压力容器基础

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,*,4.1 压力容器概述,第四章 压力容器基础知识,4.2 压力容器分类与结构,4.4 压力容器的载荷,4.3 气 瓶,1,4.1 压力容器,概述,压力容器定义（GB150-1998）,：当容器内承受的压力大于0.1MPa时，为压力容器。,压力容器安全技术监察规程对压力容器的定义,常压容器、真空容器,机械、设备（容器为设备的一种），储存容器，工艺设备外壳。,压力容器压力、容积及介质特性,固定式、移动式,压力容器。,压力容器的,用途,（气体、液体、蒸汽、液化气储存；反应、换热、分离设备外壳）,2,压力容器界定,压力容器是指内部或外部承受气体或液体压力，并对安全性有较高要求的密闭容器。,广义上说，容器壁两边存在着一定压力差的所有密闭容器均可称为压力容器；,通常所说的压力容器是指那些容易发生事故，特别是事故危害比较大的特殊设备,。,压力容器发生事故时，其危害的严重程度与容器的,工作介质,、,工作压力,以及,容积,有关系。,3,压力容器的基本结构,封头,圆筒体,接管,排泄管,入孔,4,压力容器的,分类,压力容器包括所有承受气液介质压力的密闭容器。,目前我国纳入安全监察范围的压力容器则是,同时具备,下列,三个条件,的容器：,第一，最高工作,压力,Pw0.1MPa(表压，不合液柱静压力)；,第二，内直径,(非圆形截面指断面最大尺寸),D,i,0.15m，且,容积,V,0025m,3,；,第三，,介质,为气体，液化气体或最高工作温度,标准沸点,(标准大气压对应的饱和温度),的液体。,按,容器的壁厚,分为,薄壁容器,和,厚壁容器,；,按,承压方式,分为,内压容器,和,外压容器,；,按,工作壁温,分为,高温容器、常温容器,和,低温容器,；,按,壳体的几何形状,分为,球形容器、圆筒形容器、圆锥形容器,和,轮胎形容器等；,按,制造方法,分为,焊接容器、锻造容器、铸造容器,和,铆接容器,；,按,制造材料,分为,钢制容器、铸铁容器、有色金属容器,和,非金属容器。,5,从,安全管理和技术监督,的角度，,一般把压力容器分为两大类，即,固定式容器和移动式容,器。,(一)固定式容器,固定式容器,有固定的安装和使用地点,，工艺条件和使用操作人员也比较固定。固定式容器还可以按其,工作压力和用途进行分类,。,1.按压力分类,为了便于对压力容器进行分级管理和技术监督，我国将压力容器分为四个压力级别，即：,低压容器 0.1MPaP1.6MPa,中压容器 1.6MPa P10MPa,高压容器 10MPa P 100MP,超高压容器 P100MPa,其中P为压力容器的设计压力。,2.按用途分类,根据容器在生产工艺过程中所起的作用，可以归纳为四大类，即,反应容器、贮存容器、换热容器,和,分离容器,。,6,(1),反应容器：,主要作用是为工作介质提供一个进行化学反应的密闭空间。如反应器、聚合釜、合成塔等。许多反应容器内工作介质发生化学反应的过程，往往又是放热或吸热过程为了保持一定的反应温度，常装设一些加热或冷却、搅拌等附属装置。,反应釜,反应釜釜体,啤酒发酵罐,7,(2)贮存容器：,主要用来贮备工作介质，以保持介质压力的稳定，保证生产的持续进行。介质在容器内一般不发生化学变化或物理变化。常用的压缩气体或液化气体贮罐、压力缓冲器等都属于这类容器。贮装容器的结构比较简单，一般仅由壳体、接管及外部一些必要的附件构成。大型的容器多采用球形，小型的容器则常为卧式圆筒形。,8,(3)换热容器：,主要作用是使工作介质在容器内进行热交换,以达到生产工艺过程中所需要的将介质加热或冷却的目的。如消毒器、水洗塔、冷却塔、板式换热器、夹套容器等。,板式换热器,容积式换热器,9,(4)分离容器：,主要作用是让介质通入容器，利用降低沉速、改变流动方向或用其他物料吸收等方式来分离气体中的混合物,从而净化气体或提取、回收杂质中的有用物料。在分离容器中,主要介质不发生化学反应。如分离器、吸收塔、洗涤器、过滤器等。,氨液分离器,洗涤式油分离器,10,(二)移动式容器,移动式容器是一种贮运容器，它的主要用途是装运永久气体、液化气体和溶解气体。这类容器没有固定的使用地点，一般也没有专职的操作人员，使用环境经常变迁，管理比较复杂，也比较容易发生事故。,移动式容器按其容积大小和结构形状分为,气瓶、气桶,和,槽车,三种。,液化气体运输车,低温液体运输半挂车,11,(三)压力容器的安全综合分类,为了在设计制造中对安全要求不同的压力容器有区别地进行技术管理和监督检查我国压力容器安全技术监察规程根据,容器压力的高低、介质的危害程度以及在使用中的重要性,将压力容器分为以下三类：,1.,三类容器。,符合下列情况之一者为三类容器：,(1)高压容器：,(2)中压容器(毒性程度为极度和高度危害介质)；,(3)中压贮存容器(易燃或毒性程度为中度危害介质,且PV10MPam,3,)；,(4)中压反应容器(易燃或毒性程度为中度危害介质,且 PV0.5MPam,3,)；,(5)低压容器(毒性程度为极度和高度危害介质，且PV0.2MPam,3,)；,(6)高压、中压管壳式余热锅炉：,(7)中压搪玻璃压力容器；,(8)使用强度级别较高(抗拉强度规定值下限 540MPa)的材料制造的压力容器；,(9)移动式压力容器，包括铁路罐车(介质为液化气体、低温液体)、罐式汽车(液化气体、低温液体或永久气体运输车)和罐式集装箱(介质为液化气体、低温液体)等；,(10)球形贮随(容积V 50m,3,)；,(11)低温液体贮存容器(V 5m,3,)。,12,2.二类容器。