化工设备设计基础总结报告

生工学院09级四班

杨世超

090604018

目录

第一章：学习感想... 2

第二章：课程总结... 3

Ⅰ、工程力学... 3

第一节、物体受力分析及平衡条件... 3

第二节、直杆拉伸与压缩... 3

第三节、直梁的弯曲... 4

Ⅱ、 化工设备常用材料... 5

第一节、材料的性能... 5

第二节、碳钢与铸铁... 5

第三节、合金钢... 6

Ⅲ、化工容器设计概述... 7

一、回转壳的几何特性... 8

二、内压薄壁容器设计... 8

三、厚度... 9

四、许用应力和安全系数... 9

五、内压薄壁容器强度设计步骤... 9

六、内压薄壁容器强度校核步骤... 9

七、压力试验... 9

第一章：学习感想

现在觉得真的很有幸在大二下学期学习了由张燕老师执教的《化工设备设计基础》这门课程。刚开始学习这门课程的时候，其实只抱着一个能及格就好的心态在学习，并没有花太多的心思。特别是在老师说这门课程期末时是以审核的形式计算成绩的时候，更是心里大呼安逸。因为我想，我学食品的，关化工设备扯不上什么关系。但是我在学习这门课程的过程中，逐渐意识到这门课程不像我想象中的那么简单，给我的收获也出乎我的意外。 在学习过程中，我体会到了老师的认真执教和老师耐心的讲课态度。说实话， 我真的觉得老师您讲课特别耐心，而且比较会打比方，形象。

但这么课程给我最大的惊喜还是是期末考试的内容：设计制图，PPT，答辩，说明书，设计报告。 呵呵，我当时看到这些的时候，弱弱的想：还是考试好啊~

制图的过程是很辛苦的，但我觉得其他的同学都应该有提到，我就没必要再拿这些来烦您了。我要感谢你的是， 谢谢你给了我们这次机会，让我们辛苦了一下，我们这些大学生啊，真的是养尊处优，可能对大多数同学来说，看书就算是最累的了。  我觉得我是一个懒懒的人，自主性特差，能躲则躲，躲不过才会去抗。 所以， 很感谢张老师给了我们这次锻炼的机会。  不管是制图，还是其他的。 都让我学到很多东西。 其实我真的希望大学里每一科目都难的要死，但是却不是像高中的题一样的难，而是需要通过多方面的努力和实践才能完成得到学分那种难，让学生从学习中锻炼各种能力，而不是临时抱佛脚，突袭几天就能及格。 因为现在的大学生并不是每个人都有很好的自制能力。 所以，很谢谢张老师这次的考核，希望您的这种教学模式能继续下去，让更多的学生得到锻炼。

第二章：课程总结

Ⅰ、工程力学

第一节、物体受力分析及平衡条件

1、二力平衡定律：作用于同一物体上的的两个力处于平衡时，这两个力总是大小相等，方向相反，并且作用在同一直线上。

2、力偶于力矩

力偶无合力。在作用面内可以任意移动，但不改变刚体移动效果。

力偶据不变时，力和力臂可任意改变，不改变力偶对刚体的作用。

：力偶的合力偶等于力偶系中各力偶的代数和。

3、物体的受力分析及受力图

一.约束和约束反力：1.柔韧性约束.  2.光滑接触面约束  3. 固定端约束

4、平面系的平衡方程式

第一步：了解题意，简化结构简图。 第二步：选取研究对象。 第三步：画受力图。 第四步：选择坐标轴。 第五步:列平衡方程式，求解。 第六步：检验。

第二节、直杆拉伸与压缩

5、杆件变形的基本形式：

1.拉伸  2. 压缩  3.弯曲  4.剪切  5.扭弯 

6、缩时的内力与应力

一、工程力学中，把构件不受外力作用时的内力看作为零，而把外力作用后，外力引起构件各点相对位置发生变化造成构件内部产生附加力的作用，这个附加力为内力。内力可以是力，也可以是力偶。求内力最常用的方法是截面法。

根据截面的内力方向是远离构件还是面向构件，内力可以分成拉力和压力

二、直杆横截面上的应力

杆件收拉伸时的内力在横截面上市均匀分布的，它的方向与横截面垂直，这些均匀分布的内力的合力为N。如截面面积为A，则作用在单位截面面积上的内力的大小为/A

7、拉伸与压缩时材料的力学性能

一、低碳钢拉伸与压缩时的力学性能

1.弹性变形阶段及虎克定律。

弹性阶段、屈服段、强化阶段、缩颈阶段及延伸率和截面收缩率

8、低碳钢和铸铁压缩的应力应变图分析

   1.作为脆性材料，铸铁在压缩试验时所显示的力学性能的最大特点是抗压强度极限壁抗啦强度极限高出数倍。二低碳钢在静压缩试验中，当应力小于弹性极限或屈服极限时，它所表现的性质与拉伸时相似。

