过程设备设计(西安石油大学).doc

西安石油大学 院系机械工程学院 教研室系化工机械系 课程名称 过程设备设计基础 课程类别 必修课（V）限选课（ ）公共任选课（ ） 总学时 36 学分 2 讲授 学时 30 上机 学时 实验 学时 6 专 业 过程装备与控制工程 班 级 装备0401，0402，0403,0404 任课教师 李臻、樊玉光、李晓红 职 称 副教授、教授、副教授 教学目的和要求 本课程是过程设备与控制工程专业的学科大类基础课程。其目的是综合运用基础课和技术基础课的基本理论，培养学生具有进行压力容器设备的工程设计初步能力，主要包括 1、 遵从国家标准进行压力容器的结构、强度设计及稳定性设计。 2、 能从材料、强度、结构、制造、检验等各个方面对压力容器进行综合分析和设计，保证设计质量。 过程设备设计基础课程的数学目的是使学生获得基础力学和金属材料知识，同时具备常压、中低压化工容器设备的初步设计和与机械专业人员的沟通能力，并了解压力容器监察管理法规，。过程设备设计基础包括金属材料基础和中低压容器设备结构设计、强度计算。本课程的教学重点为这些内容的基本概念基本知识。 1使学生了解掌握设计化工设备的基本概念和方法，包括各类设备结构分析、载荷分析、设计方法。2对学生进行设备设计初步能力训练，包括设计参数确定、工艺计算与设备设计关系、结构设计和设计计算。3本课程的教学包括课堂讲授、学生自学、作业、辅导答疑、期末考查等教学环节。4课堂教学采用启发式或讨论式的教学方法，理论结合实际，引导学生加深对所学知识的理解和应用，提高学生学习本课程的兴趣和积极性。 教学重点、难点 教学重点 封机理、垫片与压紧面的选择；开孔补强设计的要求、等面积补强计算；工艺管道温差应力、工艺管道支承与固定。塔设备设计中的板式塔塔盘设计、填料塔液体分布和再分布装置、填料支承装置结构。换热设备设计中的管壳式换热器机械结构设计。 教学难点 铁碳合金材料的合金状态图。回转壳体的几何特性理解，薄膜应力理论的基本方程推导；典型壳体的薄膜应力解。内压圆筒厚度设计、球壳厚度的设计。外压稳定性概念、外压圆筒的失效和设计准则、影响临界压力的因素。法兰密封机理、垫片与压紧面的选择、螺拴设计、法兰的设计。板式塔塔盘、填料塔液体分布和再分布装置、填料支承装置结构。管壳式换热器机械结构。管壳式换热器设计计算方法。 教材和参考书 建议教材郑津洋等编，过程设备设计，化学工业出版社，2005年7月 主要参考书 ［1］王志文编，化工容器设计（第二版），化学工业出版社，1999年2月； ［2］陈国理等编，压力容器及化工设备，华南理工大学出版社，1995年5月； ［3］潘永亮，刘玉良.化工设备机械设计基础.北京科学出版社.1999 ［5］GB15098钢制压力容器，中国标准出版社，1998年5月； ［6］GB15198钢制管壳式换热器，中国标准出版社，1998年； 0 引言 10 过 程 设 备 设 计 郑津洋 董其伍 桑芝富 化工出版社 参考资料 1、化工容器设计；２、化工设备设计； ３、GB150-1998、GB151-1998；４、化工设备机械基础； ４、化工设备设计全书13册 绪 论 大连工学院 天津大学 浙江大学 华东工学院 华南工学院 成都工学院 杭州化工学院 一、过程装备与控制工程专业的来历 1952年大学院系调整 1951年大连工学院成立”化学生产机器与设备”专业 第一批有”化学生产机器与设备”的院校 设备 1954年苏联专家杜马什涅夫 欧美模式 工艺 方向2 简称 化机专业 设备与工 艺相结合 苏联模式 方向1 带12位教师和10位研究生 过程装 备与控制工程 250余所 过程装备 化工机械第一份教学计划 90年代末1000余所院校 化工设 备设计 化工过程设备设计 过程装 备设计 二、过程装备的概念和范围 过程装备完成一系列物理或化学的加工处理过程的设备。 化工过程设备的范畴化工生产过程中的静设备。 三、过程设备的特点 a、功能原理多种多样;ｂ、化机电一体化;ｃ、外壳一般为压力容器; ｄ、单件生产,成本高。 