,符合下列情况之一且不在第1款之内者为二类容器,(1)中压容器；,(2)低压容器(毒性程度为极度和高度危害介质)；,(3)低压反应容器和低压贮存容器(易燃介质或毒性程度为中度危害介质)；,(4)低压管壳式余热锅炉；,(5)低压搪玻璃压力容器。,3.一类容器。,低压容器且不在第1、第2款之内者。,压力容器中化学介质毒性程度和易燃介质的划分可参照有关规定，或,依据下述原则：,最高容许浓度C0.1mg/m,3,，为极度危害(级)；,最高容许浓度0. 1mg/m,3,C 1.0mg/m,3,，为高度危害(级)；,最高容许浓度1.0mg/m,3,C 10mg/m,3,，为中度危害(级)；,最高容许浓度C 10mg/m,3,为轻度危害毒性介质(级)。,而介质与空气的混合物爆炸下限10或爆炸上限与下限之差20者为易燃介质。,13,压力容器的用处,反应设备,14,分离设备,15,合成塔,16,储 罐,17,压水反应堆,(核能容器),18,中新网金华2009年8月19日电：18日下午5时许，位于浙江金华市婺城区的浙江星腾化工厂发生爆炸，,该事故是由于机械老化、操作不当引起.,一人死亡，两名重伤者暂未脱离危险。,19,20,人民网宜州2008年8月26日电： 8月26日早上6时45分，,广西维尼纶集团有限责任公司,有机车间,发生严重爆炸事故,，造成重大人员伤亡和惨重损失。事故发生后，广西已投入救援消防车辆20部、推土机2台、钩机6台，近千名消防官兵、公安干警、武警和当地干部、民兵参与抢险救援工作。截至26日17时，已成功,疏散转移群众1.15万多人,；医院收治,伤员55人,，,死亡8人,，失去联系,11人,。目前，大火已全部扑灭，救援人员已安全转移危险区的,5罐液氯,。,21,第一节 压力容器概述,一、概述,二、压力容器的用途,三、压力容器的工艺参数,22,一、概述,二、压力容器的用途,三、压力容器的工艺参数,运动的装置称为,机器,；静止的装置称为,设备,。,石油化工设备依据各自的特点又可分成很多种，,容器,是其中之一，它是指内部本身进行化学反应或其它化工过程的那些设备。在石油化工领域，,容器,是指储存设备和其它各种设备的外壳。,容器按所承受压力的高低又可分为,常压容器,和,压力容器(外压,真空),两大类。,从安全技术角度，压力容器又可分为,固定式,和,移动式,两大类。,影响压力容器,安全运行,的因素是多方面的。它涉及到,应力分析，强度设计，材料研究，制造工艺，无损检测,以及,破坏机理,等多个技术领域。,23,容器的结构,在石油、化工、食品、轻工等工业生产过程中，用于单元操作的装置一般分为两大类：运动的装置称为,机器,，静止的装置称为,设备,。,过程设备,依据各自的特点又分成许多种，容器是其中之一。容器主要用于储存气态、液态或固态的原料，中间产品或成品，如原油、氧气及液氨贮罐等。其他的石油化工设备（如反应设备、换热设备、分离设备等）可以看作是由外壳以及装入外壳内能满足工艺要求的内件所构成。实质上，这些外壳本身也是容器。,因此，在石油化工领域，,容器,是指,储存设备,和其它各种设备的,外壳,。,容器一般是由,壳体(又称筒体)、封头(又称端盖)、法兰、支座、接口管,及,人孔,等组成,。常、低压设备通用零部件大都已有标准，设计时可直接选用(承受中、低压容器的壳体、封头的设计计算，常、低压过程设备通用零部件标准及其选用方法)。,24,一、概述,二、压力容器的用途,三、压力容器的工艺参数,压力容器的用途,极为广泛,。,在石油化工中，压力容器可以作为一种简单的盛装容器，用以贮存,有压力的气体、蒸汽或液化气体,，如液氨贮罐、氢气贮罐、氮贮罐等。压力容器在其他民用工业领域也获得了广泛的应用。 随着航天、海洋开发、军工等科学技术的飞速发展，又为压力容器的应用开辟了新的更加广泛的领域。化工生产中所使用的反应设备大部分也是压力容器。,仅就我们国家而言，,压力容器的制造、使用、设计研究及监察管理,就涉及到,机械、核能、电子、航空、航天、交通、海洋石油、化工、轻工、纺织、冶金、高教、科学院、国防科委、国家标76局、国家医药总局及劳动,人事部等近二十个系统。,25,一、概述,二、压力容器的用途,三、压力容器的工艺参数,工艺参数是进行,压力容器结构设计,和,强度设计,的,主要依据,。工艺参数由生产的工艺要求确定。影响压力容器设计的主要工艺参数主要有,压力、温度、几何尺寸,等三个方面。,（一） 压力,在物理学中，压力系指垂直作用于物体表面的力称为压力强度，简称压强。工程上压力的概念实质上就是物理学中的压强，即工程上把垂直作用于物体单位面积上的力称为压力，这是一种习惯性叫法。,PPT48,（二） 温度,（1）金属温度: 金属温度是指容器受压元件沿截面厚度的平均温度。,（2）设计温度: 设计温度是指容器在正常操作情况、相应设计压力下，设定的受压元件的金属温度，其值不得低于元件金属可能达到的最高金属温度。,（3）试验温度: 试验温度是指在耐压试验时容器壳体的金属温度。,（三）几何尺寸,(1)直径:一般系指其内径，mm。标准化-系列中的各尺寸称为公称直径。,DN = nominal diameter，,公称直径,，又称平均外径(mean outside diameter)，就是各种管子与,管路,附件的通用口径。,公称通径,用字母“DN”后面紧跟一个数字标志。公称直径可用公制mm表示，也可用英制in表示。,（2）厚度,26,容器的零部件标准,为便于设计，有利于成批生产，提高质量，便于互换，降低成本，提高劳动生产率，我国各有关部门对容器的零部件(例如封头、法兰、支座、人孔、手孔、视镜、液面计等)进行了标准化、系列化工作，许多设备(例如贮槽、换热器、搪玻璃与陶瓷反应器)也有了相应的标准。,容器零部件标准的,最基本参数,是,公称直径DN,与,公称压力PN,；,公称直径,指标准化以后的标准直径，以DN表示(mm)，例如内径1200mm的容器的公称直径标记为DN1200。