第三节、直梁的弯曲

9、梁的类型：1.简支梁  2 外伸梁  3.悬臂梁

10、 1.面上的内力：剪力于弯矩。2. 弯矩正负号的确定：不论是截面的左侧还是右侧，只要是向上的力均产生正弯矩，而不论看截面在哪一侧，只要是向下的外力均产生负弯矩。

11、分布载荷、剪力和弯矩间的关系

1、作用在梁上的载荷分三种：

⑴集中载荷P (N)   ⑵分布载荷q (N/m)   ⑶集中力偶T (N/m)

载荷不同，梁各横截面上的剪力和弯矩也不同，因而所得的剪力图和弯矩图也各不相同。

2、载荷与剪力、弯矩之间的关系

dQ/dx=q        dM/dx=Q        d²M/dx²=q

12、在梁纯弯曲时正应力的计算公式中有一重要的物理量—截面惯性矩。截面惯性矩仅与横截面的几何形状和尺寸有关。反映的是横截面的几何性质。

介绍了几种常见的截面惯性矩和抗弯截面模量的计算公式。

1、矩形截面

J=bh³/12      W_z=bh²/6

2、圆形截面

J=πD⁴/64          W_z=πD³/32

3、圆环截面

J=π/64(D⁴-d⁴)        W_z=πD³/32(1-α⁴)    α=d/D

13、剪切

剪切的特点：1.受力特点，在构件上作用大小相等，方向相反，相距很近的两个力P  2. 变形特点，在两立之间的截面上，构件上部对其下不将沿外力作用方向发生错动，在剪断之前，两力作用线见得小矩形变成平行四边形。

Ⅱ、 化工设备常用材料

第一节、材料的性能

一、力学性能

1、强度：材料在外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力。

强度常用指标：屈服极限σ_s和强度极限σ_b

此外还有蠕变极限、持久极限、疲劳极限。

2、塑性

①概念：材料在外力作用下产生塑性变形而不产生破坏的能力。（不出现裂纹或断裂）

②指标：a、延伸率（δ）：试件拉断后，总的伸长长度与原始长度比值的百分率。

b、断面收缩率（ψ） ：断面缩小的面积与原始截面积比值的百分率。

3、硬度

材料抵抗硬物压入的能力。材料越硬，材料就越耐磨。

指标分为：①布氏硬度（HB）  ②洛氏硬度（HR）  ③维氏硬度（IIV）

4、韧性

材料对裂纹及缺口敏感程度的反映。是衡量材料抗裂纹扩展的能力。

指标：

①冲击韧性：抵抗冲击力作用而不致破坏的能力。②断裂韧性：抵抗材料存有微裂纹时而不致破坏的能力。③无塑性转变温度：材料在某一温度区间随温度的降低，其韧性值突然降低，此温度为无塑性转变温度。用于确定材料的最低使用温度。

