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文檔簡(jiǎn)介

壓力容器教案081124

1.1概述

壓力容器廣泛地應(yīng)用于石油、化工、冶金、機(jī)械、航空等工業(yè)

生產(chǎn)(如換熱器、塔設(shè)備)與人民生活(如液化氣鋼瓶)。由于壓力

容器屬于承壓類特種設(shè)備(特種設(shè)備是指涉及生命安全、危險(xiǎn)性較大

的鍋爐、壓力容器(含氣瓶)、壓力管道、電梯、起重機(jī)械、客運(yùn)索

道、大型游樂(lè)設(shè)施。其中鍋爐、壓力容器(含氣瓶)、壓力管道為承

壓類特種設(shè)備;電梯、起重機(jī)械、客運(yùn)索道、大型游樂(lè)設(shè)施為機(jī)電類

特種設(shè)備。),內(nèi)部壓力要高于大氣壓許多,內(nèi)部的介質(zhì)又具有特殊性

(有毒、易燃易爆)一旦發(fā)生事故,就會(huì)造成人員的傷亡與財(cái)產(chǎn)的缺

失。

《特種設(shè)備作業(yè)人員監(jiān)督管理辦法》對(duì)壓力容器操作人員的要求

《特種設(shè)備作業(yè)人員監(jiān)督管理辦法》要求包含壓力容器操作人員在內(nèi)

的特種作業(yè)人員,應(yīng)有使用單位對(duì)其進(jìn)行定期專業(yè)培訓(xùn)與安全教育,

參加由地、市級(jí)安全監(jiān)察機(jī)構(gòu)或者授權(quán)的使用單位的培訓(xùn)考核,在取

得資格證后持證上崗、按章操作。

1.2壓力容器的定義

1廣義上說(shuō):凡承受一定壓力(大于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓0.1MPa)的密

閉容器稱之壓力容器

GB150-1998《鋼制壓力容器》的規(guī)定:

設(shè)計(jì)壓力低于0.IMPa的容器常壓容器

設(shè)計(jì)壓力高于0.IMPa的容器壓力容器

2壓力容器:盛裝氣體或者液體,承載一定壓力的密閉設(shè)備,其范圍

規(guī)定為最高工作壓力大于或者等于0.IMPa,且壓力與容積的乘積大

于或者等于2.5MPaL的氣體或者液化氣體與最高工作溫度高于或者

等于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)的液體的固定容器與移動(dòng)容器;盛裝公稱工作壓力大于

或者等于0.2MPa,且壓力與容積的乘積大于或者等于LOMPaL的氣

體,液化氣體與標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)等于或者低于60℃的液體氣瓶;醫(yī)用氧倉(cāng)

等。

3《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》從安全管理角度出發(fā),壓力容器應(yīng)

具備下列三條規(guī)定

1)最高工作壓力大于或者等于0.IMPa

2)內(nèi)直徑大于或者等于0.15m,且容積大于或者等于0.025m3

3)盛裝介質(zhì)為氣體,液化氣體或者最高工作壓力高于或者等于標(biāo)準(zhǔn)

沸點(diǎn)的液體

1.3壓力容器分類

1按材質(zhì)分類:鋼制壓力容器,鋁制壓力容器,鈦制壓力容器與非金

屬容器等

2按制造方式分類:板焊式容器,鍛焊式容器,鑄造容器等

3按殼體承壓方式分類:內(nèi)壓容器,外壓容器

4按壁厚分類:薄壁容器(容器外徑D。與內(nèi)經(jīng)Di之比小于等于1.2),

厚壁容器(容器外徑D。與內(nèi)經(jīng)D之比大于等于1.2)

