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1、1 压力容器导言,1.1 压力容器总体结构,1.1.1 压力容器基本组成,1.3 压力容器规范标准,1.2 压力容器分类,1.1.2 压力容器零部件间的焊接,1.2.1 介质危害性,1.2.2 压力容器分类,1.3.1 国外主要规范标准简介,1.3.2 国内主要标准规范介绍,1.1.1 压力容器基本组成,压力容器=功能内件+受压外壳,一般包括筒体、封头、密封装置、开孔接管、支座和安全附件，其功能是提供能承受一定温度和压力的密闭空间。,外壳,压力容器的总体结构,筒体,封头,封头拼接焊缝,环焊缝,纵焊缝,法兰,支座,人孔,补强圈,压力表,安全阀,液面计,(1) 筒体,提供工艺所需的承压空间，是压力
2、容器最主要的受压元件之一，其内直径和容积往往需由工艺计算确定。,作用：,圆柱形筒体按其结构可分为:,单层卷焊式、整体锻造式、锻焊式,多层式、缠绕式,(2) 封头,根据几何形状的不同,(3) 密封装置,(4) 开孔与接管,由于工艺要求和检修的需要，常在压力容器的筒体或封头上开设各种大小的孔或安装接管，如人孔、手孔、视镜孔、物料进出口接管，以及安装压力表、液面计、安全阀、测温仪表等接管开孔。,筒体或封头上开孔后，开孔部位的强度被削弱，并使该处的应力增大。这种削弱程度随开孔直径的增大而加大，因而容器应尽量减少开孔的数量，尤其要避免开大孔。对容器已开设的孔，还应进行开孔补强设计，以确保所需的强度。,(
3、5) 支座,(6) 安全附件,安全附件,1.2 压力容器分类,压力容器的使用范围广、数量多、工作条件复杂，发生事故所造成的危害程度各不相同。危害程度与多种因素有关，如设计压力、设计温度、介质危害性、材料力学性能、使用场合和安装方式等。危害程度愈高，压力容器材料、设计、制造、检验、使用和管理的要求也愈高。因此，需要对压力容器进行合理分类。,世界各国规范对压力容器分类的方法各不相同，本节着重介绍中国固定式压力容器安全技术监察规程中的分类方法。,(1) 按压力等级分类,内压容器又可按设计压力（p）大小分为：,(2) 按容器在生产中的作用分类,(3) 按安装方式分类,a.固定式压力容器,有固定安装和使
4、用地点，工艺条件和操作人员也较固定的压力容器。,b.移动式压力容器,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。,(4) 按安全技术管理分类,上面所述的几种分类方法仅仅考虑了压力容器的某个设计参数或使用状况，还不能综合反映压力容器的危险程度。,压力容器的危险程度还与介质危险性及其设计压力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。,固定式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
5、介质危险性以及容器在生产过程中的作用的综合分类方法，有利于安全技术监督和管理。该方法将压力容器分为三类。,T -20 -20 -40 为浅冷容器 T -40 为深冷容器,a. 常温容器,-20 T 200 ,b. 高温容器,碳钢、低合金钢： T 420 奥氏体不锈钢：T 550 ,（蠕变温度）,c. 低温容器,1.3 压力容器规范标准,(1) ASME规范,1911年美国机械工程师学会（ASME）着手编写世界上第一部有关压力容器规范锅炉建造规范.1914版，1915年春出版发行。,1.3.1 国外主要规范标准简介,(2)日本压力容器标准,JIS B 8243 压力容器构造,JIS B 8250