韧性对压力容器用材料十分重要，是压力容器用钢必检项目。

二、物理性能

三、化学性能

1.耐腐蚀性：金属的化学性能是指材料所处介质中的化学稳定性，即材料是否会与周围介质大声化学或电化学作用而引起腐蚀。金属的化学性能指标主要有耐腐蚀和抗氧化性。

四、加工工艺性能

第二节、碳钢与铸铁

一、概念

碳钢：由95%的铁和4%以下的碳及1%杂质元素所组成的合金。 一般含碳量在0.02%~2%的称为刚，大于2%者称为铸铁。

二、刚的热处理

利用加热、保温、冷却等过程，使钢材在固态下发生内部晶体组织的结构变化，从而达到改变钢材性能的工艺。

钢材热处理工艺：退火、正火、淬火、调质、回火、表面淬火、热化学处理。

三、钢、铸铁、生铁的区别

钢：指含碳量 < 2%的铁碳合金。铸铁：含碳量为2.5% ~ 4.0%的铁碳合金。生铁：含碳量 > 4.3%的铁碳合金

第三节、合金钢

2、合金钢

一、合金元素对钢的影响

合金钢：在碳素钢中有意加入一些特定的合金元素以改善钢材的性能。

常加入的合金元素有：Cr、Mn、Ni、Si、Mo、V、Ti、B等。

二、合金钢的分类、牌号、性能和用途

1、分类

①按化学成份分类

低合金钢：合金元素总含量不大于5%

中合金钢：合金元素总含量不大于5~10%

高合金钢：合金元素总含量不大于10%

②按用途分类

普通低合金钢：在普通碳素钢中加入少量合金元素。

合金结构钢：在优质碳素钢中加入适量合金元素。

特殊性能钢：不锈钢及不锈耐酸钢、耐热钢、低温用钢。

2、牌号

②特殊性能钢（耐热、低温、不锈钢）牌号

三、钢材的品种和规格

1、钢板：分冷轧钢板和热轧钢板。

2、无缝钢管：分普通无缝钢管和石油裂化用无缝钢管。

3、型钢：圆、方、扁、角钢、工字钢、槽钢。

4、铸钢和锻钢：主要用于泵壳、阀门、泵叶轮等制造。

四、各类合金钢的性能与用途

1、普通低合金钢

2、锅炉钢（g

3、容器钢（R）

4、不锈耐酸钢

防止晶间腐蚀的方法：

①重新淬火②降低含碳量③在钢中加入Ti，Nb等与C亲和力更大的合金元素，将碳固定。

5、耐热钢：一般这类钢中加入Cr、Al、Si、Mo等合金元素。

常用的有：12CrMo、Cr5Mo、Cr5Ni20、1Cr18Ni9Ti

6、低温用钢

一般要求：①含碳量0.08%~0.18%      ②加入Mn，A1，Ti，Nb，V等。

常用的耐热钢：

1、抗氧化钢：直接受火加热但受力不大的零件。

如：Cr13SiAl，Cr25Ti，Cr17Ti，Cr25Ni12等。

2、热强钢：抗蠕变也有一定的抗氧化能力，如炉管，反应器。

如：12CrMo，Cr5Mo，1Cr18Ni9Ti，Cr25Ni20等。

3、金属材料的腐蚀理论和防腐措施

腐蚀是材料由于环境作用引起的破坏或变质。

一、金属材料腐蚀的分类

1、按化学机理分

①化学腐蚀②电化学腐蚀

2、按金属破坏特性分

①全面腐蚀：发生在整个金属表面。②局部腐蚀：发生在金属局部区域。

A、应力腐蚀B、孔蚀C、晶间腐蚀D、氢腐蚀

防治措施：

①降低钢中的含碳量     ②加入Cr、Mo、Ti、W、V等形成稳定碳化物。

二、金属腐蚀的评价方法

1、根据重量变化2、根据腐蚀深度

三、金属设备的防腐措施

1、衬复保护层：金属保护层、非金属保护层

2、电化学保护

1）阴极保护2）阳极保护3）添加缓蚀剂

Ⅲ、化工容器设计概述

概述

1、筒身、封头、人孔、支座、接管、液面计等

2、分类

  1. 按容器的壁温2.按承压性质 3.按制造材料 4.按应用情况5.按管理分类

二、压力容器的设计、制造规范

1、全国压力容器标准化技术委员会《钢制压力容器》GB150

2、国家劳动总局《压力容器安全监察规程》简称《容规》

3、石油部、化工部及一机部制定的《钢制石油化工压力容器设计规定》等

1、内压薄壁容器的应力理论

回转薄壳的薄膜理论

一、回转壳的几何特性

1、薄壁容器：圆筒体的外径与内径的比值  

2、回转壳的几何概念

二、内压薄壁容器设计

薄壁容器设计的理论基础

薄壁容器的概念：通常根据容器外径D1于内经D2的比值K来判断，K>1.2为厚壁容器，反之则为薄壁容器。

薄膜应力的计算公式

薄膜应力只有两向即轴向应力σ_φ、环向应力σ_θ

σ_φ=PD/4δ      σ_θ=PD/2δ

内压薄壁圆筒的设计

壁厚设计公式为：

内压球壳的强度计算

内压圆壳的壁厚设计

设计参数的确定

计算内压力与设计温度

计算内压力

设计压力P

一般当容器中装有安全阀或爆破膜时

P=（1.05~1.1）P_max

当元件承受的液柱静压力小于5%设计压力时，液柱的静压力可忽略。

设计温度

在相应的设计压力下壳体或元件可能达到的最高或最低温度，与材料的选择及许用应力的选择有关。

设计温度 ≥ 容器操作时的最高温度（+20℃）

