聚合反应釜的结构设计含12张CAD图
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附录1:外文翻译强度标准与压力容器设计和分析中使用的塑性流动标准摘要:这篇文介绍了传统强度标准和压力容器结构设计和完整性评估中使用的现代塑性流动标准的重要比较。这包括(1)简要介绍ASME锅炉和压力容器(BPV)规范中使用的传统强度标准,(2)讨论传统强度标准在用于预测压力容器爆裂压力时的缺点(3 )对改进传统强度标准的挑战,技术差距和基本需求的分析,(4)比较韧性材料的强度理论和塑性理论,(5)评估可用的塑性流动标准及其压力预测压力的缺点( 6)对新开发的多轴屈服准则的描述及其在压力容器中的应用,以及(7)当顶层压缩薄壁压力容器的爆破压力时,新的塑性流动标准的实验验证表明。最后,提出了进一步研究的建议,以改进传统的强度设计标准,并促进现代塑料流动标准的压力容器设计和分析。关键词:压力容器,管道,强度理论,塑性流动理论,强度设计,完整性评估 压力容器是大容器,设计用于容纳或输送大体积的流体,内部压力大大高于标准大气压力。它们具有各种形状,尺寸和操作条件,并广泛应用于核反应堆,化学反应堆,管道,储罐和油气管道等能源和石化工程。流体可以是液体或压缩气体,例如原油,天然气,汽油,氢气,二氧化碳和其他化学或石化产品。许多流体是易燃的,有毒的,反应性的,腐蚀性的或爆炸性的,因此是危险的。加上高压,如果压力容器的设计,建造,操作,检验,测试或修理设计不当,存在潜在的危险。发生了致命的事故压力容器开发和运行历史,对人类、环境、财产和经济都有重大影响。一般来说,较大的阀体中的较高的操作压力会产生更多的能量以在破裂中释放并导致更差的后果。即使船只不易燃,反应性或爆炸性,也存在危险。例如,含有水或空气的高压容器在破裂时可释放大量的能量。如果船只的内容物易燃或有毒,其后果可能会大幅度放大。因此,压力容器的安全性和完整性在结构设计,制造,施工,运行和安全管理方面至关重要。通过广泛的努力和调查,多年来一直开发出多种压力容器技术和设计方法。在此基础上,压力容器设计,制造和运行受到工程部门的监管,并得到立法支持,如美国机械工程师协会(ASME)锅炉和压力容器(BPV)代码1 .Witkin和Mraz 2讨论了压力容器的早期设计理念和基本应力标准。伯恩斯坦3评论在美国开发的锅炉和压力容器的设计标准和方法,包括ASME BPV Code的演变,代码操作,规则设计,分析设计,故障模式,强度理论,设计负载和代码案例。 Spence和Nash 4对压力容器技术及其发展进行了很好的回顾,其中确定了多个里程碑,为开发新的设计标准,分析方法,制造,操作过程和压力设备提供了刺激。 Hasagawa等5回顾了日本BPV代码和标准的发展历史背景,现状和未来趋势。哈维6的专着是一本优秀的教科书,具有基本的力学理论和各种实际使用的压力容器的基本设计方法。参考文献7详细介绍了核压力容器的结构设计和实践的技术和方法。大多数压力容器由易碎的金属材料(如铸铁)或延性材料(如碳钢或软钢)制成。基于尺寸,如果壁厚小于直径的1/10,或其他厚壁外壳,则压力容器被分类为薄壁外壳。在压力容器的强度设计中,确定破坏载荷或爆破压力对结构完整性评估至关重要。除了ASMEB和PV Code采用的传统强度设计方法外,还有塑料流动标准和许多其他分析,经验或数值方法,这些方法是通过理论建模,数值模拟和实验测试和分析。 Chistopher等人8 Dwivedi和Kumar 9提出了对薄壁和厚壁压力容器的爆破压力预测方法的综述。 Law和Bowie 10讨论了用于长时间运输油或气的高强度管线,即薄壁环流压力容器的爆破压力预测距离。 Zhu和Leis 11在强度理论和塑性流动理论方面对各种管线钢进行了一系列爆破压力预测模型的评估。然而,到目前为止,在公共文献中没有提供对传统强度标准和压力容器设计和分析中使用的现代塑性流动标准的比较研究。这促使了目前对压力容器行业有利的研究,并促进了ASME BPV Code的改进。本文简要回顾了ASME BPV Code中传统实力标准的讨论,讨论了传统实力标准的缺陷以及改进传统设计方法的挑战,技术差距和需求。 特别注意新技术和开发的强度设计标准和完整性评估方法,最近为由延性钢制成的薄壁圆柱形压力容器。 建议进一步研究,以改进压力容器的结构设计和完整性评估。 强度理论 - 应用与挑战ASME BPV代码中使用的强度设计标准:在压力容器设计中,假设有两种基本的强度破坏模式。一种是弹性破坏,由弹性理论决定,一般适用于厚壁压力容器。另一种是塑性破坏,受塑性理论的约束,一般适用于薄壁或中间壁压力容器。当材料拉伸超过弹性极限时,发生塑性变形,并且最终可能发生塑料容器破裂。与故障相关的材料性能屈服强度和极限拉伸强度(UTS)。压力容器通常具有多轴应力状态。其故障不受单一应力分量控制,而是由容器中所有应力分量的组合控制。为了简单,传统在实际应力与材料强度之间的关系中,利用强度理论来开发材料破坏准则,用于预测压力容器故障。经常使用三种理论强度的计算方法:最大主应力理论或薄壳理论。 对于脆性材料在弹性失效中是有意义的: 最大剪切应力理论或特雷斯卡理论。 对于塑性破坏的延性材料是适用的: 最大失真能量理论或von Mises理论。 它也用于塑性破坏时的延性材料: 在上述三个方程中,是主应力,是Tresca有效应力,是von Mises有效应力,是临界应力,其经验定义为屈服应力和UTS的函数。如果, (2)和(3)分别对应于Trescayield标准和von Mises屈服准则。这两种屈服准则通常用于描述延性材料的塑性失效。如果r 0ruts, (2)和(3)分别对应于Tresca强度标准和von Mises强度标准。这两个强度标准被称为基于UTS的标准,并且通常用于描述延性材料的塑性塌陷。如果r 0r流量,则Tresca标准在公式(2)被称为管道行业经常用于描述延性管道钢的塑性破坏失效的流动标准。原始/旧的ASME BPV代码通过分析使用了刚刚提到的前两种古典强度理论,并没有使用第三种。特别是,第一节第三节第一节(NC,ND和NE),第四节和第八节第1节都使用最大主应力理论。第三节第一部分(NB分部和NC的可选部分)和第八部分第二部分使用了最大剪切应力强度标准。正如参考文献7,ASME使用特雷斯卡有两个原因标准作为通过分析程序设计的基础,以预测延性钢的塑性破坏:(a)它是保守的,(b)工程师在压力容器设计和整体评估中使用简单。然而,普遍接受的是,von Mises标准可以更好地描述塑性变形延性材料的破坏行为。 von Mises等效应力被认为是对压力容器的Tresca等效应力的更好的故障预测因子。因此,2007年新版本的ASME BPV Code采用了von Mises的实力标准。参考文献12提出了ASME BPV Code-2007第八部分第2部分的综述,并比较了ASMEB和PV代码的新旧版本中使用的方法和许用应力。随着现代计算机技术和计算力学方法的快速发展,个人计算机已经经常用于工程设计和分析中,结合使用弹塑性有限元分析(FEA)对任何结构的复杂应力和变形计算)。数学上在应力空间中,von Mises屈服函数是连续的,可以很容易地适应于FEA程序中的代码,用于复杂应力问题的数值计算。相比之下,特雷斯卡收益率函数是不连续的,难以编码,因此,它没有被用于任何商业的FEA软件。例如,常用的FEA软件ABAQUS 13采用了von Mises金属可塑性流动理论。使用ABAQUS,Stonehouse等14通过喷嘴获得了压力容器的FEA数值结果,并根据分析程序的设计,对ASME BPV Code中的弹塑性方法进行了分析。同样,已经进行了大量的FEA计算,使用von Mises理论进行分析。 Liu et al。 15和Dwivedi和Kumar 16确定了不同薄壁压力容器的爆破压力,Chaaba 17获得了厚壁压力容器的各种材料硬化规则的塑性倒塌压力,Rohart等。 