6、 压力容器构造 另一标准,JIS B 8270 压力容器 (基础标准),JIS B 82718285 压力容器 (单项标准),(3) 欧盟压力容器规范标准,欧盟将压力容器、压力管道、安全附件、承压附件等以流体压力为基本载荷的设备统称为承压设备。 为促进承压设备在欧盟成员国内的自由贸易，尽可能在最广泛的工业领域内实施统一的技术法规，欧盟颁布了许多与承压设备有关的EEC/EC指令（DIRECTIVE）和协调标准（HARMONIZED STANDARDS）,1.3.2 国内主要标准规范介绍,1.3.2.1 法规,特种设备安全监察条列2003年3月国务院颁布,2009年5月修订,1.3.2.2 行政规
7、章,泛指以国家质量监督检验检疫总局局长“令”形式颁布的、行政管理性内容较突出的文件。 如2001年9月发布的国家质量监督检验检疫总局第2号令锅炉压力容器压力管道特种设备事故处理规定等。,1.3.2.3 安全技术规范,安全技术规范是政府对特种设备安全性能和相应的设计、制造、安装、修理、改造、使用和检验检测等环节所提出的一系列安全基本要求，以及许可、考核条件、程序的一系列具有行政强制力的规范性文件，其作用是把法规和行政规章的原则规定具体化。,压力容器安全监察规程1981年院国家劳动总局颁布,2009年国家质检总局颁布固定式压力容器安全技术监察规程,1.3.2.4 标准,标准由标准化委员会组织制定，
8、政府代表参与。标准是法规标准体系的技术基础，是法规得以实施的重要保证。无相应标准的，不得进行压力容器产品的设计和制造。,石油化工零部件标准 1960年原化学工业部颁布,钢制石油化工压力容器设计规定 1977年原机械工业部、化学工业部、中国石化总公司颁布,GB15089钢制压力容器 ”全国压力容器标准化技术委员会“颁布,GB1502011压力容器,这是中国的第1部压力容器国家标准，其基本思路与ASME 1相同，属常规设计标准。 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-196到钢材的蠕变限用温度。 GB150只适用于固
9、定的承受恒定载荷的压力容器，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 经常搬运的容器 设计压力低于0.1MPa的容器 真空度低于0.02MPa的容器,内直径小于150mm的容器 要求作疲劳分析的容器 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,(1) GB150压力容器,JB4732是我国第1部压力容器分析设计的行业标准，其基本思路与ASME -2相同。 该标准与GB150同时实施，在满足各自要求的前提下，设计者可选择其中之一使用，但不得混用。 与GB150相比，JB4732允许采用较高的设计应力强度，在相同设计条件下，容器的厚度可以减薄，重量可以减轻。一
10、般推荐用于重量大、结构复杂、操作参数较高的压力容器设计。,(2) JB4732钢制压力容器分析设计标准,2 压力容器应力分析,2.1 载荷分析,载 荷,2.1.2 载荷工况,容器正常操作时的载荷包括：设计压力p、液体静压力gh、重力载荷mg(包括隔热材料、衬里、内件、物料、平台、梯子、管系及支承在容器上的其他设备重量)、风载荷Mw和地震载荷ME及其他操作时容器所承受的载荷。,载荷工况有三种：正常、特殊、意外。,制造完工的容器在制造厂进行压力试验时，载荷一般包括试验压力pT、容器自身的重量、 液柱静压gh 。 开停工及检修时的载荷主要包括风载荷、地震载荷、容器自身重量，以及内件、平台、梯子、管系
11、及支承在容器上的其他设备重量。,特殊载荷工况,压力试验,开停工及检修,紧急状况下容器的快速启动或突然停车、容器内发生化学爆炸、容器周围的设备发生燃烧或爆炸等意外情况下，容器会受到爆炸载荷、热冲击等意外载荷的作用。,2.2 回转薄壳应力分析,壳体的厚度：壳体两个曲面之间的距离，用t表示。,壳体的中面：与壳体两个曲面等距离的点所组成的曲面。,薄壁圆柱壳（薄壁圆筒）：比值K=Do/Di1.11.2的圆柱壳体。,薄壳：壳体厚度t与其中面曲率半径R的比值 (t/R)max0.1。,2.2.1 薄壁圆筒的应力,壳体材料连续、均匀、各向同性； 受载后的变形是弹性小变形； 壳壁各层纤维在变形后互不挤压； 应力