5按壓力容器設(shè)計(jì)壓力分類

1)低壓容器(L)0.lMPaWPV1.6MPa

2)中壓容器(M)L6MPaWPV10MPa

3)高壓容器(H)lOMPaWPVIOOMPa

4)超高壓容器(U)P^lOOMPa

6按壓力容器的作用原理分類

反應(yīng)壓力容器(R)要緊用于完成介質(zhì)物理、化學(xué)反應(yīng)的壓力容器,

如反應(yīng)器、合成塔等

換熱壓力容器(E)要緊用于完成介質(zhì)的熱量交換的壓力容器,如冷

凝器、加熱器等

分離壓力容器(S)要緊用于完成介質(zhì)的流體壓力平衡緩沖與氣體凈

化分離的壓力容器,如分離器、過(guò)濾器等

儲(chǔ)存壓力容器(C,其中球罐B)要緊用于存儲(chǔ)、盛裝氣體、液體等

介質(zhì)的壓力容器,如儲(chǔ)罐

7按《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》的規(guī)定

1)第三類壓力容器

高壓容器

中壓容器(極度或者高度危害介質(zhì))

中壓儲(chǔ)存容器(中度危害或者易燃介質(zhì),且PVeiOMPa-mD

中壓反應(yīng)容器(中度危害或者易燃介質(zhì),且PVeOKMPa-n?)

低壓容器(極度或者高度危害介質(zhì),且PV20.2MPa?m3)

高壓、中壓管殼式余熱鍋爐

中壓搪玻璃壓力容器

使用強(qiáng)度級(jí)別較高(抗拉強(qiáng)度。b》540MPa)的材料制造的壓力容器

移動(dòng)式壓力容器,鐵路罐車、罐式汽車與罐式集裝箱等

球形容器(大于50m:')

低溫液體儲(chǔ)存容器(大于5n?)

2)第二類壓力容器

中壓容器

低壓容器(極度或者高度危害介質(zhì))

低壓儲(chǔ)存容器與低壓反應(yīng)容器(中度危害或者易燃介質(zhì))

低壓管殼式余熱鍋爐

低壓搪玻璃壓力容器

3)第一類壓力容器

除上述規(guī)定以外的低壓容器

例《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》將壓力容器劃分為第三類壓力容

器、第二類壓力容器與第一類壓力容器3類。下列正確選項(xiàng)是

A只要是高壓容器就是第三類壓力容器

B只要是中壓容器就是第二類壓力容器

C只要是低壓容器就是第一類壓力容器

D低溫液體運(yùn)輸(半掛)罐式汽車是第三類壓力容器

E盛裝極度危害介質(zhì),且PV乘積為0.2MPa的低壓容器是第三類壓

力容器

1.4壓力容器運(yùn)行特性

壓力容器是在特殊條件(介質(zhì)的物理性質(zhì),如壓力、溫度,及介質(zhì)

的化學(xué)性質(zhì))下運(yùn)行的設(shè)備

1介質(zhì)的物理特性

1)壓力來(lái)源

a來(lái)自容器外部

工作介質(zhì)為壓縮氣體的氣體壓縮機(jī),泵供給的壓力,

工作介質(zhì)為水蒸氣的蒸汽鍋爐,沸熱鍋爐供給的壓力,

b容器內(nèi)部

氣體介質(zhì),由于溫度升高導(dǎo)致體積膨脹,產(chǎn)生壓力

液體介質(zhì),工作溫度高于標(biāo)準(zhǔn)沸點(diǎn)時(shí),液體沸騰汽化,體積膨脹,壓

力增加

液化氣體介質(zhì),容器內(nèi)的壓力就是隨溫度變化的飽與蒸汽壓,液體

在不一致溫度下具有不一致的飽與蒸汽壓

化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生壓力

2介質(zhì)的化學(xué)特性

要緊是易燃易爆性質(zhì)與毒性

按易燃易爆分類:可燃,易燃,惰性與助燃

按毒性分類:極度危害(I)<0.1mg/m3,高度危害(II)0.1-

1.0mg/m3,中度危害(III)1.0-10mg/m3,輕度危害(IV)>10mg

/m3

例生產(chǎn)工藝過(guò)程所涉及的壓力容器工藝介質(zhì)品種繁多,按它們對(duì)人

類毒害程度,可分為極度危害(I)、高度危害(H)、中度危害(III)、

輕度危害(IV)四級(jí)。當(dāng)最高同意濃度為0.1~1.Omg/n?時(shí),該介

質(zhì)的毒性程度為

A極度危害B高度危害C中度危害D輕度危害

《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》規(guī)定:關(guān)于介質(zhì)的易燃,易爆,毒性