18回顾了在循环压力下具有渐进式(棘轮)压力容器的不同设计方法,Abdalla等19计算出受弯管件弯曲的限位载荷稳定内压和循环弯矩。为确保压力容器在设计寿命内不会发生故障,ASME BPV规范规定了各种情况下允许的应力极限,包括过度的弹性或塑性变形,弯曲,脆性断裂,应力破裂,塑性破坏,和别的。允许应力定义为屈服强度或UTS的分级(或安全系数),例如屈服强度的2/3或1 / 3UTS或1 / 2UTS,并且这种允许应力需要强度设计标准。为了方便起见,这项工作直接使用应力强度而不是允许的应力,并且着重于由施加的载荷产生的主应力,而不是通过应变控制条件下结构的自约束产生的次级应力。圆柱形外壳的强度设计标准。 圆柱形壳体是通常用于核,化石,石油化工和石油和天然气工业的薄壁容器。 大直径的薄壁圆柱形容器在石油和天然气工业中通常被称为管道。 通过焊接连接的许多管道形成管道,以长距离运输原油或天然气。 圆柱壳的基本设计方法适用于管道,一般来说,在圆柱形壳体中有两种可能的破坏方向:纵向或圆周方向。 这取决于船舶产生的两个主要应力: 一个是环向应力,另一个是轴向应力。 附录2:外文原文 任务书论文(设计)题目:聚合反应釜的结构设计工作日期:2016年12月07日 2017年05月21日1.选题依据:压力容器是化学工业生产中重要的设备之一。由于压力容器的工作环境具有高温、高压及高腐蚀性的特点,压力容器的设计制造过程的要求十分严格。搅拌设备在压力容器中占很大比重,其广泛应用于石油、化工、制药等许多领域,因此长期以来有关搅拌设备的设计方法特别是搅拌部件结构形式的研究一直具有十分重要的现实意义。2.论文要求(设计参数):凝聚反应器是橡胶生产过程中重要的搅拌设备。对凝聚反应器的具体结构进行了设计和计算:首先从设备的材料选择入手,根据对设备和经济性能的要求确定筒体及封头的材料,并根据薄壳理论进行壁厚的计算;重点进行搅拌部件的设计,根据介质特点及历史经验确定搅拌桨的型式和结构;并对搅拌桨的强度进行必要的校核;根据工作要求选择密封型式;对设备的制造和检验以及在役安全检测的方法和要求进行较具体的介绍和说明。3.个人工作重点:凝聚反应器是橡胶生产过程中重要的搅拌设备。对凝聚反应器的具体结构进行了设计和计算:首先从设备的材料选择入手,根据对设备和经济性能的要求确定筒体及封头的材料,并根据薄壳理论进行壁厚的计算;重点进行搅拌部件的设计,根据介质特点及历史经验确定搅拌桨的型式和结构;并对搅拌桨的强度进行必要的校核;根据工作要求选择密封型式;对设备的制造和检验以及在役安全检测的方法和要求进行较具体的介绍和说明。4.时间安排及应完成的工作:第1周:师生见面,布置题目。第2周:查阅文献,撰写文献综述。第3周:查阅文献,撰写开题报告。第4周:提交开题报告,进行开题答辩。第5周:继续查阅文献,初步进行方案设计。第6周:师生见面,确定设计方案。第7周:完善设计方案,明确设计具体任务。第8周:进行装配图设计并绘图。第9周:进行装配图设计并绘图。第10周:进行零件图设计和校核计算。第11周:进行零件图设计和校核计算。第12周:完善装配图和零件图,撰写设计说明书草稿。 第13周:完善装配图和零件图,撰写设计说明书草稿。 第14周:修改设计说明书并定稿,查重。第15周:上交设计成果,准备答辩。5.应阅读的基本文献:1 王非主编. 化工压力容器设计. 化工工业出版社,2005. 2 王凯 虞军. 反应器 .化工工业出版社 2005.3 濮良贵 纪名刚主编. 机械设计 .高等教育出版社, 2003. 4 姚慧珠 郑海泉. 化工机械制造 .化工工业出版社,1994.5 陈国理主编. 压力容器及化工设备 .广州:化工理工大学出版社,1988. 6 全国压力容器标准化技术委员会 GB150-89钢制容器. 北京:学苑出版社.7 沈功田 张万岭. 压力容器无损检测技术综述,国家质量监督检查检疫局锅炉压力容器检测中心,北京100013.8 压力容器安全技术监察规程.北京:劳动部锅炉压力容器安全杂志社,1991.3 . 9 朱瑞林 谈压力容器技术精湛的两个重要方面,湘潭大学.10 Ewalds HL,wanth ill RJ. 断裂力学.朱永昌等译.北京:北京航天大学出版社,1990.指导教师签字:XX教研室主任意见:同意签字:XX 2016年12月11日教学指导分委会意见:同意签字:XX 2016年12月11日 学院公章进度检查表第-4周工作进展情况老师安排与学生初次见面,老师给学生简单的说明题目主要设计的方向,讲解时间的规划安排,为我们接下来的开题报告做了很好的铺垫2017年01月07日指导教师意见内容属实。已完成选题,任务书已下达至学生,并辅导查阅文献方法以及开题报告的写法。指导教师(签字):XX 2017年05月12日第 0周工作进展情况老师安排跟同学们的初次见面,把具体的时间安排跟同学们解释清楚,让同学们在毕业论文方面有个时间概念,其次,老师确定和安排了同学们的各自论文题目,对于每个同学题目的大概讲解一下如何去做,如何去查阅资料,查阅哪方面的相关资料,对我们毕业论文的展开做了很好的铺垫2016年12月14日指导教师意见内容属实。已完成开题报告和开题答辩,继续进行总体方案设计。注意多看文献、多看示例,尽早提出合理方案。指导教师(签字):XX 2016年12月26日第 4周工作进展情况查阅相关资料,确定要设计的内容以及反应器的一些相关资料,了解反应物的一些属性及参数,为接下来的反应器的计算选用做好准备。2017年05月06日指导教师意见基本熟悉和掌握了压力容器设计的相关理论知识和设计方法,对基本结构进行了计算,提出了合理可行的总体方案。指导教师(签字):XX 2017年05月12日第 8周工作进展情况进行反应釜的参数设计,对反应釜的一些结构进行设计和计算,对于一些标准件进行合理的选择,在完成参数的计算后,要进行校核,如果不达到强度标准,要进行加强,或者重新进行参数计算,直到参数合格为止。2017年05月06日指导教师意见针对图中的问题进行了重点讲解,改正了设计方案不合理之处。装配图和零件图的视图表达也有不完善和不清楚的地方一一改正;个别绘图错误和不规范也逐一指出并修改。继续完善图纸,撰写说明书。指导教师(签字):XX 2017年05月12日第 12周工作进展情况在完成一系列的参数计算后,进行CAD画图,完成反应釜的装配图和各个零件图,并按照统一格式编写电子版说明书,翻译外文。2017年05月06日指导教师意见绘图基本完成,但仍存在错误;说明书初稿已撰写完成,但有格式不规范、语句不通顺、计算等问题,继续修改。准备答辩。指导教师(签字):XX 2017年05月12日第周工作进展情况年月日指导教师意见指导教师(签字):年月日过程管理评价表评价内容具体要求总分评分工作态度态度认真,刻苦努力,作风严谨32遵守纪律自觉遵守学校有关规定,主动联系指导教师,接受指导32开题报告内容详实,符合规范要求53任务完成按时、圆满完成各项工作任务43过程管理评分合计10 过程管 理评语 XX同学在完成毕业设计的过程中,工作态度比较认真,能够做到积极主动完成设计任务,对待设计工作比较严谨务实。虽然在毕业设计过程中曾多次去外地参加招聘会、面试和参加公务员考试等,但没有对设计进度产生影响,能够采取打电话、网络QQ等方式主动联系指导教师,多次通过网络辅导和当面答疑的方式就设计方案、零件图绘制等内容提出问题并接受指导。按时完成了开题报告,开题报告内容比较详实规范。已完成任务书规定的各项工作,并按时完成了论文查重、提交论文。指导教师签字:XX日期:2017-05-21指导教师评价表评价内容具体要求总分评分选题质量符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满54能力水平有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语能力、文献资料检索能力、计算机应用能力53完成质量文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确;论文结构、撰写格式、图表等符合基本规107指导教师评分合计14 指导教 师评语 XX同学毕业设计的题目是“聚合反应釜的结构设计”,属于压力容器设计,符合机械设计制造及其自动化专业学生培养目标的要求,设计过程涉及计算、绘图和三维建模等内容,有一定的难度和较强的实际意义,工作量饱和。 