2010版压力容器设计人员培训

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1、压力容器设计人员培训2010-11-30 上海 长宁BV工业部 设计审核师卢 杨12压力容器设计人员培训 四个主题：一压力容器设计制造的主要特点二压力容器的分类 三. 压力容器主要失效方式 四压力容器设计基础知识 3一 压力容器设计制造的主要特点压力容器设计人员培训4IBR Seminar一、压力容器设计制造的主要特点压力容器设计一般包括结构设计（选择）、设计计算与材料选择。其中结构是设计计算的基础，即根据各类承压零部件不同的结构、形状，分别进行设计计算。 5压力容器设计计算一般要解决三类问题：1. 强度在内压作用下不允许产生塑性（永久）变形，是涉及安全的主要问题，如筒体、封头等；2. 刚性在

2、外力作用（制造、运输、安装与使用）下产生不允许的弹性变形，如法兰（密封）、管板等；3. 稳定性在外压作用下防止突然失去原有形状的稳定性，如外压及真空容器。一、压力容器设计制造的主要特点6依各类承压零部件不同的结构、形状，采用不同的加工方法分别制造，然后通过多种方法（焊接、法兰螺栓、螺纹）连接在一起，构成一台完整的容器，其中焊接是主要方法。 一、压力容器设计制造的主要特点7IBR Seminar压力容器设计人员培训二 压力容器的分类8按压力、品种、介质毒性及易燃介质分类l按压力分为低、中、高及超高压，前三种在材料、失 效判据（准则）、计算方法、制造要求上基本一致，而 超高压则截然不同。l按介质毒

3、性及易燃性分类，主要基于安全考虑，即一 旦发生事故（爆炸、泄漏等）的危害程度。二、压力容器的分类9按制造许可级别分类：a) 安全性及制造难易程度的不同，这里涉及P、PV、介质 特性、材料强度级别等；b) 工作（安放）位置分为固定与移动，移动的安全要求高 于固定，且应对减轻自重、防冲击、各类仪表的装设做特 殊考虑；c) 材料,金属与非金属制容器在制造与检验方法上有很大不 同；d) 考虑制造特点，利于专业化生产，如球罐。对不同制造许可级别的企业，提出不同的资源条件与安全 质量要求二、压力容器的分类10按生产工艺过程中作用原理分类：分为反应、换热、分离、储存四类，其中反应容器安全性要求最高，因其在进

4、行物理、化学反应时，可能造成压 力、温度的变化。二、压力容器的分类11其他常见的分类方法：l按形状分类，如圆筒形、球形、组合型、方形、矩形 等；l按筒体结构分为整体式、组合式。l按制造方法分为焊接、锻造、铸造。l按材料分为金属与非金属两大类，其中：l金属中分为钢、铸铁、有色金属与合金。l钢中以其化学成份又分为碳素钢、低合金钢及高合金 钢二、压力容器的分类12三. 压力容器主要失效方式13压力容器可能存在的八种失效方式：1. 过量的弹性变形，包括弹性不稳定；2. 过量的塑性变形；3. 脆性断裂； 4. 由应力引起破坏/蠕变变形； 5. 塑性不稳定渐增的垮塌； 6. 高应变、低循环疲劳；7. 应力

5、腐蚀； 8. 腐蚀疲劳。压力容器的常规设计方法是基于弹性失效准则； 三、压力容器主要失效方式14弹性失效准则下的四个强度理论：第一强度理论（最大主应力理论）认为材料的三个主应力中只要最大的拉应力1达到了极限应力， 材料就发生破坏。 强度条件：1 t第二强度理论（最大变形理论）认为材料的最大的应变达到了极限状态，材料就发生破坏。 强度条件： max第三强度理论（最大剪应力理论）材料的最大剪应力max达到了极限应力，材料就发生破坏。 强度条件：max =（1-3） t三、压力容器主要失效方式15第四强度理论（剪切变形能理论）材料变形时，即内部变形能量达到材料的极限值时， 材料破坏。强度条件：e=

