压力容器设计培训课件

单击此处编辑母版标题样式,编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,大家好,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（,1.1,1.2,节）,适用的压力范围,设计压力,P,：,0.1,35 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，压力均为表压力。,压力（,6,个压力）,:,P,w,工作压力；,P,d,-,设计压力；,P,c,计算压力；,P,t,试验压力；,P,wmax,最大允许工作压力；,Pz,安全泄放装置动作压力,P,w,P,z,(1.05-1.1)P,w,P,d,P,z,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,T,w,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。,T,t,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。,T,d,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,+C,2,（腐蚀裕量）,n,名义厚度，,n,=,d,+C,1,（钢材负偏差）,+,（圆整量）,e,有效厚度，,e,=,n,-C,1,-C,2,=,c,+,min,设计要求的成形后最小厚度，,min,n,-C,1,坯,坯料厚度,坯,=,d,+C,1,+C,3,（其中：,C,3,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,C,3,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)+ 1,式中：,A1-,壳体有效厚度减去计算厚度之外的多余面积,mm,2,1-,按,GB150-1998,各章计算的厚度；,mm,2-,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=P,C,(P:,许用外压力；,P,C,：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,“,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,C,1,腐蚀裕量,C,2,C,2,=N,f,dC,2,N,f,设计寿命。单位：年,;,dC,2,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,腐蚀程度,不腐蚀,轻微腐蚀,腐蚀,重腐蚀,腐蚀速率 （年）,.05,0.05-0.13,0.13-0.25,0.25,腐蚀裕量（）,0,1,2,3,15,（,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,）,.,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,=,0.9,s,(,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,P,T,=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，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,P0.4,t,的范围。,相当于,K,1.5,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=D,i+,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;,P0.6,t,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,28,盛装液化石油气或混合液化石油气的容器,:,介质,50,饱和蒸汽压力低于异丁烷,50,的饱和蒸汽压力时,(,如丁烷、丁烯、丁二烯,),:,设计压力取,0.79MPa,.,介质,50,饱和蒸汽压力高于异丁烷,50,的饱和蒸汽压力时,(,如液态丙烷,)1.77Mpa,.,介质,50,饱和蒸汽压力高于丙烷,50,的饱和蒸汽压力时,(,如液态丙烯,)2.16MPa,2,）设计温度,设计温度不得低于元件金属在工作状态可能达到的最高温,度。