该生能够在规定时间内完成设计任务书规定的各项任务,设计说明书的重复率也满足要求。从所提交的图纸、说明书和外文翻译所完成的质量看,该生对专业知识掌握基本全面,有一定的综合运用能力和文献检索能力;该生具有一定的中文表达能力和使用计算机软件绘制基本零件图及装配图的能力;对外文文献的翻译能力还有待进一步锻炼和提高。 所提交的设计说明书符合规范要求,语句通顺,层次清楚,内容较齐全。所绘制的装配图和零件图数量充足,质量尚可,有细节错误已经改正。对部分零件进行了三维实体建模,并在说明书中对建模过程做了简单介绍。指导教师签字:XX日期:2017-05-21评阅人评价表评价内容具体要求总分评分选题质量符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满54能力水平有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语能力、文献资料检索能力、计算机应用能力53完成质量文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确;论文结构、撰写格式、图表等符合基本规107评阅人评分合计14 评阅人 评语 该题目是结构设计类毕业设计,围绕聚合反应釜展开。题目符合机械设计制造及其自动化专业培养目标要求,符合机械工程卓越工程师培养目标,有一定的研究价值和实践意义。深度及难度适宜,工作量适中,基本满足要求。该毕业设计以autocad、solidworks等为工具,基本实现了预期设计任务。工作量满足要求。设计方案合理,过程分析全面,计算基本正确。图纸基本符合国家标准要求,论文格式正确,书写规范,条理清晰,语言流畅。英文摘要和外文翻译能做到语言基本流畅,基本完整表达原文意思,中文表达与外语应用能力较强。该毕业设计问题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等基本正确合理,结论明确;论文结构、撰写格式、图表等复合基本规范要求。该生具有一定的独立工作能力,在设计过程中表现出对所学理论知识有较深入的理解,有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、计算机应用能力及文献资料检索能力。同意该生参加毕业设计答辩。评阅人签字:李淑娴评阅人工作单位:XX日期:2017-05-27答辩纪录 学生姓名:XX专业班级:XX 毕业论文(设计)题目: 聚合反应釜的结构设计答辩时间:2017年05月24日 时 分 时 分答辩委员会(答 主任委员(组长): XX辩小组)成员委员(组员): XXX答辩委员会(答辩小组)提出的问题和答辩情况问题1:反应釜作什么反应? 回 答: 反应釜作聚合反应问题2:反应釜里面有压力吗?回 答: 反应压力为0.5MPa,设计压力为0.68MPa问题3:联轴器放在哪里?起什么作用?回 答: 联轴器放在搅拌轴连接处,采用立式夹壳联轴器,起到连接轴和传递扭矩的作用问题4:搞实心和搞钢管有什么区别?回 答: 在传递扭矩相同时,实心轴的轴径比空心轴的直径小,但是空心轴的重量比实心轴低。问题5:搅拌叶片轴向定位如何保证?有销嘛?上下怎么运动?回 答: 没有销连接,搅拌部件通过键连接能保证轴向定位,通过焊接的方式保证上下不蹿动问题6:搅拌轴受到什么载荷作用? 回 答: 主要受到转矩载荷的作用记录人: 李淑娴2017年05月24日答辩委员会评价表评价内容具体要求总分评分自述总结思路清晰,语言表达准确,概念清楚,论点正确,分析归纳合理106答辩过程能够正确回答所提出的问题,基本概念清楚,有理论根据106选题质量符合培养目标要求,有一定的研究价值和实践意义,有一定的开拓性、创新性,深度、难度适宜,工作量饱满54完成质量文题相符,概念准确,分析、论证、计算、设计、实验等正确合理,结论明确;论文结构、撰写格式、图表等符合基本规107能力水平有较强的综合运用知识能力、科研方法运用能力、中文表达与外语应用能力、文献资料检索能力、计算机应用能力107答辩委员会评分合计30 答辩委员会评语 XX同学在毕业设计工作期间,基本遵守各项纪律,表现一般。 能按时完成毕业设计有关任务。 论文立论正确,立论分析无原则性的错误,解决问题方案有一定的参考价值,结论基本正确。 论文使用的概念基本正确,语句通顺,条理比较清楚。 论文中使用的图表,设计中的图纸在书写和制作时,能够执行国家相关标准,基本规范。 能够查阅文献资料,原始数据搜集得当,实验或计算结论基本准确。 答辩过程中,能够阐述出论文的主要内容,主要问题经答辩教师启发后能够回答出来。答辩成绩: 30答辩委员会主任:XX2017年05月28日成绩评定 项目分类成绩评定过程管理评分10指导教师评分14评阅人评分14答辩委员会评分30总分68成绩等级D成绩等级按“A、B、C、D、F”记载成绩审核人签章: XX审核人签章: XX聚合反应釜的结构设计摘 要 目前,随着我国工业的快速发展,各行各业对压力容器的使用越来越广泛,涉及的领域包括化工、橡胶、食品、医药、石油等方面,尤其是我国对橡胶产品的需求量越来越大,聚合反应釜是橡胶生产过程必不可少的反应容器,现在国内主要的反应釜的容积为30m生产效率低,成本高,已经不能满足橡胶生产需求,更大容积的反应釜的设计刻不容缓。故本次设计的反应釜容积为60m,实现了大容积化设备,提高了其生产效率,釜内的反应温度为150,采用从底部进行通入蒸汽进行加热,采用蒸汽加热能使釜内受热均匀,使物料受热更均匀,反应更彻底,相比之前夹套加热传热效率更高。本次设计为反应釜釜体的设计,搅拌装置的选型与尺寸设计(其中搅拌叶选用的是平直桨叶,直叶桨搅拌速度相对于其他搅拌桨速度快,搅拌效率高),人孔的开孔及补强计算,传动装置,反应釜的轴封装置选用,支座的选型,选用焊接类型,同时绘制了零件图、反应釜釜体体图以及反应釜的装配图等。设计方法采用压力容器常规设计的方法,遵循化工设备要求,按照GB150-98钢制压力容器等技术法规执行。关键词:压力容器;搅拌器;聚合反应釜IABSTRACT At present, with the rapid development of Chinas industry, all walks of life on the use of pressure vessels more and more widely involved in areas such as chemical, rubber, food, medicine, oil, etc., especially Chinas demand for rubber products more and more The larger, the polymerization reactor is essential for the rubber production process reaction container, and now the main domestic reactor capacity of 30mlow production efficiency, high cost, has been unable to meet the needs of rubber production, the design of larger volume of the reactor without delay.So the design of the reactor capacity of 