6、(1-2)2+(2-3)2+(3-1)2 t三、压力容器主要失效方式16四. 压力容器设计基础知 识压力容器设计人员培训171. 压力容器设计应遵循的基本法规和规程特种设备安全监察条例 TSG R0004-2009 固定式压力容器安全技术监察规程TSG R0003-2007 简单压力容器安全技术监察规程TSG R1001-2008 压压力容器压压力管道设计许设计许 可规则规则 四、压力容器设计基础知识182. 标准和法规（规程）的关系。容规第1.8条规定：本规程规定了压力容器的基本安 全要求，有关压力容器的技术标准、管理制度等，不得 低于本规程的要求。 因此，当标准与法规或规程有不一致时，应按

7、法规（ 或规程）的规定执行。四、压力容器设计基础知识193. 压力容器的含义（定义）特种设备安全监察条例的第八章“附则”中： 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 范围规定为最高工作压力大于或者等于01MPa（表压） ，且压力与容积的乘积大于或者等于25MPaL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 固定式容器和移动式容器；盛装公称工作压力大于或者等 于02MPa（表压），且压力与容积的乘积大于或者等于 10MPaL的气体、液化气体和标准沸点等于或者低于 60液体的气瓶；氧舱等。 四、压力容器设计基础知识204. 压力容器设计标准简述GB150-199

8、8钢制压力容器JB/T4735-1997 钢制焊接常压容器JB4731-2005钢制卧式容器JB4710-2000钢制塔式容器GB151-1999管壳式换热器HG20580HG205851998 其它配套标准，如零部件：封头、法兰、支座、补强圈 、吊耳等标准，材料标准、焊接标准等。四、压力容器设计基础知识21四、压力容器设计基础知识5. 对设计单位资质的要求 容规中第3.2条对压力容器的设计单位资质规定：压 力容器设计单位的许可资格、设计类别、品种和级别范 围应当符合压力容器压力管道设计许可规则的规定 ；总体采用规则设计标准，局部参照分析设计标准进行压 力容器受压元件分析计算的单位，可以不取得

9、应力分析 设计许可项目资格；22四、压力容器设计基础知识6. D1级和D2级压力容器说明根据TSG R1001-2008 压压力容器压压力管道设计许设计许 可 规则规则 中第三条规定， 压力容器设计类别和级别的划 分是：（一）A级、（二）C级、（三）D级、（四） SAD级。其中D级又分：D1级和D2级。1D1级 系指第一类压力容器2D2级 系指第二类压力容器23四、压力容器设计基础知识7. 定义设计压力：指设定容器顶部的最高压力，与相应的设计 温度一起作为设计载荷条件，其值不得低于工作压力。计算压力： 指在相应设计温度下，用以确定元件厚度的 压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静压 力

10、小于5%设计压力时，可忽略不计。试验压力： 指压力试验时，容器顶部的压力。最大允许工作压力 ：设备所能承受的最大的工作压力， 不同于最高工作压力。24设计温度 指容器在正常工作情况下，设定的元件的金 属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。设计温度与 设计压力一起作为设计载荷条件。试验温度 指压力试验时，壳体金属的温度。 四、压力容器设计基础知识25计算厚度：指按厚度计算公式计算得到的厚度。 设计厚度：计算厚度与腐蚀裕量之和。名义厚度：指设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整 至钢材标准规格的厚度。即标在图样上的厚度。 有效厚度： 指名义厚度减去腐蚀裕量和钢材厚度负偏差 。四、压力容器设计基础知识

11、26四、压力容器设计基础知识27厚度附加量：由钢材厚度负偏差C1和腐蚀裕量C2两部 分组成。钢材厚度负偏差：按钢材标准的规定；当钢材厚度负偏 差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，厚度负 偏差可忽略不计。腐蚀裕量： 为防止容器元件由于腐蚀、机械磨损而导 至厚度的削弱减薄，应考虑腐蚀裕量。对有腐蚀或磨损 的零件，应根据预期的容器寿命和介质对钢材的腐蚀速 率而定。腐蚀裕量= 腐蚀速率 X 设计使用年限（毫米/年 X 年 = 毫米）四、压力容器设计基础知识28IBR Seminar腐蚀分类：均匀腐蚀 金属表面出现各部分的腐蚀速度大致相同的连 续腐蚀；非均匀腐蚀 金属表面各部分具有不同速度的