公称直径可用公制mm表示，也可用英制in表示。 它主要分为,三方面,：,1.,压力容器,的公称直径,用钢板卷焊制成的筒体,，其公称直径指的是,内径,。若容器直径较小，筒体可直接采用,无缝钢管,制作。此时，公称直径指钢管,外径,。 设计时，应将工艺计算初步确定的设备内径，调整为符合规定的公称直径。 封头的公称直径与筒体一致。,2.,管子,的公称直径,为了使管子、管件连接尺寸统一，采用DN表示其公称直径（也称公称口径、公称通径)。化工厂采用电焊钢管，称,有缝管,。有缝管按厚度可分为薄壁钢管、普通钢管和加厚钢管。其公称直径不是外径，也不是内径，而是近似普通钢管内径的一个,名义尺寸,。每一公称直径，对应一个外径，其内径数值随厚度不同而不同。 管路附件也用公称直径表示，意义同有缝管。 工程中所用的,无缝管,，如输送流体用无缝钢管(GB 8163-87)、石油裂化用无缝钢管(GB 9948-88)、化肥设备用高压无缝钢管（GB 6479-86)等，,标记方法不用公称直径,，而是以外径乘厚度表示。标准中称此外径与厚度为,公称外径,与,公称厚度,。 输送流体用无缝钢管和一般用途无缝钢管分热轧管和冷拔管两种。在管道工程中，管径超过57mm时，常采用热轧管(最大外径为200mm )。管径在57mm以内常选用冷拔管(最大外径为630mm )。,3.,容器零部件,的公称直径,有些零部件如法兰、支座等的公称直径，指的是与它相配的筒体、封头的公称直径。DN2000法兰是指与DN2000,筒体(容器)或封头,相配的法兰。DN2000鞍座是指支承DN2000mm容器的鞍式支座。还有一些零部件的公称直径是与它相配的管子公称直径表示的。如管法兰，DN200管法兰是指连接DN200mm管子的管法兰。另有一些容器零部件，其公称直径是指结构中的某一重要尺寸，如视镜的视孔、填料箱的轴径等。DN80(Dg80)视镜，其窥视孔的直径为80mm。,27, 公称压力,容器及管道的操作压力,经标准化以后,的标准压力称为公称压力，以PN表示，单位MPa。,由于,工作压力,不同，,相同公称直径,的压力容器其筒体及其零部件的,尺寸,也就不同。为了使石油、化工容器的零部件标准化、通用化、系列化，必须将其承受的压力范围分为,若干个标准压力等级,，即,公称压力,。 设计时如果选用标准零部件，必须将操作温度下的最高操作压力(或设计压力),调整为,所规定的某一公称压力等级,，然后根据DN与PN选定该零部件的尺寸。如果零件不选用标准零部件，而是自行设计，设计压力就不必符合规定的公称压力。,压力容器法兰与管法兰的公称压力（MPa）,28,（2）厚度,计算厚度,：指容器受压元件为满足强度及稳定性要求，按相应公式计算得到的不包括,厚度附加量,的厚度。,设计厚度,：指计算厚度与腐蚀裕量之和。,名义厚度,：指标注在图样上的厚度。,最小厚度,：容器壳体加工成型后,不包括腐蚀裕量,的最小厚度。,厚度附加量,：设计容器受压元件时所必须考虑的附加进取度，包括钢板（或钢管）厚度附加量的厚度。,有效厚度,：名义厚度减去,厚度附加量（腐蚀裕量与钢材厚度负偏差之和）,。,厚度附加量,:additional value of thickness设计时考虑材料供货,制造及使用过程中,厚度减薄,的可能性,用在理论公式计算厚度的基础上,增加的厚度裕量.,以钢制压力容器为例,包括钢板或钢管的,厚度负偏差C1,; 腐蚀裕量C2以及,制造减薄量(又称”加工裕量”)C3.,C1可按钢板或钢管的尺寸查有关手册得到;C2根据腐蚀速率及使用年限来确定;C3包括热加工产生的氧化层厚度及冲压成型时的拉伸减薄量等.C1和C3由制造厂根据材料厚度负偏差以及制造工艺条件负责另加,并确保容器各部位的实际厚度不小于,设计厚度(计算厚度加腐蚀裕量),29,(1)、厚度的定义,计算厚度,设计厚度,圆整值,名义厚度,有效厚度,毛坯厚度,加工减薄量,容器的厚度和最小厚度,图 壁厚的概念,30,容器板,厚度附加值标准,容器锅炉钢板厚度附加值说明：容器锅炉钢板的,厚度偏差标准,，是按GB/T709-2006 (B类）偏差执行；,厚度的附加值,是由GB 713-2008 及 GB 709-2006 计算得到。从2008年9月1日起执行。,31,液化石油气储罐,32,产品详细参数：,33,此外，压力容器的参数还有很多，如,容积、焊接结构、载荷条件、介质特性,等。,从压力容器安全方面考虑，对,介质特性,主要考虑以下三个方面：,（1）介质的物理特性；,（2）介质对材料的腐蚀性；,（3）介质的化学特性。,34,4.1.4 压力容器的基本要求,对于压力容器设计的,基本要求是,保证其安全性和经济性。由材料力学可知，安全和经济是一对矛盾，,在保证安全的前提下尽可能经济，安全性作为核心。,保证压力容器的安全性，绝不可盲目增加容器壁厚或提高材料品质，而应该从,合理的结构设计、精确的强度计算、合理的材料选用、正确的技术要求,等方面着手。压力容器应满足以下6个方面的要求。,(1)强度要求,强度是指容器在外力作用下,不,失效,和不被破坏的能力,。压力容器的受压元件应具有足够的强度，以保证在压力、温度和其它外载荷作用下不发生过度的塑性变形、破裂或爆炸等事故。,失效：（1）完全破坏，不能继续使用。（2）严重损伤，继续使用不安全。（3）能安全使用，但达不到预期作用。,(2)刚度要求,刚度是指容器在外力作用下，,保持原来形状的能力,。由于过度的变形会丧失正常的工作能力，即使不会使容器破坏，但能够发生密封泄漏，使密封失效。,(3)稳定性要求,稳定性是指容器在外力作用下，,保持其几何形状不发生突然改变的性能,。