1979年9月7日国内某电化厂415升液氯钢瓶爆炸，击穿5个，爆炸5个，10200公斤液氯外泄，波及7公里范围，59人死亡，779人严重中毒。 1979年12月18日国内某液化气站400M3储罐爆炸，引发3个球罐和一个卧罐爆炸，5000只气瓶爆炸，600吨液化气燃烧，32人死亡，54 人伤。 1986年4月28日前苏联切尔诺贝利核电站压力壳发生核泄漏，31人死亡，20个国家4亿人受害。 1984年12月3日印度博帕尔市农药厂异氰甲酸脂储罐发生泄漏，2,580人死亡，125,000人中毒，5万人失明。 四、过程设备的基本要求 a、 安全可靠 ①材料的强度高、韧性好;②材料与介质相容;③结构有足够的刚度和抗失稳能力;④密封性能好。 b、 满足过程要求 ①功能要求;②寿命要求 c、 综合经济性好 ①生产效率高;②结构合理;③易于运输、安装 d、 操作简单、易于维护和控制 ①简单操作; ②可维护性; ③便于控制 e、 优良的环境性能 跑、冒、滴、漏、噪音 1、 压力容器导言 1. 1压力容器总体结构 一、 基本组成 ①筒体（Cylinder）;②封头ed head;③密封装置Seal Units;④开孔与接管;⑤支座support;⑥安全附件Safe attachment 压力容器零部件的连接焊接、法兰连接和螺纹连接 1.2压力容器的分类 一、介质的危害性 毒性 毒性是指某种化学毒物引起机体损伤的能力，用来表示毒物剂量与毒性反应之间的关系。毒性大小一般以化学物质引起实验动物某种毒性反应所需要的剂量来表示。 介质分为极度危害L级、高度危害Ⅱ级、中度危害Ⅲ级、轻度危害iv级等四个级别。以每立方米的空气中含毒物的毫克数来表示，单位是mg／m3。一般划分标准为 极度危害I级 最高容许质量浓度 0.1 mg／m3； 高度危害Ⅱ级 最高容许质量浓度 0.1～1.mg／m3； 中度危害Ⅲ级 最高容许质量浓度 1.0～10mg／m3； 轻度危害1V级 最高容许质量浓度 ≥10mg／m3。 如Q235-A或Q235B钢板不得用于制造毒性程度为极度或高度危害介质的压力容器；盛装毒性程度为极度或高度危害介质的容器制造时，碳素钢和低合金钢板应逐张进行超声检测，整体必须进行焊后热处理，容器上的A、B类焊接接头还应进行l00％射线或超声检测，且液压试验合格后还得进行气密性试验。 毒性程度对法兰的选用影响也甚大，主要体现在法兰的公称压力等级上，如内部介质为中度毒性危害，选用的管法兰公称压力应不小于1.0MPa；内部介质为高度或极度毒性危害，选用的管法兰的公称压力应不小于1.6MPa，且还应尽量选用带颈对焊法兰等。 易燃性 可燃气体或蒸气与空气的混合物遇着明火能够发生爆炸的浓度范围称爆炸浓度极限，爆炸时的最低浓度称为爆炸下限，最高浓度称为爆炸上限。爆炸极限一般用可燃气体或蒸气在混合物中的体积分数来表示.爆炸下限小于10％，或爆炸上限和下限之差值大于等于20％的介质，一般称为易燃介质。 二、压力容器的分类 按厚度分类 薄壁容器DO/Di1.2 厚壁容器DO/Di≥1.2 按压力等级分类 按承压方式分类，压力容器可分为内压容器与外压容器。具体划分如下 低压代号Low容器 0.1MPa≤p1.6MPa； 中压代号Middle容器 1.6MPa≤p10.0MPa； 高压代号High容器 10MPa≤p100MPa； 超高压代号Ultra容器 p≥100MPa 外压容器中，当容器的内压力小于一个绝对大气压约0.1MPa时又称 为真空容器。 按容器在生产中的作用分类 根据压力容器在生产工艺过程中的作用，可分为反应压力容器、换热压 力容器、分离压力容器、储存压力容器4种。 a．反应压力容器代号Reactor主要是用于完成介质的物理、化学反应的压力容器，如反应器、反应釜、聚合釜、高压釜、合成塔、蒸压釜、煤气发生炉等。 b．换热压力容器代号Exchanger 主要是用于完成介质热量交换的压力容器。如管壳式余热锅炉、热交换器、冷却器、-冷凝器、蒸发器、加热器等。 