【國家標準】GB150及壓力容器設計基礎

壓力容器設計基礎 壓力容器的概念 壓力容器 盛裝壓力介質(zhì)的密閉容器 尺寸容積形狀，壓力和溫度條件，介質(zhì)，制造材料 涉及壓力容器的基本法規(guī)和標準 特種設備安全監(jiān)察條例 ，國務院， 壓力容器安全技術監(jiān)察規(guī)程 ，國家質(zhì)監(jiān)總局， 壓力容器、壓力管道設計單位資格許可與管理規(guī)則 ， 鍋爐壓力容器制造監(jiān)督管理辦法 ， 鋼制壓力容器 鋼制壓力容器 分析設計標準 4735 鋼制焊接常壓容器 管殼式換熱器 壓力容器的概念 壓力容器的劃定范圍 受壓元件：容器中直接承受壓力載荷（包括內(nèi)壓和外壓）的零部件，如容器殼體元件、開孔補強圈、外壓加強圈等 非受壓元件：為滿足使用要求而與受壓元件直接焊接成為整體，不承受壓力載荷（只承受重力載荷）的零部件，如支座、吊耳、墊板等 容規(guī) 明確規(guī)定了壓力容器的范圍，是指殼體及其連為整體的受壓零部件（受壓元件） 壓力容器的概念 壓力容器的分類 根據(jù)生產(chǎn)過程作用原理：反應壓力容器（ R），換熱壓力容器（ E），分離壓力容器（ S），儲存壓力容器（ C，其中球罐 B） 根據(jù)設計壓力 壓（ ，按園平板計算，此時應力以彎曲應力為主，與薄膜理論不適應的。 大端 30 采用無折邊結(jié)構(gòu)； 30 帶折邊 小端 45 采用無折邊結(jié)構(gòu)； 45 帶折邊 2、受壓元件 封頭 2）應力分析 大端 軸向力 2。 向拉伸應力 端徑向收縮，產(chǎn)生徑向彎曲應力，并使周向應力與壓力作用產(chǎn)生周向應力，方向相反而相對減小，所以大端以一次軸向拉伸應力+二次軸向彎曲應力為強度控制條件 32、受壓元件 封頭 ）應力分析 小端 軸向力 1和垂直于軸線方向 向拉伸應力 端徑向張大，產(chǎn)生周向應力。此周向應力與壓力作用產(chǎn)生周向應力方向一致，相互疊加，所以小端以一次周向應力 +由邊界力引起周向應力為強度條件控制值 2、受壓元件 封頭 3）計算公式 錐殼厚度 c o 是否需要在大 、 小端增設加強段 ， 由 77 交點在左邊表示二次應力影響不大 ， 不起控制作用， 按上式計算即可；當交點在右邊時 ， 需增設加強段 。 大端厚度： 小端厚度： 2 2現(xiàn)邊界應力作用。 通常情況下，錐殼為一個厚度。則應取上述三個厚度中最大值。 2、受壓元件 封頭 封頭 平蓋厚度是基于園平板在均布載荷作用下一次彎曲應力來計算： 分固支 （ 焊接 ） 和簡支 （ 螺栓 ） 查表 7 比較兩種邊界條件下得最大撓度與最大應力 ， 可知： 撓度反映板的剛度；應力則反映強度 。 所以周邊固支平蓋的最大撓度和最大彎曲應力比周邊簡支要小 ， 從強度和剛度要求 ， 周邊固支比周邊簡支的為好 。 固支簡支 a a 固支簡支主要內(nèi)容 1、總論 2、受壓元件 3、外壓元件（園筒和球殼） 4、開孔補強 5、 法蘭 6、低溫壓力容器（附錄 C） 7、超壓泄放裝置（附錄 B） 穩(wěn) 外壓元件承受的壓應力 ， 其破壞形式主要是失穩(wěn) ， 失穩(wěn)可分為周向失穩(wěn)和軸向失穩(wěn) 。 