60m, to achieve a large volume of equipment to improve its production efficiency, the reactor temperature of 150, the use of steam from the bottom of the heating, the use of steam heating can make the kettle Heat evenly, so that the material is more uniform heat, the reaction more thoroughly, compared to the previous jacket heating heat transfer efficiency is higher. This design is designed for the reactor body design, mixing device selection and size design (which stir the leaves are selected straight blade, straight blade propeller stirring speed relative to other stirring blade speed, high stirring efficiency), people Hole of the hole and reinforcement calculation, transmission device, the reactor shaft seal device selection, bearing selection, selection of welding type, while drawing the parts, the reactor body and the reactor assembly diagram. Design methods using pressure vessel conventional design method, follow thechemical equipmentrequirements, in accordance with GB150-98steel pressure vesseland other technical regulations.Key Words:Pressure vessel; agitator; polymerization reactorIII目 录摘 要IABSTRACTII1 绪论11.1 压力容器的概述11.2 反应釜的发展方向21.3 本文设计的研究内容22 材料选择33 反应釜结构设计43.1 罐体的尺寸参数确定43.2 传热部件83.3 工艺开孔和接管8 3.4 人孔的补强计算94 搅拌器的选型114.1 搅拌桨的选型114.2 搅拌附件(挡板)114.3 传动装置的选型124.4 搅拌功率的计算124.3 搅拌轴的计算134.4 联轴器144.5 安装支座145 密封结构156 安全检测166.1 无损探伤166.2 强度检验166.3 致密性试验187 结 论19参 考 文 献20附录1:外文翻译21附录2:外文原文25致 谢32聚合反应釜的结构设计1 绪论1.1 压力容器的概述由于压力容器是化工、石油化工、核能、冶金、机械、轻工、食品、纺织、航空、航天以及海洋石油化工工业中广泛使用的、有爆炸危险的承压设备。在这些设备中,有的用来储存物料,例如各种贮罐、计量罐、高位罐;有的进行物理过程,例如换热器、蒸馏塔、沉降器、过滤器;有的用来进行化学反应,例如合成炉、聚合釜、反应器。尽管这些设备的尺寸大小不一,形状结构不同,内部构件的形式更是多种多样,但是它们都有一个外壳,这个外壳称为容器。容器一般由筒体、封头及其附件(法兰、支座、接管、人孔、手孔、视镜、液面计)所组成。这些组成部分统称为化工设备通用零部件。容器可根据不同的用途、构造材料、制造方法、形状、受力情况、装配方式、安装位置、器壁厚薄而有各种不同的分类方法。(1)根据形状,容器主要有圆筒形、球形、矩形三种。其中矩形容器由平板焊成,制造简便,但承压能力差,只用作小型常压贮槽。球形容器由数块弓形板拼焊成,承压能力好,但由于安置内件不便和制造稍难,故一般用作内有一定压力的大中型贮罐。圆筒形容器是由圆筒形筒体和各种成型的封头所组成,作为容器主体的圆筒,制造容易,安装内件方便,而且承压能力好,因此这类容器应用最广。(2)根据承压情况,可将容器分为受内压和外压两类,本次设计的为内压容器,内压容器按其所能承受的工作压力大小,划分为以下四个等级: 低压容器(L):0.1MPaP1.6MPa 中压容器(M):1.6MPaP10Ma 高压容器(H):10MPaP100MPa 超高压容器(U):P100MPa(3)根据器壁厚度又可将容器分为薄壁容器与厚壁容器两种,两者是按其外径与内径之比K(K=)的大小划分的,K值小于或等于1.2的称为薄壁容器,K值大于1.2的称为厚壁容器。(4)根据材料,可将容器划分为钢制的,铸铁制的,铝制的,石墨制的,塑料制的等等。在化学工业中,大多数的容器都是由钢材制成的。对于不同材料的容器有不同的设计规定。1.2 反应釜的发展方向反应釜是综合反应容器,根据生产工艺、操作条件的不同,反应釜的设计结构及参数不同,即反应釜的结构样式不同,属于非标的容器设备,反应釜一般由容器部分,换热装置,搅拌装置,密封装置,其他结构五大部分组成。根据反应条件对反应釜结构功能及配置的设计,常见的反应釜的搅拌器有锚式、框式、桨式、涡轮式、刮板式、组合式,转动机构可采用无级变速减速机或变频调速等,可满足各种物料的特殊反应要求。密封装置可采用机械密封、填料密封等。采用的换热方式有:夹套冷却、夹套附加内冷管冷却、内冷管冷却、反应物料釜外循环冷却、回流冷凝器冷却等。可根据用户工艺要求或者生产要求进行设计制造。目前,随着我国反应釜产业技术水平的提高,我国的反应釜朝着大容积化方向发展,染料生产用反应釜国内多为6000L以下,其它行业有的达30m;国外在染料行业有2000040000L,而其它行业可达120m。除了反应釜的大容积化,其搅拌装置也多种多样,已由单一搅拌器发展到用双搅拌器或外加泵强制循环。国外,除了装有搅拌器外,尚使釜体沿水平线旋转,从而提高反应速度。1.3 本文设计的研究内容本次设计的为橡胶聚合反应釜,釜内通入橡胶胶粒单质、水蒸气和汽油(汽油作为催化剂)然后在搅拌装置的搅拌下使橡胶胶粒溶于汽油中发生聚合反应,釜内的最高反应温度为150,反应釜内的最高工作压力为0.5MPa,设计压力为0.68MPa。2 材料选择材料的选用是容器设计的第一步,不同型号的钢材的属性是不一样的,有的钢材耐腐蚀性,有的耐高温,有的耐酸性等等;对于反应容器内的参数要求选用合理经济的钢材,钢材的选择要考虑加工性能,一般选取国内易取的材料和易加工的钢材,一方面要考虑选用材料在耐高温耐腐蚀的性能,另一方面考虑钢材的强度条件。所以钢材的选择不是单单是力求昂贵的高性能钢材,而是考虑选材的性能满足设计要求选择更经济的材料。材料的选型要考虑以下的性能指标。(1)机械性能强度指标:强度极限和屈服极限塑性指标:,等(2)物理性能:在容器设计时,要考虑材料的热导率、熔点电阻率、弹性模量等物理性能指标。(3)耐腐蚀性能:压力容器的设计应该考虑的材料的耐腐蚀性能,选择的材料是否耐腐蚀性能会影响制成容器的使用寿命,在材料的计算过程中常引用腐蚀裕量对容器壁厚的增强。(4)制造工艺性能:选材时要考虑材料的可锻性、可加工性、可进行热处理等工艺性能。(5)价格与来源:制造中大型的容器设备,其成本大部分来源于材料成本,为了节省资金,在设备的选材时要选择经济合理性的材料。