,在任何情况下元件金属的表面温度不得超过钢材的允许使,用温度。,29,当金属温度不可能通过传热计算或实测结果确定时，设计温度的选取：,容器器壁与介质直接接触且有外保温（或保冷）时,a.,设计温度选取,介质工作温度,T,设 计 温 度,T,-20,介质最低工作温度,介质工作温度减,0,10,-20T15,介质最低工作温度,介质工作温度减,5,10,T,15,介质最高工作温度,介质工作温度加,15,30,注：当最高（低）工作温度不明确时，按表中的,确定。,30,b.,容器内介质用蒸汽直接加热或被内置加热元件（如加热盘管、电热元件等）间接加热时，设计温度取最高工作温度。,c.,容器器壁两侧与不同温度介质直接接触而可能出现单一介质接触时，应以较高一侧的工作温度为基准确定设计温度，当任一介质温度低于,-20,时，则应以该侧的工作温度为基准确定最低设计温度。,d.,安装在室外无保温的容器，当最低设计温度受地区环境温度控制时，可按以下规定选取：,（,1,）盛装压缩气体的储罐，最低设计温度取环境温度减,3,；,（,2,）盛装液体体积占容积,1/4,以上的储罐，最低设计温度取环境温度。,注：环境温度取容器安装地区历年来,“,月平均最低气温,”,的最低值，,e.,对裙座等室外钢结构，应以环境温度作为设计温度。,31,（,4,）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，相互产生约束,.,称为变形不连续,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，所以称为边缘应力或称为不连续应力,。,2),边缘应力的特点：,由边缘力和边缘力矩引起的边缘力具有以下两个特点：,-,局限性,-,自限性,32,3,）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。）,只要是塑性材料，即使边缘区应力超过材料的屈服极限，邻近尚未屈服的弹性区能够限制塑性变形的发展，使容器仍处于安定状态（安定性理论）。故大多数塑性材料所制成的容器，如低碳钢、奥氏体不锈钢。当受静载荷时，除在结构上需作某些处理外，一般并不对边缘应力作特殊考虑。,在下列情况下应考虑边缘应力,a),塑性较差的高强度钢制压力容器,b),低温下操作的铁素体制的重要压力容器,c),受疲劳载荷作用的压力容器,d),受核幅射作用的压力容器,33,这些压力容器，若不注意控制边缘应力，在边缘高应力区有可能导致脆性破坏或疲劳。因此必须正确计算边缘应力并按,JB4732-95,钢制压力容器,-,分析设计,进行设计,.,（,5,）压力容器的应力分析设计：,1,常规设计 ：压力容器设计基本上是采用传统的设计方法,“,常规设计,”,。常规设计是基于弹性失效准则，认为容器内某一最大应力点一旦达到屈服限，进入塑性，丧失了纯弹性状态即为失效,.,2.,分析设计：“分析设计”从设计思想上来说，就是放弃了传统的弹性失效准则，采用弹塑性或弹性失效准则，允许结构出现可控制的局部塑性区，采用这个准则，可以合理地放松对计算应力的过严限制，适当地提高了许用应力值，但又严格地保证了结构的安全性,。,34,3,应力分类,1,）一次应力,P,一次应力分为,一次总体薄膜应力,Pm,一次弯曲应力,Pb,一次局部薄膜应力,PL,2,）二次应力,Q,3,）峰值应力,F,4,应力的限制条件,Pmt,PL1.5t (,极限载荷设计法,),Pb+ PL1.5t,；,Pm+ PL1.5t,P,b,+ P,L,+ Q3,t,；,35,P,m,+ P,L,+ Q3,t,（安定性准则）,P+Q+FSa,（许用应力幅）,极限载荷设计法是指：只有结构整体屈服了，才是最终达到失效的状态，即塑性失效观点。,安定性准则：安定性准则是指：结构在载荷、温度等反复变化中，不会导致塑性的连续循环，即只有在笫一次加载过程中出现一定量的塑性变形，以后循环中（反复加载）不再出现塑性，仍处于弹性循环中，即称,“,安定,”,。如果，仍出现塑性，并有塑性循环出现，称为,“,不安定,”,。（假定材料为理想的弹,-,塑性体）,36,三,.,外压园筒及外压球壳：,1,概述：,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。,所谓失稳，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。,外压圆筒失稳可分为：周向失稳和轴向失稳二种形式。,对轴向失稳，主要表现在卧式容器与直立设备，失稳时,的临界压力与园筒长度无关。