如外压薄壁圆筒可能会突然压瘪而失稳。,35,（4）密封要求,压力容器的介质一般是易燃、易爆或有毒介质，一旦泄漏，会造成环境污染、财产损失、人员伤亡等，因此,密封性能,要求至关重要。,（5）使用寿命,压力容器应具有,足够的使用寿命,。通常取决于介质对材料的腐蚀性、疲劳和磨损等。压力容器的设计使用寿命一般为1015年，重要的容器设计使用寿命为20年。容器的设计使用年限与实际使用年限不同，操作使用得当，检验维修好，使用年限会延长很多。,（6）结构要求,压力容器应具有,合理的结构,。不仅要满足,工艺要求，还要有良好的承载特性，而且还要方便制造、检验、运输、安装、操作及维修,。尽可能采用标准化的零部件、设置尺寸适宜的人孔和检查孔。,结构设计是压力容器设计的重要内容。,36,第二节 压力容器分类与结构,一、压力容器的分类,二、压力容器的结构,（一）按用途分类,（二）按压力分类,（三）按危险性和危害性分类,（一）容器本体,（二）容器主要附件,（三）,高压容器本体和密封结构,（四）,气瓶,37,压力容器质量保证体系,设计,材料,制造与制造过程中的检验,在役检验与监控,38,压力容器法规标准体系,法律、行政法规、部门规章、安全技术规范、技术标准,安全生产法、产品质量法、商品检验法,特种设备安全监察条例,固定式压力容器安全技术监察规程,气瓶安全技术监察规程,.,钢制压力容器,管壳式换热器,39,压力容器安全监察机构及制度,国家质检总局特种设备安全监察局,压力容器行政许可制度,设计许可,制造安装。改造许可,维修许可,充装许可,检验检测机构核准、检验检测人员考核,登记使用、作业人员考核,40,压力容器监督检查制度,强制检验,执法检查,事故处理,监察责任制度,安全状况公布,具体做法：对压力容器生产（设计、制造、安装等）行政许可，制造、安装过程监督检验，使用过程登记、定期检验，安全监察、检测检验、作业人员考核发证，现场监督检查、事故调查处理组织。,41,压力容器设计、制造规范,第一本压力容器规范， 多层高压容器设计与检验规程， 1959年颁布四部联合标准。,钢制化工压力容器设计规定 60年代初。,GB150-89，GB150-98钢制压力容器,89年颁布，98年修订。标准包括：,总论,材料,内压圆筒与内压球壳,外压圆筒与外压球壳,封头,开孔与开孔补强,法兰,卧式容器,直立设备,制造、检验与验收,42,（一）按用途分类,（二）按压力分类,（三）按危险性和危害性分类,（1）反应容器,R 主要用来完成工作介质的物理、化学反应的容器称为反应容器。如：反应器、发生器、聚合釜、合成塔、变换炉等。,（2）换热容器,E 主要用来完成介质的热量变换的容器称为换热容器。如热交换器、冷却器、加热器、硫化罐、消毒锅等。,（3）分离容器,S 主要用来完成介质的流体压力平衡，气体净化、分离等的容器称为分离容器。如分离器、过滤器、积油器、缓冲器、贮能器、洗涤塔、铜洗塔、干燥器等。,（4）贮运容器,C 主要用来盛装生产和生活用的原料气体，液体、液化气体的容器称为贮运容器。如贮槽、贮罐、槽车等。,43,（一）按用途分类,（二）按压力分类,（三）按危险性和危害性分类,按照设计压力（P）的大小、压力容器可分为,低压、中压、高压,和,超高压,四类。其划分界限如下：,低压容器：0.11.6MPa,中压容器：1.610MPa,高压容器：10100MPa,超高压容器：100MPa以上,44,（一）按用途分类,（二）按压力分类,（三）按危险性和危害性分类,（1）第三类压力容器,符合下列情况之一者，为第三类压力容器：,.高压容器；,.中压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；,.中压储存容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且容器的设计压力与其容积的乘积PV10MPam3）；,. 中压反应容器（仅限易燃或毒性程度为中度危害介质，且容器的设计压力与其容积的乘积PV0.5MPam3）；,. 低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质，且容器的设计压力与其容积的乘积PV0.2MPam3）；,.高压、中压管式余热锅炉；,.中压搪玻璃压力容器；,.使用强度级别较高（指相应标准中抗拉强度规定值下限大于等于540 MPa）的材料制造的压力容器；,.移动式压力容器，包括铁路罐车（介质为液化气体、低温液体）、罐式汽车液化气体运输（半挂）车、低温液体运输（半挂）车、永久气体运输（半挂）车和罐式集装箱（介质为液化气体、低温液体等）；,.球形储罐（容积V50m3）；,.低温液体储存容器（容积V5m3）。,（2）第二类压力容器,除已划归为第三类压力容器的情况外，符合下列情况之一者，为第二类压力容器：,.中压容器；,.低压容器（仅限毒性程度为极度和高度危害介质）；,.低压反应容器和储存容器（仅限易燃介质或毒性程度为中度危害介质）；,. 低压管壳式余热锅炉；,. 低压搪玻璃压力容器。,（3）第一类压力容器,除已划归为第二类和第三类压力容器的情况外，所有的压力容器为第一类压力容器。,45,（四）按,制造方法,分类,分为焊接容器、锻造容器、热套容器、多层包扎式容器、绕带式容器、组合容器等。,（五）按,制造材料,分类,分为钢制容器、有色金属容器、非金属容器等。,（六）按,几何形状,分类,分为圆筒形容器、球形容器、矩形容器、组合式容器等。,（七）按,安装方式,分类,分为立式容器、卧式容器等。,（八）按,固定方式,分类,分为固定式容器、移动式容器等。,（九）按,受压情况,分类,分为内压容器、外压容器等。,（十）按,容器壁厚,分类,分为薄壁容器、厚壁容器等。