综上因素,本次设计的反应容器的筒体和封头用到的主要方法是滚卷与冲压,所以筒体的形成需要用到焊接工艺,焊接工艺性能的好坏取决于焊接的母材的属性,因此在选择筒体跟封头的材料时,一般选择含碳量较低的钢材,可以提高焊接处的强度,其次材料的选择并不是高性能的昂贵材料,高性能的材料制成的压力容器器壁由于高强度而减少器壁厚度,而且使用的寿命比较长,但是成本比较昂贵,,故在进行材料选择时除了要考虑钢材的强度还要考虑其价格是否经济实惠,最好是首先考虑国家生产的钢材,通过各方面的比较,选择更经济合理的材料。本次设计的压力容器属于低压的承压容器,而且容器要有耐高温腐蚀等性能,市场上现有的低压容器材料有,对于直径较大的可以采用合金钢16MnR,对于容器内盛放的介质腐蚀性较高的介质则可以采用0Cr18Ni12Mo2Ti和0Cr18Ni12Mo37等材料。所以经过比较,最用选择普通碳素结构钢Q235-A.F,钢板标准GB3274。3 反应釜结构设计 设计参数表3.1设计压力设计温度焊接系数操作介质最高工作 压力公称容积电机功率0.68MPa 150 0.85胶粒、水蒸气、汽油 0.5MPa 60mm 75KW3.1 罐体的尺寸参数确定反应釜是由筒体和封头两个部分组成,筒体和封头的尺寸都有一定的规定标准,所以在计算出筒体和封头的尺寸后还需要进行查选。3.1.1 罐体长径比的确定在知道反应釜内的操作介质以及在釜内存在的状态后,首先要选择合适的长径比()和装料量,其次确定筒体的直径和高度,常见的筒体的长径比如下表3.2所示。 表3.2常见搅拌容器筒体的长径比种类设备内物料类型一般搅拌罐 液固相、液液相气液相11.2聚合釜悬浮液、乳化液发酵釜发酵液1.72本次釜内的操作介质为橡胶单质、汽油和水的三者的混合物,所以 3.1.2 反应釜的装料量在确定好筒体的高径比的数值之后,如上图3.1所示,还要考虑到反应容器内所盛装物料量占容器容积的最大百分比,选择合适的物料系数,从而进行筒体的高度和直径计算。(1)装料系数反应釜的公称容积与釜内全容积和物料系数的关系有如下: (3.1)常见的物料系数取值范围,为了充分利用容积提高其生产效率,故初步计算筒体直径在选择相应的高径比和装料系数,就可以进行计算求出相应反应容器的直径和高度,计算所得的数值为小数时,要进行数值圆整,计算公式如下: (3.2)式中,及的单位是m把筒体代入上式为: (3.3)将式子(1-1)代入(3-2),并整理得: (3.4)即查表取标准直径=3.0m H=2.5D=32.5=7.5m3.1.3 壁厚附加量考虑到钢板或钢管的壁厚负偏差,介质对容器壁的腐蚀以及在滚轧、冲压成型过程中的器壁减薄,计算出来的筒体厚度还要加上一系列的壁厚附加量C: 式中: ; ; 为制造减薄量,原则上按不同的制造工艺决定;故 3.1.4 压力容器的最小壁厚容积比较大的低压容器生产后,在进行运输或者安装过程中会受到外力等因素的影响,此时如果制造的压力容器壁厚过于单薄的话,会发生容器变形,所以,为使其在运输安装过程中不发生变形,规定了容器设计时必须要有一个最小的壁厚标准,即: 低压容器在制造和运输、安装时由于刚度太小会造成过大的变形,从而影响使用。为了保证容器具有一定的刚度,并从我国的生产实际情况出发,规定了容器的最小壁厚,即 时, Smin2Di/1000=23000/1000=6mm 且不小于3mm,腐蚀裕量另加,故 S=6+C=6+1.75=7.75mm 取圆整S=8mm3.1.5 内压筒体设计筒体的壁厚计算所用的许用应力应该为所选材料在设计温度下的许用应力,由于的选用除了跟温度有关,还跟筒体厚度有关,此时的筒体厚度未知,故必须首先假定一厚度值,查的许用应力在计算厚度范围内,查表在钢板厚度小于16mm下的=160MPa。考虑到在薄壳体的无力矩理论中所采用的D为其平均直径,并考虑到实际筒体总存在焊缝系数而必须引入焊缝系数,在设计计算的基础上,由壳体理论所求出的计算厚度必须要加上相应的壁厚附加量,其公式如下: (3.5) 取圆整中低压筒体一般都属K1.2的薄壁筒体,所以可以由薄壁壳体的无理距理论求取在内压作用下的周向应力和轴向应力,根据第一强度理论,筒体受到的轴向应力为周向应力的一半,故在筒体校核时应以为最大主应力,并按其失效准则将其最大主应力限制在材料的许用应力以内,即 (3.6)故其计算出的壁厚符合强度要求。3.1.6 内压封头设计结合本次设计的聚合反应釜筒体内承受一定的压力,故不宜采用锥形、无折边 球形和平板型,半球形封头承受压力性能好,但是结构为球形,生产较为复杂,制作成本高,适合用在高压且容积小的容器上,碟形封头虽然结构简单便于制造,且成本不高,但是在曲面向筒体连接的过渡部分曲率不是连续的,导致在过渡部分承受的应力能力很差,故不宜采用蝶形封头,综合考虑,本次选用的事椭圆形封头,椭圆形封头是封头上半部分为半椭圆形,且椭圆形处跟筒体的连接过渡部分是连续性的,故承受压力性能较好,所以采用椭圆形封头。 在计算封头直径的时候,考虑到容器椭圆形封头不同则长短轴比值也不同,故封头的受到的应力也不相同,但是要引入一个形状系数对椭圆形封头的计算厚度进行系统的修正。式中,取K=1.3,C=1.75m (3.7) 取圆整3.2 传热部件夹套是套在压力容器外侧的,在容器外侧形成一定的密闭空间,在密闭的空间内通以一定的传热介质或者冷却介质,有加热保温的功能,以提供反应容器内所需要的条件温度,夹套加热一般通以水或者水蒸气作为传热介质,由于水或水蒸气的最高温度为100,故利用夹套加热冷却的反应容器对温度的要求比较低,夹套一般是通过焊接的方式焊接在筒体外侧,壁厚有一定的增加从而对筒体进行加强的作用,特别是半圆管的焊接,由于管道小而密,焊缝多,焊缝材料也可以起到加强罐体的作用,因此在中大型容器上采用夹套可以使壁厚减薄,节约用料。结合本次设计反应釜的温度条件,反应釜内的温度为150,故不宜采用夹套加热方式,在底部开设蒸汽入口,进行通入水蒸气进行加热,水蒸气能够快速充满釜体,使釜体受热更均匀,还可以采用热电偶加热方式,热电偶加热快,加热效果好,且温度调节灵活,热电偶的入口开设在筒体上,能够直接对物料进行加热,减少了热量散失。3.3 工艺开孔和接管压力容器的器壁上有各种开孔,各个孔的功能及用途都不一样,且开孔的直径也尽不相同,根据用户的要求或者根据使用要求,对开孔的位置以及开孔的类型也不相同,但是大部分的压力容器有着必须要开设的孔,如人孔,人孔是中大型容器开设的一类孔,是工作人员进入容器内部进行内部器件的安装和后期的维修检查进出口;温度计口,一般装设温度敏感电偶,用来检测反应釜内的温度;进料口,是物料进入釜内的唯一通道,一般开口的大小除了要考虑反应容器的封头大小外,还要考虑物料的粘度性质,避免开口较小,造成具有粘度的物料在开孔处堆积挂料,影响物料的正常进入,物料管一般伸进釜内一定距离,而且开口为斜开口45,开后面对着筒体的轴线,这是防止物料顺着容器壁往下流,对筒壁造成磨蚀腐蚀;安全阀,是保证压力容器的安全运行的一个不可或缺的装置,当釜内压力过高会启动该装置自动排泄压力直至到安全压力,还有警示报警的作用,防止釜内压力过高造成容器破坏。压力容器上开设不同种类型的孔、接管,势必会造成开孔处的结构不连续造成的应力集中,从而导致了在开孔的接口处的承受能力减弱,为此,当开的口较大时,要进行开孔补强的计算,采取相应的加强结构对开孔处的增强,保证容器的整体刚度。对于较小的开孔,在如果不满足开孔补强的要求可以忽略,但是开孔要合理的布局,开孔避免开设在有焊缝处。3.4 人孔的补强计算设计条件:设计压力,设计温度,内筒直径,名义厚度,开孔接管材料选用16MnR,许用应力,开孔直径:(1) 封头的计算厚度 (3.8) (2) 开孔所需补强面积 (3.9)(3) 有效补强范围:有效宽度B: (3.10)故B取大值有效高度: (3.11)(4) 有效补强面积封头有效厚度: (3.12)封头多余金属面积: (3.13) 接管计算厚度:接管多余金属面积: (3.14)补强区内焊缝面积:(5)所需另行补强面积: (3.15) 补强圈设计:补强圈的外直径应该小于有效宽度,参考JB-1207 标准取。