c．分离压力容器代号Separator 主要是用于完成介质流体压力平衡缓冲和气 体净化分离的压力容器。如分离器、过滤器、集油器、缓冲器、干燥塔等。 d．储存压力容器代号Collector，其中球罐代号Ball主要是用于储存、盛装气体、液体、液化气体等介质的压力容器。如液氨储罐、液化石油气储罐等。 在一种压力容器中，如同时具备两个以上的工艺作用原理时，应按工艺过程中的主要作用来划分品种。 按安装方式分类 根据安装方式可分为固定式压力容器和移动式压力容器。 a．固定式压力容器 有固定安装和使用地点，工艺条件和操作人员也较 固定的压力容器。如生产车间内的卧式储罐、球罐、塔器、反应釜等。 b．移动式压力容器也称为经常搬运的压力容器，诸如汽车槽车、铁路槽车、槽船等。这类压力容器使用时不仅承受内压或外压载荷，搬运过程中还会受到由于内部介质晃动引起的冲击力，以及运输过程带来的外部撞击和振动载荷，因而在结构、使用和安全方面均有其特殊的要求。 按安全技术管理分类 压力容器的危害性还与其设计压力P和全容积V的乘积有关，pV值愈大，则容器破裂时爆炸能量愈大，危害性也愈大，对容器的设计、制造、检验、使用和管理的要求愈高。压力容器安全技术监察规程采用既考虑容器压力与容积乘积大小，又考虑介质危害程度以及容器品种的综合分类方法，有利于安全技术监督和管理。该方法将压力容器分为三类。 a.第三类压力容器 具有下列情况之一的，为第三类压力容器 ①高压容器；②中压容器仅限毒性程度为极度和高度危害介质； ③中压储存容器仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且pV乘积大于等于10MPam3； ④中压反应容器仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且pv乘积大于等于0.5MPam3； ⑤低压容器仅限毒性程度为极度和高度危害介质，且pv乘积大于等于0.2MPam3； ⑥高压、中压管壳式余热锅炉；⑦中压搪玻璃压力容器； ⑧使用强度级别较高指相应标准中抗拉强度规定值下限大于等于540MPa的材料制造的压力容器； ⑨移动式压力容器，包括铁路罐车介质为液化气体、低温液体、罐式汽车正液化气体运输半挂车、低温液体运输半挂车、永久气体运输半挂车和罐式集装箱介质为液化气体、低温液体等； ⑩球形储罐容积大于等于50m3； ⑩低温液体储存容器容积大于5m3。 b．第二类压力容器 下列情况之一的，为第二类压力容器 ①中压容器；②低压容器仅限毒性程度为极度和高度危害介质； ③低压反应容器和低压储存容器仅限易燃介质或毒性程度为中度危害介质； ④低压管壳式余热锅炉； ⑤低压搪玻璃压力容器。 c．第一类压力容器 除上述规定以外的低压容器为第一类压力容器。压力容器的分类方法 分类方法 容器种类 按厚度分类 薄壁容器，厚壁容器 按承压方式分类 内压容器，外压容器 按工作壁温分类 高温容器，中温容器，常温容器，低温容器 按几何形状分类 球形容器，圆筒形容器，圆锥形容器，轮胎形容器 按制造方法分类 焊接容器，铸造容器，锻造容器，铆接容器，组合式容器 按材质分类 钢制容器，铸铁容器，有色金属容器，非金属容器 按安放形式分类 立式容器，卧式容器 按安全管理和技术监督角度分类 固定式容器，移动式容器 按压力等级分类 低压容器，中压容器，高压容器，超高压容器 按用途分类 盛装容器，反应容器，换热容器，分离容器 按安全综合分类 一类容器，二类容器，三类容器 1. 3压力容器规范标准介绍 一、 国外标准 ASME;JIS;BS;AD 二、 国标 GB1501998钢制压力容器;GB1511998管壳式换热器;JB4732;JB/T4735 GB1501998钢制压力容器 压力、温度范围该标准适用于设计压力不大于35MPa的钢制压力容器的设计、制造、检验及验收。适用的设计温度范围根据钢材允许的使用温度确定，从一196C到钢材的蠕变限用温度。 