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压力容器设计人员培训 2010-11-30 上海 长宁,BV工业部设计审核师 卢杨,压力容器设计人员培训,四个主题：一压力容器设计制造的主要特点 二压力容器的分类 三.压力容器主要失效方式 四压力容器设计基础知识,一压力容器设计制造的主要特点,压力容器设计人员培训,IBR Seminar,一、压力容器设计制造的主要特点,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。,压力容器设计计算一般要解决三类问题：1.强度在内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.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；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。,一、压力容器设计制造的主要特点,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、螺纹）连接在一起，构成一台完整的容器，其中焊接是主要方法。,一、压力容器设计制造的主要特点,IBR Seminar,压力容器设计人员培训,二压力容器的分类,按压力、品种、介质毒性及易燃介质分类按压力分为低、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。按介质毒性及易燃性分类，主要基于安全考虑，即一旦发生事故（爆炸、泄漏等）的危害程度。,二、压力容器的分类,按制造许可级别分类：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。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,二、压力容器的分类,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、化学反应时，可能造成压力、温度的变化。,二、压力容器的分类,其他常见的分类方法：按形状分类，如圆筒形、球形、组合型、方形、矩形等；按筒体结构分为整体式、组合式。按制造方法分为焊接、锻造、铸造。按材料分为金属与非金属两大类，其中：金属中分为钢、铸铁、有色金属与合金。钢中以其化学成份又分为碳素钢、低合金钢及高合金钢,二、压力容器的分类,三.压力容器主要失效方式,压力容器可能存在的八种失效方式：1.过量的弹性变形，包括弹性不稳定；2.过量的塑性变形；3.脆性断裂；4.由应力引起破坏/蠕变变形；5.塑性不稳定渐增的垮塌；6.高应变、低循环疲劳；7.应力腐蚀；8.腐蚀疲劳。压力容器的常规设计方法是基于弹性失效准则；,三、压力容器主要失效方式,弹性失效准则下的四个强度理论：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=（1-3）t,三、压力容器主要失效方式,第四强度理论（剪切变形能理论）材料变形时，即内部变形能量达到材料的极限值时，材料破坏。强度条件：e=(1-2)2+(2-3)2+(3-1)2 t,三、压力容器主要失效方式,四.压力容器设计基础知识,压力容器设计人员培训,1.压力容器设计应遵循的基本法规和规程特种设备安全监察条例 TSG R0004-2009 固定式压力容器安全技术监察规程TSG R0003-2007 简单压力容器安全技术监察规程TSG R1001-2008 压力容器压力管道设计许可规则,四、压力容器设计基础知识,2.标准和法规（规程）的关系。容规第1.8条规定：本规程规定了压力容器的基本安全要求，有关压力容器的技术标准、管理制度等，不得低于本规程的要求。因此，当标准与法规或规程有不一致时，应按法规（或规程）的规定执行。,四、压力容器设计基础知识,3.