周向失穩(wěn) 斷面由園形變成波形 軸向失穩(wěn) 軸線由直線變成波形線 3、外壓元件（園筒和球殼） 周向壓縮應力引起 軸向壓縮應力引起 3、外壓元件（園筒和球殼） 壓容器的設計 外壓容器園筒和球殼的設計主要是穩(wěn)定性計算。 外壓容器園筒壁厚的計算，主要是為了防止在外壓作用下殼體的失穩(wěn)。為了防止失穩(wěn)，應使殼體防止失穩(wěn)的許用壓力 P殼穩(wěn)定安全系數(shù)取 1）周向失穩(wěn)計算 外壓容器殼體壁厚計算一般采用圖算法，根據(jù)殼體直徑（或半徑），計算長度，假設壁厚 (e) 和所用材料牌號，利用圖表查取系數(shù)，然后代入公式得到許用外壓力 P， 使 P；否則重新計算直至合格為止。 2）軸向失穩(wěn)計算 由園筒或管子的半徑，壁厚 e 和所用材料牌號，用圖表查取系數(shù)，代入公式得 計算壓力 用軸向壓縮應力取設計溫度下材料許用應力 和 3、外壓元件（園筒和球殼） 止外壓園筒失穩(wěn)措施 防止外壓園筒失穩(wěn)措施主要有： 1）增加園筒壁厚； 2）縮短園筒的計算長度； 3）設置加強圈。 加強圈設置應整圈圍繞在園筒上 ， 并要求有足夠截面積和組合慣性距 。 加強圈可設置在容器內(nèi)部或外部 。 加強圈和園筒之間連接可采用連續(xù)焊或間斷焊 。 間斷焊外部不少于園筒周長的 1/2， 內(nèi)部不少于 1/3。 主要內(nèi)容 1、總論 2、受壓元件 3、外壓元件（園筒和球殼） 4、開孔補強 5、 法蘭 6、低溫壓力容器（附錄 C） 7、超壓泄放裝置（附錄 B） 4、開孔補強 用范圍 在筒體 、 封頭上開圓孔 ， 橢圓孔或長圓孔 。 非園孔的 a/b 2。 筒體 1500或凸形封頭 d 1/2筒體 d 520筒體 500或錐形封頭 d 1/3筒體 d 1000開孔不僅削弱容器強度，也造成局部應力集中，是造成容器破壞重要因素，所以開孔補強是壓力容器設計重要組成部分。 4、開孔補強 孔補強形式與作用 1）型式 兩種開孔補強型式 整體補強和局部補強 （ 補強圈 ） 整體補強 增加殼體厚度 （ 經(jīng)濟性差 ） 厚壁管 （ 推薦 ） 整體補強鍛件與殼體焊接 （ 嵌入式接管 ） 222 圖 a） ， b） 局部補強 補強圈 （ 推薦 ） 2） 作用 內(nèi)壓容器 對開孔截面拉伸強度補償 。 外壓容器 對開孔截面壓縮穩(wěn)定性補償 ， 防止失穩(wěn) 。 4、開孔補強 孔補強的規(guī)定 1）不另行補強的最大開孔直徑 應滿足 75 2） 采用補強圈補強要求 b 540 n; n 38） 整體補強要求 下列情況之一 ， 應采用整體補強 （ 增加殼體厚度或采用補強鍛件與殼體相焊 ） 。 制化工容器結(jié)構(gòu)規(guī)定 。 b540 n n38d d350 介質(zhì)為極度，高度危害介質(zhì) 4、開孔補強 孔補強方法 1）等面積補強法（ d1/2 原則：有效補強面積大于或等于開孔失去面積 式中 為開孔處計算厚度 ， 注意： 對橢圓封頭和碟形封頭中心部位和邊緣部位 是不同的 。 