,对周向失稳，失稳时，如出现三个以上的波形（,n3,）,谓之“短园筒”，如出现二个波形（,n=2,）谓之“长园筒”。,37,38,既然外压圆筒有周向失稳和强度破坏二种可能，究竟哪个在先？与圆筒的,“,厚,”“,薄,”,有关：,a,当为薄壁圆筒时，（,e/D,O,0.05,即,D,O,/e20,）总是失稳在先，所以，从设计角度,:,只需进行稳定性设计，而不必进行强度设计,.,b,当为厚壁圆筒时，（,e/D,O,0.05,即,D,O,/e20,）则周向失稳和强度失效，哪个在先并无定论，所以，从设计角度，则同时考虑稳定性和强度二个方面。,c,外压球壳也是如此，但通常球壳,e/D,O,0.05,，所以，从设计角度，只需考虑其稳定性,。,稳定安全系数,m(,园筒稳定安全系数取,3.0,，球壳稳定安全系数取,14.52),。,为保证安全，必须使许用外压力,P,低于外压力，即,:,P=Pcr/m P(,设计外压,),39,2,圆筒的临界压力及其计算,容器失稳时的压力称临界压力，以,P,cr,表示。,圆筒体临界压力的计算：,长圆筒临界压力,Pcr=2.2E(,短圆筒临界压力,Pcr=2.59E,40,圆筒的临界长度,:,2.2E(,=,2.59E,得 ：,Lcr=1.17D D/e,临界长度是长、短圆筒的分界线，也是计算临界压力选择公式的的依据。当实际圆筒计算长度,L,Lcr,属长圆筒，若,L,Lcr,则属短圆筒。然后，分别计算其临界压力，再除以稳定安全系数确定许用压力。,L,：计算长度（,GB150-1998 P.28,图,6-1,）,41,薄壁外压球壳的临界压力式：,从薄壁壳体的稳定性理论可以导得：,Pcr=1.21E,（,/R,）,2,从设计角度，,RiR ,e,并取球壳的稳定系数,m=14.52,所以,许用外压力,: P= Pcr/m=1.21(e/ Ri),2,/14.52=0.0833E(e/ Ri),2,1),外压园筒外压管子：（,6.2.1,节）,3.GB150-1998,的设计方法：,a,）,D0/e20,的园筒和管子；是薄壁圆筒，周向失稳在先，所以只校核周向失稳。,b,）,D0/e20,的园筒和管子；是厚壁圆筒，周向失稳与强度失效都要算，在,GB150-1998 P.29,（,6-4,）式前一项是考虑周向失稳时，其许用外压力；后一项是考虑到压缩强度失效其许用外压力；二者取其小值。,42,2,）外压球壳的计算：半球形封头；椭圆封头（,6.2.2,节）,4.,防止外压园筒失稳措施,防止外压园筒失稳措施主要有：,1,）增加园筒壁厚；,2,）缩短园筒的计算长度；,3,）设置加强圈。,加强圈设置应整圈围绕在园筒上，并要求有足够截面积和组合惯性距。加强圈可设置在容器内部或外部。加强圈和园筒之间连接可采用连续焊或间断焊。间断焊外部不少于园筒周长的,1/2,，内部不少于,1/3,。,43,四,.,封头：,1.,椭圆封头的设计：（,7.1.2,节）,从承受内压椭圆壳体的应力分析可知,椭圆封头上各点的应力是不等的,(,因为各点的曲率半径不一样,),它与各点的座标,(X,Y),有关,并与封头长短轴之比,a/b,有关,.,对标准椭圆封头,a/b=2 ,在封头顶点,:,t,=,Z,=Pa/,在封头底边,:,t,= - Pa/,; ,Z,= Pa/2,44,标准椭圆封头应力分布,:,45,=,为了使这部分壳体不致于失稳，对于,K1,的椭圆形封头，其有效厚度应不小于封头内直径的,0.15%,。,K 1,的椭圆形封头的有效厚度应不小于,0.30%Di,。,2.,碟形封头的设计：（,7.1.3,节,）,碟形封头是由三部分组成。第一部分是以半径为,Ri,的球面部分，第二部分是以半径为,Di/2,的圆形部分，第三部分是连接这两部分的过渡区，其曲率半径为,r,。,Ri,与,r,均以内表面为基准。,46,由于第一部分与第三部分是两个不同的曲面，故在交点处曲率半径有一个突然的变化，在,b,点处不仅由内压引起的拉应力，还有边缘力矩引起的边缘弯曲应力；在过渡区和圆筒部分交界点,a,处也有缘应力存在，其边缘应力的大小与,r/Di,有关。当,r/Di,之比值愈小，即曲率变化愈厉害，则边缘应力愈大,。,碟形封头的强度计算公式,:,=MPR/2,考虑焊接接头系数,，并用,R=Ri+,代入上式，简化后得,:,=,=,47,3.,球冠形封头的设计：（,7.1 .4,节）,由于无过渡区，在连接边缘有较大边缘应力，要求封头与筒体联接处采用全焊透结构，计算公式以圆筒公式为基础，计入球壳与筒体联接处的局部应力,。