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1、1,压力容器设计培训,2,一范围、引用标准、总论 标准的适用范围（1.11.2节）适用的压力范围设计压力P：0.135 MPa 真空度：0.02 MPa-.-.-.-.- 0.1 -0.02 0.1 35MPa 真空容器 常压容器 压力容器GB150 JB/T4735 GB150,GB150-1998钢制压力容器 上海化工研究院 王 鲁,3,容规与GB150的适用情况介绍,4,适用的温度范围：钢材允许的使用温度。 碳素钢和碳锰钢在高于425温度下长期使用时 应考虑钢中碳化物相的石墨化倾向. 奥氏体钢的使用温度高于525时,钢中含碳量应不小于0.04%2.不适用范围 （1.3节） 3.对超出标准
2、范围的容器的处理办法（1.4节）-包括有限元法在内的应力分析；-验证性实验分析（如实验应力分析、验证性液压试验）；-用可比的已投入使用的结构进行对比经验设计。,5,4. 引用标准；5.总论： （1）GB150管辖范围：（3.3.1节3.3.4节 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,6,2）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 （2）定义：（3.4节）1)压 力除注明者外，压力均为表压
3、力。压力（6个压力）:Pw工作压力； Pd-设计压力；Pc计算压力； Pt试验压力；Pwmax最大允许工作压力； Pz 安全泄放装置动作压力PwPz (1.05-1.1)PwPd Pz,7,设计压力同计算压力的区别（1）定义不同。（2）性质不同。 （3）取值依据不同。 （4）用途不同。 （5）对于矩形等非圆形截面的压力容器，计算压力应取其水压试验时的压力，即检验和使用过程中的最大承载压力。（与设计压力没有直接关系。） （6）设计压力出现在压力容器总图或装配图的技术特性表和压力容器产品铭牌；而计算压力只出现在压力容器的计算书。 关于最大允许工作压力最大允许工作压力定义为：在设计温度下，容器顶部所
4、允许承受的最大表压力。该压力是根据容器各部分壳体的有效厚度计算所得，且取最小值。,8,2)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。 关于设计温度: 设计温度指容器在正常工作的情况下，设定的受压元件的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。它与设计压力一起作为设计载荷条件。不过，有别于设计压力是整台容器的载荷条件；设计温度是具体受压元件的载荷条件。,9, 总图或装配图
5、的技术特性表及产品铭牌上标示的设计温度是壳体设计温度的最高值或最低值，可以视为与设计压力对应的整台容器的设计载荷条件。工作温度、设计温度的表达工作温度、设计温度分别为介质温度和设定的元件金属温度。应当以具体数值标示。（3）载荷：经常性载荷；选择性载荷；（3.5.4节）（4）厚度：厚度的定义：计算厚度；设计厚度；名义厚度；有效厚度等； （3.4.8节）,10,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
6、形后最小厚度，minn-C1 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。）,11,12,1.“在设计图样上注明计算厚度”的讨论:1)对卧式容器不开检查孔时，应取卧式容器计算所采用的有效厚度和按“中径公式”计算得到的厚度两者中的较大值。2)对于有开孔补强计算的容器应当考虑补强这一因素。即根据圆筒、封头是否参与补强，若参与补强的话，则“计算厚度”尚应加上参与补强金属（A1）所要求的厚度. 此时，如采用等面积补强法，“计算厚度”应采用如下形式：2= A1/（B-d）-2（nt-C）(1-fr)+
7、1式中：A1-壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积mm21-按GB150-1998各章计算的厚度；mm2-容规笫47条要求的计算厚度；mm此时，笫一项为壳体参与补强所需厚度，笫二项为GB150-1998中各章公式所要求的厚度。显然，如果少了笫一项就会迼成局部不安全。,13,3)受外压的容器壳体和封头的计算厚度。在GB150-1998笫六章“外压圆筒和外压球壳”中，只有名义厚度n和有效厚度e,并没有直接出现外压壳体的计算厚度。此时，计算厚度应按照相应外压壳体的计算方法得出的P=PC (P:许用外压力；PC ：计算外压力 )时的有效厚度。如果是外压容器的开孔补强问题，则更增加了判断的难度。2.对
8、“标注封头成型后的最小厚度”的讨论。JB/T4746-2002钢制压力容器用封头6.3.10规定: “对于按规则设计的封头,成型封头实测的最小厚度不得小于封头名义厚度减去钢板厚度负偏差C1,但是，当设计图样标注了封头成型后的最小厚度，可按实测的最小厚度不小于图样标注的最小厚度验收。对于按分析设计的封头，实测的最小厚度不得小于封头设计厚度,14,厚度负偏差C1腐蚀裕量C2C2=NfdC2 Nf设计寿命。单位：年; dC2腐蚀速率;单位：毫米/年 腐蚀裕量考虑的原则 腐蚀裕量的选取,15,（5）壳体加工成形后不包括腐蚀裕量的最小厚度； （3.5.6节）1）.对碳钢和低合金钢制容器,不小于3mm；2
9、）.对高合金钢容器,不小于2mm；3）.碳素钢和低合金钢制塔式容器的最小厚度为2/1000的塔器内直径,且不小于4mm;对不锈钢制塔式容器的最小厚度不小于3mm；4）.管壳式换热器壳体的最小厚度应符合GB151管壳式换热器的相应规定。5)复合钢板复层的最小厚度a.为保证工作介质干净（不被铁离子污染）而采用的复合钢板，其复层厚度不应小于2mm；b.为了防止工作介质的腐蚀而采用的复合钢板，其复层厚度不应小于3mm；不锈钢堆焊层在加工后的最小厚度为3mm。6)对有防腐蚀衬里的碳钢或低合金钢制容器，其钢壳的最小厚度为5mm。,16,6）焊接接头系数：（3.7节）焊接接头系数=焊缝区材料强度/本体材料强
10、度1焊接接头系数大小与以下主要因素有关：a. 焊接接头的结构形式 b. 焊接接头无损检测的长度比例 （7）压力试验：液压试验、气压试验（3.8节）；a.液压试验 试验温度试验压力b.气压试验试验温度试验压力,17,设计中应注意：1） 对于带夹套的容器2）直立设备卧置进行液压试验3）奥氏体不锈钢制压力容器用水进行液压试验4）碳素钢、Q345R、和正火15MVR钢制容器液压试验5) 若容器各元件（圆筒、封头、接管、法兰及紧固件等）所用的材料不同时6）重叠管壳式热交换器7）容器在液压试验后，如进行修补，则应按该焊缝的原检测内容检测合格后，再次进行液压试验。8）对设计图样要求做气压试验，并经检查合格的
11、压力容器是否需再做气密性试验，应在设计图样上规定。,18,液压试验时，圆筒的薄膜应力校核式,T=, 0.9s(0.2),气压试验时, 圆筒的薄膜应力校核式,T=,0.8s(0.2),（8）致密性试验致密性试验有气密性试验或煤油渗漏试验。致密性试验压力一般取 PT=1.0P (空气或氮气),19,（9）现场组装大型容器的耐压试验：（3.9节）对不能按3.8的规定作出压力试验的容器,设计单位应提出确保容器安全运行的措施,经设计单位技术负责人批准,并在图样上注明. 关于压力试验的免除压力试验一旦免除，应当采取相应的措施来保证压力容器的安全质量。一般性的措施除了在图样中注明计算厚度和设计使用寿命外，还
12、有：（1）提高对压力容器材料的要求，包括化学成分、力学性能和检验要求。（2）提高结构设计要求：尽量采用全焊透接头，尽量避免几何不连续。（3）提高无损检测的比例和级别。（4）提高容器超压泄放的能力。,20,二内压园筒和内压球壳： 失效准则容器从承载到载荷的不断加大最后破坏经历弹性变形、塑性变形、爆破；因此容器强度失效准则的三种观点： 弹性失效弹性失效准则认为壳体内壁产生屈服即达到材料屈服限时该壳体即失效，将应力限制在弹性范围，按照强度理论把筒体限制在弹性变形阶段。认为圆筒内壁面出现屈服时即为承载的最大极限。 塑性失效 它将容器的应力限制在塑性范围，认为圆筒内壁面出现屈服而外层金属仍处于弹性状态时
13、，并不会导致容器发生破坏，只有当容器内外壁面全屈服时才为承载的最大极限。 爆破失效 它认为容器由韧性钢材制成，有明显的应变硬化现象，即便是容器整体屈服后仍有一定承载潜力，只有达到爆破时才是容器承载的最大极限,21,四个强度理论: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 =1/2（1-3） t,22,第四强度理论（剪切
14、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，材料就发生破坏。强度条件：e=1/2 (1-2)2+(2-3)2+(3-1)2 t,薄壁圆筒容器在工程中采用无力矩理论来进行应力计算，在内压P作用下，筒壁承受轴向应力和切向应力（薄膜应力）作用。由于壳体壁厚较薄，且不考虑壳体与其它连接处的局部应力，忽略了弯曲应力， 这种应力称为薄膜应力。,23,轴向应力 z=,切向应力 t=,按第一强度理论条件得,1=t=, t ,24,t,由上式 计算厚度:=,上式适用于设计压力P0.4t的范围。 相当于K1.5,这是以K1.2 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
15、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。,25,(2)内压球壳,球形容器在均匀内压作用下，球形壳体轴向应力和切向应力相等。即1 =z =t=,上述公式中，如将D=Di+代入并考虑了焊接接头系数，如采用第一强度理论时，即得出,t,=,mm;,P0.6t,26,（3）设计参数的确定,1）设计压力,容器设计时，必须考虑在工作情况下可能达到的工作压力和对应的工作温度两者组合中的各种工况，并以最苛刻工况下的工作压力来确定设计压力。对内压容器:无安全泄放装置 时:Pd=(1.01.1)PW；装有安全阀 时:不低于(等于或稍大于)安全阀开启压力(安全阀开启压力取1.051.10倍工作压力) 装有爆破片 时:取爆破片设计爆破压力加制造范围上限；,27,对真空容器:无夹套真空容器 :有安全泄放装置设计外压力取1.25倍最大内外压力差或0.1MPa两者中的小值；无安全泄放装置设计外压力取0.1Mpa；夹套内为内压:容器(真空)设计外压力按无夹套真空容器规定选取;夹套(内压)设计内压力按内压容器规定选取；外 压 容 器 :设计外压力取不小于在正常工作情况下可能产生的最大内外压力差,