12 4、開孔補強 孔補強方法 2）壓力面積補強法（ d 原則：有效承壓面積上作用力 許用應力 當殼體 、 接管 、 補強圈材料不同時 ， 上述可表達為： 0、 1、 2分別為殼體 、 接管 、 補強圈材料的許用應力 ，、 、 分別為有效補強范圍內(nèi)殼體 、 接管和補強圈橫截面積 ， P 設計壓力 ， 見 0581 鋼制化工容器強度計算規(guī)定 221100 222 21 1、總論 2、受壓元件 3、外壓元件（園筒和球殼） 4、開孔補強 5、 法蘭 6、低溫壓力容器（附錄 C） 7、超壓泄放裝置（附錄 B） 5、法蘭 蘭分類 1）按墊片 窄面法蘭 墊片在螺栓孔內(nèi)側(cè) （ 一般采用窄面法蘭 ） 寬面法蘭 墊片在螺栓孔兩側(cè) 2） 按整體性程度 松式法蘭 法蘭與筒體未連成整體 ， 如活套法蘭 、 螺紋法蘭 整體法蘭 法蘭環(huán) 、 錐頸與筒體連成整體 ， 如長頸法蘭 任意式法蘭 如平焊法蘭 （ 甲 、 乙型平焊法蘭 ） 3） 按密封面型式 突面法蘭 由一對平面組成 凹凸面法蘭 由一對相配合的凹面和凸面組成 榫槽法蘭 由一對相配合的榫面和槽面組成 環(huán)面法蘭 由一對相配合的環(huán)面組成 5、法蘭 按密封面形式 法蘭示意圖 5、法蘭 片 1）墊片種類 非金屬墊片 橡膠板 、 橡膠石棉板 、 聚四氟乙烯 、 膨脹石墨等 金屬墊片 純鋁 、 紫銅 、 軟鋼 、 不銹鋼等 ， 用于壓力 、 溫度較高場合 金屬包墊片 柔性石墨 、 石棉板為芯材 ， 外包銅 、 鋁 、 不銹鋼 、 鍍鋅鐵皮 常用于中 、 低壓和較高溫度場合 。 纏繞墊片 由金屬薄帶 （ 0 008F） 和填充帶 （ 石墨 、 柔性石墨 、 聚四氟乙烯 ） 相間纏繞而成 ， 適用較高壓力和溫度范圍 。 5、法蘭 片 2）墊片壓緊力 預緊狀態(tài)下最小壓緊力 操作工況下最小壓緊力 式中 ， 墊片操作時 ， 為保持密封需要施加于墊片單位有效密封面積上的最小壓緊力與內(nèi)壓力比值 ， 即 2是系數(shù) ， 墊片在預緊時 ， 為了消除法蘭密封面與墊片接觸面間的縫隙 ， 需施加于墊片單位有效密封面積上的最小壓緊力 。 墊片合理設計 ， 應使墊片在預緊和操作狀態(tài)下所需壓緊力盡可能小。 F cp b m 5、法蘭 蘭設計 1）法蘭密封要求 法蘭是通過緊固螺栓 （ 螺柱 ） 壓緊墊片來實現(xiàn)密封 ， 所以法蘭設計要防止泄漏 ， 既要保證強度 ， 也要有足夠剛性 ， 以保持良好密封性 。 影響法蘭密封因素： a） 操作條件 ， P、 T、 介質(zhì) b） 螺栓的預緊力 c） 墊片的性能 ， 應考慮墊片材料對溫度及其介質(zhì)相容性 。 d） 法蘭密封面形式 e） 法蘭剛度 5、法蘭 蘭設計 2）螺栓 螺栓載荷 預緊狀態(tài)： 操作狀態(tài)： 螺栓面積 預緊時 操作時 取兩者大值作為確定螺栓截面積依據(jù) 。 