压力容器的含义（定义）特种设备安全监察条例的第八章“附则”中：压力容器，是指盛装气体或者液体，承载一定压力的密闭设备，其范围规定为最高工作压力大于或者等于01MPa（表压），且压力与容积的乘积大于或者等于25MPaL的气体、液化气体和最高工作温度高于或者等于标准沸点的液体的固定式容器和移动式容器；盛装公称工作压力大于或者等于02MPa（表压），且压力与容积的乘积大于或者等于10MPaL的气体、液化气体和标准沸点等于或者低于60液体的气瓶；氧舱等。,四、压力容器设计基础知识,4.压力容器设计标准简述GB150-1998钢制压力容器JB/T4735-1997 钢制焊接常压容器JB4731-2005钢制卧式容器JB4710-2000钢制塔式容器GB151-1999管壳式换热器HG20580HG205851998 其它配套标准，如零部件：封头、法兰、支座、补强圈、吊耳等标准，材料标准、焊接标准等。,四、压力容器设计基础知识,四、压力容器设计基础知识,5.对设计单位资质的要求 容规中第3.2条对压力容器的设计单位资质规定：压力容器设计单位的许可资格、设计类别、品种和级别范围应当符合压力容器压力管道设计许可规则的规定；总体采用规则设计标准，局部参照分析设计标准进行压力容器受压元件分析计算的单位，可以不取得应力分析设计许可项目资格；,四、压力容器设计基础知识,6.D1级和D2级压力容器说明根据TSG R1001-2008 压力容器压力管道设计许可规则 中第三条规定，压力容器设计类别和级别的划分是：（一）A级、（二）C级、（三）D级、（四）SAD级。其中D级又分：D1级和D2级。1D1级 系指第一类压力容器 2D2级 系指第二类压力容器,四、压力容器设计基础知识,7.定义设计压力：指设定容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷条件，其值不得低于工作压力。计算压力：指在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。当元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。试验压力：指压力试验时，容器顶部的压力。最大允许工作压力：设备所能承受的最大的工作压力，不同于最高工作压力。,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（沿元件金属截面的温度平均值）。设计温度与设计压力一起作为设计载荷条件。试验温度 指压力试验时，壳体金属的温度。,四、压力容器设计基础知识,计算厚度：指按厚度计算公式计算得到的厚度。设计厚度：计算厚度与腐蚀裕量之和。名义厚度：指设计厚度加上钢材厚度负偏差后向上圆整至钢材标准规格的厚度。即标在图样上的厚度。有效厚度：指名义厚度减去腐蚀裕量和钢材厚度负偏差。,四、压力容器设计基础知识,四、压力容器设计基础知识,厚度附加量：由钢材厚度负偏差C1和腐蚀裕量C2两部分组成。钢材厚度负偏差：按钢材标准的规定；当钢材厚度负偏差不大于0.25mm，且不超过名义厚度的6%时，厚度负偏差可忽略不计。腐蚀裕量：为防止容器元件由于腐蚀、机械磨损而导至厚度的削弱减薄，应考虑腐蚀裕量。对有腐蚀或磨损的零件，应根据预期的容器寿命和介质对钢材的腐蚀速率而定。腐蚀裕量=腐蚀速率 X 设计使用年限（毫米/年 X 年=毫米）,四、压力容器设计基础知识,IBR Seminar,腐蚀分类：均匀腐蚀 金属表面出现各部分的腐蚀速度大致相同的连续腐蚀；非均匀腐蚀 金属表面各部分具有不同速度的连续性破坏；局部腐蚀 局部发生腐蚀，如点蚀（呈一个个的点状）和斑点腐蚀（呈一个个的斑点状）；应力腐蚀 由侵蚀介质和应力同时作用下所导致的腐蚀；应力腐蚀破裂是金属在持久拉应力和特定腐蚀介质联合作用下，出现的脆性破裂。,四、压力容器设计基础知识,应力腐蚀过程是金属材料、腐蚀介质和拉应力三个因素共同作用，使金属电化学腐蚀加剧并产生破裂的过程。典型的应力腐蚀有：（a）液氨容器的应力腐蚀开裂；（b）含湿H2S容器的应力腐蚀开裂；（c）含苛性碱介质的应力腐蚀开裂；（d）NO3-引起的低碳和低合金钢容器的应力腐蚀开裂；（e）氯离子引起的不锈钢容器的应力腐蚀。