壓力容器設(shè)計

壓力容器設(shè)計第1頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三本章重點本章重點是筒體和封頭的強度計算以確定其壁厚，涉及強度計算的內(nèi)容包括兩方面：設(shè)計壓力容器根據(jù)工藝條件，確定設(shè)計參數(shù)（p,t,D），選定材料和結(jié)構(gòu)形式，通過強度計算確定筒體和封頭的壁厚；校核在用容器判斷在剩余壽命期間內(nèi)是否安全容器針對某一使用條件需判廢，應(yīng)為判廢提供依據(jù)第2頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三7.1設(shè)計參數(shù)的確定根據(jù)GB150的有關(guān)規(guī)定正確選定設(shè)計參數(shù)。兩個基本參數(shù)：公稱直徑DN：指標準化以后的標準直徑，以DN表示，單位mm，例如內(nèi)徑1200mm的容器的公稱直徑標記為DN1200。公稱壓力PN：容器及管道的操作壓力經(jīng)標準化以后的標準壓力稱為公稱壓力，以PN表示，單位MPa。第3頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三7.1.1容器直徑容器筒體和封頭的直徑都有規(guī)定，不能任意取值，應(yīng)圓整為公稱直徑。壓力容器的公稱直徑：是指容器的內(nèi)徑，見P181表14-1鋼板卷焊公稱直徑是內(nèi)徑。無縫鋼管制作筒體時，以外徑作為公稱直徑，見表14-2第4頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三7.1.2工作壓力與設(shè)計壓力設(shè)計壓力是設(shè)定的容器頂部的最高壓力，與相應(yīng)的設(shè)計溫度一起作為設(shè)計載荷條件。工作壓力是由工藝過程決定的，會變動，通常指最大工作壓力，既指容器頂部在工作過程中可能產(chǎn)生的最高壓力（表壓）設(shè)計壓力:相應(yīng)設(shè)計溫度下確定殼壁厚度的壓力，亦即標注在銘牌上的容器設(shè)計壓力。其值稍高于最大工作壓力。第5頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三設(shè)計壓力的確定使用安全閥時設(shè)計壓力不小于安全閥開啟壓力或取最大工作壓力1.05～1.10倍；使用爆破膜根據(jù)其型式，一般取最大工作壓力的1.15～1.75倍作為設(shè)計壓力，不低于爆破片的爆破壓力固定式液化氣體儲罐的設(shè)計壓力應(yīng)根據(jù)充裝介質(zhì)在容器內(nèi)可能達到的最高金屬溫度下相應(yīng)的飽和蒸汽壓確定，具體參照TSGR0004移動式壓力容器設(shè)計壓力參照TSGR0005第6頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三計算壓力計算壓力：指在相應(yīng)設(shè)計溫度下，用于確定受壓元件厚度的壓力，其中應(yīng)包括液柱靜壓力。容器內(nèi)盛有液體，若其靜壓力不超過最大工作壓力的5％，則設(shè)計壓力可不計入靜壓力，否則，須在設(shè)計壓力中計入液體靜壓力。多數(shù)情況。夾套容器的內(nèi)筒，當夾套中用蒸氣加熱時，內(nèi)筒的計算壓力應(yīng)按生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的最大壓差來確定。第7頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三7.1.3設(shè)計溫度選擇材料和許用應(yīng)力的確定直接有關(guān)。設(shè)計溫度指容器正常工作中，在相應(yīng)的設(shè)計條件下，金屬器壁可能達到的最高或最低溫度。器壁溫度通過換熱計算。不被加熱或冷卻，筒內(nèi)介質(zhì)最高或最低溫度。用蒸汽、熱水或其它載熱體加熱或冷卻，載體最高溫度或最低溫度。不同部位出現(xiàn)不同溫度可分別計算第8頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三7.1.4許用應(yīng)力許用應(yīng)力是以材料的各項強度數(shù)據(jù)為依據(jù)，合理選擇安全系數(shù)n得出的。設(shè)計溫度下許用壓力值的大小直接決定著容器強度，是重要設(shè)計參數(shù)之一。第9頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三7.1.5焊接接頭系數(shù)

多數(shù)容器采用焊接結(jié)構(gòu)、焊接時可能出現(xiàn)焊接缺陷（如未焊透、氣孔和夾渣等），對容器強度產(chǎn)生影響。在設(shè)計中用焊接接頭系數(shù)表示焊縫熱影響區(qū)金屬與用材強度的比值，反映容器強度削弱的程度，的大小應(yīng)根據(jù)受壓元件的焊接接頭形式、坡口形式、焊縫形式和無損檢測的長度比例有關(guān)第10頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三焊縫系數(shù)第11頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三7.2內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度計算