,（十一）按,使用场合,分类,分为化工容器、核容器等。,46,代号标记法,压力容器,注册编号的前三个代号,分别是上述分类法的代号，如：,M,S,分离容器,中压,第二类,第一个代号表示类别：,一类压力容器；二类压力容器；三类压力容器,第二个代号表示压力的等级：,I低压；M中压；H高压；U超高压,第三个代号表示用途：,R 反应容器；E 换热容器； S 分离容器；C 储存容器；,B 球形容器； LA 液化气体汽车罐车； LT 液化气体铁路罐车,47,（一）容器,本体,（二）容器,主要附件,（三）高压容器本体,和密封结构,（四）气瓶,1,球形,容器,压力容器的本体就是一个球壳。一般都是焊接结构，旧式的也有铆接的。球形容器的直径一般都比较大，难以整体或半整体压制成形，所以它大多是由许多块按一定的尺寸预先压制成形的球面板组焊接而成。特点:壳体受力小,表面积小，节省制造钢材，与周围环境隔热效果好.,2,圆筒形,容器,是使用的最为普遍的一种压力容器。虽然从受力情况看，圆筒体不如球体，但它比其它形状（如方形）要好的多。圆筒体是一个平滑的曲面，应力分布比较均匀，不会由于形状突变引起较大的附加应力。而圆筒形容器比球形容器,易于制造,，又,便于在内部装设工艺附件装置,和便于相互作用的,工作介质在内部流动,。因而它广泛用作反应器、换热和分离容器。圆筒形容器由一个圆筒体和两端的封头（端盖）组成。,3.圆筒体,4.封头或盖端,压力容器设备中不可缺少的重要部件。,是压力容器的一个主要承压部件。, 封头的品质直接关系到压力容器的,长期安全可靠运行。,4.2.2压力容器的结构,主要部件是由,壳体,及其,工艺附件,组成。,48,（一）容器本体,（二）容器主要附件,（三）高压容器,本体,和,密封结构,（四）气瓶,1法兰联结结构,：,（1）整体法兰 与圆筒体固定成为一个不可拆的整体。,（2）活套法兰 是套在筒体外面而不与筒壁固定成整体的一种法兰。,（3）螺纹法兰 是用螺纹与筒体相联接的一种法兰。,2容器的接管、开孔及其补强结构：,压力容器一般都要开孔。容器开孔后，器壁强度将因此受到消弱，因而就需要补强。所以容器的主要附件还应包括这些,接口管,、,手孔、人孔,以及,开孔补强结构,。,图 （a）补强圈补强,strengthen,补强圈贴焊在壳体与接管连接处,49,法兰（Flange）又叫法兰盘或突(凸)缘。,法兰是使管子与管子相互连接的零件，连接于管端。法兰上有孔眼，螺栓使两法兰紧连。法兰间用衬垫密封。法兰分螺纹连接（丝接）法兰和焊接法兰。,法兰连接(flange joint)由一对法兰、一个垫片及若干个螺栓螺母组成。垫片放在两法兰密封面之间，拧紧螺母后，垫片表面上的比压达到一定数值后产生变形，并填满密封面上凹凸不平处，使联接严密不漏。,法兰分螺纹连接（丝接）法兰和焊接法兰。,法兰连接是一种可拆连接。,50,（一）容器本体,（二）容器主要附件,（三）,高压容器,本体,和,密封结构,（四）气瓶,特点:,工作压力较高，壳壁较厚，容器的外径与内径之比K值大于1.1，它的制造比中低压容器困难。,1. 本体结构型式,（1）厚壁筒体,厚壁筒体按其壳壁的构成可以分为,单层筒体、多层板筒体和绕带筒体,等三类型式。,（2）封头,除整体锻造式利用锻成的筒体在端部加热再进行锻压收口直接锻出,凸形封头,外，其它高压容器的封头绝大部分都采用,平型,。,2密封结构型式,对高压密封结构的要求,首先,是使用可靠，保持严密不漏；,其次,要求它结构简单、使用材料少、占据容器的反应空间少以及制造方便、易于安装和拆卸等。,目前各国的高压容器所采用的密封结构，按照它的作用原理可以分为,强制式密封,和,自紧式密封,自紧式密封,两大类。,51,（一）容器本体,（二）容器主要附件,（三）高压容器本体,和密封结构,（四）气瓶,1结构特点,气瓶是一种专作气体运输用的贮运容器，为了适应这种专门用途的需要，所以在结构上具有以下一些特点：,（1）容积较小 ，（2）高度适中 ，（3）具有立放的支座 ，（4）只有一个接口管 。,2气瓶的结构,气瓶根据制造方法的不同，大致可分为,焊接气瓶、管制气瓶,和,冲压拉伸气瓶,。近年来国内外还在制造和使用一种,玻璃钢气瓶,。,这种气瓶由一个铝制的内筒和内筒外面缠绕一定厚度的无碱玻璃纤维构成的。铝制内筒的作用是保证气瓶的气密性。玻璃钢气瓶具有重量轻、绝热性好、节省金属材料等特点。,52,气瓶的最高使用温度,是指气瓶在充装气体以后，可能达到的最高温度。气瓶安全监察规程规定60为气瓶的最高使用温度。,气瓶的公称工作压力,，对于盛装压缩气体的气瓶，是指气体在基准温度下（一般为20）的充装压力；对于盛装液化气体的气瓶，是指按规定的充装系数完装，温度为 60时瓶内介质的压力；对于盛装溶解乙炔的气瓶，是指在限定充装量下，温度 60时瓶内乙炔气的压力。,气瓶的公称容积,是指气瓶规程和标准规定的气瓶容积的分级系列，公称容积和公称工作压力一样是一个名义值，而不是准确的实际值。为安全计，气瓶的实际容积必须大于公称容积，允差为+5%。可见，公称容积虽是一个称谓的名义值，但限制的是很严格的，不能随便称呼。比如公称容积为40L的无缝气瓶，其实际容积应在40L至42L之间。,气瓶的钢印标记,，对识别气瓶并准确充装，安全使用，定期检验等起着重要作用，钢印标记按规定应刻印在气瓶肩部或护罩上，标记上至少应有以下内容：（1）气瓶制造单位名称或代号；（2）气瓶编号； （3）水压试验压力，MPa；（4）公称工作压力，MPa；（5）实际重量，kg；（6）实际容积，L；（7）瓶体设计壁厚，mm；（8）制造单位检验标记和制造年月；（9）监督检验标记；（10）寒冷地区用气瓶标记。