,=,系数,Q,根据,R,i,/D,i,P,c,/,t,来查取,48,4.,锥壳：（,7.2,节）,锥形封头有轴对称的无折边锥封头和折边锥形封头以及非轴对称的无折边锥形封头。,带折边的锥形封头由三部分组成，即锥形部分、半径为,r,或,r,s,的圆弧过渡部分和圆筒部分过渡部分是为了降低边缘应力,49,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,;,当,60,时，按平盖计算,.,也可用应力分析法确定,.,对于轴对称的锥形封头小端,小端,45,采用无折边结构；,45,带折边,结构,1.,轴对称内压无折边锥形封头,:,根据第一强度理论得,1,=,t,=,t,将,D=D,i,+,代入上式，并考虑焊缝系数,得出锥形封头的厚度计算公式,50,=,上式无折边封头适用于,30,当无折边封头,30 ,时，边缘弯曲应力较大，锥体与筒体连接处应考虑另行加强或采用有折边锥形封头。,2.,轴对称内压折边锥形封头,大端折边锥形封头厚度计算应包括两部分,(1),过渡段壁厚,=,mm,51,(2),与过渡段相接处的锥壳厚度,=,mm,与过渡相接的锥壳和圆筒的加强段厚度应与过渡段厚度,r,相同。,锥壳加强段的长度应不小于,圆筒加强段的长度应不小于,受压斜锥壳的强度计算见化工部颁发的,HG20582-1998,钢制化工容器强度计算规定,。,52,5,平盖：（,7.4.2,节）,max,=0.309P(D/,),2,最大应力在中心,(,简支,),max,=,0.188P(D/),2,最大应力在周边,(,固支,),；,max =KPD,2,/,2,t,p,=,53,五开孔补强：,1,开孔补强的理论基础,1).,在容器上或封头上开孔会引起如下三方面问题,:,a),由于开孔,而引起壳体承载面积的削弱；,b),由于开孔,而在孔边引起应力集中；,c),由于开孔,壳体和接管分别引起不连续应力。,2,）等面积补强的基本出发点：,a,）对于内压壳体，因开孔而引起壳体所削弱的承载面积，要求在,“,补强有效区,”,内，补充以同样数量的截面积；,b,）对于外压壳体或平封头，因开孔而引起壳体或平封头所削弱的承载抗弯断面模量,EJ,，要求在,“,补强有效区,”,内，补充以同样数量的抗弯断面模量，但为了计算方便与统一，均换算成截面积的形式进行。,54,2.,开孔补强的规定,1,）不另行补强的最大开孔直径,应满足,GB150 P75 8.3,规定,2,）采用补强圈补强要求,b540MPa ;,1.5,n;,n38mm,3,）整体补强要求,下列情况之一，应采用整体补强（增加壳体厚度或采用补强锻件与壳体相焊）。,HG20583,钢制化工容器结构规定。,(HG20583-1998 6.2,节,),b540MPa,1.5,n (,为补强圈厚度,),n38mm,Pd4.0MPa,Td350,介质为极度，高度危害介质,疲劳压力容器,55,3.,开孔补强方法,1,）等面积补强法（,d1/2Di,）,原则：有效补强面积大于或等于开孔失去面积,式中,为开孔处计算厚度，,注意：对椭圆封头和碟形封头中心部位和边缘部位,是不同的。,2,）压力面积补强法（,0.8Did,0.5Di,）,原则：有效承压面积上作用力许用应力,详见,HG 20582,钢制化工容器强度计算规定,注意：必须遵守的技术要求,56,六法兰,（,1,）标准：,JB4700-2000,JB4707-2000,a.JB4701-2000,仅适用于公称压力,0.25,1.6Mpa,；工作温,度,-20,300,的钢制压力容器甲型平焊法兰,.,b.JB4702-2000,仅适用于公称压力,0.25,4.0Mpa,；工作温度,-20,350,的钢制压力容器乙型平焊法兰。（标准适用腐蚀裕量,2mm,，当腐蚀裕量,=3mm,时应加厚短节厚度,2mm,）。,c.JB4703-2000,仅适用于公称压力,0.6,6.4Mpa,； 工作温度,-70,450,的钢制压力容器长颈对焊法兰。（标准适用腐蚀裕量,3mm,；）,标准的适用范围及选用标准时应注意的问题；法兰材料和使用温度。,57,(2),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）,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,58,按密封面形式 法兰示意图,59,（,3,）法兰设计,法兰连接是一个组合件，所以各零件（法兰、垫片、紧固件）必须达到合理的匹配才能保证密封效果，,JB4700-2000,表,2,列出了它们的匹配关系。