压力容器设计绪言

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1、压力容器设计绪言 潘家祯 教授 Pressure Vessel Design1压力容器设计方法问题与技术进展1. 概述1.1 现代化企业的雄姿1.2 压力容器的特点1.3 压力容器的应用1.4 压力容器规范2. 压力容器基础2.1 压力容器的结构与分类2.2 压力容器的基本要求2.3 压力容器的安全2.4 压力容器的检验和监控2.5 压力容器的设计方法2.6 压力容器的失效形式2.7 压力容器材料21.概述1.1 现代化企业的雄姿31.概述1.1 现代化企业的雄姿41.概述1.1 现代化企业的雄姿51.概述1.1 现代化企业的雄姿现代化企业的召唤，需要新一代的接班人，企业未来的主人，怎样挑起肩

2、上的责任？把美好的理想，化作人生的辉煌。培养你们的才能，誓作祖国的栋梁。 6承受一定压力，与外界形成一个封闭系统的容器，称为压力容器。如所有过程装备的壳体、航天器与潜艇的壳体; 水压机的液压缸；压缩机的储罐；发酵罐；锅炉，核电站核容器；液化石油气罐等。1. 概述 1.21.2 压力容器的特点压力容器的特点l 基本概念 Basic Concept7l 锅炉、换热器、加热炉 = 圆筒外壳 + 传热管束l 核反应堆 = 圆筒安全壳 + 核反应零部件l 塔器 = 圆筒外壳 + 传质元件（浮阀、填料等）l 反应釜 = 圆筒夹套 + 搅拌器l 压缩机、真空泵 = 圆筒气缸 + 活塞l 透平机、泵 = 蜗壳

3、 + 叶轮 l 应用的广泛性1. 概述 1.21.2 压力容器的特点压力容器的特点8化学工业反应釜，换热器，储罐石油工业精馏塔，换热器，储罐航天飞机，火箭，宇宙飞船机械水压机，储能器，压缩机，液压缸食品杀菌锅，发酵罐印染高压染缸造纸烘缸动力锅炉，核电站核容器民用液化石油气罐1. 概述 1.31.3 压力容器的应用压力容器的应用9 容器应用的广泛性 压力容器不仅广泛用于化学、石油化工、 医药、冶金、机械、采矿、电力、航天航空、交通运输等工业生产部门，在农业、民用和军工部门也颇常见，其中尤以石油化学工业应用最为普遍，石油化工企业中的塔、器、釜、槽、罐无一不是贮器或作为设备的外壳，而且绝大多数是在压

4、力温度下运行，如一个年产30万吨的乙烯装置，约有793台设备，其中压力容器281台，占了35.4%。1. 概述 1.31.3 压力容器的应用压力容器的应用10（1）量大面广 1996年12月的统计资料表明，国内在用固定式压力容器多达122.22万台 ，移动式压力容器中罐车16910辆，在用气瓶5498.7571万只；锅炉总台数也高达51.57万台。此外全国持有压力容器制造企业合计2432个，设计单位1380个。如此庞大且潜在隐患容器的存在，以及地域广泛的制造设计部门，自然成为国内外政府部门特别重视其安全管理和监察检查的原因。 1. 概述 1.31.3 压力容器的应用压力容器的应用11（2）操作

5、条件的复杂性 压力容器的操作条件十分复杂，甚至于苛刻。压力从12105Pa的真空到高压、超高压，如石油加氢为10.521.0MPa；高压聚乙烯为100200MPa；合成氨为10100 MPa；人造水晶高达140 MPa；温度从-196oC低温到超过一千摄氏度的高温；而处理介质则包罗爆、燃、毒、辐（照）、腐（蚀）、磨（损）等数千个品种。操作条件的复杂性使压力容器从设计、制造、安裝到使用、维护都不同于一般机械设备，而成为一类特殊设备。1. 概述 1.31.3 压力容器的应用压力容器的应用12（3）极其严格的安全性l压力容器承受各种静、动载荷或交变载荷，和附加机械或温度载荷；l多数容器容纳压缩气体或

6、饱和液体，若容器破裂，导致介质突然卸压膨胀，瞬间释放出来的破坏能量极大，l压力容器大多数系焊接制造，容易产生焊接缺陷，一旦检验、操作失误容易发生爆炸破裂，器内易爆、易燃、有毒的介质将向外泄漏，势必造成极具灾难性的后果。l因此，对压力容器要求很高的安全可靠性。1. 概述 1.31.3 压力容器的应用压力容器的应用13 压力容器的特点 压力 (pressure) 温度 (temperature) 介质腐蚀性（corrosion） 易燃易爆(burn and explode) 有毒有害(poison and harmful) 要求在一定的压力P、温度T和化学介质M的作用下长期安全工作，且保证密封不漏

7、。1. 概述 1.31.3 压力容器的应用压力容器的应用14压力容器的地位 举足轻重1. 概述 1.31.3 压力容器的应用压力容器的应用15锅炉压力容器安全监察暂行条例1982年2月 国务院锅炉压力容器安全监察暂行条例实施细则1982年7月 劳动人事部压力容器使用登记管理规则1989年3月 劳动人事部压力容器产品安全质量监督检验规则1990年8月 劳动人事部压力管道安全管理与监察规定1996年4月 劳动人事部等 压力容器安全技术监察规程1999年6月 国家质量技术监督局1. 概述 1.41.4 压力容器规范压力容器规范16 全国压力容器标准化技术委员会： GB150钢制压力容器在1989年3

8、月第一版，1998年第二版 GB12337钢制球形储罐 1998年 GB151钢制管壳式换热器1999年 GB4710钢制塔式容器 2000年 JB4732钢制压力容器-分析设计标准 1995年 JB4731 钢制卧式容器 2000年 JB4710 钢制塔式容器 2000年 JB/T4735钢制焊接常压容器 1989年 JB/T4700-4707压力容器法兰 2000年 JB4708钢制压力容器焊接工艺评定 2000年 JB/T4709钢制压力容器焊接工艺规程 2000年等1. 概述 1.41.4 压力容器规范压力容器规范17ASME VIII-1压力容器 1998ASME VIII-2压力容

9、器-另一规则 1998ASME VIII-3高压容器 1997JIS B8270 压力容器（基础标准）1993JIS B8271-8285压力容器(单项标准)1993EN134452002 欧盟压力容器规范1. 概述 1.41.4 压力容器规范压力容器规范182. 压力容器基础 2.1 压力容器的结构与分类基本承压部件1.筒体2.封头3.密封装置（法兰、密 封元件、紧固件）4.开孔（人/手孔）与 接管5.支座附件6.安全附件（安全阀、爆破片）7.测量与控制仪表192. 压力容器基础 2.1 压力容器的结构与分类202. 压力容器基础 2.1 压力容器的结构与分类212. 压力容器基础 2.1

10、压力容器的结构与分类22分类方法：1、按压力大小分类： 低压容器：0.1p1.6MPa 中压容器：1.6p10.0MPa 高压容器：10p100MPa 超高压容器：p100MPa。2. 压力容器基础 2.1 压力容器的结构与分类232、按作用原理分类: 反应容器：以化学反应为主，如氨合成塔、 HCL 反应器 换热容器：容器的作用主要是为了进行热交换， 如列管式换热器、板式换热器 分离容器：用于将物料分离的容器,如气提塔，旋 风分离器 贮运容器：容器的作用主要是贮放和搬运物料， 如液化气罐、球罐、槽车2. 压力容器基础 2.1 压力容器的结构与分类243、按安全管理分类压力容器安全技术监察规程：

11、 1）一类容器一类容器，属于下列情况之一者： 非易燃或无毒介质的低压容器； 易燃或有毒介质的低压分离容器和换热容器。 2）二类容器，属于下列情况之一者： 中压容器； 剧毒介质的低压容器； 易燃或有毒介质的低压反应容器和贮运容器； 内径小于1米的低压废热锅炉。2. 压力容器基础 2.1 压力容器的结构与分类25 3、按安全管理分类压力容器安全监察规程： 3）三类容器三类容器 高压、超高压容器； 剧毒介质且PV0.2m3MPa的低压容器或剧 毒介质 的中压容器； 易燃或有毒介质且PV0.5m3MPa的中压反 应容器，或PV5m3MPa的中压贮运容器; 中压废热锅炉或内径大于1米的低压废热锅炉。2.

