压力容器基础知识和设计2014解读

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1、压力容器设备 河北工业大学 张少峰 u涉及压力容器设计的基本法规和标准 v特种设备安全监察条例，国务院令549号，2009. 1 v固定式压力容器安全技术监察规程，国家质监总局 ，2010.12第二版，2010.12.1施行 vTSGR10012008 压力容器压力管道设计许可规则 ，2008.1.8 vGB150.1150.42011压力容器2012.3.1 vJB4732钢制压力容器分析设计标准 vNB/T 47003.12009钢制焊接常压容器 vGB151-1999管壳式换热器 5.1压力容器基础知识 一、压力容器的定义 v压力作用下盛装流体介质的密闭容器 v尺寸容积形状，压力和温度条

2、件，介质，制造材料 GB150.1150.42011压力容器2012.3.1实施，总则：适 用设计压力：钢制容器不大于35MPa；其他材料制容器按 相应引用标准确定。不适用：设计压力低于0.1MPa且真空 度低于0.02MPa的容器（常压）。 固定式压力容器： 固定式压力容器是指安装在固定位置使用的压力容器（以 下简称压力容器）。 对于为了某一特定用途、仅在装置或者场区内部搬动、使 用的压力容器，以及移动式空气压缩机的储气罐按照固定式 压力容器进行监督理。 固容规：同时具备下列条件的压力容器（适用范围）： (1)最高工作压力大于或者等于0.1MPa； (2)工作压力与容积的乘积大于或者等于2.

3、5MPaL ； (3)盛装介质为气体、液化气体以及介质最高工作温度高 于或者等于其标准沸点的液体 。 其中，超高压容器应当符合超高压容器安全技术监察规 程的规定，非金属压力容器应当符合非金属压力容器安 全技术监察规程的规定，简单压力容器应当符合简单压 力容器安全技术监察规程的规定。 只需要满足固容规总则、设计、制造要求的压力容器： 容规适用范围内，容积大于或者等于25L的下列压力容器，只需要满 足第1、3、4章的规定： (1)简单压力容器安全技术监察规程不适用的移动式空气压缩机 的储气罐； (2) 深冷装置中非独立的压力容器、直燃型吸收式制冷装置中的压力 容器、铝制板翅式热交换器、空分装置中冷

4、箱内的压力容器； (3) 无壳体的套管热交换器、螺旋板热交换器、钎焊板式热交换器； (4) 水力自动补气气压给水（无塔上水）装置中的气压罐，消防装置 中的气体或者气压给水（泡沫）压力罐； (5) 水处理设备中的离子交换或者过滤用压力容器、热水锅炉用膨胀 水箱； (6) 电力行业专用的全封闭式组合电器（如电容压力容器）； (7) 橡胶行业使用的轮胎硫化机以及承压的橡胶模具； (8) 机器设备上附属的蓄能器。 固容规适用范围的特殊规定 只需要满足固容规总则、设计和制造许可要求的压力容器： 容积大于1L并且小于25L，或者内直径（对非圆形截面， 指截面内边界的最大几何尺寸，例如矩形为对角线，椭圆 为

5、长轴）小于150mm的压力容器，只需要满足本规程总则和 3.1、4.1.1的规定，其设计、制造按照相应产品标准的要 求。 只需满足固容规总则和制造许可要求的压力容器： 容积小于或者等于1 L的压力容器，只需要满足总则和 4.1.1的规定，其设计、制造按相应产品标准的要求。 不适用范围 固容规不适用于下列压力容器： (1)移动式压力容器、气瓶、氧舱； (2)锅炉安全技术监察规程适用范围内的余热锅炉； (3)正常运行工作压力小于0.1MPa的容器（包括在进料或者 出料过程中需要瞬时承受压力大于或者等于0.1MPa的容器）； (4)旋转或者往复运动的机械设备中自成整体或者作为部件的 受压器室（如泵壳

6、压缩机外壳涡轮机外壳液压缸等）； (5)可拆卸垫片式板式热交换器（包括半焊式板式热交换器） 、空冷式热交换器、冷却排管。 特种设备安全监察条例（国务院令549号， 2009. 1修订）： 特种设备是指涉及生命安全、危险性较大的锅 炉、压力容器（含气瓶）、压力管道、电梯、起 重机械、客运索道、大型游乐设施、场（厂）内 机动车辆。(承压设备3类、机电类5类） 压力容器，是指盛装气体或者液体，承载一定 压力的密闭设备；其范围规定为： （1）最高工作压力大于或者等于0.1MPa（表压） ，且压力与容积的乘积大于或者等于2.5MPaL的气 体、液化气体和最高工作温度高于或者等于标准沸点 的液体的固定式容