,法兰设计包括下列内容：,1),垫片压紧力：,在预紧状态下需要的最小垫片压紧力：,F,G,=Fa=3.14D,G,by,N,b.,在操作状态下需要的最小垫片压紧力：,F,G,= Fp=6.28D,G,bmP,C,N,其中,:y,垫片的比压力,60,比压力,y,是保证初始密封所必须施加在垫片单位有效接触面积上的最小压紧力。,它只与垫片的结构、形状和材料有关。因此，比压力,y,是垫片的一种力学性能。,m,垫片系数，为无因次量,；,在操作状态下，为保证密封，而不发生泄漏，必须施加在垫片单位有效接触面积上的最小压紧力称为：最小残余压紧力,g,，垫片系数,m,就是最小残余压紧力与内压的比值；,m=,g,/P,；,对于不同的材料、不同形状的垫片是不同的，但对同一材料、同一形状的垫片却是一个常数，因此它是垫片的另一个力学性能。,61,2,）螺栓,a,）螺栓的布置,b,）螺栓载荷,:,在预紧状态下需要的最小螺栓载荷,Wa=Fa=3.14 D,G,by N,在操作状态下需要的最小螺栓荷：,Wp=F+Fp=0.785D,G,2P,C,+6.28D,G,bmP,C,N,c),螺栓面积,:,在预紧状态下需要的最小螺栓面积：,Aa=Wa/,b,mm,在操作状态下需要的最小螺栓面积：,Ap=Wp/,bt,mm,需要的螺栓面积,: Am = Aa,与,Ap,之大值,.,实际螺栓面积,:,AbAm,62,d),螺栓设计载荷,:,预紧状态下螺栓设计载荷为,:,W=(A,m,+ A,b,)/2 ,b,N,操作状态下螺栓设计载荷为,: W=W,P,N,3),法兰,a),法兰力矩的计算,法兰预紧时,法兰力矩,:,Ma=FG .LG = (Am+ Ab)/2 ,b . LG N.mm,法兰操作力矩,: M,P,=F,D,L,D,+ F,T,L,T,+ F,G,L,G,N.mm,b),法兰设计力矩计算,:,M,O,=,Ma,f,t,/,f,与,M,P,的大值,N.mm,c),法兰应力及,法兰应力的校核,:,63,法兰强度设计的理论有多种，我国法兰设计规范的依据是弹性分析理论，即控制法兰中应力在弹性范围内，以保证法兰的密封要求。（,Waters,法）,工程上法兰设计主要是对法兰轴向应力,H,，径向应力,R,和环向应力,T,和组合应力的校核。,(GB150-1998 9.5.3.4,节）,64,d,）法兰设计的合理性,1,）选择垫片时，尽可能选择所需压紧力小的垫片，即,m,、,y,小的垫片。,2,）尽可能缩小螺栓中心圆直径，减小法兰力矩的力臂，有利密封；,3,）合理设计法兰锥颈（,1,）和法兰环（,f,），既保证强度，又有足够刚度，即调整,1,、,f,使法兰的各计算应力尽可能接近相应许用应力，趋满应力状态。,65,七,.,材料：,1,）,GB713-2008,“,GB713-2008,锅炉压力容器用钢,”,一,.,标准的过渡期：,GB713-2008,锅炉压力容器用钢,于,2008,年,9,月,1,日实施，考虑到各单位对新版标准的采购与理解，以及设计与制造的问题，国家质量监督检验检疫总局特种设备安全监察局特此发涵，,关于,GB713-2008,和,GB/T9222-2008,实施过渡期安排的通知,（质检特函,200864,号）。,（,1,）压力容器设计单位在,2008,年,9,月,1,日至,2008,年,12,月,31,日期间可以同时采用,GB6654-1996,（含修改单）和,GB713-2008,的材料进行压力容器设计。,2009,年,1,月,1,日起不得采用,GB6654-1996,（含修改单）规定的材料。,66,（,2,）锅炉压力容器制造单位在,2008,年,9,月,1,日至,2009,年,8,月,31,日期间可以同时采用,GB713-1997,、,GB6654-1996,（含修改单）和,GB713-2008,的材料进行锅炉压力容器制造。,2009,年,9,月,1,日起不得采用,GB713-1997,、,GB6654-1996,（含修改单）规定的材料。,（,3,）选用,GB713-2008,中的,14Cr1MoR,和,12Cr2Mo1R,材料制造锅炉压力容器时，,GB713-2008,实施前所进行的焊工考试和焊接工艺评定在其所能覆盖的范围内仍然有效；选用,GB713-2008,其他材料制造锅炉压力容器时，按,GB713-1997,和,GB6654-1996,（含修改单）中所列牌号进行的焊工考试和焊接工艺评定，在其所能覆盖的范围内仍适用于,GB713-2008,附录,A,中所对应的新牌号，各有关单位应在,2009,年,8,月,31,日前完成焊接工艺评定等有关文件采用新材料牌号表示方法的转换工作。