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1、压力容器专业知识一、压力容器设计、制造的主要特点1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。2压力容器设计计算一般要解决如下三类问题：2.1 强度在外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；2.2 刚性在外力作用（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；2.3 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。3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、
2、螺纹）连接在一起，构成一台完整的容器，然 后焊接是主要方法。4在制造的全过程中要采用多种冷、热加工方法，其中热加工（焊接、热处理、 热成形）以其技术的复杂性、质量要求的多样性以及质量检验的难度，成为影响 产品安全运行的关键。5压力容器产品的质量主要是安全要求，而非性能要求，因此采取严格的市场 准入（单位、人员）制度，以及全过程（设计、制造、使用）质量控制。二、压力容器的分类分类方法很多，主要有如下几种：1按压力、品种、介质毒性及易燃介质分类1.1 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。1.2 按介质毒性及易燃性分类，主要
3、出自安全考虑，即一旦发生事故（爆炸、泄 漏等）的危害程度。2按制造许可级别分类2.1 按制造许可级别分类，一般考虑如下一些因素：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。2.2 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3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 进行物理、化学反应
4、时，可能造成压力、温度的变化。3此外，尚有如下一些常见的分类方法：4.1 按形状分类，如圆筒形、球形、组合型（前者均为回转壳体）以及方形、矩 形等；4.2 按筒体结构分为整体式、组合式，详见后。4.3 按制造方法分为焊接（最为普通）、锻造（主要用于超高压）、铸造（主要优点是方便制造，但因其质量问题需加大安全系数，多用于小型、低压）。4.4 按材料分为金属与非金属两大类，其中：a）金属中分为钢、铸铁、有色金属与合金。其中有色金属与合金主要用于 腐蚀等特殊工况，在生产条件、生产装备、原材料验收与堆放、吊装、 运输包装，尤其是焊接等环节有一系列特殊要求。b）钢中以其化学成份又分为碳素钢、低合金钢（前
5、两者主要是强度钢）及 高合金钢（主要用于腐蚀、低温、高温等特殊工况）。我国以标准抗拉 强度下限540MPa作为高强钢分界的理由。三、压力容器设计基础知识1薄壁容器应力简化1.1 应力合理简化的主要内容a）将三向受力状态简化为两向（切向、轴向）受力状态b）将应力沿壁厚非均布视为均布c）将应力沿轴向非均布视为均布1.2 简化的目的依据外载方便计算应力1.3薄壁容器的范畴（即简化造成误差的允许范围）D /D 1.5 （力学）；D外内/D 1.2（工程）；即高、中、低压容器。外内2强度理论的选择2.1 强度理论的作用在外载引起的应力与材料极限应力间建立联系，以便计算壁厚2.2 主要强度理论的分类及选择
6、a）第一强度理论（最大主应力理论）最大主应力达到或超过材料强度极限构件 即破坏（脆断）。适用于脆性材料破坏，但ASME训1-1与GB150等仍采用，主 要原因在于经验丰富、简便，采用一定的限制条件（压力、结构、元件系数） 可保证安全。b）第三强度理论（最大剪应力理论） 最大剪应力达到或超过材料屈服极限构件 即破坏（塑性屈服），较适用于压力容器，ASMEW-2与JB4732采用。c）第四强度理论（能量理论） 均方根剪应力（考虑最大剪应力的同时，兼顾其 他剪应力对安全的影响）达到或超过材料屈服极限构件即破坏（塑性屈服）， 最适用压力容器，但需试算使用不便。3失效判据（准则）的选择3.1 失效判据的
7、作用设定整部标准规范（即产品）的安全底线3.2 失效判据（准则）的分类及选择a）弹性失效判据容器在整个使用过程（含耐压试验）材料应处于弹性，不得屈 服。偏安全、经验丰富，ASMEW-1与GB150等采用。b）塑性失效判据内壁材料进入塑性但外壁材料仍为弹性，可提高材料利用率， ASMEW-2 与 JB4732 等采用。c）爆破失效判据因材料屈服强化，内、外壁材料同时进入塑性仍不会破坏，应 力直至材料强度限前均可使用，我国超高压容器设计采用。4设计条件的确定4.1 设计条件的作用设计依据4.2 设计条件包含的内容主要为压力、温度、介质、腐蚀裕量、焊缝系数，自 然基础条件等。4.3 （最高）工作压力
8、正常工况（安全责任界限）容器顶部（最小、唯一）可 能（并非必然）出现的最大压力，由用户工艺人员提供。4.4 设计压力设定的容器顶部的最高压力，与相应设计温度一起成为设计载荷 条件（可能出现的最危险工况），由设计人员根据最高工作压力设定（大于或 大于等于）。4.5腐蚀裕量年腐蚀速率X设计寿命，指均匀腐蚀。对应力腐蚀、晶间腐蚀及 氢腐蚀等需采用其他（如选材）解决。5安全系数5.1 安全系数的作用安全性与经济性辩证统一，整部标准规范的核心5.2 为何有安全系数a）载荷误差；b）设计误差；c）材料误差；d）制造与检验的误差；e）使用中的问题；f）未可知因素。5.3 安全系数发展的历史与趋向a）单一走向