12、 压力容器基础 2.1 压力容器的结构与分类26 压力容器的基本要求是安全性和经济性。 安全是核心问题，在充分保证安全的前提下，尽可能的做到经济。 经济性包括材料的节约，经济的制造过程，经济的安装维修。容器的长期安全运行，就是最大的经济。 充分保证安全不等于保守。不必要的采用过厚的壁厚，不仅浪费材料，而且厚板的材质与焊接质量效果极差。2. 压力容器基础 2.2 压力容器设计的基本要求27 特别重要的压力容器（如核容器），采取“按分析设计”的方法，不仅提高了安全可靠性也节约了材料，降低了制造成本。下图所示的压力容器是分别按照美国机械工程师学会（ASME）锅炉与压力容器规范第VIII篇，第1分篇和

13、第2分篇设计，可以看出“按分析设计”不仅降低了重量，并且使壁厚减薄，有利于提高制造质量。2. 压力容器基础 2.2 压力容器设计的基本要求28图1-1 按不同ASME规范设计的核容器比较29当前压力容器向大容量、高参数发展，如核电站一个1500MW压水堆压力壳，工作压力为1416MPa，工作温度为250330C，容器内直径7800mm，壁厚317 mm，重650吨；又如煤气化液化装置中的压力容器工作压力为17.525MPa，工作温度为450550C，内直径为30005000mm，壁厚为200400 mm，重4002600吨，对这类容器的工艺要求和运行可靠性要求更高，显然比 一 般 压 力 容

14、器 又 有 更 高 更 严 格 的 安 全 性 要 求 。 2. 压力容器基础 2.3 压力容器的安全30国内1998年共发生锅炉、压力容器、气瓶爆炸事故132起，严重事故274起，共死亡104人，受伤371人，直接经济损失2813.58万元。锅炉、压力容器、气瓶的爆炸事故率分别为1.07次/万台，0.28次/万台，0.65次/万台。 2. 压力容器基础 2.3 压力容器的安全31 1979年9月7日国内某电化厂415升液氯钢瓶爆炸，击穿5个，爆炸5个，10200公斤液氯外泄，波及7公里范围，59人死亡，779人严重中毒。 1979年12月18日国内某液化气站400M3储罐爆炸，引发3个球罐和

15、一个卧罐爆炸，5000只气瓶爆炸，600吨液化气燃烧，32人死亡，54 人伤。2. 压力容器基础 2.3 压力容器的安全32 1986年4月28日前苏联切尔诺贝利核电站压力壳发生核泄漏，31人死亡，20个国家4亿人受害。2. 压力容器基础 2.3 压力容器的安全33 1984年12月3日印度博帕尔市农药厂异氰甲酸脂储罐发生泄漏，2580人死亡，125000人中毒，5万人失明。 2. 压力容器基础 2.3 压力容器的安全34(1)制造与制造过程中的检验a.焊接方法： 焊接方法由用户、设计师与制造厂协商确定。实际上设计时，必须考虑焊接方法，否则无法确定焊接接头的细节。焊接方法包括其结构设计、焊接材