程度的分類執(zhí)行HG20660-1991的規(guī)定,輕度危害未列入規(guī)定。

介質(zhì)毒性的六項(xiàng)指標(biāo)分別:急性毒性,急性中毒發(fā)病狀況,慢性中毒

發(fā)病狀況,慢性中毒后果,致癌性,最高同意濃度。

易燃介質(zhì)(爆炸危險(xiǎn)介質(zhì)):氣體或者液體蒸汽、薄霧與空氣混合形

成爆炸混合物,且爆炸下限小于10%,或者爆炸上限與下限的差值

大于、等于20%的介質(zhì))

1.5壓力容器工藝參數(shù)

一壓力

1工作壓力

操作壓力,容器頂部在正常工藝操作時(shí)的壓力

2最高工作壓力

內(nèi)壓容器,容器頂部在工藝操作過(guò)程中可能產(chǎn)生的最高壓力;外壓容

器,容器可能出現(xiàn)的最大內(nèi)外壓差

《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》對(duì)最高工作壓力的規(guī)定:

1)盛裝臨界溫度高于50c的液體氣體的容器,如有保冷措施,其

最高工作壓力為所盛裝氣體在可能達(dá)到的最高溫度下的飽與蒸汽

壓;如無(wú)保冷措施,其作高工作壓力不得低于50c的飽與蒸汽壓

2)盛裝臨界溫度低于50℃的液化氣體的容器,如有保冷措施,其

最高工作壓力不得低于試驗(yàn)的最高溫度下的飽與蒸汽壓;沒(méi)有保

冷措施,其最高工作壓力不得低于所裝介質(zhì)在規(guī)定的最大充裝量

與50℃的氣體壓力

3)盛裝混合液化石油氣的容器,其50C時(shí)的飽與蒸汽壓低于異丁

烷在50℃的飽與蒸汽壓,取50c異丁烷的飽與蒸汽壓為最高工作

壓力;如高于50℃異丁烷的飽與蒸汽壓,取50℃丙烷的飽與蒸汽

壓為最高工作壓力,如高于50℃丙烷飽與蒸汽壓,取50℃丙烯的

飽與蒸汽壓為最高工作壓力

3設(shè)計(jì)壓力

指在相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度下用以確定容器壁厚及其元件尺寸的壓力,通常

等于或者略高于最高工作壓力。

例容器的設(shè)計(jì)壓力能夠不大于使用過(guò)程中的最高工作壓力。

4安全閥的開啟壓力

安全閥瓣開始離開閥座,介質(zhì)呈連續(xù)排出狀態(tài)時(shí),在安全閥進(jìn)口測(cè)得

的壓力

5爆破片的標(biāo)定爆破壓力

爆破片銘牌上標(biāo)明的爆破壓力

《鋼制壓力容器》提出幾種確定設(shè)計(jì)壓力方法

1)有安全泄放裝置,取安全泄放裝置的開啟壓力

2)單個(gè)容器上無(wú)安全泄放裝置,工藝系統(tǒng)中有安全泄放裝置,取最

高工作壓力的1.05—1.1倍

3)爆炸性介質(zhì),取最高工作壓力的1.15-1.3

4)液化氣體根據(jù)充裝系數(shù)與達(dá)到的最高溫度

5)外壓容器,大于或者等于最大內(nèi)外壓差

6)真空容器,有安全操縱裝置時(shí),取最大內(nèi)外壓差的1.25倍或者

0.IMPa兩者中的較小值;未裝安全操縱裝置時(shí),取0.IMPa

二溫度

1介質(zhì)溫度

容器內(nèi)工作介質(zhì)的溫度

2設(shè)計(jì)溫度

容器在正常的工作過(guò)程中,在相應(yīng)的設(shè)計(jì)壓力下,器壁或者元件金屬

可能達(dá)到的最高或者最低溫度

《鋼制壓力容器》規(guī)定

1)容器的各個(gè)部位在工作過(guò)程中產(chǎn)生不一致的溫度,可取不一致的

溫度為設(shè)計(jì)溫度

2)內(nèi)保溫的容器,壁溫為設(shè)計(jì)溫度

注意:只有當(dāng)殼壁或者元件金屬的溫度低于一20C時(shí),按最低溫度設(shè)

