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1、项目一 压力容器任务四 压力容器的强度计算及校核容器按厚度可以分为薄壁容器和厚壁容器，通常根据容器外径Do与内径Di的比值K来判断，K1.2为厚壁容器，K1.2为薄壁容器。工程实际中的压力容器大多为薄壁容器。为判断薄壁容器能否安全工作，需对压力容器各部分进行应力计算与强度校核。一、圆筒体和球形壳体1.壁厚计算公式圆筒体计算壁厚：圆筒体设计壁厚：球形容器计算壁厚：球形容器设计壁厚：式中 圆筒计算厚度，mmd圆筒设计厚度，mmpc计算压力，MPa。pc=p+p液，当液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略Di圆筒的内直径，mmT设计温度T下，圆筒体材料的许用应力，MPa（可查表）焊接接头系数，1.0C
2、2腐蚀裕量，mm2.壁厚校核计算式在工程实际中有不少的情况需要进行校核性计算，如旧容器的重新启用、正在使用的容器改变操作条件等。这时容器的材料及壁厚都是已知的，可由下式求设计温度下圆筒的最大允许工作压力pw。式中 e圆筒的有效厚度，mm设计温度下圆筒的计算应力T：T值应小于或等于T。设计温度下球壳的最大允许工作压力pw：设计温度下球壳计算应力T：T值应小于或等于T。二、封头的强度计算1.封头结构封头是压力容器的重要组成部分，常用的有半球形封头、椭圆形封头、碟形封头、锥形封头和平封头（即平盖），如图1-4所示。工程上应用较多的是椭圆形封头、半球形封头和碟形封头，最常用的是标准椭圆形封头。以下只介
3、绍椭圆形封头的计算，其他形式封头的计算可查阅GB1502011。图1-4 封头的结构型式2.椭圆形封头计算椭圆形封头由半个椭球面和高为h的直边部分所组成，如图1-5所示。直边h的大小根据封头直径和厚度不同有25mm、40mm、50mm三种，直边h的取值可查表1-7。表1-7 椭圆形封头材料、厚度和直边高度的对应关系 单位：mm图1-5 椭圆形封头椭圆形封头的长、短轴之比不同，封头的形状也不同，当其长短轴之比等于2时，称为标准椭圆形封头。该类型封头的应力分布均匀，且同等条件下封头壁厚与圆筒体壁厚大致相等，便于焊接，经济合理，因此GB1502011推荐采用标准椭圆形封头。厚度设计计算式：校核计算式
4、：式中 K椭圆形封头形状系数。对于标准椭圆形封头，取K=1e椭圆形封头的有效厚度，mm封头设计参数的确定方法与圆筒体确定方法相同。三、设计参数的确定根据给定的工艺条件，确定式中各参数。（1）设计压力p 指设定的容器顶部的最高工作压力，设计压力应标在容器的铭牌上。（2）工作压力pw 指正常操作情况下容器顶部可能出现的最高压力。（3）计算压力pc 即在相应的设计温度下，用以确定容器元件厚度的压力，计算压力pc等于设计压力加上容器工作时所承受的液柱静压力，当元件各部位的液柱静压力小于5%的设计压力时，也可忽略不计。容器的设计压力可参照以下方法确定。当容器上装有安全阀时，设计压力应大于等于安全阀的开启
5、压力，取开启压力为1.051.1倍的工作压力；当容器上装有爆破片装置时，容器的设计压力与爆破片的形式、载荷的性质及爆破片的制造精度等因素有关，具体数值可按GB1502011的有关规定进行确定。当容器系统中装有安全控制装置，而单个容器上无安全控制装置且各个容器之间的压力难以确定时，其设计压力可按表1-8确定。表1-8 设计压力 单位：MPa盛装液化气体或混合液化石油气的容器，设计压力可按表1-9确定。表1-9 常见盛装液化气体或混合液化石油气容器的设计压力注：p50为混合液化石油气50时的饱和蒸气压，表中的1.94、1.62、0.58分别为丙烯、丙烷、己丁烷50时的饱和蒸气压。（4）设计温度 指