16、料及焊条或焊丝焊剂的选用等。 焊接方法确定以后，焊接的工艺规程则由制造厂根据经验或试验确定。对于重要的容器必须有焊接工艺试验来确定最合适的焊接工艺规程。2. 压力容器基础 2.4 压力容器的检验和监控35b.焊后热处理 是否需要焊后热处理根据板厚和焊位的约束程度来确定。焊后热处理的作用有：消除或部分消除焊接残余内应力，消除焊接区的脆化等。2. 压力容器基础 2.4 压力容器的检验和监控36 c.焊接区的力学性能 力求使焊缝、热影响区和母材的力学性能相等。除做焊接工艺评定时需要试板测试之外还要求在筒体纵焊缝的末端附装试板，与组焊缝同时焊完，取下供以后做检验用。重要的容器需保留一部分试板，以防若干

17、年后再做金相、化学成分、及其力学性能检验。2. 压力容器基础 2.4 压力容器的检验和监控37d.制造过程中的检验 容器各部分在组焊之前必须通过各种检验，其中最重要的是焊缝质量检验，方法主要是以射线探伤与超声波探伤，辅以磁粉法和着色法以检查是否存在表面裂纹。探伤中发现的裂纹应全部消除，方法为补焊。2. 压力容器基础 2.4 压力容器的检验和监控38(2)在役检验与监控 实践证明，压力容器的爆破事故绝大多数起源与裂纹或其它缺陷的扩张。裂纹的萌生与扩展有一个过程，在投入运行前通过了检查的容器，在服役一定时间后，往往在定期检修中发现了裂纹。裂纹的萌生与扩张的原因可能是由于疲劳、应力腐蚀高温下应力的长

18、期作用等等。2. 压力容器基础 2.4 压力容器的检验和监控39(2)在役检验与监控 在役检验的方法以射线检验和超声波检验为主，辅以磁粉和着色检验以检测表面裂纹。一般化工厂在年度大修时进行检查，或根据有关规程分别逐年轮流检查。在核电站中已实行部分的连续监控。2. 压力容器基础 2.4 压力容器的检验和监控40(2)在役检验与监控 还有一个问题是材料在服役过程中的退化，包括金相组织的变化，晶界空穴或微裂纹的形成，氢侵袭及辐射脆化等等，最好在容器内放置挂片。 从以上阐述的压力容器质量保证系统的要点来看，在设计一台化工容器时必须充分考虑到以后的各个质量保证的环节。2. 压力容器基础 2.4 压力容器

19、的检验和监控41压力容器的质量保证体系定义：确保容器从设计、选材、制造、投入运行到退出服役的整个过程安全地完成使用要求而采取的有计划、系统的措施。内容：材料设计制造与制造过程中的检验在役检验与监控。2. 压力容器基础 2.4 压力容器的检验和监控42安全性 经济性足够的强度 经济可靠的材料足够的刚度（或稳定性） 经济的制造方法可靠的密封性能 低的操作和维护费用一定的使用寿命 长周期的安全运行 安、稳、长、满、优 原则：充分保证安全的前提下尽可能做到经济2. 压力容器基础 2.5 压力容器的设计方法43 设计是一台压力容器诞生的第一步，也是质量保证的第一个环节。在设计时应当周密的考虑到以后各环节

20、中可能产生的问题和相应的措施。在设计时，首先应当仔细分析用户的要求和提供的相关技术资料。根据对压力容器基本特征解，决定根据何种设计规范进行设计。根据规范的要求，容器的各部分进行应力分析。应力分析和材料选择实际上同时进行的，应力分析的结果应当是材料的性能得到充分发挥，并且尽可能使容器的各部分达到等强度。2. 压力容器基础 2.5 压力容器的设计方法44u材料的选择是重要的设计环节，它既与容器抵抗失效的能力有关，又与制造工艺密切相关。一般说，一台压力容器的设计文件包括设计计算书，施工图，技术要求等三部分。u这三部分与材料的选用，制造，检验等质量保证成为统一整体。2. 压力容器基础 2.5 压力容器