12、连续性破坏 ；局部腐蚀 局部发生腐蚀，如点蚀（呈一个个的点状）和 斑点腐蚀（呈一个个的斑点状）；应力腐蚀 由侵蚀介质和应力同时作用下所导致的腐蚀； 应力腐蚀破裂是金属在持久拉应力和特定腐蚀介质联合作 用下，出现的脆性破裂。四、压力容器设计基础知识29应力腐蚀过程是金属材料、腐蚀介质和拉应力三个因素共同作用 ，使金属电化学腐蚀加剧并产生破裂的过程。典型的应力腐蚀有：（a）液氨容器的应力腐蚀开裂；（b）含湿H2S容器的应力腐蚀开裂；（c）含苛性碱介质的应力腐蚀开裂；（d）NO3-引起的低碳和低合金钢容器的应力腐蚀开裂；（e）氯离子引起的不锈钢容器的应力腐蚀。（奥氏体不锈钢制压 力容器用水进行液压试

13、验时，应严格控制水中的氯离子含量不超 过 25mg/L 。试验合格后，应立即将水渍去除干净。） 四、压力容器设计基础知识30晶间腐蚀：在腐蚀介质的作用下起源于金属表面并沿晶 界深入内部，使晶粒间结合力损伤，严重时材料强度几 乎消失，这种现象称为晶间腐蚀。不锈钢的晶间腐蚀， 通常用“贫铬” 理论解释 。目前提高奥氏体不锈钢抗晶间腐蚀能力的措施大致有：固溶处理1010-1120加热后适当快冷，使（Cr 、 Fe)23C6(碳化铬)固溶于奥氏体。 降低钢中含碳量采用超低碳（C003%或更低） 。添加稳定碳化物元素添加Ti或Nb等稳定化元素， 并经850-900稳定化处理，形成固定碳的TiC或NbC

14、。31标准中的材料的腐蚀速率，是对于均匀腐蚀而言，亦即 钢材表面的腐蚀速率（毫米/年）各处基本相同。此外，由于金属所处的介质情况（如介质的腐蚀性、浓 度和温度）不同，腐蚀程度不同，因此，采用不同的腐 蚀裕量。载荷： 设计时应考虑的载荷有内压、外压或最大压力差；液体静压力；根据容器的具况，还可能考虑自重 ，内件重和附属设备等等的影响。 四、压力容器设计基础知识32 最小厚度：容器在较低内压力作用下，按厚度计算方法 得到的厚度很小，虽然能满足容器的强度要求，但刚度不 够。为解决刚度问题，规定了壳体加工成形后不包括腐蚀 裕量和加工减薄量的最小厚度：a)对碳素钢、低合金钢制容器，不小于3 mm；b)对

15、高合金钢制容器，不小于2 mm。因此，碳素钢和低合金钢制的容器的最小名义厚度应 不小于4 mm。四、压力容器设计基础知识33许用应力：将钢材的抗拉强度b和屈服点s分别除以各 自的设计安全系数后，取二值的小者作为材料的许用应力 。容器使用钢材常用指标是力学性能，在D类容器中，主要 指标是材料的抗拉强度b和屈服点s（或0.2）。容器使用中达到屈服或断裂时即为破坏，在实际应用中 必须控制容器的材料受力处在安全范围内，即除以系数n ，n称为材料许用应力系数（即是设计安全系数）。从钢常温抗拉强度考虑，设计安全系数取3（现为2.7） ；按钢的设计温度下的屈服强度考虑选用的设计安全系数 ：对碳素钢和低合金钢取1.6（现为1.5）；对高合金钢取 1.5。四、压力容器设计基础知识34说明：考虑安全系数是基于如下因素：材料的性能稳定性存在偏差；估算载荷状态及数值偏差；计算方法的精确程度；制造工艺及允许偏差；检验手段及严格程度；使用中的操作经验等六个方面。在确定具体材料的许用应力时，还要结合材料的质量因 素。四、压力容器设计基础知识35焊接接头形式及分类分类目的: