《压力容器安全 教学课件 ppt 作者 张礼敬 03-第3章 压力容器选材与设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《压力容器安全 教学课件 ppt 作者 张礼敬 03-第3章 压力容器选材与设计（49页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第3章 压力容器选材与设计,第1节 压力容器用钢要求及类型,1.1 钢材材料的力学性能 钢材的力学性能是指钢材在外力作们下表现出来的特征，如弹性、塑性、韧性、强度、硬度等，也称为机械性能。以下对低碳钢在常温（指室温）、静载（加载速度缓慢平稳）情况下，拉伸时的力学性能做个介绍。,第1节 压力容器用钢要求及类型,第阶段 弹性阶段 第阶段 屈服阶段 第阶段 强化阶段 第阶段 局部变形阶段,第1节 压力容器用钢要求及类型,通过拉伸试验，可以获得材料力学性能的下述三类指标： （1）刚度指标：弹性模量E； （2）强度指标：屈服强度（ReH和ReL）和强度极限Rm； （3）塑性指标：断后伸长率A和断面收缩率
2、Z。,第1节 压力容器用钢要求及类型,1.2 高温条件下对钢材的要求 1. 温度对钢材力学性能的影响 2. 高温下的蠕变 3. 高温下的氧化 4. 高温下的氢腐蚀 5. 高温下钢材的组织变化 6. 提高钢材高温性能的途径,第1节 压力容器用钢要求及类型,1.3 合金元素对钢材性能的影响 在钢中加入不同种类和含量的合金元素，对钢材的性能起到明显的作用。有的元素可以起到强化作用，明显改善强度性能，有的可改善韧性，有的可以改善可焊性，或者低温、高温、耐腐蚀等性能。采用低合金高强度钢，已成为国内外压力容器钢材的主要趋势。Mn、Cr、Ni、Mo、V、Ni、Nb、Ti、B、Al等元素是主要采用的合金元素。
3、 合金元素在钢中的作用 （1）强化作用 （2）细化晶粒韧化作用 （3）耐蚀作用,第1节 压力容器用钢要求及类型,1.4 钢材的腐蚀 钢材与腐蚀性介质发生化学反应而被损害的现象叫化学腐蚀。如果伴随有局部电流现象，则是电化学腐蚀。腐蚀是造成压力容器损伤与破坏的主要因素之一。,第1节 压力容器用钢要求及类型,1.5 压力容器用钢的基本要求 （一）使用性能要求 使用性能要求主要包括以下几个方面： 1钢材应具有较高的强度，包括常温及使用温度下的强度。 2钢材应具有良好的塑性、韧性和较低的时效敏感性。 3. 钢材应具有较低的缺口敏感性。缺口敏感性是指在带有一定应力集中的缺口条件下，材料抵抗裂纹扩展的能力。
4、压力容器上要开孔并焊接管接头，造成应力集中，故要求钢材的缺口敏感性应低一些。 4钢材应具有良好的抗腐蚀性能及组织稳定性。,第1节 压力容器用钢要求及类型,（二）加工工艺性能要求 所用钢材应具有良好的加工工艺性能及焊接性能。在制造过程中，钢材要经过各种冷、热加工并产生较大的塑性交形，加工变形后的钢材不应产生缺陷。这要靠材料的塑性来保证。 钢材的可焊性常用碳当量来估计。因为钢材的可焊性，主要与钢材中碳的含量高低有关，也与其他合金元素含量的多少有关。合金元素对可焊性的影响较碳元素较小。通常把合金元素折算成相应的碳元素，以碳当量表示钢中碳及台金元素折算的碳的总和，以碳当量的大小粗略地衡量钢材可焊性的大
5、小。,第1节 压力容器用钢要求及类型,碳素钢及低合金结构钢的碳当量，可采用下式估算： （三）经济性,第1节 压力容器用钢要求及类型,1.6 压力容器常用钢材 1. 低碳钢 低碳钢中的含碳虽在0.25以下，还含有锰、硅、磷、硫等元素。低碳钢具有良好的塑性和韧性，便于进行各种冷热加工；可焊性良好，易于获得优质焊接接头。低碳钢强度虽较低，但采用适当壁厚可满足低、中压元件及部分高压元件对强度的要求。低碳钢价格便宜、经济性好，是压力容器中使用最多的钢材，尤以20号钢板及钢管使用最为广泛。,第1节 压力容器用钢要求及类型,2. 低合金高强度钢 压力容器中使用的低合金高强度钢，主要是钢板，用于制造高压及超高
6、压的压力容器。 低合金高强度钢的含碳量一般都不大于0.25，属于低碳低合金钢。主要依靠合金元素来强化钢材，改善和提高钢材性能。主要合金元素是锰或者锰和钼，其他合金元素还有钒、钛、铌、硼等。由于强度提高，可以使承压部件的壁厚显著减小。压力容器常用的低合金高强度钢钢板有16MnR、15MnVR等；钢管有16Mn、15MnVR、16Mo等；锻件有16Mn、15MnVR、10MnMo等；螺栓有16Mn等。,第1节 压力容器用钢要求及类型,3. 耐热钢 压力容器中采用的耐热钢主要是钼和铬钼热强钢，用于制造承受高温的过热器、再热器、蒸汽集箱、蒸汽管道等零部件，因而主要为钢管。耐热钢除具有良好的常温机械性能
7、和工艺性能外，还具有良好的高温性能，即在高温下有足够的强度，有一定防止氧化和腐蚀的能力，又有长期组织稳定性。目前，高温压力容器所用的耐热钢一般都是低合金耐热钢，常用的有钼钢 Mo、铬钼钢CrMo及铬钼钒钢CrMoV三大类。它们的合金元素含量少、工艺性能好，广泛用于制造使用温度在600以下的承压部件。常见的高温用钢有12CrMo，15CrMo，12Cr1MoV等。,第1节 压力容器用钢要求及类型,4. 低温压力容器用钢 我国将设计温度小于或等于-20的压力容器定为低温容器。液化乙烯、液氮和液氢等的储存和运输用容器均属低温压力容器。低温容器破坏的主要原因是由于承压部件在低温和应力作用下发生脆性断裂
8、，因此，用作低温容器的钢材必须是镇静钢。为防止冷脆破裂，这些钢材必须在规定低温下进行低温冲击试验，其低温冲击吸收功应满足规定。常见的低温容器用钢有10MnDR、09Mn2VDR、06MnNbDR等。,第2节 常见受压元件强度设计,2.1 概述 构件失去预定的上作能力，叫构件失效。因强度不足引起的失效，叫强度失效。构件破坏或破裂、断裂是典型的强度失效。因刚度不足或稳定性不足，会造成构件过量弹性变形或失稳坍塌，导致刚度失效或失稳失效。压力容器的失效主要是强度失效，包括静载强度不足引起的静载强度失效及交变载荷长期反复作用引起的疲劳强度失效。承受外压的压力容器部件及元件，既可能产生强度失效，也可能产生
9、失稳失效。,第2节 常见受压元件强度设计,2.2 强度设计的任务 第一，根据受压元件的载荷和工作条件，选用合适的材料； 第二，基于对受压元件一次应力的限制，通过计算确定受压元件的壁厚； 第三，根据结构各处等强度的原则，进行结构强度设计，包括焊缝布置及焊接接头结构设计开孔布置及接管结构设计，筒体与封头、管板、法兰连接结构设计，支承结构设计等。 第四，对设备制造质量及运行条件作出必要的规定。,第2节 常见受压元件强度设计,2.3 强度理论及强度条件 材料力学介绍过四种强度理论，压力容器强度设计中经常涉及的是第一、第三及第四强度理论。强度条件是依据一定的强度理论建立的强度设计准则或失效控制条件，强度
10、条件通常表达为： Si， 式中Si 是依据一定的强度理论得出的当量应力；小标i表示相应的强度理论，如S1 表示依据第一强度理论得出的当量应力；表示材料的许用应力。,第2节 常见受压元件强度设计,1第一强度理论 也叫最大拉应力强度理论。该理论认为，无论材料处于什么应力状态，只要发生脆性断裂，其共同原因都是由于构件内的最大拉应力1达到了极限值。相应的强度条件式为：S1 =1。压力容器通常是由塑性材料制成，一般不会发生脆性断裂，故不适合用第一强度理论进行失效控制。,第2节 常见受压元件强度设计,2. 第三强度理论 也叫最大剪应力强度理论。该理论认为，无论材料处于什么应力状态，只要发性屈服失效，其共同
11、原因都是由于构件内的最大剪应力max达到了极限值。相应的强度条件式为：S3 =1-3。第三强度理论适用于塑性材料，与实验结果比较吻合，压力容器进行强度设计时，均采用第三强度理论。,第2节 常见受压元件强度设计,2.4 常见受压元件强度计算 （一）承受内压薄壳的强度计算 由应力分析可知，承受内压回转薄壳呈双向应力状态，其1=，2=，3=r=0,第2节 常见受压元件强度设计,1球壳,第2节 常见受压元件强度设计,2圆筒壳,第2节 常见受压元件强度设计,3椭球壳,第2节 常见受压元件强度设计,2.4 常见受压元件强度计算 （二）单层厚壁圆筒的强度计算,第2节 常见受压元件强度设计,2.4 常见受压元
12、件强度计算 （三）圆形平封头的强度计算,第2节 常见受压元件强度设计,2.5 设计参数的确定 压力容器的设计参数主要有设计压力、设计温度、许用应力、减弱系数和附加壁厚等。 1. 设计压力 在相应的设计温度下，用以确定元件厚度的压力称为计算压力，计算压力与设计压力是有区别的，设计压力是确定容器壳体厚度的压力，考虑一定的安全裕量或考虑设置安全泄压装置等因素，而计算压力是具体受压元件的计算参考，一台设备的多个元件可能有各自的计算压力，而设计压力只有一个。,第2节 常见受压元件强度设计,2. 设计温度 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。当容器的各个部件在工作过程中可能产生不同的温度
13、时，可取预计的不同温度作为各相应部分的设计温度。,第2节 常见受压元件强度设计,3. 许用应力与安全系数 强度条件中的，取用下列四值中的最小值：,第2节 常见受压元件强度设计,4、减弱系数 （1）焊缝系数 双面焊的对接焊缝 100无损探伤 1.00 局部无损探伤 0.85 有金属垫板的单面焊对接焊缝 100无损探伤 0.90 局部无损探伤 0.80,第2节 常见受压元件强度设计,4、减弱系数 （2）孔桥减弱系数。 5. 附加壁厚 附加壁厚是考虑部件在用材、加工和使用期间器壁有可能减薄而需要增加的厚度。从选定钢板最小厚度的角度要求，附加壁厚C应包括三部分：钢板的负偏差C1，腐蚀裕量C2，加工减薄
14、量C3。C1和C3是为了使部件制成品的壁厚不小于需要的壁厚。C2是要使部件在设计使用期限内的壁厚始终不小于计算壁厚，以保证设备使用寿命。,第2节 常见受压元件强度设计,（1）钢板的负偏差 钢板厚度负偏差一般是根据我国常用钢板或钢管厚度及有关的规定选取。 （2）腐蚀裕量 腐蚀裕量取决于介质的腐蚀性能、材料的化学稳定性和容器的使用时间。 （3）加工减薄量 加工减薄量可根据部件的加工工艺条件，由制造单位根据加工工艺和加工能力自行选取。按钢制压力容器（GB 150-1998）的规定，钢制压力容器设计图纸上注明的厚度不包括加工减薄量。,第2节 常见受压元件强度设计,2.6 压力容器设计过程中各种厚度之间
15、的关系 1、计算厚度：指按照强度理论建立的厚度计算公式计算得到的厚度。 2、设计厚度d：指计算厚度和腐蚀裕量C2之和。 3、名义厚度n：指设计厚度d加上钢板的负偏差C1后向上圆整到钢材标准规格的厚度，即标注在图样上的厚度。 4、有效厚度y：指名义厚度n减去钢板的负偏差C1和腐蚀裕量C2后的厚度。,第2节 常见受压元件强度设计,第2节 常见受压元件强度设计,2.7 设计实例 一卧式圆筒形贮罐，内装浓度99%的液氨，筒体内径D=2.2m，筒长L=3.2m，两端采用标准椭球封头，贮罐最高操作温度（夏季）不超过50，具有可靠保冷措施，罐顶有安全阀，试初步确定其壁厚。,第2节 常见受压元件强度设计,强度
16、设计过程：1、设计温度；2、设计压力；3、选材；4、许用应力（查表）；5、减弱系数；6、理论计算壁厚；7、设计寿命及腐蚀裕量；8、负偏差；9、圆整到公称系列。,第3节 薄壁筒体开孔补强,开孔对壳体强度有一定程度的减弱，并在开孔及接管边缘造成应力集中，必须在强度计算中予以考虑。通常从两个角度来考虑和补偿开孔对筒体强度的影响：其一，在计算筒体壁厚时考虑孔排的减弱作用，引进孔桥减弱系数，从整体上增加筒体的壁厚，补偿孔排对强度的影响；其二，对个别大直径的单孔及过于密集的孔排，进行补强计算和补强处理。所谓补强，就是在开孔边缘部位适当添加金属，以弥补开孔对筒体（封头）强度的减弱。补强主要对象是薄壁圆筒壳，也有压力容器中的球壳及凸形封头。,第3节 薄壁筒体开孔补强,3.1 不需补强的最大孔径 开孔会减弱容器的强度，孔径越大，孔边应力集中越严重，对容器强度的减弱越厉害。显然，容器厚度设计时应留有一定的安全裕量，可以根据容器
