钢制压力容器培训教材

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1、GB150 钢制压力容器 Steel pressure vessels 主要内容主要内容u1、总论 u2、受压元件 u3、外压元件（园筒和球壳） u4、开孔补强 u5、法兰u6、低温压力容器（附录C） u7、超压泄放装置（附录B） 主要内容主要内容u1、总论 u2、受压元件 u3、外压元件（园筒和球壳） u4、开孔补强 u5、法兰u6、低温压力容器（附录C） u7、超压泄放装置（附录B） 1.1 GB150适用范围压力：适用于设计压力不大于35MPa，不低于0.1MPa及真空度高于0.02MPa温度：钢材允许使用温度1 1、总论、总论适用范围适用范围适用范围适用范围1 1、总论、总论1.2 G

2、B150管辖范围容器壳体及与其连为整体的受压零部件 1）容器与外部管道连接焊缝连接第一道环向焊缝端面法兰连接第一个法兰密封面螺纹连接第一个螺纹接头端面专用连接件第一个密封面2）接管、人孔、手孔等的封头、平盖及紧固件3）非受压元件与受压元件焊接接头（如支座、垫板、吊耳等）4）连接在容器上的超压泄放装置 1 1、总论、总论1.3 容器的失效形式压力容器在载荷作用下丧失正常工作能力称之为失效。压力容器设 计说到底是壁厚的计算，壁厚确定主要是对材料失效模式的判别:弹性失效 壳体应力限制在弹性范围内，按弹性强度理论，壳体承 载在弹性状态。塑性失效 壳体应力限制在塑性范围内，按塑性强度理论，壳体承 载在塑

3、性状态。爆破失效 壳体爆破是承载能力最大极限，表示材料承载能力的极 限。压力容器失效表现为强度（断裂、泄漏）、刚度（泄漏、变形）和 稳定性（失稳）。1 1、总论、总论1.4 设计参数 1.4.1 压力（6个压力）Pw 正常工况下，容器顶部可能达到的最高压力Pd 与相应设计温度相对应作为设计条件的容器顶部的最高压力 PdPWPc 在相应设计温度下，确定元件厚度压力（包括静液柱）Pt 压力试验时容器顶部压力Pwmax 设计温度下，容器顶部所能承受最高压力，由受压元件有效厚度计算得到。Pz 安全泄放装置动作压力PwPz (1.05-1.1)PwPd Pz 1 1、总论、总论1.4 设计参数 1.4.

4、2 温度Tw 在正常工况下元件的金属温度，实际工程中，往往以介质的温度表示 工作温度。Tt 压力试验时元件的金属温度，工程中也往往以试验介质温度来表示 试验温度。Td 在正常工况下，元件的金属截面的平均温度，由于金属壁面温度计 算很麻烦，一般取介质温度加或减10-20得到。1 1、总论、总论1.4 设计参数 1.4.3 壁厚（6个厚度） c 计算厚度，由计算公式得到保证容器强度，刚度和稳定的厚度d 设计厚度，d =c +C2（腐蚀裕量）n 名义厚度，n =d +C1（钢材负偏差）+（圆整量）e 有效厚度，e=n-C1-C2=c+min 设计要求的成形后最小厚度，minn-C1 （GB150 3

5、.5.6壳体加工成形后最小厚度是为了满足安装、运输中刚度 而定；而min是保证正常工况下强度、刚度、寿命要求而定。）坯 坯料厚度坯=d +C1+C3（其中：C3 制造减簿量，主要考虑材料（黑色，有色）、工艺（模压 ，旋压；冷压，热压），所以C3值一般由制造厂定。）1 1、总论、总论各厚度之间的相互关系1 1、总论、总论1.4 设计参数 1.4.4 许用应力许用应力是材料力学性能与相应安全系数之比值：b/nb s/ns D/nD n/nn 当设计温度低于20取20的许用应力。主要内容主要内容u1、总论 u2、受压元件 u3、外压元件（园筒和球壳） u4、开孔补强 u5、法兰u6、低温压力容器（附