功能范围不适用于以下8种压力容器直接用火焰加热的容器；核能装置中的容器；旋转或往复运动的机械设备中自成整体或作为部件的受压器室；经常搬运的容器；设计压力低于0.1MPa的容器；真空度低于0.07MPa的容器；内直径小于150mm的容器；要求作疲劳分析的容器等。 几何范围包括容器与处部管道焊接连接的第一道环向接头坡口端面、螺纹连接的第一个螺纹接头端面、法兰连接的第一个法兰密封面，以及专用连接件或管件连接的第一个密封面。 GB1501998钢制压力容器、GB1511998管壳式换热器和JB4732;JB/T4735的比较 项 目 GB 150 JB 4732 JB／T 4735 设计压力 0.1MPa≤p≤35MPa真空度不低于0.02MPa 0.1MPa≤p1.00MPa真空度不低于0.02MPa -0.02MPap0.1MPa 设计温度 按钢材允许的使用温度确定最高为700C，最低为一196C 低于以钢材蠕变控制其设计应力强度的相应温度最高475C 大于-20350C 奥氏体高合金钢制容器和设计温度低于一20C，但满足低温低应力工况，且调整后的设低应力工况，且调整后的设计温度高于一20C的容器不受此限制 对介质的限制 不限 不限 不适用于盛装高度毒性或极度危害介质的容器 设计准则 弹性失效设计准则和失稳失效设计准则 塑性失效设计准则、失稳失效设计准则和疲劳失效设 弹性失效设计准则和失稳失效设计准则计准则，局部应力用极限分析和安定性分析结果来评定 应力分析方法 以材料力学、板壳理论公式为基础，并引 ，人应力增大系数和形状系数 弹性有限元法；塑性分析；弹性理论和板壳理论公式实验应力分析 以材料力学、板壳理论公式为基础，并引人应力增大系数和形状系数 强度理论 最大主应力理论 最大切应力理论 最大主应力理论 是否适用于疲劳分析容器 不适用 适用，但有免除条件 不适用 GB1501998钢制压力容器是设计、制造压力容器的依据; 压力容器安全技术监察规程容规是政府对压力容器实施安全技术监督和管理的依据,属技术法规范畴。 第3章 压力容器材料及环境和时间对其性能的影响 3-1 压力容器材料 主 要 教 学 内 容 授课方式 授课时数 1、压力容器常用材料 2、有色金属和非金属 讲授 1.5 教学目的和要求 1、掌握压力容器常用材料的分类、牌号和性能 2、了解有色金属和非金属的种类 教学重点和难点 压力容器常用材料 课外作业 思考题 材料是制造压力容器的基础，正确选用压力容器材料是保证压力容器长期安全运行的基本条件。 压力容器的应力分析可以为选材提供最基本的依据和要求，同时，选择材料时还应考虑容器工作时的环境、介质及其它具体条件的要求。 不同的材料具有不同的化学成分、力学性能和使用条件，选择材料最基本的要求是能够保证压力容器安全工作，同时做到经济、适用。 一、钢材形状 1、钢板 压力容器用钢板的要求 （1）必须用规定的钢板制造压力容器 规定允许用于制造压力容器的钢板有两类 ①压力容器专用钢板，如16MnR、20R等 ②可用于制造压力容器的非容器专用钢板，如普通碳素钢中的Q235-A、Q235-B，优质碳素钢中的10、15、20、20g等。 （2）钢板必须按规定的限制条件使用，如设计压力、设计温度、厚度、介质限制、冶炼方法等。 （3）制造压力容器的钢板必须有符合相应国家标准或行业标准规定的、内容齐全的质量证明书。 2、钢管 用于过程设备较高压力的流体输送，材料通常为10、20号钢。 l 根据用途和材质，有多个无缝钢管标准，对所使用的无缝钢管，应注明属于哪个标注。过程设备常用标准 GB8163-87输送流体用无缝钢管 GB9948-88石油裂化用无缝钢管 GB6479-86化肥设备用高压无缝钢管 l 钢管使用时要用法兰、管件、阀门等连接，相连接的两个构件必须具有相同的公称直径（DN）。 egDN200的钢管和法兰连接，钢管外径φ219，法兰内直径φ220。 （2）焊接钢管 输送水、煤气、空气、取暖蒸汽等较低压力的流体（p0.6Mpa）,材料可用Q235制造。 