(6) 补强圈的厚度: (3.16)对数值进行圆整取6mm,但是为了制造材料的方便,故经常在对加强圈厚度的取值跟封头或者筒体的壁厚取值一致,即。对于反应釜上其他的开孔补强同上述计算过程,不一一列举。4 搅拌器的选型4.1 搅拌桨的选型 搅拌桨是聚合反应釜搅拌装置的重要部件。根据操作介质(液-相-气混合)的粘度、反应釜的容积大小,从本次设计的搅拌条件(容积60m,主要搅拌物料为汽油、水蒸气、胶粒三者的混合物,设计温度150,设计压力0.68MPa,最高工作压力0.5MPa,连续性操作),最后选定桨式搅拌器,叶片型式采用直叶叶式,其设计结构简单,便于生产,对于粘度高的流体物料搅拌效果好,价格低,节能等优点。有计算公式:桨径罐径比d/D=0.350.8,其中D=3000mm,初取d/D=0.35,则,取整d=1000mm, 桨宽为b,常用尺寸b/d=0.10.25,初取b/d=0.12 ,则b=10000.12=120mm ,Bn=4,常用的运转条件n=1125r/min ,v=1.05.0m/s,确定了搅拌桨的形式,还要考虑搅拌桨到搅拌釜釜底的距离C,故mm;考虑到反应釜比较高,盛装的物料液面相对较高,所以应该采用三层搅拌桨,搅拌桨层与层之间的距离为4.2 搅拌附件(挡板)挡板一般是焊接在容器筒壁上长条形的竖直固定的板,主要的功能是防止釜内介质流体在搅拌时产生的端流状态,设立挡板可以避免物料在搅拌时形成漩涡状态,提高物料的混合效果,挡板的数量及其长度宽度、安装方式都是根据设计容器体积的大小而决定的,挡板的设立影响流形的混合状态和动力消耗。挡板的宽度,挡板的数量n根据筒体的直径大小而定,本次设计的为中大容器,故n=4 ,一般挡板的安装方式有以下四种情况,如下图4.1所示:(a)当粘度较低时挡板可紧贴筒壁上且挡板与液体的环流方向成直角;(b)当粘度较高时,或流体为固液混合物时,挡板离开筒壁距离为挡板宽度1/5-1倍;(c)当粘度更高时,应该将挡板倾斜一定的角度,这样可以有效的防止物料的粘黏性,以及防止固体颗粒的堆积。取Wb=1/10D 其中,所以,考虑到流体具有一定的粘度,所以安装方式取种形式,4个挡板距离筒壁为100mm。 图4.1挡板的安装型式4.3 传动装置的选型由于搅拌轴的转速一般为低速,故在安装时不能直接与电动机相连接,电机一般安装上减速装置方可与搅拌轴连接,常见用在反应釜的减速装置有齿轮加速器,涡轮减速器和摆线针齿行星减速器三类,最常用的安装形式是固定和移动式减速搅拌机,因为它们结构简单,组装和维护方便。本次设计的是一个简单的搅拌装置,直接在容器封头的顶部安装电机及减速装置,电机的传动轴通过联轴器将动力传送到搅拌桨上。随着工业的发展,反应釜的搅拌结构不单单是从封头处安装,现在设计的反应釜的容积越来越大,搅拌结构也多种多样,有的搅拌轴可以从底部的封头伸进反应釜内,有的可以从侧面的筒壁开孔伸进去,搅拌的型式多种多样,本次设计主要是从封头顶部伸进去,由于筒体较长,考虑到传动轴的可加工性,采用多跟轴用联轴器进行连接,在筒体的中部跟底部设有轴承可以对长轴进行支承的作用,提高轴的稳定传动和使用寿命。 在封头上安装电动机和减速器组合的,故选用BLD18型号摆线针轮减速机。4.4 搅拌功率的计算根据搅拌物料的性质,可以大概的计算出搅拌轴的功率从而选用电机的功率,以下为快速查表计算出搅拌轴的功率,不同液体的单位体积的平均搅拌功率有如下的表4.1推荐值: 表4.1 不同搅拌种类液体单位体积的平均搅拌功率搅拌过程的种类液体单位体积的平均搅拌功率(Hp/m)液体混合 0.09固体有机物悬浮 0.2640.396固体有机物溶解 0.3960.528固体无机物溶解 1.32乳液聚合 1.322.64悬浮聚合 1.5851.894气体分散 3.96 注1):1Hp=735.499w搅拌轴的功率:由于搅拌轴之间有联轴器,考虑到联轴器的传动效率,故电机的的功率为: 故最终选用电机的功率为75KW,转速为125r/min4.3 搅拌轴的计算根据电动机选择功率的大小,轴的刚度,以及搅拌轴的转速可以计算出轴的最小直径,搅拌轴主要受到力矩为扭矩,故采用实心轴作为传动轴,由于筒体较高,搅拌轴较长,为了确保轴工作中的稳定性,在罐底设计了底支承结构,能够起到支撑搅拌轴的作用和加强轴工作的稳定性。轴强度计算:其扭矩的强度条件: (4.1)式中:为截面上最大的剪切应力MPa; Mt为轴所传递的扭矩; Wt为抗弯截面系数mm; 为许用剪切应力MPa;其中: , (实心轴) (4.2)式中:P为搅拌轴功率kw; N为搅拌轴的转数r/min; d为实心轴的直径mm;令 ,取圆整 :d=115mm4.4 联轴器联轴器是把两个独立的传动轴连接在一起可以使其互相地传递动力。联轴器的种类有很多种,其用途也不一样,根据联轴器的工作性质,选用的联轴器类型也不一致,我们常用的联轴器有刚性联轴器,这种联轴器的刚性比较大,传递的扭矩也相对大,但是一般这种刚性联轴器使用在转速不大,没有什么冲击的两轴连接;还有常见的弹性联轴器,弹性联轴器可以对两根轴的传动有一定的缓冲作用,对轴有一定的保护作用,但是这种联轴器承受载荷能力较差,易于磨损,对使用的场合有一定的限制。本次设计的传动轴连接,除了减速器跟电机之间采用弹性联轴器连接(此联轴器可以起到减震缓冲的作用),其他的轴间连接采用立式夹壳联轴器,此联轴器的刚性大,制造简单,便于安装,且此处轴的运转平稳,转速不是很大,考虑到经济合理性故适合使用立式夹壳联轴器。4.5 安装支座反应容器有各种安装方式,一般小型容器常采用支腿式支座,支腿式支座的设计安装比较方便,一般采用三条腿支撑,但是稳定性比较差;支承式支座是在腿式支座跟容器连接处增加了垫板,能够提高支撑的刚性;比较各种安装支座的优缺点,结合本次设计的容器,选用了裙座支座的安装方式,裙座支座的安装较为稳定,特别是作为中大型容器的支撑支座,裙座还能够避免机器产生的振动,使容器的工作状态更为稳定。本次设计的裙座为圆筒形,裙座上开设有人孔、出料孔和蒸汽入口孔,裙座的材料可以选用Q235-A.F号钢,主要是承受容器的重量以及反应物料的重量,除此之外还得考虑裙座的抗震载荷跟抗风载荷,一般裙座的跟筒体采用焊接的型式连接,裙座的厚度与筒体的厚度一致,经过校核符合强度要求,在裙座上开设人孔可以方面人员进出观察容器底部情况,裙座底部的基础环上有螺栓孔,能够把裙座跟地基用地脚螺栓进行连接,提高反应釜工作过程的稳定性。5 密封结构轴封是在容器上安装传动轴时对开口处进行密封的型式,轴的密封能够确保反应釜内的压力保持在一定值,轴封的型式有多种多样。由于不同容器的压力条件不一样,故采用的轴封也尽不相同,为了保证反应容器内的压力要求,选择合适的密封形式也是相当的重要。填料密封是搅拌器最早采用的轴封结构,随着工业的发展,机械密封的发展和其具有一系列的优点,机械密封发挥了它独特的优势,有着取代填料密封的趋势,填料密封的工作原理是:填料密封是在搅拌轴跟一些组合部件之间环形的间隙进行填料充填,然后再外力压力如螺栓连接的压紧力作用下对搅拌轴表面形成一层极薄的膜,这层膜可以可以阻止反应釜内的气体或者流体向外流出的作用,还能对搅拌轴的转动起到润滑的作用。机械密封式相对填料密封来说性能更优越,机械密封状态良好,泄漏量低,损耗功率低,密封性能相对较好,使用寿命长,适用于各种高温高压的环境和各种腐蚀环境,但是其结构比较复杂,对技术人员安装要求较高,后期更换零件较为繁琐。结合本次设计的参数要求,根据其搅拌轴的转速不大,且釜内压力属于低压,为了提高生产效率,最终考虑使用机械密封结构。6 安全检测设备制成后,或在制造过程中,必须进行检验,以保证设备符合技术要求和质量标准,通常用到的检验方法有无损探伤、强度检验和致密性检验。6.1 无损探伤 (1)超声波探伤:超声波探伤是利用仪器发射一股振动频率大于20000Hz的声波对选用材料进行探测,超声波可以从金属的一面穿过金属的另一面,在界面的边缘处发生反射的特性来检验所选材料或者所选工件是否存在缺陷,如果所选的材料或工件存在缺陷,则超声波在零件的底面就会反射束波与合格零件反射的束波在荧光屏上以脉冲的形式显现出来,对脉冲的比较进行判断缺陷的位置和大小。 (2)射线探伤:利用和具有穿透金属性能的特点,并且能够被吸收的一种射线,对钢板或者焊接处进行射线探伤时,当射线探射缺陷或者裂缝时,射线穿过金属的衰减程度明显和穿过良好的金属板的衰减程度不一致,以此来判别设备是否存在缺陷或者裂缝。(3) 磁粉探伤:利用带有磁性材料和气体或非金属夹杂物的导磁虑的不同的原理来检查制成设备的缺陷。将制成的设备或者工件进行磁化处理,当磁化接近于饱和状态时,被检验的设备或者工件由于磁化产生密闭的磁感线,整个设备或工件变成了一个磁场。如果制造的设备或者工件有缺陷,就会在缺陷处产生气体或者非金属夹渣物等。(4) 着色探伤:利用具有良好浸润渗透的红色染料液体,对工件进行浸润,红色染液会渗入到零件的各个缝隙,等完全浸润渗透之后,将工件的红色涂料进行擦干并及时的在工件表面涂上一层白色的涂料,在工件的缺陷处的白色涂料会将渗透在缺陷或者缝隙中的红色涂料吸附出来,我们就可以根据显示出来的红色痕迹判断工件的缺陷位置和大小。6.2 强度检验压力容器制成后在投入使用之前必须进行强度测试检验,经过热处理及焊缝处的无损探伤检验合格的容器要进行水压试验或者气压试验来检验容器的强度。一般情况下,除了不能进行水压试验的容器进行气压试验外,一般进行水压试验,因为气压试验的容器在承受气压时,一旦容器强度不够发生破坏时,其破坏产生的能量一般远远大于水压破环产生的能量,具有一定的危险性,除了一些容器不适合采用水压进行压力测试外,大部分采用水压试验,水压的测试远远比气压测试安全。水压试验的目的:(1)用水压模拟反应容器的压力,检验容器的实际抗压能力及强度,可以发现容器在投入使用之前制造缺陷,并采取有效的手段进行补修。(2)可以消除筒体上的一部分应力。当容器水压试验时(预加载荷处理),在焊缝区(特别是未经消除应力处理的容器)产生据不屈服,可以重新分配残余应力,特别是大大降低在焊缝处的残余应力,从而减小了压力容器在承受外加载荷产生脆性破坏的风险性。水压试验压力的取值为容器设计压力的1.25倍到1.5倍。如果设计的压力容器为立式安放,就要考虑容器内盛放物料的液注静压力,所采用的水压试验压力值就要加上立式设备的液面静压力,钢制外压容器:带夹套外压容器,夹套内试验压力按内压容器;不带夹套外压容器,以1.5倍设计外压做内压试验。没有夹套的外压容器,一般取设计压力的1.5倍值。当立式容器卧置进行水压试验时,试验压力应为立置试验压力加设备液注静压力。钢制外压容器:带夹套外压容器,夹套内试验压力按内压容器;不带夹套外压容器,以1.5倍设计外压做内压试验。负压容器,以0.2MPa做内压试验。实验时,压力应缓慢上升,达到图纸规定的实验压力后,应保持足够长的时间,且不少于30min。对所有焊缝和连接部位进行检查。水压试验时,介质的温度不能低于57。如果试验的温度太低,会使容器所制成的材料变脆,可能出现脆性破裂,为了防止出现脆性断口破裂的敏感性,本次采用的水压测试温度为常温测试(水温常温取25摄氏度)。对工作中最高使用温度超过200的容器,实验压力为 (6.1)式中:水压试验压力,MPa; 设计压力,MPa;内压圆筒的水压验算: = (6.2)要求;常温下Q235-A.F钢的;故140.82350.9满要求。式中:-壁厚,mm; -容器或封头内径,mm; -水压试验时的压力,MPa; -焊缝系数; -壁厚附加量,mm;6.3 致密性试验气密性试验是检测制成的压力容器设备是否严密性。气密性试验在完成上述的水压试验或者气压试验合格后方可进行的检测试验,其试验压力为设计压力的1.05倍。在容器内通以试验气体介质时,应当缓慢进行充压,当压力达到规定的压力后维持衡定压力进行,然后进行缓慢泄压直至设计压力,对容器的焊缝处连接处进行严密的检查,当发现有气体泄漏,需要对泄露处进行气密性修补,完成修复后需要重新进行所有的安全检测试验。除了气密性试验外还有煤油渗透试验,该实验一般用来检验常压的容器设备,煤油渗透实验的过程是将设备需要检验的焊缝进行清理干净并涂上特殊的粉笔水溶液,等到水溶液干燥后在焊缝的另一面,未涂有水溶液的一面进行涂抹或喷涂2-3次煤油,当喷涂的煤油浸润金属表面后,由于煤油的表面张力很小,可以扩散至焊缝的极小缝隙里,穿过极小的焊缝缝隙,当焊缝处的焊接有缺陷,必定会导致煤油穿过缝隙在干燥的涂有粉笔水溶液的一面形成油斑或带条痕迹。 187 结 论通过查阅各种相关的化工设备的相关书籍,根据设计的参数和条件,筒体跟底部两封头采用焊接的方式连接,所选用的材料为碳素钢钢板,此材料在刚度、耐腐蚀耐高温符合要求,且价格经济合理,搅拌桨采用的是直叶式搅拌桨,直叶式搅拌桨具有高效的特点,在导流筒的作用下不仅使物料形成轴向流,还能形成纵向流,使筒内物料充分混合,聚合反应釜釜内属于低压,故筒体跟端盖采用法兰容器连接,便于拆装跟后期内部较大零件的更换,本此设计的难点是搅拌轴,由于本次设计的反应釜比较高,考虑到材料的可加工性,可以桨搅拌轴设计为几根轴通过联轴器连接,但是当轴比较长时,导致传递的扭矩也异常的增大,为了保证容器的使用寿命,还应该适当的增加一些组合件对轴进行支撑,由于轴是采用联轴器连接且轴的动力输出在顶部,搅拌桨在底端,所以在轴的中间处添加一些组合件(中间轴承)来稳固轴的转动,提高轴的使用寿命。另一个重要是轴封的设计,本次采用的是填料密封,其结构简单便于安装,对于低压容器密封效果好,还有一点是聚合反应釜的开孔及补强,当容器开孔比较大的时候要进行计算及补强,开孔要尽量的避开筒体与端盖的焊接部分,当容器设计完成在投入使用之前要进行压力试验和致密性试验,合格的容器方可投入使用。故本次设计的聚合反应釜从选材、轴的设计及校核、组合件的选用、标准件的选用等都符合标准。参 考 文 献1 王非主编. 化工压力容器设计M.北京:化工工业出版社,2005. 2 王凯 虞军. 反应器M .北京:化工工业出版社 2005.3 濮良贵 纪名刚主编. 机械设计M.北京:高等教育出版社, 2003.4 姚慧珠 郑海泉. 化工机械制造M.北京:化工工业出版社,1994.5 陈国理主编. 压力容器及化工设备M.广州:化工理工大学出版社,1988.6 全国压力容器标准化技术委员会 GB150-89钢制容器M. 北京:学苑出版社,1990.05.7 沈功田 张万岭. 压力容器无损检测技术综述M.北京:国家质量监督检查检疫局锅炉压力容器检测中心,2004.01.8 压力容器安全技术监察规程S.北京:劳动部锅炉压力容器安全杂志社,1991.3.9 朱瑞林.谈压力容器技术精湛的两个重要方面M.湖北:湘潭大学,1995.12.10 Ewalds HL,wanth ill RJ. 断裂力学M.朱永昌等译.北京:北京航天大学出版社,1990.11余国棕主编. 化工原理M.天津:天津大学出版社,2010.8.12郑津洋 董其伍主编. 过程设备设计M.广州:化学工业出版社2001.13陈已崇等编.搅拌设备设计M.上海:上海科学技术出版社,1985.14裴宝铃 高阳. 压力容器安全检测的有效方法J.湖北:科技创月刊,2015.05(13):112-113.15郑秀芳 范闻捷.压力容器设计中的热处理问题J.辽宁:辽宁化工出版社,2011.01(1):40-41.16Optimal design of pressure vessel using an improved genetic algorithmD.Peng-fei Liu;Ping Xu;Shu-xin Han;Jin-yang Zheng .Journal of Zhejiang University SCIENCE A 2008-9 Springe.17刘天婴 反应釜搅拌轴的设计计算J 北京:北京石油化工学院学报,2000.01.(1):8-11.18朱祝何. 我国压力容器设计制造标准与规范尚待完善N. 北京:中国质量报.2012.5(2):1.19仇恩沦. 