9、多元n （强度）、n （屈服）、n t（设计温度下屈服）、n （持久）、n （蠕bssDn变） 。取五者中最小许用应力。b）从高到低，下降趋势（技术进步，经验积累）。c）针对不同应力对安全的不同影响，取不同的安全系数。5.4 螺栓安全系数的特殊性避免过度上紧a）一般只对屈服点取安全系数b）依材料而异c）依规格而异6焊缝（焊接接头）系数6.1 焊缝系数的作用设计系数。考虑焊缝对容器强度的削弱，用整个增加壁厚 的方式补足6.2 焊缝系数的选取依焊接接头型式及无损检测长度（比例）确定。6.3 几个问题的解释a）相当于双面焊的全焊透对接接头，可采用多种方法实现，最终由无损检测判 断；b）一般均指纵缝，
10、环缝焊接接头系数仅在特定条件（如高塔风载）下采用；c）容规对无垫板单面焊环向接头焊缝系数的规定，应理解为对无垫板单面焊使 用的限制。7.主要受压元件设计计算中应注意的几个问题7.1 多数元件（如筒体、封头、球壳）可通过公式直接得出壁厚，部分元件（如 法兰、外压）需先假定尺寸然后进行试算校核。7.2 设计时因难以搞清开孔与焊缝的相对位置，故均按在焊缝上进行开孔补强的 设计，制造时应尽量使开孔远离焊缝。7.3 GB150 对开孔规格的限制，是等面积补强方法的限制，如需要开大孔可另寻 补强设计方法，如极限分析、安定性分析。7.4 除十字焊缝外，对封头拼板焊缝无限制，但均需 100%探伤，合格级别与容
11、 器一致。大型封头制造后，因运输原因切开到现场再组焊，不属拼板焊缝。7.5 为减少计算工作量，避免错误，将常用规格的封头、法兰编制成标准封头、 标准法兰，供设计者选用，并非限制设计者自行设计计算。7.6 GB150 中要求筒节长度不小于 300mm 属惩罚条款，并非合理要求。8应力分析设计的一般概念8.1应力分析设计（JB4732）与规则设计（GB150）的主要区别：a）GB 1 5 0将复杂（真实）应力状态简化，只考虑一次膜应力对安全的影响，其 他应力的影响用结构限制、元件系数等方法简单处理，可满足多数一般产品安全， 设计计算简便，同一台容器采用统一的安全系数；JB4732 需进行详细的应力
12、计算与分类，可满足高参数重要产品的安全，设计 计算复杂必须采用计算机，根据不同应力的各种组合（应力强度）对安全的不同 影响分别加以不同限制。b）GB150采用第一强度理论，塑性失效准则，不适用于疲劳容器，压力适用上限 35MPa ，安全系数较高；JB4732 采用第三强度理论，弹性失效准则，可用于疲劳容器，压力适用上限100MPa ，安全系数较低。c）二者的制造检验要求无本质差别，仅JB4732要求更严格，如不允许采用局部 无损检测、每台容器均制备产品焊接试板、对接管开孔倒圆倒角有明确要求、疲 劳容器不得保留焊缝余高等。8.2 应力分类的基本知识a）按各类应力对容器安全的不同影响，将其分为一次
13、应力、二次应力与峰值应力。b）一次应力即基本应力，它有二大特征：第一，是外载荷（压力、重量、其他 外载）引起的，外载消失一次应力亦不复存在；第二，作用范围广，与结构长度 或容器半径属同一量级。由内压在圆筒与封头上引起的切向、轴（经）向应力即 属一次应力。一次应力按其在壁厚方向分布的均匀程度，又可分为一次膜应力（均布部分） 和一次弯曲应力（扣除一次膜应力后的线性分布部分）。一次膜应力对容器安全影响最大，应严格限制；对一次弯曲应力的限制可稍 宽。c）二次应力是由相邻部件的约束或结构自身约束而产生的应力，其特点是：第 一，分布局域较一次应力小，与麻属同一量级；第二，二次应力达到材料屈服 点时，仅引起
14、局部屈服，大部分材料仍属弹性，且二次应力有自限性。封头与筒体连接处由附加弯矩引起的轴、切向应力属二次应力。温差应力一 般亦属二次应力。对二次应力的限制宽于一次应力。d）峰值应力。扣除一次、二次应力后，沿壁厚非线性分布的部分即为峰值应力。 峰值应力多在壳体与接管连接处产生，其分布区域极小，与 t 一个量级，仅对疲 劳破坏产生影响。四、结构设计的一般要求1结构的重要性设计计算的基础，对安全与经济性影响极大。结构设计的基本要求是安全、方便制造与检验。任何结构都不是万能的，需 合理设计与选择。2筒体结构2.1 筒体结构分为整体式与组合式两大类2.2 整体式a）整体式结构即满足强度、刚度与稳定性需要的厚
15、度（不含耐蚀层）是由一 整块连续钢材构成。b）常见整体式结构有：单层焊接（应用最广）、锻造（主要用于超高压）、 锻焊（用于大型重要工况）、无缝管（小容器）。2.3 组合式a）满足强度、刚度与稳定性需要的厚度（不含耐蚀层）由板 板、板 带、板丝组合而成，主要用于高压容器。b）板 板有多层包扎、整体包扎、热套、绕板等c）板 带有型槽绕带、扁平纲带d）板 丝有绕丝（主要用于超高压）。2.4 整体式与组合式之比较a）在安全性方面组合式优于整体式，理由如下： 以薄攻厚，中厚板、薄板性能优于厚板； 缺陷只能在本层内扩展； 危险的纵缝（整体包扎含环缝）化整为零，各层均布； 安全泄放孔，利于报警；预应力增加安全裕度。b）组合式工艺复杂，生产周期长，且不适于做热容器。3封头结构3.1 封头分凸封头、锥形封头、平盖等三大类3.2 凸形封头a）依形状（受力）分为半球、椭圆、碟形、球冠。受力前优于后，制造方便 后优于前。b）制造方法主要为冲压（适于批