7.2.1內(nèi)壓圓筒的五種厚度及其確定方法理論計算厚度設(shè)計厚度名義厚度有效厚度最小壁厚第12頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三理淪計算厚度圓筒受力：按第一強度理淪：（GB150）按第三強度理淪：（ASME）第13頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三問題a：筒體上開橢圓孔，如何開？第14頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三答案應(yīng)使其短軸與筒體的軸線平行，以盡量減少開孔對縱截面的削弱程度，使環(huán)向應(yīng)力不致增加很多。第15頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三問題：鋼板卷制圓筒形容器，縱焊縫與環(huán)焊縫哪個易裂？第16頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三答案：

筒體縱向焊縫受力大于環(huán)向焊縫，故縱焊縫易裂，施焊時應(yīng)予以注意第17頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三設(shè)計厚度

設(shè)計厚度：計算厚度與腐蝕裕量之和：年腐蝕率mm/y；n：預(yù)期容器壽命第18頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三名義厚度

定義：指設(shè)計厚度加上鋼材厚度負偏差后向上圓整至鋼材標準規(guī)格的厚度、參照P189的規(guī)定第19頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三有效厚度定義：名義厚度減去腐蝕裕量和鋼板負偏差

第20頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三最小壁厚

常壓、低壓計算的壁厚可能很小，GB150規(guī)定了最小壁厚（不包括腐蝕裕量）對碳素鋼、低合金鋼容器不小于3mm；對高合金鋼制容器不小于2mm

時，??；時，；時，必須計入中去，第21頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三厚度系數(shù)

越大，容器在強度的安全儲量越大。第22頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三7.2.2內(nèi)壓凸形封頭厚度計算內(nèi)壓凸形封頭包括四種形式：半球形標準橢圓形碟形無折邊球形第23頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三半球形封頭半球形封頭由半個球殼構(gòu)成第24頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三半球形封頭半球形封頭由半個球殼構(gòu)成球殼中任意點處的薄膜應(yīng)力均相同，，根據(jù)薄膜應(yīng)力強度條件的計算和筒體的計算相同第25頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三標準橢圓形封頭封頭由半個橢球和一段高度為的圓柱形筒節(jié)（稱為直邊）構(gòu)成，封頭曲面深度＝b，封頭的直邊高度與封頭的厚度有關(guān)a/b=2，標準橢球封頭，最大薄膜應(yīng)力位于橢球的頂點，其值與圓筒體的完全相同第26頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三標準橢圓形封頭承受內(nèi)壓的橢圓形封頭在赤道處將產(chǎn)生壓縮應(yīng)力，為防止封頭在這一壓應(yīng)力下產(chǎn)生折皺，規(guī)定標準橢圓形封頭的計算厚度不得小于封頭內(nèi)直徑的0.15%，非標準橢圓形封頭的計算厚度不小于封頭內(nèi)直徑的0.30%。第27頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三GB150規(guī)定：

為什么？橢圓形封頭和圓筒連接處附近存在較大的邊緣應(yīng)力，其最大值的所在位置在以封頭中心為中心的0.8范圍以外，以及和圓筒（即直邊段）連接處之間的區(qū)域，其值與封頭的結(jié)構(gòu)尺寸值a/b有關(guān)，可用形狀系數(shù)K表示，即最大應(yīng)力值為直徑和橢圓形封頭直徑相同的半球形封頭薄膜應(yīng)力的2K倍標準封頭：K=1第28頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三碟形封頭（帶直邊球形封頭）碟形封頭由三部分組成，即以R為半徑的球面部分,以高度為h2的圓筒形部分及以r為半徑的過渡區(qū),在這三部分的連接處經(jīng)線曲率半徑有突變,連接處附近將產(chǎn)生邊緣應(yīng)力,為減少邊緣應(yīng)力,碟形封頭均有過渡區(qū),碟形封頭設(shè)計有圓筒部分,目的是為了避免邊緣應(yīng)力作用在封頭和筒體連接的焊縫上.第29頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三碟形封頭（帶直邊球形封頭）形狀系數(shù)M簡化式：第30頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三碟形封頭（帶直邊球形封頭）碟形封頭球面內(nèi)半徑,碟形封頭的厚度如果太薄,有效厚度也會發(fā)生內(nèi)壓下的彈性失穩(wěn),GB150規(guī)定,對于,的碟形封頭,有效厚度不小于封頭內(nèi)直徑的0.15%,其它封頭應(yīng)不小于封頭內(nèi)直徑的0.30%.第31頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三球冠形封頭（無折邊球形）