6、容器在正常工作情况下，设定的元件的金属温度（沿元件金属截面温度的平均值），用T表示。容器的设计温度可参照以下原则确定：容器内介质被热载体或冷载体直接加热时，设计温度按表1-10确定。表1-10 设计温度容器内壁与介质直接接触且有外保温时，设计温度按表1-11确定。表1-11 设计温度 单位：容器内介质用蒸气直接加热或被内置加热元件（如加热盘管、电热元件等）间接加热时，其设计温度取被加热介质的最高工作温度。液化气用压力容器当设计压力确定后，其设计温度就是与其对应的饱和蒸气的温度。储存用压力容器（包括液化气储罐）当壳体温度仅由大气环境条件确定时，其设计温度可取该地区历年来月平均气温的最低值，或据实
7、计算。（5）许用应力 容器壳体、封头等受压元件所用材料的许用强度，是由材料的各极限应力除以相应的安全系数来确定的。各国标准规范中所规定的安全系数均与本国规范所采用的计算、选材、制造及检验方面的规定是相适应的。为了使用方便和取值统一，GB1502011中给出了常用材料在不同温度下的许用应力，可直接查用。（6）焊接接头系数 焊接制造的容器，在焊缝中可能存在着夹渣、气孔、裂纹及未焊透等缺陷，使焊缝及热影响区的强度受到削弱，为了补偿焊接时可能出现的焊接缺陷对容器强度的影响，引入了焊接接头系数，它是接头处材料的强度与母材强度之比，用表示，见表1-12。焊接接头系数的取值与接头的形式及对其进行无损检测的长
8、度比例有关，由GB1502011的规定可按下列方法确定。表1-12 焊缝系数在什么情况下需要采取100%无损检测，可查阅相关规定。（7）厚度附加量C 容器的壁厚不仅要满足强度和刚度的要求，还要考虑钢材的厚度负偏差和介质对容器的腐蚀，所以在确定容器厚度时引入钢板或钢管的厚度负偏差C1和腐蚀裕量C2，二者之和称为厚度附加量，用C表示。一般钢板的厚度负偏差按表1-13选取。不锈复合钢板及钢管厚度负偏差在GB1502011中查取。表1-13 钢板厚度负偏差C1 单位：mm腐蚀裕量可根据介质的腐蚀性及容器的设计寿命来确定，对介质为压缩空气、水蒸气及水的碳素钢、低合金钢容器，腐蚀裕量不小于1mm；当资料不
9、全难以具体确定时，可参考表1-14选取。表1-14 腐蚀裕量C2单位：mm需要强调的是，腐蚀裕量只对发生均匀腐蚀破坏有意义。对于应力腐蚀、氢腐蚀、晶间腐蚀等非均匀腐蚀，采用增加腐蚀裕量的办法效果并不明显。这时应采用选耐腐蚀材料或其他防腐蚀办法。（8）容器厚度的确定和最小厚度 容器的厚度应既满足强度和刚度的要求，又满足腐蚀裕量及钢板规格的要求，容器的名义厚度n是指计算厚度加上厚度附加量C后，向上圆整到钢板标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度。容器的最小壁厚是指对于低压或常压容器，按照强度公式计算出来的厚度往往很薄，常因刚度不足，在制造、运输和安装过程中易发生变形。因此GB1502011限定了壳体
10、加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度min，按下述方法确定：对碳素钢、低合金钢制容器，min不小于3mm；对高合金钢制容器，min不小于2mm。四、耐压试验容器的耐压试验是在超过设计压力的条件下，对容器进行试运行的过程。目的是检查容器的宏观强度、焊缝的致密性及密封结构的可靠性，及时发现容器材质、制造、安装及检修过程存在的缺陷，是对材料选用、设计、制造及检修等各环节的综合性检查，以保证设备安全运行。耐压试验分为液压试验、气压试验以及气液组合压力试验三种。一般采用液压试验，由于结构或者支承原因，不能向容器内充灌液体，以及由于运行条件不允许残留试验液体的压力容器，可按照设计图样规定采用气压试验。对因承