3、锻件 （1） 根据锻件检验项目和数量的不同，锻件分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ四个级别。 （2） 需焊接的锻件，材料用20号钢，不许焊接的锻件，材料用35或45号钢。 （3） 压力容器上使用的锻件不得低于Ⅱ级，若锻件截面尺寸大于300mm，或容器盛装高度或极度危害介质，且锻件截面尺寸达50mm时，级别不得低于Ⅲ级。 4、圆钢、型钢 用于制作支承件、加强圈等，圆钢还可用于制作小尺寸的紧固件。 圆钢材料为Q235-A、20、35号钢等，型钢材料多为Q235-A。 二、钢材类型 按化学成分，压力容器用钢分为三类 1、碳素钢（C＜2.06＝ ● 普通碳素钢的Q235系列钢板和优质碳素钢均可用于制作压力容器 2、低合金钢 在优质碳素钢的基础上，加入一种或多种合金元素（合金元素总含量在3以下），以提高钢的强度和改善综合性能。 低合金钢是目前制造压力容器的主要钢材，其强度、韧性、耐腐蚀性等均优于相同含碳量的碳素钢，减轻装备的重量，可节省钢材1/32/3。 GB1501998钢制压力容器推荐适用的低合金钢板有16MnR、15MnVR、15MnVNR、18MnMoNbR、13MnNiMoNbR、07MnCrMoVR，其中16MnR是σs350Mpa级的普通低合金高强度钢，具有优良的力学性能、焊接性能、工艺性能及低温冲击韧性，是中国压力容器专用钢板中用量最大的钢种。 3、高合金钢（合金元素总含量大于10） 主要有铬钢、铬镍钢、铬镍钼钢等，如0Cr13、0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti等，主要用于耐腐蚀和耐高温等特殊场合，如不锈钢、耐热钢等。 * 不锈钢中的主要元素是Cr、Ni、Mo、Ti，其中Cr、Ni含量较高。 * 不锈钢的耐蚀性主要来源于Cr，实验证明，只有当Cr的含量大于12时钢的耐蚀性才会大幅度地提高，所以不锈钢中Cr的含量均不低于12。 Ni可以扩大不锈钢的耐蚀范围，特别是提高抗碱腐蚀的能力。 Mo能提高不锈钢抗氯离子腐蚀的能力，并提高钢的耐热强度。 Ti是为防止焊接用不锈钢发生晶间腐蚀而加入的元素。 * 复合钢板及其应用 三、有色金属和非金属 1、有色金属 * 钛合金的焊接应在惰性气体的保护下或在真空中进行，以防止氢、氮、氧等进入焊缝，保护焊缝的塑性。 铜及铜合金的特点 纯铜又称紫铜，具有较高的导电性、导热性和良好的塑性。 特点低温下能保持较高的塑性和冲击韧性，是制造深冷设备的良好材料。 耐蚀性① 在没有氧存在的情况下，在许多非氧化性酸中比较耐腐蚀。 ② 在氨和铵盐溶液中，当有氧存在时，由于生成可溶性的络离子，故不耐蚀。所以在氨生产中使用的仪表、泵、阀门等均不能用铜制造。 ③ 铜在大气、水、中性盐及苛性碱中均相当稳定，但在氯、溴、二氧化硫、硫化氢等气体及潮湿大气中将会受到腐蚀。 黄铜（铜-锌合金） 特点具有较高的机械性能，价格较便宜，可用于制作深冷设备筒体、管板、法兰及螺母等。 青铜 （1）锡青铜（铜-锡合金） 特点具有很高的耐蚀性和良好的抗磨性，多用于制造耐磨零件（如轴瓦、轴套、蜗轮等）和与酸、碱等腐蚀性介质接触的零件。古代的青铜器即是用锡青铜制造。 （2）无锡青铜（铜中加入铅、铝等其它元素 特点强度好、耐蚀性好，价格低廉，常用于制造在蒸气和海水工作条件下的零件及受摩擦耐腐蚀零件。 铝及铝合金的特点 纯铝（L） 特点密度小、重量轻（ρ约为钢的1/3），导电、导热性能好，强度较差，塑性好，有极好的耐蚀性（但不耐碱及盐水），可用于制作储罐、塔、热交换器等设备，也可用于制作防止污染的设备和深冷设备。 铝合金 （1）防锈铝（LF）Al-Mn、Al-Mg合金 特点具有适中的强度、优良的塑性和耐蚀性，多用于制作深冷设备入液空吸附过滤器、分馏塔等。 （2）硬铝（LY） Al-Cu-Mg合金 特点强度较高，可用于制作深冷设备中的螺栓及其它受力构件。 镍及镍合金 纯镍耐蚀性、耐磨性和硬度都很高，但价格很贵，很少用于制作压力容器。 