,53,罐体,主要受压及承受纵向载荷部分,的,焊接接头,分为A、B、C、D、E 5类(见图1)，并符合下列规定：a) 直圆筒及锥形圆筒部分的纵向接头、凸形封头的所有拼接接头均属,A类,焊接接头；b) 壳体部分的环向接头、带颈法兰与接管连接的接头，均属,B类,焊接接头；c) 法兰与接管连接的非对接接头均属,C类,焊接接头；d) 接管、人孔、凸缘、补强圈等与壳体连接的接头均属,D类,焊接接头；e) 牵引梁、上鞍等与罐体连接的焊接接头均属,E类,焊接接头。,54,4.4压力容器的载荷(,和应力 ),一、 介质压力和液体静压力,二、 温度载荷,三、重量载荷,四、风载荷,五、 地震载荷,六、 交变载荷,七、工艺性应力,55,过程设备设计,载荷分析,载荷,压力,内压,外压,非压力载荷,整体载荷,重力载荷,风载荷,地震载荷,运输载荷,波动载荷,局部载荷,管系载荷,支座反力,吊装力,交变载荷,载荷,56,载荷,压力容器,应力、应变的变化,载荷,压力,（包括内压、外压和液体静压力）,非压力载荷,重力载荷,风载荷,地震载荷,运输载荷,波动载荷,管系载荷,支座反力,吊装力,载荷,局部载荷,整体载荷,57,上述载荷中，有的是大小和/或方向随时间变化的交变载荷，有的是大小和方向基本上不随时间变化的静载荷,压力容器,交变载荷,的典型实例：,间歇生产的压力容器的重复加压、减压；,由往复式压缩机或泵引起的压力波动；,生产过程中，因温度变化导致管系热膨胀或收缩，从而引起接管上的载荷变化；,容器各零部件之间温度差的变化；,装料、卸料引起的容器支座上的载荷变化；,液体波动引起的载荷变化；,振动（例如风诱导振动）引起的载荷变化。,58,过程设备设计,载荷工况,载荷工况,正常操作工况,特殊载荷工况,压力试验,开停车及检修,意外载荷工况,紧急状态下快速启动,紧急状态下突然停车,59,载荷工况,a.正常操作工况：,容器正常操作时的载荷包括：设计压力、液体静压力、重力载荷(包括隔热材料、衬里、内件、物料、平台、梯子、管系及支承在容器上的其他设备重量)、风载荷和地震载荷及其他操作时容器所承受的载荷。,b. 特殊载荷工况,特殊载荷工况包括,压力试验、开停工及检修等工况。,制造完工的容器在制造厂进行压力试验时，载荷一般包括试验压力、容器自身的重量。,开停工及检修时的载荷主要包括风载荷、地震载荷、容器自身重量，以及内件、平台、梯子、管系及支承在容器上的其他设备重量,c.意外载荷工况,紧急状况下容器的快速启动或突然停车、容器内发生化学爆炸、容器周围的设备发生燃烧或爆炸等意外情况下，容器会受到爆炸载荷、热冲击等意外载荷的作用。,60,一、 介质压力和液体静压力,二、 温度载荷,三、重量载荷,四、风载荷,五、 地震载荷,六、 交变载荷,七、工艺性应力,由于介质压力的作用，沿,容器器壁的壁厚,将产生,均匀分布的拉(压)应力,，即通常所称的,薄膜应力,。,薄膜应力是由介质压力直接产生并与压力载荷相平衡的应力。容器一旦发生超压，则薄膜应力也随之正比例增长，当它达到材料屈服点时容器就失效。当有液体存在时液体静压力也应一并考虑。,此外，在容器的形状(如曲率)、材料和载荷不连续处，由于介质压力的作用还会间接地产生不连续应力，或称,边缘应力,。这种应力对容器安全的影响较小。,membrane stress,沿截面厚度均匀分布的应力成分，它等于沿所考虑截面厚度的应力平均值。,由,无力矩理论,求解的壳体应力均为薄膜应力，且属一次薄膜应力。根据,有力矩理论,计算，不连续应力中也含有薄膜应力分量，但属二次应力。由于薄膜应力存在于整个壁厚，一旦发生屈服就会出现整个壁厚的塑性变形。在压力容器中，其危害性大于同等数值的弯曲应力(弯曲应力沿壁厚呈线性或非线性分布)。 摘自安全工程大辞典,61,一、 介质压力和液体静压力,二、 温度载荷,三、重量载荷,四、风载荷,五、 地震载荷,六、 交变载荷,七、工艺性应力,对于操作温度,高于或低于,室温的容器，在使用时其壁温将高(或低)于安装温度。根据热胀冷缩的原理，容器元件的,壁温变化,也就要引起,相应的膨胀或收缩变形,。如果这种由于温度变化产生的变形受到相邻构件或材料的限制，构件内部就要产生,温差应力,其数值与,容器元件的材料性质、温度变化的幅度,以及约束元件与热变形元件的,拉压刚度,比有关。,62,一、 介质压力和液体静压力,二、 温度载荷,三、重量载荷,四、风载荷,五、 地震载荷,六、 交变载荷,七、工艺性应力,考虑容器的各种工作状况，,个容器有三个不同的重量载荷。这就是,吊装,(,空重,),重量、操作重量,和,制造车间水压试验重量,。为了对容器进行,定期检验,，而要进行现场水压试验，则还要考虑,现场,水压试验重量。,重量载荷对器壁的作用取决于容器的,支承方式,，通常是局部地作用于支座部位的器壁，故具有,局部性,。,其重量载荷是,以轴对称,和,以非轴对称的方式,作用于壳体；对于以非轴对称方式作用的支承力对壳体的作用较复杂，难于作精确的理论分析。,63,一、 介质压力和液体静压力,二、 温度载荷,三、重量载荷,四、风载荷,五、 地震载荷,六、 交变载荷,七、工艺性应力,风是一,股,扫过地球表面的高度湍动的空气流。对于安置于室外的,高耸设备,必须计其风载荷的作用。通常风总是一阵阵地吹到设备的迎风面上，这就相当于对设备作用了一个,脉动的倾倒力矩,。如将这类高耸直立容器当作一个支承于地表的,悬臂梁,，由于风力矩的作用将使迎风面的器壁产生轴向拉应力，背风而产生轴向压应力。,此外，对长径比较大的细长设备，风速较高时风可能在其背风面,(,垂直于风的方向,),产生风的诱导共振弯矩，此时考虑风载荷作用时则要将风弯矩和诱导共振弯矩按矢量法合成，然后按合成弯矩来计算设备的轴向弯曲应力。