压力容器行业挑战和机遇并存J.广州:中国化工报.2005.01(2):1-2.20廖建国. 锅炉和压力容器用高性能厚钢板N.北京:世界金属导报.2000.12.(4):1. 附录1:外文翻译强度标准与压力容器设计和分析中使用的塑性流动标准摘要:这篇文介绍了传统强度标准和压力容器结构设计和完整性评估中使用的现代塑性流动标准的重要比较。这包括(1)简要介绍ASME锅炉和压力容器(BPV)规范中使用的传统强度标准,(2)讨论传统强度标准在用于预测压力容器爆裂压力时的缺点(3 )对改进传统强度标准的挑战,技术差距和基本需求的分析,(4)比较韧性材料的强度理论和塑性理论,(5)评估可用的塑性流动标准及其压力预测压力的缺点( 6)对新开发的多轴屈服准则的描述及其在压力容器中的应用,以及(7)当顶层压缩薄壁压力容器的爆破压力时,新的塑性流动标准的实验验证表明。最后,提出了进一步研究的建议,以改进传统的强度设计标准,并促进现代塑料流动标准的压力容器设计和分析。关键词:压力容器,管道,强度理论,塑性流动理论,强度设计,完整性评估 压力容器是大容器,设计用于容纳或输送大体积的流体,内部压力大大高于标准大气压力。它们具有各种形状,尺寸和操作条件,并广泛应用于核反应堆,化学反应堆,管道,储罐和油气管道等能源和石化工程。流体可以是液体或压缩气体,例如原油,天然气,汽油,氢气,二氧化碳和其他化学或石化产品。许多流体是易燃的,有毒的,反应性的,腐蚀性的或爆炸性的,因此是危险的。加上高压,如果压力容器的设计,建造,操作,检验,测试或修理设计不当,存在潜在的危险。发生了致命的事故压力容器开发和运行历史,对人类、环境、财产和经济都有重大影响。一般来说,较大的阀体中的较高的操作压力会产生更多的能量以在破裂中释放并导致更差的后果。即使船只不易燃,反应性或爆炸性,也存在危险。例如,含有水或空气的高压容器在破裂时可释放大量的能量。如果船只的内容物易燃或有毒,其后果可能会大幅度放大。因此,压力容器的安全性和完整性在结构设计,制造,施工,运行和安全管理方面至关重要。通过广泛的努力和调查,多年来一直开发出多种压力容器技术和设计方法。在此基础上,压力容器设计,制造和运行受到工程部门的监管,并得到立法支持,如美国机械工程师协会(ASME)锅炉和压力容器(BPV)代码1 .Witkin和Mraz 2讨论了压力容器的早期设计理念和基本应力标准。伯恩斯坦3评论在美国开发的锅炉和压力容器的设计标准和方法,包括ASME BPV Code的演变,代码操作,规则设计,分析设计,故障模式,强度理论,设计负载和代码案例。 Spence和Nash 4对压力容器技术及其发展进行了很好的回顾,其中确定了多个里程碑,为开发新的设计标准,分析方法,制造,操作过程和压力设备提供了刺激。 Hasagawa等5回顾了日本BPV代码和标准的发展历史背景,现状和未来趋势。哈维6的专着是一本优秀的教科书,具有基本的力学理论和各种实际使用的压力容器的基本设计方法。参考文献7详细介绍了核压力容器的结构设计和实践的技术和方法。大多数压力容器由易碎的金属材料(如铸铁)或延性材料(如碳钢或软钢)制成。基于尺寸,如果壁厚小于直径的1/10,或其他厚壁外壳,则压力容器被分类为薄壁外壳。在压力容器的强度设计中,确定破坏载荷或爆破压力对结构完整性评估至关重要。除了ASMEB和PV Code采用的传统强度设计方法外,还有塑料流动标准和许多其他分析,经验或数值方法,这些方法是通过理论建模,数值模拟和实验测试和分析。 Chistopher等人8 Dwivedi和Kumar 9提出了对薄壁和厚壁压力容器的爆破压力预测方法的综述。 Law和Bowie 10讨论了用于长时间运输油或气的高强度管线,即薄壁环流压力容器的爆破压力预测距离。 Zhu和Leis 11在强度理论和塑性流动理论方面对各种管线钢进行了一系列爆破压力预测模型的评估。然而,到目前为止,在公共文献中没有提供对传统强度标准和压力容器设计和分析中使用的现代塑性流动标准的比较研究。这促使了目前对压力容器行业有利的研究,并促进了ASME BPV Code的改进。本文简要回顾了ASME BPV Code中传统实力标准的讨论,讨论了传统实力标准的缺陷以及改进传统设计方法的挑战,技术差距和需求。 特别注意新技术和开发的强度设计标准和完整性评估方法,最近为由延性钢制成的薄壁圆柱形压力容器。 建议进一步研究,以改进压力容器的结构设计和完整性评估。 强度理论 - 应用与挑战ASME BPV代码中使用的强度设计标准:在压力容器设计中,假设有两种基本的强度破坏模式。一种是弹性破坏,由弹性理论决定,一般适用于厚壁压力容器。另一种是塑性破坏,受塑性理论的约束,一般适用于薄壁或中间壁压力容器。当材料拉伸超过弹性极限时,发生塑性变形,并且最终可能发生塑料容器破裂。与故障相关的材料性能屈服强度和极限拉伸强度(UTS)。压力容器通常具有多轴应力状态。其故障不受单一应力分量控制,而是由容器中所有应力分量的组合控制。为了简单,传统在实际应力与材料强度之间的关系中,利用强度理论来开发材料破坏准则,用于预测压力容器故障。经常使用三种理论强度的计算方法:最大主应力理论或薄壳理论。 对于脆性材料在弹性失效中是有意义的: 最大剪切应力理论或特雷斯卡理论。 对于塑性破坏的延性材料是适用的: 最大失真能量理论或von Mises理论。 它也用于塑性破坏时的延性材料: 在上述三个方程中,是主应力,是Tresca有效应力,是von Mises有效应力,是临界应力,其经验定义为屈服应力和UTS的函数。如果, (2)和(3)分别对应于Trescayield标准和von Mises屈服准则。这两种屈服准则通常用于描述延性材料的塑性失效。如果r 0ruts, (2)和(3)分别对应于Tresca强度标准和von Mises强度标准。这两个强度标准被称为基于UTS的标准,并且通常用于描述延性材料的塑性塌陷。如果r 0r流量,则Tresca标准在公式(2)被称为管道行业经常用于描述延性管道钢的塑性破坏失效的流动标准。原始/旧的ASME BPV代码通过分析使用了刚刚提到的前两种古典强度理论,并没有使用第三种。特别是,第一节第三节第一节(NC,ND和NE),第四节和第八节第1节都使用最大主应力理论。第三节第一部分(NB分部和NC的可选部分)和第八部分第二部分使用了最大剪切应力强度标准。正如参考文献7,ASME使用特雷斯卡有两个原因标准作为通过分析程序设计的基础,以预测延性钢的塑性破坏:(a)它是保守的,(b)工程师在压力容器设计和整体评估中使用简单。然而,普遍接受的是,von Mises标准可以更好地描述塑性变形延性材料的破坏行为。 von Mises等效应力被认为是对压力容器的Tresca等效应力的更好的故障预测因子。因此,2007年新版本的ASME BPV Code采用了von Mises的实力标准。参考文献12提出了ASME BPV Code-2007第八部分第2部分的综述,并比较了ASMEB和PV代码的新旧版本中使用的方法和许用应力。随着现代计算机技术和计算力学方法的快速发展,个人计算机已经经常用于工程设计和分析中,结合使用弹塑性有限元分析(FEA)对任何结构的复杂应力和变形计算)。数学上在应力空间中,von Mises屈服函数是连续的,可以很容易地适应于FEA程序中的代码,用于复杂应力问题的数值计算。相比之下,特雷斯卡收益率函数是不连续的,难以编码,因此,它没有被用于任何商业的FEA软件。例如,常用的FEA软件ABAQUS 13采用了von Mises金属可塑性流动理论。使用ABAQUS,Stonehouse等14通过喷嘴获得了压力容器的FEA数值结果,并根据分析程序的设计,对ASME BPV Code中的弹塑性方法进行了分析。同样,已经进行了大量的FEA计算,使用von Mises理论进行分析。 Liu et al
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