計(jì);此外按最高溫度設(shè)計(jì)

例壓力容器的工藝參數(shù)是由生產(chǎn)工藝要求確定的,是進(jìn)行壓力容器

設(shè)計(jì)與安全操作的要緊根據(jù),壓力容器的要緊工藝參數(shù)是與

A壓力B液位C溫度D介質(zhì)

1.6對(duì)壓力容器的基本要求

保證安全的前提下,有效運(yùn)行,長(zhǎng)期穩(wěn)固。壓力容器務(wù)必具備使

用性能:安全可靠,易制造安裝,結(jié)構(gòu)先進(jìn),維修方便,經(jīng)濟(jì)合理等

保證下列性能

1強(qiáng)度

指容器在限定的壓力條件下抵抗破裂或者過(guò)量塑性變形的能力

2剛度

容器或者容器的承壓部件在限定的載荷條件下抵抗彈性變形的能力。

3穩(wěn)固性

容器在外載荷的作用下保持其幾何形狀不發(fā)生突然改變的性能

4耐久性

容器的使用壽命。通常來(lái)說(shuō)容器設(shè)計(jì)使用年限為10年

5密封性

可拆連接處,母材與焊縫的致密度

1.7壓力容器的失效

壓力容器在規(guī)定的使用期內(nèi),因結(jié)構(gòu)不合理,制造質(zhì)量不良,使

用保護(hù)不當(dāng)或者其他原因而失去按原設(shè)計(jì)參數(shù)正常工作的效能稱之

壓力容器失效(強(qiáng)度失效、剛度失效、失穩(wěn)失效與泄漏失效)

1強(qiáng)度失效

1)韌性斷裂(塑性斷裂)

壓力容器在載荷作用下,產(chǎn)生的應(yīng)力達(dá)到或者接近所用材料的強(qiáng)度極

限,引發(fā)的斷裂

a厚度未經(jīng)設(shè)計(jì)或者強(qiáng)度計(jì)算錯(cuò)誤

b制造時(shí)用材料錯(cuò)誤

c使用過(guò)程中壁厚減薄

d操作失誤

e液體受熱膨脹,化學(xué)反應(yīng)

2)脆性斷裂

應(yīng)力值低于材料的強(qiáng)度極限時(shí)發(fā)生的斷裂,斷裂時(shí)不發(fā)生明顯的塑性

變形。

a材料選用不當(dāng)

b焊接與熱處理不當(dāng)

c長(zhǎng)期在高溫下運(yùn)行,引起材料的脆化

d存在嚴(yán)重的原始缺陷,制造缺陷,使用過(guò)程中產(chǎn)生缺陷等

3)疲勞斷裂

在交變載荷的作用下,通過(guò)一定的循環(huán)次數(shù)后產(chǎn)生裂紋與突然發(fā)生斷

裂失效的過(guò)程

a結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不良

b不正常操作

4)蠕變斷裂

壓力容器在高溫下長(zhǎng)期受載,隨時(shí)間的增加持續(xù)發(fā)生蠕變變形,

造成厚度明顯減薄與鼓脹變形,最終導(dǎo)致壓力容器斷裂的現(xiàn)象

5)腐蝕斷裂

均勻腐蝕導(dǎo)致的厚度減薄,或者局部腐蝕造成的大面積凹坑,引起的

斷裂

2其他形式的失效

1)剛度失效

構(gòu)件彈性變形過(guò)渡引起的失效

2)失穩(wěn)失效

在壓應(yīng)力作用下,壓力容器突然失去原有的規(guī)則幾何形狀引起的失效

3)泄漏失效

由于泄漏而引起的失效

1.8壓力容器的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)體系

一法律

由全國(guó)人民大表大會(huì)或者省人民代表大會(huì)通過(guò)與批準(zhǔn)的,《安全生

產(chǎn)法》

二行政法規(guī)

