度加50℃后高于-20℃,则其设计时,不必遵循低温压力容器的规定,所以选材时,不必选取价格比较昂贵的低温用钢,从而降低了设备造价,以取的最佳的经济效益。
2、 材料许用应力的跳档
压力比较高的筒体、封头较厚,封头的成型存在减薄量。筒体采用热成型时也存在减薄量,有的设计者在作筒体或封头设计计算时没有考虑到减薄量。在制造时加成型减薄量,有时会存在板料厚度增加,材料许用应力反而降低,造成设计厚度不足的问题,故设计者要注意厚板许用应力的跳档的问题。
处理办法:用SW6程序计算时把成型减薄量加在腐蚀裕量里进行计算,即,输入C2=腐蚀裕量+成形减薄量。这样计算即不影响筒体、封头的有效厚度和筒体耐压试验的校核,也不影响后序的接管开孔补强计算。
3、 参数的交叉组合
GB150中明确指出:“设计温度指容器在正常工作情况下,设定的元件金属温度(沿着元件金属截面的温度平均值)。设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件”虽然多工况时,应组合出各种苛刻工况,但采用实际上并不存在的设计温度和设计压力的交叉组合则是错误的。以有保温设施的氨合成塔为例,正常生产时,大盖设计压力取22MPa,设计温度取200℃;升温还原时,大盖设计压力取10MPa,设计温度取500℃。这里,高的设计压力与高的设计温度交叉组合成一种工况,在实际上是不存在的,是错误的。
4、 开孔补强
在进行开孔补强计算时,必须要用到开孔直径dOp,选择接管开孔直径常出现1个问题,将壳体接管内直径的数值作为dOp的值,其实开孔直径应是圆形孔取接管内直径加两倍厚度附加量,椭圆形孔取所考虑平面上的尺寸。
输入了错误的接管实际内径,会造成表面上补强面积需要小,而实际上补强面积比此结果要大,带来难以发现的错误结果和安全隐患。
5、 非标准法兰设计
JB/T4700~4707-2000《压力容器法兰》标准适用于公称压力PN≤6.4MPa,相应公称直径DN≤800mm;HG/T20592~20635-2009《钢制管法兰、垫片、紧固件》标准中大直径管法兰适用公称压力PN≤16MPa,相应公称直径DN≤2000mm。然而,在实际中经常遇到设备直径和设计压力超出上述范围的法兰,这就需要设计法兰的结构尺寸,并通过计算满足强度要求。选用SW6软件计算法兰时往往出现法兰强度计算通过了,但实际制造、安装时发现不合理,甚至无法满足使用要求。
比如:在结构设计中忽视了重要尺寸螺栓孔间距的调整,SW6软件计算,程序并不提示螺母放不下,螺栓间距过小,扳手操作空间不足,难以上紧螺栓;螺栓间距过大,法兰容易产生微变形,严重地影响法兰密封性能。因此非标准法兰计算时必须要注意以下几个问题:
(1)、参照国家标准确定法兰的尺寸,保证扳手操作空间;高压容器用螺栓较大,公称直径DN≥64时,应根据HG/T21573-95标准考虑液压拉伸器的空间,以保证上紧螺栓。
(2)、法兰计算时还要考虑腐蚀裕量。
(3)、法兰直边段长度不小于1.5δ。
6、 水压试验压力取值的问题
水压试验压力PT=1.25P[σ]/[σ]t,[σ]/[σ]t应取各受压元件(圆筒、封头、接管、法兰及紧固件等)材料中的比值最小者。高压设备一般操作温度较高,各元件材料设计温度下的许用应力较常温低,另外有些零件不能同设备一起计算,只能单独用零件计算程序算,如人孔法兰、人孔法兰盖及其螺栓的计算。用SW6程序进行设备计算得出的水压试验压力没有考虑到人孔法兰、人孔法兰盖及其螺栓材料的[σ]/[σ]t比值,故需设计者自己手算校核水压试验压力值是否正确。
7、 结论
压力容器设计的目的是为了制造出合理、安全可靠的产品,必须灵活掌握和应用国家标准。设计人员应理解设计标准的每一个数据的真正含义,确切选择需要的数据,正确判断设计的结果是否正确,以及结构是否合理,应同时熟悉掌握有关的规程、标准等技术规范,以保证设计的产品符合实际需求。

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