無折邊球形封頭在多數(shù)情況下用作容器中兩個獨立受壓室的中間封頭，也可用作容器的端封頭，封頭與筒體連接的角焊縫應(yīng)采用全焊透結(jié)構(gòu)，用于壓力不高的場合。球面半徑封頭與筒體連接處存在較大的邊界應(yīng)力,封頭與筒體的壁厚計算都必須考慮邊界應(yīng)力,這種集中體現(xiàn)在壁厚的計算公式中的系數(shù)Q上.系數(shù)Q遠大於1，根據(jù)封頭的位置和封頭的受壓情況去查取Q值第32頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三內(nèi)壓錐形封頭（不作要求）錐形封頭廣泛用于立式容器底部,以便于卸除物料錐形封頭分為：不帶折邊錐形封頭帶折邊錐形封頭第33頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三無折邊錐形封頭錐形封頭承受均勻內(nèi)壓時的二向薄膜應(yīng)力最大值發(fā)生在離錐頂最遠處(錐形封頭與筒體連接處)根據(jù)第一或第三強度理淪第34頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三無折邊錐形封頭無折邊錐形封頭適用于,因錐殼與圓筒連接處幾乎不連續(xù),存在橫向推力,連接邊緣附近將產(chǎn)生顯著的邊緣應(yīng)力,邊緣應(yīng)力為二次應(yīng)力,其最大應(yīng)力強度控制值可達,若超過此值,則必須局部加強加強后的壁厚計算公式：Q:錐殼與圓筒體連接處的應(yīng)力加強系數(shù)與有關(guān),在工程實際中,局部加厚封頭的結(jié)構(gòu)并不多見,一般采用整體加厚,筒體上的加強端還是必需的.第35頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三帶折邊錐形封頭

GB150規(guī)定,對于錐殼大端,當時,應(yīng)采用帶折邊錐形封頭(表8-3),并要求大端折邊錐殼過渡段轉(zhuǎn)角內(nèi)半徑不小于錐殼大端內(nèi)直徑的10%,且不小于過渡段厚度的3倍如折邊厚度小于錐體厚度則要計算折邊內(nèi)的應(yīng)力第36頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三帶折邊錐形封頭第37頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三帶折邊錐形封頭注:錐形封頭小端與接管連接處也有邊界應(yīng)力,當錐形封頭可直接與接管連接;當時,在錐形封頭小端也應(yīng)加折邊對于封頭,其大小端直徑相差均較大,研究表明當大端與小端直徑之比大于4時,小端厚度不必計算,取大端相同厚度即可.第38頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三平板封頭（不作要求）承壓設(shè)備的封頭一般不采用平板,只是壓力容器上的人孔、手孔或在設(shè)備操作期間需要封閉的接管所用的盲板才用平板。K—結(jié)構(gòu)系數(shù)第39頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三封頭計算厚度的通用式筒體與封頭厚度的計算公式，除了平板封頭外，可其它可用一個通用式表示，利于記憶：K：形狀系數(shù)圓柱形筒體與標準橢圓形封頭：K=1；球殼與半球形封頭：K=0.5；無折邊錐形封頭：K=Q折邊錐形封頭：碟形封頭：第40頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三9.2.3壓力試驗制造加工過程不完善，導(dǎo)致不安全，發(fā)生過大變形或滲漏。最常用的壓力試驗方法是液壓試驗。常溫水。也可用不會發(fā)生危險的其它液體，試驗時液體的溫度應(yīng)低于其閃點或沸點。不適合作液壓試驗：如裝入貴重催化劑要求內(nèi)部烘干，或容器內(nèi)襯耐熱混凝土不易烘干，或由于結(jié)構(gòu)原因不易充滿液體的容器以及容積很大的容器等，可用氣壓試驗代替液壓試驗液壓試驗時水溫不能過低(碳素鋼、16MnR不低于5℃，其它低合金鋼不低于15℃)，外殼應(yīng)保持干燥。設(shè)備充滿水后，待壁溫大致相等時，緩慢升壓到規(guī)定試驗壓力，穩(wěn)壓30min，然后將壓力降低到設(shè)計壓力，保持30min以檢查有無損壞，有無宏觀變形，有無泄漏及微量滲透。水壓試驗后及時排水，用壓縮空氣及其它惰性氣體，將容器內(nèi)表面吹干第41頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三液壓試驗試驗壓力：強度條件：第42頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三氣壓試驗試驗壓力：強度條件：第43頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三氣密性試驗試驗壓力：介質(zhì)毒性為極度、高度危害或不允許有微量泄漏的壓力容器第44頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三7.3在用壓力容器的強度校核

根據(jù)《規(guī)程》規(guī)定，對在用壓力容器要進行定期檢驗，強度是其中的一項，本節(jié)只對涉及強度校核的有關(guān)公式和方法作簡要介紹第45頁，共50頁，2023年，2月20日，星期三7.3.1在用壓力容器強度校核的原則1

原設(shè)計已明確提出所采用的強度設(shè)計標準的，按原強度標準進行強度校核；沒標明的，可按當時實施的有關(guān)標準進行校核，進口設(shè)備或按國外技術(shù)標準設(shè)計的，原則上按國外設(shè)計規(guī)范或按合同規(guī)定的設(shè)計規(guī)范進行強度校核；容器材料牌號不明時，按同類常用材料的最低標準值進行強度計算；焊縫接頭系數(shù)應(yīng)根據(jù)焊接接頭的實際結(jié)構(gòu)型式和檢驗結(jié)果，參照原設(shè)計規(guī)定選取，在特定條件下，把焊接接頭系數(shù)的確定與焊