國(guó)務(wù)院頒布,《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》

三部門規(guī)章

國(guó)家質(zhì)檢總局局長(zhǎng)令形式公布的《特種設(shè)備事故處理規(guī)定》

四安全技術(shù)規(guī)范

總局領(lǐng)導(dǎo)簽署《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》

五技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

行業(yè)提出的,由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)

例《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》是由()頒布實(shí)施的

A國(guó)務(wù)院B國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局C全國(guó)人大

《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》是一部()

A安全技術(shù)規(guī)范B法律C技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)D部門規(guī)章E行政法

第二章壓力容器的結(jié)構(gòu)

壓力容器通常由筒體(殼體)、封頭(端蓋)、法蘭、接管、人孔、支

座、密封元件、安全附件等構(gòu)成。

要緊承壓(受壓)元件:

筒體、封頭、人孔蓋、人孔法蘭、人孔接管、膨脹節(jié)、開孔補(bǔ)強(qiáng)圈、

設(shè)備法蘭、球罐的球殼板,換熱器的管板與換熱管、M36以上的主螺

栓與公稱直徑大于250mm的接管與管法蘭

1.1殼體

1圓筒殼體

1)筒體

a整體式:?jiǎn)螌泳砗甘秸w鍛造式鍛焊式鑄一鍛一焊式電渣

重熔筒體

b組合式:

多層板式:多層包扎式多層熱套式多層繞板式螺旋包扎式

繞制式:型槽繞帶式扁平鋼帶式

2)封頭與端蓋

與筒體焊接連接不可拆的為封頭

半球形

圖2-13半球形封頭

1.球冠2.梯形球面板3.筒體

橢圓形

碟形:碟形封頭球面部分的內(nèi)半徑小于封頭的內(nèi)直徑

碟形封頭過(guò)渡區(qū)的半徑大于內(nèi)直徑的10%與封頭厚度的3倍

封頭的壁厚大于封頭內(nèi)直徑的0.30%

圖2-15碟形封頭圖2-16橢圓形封頭

錐形:

無(wú)折邊錐形封頭

適用于錐體的半頂角aW30°

無(wú)折邊錐形封頭連接處的對(duì)接焊縫務(wù)必使用圈焊透結(jié)構(gòu)

折邊錐形封頭

rrt--------n

(b)折邊錐形封頭

圖2-19錐形封頭

2球形殼體

球罐

球形殼體受力最小,相同壁厚下,承載能力最高;相同內(nèi)壓下,壁厚

最??;相同容積下表面積最小。

例在相同的壁厚條件下,球形容器的承載能力最高;在相同的內(nèi)壓

下,圓筒形殼體所需要的壁厚最??;在相同的容積下,球形殼體的表

面積最小。

1.2連接件

法蘭螺栓連接結(jié)構(gòu)

1用于管道連接與密封的法蘭為管法蘭

2用于容器端蓋與筒體連接后的密封法蘭為容器法蘭

法蘭連接結(jié)構(gòu)

連接型式:整體法蘭活套法蘭任意式法蘭

活套法蘭任意式法蘭

連接的緊固型式:

螺栓緊固帶錢鏈的螺栓緊固快開式法蘭緊固等

1.3密封

1密封面

凹凸形密封:用于易燃、易爆、有毒介質(zhì)及壓力較高的場(chǎng)合

梯槽形密封:高壓容器高壓管道及介質(zhì)為易燃、易爆且劇毒的場(chǎng)合

平面形密封:壓力不高、介質(zhì)危害程度不高的場(chǎng)合

2密封結(jié)構(gòu)