,64,一、 介质压力和液体静压力,二、 温度载荷,三、重量载荷,四、风载荷,五、 地震载荷,六、 交变载荷,七、工艺性应力,作用于容器上的,地震力,，是由于地壳反常地突然迁移而在容器上产生的,惯性力,。因此地震力及其产生的应力皆具有,瞬变的动态特性,，对设备的作用极为复杂，目前尚难于作出精确分析。在现行的地震设计中总是作了不少简化，并且是经验性的。,首先,是忽略地震产生的垂直分力的作用；,其次,是将作用于容器及设备上的水平地震力经验地折算为相当的静态力。,对于,短而重的立式容器与双支承的卧式圆筒,可认为是刚性结构，即在惯性力作用下不产生挠曲。其相当的水平地震力常以容器地震时最可能出现的重量,W,与地震运动的水平加速度和重力加速度的比值,a,g,表示，即,F,地,wa/g,对于,高而细长的直立设备,，地震时由于地基相对于容器重心的移动会引起容器的挠曲变形和阻尼振动，因此在计算相当的地震力时就必须考虑其结构的动力学特性。若假设容器为,全部质量集中于顶点的单质点系统,，则其地震力与容器重量,w,，考虑地震烈度、土壤性质和容器自振周期的地震影响系数,，考虑容器外形的结构系数,C,等有关，即,F,地,CW,实际上，容器的质量并不集中于顶点而是,分布于整个容器,，因此在计算中应按振动理论引入,振型系数,，并,分段,计算地震力。,65,一、 介质压力和液体静压力,二、 温度载荷,三、重量载荷,四、风载荷,五、 地震载荷,六、 交变载荷,七、工艺性应力,由,大小是随时间而周期性变化的,交变载荷,引起的应力称为,交变应力,。由于交变载荷所引起的交变应力会导致容器的疲劳破坏。这仲破裂事故占容器破坏事故的,40,。,交变应力幅,愈大，单位时间内交变次数愈多，将别是当应力集中区内的局部高应力超过材料屈服点的两倍时，就较易萌生疲劳裂纹，并使裂纹扩展，最终造成破裂。因此，从容器的安全生产和安全分析角度来看，交变载荷和交变应力是应该高度重视的一种载荷。,一般对于按静载荷设计的连续运行容器则应控制其正常操作下的,允许载荷波动,小于,设计载荷,的,20,或更小,。,66,一、 介质压力和液体静压力,二、 温度载荷,三、重量载荷,四、风载荷,五、 地震载荷,六、 交变载荷,七、工艺性应力,工艺性应力是指在容器制造工艺,过程中,产生，并在容器,制成后,仍然存在于容器构件内的应力。,如：,由于焊缝收缩而产生的,焊接残余应力,；管壳式换热器中管子和管板胀接而引起的,胀合连接力,；热套式高压容器的层间套合应力或多层包扎式高压容器层板纵缝焊后收缩所形成的,包紧力,。,在各种不同的工艺性应力中，有的是有害的，有的是有益的。,对于,有害的,如焊接残余应力则由焊接工艺来控制，通过,焊后热处理,来消除。过大的焊接残余压力有时会造成容器在使用前就裂开，有时即使不开裂，也会使焊缝及附近的局部应力过高，如遇交变载荷就容易产生疲劳破坏。,对于,有益的应力,，如胀管时形成的胀接力，则要用正确合格的结构和工艺保证它有足够的量，使连接牢固。工艺性应力的种类随结构和制造工艺不同而不同。,67,强度理论,(四个),判断材料在复杂应力状态下是否破坏的,理论和准则,。,材料在外力作用下有两种不同的破坏形式：一是在不发生显著塑性变形时的突然断裂,称为,脆性破坏,;二是因发生显著塑性变形而不能继续承载的破坏，称为,塑性破坏,。破坏的原因十分复杂。,强度理论的建立，为人们利用轴向拉伸的试验结果去建立复杂应力状态下的强度条件，提供了理论基础。但由于材料的破坏是一个非常复杂的问题，而上述四个强度理论都是在一定的历史阶段、一定的条件下，根据各自的观点建立起来的，所以都有一定的局限性，即,每个强度理论只适合于某些材料,。,在常温和静载荷条件下的脆性材料，破坏形式一般为断裂，所以通常采用第一或第二强度理论。第三和第四强度理论都可以用来建立塑性材料的屈服破坏条件，其中第三强度理论虽然不如第四强度理论更适合于塑性材料，但其误差不大，所以对于塑性材料也经常采用。,第一强度理论最大拉应力理论：,十七世纪最早提出来的,.,第二强度理论最大拉应变理论：,第三强度理论最大剪应力理论：,tresca强度准则,屈雷斯卡,(,tresca,)屈服失效判据最大切应力屈服失效判据,第四强度理论最大八面体剪应力,(,形状改变比能,),理论：,68,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，ASME-2与JB4732采用。,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。,69,4.5 压力容器的,应力分类,与,局部应力,压力容器属于国家安全监察的特种设备, 在设计、制造、安装、使用、检验过程中都必须遵守相应的法规要求。,1,两种压力容器设计方法,目前钢制压力容器的设计方法有,常规设计,和,按,应力分析设计,两种方法。,(1),传统设计方法,的提出是由当时的科技水平决定的.在很长一段时间内,这一设计方法对压力容器设计和技术的发展,起着积极的推动作用.,原理:,常规设计法,是以,薄膜应力,为基础, 以,弹性失效,为准则, 按规则设计, 依据,第一强度理论, 限定,最大薄膜应力强度不超过规定许用应力值, 对于,边缘应力,及,峰值应力,等,局部应力,一般不作定量计算, 我国相应的设计标准为,GB150。,特点:,由于传统设计方法,简单易行,已有丰富的使用经验,各国依然采用它进行,一般(常规)压力容器,的设计 ,如美国的ASME和日本标准JISB8 243等,.但是存在着很大的局限性,其主要缺点是,没有区分,薄膜应力和其他应力对容器强度的,不同影响,片面地认为不管是整体应力还是局部应力, 只要达到了材料的屈服极限, 整个容器便失去正常的工作能力,亦即”失效“.,实际上,当局部应力达到材料的屈服极限时,容器大部分区域的应力尚低于这一数值,仍处于弹性状态,因此,此时容器不仅不会进入屈服.