在螺栓面積 選用小直徑螺栓 ， 個數(shù)多；選用大直徑螺栓 ， 個數(shù)少 ， 為保證扳手在周向和徑向間距要求 ， 應選取合適螺栓直徑 ，使螺栓中心圓直徑最小 。 螺栓中心圓直徑增大 ， 使螺栓預緊力增大 ， 承受彎距增大 ， 不利于密封 。 a b m 242 242 5、法蘭 蘭設計 3）法蘭 法蘭強度設計的理論有多種 ， 我國法蘭設計規(guī)范的依據(jù)是彈性分析理論 ， 即控制法蘭中應力在彈性范圍內(nèi) ， 以保證法蘭的密封要求 。 （ ） 工程上法蘭設計主要是對法蘭軸向應力 H， 徑向應力 和組合應力的校核。 即 ， 、 2 2 蘭 蘭設計 4）法蘭設計的合理性 a） 選擇墊片時 ， 盡可能選擇所需壓緊力小的墊片 ， 即 m、 b） 盡可能縮小螺栓中心圓直徑 ， 減小法蘭力矩的力臂 ， 有利密封； c） 合理設計法蘭錐頸 （ 1） 和法蘭環(huán) （ f） ， 既保證強度 ， 又有足夠剛度 ， 即調(diào)整 1、 力 ， 趨滿應力狀態(tài) 。 主要內(nèi)容 1、總論 2、受壓元件 3、外壓元件（園筒和球殼） 4、開孔補強 5、 法蘭 6、低溫壓力容器（附錄 C） 7、超壓泄放裝置（附錄 B） 6、低溫壓力容器（附錄 C） 設計溫度低于或等于 的鋼制壓力容器（室外安裝無保溫的容器，最低設計溫度應考慮地區(qū)環(huán)境溫度影響） 各國對低溫壓力容器劃分溫度界限： 受環(huán)境溫度影響，殼體的金屬溫度低于或等于 時，也應遵循低溫壓力容器規(guī)定。 美國 日本、德國 法國 英國 20對不同使用溫度 ， 進行低溫沖擊 2） 對焊接和無損探傷要求 全焊透結(jié)構(gòu) 無損探傷比例為 50 和 100 100 其對接接頭 、 角焊接縫需進行100 焊縫表面不得有咬邊 3） 焊后熱處理 鋼板厚度 16 應進行焊后熱處理 。 主要內(nèi)容 1、總論 2、受壓元件 3、外壓元件（園筒和球殼） 4、開孔補強 5、 法蘭 6、低溫壓力容器（附錄 C） 7、超壓泄放裝置（附錄 B） 7、超壓泄放裝置（附錄 B） 壓力容器在運行中由于外界因素影響和工藝過程失控，造成超壓或超溫，容器有可能發(fā)生破裂或爆炸等安全事故，超壓泄放裝置就是在容器一旦超壓時會自動泄放，避免事故發(fā)生。 泄壓裝置要求 1） 動作壓力能在設定壓力及允許誤差范圍內(nèi) 2） 泄放能力大于或等于容器安全泄放量 3） 有可靠密封 ， 能保證容器正常工作 4） 在有效使用期限內(nèi)能可靠工作 超壓泄放裝置有安全閥、爆破片、及安全閥和爆破片組合。 7、超壓泄放裝置（附錄 B） 用爆破片條件 符合下列條件之一 ， 必須采用爆破片 1） 壓力快速增長 2） 對密封要求高 3） 介質(zhì)粘稠 、 有腐蝕性或?qū)﹂y門有磨損的介質(zhì) 4） 其他安全閥不能適用的場合 全閥 、 爆破片動作壓力和容器設計壓力關系 安全閥動作壓力 爆破片爆破壓力 P )P 上限）( P P 下限）(m i n 壓泄放裝置（附錄 B） 當采用安全閥與爆破片組合裝置時，其中一個泄放裝置的動作壓力應不大于設計壓力，另一個泄放裝置的動作壓力可提高，但不得超過設計壓力的 4% 。