21、的设计方法45 （1）按规则设计： GB150钢制压力容器是基于经济方法的设计，其典型过程是：l确定设计载荷，选用设计公式、曲线或图表，并对材料取一个安全应力，最终给出容器的基本厚度，l根据规范许可的构造细则及有关制造检验要求进行制造。2. 压力容器基础 2.5 压力容器的设计方法46（1）按规则设计 - GB150钢制压力容器 它是我国的第一部压力容器的国家标准。这一标准的基本思路与ASMEVIII-1的基本相同，即 “按规则设计”，该标准的适用范围如下： a. 内压：0.135MPa b. 真空：不低于2000（mmH2O） c. 温度：根据钢材的许用温度及特性，从-196到钢 材的蠕变限

22、用温度2. 压力容器基础 2.5 压力容器的设计方法47 （1）按规则设计 - GB150钢制压力容器lGB容器标准中以第一强度理论为设计准则，将最大主应力限制在许用应力以内，这是与ASMEVIII-1相同的一个基本点。l不同的是，以极限强度为基准的安全系数nb，我国取nb=3， ASMEVIII-1取nb =4。l另一个不同点是，GB容器标准对局部应力参照AMEVIII-2作了适当处理，采用第三强度理论，允许凸形封头转角及开孔处的局部应力超过材料的屈服极限。2. 压力容器基础 2.5 压力容器的设计方法48（2）按分析设计uJB4732钢制压力容器分析设计标准基于考虑作用在容器上载荷的性质，

23、进行详细的应力分析，计算得到的应力按其对容器破坏的作用分类，与许用应力强度比较和评定，并加上严格的材料、制造和检验要求。 2. 压力容器基础 2.5 压力容器的设计方法49u弹性失效设计准则-限制结构不发生总体屈服u稳定性失效设计准则-限制结构不发生总体失稳u疲劳失效设计准则-在规定期限不疲劳失效u极限载荷设计准则-局部屈服区不发生塑性流动u安全性设计准则-虽局部屈服但保证结构安定u防脆性设计准则-防止因缺陷而低应力脆断u防蠕变失效设计准则-防止过度蠕变及蠕变断裂2. 压力容器基础 2.5 压力容器的设计方法50u弹 性 设 计 准 则 容器不出现涉及总体范围的较大变形，即在内压其它拉伸等静力

24、载荷在器壁中所引起的最大应力不超过材料的弹性极限。如考虑设计安全裕度，则限制在材料的许用应力以下。2. 压力容器基础 2.7 压力容器的设计准则51u塑 性 设 计 准 则 即极限载荷设计准则当容器总体范围进入整体塑性变形或局部区域沿整个壁厚进入塑性变形时，则认为容器己耗尽承载能力而失效。2. 压力容器基础 2.5 压力容器的设计方法52 过度变形失效：鼓胀、弯曲、扭转、失稳（过载、减薄、高温） 断裂失效： 韧性断裂（过载、减薄） 脆性断裂（材料脆性、缺陷引起的低应力脆断） 疲劳断裂（未漏先爆、未爆先漏） 环境断裂（介质与应力引起的应力腐蚀断裂） 蠕变断裂（温度0.4T熔/K） 表面损伤失效:

25、 腐蚀，磨损2. 压力容器基础 2.6 压力容器的失效形式53韧性断裂2. 压力容器基础 2.6 压力容器的失效形式54脆性断裂2. 压力容器基础 2.6 压力容器的失效形式55疲劳断裂2. 压力容器基础 2.6 压力容器的失效形式56应力腐蚀断裂2. 压力容器基础 2.6 压力容器的失效形式57 压力容器制造中大多数采用冷加工卷板和焊接，因此容器钢板必须具有良好的加工性和可焊性。不是所有的钢材都可以用制造压力容器的。 压力容器用钢板比一般钢板的求严，体现在：对化学成分的控制较严格，抽样检验率较高，力学性能检验增加了冲击性能的要求等。2. 压力容器基础 2.7 压力容器材料58压力容器材料选用