12、沿壁厚方向均匀分布。,基本假设,2.2.2 回转薄壳的无力矩理论,回转薄壳的几何要素,r=R2sin,为法线与oo轴的夹角,同一点的R1与R2都在该点的法线上。,半径之间的关系：,薄膜内力,弯曲内力,N、N、N、N,2.2.3 无力矩理论的基本方程,分析几种工程中典型回转薄壳的薄膜应力,承受气体内压的回转薄壳,储存液体的回转薄壳,球形薄壳,薄壁圆筒,锥形壳体,椭球形壳体,圆筒形壳体,球形壳体,2.2.4 无力矩理论的应用,适用于仅承受气压的薄壳。,A、球形壳体,B、薄壁圆筒,C、锥形壳体,锥顶r =0, =0；离锥顶越远应力越大，大端有max；任意r 处都有=2；,当半锥角 0 时，锥壳的应力
13、圆筒的壳体应力。当 90时，锥体变成平板，应力 。,椭球壳中的应力随 a/b 的变化规律,D、椭球形壳体,在顶点处和赤道处大小相等但符号相反，即顶点处为pa/t，赤道上为-pa/t,恒为拉应力，赤道处为pa/2t，顶点处达最大值pa/t,标准椭圆形封头，a/b=2。其应力情况为：,从无力矩理论两个基本方程求解,A、圆筒形壳体,关键,将 p、V 表示出来,底部支承的密闭圆筒,B、球形壳体,充满液体的球壳，支座A-A处为0,支座之上,支座之下,应力分布图,支座处有突变,支座处的应力需采用有力矩理论求解,壳体的厚度、中面曲率和载荷连续，没有突变，且构成壳体的材料的物理性能相同。,壳体的边界处不受横向
14、剪力、弯矩和扭矩作用。,壳体的边界处的约束沿经线的切线方向，不得限制边界处的转角与挠度。,对很多实际问题：无力矩理论求解+有力矩理论修正,2.2.5 回转薄壳的不连续分析,不连续效应,由于结构不连续，组合壳在连接处附近的局部区域出现衰减很快的应力增大现象，称为“不连续效应”或“边缘效应”。,不连续应力,由边缘效应引起的局部应力称为“不连续应力”或“边缘应力”。,不连续分析,分析组合壳不连续应力的方法，在工程上称为“不连续分析”。,分析思路：,a. 基本微分方程,b.微分方程通解,c.由边界条件确定积分常数,d.边缘内力,e.边缘应力,局部性,自限性,a.局部性,不连续应力随着离边缘距离x的增加
15、而呈指数函数迅速衰减以至消失，这种性质称为不连续应力的局部性。,当x 时，可忽略边缘应力。,b.自限性,不连续应力是由于连接边缘两部分的变形受到弹性约束所致，当边缘出现屈服变形时，这种弹性约束即自行缓解，变形不会连续发展，不连续应力也不再无限制地增加，这种性质称为不连续应力的自限性。,2.3 厚壁圆筒应力分析,厚壁容器:,8个未知数，只有2个平衡方程，属静不定问题， 需补充几何方程和物理方程来联立求解。,三向应力状态, 沿壁厚不均匀分布,可能需考虑热应力,K=Do/Di1.11.2,应力特点：,分析方法：,分析对象：,单层厚壁圆筒,2.3.1 弹性应力,求解远离两端处筒体的三向应力,Lam（拉
16、美）公式,周向应力 及轴向应力 均为拉应力（正值），径向应力 为压应力（负值）。,在内压pi作用下，筒壁中的应力分布规律,周向应力在内壁达最大，其值 为：,在外壁处减至最小，其值为：,内外壁 之差为：,轴向应力沿壁厚均匀分布，且为周向应力与径向应力和的一半，即, 和 沿厚度的不均匀程度与K有关，例如,热应力 厚壁圆筒的热应力 内压与温差同时作用引起的弹性应力 热应力的特点,厚壁圆筒各处的热应力见表，热应力分布如图所示。,c.内压与温差同时作用引起的弹性应力,总应力见表，应力分布情况见图。,d.热应力的特点,热应力随约束程度的增大而增大,热应力是自平衡应力（Self-balancing stress）,热应力具有自限性，屈服流动或高温蠕