（奥氏体不锈钢制压力容器用水进行液压试验时，应严格控制水中的氯离子含量不超过 25mg/L。试验合格后，应立即将水渍去除干净。）,四、压力容器设计基础知识,晶间腐蚀：在腐蚀介质的作用下起源于金属表面并沿晶界深入内部，使晶粒间结合力损伤，严重时材料强度几乎消失，这种现象称为晶间腐蚀。不锈钢的晶间腐蚀，通常用“贫铬”理论解释。目前提高奥氏体不锈钢抗晶间腐蚀能力的措施大致有：固溶处理1010-1120加热后适当快冷，使（Cr、Fe)23C6(碳化铬)固溶于奥氏体。降低钢中含碳量采用超低碳（C003%或更低）。添加稳定碳化物元素添加Ti或Nb等稳定化元素，并经850-900稳定化处理，形成固定碳的TiC或NbC。,标准中的材料的腐蚀速率，是对于均匀腐蚀而言，亦即钢材表面的腐蚀速率（毫米/年）各处基本相同。此外，由于金属所处的介质情况（如介质的腐蚀性、浓度和温度）不同，腐蚀程度不同，因此，采用不同的腐蚀裕量。载荷：设计时应考虑的载荷有内压、外压或最大压力差；液体静压力；根据容器的具况，还可能考虑自重，内件重和附属设备等等的影响。,四、压力容器设计基础知识,最小厚度：容器在较低内压力作用下，按厚度计算方法得到的厚度很小，虽然能满足容器的强度要求，但刚度不够。为解决刚度问题，规定了壳体加工成形后不包括腐蚀裕量和加工减薄量的最小厚度：a)对碳素钢、低合金钢制容器，不小于3 mm；b)对高合金钢制容器，不小于2 mm。因此，碳素钢和低合金钢制的容器的最小名义厚度应不小于4 mm。,四、压力容器设计基础知识,许用应力：将钢材的抗拉强度b和屈服点s分别除以各自的设计安全系数后，取二值的小者作为材料的许用应力。容器使用钢材常用指标是力学性能，在D类容器中，主要指标是材料的抗拉强度b和屈服点s（或0.2）。容器使用中达到屈服或断裂时即为破坏，在实际应用中必须控制容器的材料受力处在安全范围内，即除以系数n，n称为材料许用应力系数（即是设计安全系数）。从钢常温抗拉强度考虑，设计安全系数取3（现为2.7）；按钢的设计温度下的屈服强度考虑选用的设计安全系数：对碳素钢和低合金钢取1.6（现为1.5）；对高合金钢取1.5。,四、压力容器设计基础知识,说明：考虑安全系数是基于如下因素：材料的性能稳定性存在偏差；估算载荷状态及数值偏差；计算方法的精确程度；制造工艺及允许偏差；检验手段及严格程度；使用中的操作经验等六个方面。在确定具体材料的许用应力时，还要结合材料的质量因素。,四、压力容器设计基础知识,焊接接头形式及分类分类目的:确定焊缝结构，探伤程度，焊接接头系数容器主要受压部分的焊接接头分为A、B、C、D 四类，具体规定是：a）A类焊接接头 圆筒部分的纵向接头，半球形封头与圆筒连接的环向接头，各种凸形封头的所有拼焊接头，嵌(qian)入式接管与壳体对接的接头。b）B类焊接接头 壳体部分的环向接头，锥形封头小端、长颈法兰等与接管连接的接头。c）C类焊接接头 平盖、管板与圆筒非对接连接的接头，法兰与壳体、接管连接的接头，内封头与圆筒连接的搭接接头。d）D类焊接接头 接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头。,四、压力容器设计基础知识,下列情况的压力容器的A类及B类焊接接头应进行100%射线或超声检测（材料厚度38mm时，应采用射线检测）：容规(1)设计压力大于或者等于1.6MPa的第类压力容器；(2)按照分析设计标准制造的压力容器；(3)采用气压试验或者气液组合压力试验的压力容器；(4)焊接接头系数取1.0的压力容器以及使用后无法进行内部检验的压力容器；(5)标准抗拉强度下限值大于或者等于540MPa的低合金钢制压力容器，厚度大于20mm时，其对接接头还应当采用本规程第(1)项所规定的与原无损检测方法不同的检测方法进行局部检测，该局部检测应当包括所有的焊缝交叉部位；(6)设计图样和本规程引用标准要求时。,四、压力容器设计基础知识,四、压力容器设计基础知识,焊接接头系数：焊缝强度消弱系数，应根据受压元件的焊接接头型式及无损检测的长度比例确定。