7、器和移动式容器； （2）盛装公称工作压力大于或者等于0.2MPa（表 压），且压力与容积的乘积大于或者等于1.0MPaL 的气体、液化气体和标准沸点等于或者低于60液 体的气瓶； （3）氧舱。 u压力容器范围的界定 v固容规明确规定了压力容器的范围，包括压力容器本 体和安全附件。 v压力容器的本体界定在下述范围内： (1)压力容器与外部管道或者装置焊接连接的第一道环向接头的 坡口面、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、专用连接件或者管件连接的第一个密封面； (2)压力容器开孔部分（接管、人孔、手孔等）的承压盖（封头 、平盖）及其紧固件； (3)非受压元件与压力容器的连接

8、焊缝。 （GB150：非受压元件与受压元件的连接焊缝；还包括了： 直接连接在容器上的非受压元件如支座、裙座等； 容器的超压泄放装置（本条比固容规安全附件范围窄） v受压元件：容器中直接承受压力载荷（包括内压和外压） 的零部件。 v压力容器本体中的主要受压元件，包括壳体、封头（端盖 ）、膨胀节、设备法兰，球罐的球壳板，换热器的管板和 换热管，M36以上（含M36）的设备主螺柱以及公称直径大 于或者等于250mm的接管和管法兰。 v非受压元件：为满足使用要求而与受压元件直接焊接成为 整体，不承受压力载荷（只承受重力载荷）的零部件，如 支座、吊耳、垫板等。 v安全附件 压力容器的安全附件，包括直接连

9、接在压力容器上的安 全阀、爆破片装置、紧急切断装置、安全联锁装置、压力 表、液位计、测温仪表等。 二、压力容器的分类 l按材质：钢制压力容器、铝制焊接容器（JB/T4734)、钛制焊接容器（ JB/T4745) 、铜制焊接容器（JB/T4755) 、镍及镍合金焊接容器（ JB/T4756) 、锆制压力容器（NB/T47011) l按制造方法：板焊、锻焊、铸造、包扎式、绕带式容器等 l按承压方式：内压容器、外压容器 l按壁厚（k=Do/Di)：薄壁（k1.2）、厚壁（k1.2） l根据设计压力p等级：低压(L):0.1MPap 带颈平焊带颈平焊 板式平焊板式平焊) ) 、密封面型式密封面型式(

10、(凹凸面、榫槽面凹凸面、榫槽面 优于突面优于突面) )、密封面表面粗糙度、密封面表面粗糙度( (与垫片有关与垫片有关) )。垫片垫片的材料的材料( (密封性能：密封性能： 金属垫金属垫 半金属垫半金属垫 非金属垫非金属垫) )、性能、性能( (预紧比压及预紧比压及m m值值) )、使用温度、压力、使用温度、压力 及介质的限制等。及介质的限制等。紧固件紧固件的型式的型式( (全螺纹、双头、六角螺栓全螺纹、双头、六角螺栓) )、材料、材料( (专专 用级、商品级用级、商品级) )、上紧扭矩的控制等。、上紧扭矩的控制等。 检查孔： (1)压力容器应当根据需要设置人孔、手孔等检查孔，检查孔的开 设位置

11、、数量和尺寸等应当满足进行内部检验的需要； (2)对需要但是无法开设检查孔的压力容器，设计单位应当提出具 体技术措施，例如增加制造时的检测项目或者比例，并且对设备使用 中定期检验的重点检验项目、方法提出要求。 开孔补强圈的指示孔： 压力容器上的开孔补强圈以及周边连续焊的起加强作用的垫板应 当至少设置一个泄漏信号指示孔。 具体的指示孔尺寸形式满足泄漏指示即可，由设计者按相应的 结构形式和相关标准的规定确定。泄漏信号指示孔的作用是在对补强 件、垫板、固定焊缝进行密封试验时检漏及在接管角焊缝、壳体被覆 盖的焊缝泄漏时发出信号。密封试验压力一般为0.30.4MPa，介质 为空气或氮气。 u快开门式压力