11、重等原因无法注灌液体的压力容器，可根据承重能力先注入部分液体，然后注入气体，进行气液组合压力试验。对需要进行热处理的容器，必须将所有焊接工作完成并经热处理后方可进行液压试验，如果试验不合格需要补焊或补焊后又经热处理的必须重新进行压力试验。对于剧毒介质或不允许有微量介质泄漏的容器，在进行液压试验后还要进行气密性试验。耐压试验前容器各连接部位的紧固螺栓必须装配齐全、紧固妥当，试验必须用两个量程相同并经过校正的压力表，并装于容器便于观察的部位。压力表的量程在试验压力的2倍左右为宜，但不应低于1.5倍和高于4倍的试验压力。1.液压试验液压试验是将液体注满容器后，再用泵逐步增压到试验压力，检验容器的强度
12、和致密性。容器液压试验装置示意图，如图1-6所示。图1-6 容器液压试验装置示意图（1）试验介质及要求 试验介质可采用不会导致发生危险的液体，试验时液体的温度应低于其闪点或沸点。一般采用洁净的水。奥氏体不锈钢制容器进行水压试验后，应将水渍清除干净，当无法达到这一要求时，应控制水的氯离子含量不超过25mg/L。碳素钢、16MnR和正火15MnVR钢容器液压试验时，液体温度不得低于5；其他低合金钢容器，试验时液体温度不得低于15。如果由于板厚等因素造成材料无延性转变温度升高，则需相应提高试验液体温度；其他钢种容器液压试验温度按图样规定。（2）试验方法和过程确定试验压力：耐压试验压力应当符合设计图样
13、要求，且不小于下式的计算值。式中 pT试验压力，MPap设计压力，MPa容器元件材料在试验温度下的许用应力，MPaT容器元件材料在设计温度下的许用应力，MPa注：容器铭牌上规定有最大允许工作压力时，公式中应以最大允许工作压力代替设计压力p；容器各元件（圆筒、封头、接管、法兰及紧固件等）所用材料不同时，应取各元件材料的/T值中最小者。试验前应按下式校核试验压力下的圆筒应力式中 T试验压力下圆筒的应力，MPaDi圆筒内直径，mme圆筒的有效厚度，mm排净容器中的空气：试验时容器顶部应设排气口，以便充液时将容器内的空气排尽。试验过程中，应保持容器观察表面的干燥。试验时压力应缓慢上升，达到规定试验压力
14、后，保压时间一般不少于30min （在此期间容器上的压力表读数应保持不变）。然后将压力降至规定试验压力的80%，并保持足够长的时间以对所有焊接接头和连接部位进行检查。如有渗漏，应做标记，卸压后修补，修好后重新试验，直至合格为止。对于夹套容器，先进行内筒液压试验，合格后再焊夹套，然后进行夹套内的液压试验。液压试验完毕后，应将液体排尽并用压缩空气将内部吹干。（3）液压试验合格标准 无渗漏、无可见的变形、试验过程中无异常响声即为耐压试验合格。2.气压试验气压试验之前必须对容器A类和B类焊接接头进行100%的无损检测，并应增加试验场所的安全措施，该安全措施需经试验单位技术总负责人批准，并经本单位安全部
15、门检查监督。试验所用的气体应为干燥洁净的空气、氮气或其他惰性气体。碳素钢和低合金钢容器，气压试验时介质温度不得低于15；其他钢种容器气压试验温度按图样规定。试验前确定试验压力：按下式校核试验压力下的圆筒应力：式中 s圆筒材料在试验温度下的屈服点，MPa0.20.2%的屈服强度，MPa圆筒的焊接接头系数气压试验合格要求，气压试验过程中，容器无异常响声，经过肥皂液或者其他检漏液检查无漏气，无可见的变形即为合格。3.气液组合压力试验对因承重等原因无法注满液体的压力容器，可根据承重能力先注入部分液体，然后注入气体，进行气液组合压力试验。试验之前必须对容器A类和B类焊接接头进行100%的无损检测。对于气液组合压力试验，应保持容器外壁干燥，经检查无液体泄漏后，再以肥皂液或其他检漏液检查无漏气，无异常响声，无可见的变形即为合格。4.泄漏试验耐压试验合格后，对于介质毒性程度为极度、高度危害或者设