即是焊缝的强度与母材强度之比。双面焊对接接头和相当于双面焊的全焊透的对接接头：=1.00 100%无损检测 射线检测技术等级不低于AB级，合格级别不低于II级。=0.85 局部无损检测 射线检测技术等级不低于AB级，合格级别不低于III级。注意：当容器的壳体A类焊接接头为双面焊对接接头，要求20%射线检测，此时尽管椭圆封头上的拼接焊接接头进行100%检测，但封头厚度计算公式中的接头系数应取值0.85，因该接头的无损检测合格级别与壳体一致，为III级，不符合取值1.0的要求。,单面焊对接接头（沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板）：=0.9 100%无损检测 射线检测技术等级不低于AB级，合格级别不低于II级。=0.8 局部无损检测 射线检测技术等级不低于AB级，合格级别不低于III级。注意：1）是对接接头；2）全焊透结构；3）沿焊缝根部全长有紧贴基本金属的垫板。,四、压力容器设计基础知识,压力试验：容器制造中检查容器质量的必需工序。主要检查容器的强度、刚度和焊接接头及可拆的密封连接处的密封质量。压力试验方法有液压试验、气压试验和气液混合试验。,四、压力容器设计基础知识,8.压力容器用材料：选择压力容器用钢应考虑容器的使用条件（如设计温度、设计压力、介质特性和操作特点等）、材料的焊接性能、容器的制造工艺以及经济合理性。钢材的使用温度上限应按GB150中各材料许用应力表中各钢号所对应的上限温度。碳素钢和碳锰钢在高于425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%。钢材的使用温度下限，除奥氏体钢及本章有关条文另行规定者外，均高于-20。钢材的使用温度低于或等于-20时，应按附录C的规定进行夏比（V型缺口）低温冲击试验。奥氏体钢的使用温度高于或等于-196，可免做冲击试验。,四、压力容器设计基础知识,碳素钢钢板：,四、压力容器设计基础知识,二、设计计算中的问题,锻件标准及相应级别：JB4726-2000 JB4727-2000 JB4728-2000,四、压力容器设计基础知识,8.内压圆筒计算设计温度下的计算厚度按下式计算：公式适用范围：Pc0.4t 或 Do/Di1.5公式中应力的推导是根据薄膜应力理论。用第一强度理论，以圆筒平均直径为基准计算的环向应力，考虑了圆筒内壁上最大主应力与平均拉应力的差值进行了修正，并考虑了纵向焊缝（A类焊接接头）在强度方面相对于母材的削弱。,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。,四、压力容器设计基础知识,边缘应力：1）边缘应力的产生：当圆筒形壳与圆球形壳或椭圆形壳相连的零部件受压后，各自产生的变形是不一致的，称为变形不连续，相互产生约束。这时，除内压产生的膨胀外，还会产生附加的弯曲变形。与弯曲相对应，壳壁内将产生弯矩和剪力，对薄壁壳体来说，由此产生的弯曲应力有时比薄膜应力大得多，两连接件刚度相差越大，产生的应力也将越大。在实际结构中，以圆筒与平盖连接时的边缘应力为最大。该应力由于只发生在两连接件的边界处，所以称为边缘效应力或称为不连续应力。,四、压力容器设计基础知识,2)边缘应力的特点：由边缘力和边缘力矩引起的边缘应力具有以下两个特点：局限性、自限性 3）设计中对边缘应力的考虑：由于边缘应力具有局限性，设计中可以在结构上只作局部处理，例如改变连接处的结构，保证边缘焊接的质量，降低边缘区的残余应力，避免边缘区附加的局部应力集中（如应避免在边缘区开孔）。,四、压力容器设计基础知识,9.外压圆筒及外压球壳：承受外压的圆筒，其失效方式有二种：一是因强度不足而导致破坏，另一是因为刚度不足而引起失稳。失稳：是指容器所受的外压达到某种极限时，（即：达到临界压力PCr时）容器突然失去原来的形状，而出现有规则的波形，在卸去外压后，仍不能恢复原来的形状。容器失稳时的压力称临界压力，以Pcr表示。容器在Pcr作用下容器壁内应力称临界应力。承受外压的圆筒形壳体，按不同的几何尺寸失稳时的不同形式（波形数不同），将圆筒分为长圆筒、短圆筒及刚性圆筒等三种。,四、压力容器设计基础知识,为提高外压圆筒承载能力，通常采用的方法是设置外压加强圈，圆筒的 外压计算长度，以提高圆筒承受外压的能力。,四、压力容器设计基础知识,10.椭圆形封头:标准椭圆封头的应力分布见图5-1从图5-1可以看出，标准椭圆形封头上最大拉应力发生于封头顶点，该处的经向应力与周向应力相等，即，封头上最大压应力发生于封头底边，该处的周向压应力绝对值与顶点应力相等。椭圆形封头在内压作用下，在底边会产生周向压应力，可能引起封头的周向失稳，因此，封头在设计上必须考虑压应力区的失稳问题。,四、压力容器设计基础知识,典型封头型式：,四、压力容器设计基础知识,11.锥壳：锥壳与圆筒的连接应采用全焊透结构 对于轴对称的锥形封头大端 当锥壳半顶角30时，可以采用无折边结构；当30时，应采用带过渡段的折边结构，否则应按应力分析法进行设计。当60时，按平盖计算。,四、压力容器设计基础知识,12.开孔补强 不另行补强的条件（GB150-1998中8.3节）设计压力小于或等于2.5Mpa;两相邻开孔中心间距（对曲面间距以弧长计算）应不小于两孔直径之和的两倍；接管公称外径小于或等于89 mm；接管最小壁厚满足150表8-1。注意:表8-1下面的注解,四、压力容器设计基础知识,两种开孔补强型式整体补强和局部补强（补强圈）整体补强 增加壳体厚度（经济性差）厚壁管（推荐）整体补强锻件与壳体焊接（嵌入式接管）局部补强 补强圈（推荐）采用补强圈补强，应遵循下列规定：a.钢材的标准抗拉强度下限值540MPa；b.补强圈厚度小于或等于1.5n；c.壳体名义厚度n38mm。,四、压力容器设计基础知识,13.法兰设计包括下列内容：1)垫片压紧力：计算在预紧和操作状态下需要的最小垫片压紧力;2)螺栓：螺栓载荷；螺栓面积；在预紧和操作状态下螺栓设计载荷的计算 3)法兰：在预紧和操作状态下法兰力矩的计算；法兰的应力及其校核。,四、压力容器设计基础知识,法兰分类 1）按垫片 窄面法兰 垫片在螺栓孔内侧（一般采用窄面法兰）宽面法兰 垫片在螺栓孔两侧 2）按整体性程度 松式法兰 法兰与筒体未连成整体，如活套法兰、螺纹法兰整体法兰 法兰环、锥颈与筒体连成整体，如长颈法兰任意式法兰 如平焊法兰（JB4700中，甲、乙型平焊法兰）,四、压力容器设计基础知识,3）按密封面型式 突面法兰 由一对平面组成凹凸面法兰 由一对相配合的凹面和凸面组成榫槽法兰 由一对相配合的榫面和槽面组成环面法兰 由一对相配合的环面组成,四、压力容器设计基础知识,14.低温容器：设计温度低于或等于一200C的钢制低温压力容器称之为低温容器.1)低温低应力工况：系指容器或受压元件的设计温度虽然低于或等于-20，但其环向应力小于或等于钢材标准常温屈服点的1/6（1/6S），且不大于50Mpa的工况。当壳体或其受压元件在“低温低应力工况”下，若其设计温度加50后，高于-20时，不必遵循低温容器的规定。在JB/T4750中规定:当使用温度低于0,若使用温度下一次总体薄膜应力小于或等于材料常温屈服点的1/6,且不大于50MPa时,则设计温度取使用温度与50的代数和.,四、压力容器设计基础知识,低温容器的结构设计需充分考虑的问题：GB150 C3.2节 a)结构应尽量简单,减少约束;b)避免产生过大的温度梯度;c)应尽量避免结构结构形状的突然变化,以减小局部 高应力;接管端部应打磨成圆角,呈圆滑过渡;d)容器的支座或支腿需设置垫板,不得直接焊在壳体上。,四、压力容器设计基础知识,四、压力容器设计基础知识,低温压力容器对材料、焊接、无损探伤、焊后热处理的要求1）对材料要求 受压元件用钢采用镇静态 20mm钢板逐张超探 对不同使用温度，进行低温冲击2）对焊接和无损探伤要求 全焊透结构 无损探伤比例为50和100 100RT或UT检测的容器，其对接接头、T形接头、角焊接缝需进行100MT或PT检测。焊缝表面不得有咬边3）焊后热处理 钢板厚度16mm的碳素钢和低合金钢制容器或受压元件，应进行焊后热处理。,学会公共邮箱：,