平墊密封卡扎里密封雙錐密封五德密封。形環(huán)密封

平墊密封卡扎里密封

雙錐密封五德密封

3密封元件

可拆結(jié)構(gòu)中起密封作用的元件

金屬、非金屬、金屬與非金屬混合密封元件

1.4接管開孔及其補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

1接管

壓力容器與介質(zhì)輸送管道或者儀表,安全附件管道等進(jìn)行連接的構(gòu)件

螺紋短管式,法蘭短管式,平法蘭式

2開孔

通常手孔的直徑不小于150mm

關(guān)于內(nèi)經(jīng)大于1000mm的容器,應(yīng)開設(shè)人孔

開孔的最大直徑

圓筒容器

1)當(dāng)內(nèi)徑Di500mm時(shí),開孔最大直徑dWl/2Di且dW500mm

2)當(dāng)內(nèi)徑Di>1500mm時(shí),開孔最大直徑dWl/3Di且dWlOOOmm

凸形封頭或者球殼開孔的最大直徑dWl/2Di,Di為開孔中心處錐體

的內(nèi)直徑

錐形封頭開孔的最大直徑dWl/3Di

3開孔補(bǔ)強(qiáng)結(jié)構(gòu)

1)補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)

2)厚壁短管補(bǔ)強(qiáng)

3)整體鍛造補(bǔ)強(qiáng)

1.5支座

1立式容器支座

懸掛式支承式裙式

(()無(wú)加強(qiáng)窿板<(>)借館通型板

圖2S9懸掛式支座

圖24)支承式支座

2臥式容器支座

鞍式圈式

圖2-42限式支座結(jié)構(gòu)示意圖

3球形容器支座

赤道正切柱式支撐V形柱式鋼筋混凝土基礎(chǔ)支撐

圖245球形容B支座

第三章壓力容器應(yīng)力分析及強(qiáng)度校核

3.1常用設(shè)計(jì)規(guī)范及適用的壓力范圍

1、GB150-1998《鋼制壓力容器》

設(shè)計(jì)壓力P:0.1-35MPa

真空度:20.02MPa

2、GB151-1999《管殼式換熱器》

設(shè)計(jì)壓力P:0.1-35MPa

真空度:N0.02MPa

公稱壓力PNW35MPa

公稱直徑DNW2600mm

PN?DWL75X10'

3、JB4732-95《鋼制壓力容器一分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》

設(shè)計(jì)壓力P:0.1-100MPa

真空度:20.02MPa

4、JB/T4732-1997《鋼制焊接常壓容器》

設(shè)計(jì)壓力P:圓筒形容器一0.02MPaWPWO.1MPa;立式圓筒形儲(chǔ)

罐、圓筒形料倉(cāng)一500MPaWPWO.1MPa;矩形容器連同大氣

真空度:20.02MPa

5、GB12337-1998《鋼制球形儲(chǔ)罐》

設(shè)計(jì)壓力PW4MPa

公稱容積V250m3

6、JB4710-2000《鋼制塔式容器》

設(shè)計(jì)壓力P:0.1-35MPa(關(guān)于工作壓力VO.IMPa內(nèi)壓塔,P取

0.IMPa)

高度范圍h>10m且h/D>5

3.2失效準(zhǔn)則

1第一強(qiáng)度理論(最大拉應(yīng)力理論)

巧<[cr]

2第二強(qiáng)度理論(最大伸長(zhǎng)線應(yīng)變理論)

CT1—//(cr2+cr3)<[cr]

3第三強(qiáng)度理論(最大剪切力理論)

4第四強(qiáng)度理論(形狀改變比能理論)

2

(O-2-O-3)+(a3-(jy]<[a]