26、的基本要求l容器承受压力或其它载荷，容器的材料应具有足够的强度，强度过低势必使容器过厚，而强度过高又将影响材料的其它力学性能。l容器制造时采用冷卷及热冲压成型工艺，材料应具有良好的塑性，使冷卷及热冲压时不裂不断。l容器须具有良好的韧性，具有足够的安全使用寿命。大部分容器都要焊接，因此材料要有良好的可焊性。2. 压力容器基础 2.7 压力容器材料59l化学成分控制严格是容器用钢的主要特点。化学成分的变化对钢材的基本力学性能如强度及塑性，韧性等较大影响，对热处理效果也有较大影响。l碳含量偏高使强度增加，但导致可焊性变差，焊接时容易在热影响区出现裂纹。l微量元素的含量必须严加控制，否则会加剧回火脆性

27、。l硫含量过多会影响断裂韧性，也易出现裂纹。l钼能提高钢的高温强度，但含量超过0.005时会影响可焊性。2. 压力容器基础 2.7 压力容器材料60力学性能的要求l材料的力学性能主要是指强度、塑性与韧性。这些性能指标常常被误认为是材料的一种属性。l实际上，材料的力学性能固然取决于化学成分，还取决于材料热处理后的组织状态，往往有一定的分散性。l对于循环载荷情况，通常将材料性能的特定表现称为材料在一定条件下的“机械行为”。2. 压力容器基础 2.7 压力容器材料61力学性能的要求l强度是衡量材料抵抗外载荷能力大小的力学指标。通常用拉伸试样测得抗拉强度和屈服极限，这两个指标可表征材料的强度。也是容器

28、设计计算中用以确定许用应力的主要依据。l屈服点于抗拉强度之比称之为屈强比，屈强比可反映材料屈服后强化能力的高低，高强钢的屈强比值较高。2. 压力容器基础 2.7 压力容器材料62屈服点 s屈服强度0.2抗拉强度 b断后伸长率 5断面收缩率 屈强比sb材料的拉伸试验2. 压力容器基础 2.7 压力容器材料63钢板的冷弯试验塑性指标除5之外的另一指标，通常要求冷弯角=180时不裂不断。弯心直径d是关键，d=0.5a，a，1.5a，2a等。a为板厚，宽度b=2a2. 压力容器基础 2.7 压力容器材料64关于韧性的概念l韧性是与强度和塑性完全不同但又密切相关的。韧性主要是指材料在塑性变形直至断裂的全

29、过程中吸收能量的能力。因而韧性是材料强度和塑性的综合反映。l强度是指材料抵抗变形与断裂的能力，l塑性是指至断裂时总的塑性变形程度。其中弹性变形功可忽略。2. 压力容器基础 2.7 压力容器材料65韧性的指标冲击韧性 Akv、动载、缺口(一般称为冲击吸收功)断裂韧性 KIC、JIC、CTOD韧脆转变温度 FATT无塑性转变温度 NDT均在一定程度上反映了材料对应力集中的敏感性。2. 压力容器基础 2.7 压力容器材料66韧性指标的重要性：强度、塑性、韧性之间的关系l强度高的材料，塑性(5)及韧性(KIC、JIC)下降。l同样强度的材料，纯净度高(杂质少)塑性高，韧性也高。l例如16MnR的Akv

30、值，标准要求31J(521%)。含S、P量很低时可以实际达到140J以上。l高强钢的Akv要求值高于低强钢的，但并不以为高强钢的韧性好。例如07MnCrMoVR（CF62）的Akv 47J，517%，而断裂韧性值可以正确放映真正的韧性。l钢材的高韧性比高强度更重要，可防止低应力脆断。2. 压力容器基础 2.7 压力容器材料67压力容器设计正确选材正确设计正确制造严格检验按照规范要求减少内应力减少不连续应力无损探伤保证焊缝质量材料的韧性讨 论68压力容器为什么要用圆柱形方形容器？球形受力好，但是难制造圆柱形体积大制造方便高压设备采用管状球形容器？球片压制成形卷板焊接密封容易，直径大密封难封头压制成形方形受力不好讨 论69谢 谢！压力容器设计绪言完70