镍合金Ni-Mn、Ni-Cu合金 特点具有很好的耐腐蚀性能和抗高温性能，但价格较高，一般只用于制造特殊要求的压力容器。 钛及钛合金 纯钛 特点① 密度小、强度高。 ② 工作温度范围宽，可在-196-350℃范围内使用。 ③ 钛是具有强烈钝化倾向的金属，在氧化性和中性介质中具有优良的耐蚀性，特别是钛不发生晶间腐蚀的特点。 钛合金Ti-0.2Pd、Ti-0.3Mo-0.8Ni合金 （1）钛合金可以承受锻造、冲压等压力加工。 （2）钛合金的焊接应在惰性气体的保护下或在真空中进行，以防止氢、 氮、氧等进入焊缝，保护焊缝的塑性。 2、非金属材料 非金属材料的优点资源丰富、耐蚀性好、品种多、价格便宜。 缺点机械强度较低，耐热性不好，对温度波动比较敏感。 非金属材料通常用于承压不高的结构材料、金属保护村里或涂层、密封材料、保温材料、耐火材料等。 （1）涂料 涂料是一种有机高分子胶体的混合物，将其均匀地涂在容器表面上能形成完整而坚韧的薄膜，起耐蚀和保护作用。 2工程塑料 工程塑料可分为热塑性塑料和热固性塑料。热塑性塑料的特点是在一定温度下可以变软，而不发生化学变化，冷却后又变硬，再加热又软化。如聚氯乙烯、聚四氟乙烯、ABS等，可用作制造低压容器的壳体、管道,也可用作密封元件、搅拌器等的材料。 3不透性石墨 具有良好的化学稳定性、导电性和导热性，被用来制造热交换器。 4陶瓷 具有良好的耐腐蚀性能，一定的强度，被用来制造塔、贮槽、反应器和管件。 5搪瓷 搪瓷设备是由含硅量高的瓷釉通过9000C左右的高温锻烧，使瓷釉密着于金属胎表面而制成的。它具有优良的耐蚀性，较好的耐磨性，广泛用作耐腐蚀、不挂料的反应罐、贮罐、塔和反应器等。 3-2 压力容器制造工艺对钢材性能的影响 主 要 教 学 内 容 授课方式 授课时数 1、塑性变形 2、焊接 3、热处理 讲授 自学 1 教学目的和要求 1、了解塑性变形对钢材性能的影响 2、了解焊接对钢材性能的影响 3、了解热处理对钢材性能的影响 教学重点和难点 焊接对钢材性能的影响 课外作业 思考题 在压力容器制造中，往往先将钢板经过冷加工或热加工，使它变成所要求的零件形状，再通过焊接将各零部件连接在一起。因此，有必要研究冷、热加工造成的塑性变形和焊接工艺对材料性能的影响。 一、塑性变形 1、加工硬化 在常温下钢经过塑性变形后，内部组织将发生变化，晶粒沿变形最大的方向伸长，晶格和晶粒扭曲，产生内应力，从而引起力学性能的变化。随着变形程度增大，钢的强度及硬度升高，而塑性下降。这种随变形程度的增大，强度增加而塑性降低的现象称为加工硬化。 热变形和冷变形 凡是在重结晶温度以上进行的塑性变形，称为热变形或热加工 ;反之，在重结晶温度以下进行的塑性变形称之为冷变形或冷加工。 2、各向异性 纤维组织和带状组织使金属材料的力学性能产生方向性，平行纤维组织方向的强度、塑性和韧性提高高，而垂直纤维组织方向的塑性和韧性降低。变形程度越大，纤维组织越明显，性能差异也越显著。 二、焊接 焊接是两种或两种以上材料，在加热或（和）加压的状态下，通过原子或分子之间的结合和扩散，形成永久性连接的工艺过程。 1、焊接接头的组织和性能 2、焊接应力与变形、减少焊接应力和变形的措施 （1） 尽量减少焊接接头数量； （2） 相邻焊缝间应保持足够的间距； （3） 尽可能避免交叉；焊缝不要布置在高应力区； （4） 焊前预热等。 3、焊接缺陷和焊接接头的检验 3-3 环境对压力容器用钢性能的影响 主 要 教 学 内 容 授课方式 授课时数 1、温度 2、介质 3、加载速率 讲授 自学 1 教学目的和要求 1、了解温度对压力容器用钢性能的影响 2、掌握介质对压力容器用钢性能的影响 3、了解加载速率对压力容器用钢性能的影响 教学重点和难点 1、 温度对压力容器用钢性能的影响 2、 介质对压力容器用钢性能的影响 课外作业 思考题 一、 温度 1、 短期静载下温度对钢材力学性能的影响 （1）低温变脆现象 （2）脆性转变温度 2、 高温、长期静载下钢材的性能 （1）蠕变现象 （2）蠕变曲线 （3）蠕变极限与持久强度 3、 高温下材料性能的劣化 二、 介质 1、 腐蚀的类型 （1）电化学腐蚀 指金属在电解质中，由于各部位电位不同，造成微电池，在电子交换过程中产生电流，作为负极的金属被逐渐溶解的一种腐蚀 （2）化学腐蚀 指金属在干燥气体或无电解质存在的环境中，受物质的直接作用，作用过程中不产生电流，而腐蚀的产物直接生成在反应的表面区域。 ● 晶间腐蚀 晶间腐蚀是一种常见的局部腐蚀，腐蚀是沿晶粒边界和它的邻 近区域产生和发展，而晶粒本身的腐蚀则很轻微。 引起晶间腐蚀的环境有电解质溶液、过热水蒸气、高温水和熔融金属等。晶 间腐蚀必须在腐蚀环境中，并且晶界物质的物理化学状态与晶粒本体不同时， 才能产生。 ● 小孔腐蚀 又称孔蚀,腐蚀集中在金属表面的局部地区的小孔上，小孔腐蚀可以使金属材料穿孔破坏，而重量丢失却往往很少，因此也是一种破坏性大的局部性腐蚀。 孔蚀常发生在静滞的液体中，提高流速就可减轻小孔腐蚀，此外，在不锈钢中增加钼的含量和尽量降低介质中的氯离子、碘离子的含量，均可有效地减少小孔腐蚀。 ● 缝隙腐蚀 换热管与管板连接处、法兰的连接面等缝隙处，如果介质处于停滞状态引起浓度增加，就会加速这些缝内金属材料的腐蚀，这种腐蚀被称为缝隙腐蚀。 为了尽量避免缝隙腐蚀，在压力容器的结构设计中，常采取措施避免或减少缝隙形成，如避免介质的流动死角或死区，要使液体做到能完全排净；采用胀焊并用，减少管子和管板间的间隙等。 （3）应力腐蚀 是金属材料在拉伸应力和特定腐蚀介质的共同作用下导致韧性材料迅速开裂和发生早期破坏的现象。 零件寿命要短于应力或腐蚀环境单独作用时的寿命，破坏时的应力水平较低，往往没有明显预兆，断裂是突发性的，因而很难预防，是一种危险性很大的破坏形式。 ① 应力腐蚀的特征 a．拉伸应力 b．特定合金和介质的组合 c．一般为延迟脆性断裂 ② 预防应力腐蚀的措施 a. 合理选择材料 b.减少或消除残余拉应力 c. 改善介质条件 d.涂层保护 三、 载荷形式 （1）加载速率 （2）疲劳破坏 ①疲劳破环的特征 ②防止疲劳破坏的措施 四、材料性质劣化 ①石墨化 ②回火脆化 3-4压力容器材料选择 主 要 教 学 内 容 授课方式 授课时数 1、压力容器用钢的基本要求 2、选择压力容器钢材应考虑的因素 3、压力容器选材的基本原则 讲授 0.5 教学目的和要求 1、了解压力容器用钢的基本要求 2、了解选择压力容器钢材应考虑的因素 3、了解压力容器选材的基本原则 教学重点和难点 压力容器选材的基本原则 课外作业 思考题 一、压力容器用钢的基本要求 1、化学成分（C、P、S等） 2、力学性能（强度、钢度、塑性、韧性等） 3、制造工艺性能（机加工性能、压力加工性能、焊接性能、铸造性能、热处理性能等）二、选择压力容器钢材应考虑的因素 （1）材料的性能 ①分析构件的工作条件，确定构件应具有的使用性能。 ②通过失效分析，确定构件的主要使用性能。 ③从构件主要使用性能要求出发，提出对材料使用性能的要求。 （2）材料的加工工艺性能 （3）材料的经济性 （4）材料的选择应符合规范标准的要求 三、选择压力容器材料的原则 （1）综合考虑各种因素 选择压力容器用钢，应综合考虑容器的结构、环境条件和制造工艺，以及材料的力学性能、焊接性能、冷热加工性能。 （2）符合规范标准要求，使用范围应符合材料生产国相应规范和标准的规定。 （3）强度和塑性、韧性的合理匹配 提高材料强度。 （4）合理利用材料性能。 补充压力容器的失效形式 3、压力容器应力分析Stress Analyses of pressure vessel 3.1 回转薄壳应力分析Stress Analyses of thin shell of revolution 3.2回转薄壳的几何要素 1回转壳体thin shell of revolution 2轴对称问题axially symmetric shell 常见容器壳体的一个重要几何特征是其中面由一条平面曲线或直线绕同平面内的轴线回转而成，这种壳体称为“回转壳”。