设计温度 ≤ 容器操作时的最低温度

二、焊缝系数 φ

对焊接缺陷加以补偿，φ的大小取决于焊缝型式以及无损探伤的检验要求。

注意：

1、如同一容器中有几种焊缝系数，则分别计算，取壁厚最大值作为容器的计算壁厚。

2、若用无缝钢管作为压力容器的筒体时，φ可以取1.0

三、厚度

1、厚度附加量C

⑴C1为板厚负偏差，由钢板的名义厚度确定（反算法）

①当钢板厚度负偏差 ≤ 0.25mm，且 ≤ 6%δ_n，可取C1=0

②C1也可根据需要限定，此时C1=0.25mm

⑵腐蚀余量C2

四、许用应力和安全系数

许用应力的计算公式：

[σ]^t=极限应力/安全系数

[σ]^t与设计温度及板厚有关。

五、内压薄壁容器强度设计步骤

1、由工作压力P及工作温度t得出设计压力、设计温度及计算压力Pc

2、由操作条件（P、t，介质是否腐蚀）确定容器的材料，然后选择[σ]^t，φ，C

3、计算厚度δ

名义厚度：再向上圆整至标准厚度

六、内压薄壁容器强度校核步骤

有效厚度：

容器的强度校核：

判断     

七、压力试验

1、类别：强度试验、致密性试验

试验用介质：液体、气体

2、实验压力：

4、压力试验的注意事项

①液压试验温度应低于液体的沸点温度而高于材料的转脆温度。

②采用洁净水进行水压试验，完毕后用压缩空气将内部吹干。

③不适合接触液体的容器，应采用气压试验。

5、凸形封头的强度

封头就是容器的端盖。

锥形封头、凸形封头（椭圆形、半球形、碟形）、平盖板封头。

一、椭圆形封头

标准椭圆形封头的长短轴之比为1比2

计算厚度公式：)

①标准椭圆形封头一般带有直边，以减小边缘应力的影响。

②δ_e  ≥ 0.15%D_i

二、半球形封头(受力最好，制造难度大)

计算厚度公式：δ=P_cD_i/（4[σ]^tφ-P_c）

三、蝶形封头(应力分布比标准椭圆形封头差一些)

计算厚度公式：δ=MP_cR₁/(2[σ]^tφ-0.5P_c)

形状系数

标准蝶形封头 R₁=0.9D_i     r=0.17D_i

则   

第四节、法兰支座开孔附件

法兰的选取

选两个参数：公称直径DN、公称压力PN

选取步骤

①由设计压力、设计温度、介质特性选取法兰类型及法兰材料。

②保证管子或设备公称直径与法兰的公称直径相等。

③使所选法兰的公称压力在设计温度下所能承受的最高工作压力 ≥ 设计压  支座的选取

支座的分类：卧式容器支座、立式容器支座

一、卧式容器支座

分为：①鞍座   ②圈座

1、圈座

在容器的外周焊一圈型钢。有加强作用，但不能适应温度变化所引起的热变性的影响。

2、鞍座的结构

分为轻型、重型两种。

轻型（A型）——适用于重量较轻的设备的支撑。

重型（B型）——适用于重量较重的设备的支撑。

同一型号的鞍座又分：固定鞍座（F型）和滑动鞍座（S型）。

对同一台设备或容器，一般选用两个鞍座，即固定、滑动鞍座各一个。

一、基本概念

1、应力集中现象

由于开孔接管后，壳体的结构连续性破坏，此处在操作压力作用下，会产生比不开孔接管时基本应力大数倍的应力，这种现象叫应力集中现象。

2、应力集中系数（K）

指开孔边缘的最大应力值与壳体上不开孔时的最大应力之比。 K=σ_实际/σ

式中：

σ——基本应力      对球壳：σ=PR/2δ　　对筒体：σ=PR/δ

σ_实际——开孔或接管处的实际最大应力。

12、开孔补强设计

一、开孔补强设计的原则

1、目的：使孔边的应力峰值降低到某一允许值，并提高器壁的强度。

2、内容

①选用合适的补强结构型式

②选用合适的补强原则（方法）确定有效的补强范围及面积。

3、补强设计原则

①等面积补强法

②极限补强法

二、补强结构

有三种结构：

①贴板补强：贴板上有一M10的透气孔，用以检查贴板与壳体焊缝的紧密性。应用条件：

a、钢板的标准抗拉强度下限值 σ_b ≤ 540MPa

b、补强圈 δ_n' ≤ 1.5δ_n

c、壳体 δ_n ≤ 38mm

②接管补强

③整体补强三、等面积补强计算方法

1、等面积补强法：补强金属的截面积等于或大于开孔时所挖去的壳体截面积。

2、计算步骤

等面积补强的设计原则：

式中：

A——开孔接管时挖去的金属截面积。

A₁——接管承受内压或外压设计所需厚度之外的多余金属厚度。

A₂——壳体承受内压或外压设计所需厚度之外的多余金属厚度。

A₃——补强区内焊缝截面积。

若      则开孔不需加补强圈

若      则开孔需加补强圈

需加补强面积

影响密封的主要因素

1、螺栓预紧力   2、温度影响   3、垫圈性能   4、法兰刚度

5、密封面型式和表面性能   6、操作条件等

垫片选择

垫片是法兰密封的必要元件。

使其能承受压力 ≥ 设计压力，能承受的温度 ≥ 设计温度并考虑介质的腐蚀性。