6、录C） u7、超压泄放装置（附录B） 2 2、受压元件、受压元件园筒和球壳园筒和球壳2.1园筒和球壳园筒和球壳壁厚是根据弹性力学最大主应力理论中径公式导出：中径（Di+）替代Di2 2、受压元件、受压元件园筒和球壳园筒和球壳是以 薄壁容器内径公式导出，认为应力是均匀分布。 随壁厚增加K值增大，应力分布不均匀程度加大，当K=1.5时，由薄壁公式计 算应力比拉美公式计算应力要低23%，误差较大；当采用（Di+）替代Di内 径后，则其应力仅相差3.8%，这样扩大了公式应用范围（K1.5），误差在 工程允许范围内。园筒受力图2 2、受压元件、受压元件园筒和球壳园筒和球壳园筒环向应力是轴向应力2倍，最大

7、主应力为环向应力，所以公 式中焊接接头系数为纵向焊缝接头系数。而球壳环向应力和径向应力是相等。按中径公式可推导出，球壳 壁厚适用范围Pc0.6t，相当于K1.353 公式中焊接接头系数为所有拼接焊缝接头系数。2 2、受压元件、受压元件封头封头2.2 封头 2.2.1 椭圆封头 1）应力分布 标准椭圆封头（a/b=2）应力分布： 2 2、受压元件、受压元件封头封头径向应力r为拉伸应力，封头中心最大，沿径线向封头底边逐渐减 小。周向应力封头中心拉伸应力，并沿径线向封头底边逐渐减小， 由拉伸应力变为压缩应力，至底边压应力最大。且a/b越大，底部压应 力愈大。出于上述考虑，GB150规定a/b2.6。

8、所以在内压作用下，封头短轴要伸长，长轴要缩短称之为趋园现象 ，在曲面与直边相连部分，封头底边径向收缩，园筒径向胀大，在边界 力作用下产生附加弯距（弯曲应力），封头上最大应力为薄膜应力和弯 曲应力之和。2 2、受压元件、受压元件封头封头2 2、受压元件、受压元件封头封头2.2.1 计算公式 可近似理解为，椭圆封头壁厚是园筒壁厚的K倍。其中： 表示为封头形状系数，a/b越大，越扁平，长轴收缩多，变形越大，应力也大。 K与Di/2hi关系查表 7.12 2、受压元件、受压元件封头封头3）稳定性 在内压作用下，长轴缩短，产生压应力，存在周向失稳可能，标准控 制最小厚度来保证。（GB150 表7-1 下

9、部说明）在外压作用下，短轴缩短，产生压应力，球面部分存在失稳可能，用 图表法进行校核计算。2 2、受压元件、受压元件封头封头2.2 封头 2.2.2 碟形封头1）应力分布碟形封头由球面、环壳和园 筒组成，应力分布与椭圆封头相 似。径向应力 r为拉伸应力， 在球面部分均匀分布，至环壳应 力逐渐减小，到底边应力降至一 半。周向应力 在球面部分为 均匀分布拉伸应力，环壳上为压 缩应力，在连接点到底边逐渐减 小，而在球面与环壳连接处最大 。碟形壳的应力与变形碟形壳的应力与变形2 2、受压元件、受压元件封头封头碟形封头与椭圆封头形状相似，不同点是应力与变形都是不连续的， 而且有两个拐点（球面与环壳、环壳

10、与园筒）在两个边界上产生附加力矩 （弯曲应力）在内压作用下，球面外凸，环壳内缩，园筒外胀。当r/R越小，球面 与环壳处产生应力最大；r/R1趋于球壳，弯距0；所以蝶形封头最大 应力在球面与环壳过度区。2 2、受压元件、受压元件封头封头2）碟形封头的计算公式 Ri/r越大，变形越大，应力也大，所以M随R/r增大而增大， M与Ri/r查表7-3可近似理解为，蝶形封头壁厚是球壳壁厚的M倍。其中： 形状系数，3）稳定性 在内压作用下，长轴缩短，产生压应力，存在周向失稳可能，标准控 制最小厚度来保证。（GB150 表7-1 下部说明）在外压作用下，短轴缩短，产生压应力，球面部分存在失稳可能，用 图表法进

11、行校核计算。同椭圆形封头同椭圆形封头2 2、受压元件、受压元件封头封头2.2 封头 2.2.3 锥形封头1）定义 锥形封头半顶角60，以大端直径为当量园筒直径(Di/cos) 方法计算（即按当量园筒一次薄膜应力计算）。同一直径处周向应力等于轴向应力2倍；不同直径处，应力是不同的 。半顶角60，按园平板计算，此时应力以弯曲应力为主，与薄膜 理论不适应的。大端30采用无折边结构； 30带折边小端45采用无折边结构； 45带折边2 2、受压元件、受压元件封头封头2）应力分析大端 轴向力T2分解成沿母线方向 N2和垂直与轴线方向P2。N2 轴向拉伸应力P2 大端径向收缩，产生径向弯 曲应力，并使周向应