显然，这类壳体的几何形状是轴成对称的。容器通常承受轴对称载荷作用，所谓轴对称载荷就是指壳体任一横截面上的载荷对称于回转轴,但是沿轴线方向的载荷可以按照任意规律变化，例如均匀的气体压力或液体静压力等。如果支承容器的边界也对称于轴线，则壳体因外载荷作用而引起的内力和变形也必定轴对称的。分析这种容器壳体的应力和变形问题，称为回转壳的轴对称问题。本节仅对回转壳的轴对称问题进行讨论。 3中间面 所谓中间面即是与壳体内外表面等距离的曲面，内外表面间的法向距离即为壳体厚度，对于薄壁壳体，可以用中间面来表示它的几何特性。 4母线 回转壳体的中间面是由平面曲线AB绕回转轴OA旋转一周而成，形成中间面的平面曲线AB称为“母线”。 5经线 如果通过回转轴作一纵截面与壳体曲面相交所得的交线如AB’和AB”称为“经线“.显然，经线与母线的形状是完全相同的。 6法线 通过经线上任意一点M垂直于中间面的直线，称为中间面在该点的“法线”n，法线的延长线必与回转轴相交。 7纬线 如果作圆锥面与壳体中间面正交，得到的交线叫做“纬线”；过N点作垂直于回转轴的平面与中间面相割形成的圆称为“平行圆”，显然平行圆即是纬线，如图34中的CND圆。 8第一曲率半径 中间面上任一点M处经线的曲率半径为该点的“第一曲率半径”R1，R1MKl。 9第二曲率半径 通过经线上一点M的法线作垂直于经线的平面与中间面相割形成的曲线MEF，此曲 线在M点处的曲率半径称为该点的第二曲率半径R2。第二曲率半径的中心K2落在回转轴上，其长度等于法线段MK2，即R2＝MK2。 1 球sphere R1R R2R 2 筒cylinder R1 R2R 3 锥cone R1 R2r/cosa xtga 4 碟形dish 球冠处 R1R R2R 过渡圆处 R1r R2R-r/sinjr 5 一般 R2r/sinj 6 椭圆 y’-b2x/a2y y”-b4/a2y3 R1R23b2/a4 R2a4y2b4x20.5/b2 3无力矩理论与有力矩理论membrane theory and bending theory 在一般情形下，壳体中面上存在以下十个内力分量Nj、Nq为法向力，Njq 、Nqj为剪力，这四个内力是因中面的拉伸、压缩和剪切变形而产生的，称为薄膜内力或薄膜力；Qj、Qq为横向剪力；Mj、Mq和Mjq、Mqj。分别为弯矩与扭矩，这六个内力是因中面的曲率、扭率改变而产生的，称为弯曲内力。 般情况下，薄壳内薄膜内力和弯曲内力同时存在。在壳体理沦中，若同时考虑薄膜内力和弯曲内力，这种理论称为有力矩理论或弯曲理论。当薄壳的抗弯刚度非常小，或者中面的曲率、扭率改变非常小时，弯曲内力很小。这样，在考察薄壳平衡时，就可省略弯曲内力对平衡的影响，于是得到无矩应力状态。省略弯曲内力的壳体理论，称为无力矩理论或薄膜理论。因壳壁很薄，沿厚度方向的应力与其他应力相比很小，其他应力不随厚度而变，因此中面上的应力和变形可以代表薄壳的应力和变形。 3.3.1无力矩理论的基本方程 一微元平衡方程 由微元平衡方程得SP0 即pAF1F2 abcd的面积为Adl1dl2 dl1abR1dj dl2acR2dq F1 dl2t sjd sjsindj/2dl2t sjsindj/2 F2 2dl1t sqsindq/2 sindj/2 dj/2 sindq/2 dq/2 PR1djR2dq 2R1djt sqdq/2 2R2dqt sjdj/2 微体平衡方程或Laplace方程 二区域平衡方程 2p rsj V j V2p rtsjsinj Vp r2P 区域平衡方程 故 三、薄壁容器的薄膜应力 1、受均匀气体内压作用的容器 ①球形封头 R1R R2R ②圆柱形容器 R1 R2R ③锥形封头R1 R2r/cosa xtga ④碟形封头 球冠处 R1R R2R 此段为球形,故 过渡圆处 R1r R2R-r/sinjr ⑤椭圆封头 R1R23b2/a4 R2a4y2b4x20.5/b2 讨论1 当x0 yb 时 R1R2a2/b 2当xa