就是已经屈服的局部区域, 由于受到周围广大弹性区的约束,其变形量不可能进一步增长(即不可能发生过大的塑性流动),应力的增加也会受到控制,因而不会引起整个容器失效.,70,(2),随着压力容器的使用条件越来越高,原GB150的,常规设计标准已,不能完全适应,从,传统的按规则设计,的方法,过渡,到,以详细的应力分析与评定的设计基准,的更高阶段.,因而制定了新的标准:,JB4732 95。,原理:,该标准依据,第三强度理论, 采用,分析设计法, 对容器的,各种应力,进行,精确计算和,分类,。对,不同性质的应力, 依据它们对容器安全危害性的大小, 应用,安定性,和,极限分析法,概念, 分别建立不同的强度条件予以限制; 同时还考虑了循环载荷下的,疲劳分析, 在设计上,更合理,。,行业标准,JB4732 95,是以,分析设计为基础,的钢制压力容器标准,提供了,以弹性应力分析和塑性失效准则,弹塑性失效准则为基础的,设计方法, 对于选材,制造,检验和验收规定了比更为严格的要求.,但该标准,并不是,对GB150 设计标准的,否定,。,目前,两个标准同时实施, 由用户根据容器的使用条件、使用目的等自行选择。,71,2􀀁应力的分类原则,JB4732- 95设计标准所采用的,应力分类,是和目前所了解并掌握的,容器失效模式,以及目前所通用的,受压元件应力算法,相匹配的, 是针对钢制压力容器,分析设计,的,应力分类, 并不是纯粹从力学理论出发进行的分类。采用的,应力分析方法,主要是对钢制压力容器所采用的,板壳,理论方法, 将主要由,板壳理论,所求得的,各项应力,按照,产生该应力的载荷类型、导出应力的方法、应力性质和应力在元件上存在区域的大小,分析,它们对容器各失效模式所起的,不同作用,而加以分类,分类的总体原则,是,“,等安全裕度原则,”, 即,合理的设计应该使结构各个部位的安全裕度都相等, 这样就可以,避免潜在的薄弱环节,和,材料的过多浪费,。,各类应力是根据,塑性理论由弹性应力分析,求得, 它们对结构破坏的,影响程度不同, 因而对,不同的应力,取,不同的设计应力强度值, 以保证,结构各个部位的安全裕度相等,。,分析设计方法,的,核心,是将压力容器中的,各种应力,加以分类,分清主次,根据,各类应力对容器安全性的影响程度,分别规定不同的安全系数,以保证设计产品的,安全性,与,经济性.,72,分析设计：要求对容器的载荷做详细的分析。并根据载荷的性质进行分类，在此基础上，对不同的应力加以限制。分析设计的要点：,把容器内的应力分为三类，,一次应力,为平衡外载荷所产生的应力。它随外载荷的增加而增加。,二次应力,由结构自身或者相邻部件的约束产生的应力。它具有自限性。,峰值应力,它是由局部不连续或局部热应力的影响叠加到一次和二次应力上的应力增量。它具有高度的局部性。它的危害是引起疲劳裂纹或者脆性断裂。,73,分类的原则依据下述基本出发点:,( 1)应力产生的原因,(教材P68)􀀁,应力是因受到,各种机械载荷,(如,介质压力、容器自重、风载荷、地震载荷,及附件对容器引起的,局部载荷,)而产生,还是,由于温差载荷(包括容器壁温度差、连接在一起的两元件间的温度差)而引起。,( 2)导出应力的方法􀀁,板壳理论,区分为,无力矩理论,和,有力矩理论,后者,考虑,边缘问题的求解, 几何结构不连续的两个相互连接的元件由于介质压力会产生,两类不同性质,的,应力,除,无力矩理论,涉及的由平衡介质压力导出的,应力,外, 还有一类由连接件边缘连接处在介质压力作用下协调总变形而导出的,边缘应力, 连接件中任意一个的屈服都会缓解产生此类应力的原因。,( 3)应力的性质和存在区域􀀁,例如应力沿,壁厚方向,是否均匀分布或是否成线性分布; 应力存在于容器的,总体地区,还是,局部地区,。,74,3,应力的分类-,P(P,m,P,L,P,b,), Q, F,压力容器在外载荷作用下, 满足了平衡条件与变形协调条件后,容器各个部件中的应力按其性质的不同,由JB4732- 95把钢制压力容器,各地方的应力分为以下三个大类:,(1)一次应力,P,是由于受到外加机械载荷的作用而在容器中产生的为平衡这种外载所必须的正应力或剪应力,它必须,满足力与力矩的平衡方程式,。,基本特点,是当它超过材料的屈服极限时将产生过度的变形而破坏,.,一次应力是个统称, 具体包括下述三类:,1)一次,总体,薄膜应力,:存在于结构,总体范围,内, 其应力达到材料的屈服强度时, 会使元件的总体范围内,整个壁厚的材料同时进入屈服, 使元件产生过量的弹性和塑性变形而直接导致结构破坏,它是各类应力中对容器,危害性最大,的应力。例如圆筒、锥壳在远离不连续连接处由内压所引起的薄膜应力。,2)一次,局部,薄膜应力:,存在于结构,局部范围,内, 由介质压力或其他机械载荷所引起, 只要符合”,局部地区,”和”,薄膜应力,”的特征都可以称为一次,局部,薄膜应力。例如容器支座或接管处, 由于自重或外载在壳体上所引起的薄膜应力和在封头与壳体连接处局部范围(边缘应力的衰减区) 内的薄膜应力。一次局部薄膜应力即使达到材料的屈服强度也,不会,造成结构整体过大的弹性和塑性变形, 因而允许这类应力强度有比一次总体薄膜应力,较宽的,校核条件。,3)一次,弯曲,应力:,是弯曲应力中的一种, 是由介质压力或其他机械载荷引起, 沿容器壁厚方向形成线性分布, 内外壁表面大小相等、方向相反、中间面为中性面的应力, 它满足外载和内力的平衡关系。平盖中心部位由压力引起的弯曲应力即是。,一次弯曲应力对结构整体的危害程度,同,一次局部薄膜应力相似, 因而这类应力的强度校核条件也比一次总体薄膜应力为宽。,75,(2)二次应力:,二次应力是由于