,67,（,4,）选用,GB713-2008,中的材料设计制造锅炉压力容器时，在相同的规格和使用状态下，其相关设计参数和制造检验要求应依据,GB713-2008,附录,A,中所对应的旧牌号的相关规定，否则应向全国锅炉压力容器标准化技术委员会申请专项技术审查,（,5,）对于已取得许可证的锅炉压力容器用钢板制造企业，可按许可证允许范围内生产新牌号钢材。企业应尽快申请换发许可证，锅炉压力容器用钢板制造鉴定评审机构应于,2008,年,12,月,31,日前完成必要的审查和确认工作。,二,.,钢号牌号表示方法,:,碳素钢和碳锰钢系低合金高强度钢：屈服强度（,Q,）、屈服强度下限值、压力容器（,R,）组合表示。例如,:Q245R.,钼钢、铬钼钢和铬钼钒钢：平均含碳量、合金元素字母、压力容器（,R,）组合表示。例如,:15CrMoR.,68,三,.,新旧牌号对照,:,GB713-2008,GB713-1997,GB6654 (2003,年报批稿,),Q245R,20g,20R,Q345R,16Mng 19Mng,16MnR,Q370R,15MnNbR,18MnMoNbR,18MnMoNbR,13MnNiMoR,13MnNiCrMoNbg,13MnNiMoNbR,15CrMoR,15CrMog,15CrMoR,14Cr1MoR,14Cr1MoR,12Cr2Mo1R,12Cr2Mo1R,12Cr1MoVR,12Cr1MoVg,69,四,.,新旧牌号的变化,:,1.,材料,:,(1),取消：,15MnVR,、,15MnVNR.,(2),增加：,14Cr1MoR,、,12Cr2Mo1R,、,12Cr1MoVR.,（,3,）,20R,和,20g,合并为,Q245R,；,(4)16MnR,和,16Mng,、,19Mng,合并为,Q345R,；,（,5,）,13MnNiMoNbR,和,13MnNiCrMoNbg,合并为,13MnNiMoR,；,2.,厚度变化：,（,1,）,Q245R,（原,20R,等）厚度为,6,100mm,现厚度为,3,150mm,。,（,2,）,Q345R,（原,16MnR,等）厚度为,6,120mm,现厚度为,3,200mm,；,70,3. S,、,P,含量降低：,(1)Q245R,、,Q345R,原,S0.020%,降为,S0.015%;,原,P 0.030%,降为,P0.025%;,(2)18MnMoNbR,、,13MnNiMoR,原,S0.020%,降为,S0.010%;,原,P0.025%,降为,P0.020%;,(3)15CrMoR,原,S0.020%,降为,S0.010%;,原,P 0.030%,降为,P0.025%.,4.,冲击试验,:,各牌号的,V,型冲击指标均提高,.,原,20g,、,16Mng,时效冲击 试验取消。,5.,钢板负偏差,:,GB713-2008,锅炉压力容器用钢板,的负偏差按,GB/T 709,热轧钢板和钢带的尺寸、外形、重量及允许偏差,的,B,类偏差。,71,6.,组批规定,:,(1)GB713-1997,“,四同,”,的钢板组成,每批重量不大于,25t.,(2)GB6654-1996,“,四同,”,的钢板组成,钢板厚度,6mm,16mm,每批重量不大于,15t;,钢板厚度大于,16mm,每批重量不大于,25t.,需方要求,经双方协议,厚度大于,16mm,的钢板可逐张进行力学性能检验,.,(3) GB713-2008,“,四同,”,的钢板组成,每批重量不大于,30t.,经双方协议,厚度大于,16mm,的钢板可逐张进行力学性能检验,.,(,“,四同,”,即同一牌号、同一炉号、同一厚度、同一轧制或热处理制度。）,72,7.Q245R,硫磷含量及冲击功要求,标 准,GB6654(NO2),GB713-2008,牌 号,20R,Q245R,板 厚,6,100mm,3,150mm,P,，,%, 0.030,0.025,S,，,%,0.020,0.015,A,KV,，,J,0,，,27,0,，,31,（,-20,，,31,）,73,8.Q345R,(1),硫磷含量及冲击功要求,标 准,GB6654(NO2),GB713-2008,牌 号,16MnR,Q345R,板 厚,6,120mm,3,200mm,P,，,%, 0.030,0.025,S,，,%,0.020,0.015,A,KV,，,J,0,，,31,（,-20,，,24,）,0,，,34,（,-20,，,34,）,74,(2),强度指标：,牌号,16MnR,Q345R,板厚,mm,Rm, Mpa,Rel Mpa,Rm, Mpa,Rel