12、力与压力作用 产生周向应力，方向相反而相对减 小，所以大端以一次轴向拉伸应力 +二次轴向弯曲应力为强度控制条 件2 2、受压元件、受压元件封头封头2）应力分析小端 轴向力T1分解成母线方向N1 和垂直于轴线方向P1.N1 轴向拉伸应力P1 小端径向张大，产生周向应 力。此周向应力与压力作用产生周 向应力方向一致，相互叠加，所以 小端以一次周向应力+由边界力引 起周向应力为强度条件控制值2 2、受压元件、受压元件封头封头3）计算公式 锥壳厚度由于受边界条件影响，是否需要在大、小端增设加强段，由GB150 图7-11、7-13判断，交点在左边表示二次应力影响不大，不起控制作用 ，按上式计算即可；当

13、交点在右边时，需增设加强段。大端厚度： 小端厚度：Q应力增值系数，体现边界应力作用。通常情况下，锥壳为一个厚度。则应取上述三个厚度中最大值。2 2、受压元件、受压元件封头封头2.2 封头 2.2.4平盖平盖厚度是基于园平板在均布载荷作用下一次弯曲应力来计算：K为结构特征系数，分固支（焊接）和简支（螺栓）查表7-7。比较两种边界条件下得最大挠度与最大应力，可知：挠度反映板的刚度；应力则反映强度。所以周边固支平盖的最大挠度和最大弯曲应力比周边简支要小，从 强度和刚度要求，周边固支比周边简支的为好。 休息时间休息时间主要内容主要内容u1、总论 u2、受压元件 u3、外压元件（园筒和球壳） u4、开孔

14、补强 u5、法兰u6、低温压力容器（附录C） u7、超压泄放装置（附录B） 3.1 失稳 外压元件承受的压应力，其破坏形式主要是失稳，失稳可分为周向失 稳和轴向失稳。周向失稳 断面由园形变成波形轴向失稳 轴线由直线变成波形线 3 3、外压元件（园筒和球壳）、外压元件（园筒和球壳） 周向压缩应力引起周向压缩应力引起轴向压缩应力轴向压缩应力 引起引起3 3、外压元件（园筒和球壳）、外压元件（园筒和球壳） 3.2 外压容器的设计 外压容器园筒和球壳的设计主要是稳定性计算。外压容器园筒壁厚的计算，主要是为了防止在外压作用下壳体的失稳。 为了防止失稳，应使壳体防止失稳的许用压力P大于或等于计算压力 Pc

15、.园筒稳定安全系数取3.0，球壳稳定安全系数取14.52。1）周向失稳计算 外压容器壳体壁厚计算一般采用图算法，根据壳体直径（或半径），计 算长度，假设壁厚(e)和所用材料牌号，利用图表查取系数，然后代入 公式得到许用外压力P，使PPc ；否则重新计算直至合格为止。 2）轴向失稳计算 由园筒或管子的半径，壁厚e和所用材料牌号，用图表查取系数，代入 公式得B值，使计算压力Pc小于或等于许用轴向压缩应力。许用轴向压缩 应力取设计温度下材料许用应力和B值的较小值。3 3、外压元件（园筒和球壳）、外压元件（园筒和球壳） 3.3 防止外压园筒失稳措施 防止外压园筒失稳措施主要有： 1）增加园筒壁厚； 2）缩短园筒的计算长度； 3）设置加强圈。加强圈设置应整圈围绕在园筒上，并要求有足够截面积和组合惯 性距。加强圈可设置在容器内部或外部。加强圈和园筒之间连接可 采用连续焊或间断焊。间断焊外部不少于园筒周长的1/2，内部不少 于1/3。主要内容主要内容u1、总论 u2、受压元件 u3、外压元件（园筒和球壳） u4、开孔补强 u5、法兰u6、低温压力容器（附录C） u7、超压泄放装置（附录B） 4 4、开孔补强、开孔补强 4.1 适用范围 在筒体、封头上开圆孔，椭圆孔或长圆孔。非园孔的a/b2。筒体 Di1500或凸