12、容器 快开门式压力容器，是指进出容器通道的端盖或者封头和 主体间带有相互嵌套的快速密封锁紧装置的容器。用螺栓（例如 活节螺栓）连接的不属于快开门式压力容器（不需要安全联锁装置）。 快开门式压力容器的设计应当考虑疲劳载荷的影响。 快开门式压力容器应当具有满足以下要求的安全联锁功能： (1)当快开门达到预定关闭部位，方能升压运行； (2)当压力容器的内部压力完全释放，方能打开快开门。 特殊耐腐蚀要求： 对有特殊耐腐蚀要求的压力容器或者受压元件，例如存在晶间腐蚀、应力腐蚀、点腐蚀、缝隙 腐蚀等腐蚀介质环境时，应当在设计图样上提出相应的耐腐蚀试验方法以及其他技术要求。 耐压试验： 耐压试验分为液压试验

13、、气压试验以及气液组合压力试验。 试验压力： 内压容器内压容器 (1)(1)液压试验：液压试验： p p T T =1.25p/=1.25p/ t t (2)(2)气压试验或气液组合试验：气压试验或气液组合试验： p p T T =1.1p/=1.1p/ t t 外压容器：外压容器： （1 1）液压试验：）液压试验： p p T T =1.25p=1.25p （2 2）气压试验或气液组合试验：）气压试验或气液组合试验：p p T T =1.1p=1.1p 试验温度： 液压试验时，试验温度（容器器壁金属温度）应当比容器器壁金属无 延性转变温度至少高30；Q345R、Q370R、07MnMoVR制

14、容器进行液压试验 时，液体温度不得低于5；其他碳钢和低合金钢制容器进行液压试验时， 液体温度不得低于15；低温容器试验液体温度应不低于壳体材料和焊接 接头的冲击试验温度（取其高者）加20。如果由于板厚等因素造成材料 无延性转变温度升高，则需相应提高试验温度。 泄漏试验： 气密性试验、氦、氨、卤素检漏试验。 当压力容器盛装介质的毒性程度为极度、高度危害或者设计上不允 许有微量泄漏时，设计应当提出压力容器泄漏试验的方法和要求。 铸造压力容器盛装气态介质时，应当在设计图样上提出气密性试验 要求。 对于带有安全阀、爆破片等超压泄放装置的压力容器，如果设计 时提出气密性试验要求，则设计者应当给出该压力容

15、器的最高允许工 作压力。 设计图样上要求做气压试验的压力容器，是否需要再做泄漏试验 ，应当在设计图样上规定。 三、GB150对压力容器设计的基本要求 1、金属制压力容器；材料、设计、制造检验和验收； 2、适用的设计压力：钢制容器不大于35MPa； 3、设计温度范围：-269 900，钢制容器不得超过GB150.2列入 的材料的允许使用温度范围； 4、设计资格； 5、用户或委托方的职责；提设计条件： 6、设计单位职责： 四、压力容器失效准则及设计理论基础 u失效准则 v强度失效准则 u弹性失效准则：GB150，不允许材料进入塑性变形 u塑性失效准则：JB4732，全截面屈服进入塑性状态方为失效

16、u爆破失效准则：超高压容器设计，材料应变强化、断裂方为失效 v刚性失效准则 u刚性不足，屈曲、跨塌（外压失稳） v疲劳断裂失效准则 u承受交变载荷时，裂纹、断裂 压力容器失效准则及设计理论基础 u压力容器的失效形式 v强度失效 u爆破，过度变形 v稳定性失效 u失稳 v刚性失效 u泄漏（法兰），变形 v疲劳失效 u疲劳裂纹、开裂 v腐蚀失效 u均匀腐蚀（以腐蚀裕量解决） u晶间腐蚀（超低碳不锈钢） u应力腐蚀（H2S、NH3等介质，拉应力和腐蚀介质共同作用） u强度理论 v最大主应力理论第一强度理论 u当最大拉应力达到某一极限值时材料失效，理论上适用于脆性材料 v最大拉应变理论第二强度理论 u当最大拉伸应变达到某一极限值时材料失效，不适用于金属材料 v最大剪应力理论第三强度理论 u处于复杂应力状态下的材料，当其承受的最大剪应力达到某一极限状 态时，材料进入塑性流动而失效 u工程上广泛应用 v歪曲应变能理论