Mpa,6(3),16,510,640,345,510,640,345,16,16,490,620,325,500,630,325,36,60,470,600,305,490,620,315,60,100,460,590,285,490,620,305,100,120(150),450,580,275,480,610,285,150,200,470,610,265,75,标准,GB713-1997,GB713-2008,牌号,19Mng,Q345R,板厚,mm,Rm, Mpa,Rel Mpa,Rm, Mpa,Rel Mpa,60,100,490,630,315,490,620,305,100,150,480,630,295,480,610,285,76,(3),国内外牌号对比：,1,）硫磷含量及冲击功要求,标准,GB713-2008,EN10028-2.2003,ASME(2007),牌号,Q345R,P355GH,SA516Gr70,P,，,%, 0.025,0.025,0.035,S,，,%,0.015,0.015,0.035,AKV,，,J,0 34,(-2034,）,0,，,34,(-2027,）,系附加要求,77,2),强度指标,牌号,Q345R,P355GH,SA516Gr70,板厚,mm,Rm, Mpa,Rel,Mpa,Rm, Mpa,Rel,Mpa,Rm, Mpa,Rel,Mpa,16,510,640,345,510,650,335,485,620,260,60,100,490,620,305,490,630,315,485,620,260,78,执行,GB713-2008,的几个问题：,1,）,许用应力在,GB150,没有升版之前，对于新标准中的牌号的许用应力，根据附录,A,找到,GB6654,中相对应的旧牌号，在,GB150,中查找许用应力,2,）,GB713-2008,的钢板厚度允许偏差按,GB709-2006 B,类偏差，,GB709-2006 B,类偏差固定值为,0.3mm,。按照,GB150,3.5.5.1,应该考虑,0.3mm,的负偏差，而且将来,GB150,的安全系数要从,3.0,降到,2.7,，负偏差应该考虑,。,3,）,标准,6.5,条 根据需方需要，经供需双方协议，钢板可逐张进行超声检测，供需双方如果协商需要进行超声波检测，则需要根据表,4,中的规定进行逐张超声波检测，如有没有协商则不需要逐张超声波检测。,4,）,施工图是在,2008,年,12,月,31,日完成的，并且材料牌号采用的是,GB6654,标准，制造厂采购的材料是,2008,年,9,月,1,号之后的，并且是按新的,GB713-2008,进行采购的，那么制造厂是否需要进行代材申请？回答是不需要代用。,79,八、低温压力容器（附录,C,）,美国,日本、德国,法国,英国,-30,-10,-20,20mm,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,100,100,RT,或,UT,检测的容器，其对接接头、,T,形接头、角 焊接缝需进行,100,MT,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。,82,九、超压泄放装置（附录,B,）,压力容器在运行中由于外界因素影响和工艺过程失控，造成超压或超温，容器有可能发生破裂或爆炸等安全事故，超压泄放装置就是在容器一旦超压时会自动泄放，避免事故发生。,9.1,对泄压装置要求,1,）动作压力能在设定压力及允许误差范围内,2,）泄放能力大于或等于容器安全泄放量,3,）有可靠密封，能保证容器正常工作,4,）在有效使用期限内能可靠工作,83,超压泄放装置有安全阀、爆破片、及安全阀和爆破片组合。,9.2,采用爆破片条件,符合下列条件之一，必须采用爆片,1,）压力快速增长,2,）对密封要求高,3,）介质粘稠、有腐蚀性或对阀门有磨损的介质,4,）其他安全阀不能适用的场合,9.3,安全阀、爆破片动作压力和容器设计压力关系,安全阀动作压力,爆破片爆破压力,84,当采用安全阀与爆破片组合装置时，其中一个泄放装置的动作压力应不大于设计压力，另一个泄放装置的动作压力可提高，但不得超过设计压力的,4%,。,（安全阀动作压力不大于设计压力；爆破片的动作压力不超过设计压力的,4,）。,85,9.4,泄放装置的设计,泄放装置设计主要是泄放能力（安全泄放量）计算和排放面积确定。,9.5,泄放装置的使用,1,）气体泄放装置应在容器顶部或气体管道上,;,液体泄放装置应在正常液位下方。安全阀应处在垂直位置；,2,）容器与泄放装置之间一般不能设置截止阀；,3