3.3壓力容器應(yīng)力分析

1圓筒容器

在內(nèi)壓P的作用下,筒壁承受經(jīng)向應(yīng)力6.與周向應(yīng)力3作用

PD

經(jīng)向應(yīng)力—43

_PD

周向應(yīng)力區(qū)25

2球形殼體

在內(nèi)壓P的作用下,筒壁承受經(jīng)向應(yīng)力。.與周向應(yīng)力3作用

PD

經(jīng)向應(yīng)力=-TT

PD

周向應(yīng)力巴=-

nDO+D

D—圓筒或者球殼的中徑D=-2一

3圓錐形容器

在內(nèi)壓P的作用下,筒壁承受經(jīng)向應(yīng)力⑦與周向應(yīng)力6作用

經(jīng)向應(yīng)力分=5M

Pr

周向應(yīng)力t‘cos。

4橢圓形封頭

Pa

經(jīng)向應(yīng)力冊(cè)=3

_Paa2

周向應(yīng)力丐二7(i一次)

3.4圓筒與封頭的設(shè)計(jì)計(jì)算

1圓筒

1)厚度的設(shè)計(jì)

在內(nèi)壓P的作用下,筒壁承受經(jīng)向應(yīng)力⑦與周向應(yīng)力6作用

PD

經(jīng)向應(yīng)力5〃=益

PD

周向應(yīng)力區(qū)二彳3

按照第一強(qiáng)度理論

PD「1

D=Di+S代到(a)中

P(。+5)/「1

%=一大一《㈤(b)

實(shí)際上圓筒形容器有焊縫,焊縫的強(qiáng)度通常低于母材,因此上式

P^)^w

'23°」

計(jì)算的壓力容器的壁厚(容器受壓滿足強(qiáng)度及穩(wěn)固性要求時(shí),按相

應(yīng)的公示式計(jì)算得到的不包含厚度附加量的厚度)

2西-匕(c)

設(shè)計(jì)壁厚增加腐蝕裕度c2

6-__5121__+c

0m+J(d)

設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力MPa;

Pc一計(jì)算的內(nèi)壓力MPa;(設(shè)計(jì)壓力P+容器內(nèi)液柱靜壓力P')

Di—圓筒的內(nèi)直徑mm;

td—設(shè)計(jì)厚度;

C2-腐蝕裕度mm

。一焊縫系數(shù)

名義厚度323+C;(設(shè)計(jì)厚度加上鋼板厚度負(fù)偏差后,向上

圓整到鋼材的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格尺寸)

C2—鋼板的負(fù)偏差mm

設(shè)計(jì)厚度(計(jì)算厚度與腐蝕余量的與)

有效厚度4=&一02-C(名義厚度減去厚度附加量)

2)已經(jīng)圓筒的尺寸Di、8n,校核在應(yīng)力P作用下的應(yīng)力

e(o,+a)

CJ-

2a(e)

d一校核溫度下圓筒器壁的計(jì)算應(yīng)力

2球殼

1)厚度的設(shè)計(jì)

在內(nèi)壓P的作用下,筒壁承受經(jīng)向應(yīng)力優(yōu)與周向應(yīng)力6作用

_PD

經(jīng)向應(yīng)力5〃一丐=—

按照第一強(qiáng)度理論

PD51

6=4團(tuán)⑸

4。

D=Di+8代到(a)中

P(。+3),「1

6=—⑹

實(shí)際上圓筒形容器有焊縫,焊縫的強(qiáng)度通常低于母材,因此上式

'43L"

計(jì)算的壓力容器的壁厚(容器受壓滿足強(qiáng)度及穩(wěn)固性要求時(shí),按相

應(yīng)的公示式計(jì)算得到的不包含厚度附加量的厚度)

b一PR

設(shè)計(jì)壁厚增加腐蝕裕度c2

B_+c

"一4同夕丑十J⑹

[捫J設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力MPa;

Pc一計(jì)算內(nèi)壓力MPa;(設(shè)計(jì)壓力P+容器內(nèi)液柱靜壓力P')

Di—圓筒的內(nèi)直徑mm;

td—設(shè)計(jì)厚度;

C2一腐蝕余度mm

6—焊縫系數(shù)(雙面焊接接頭,100%無(wú)損檢測(cè)6=1.00,局部無(wú)損

檢測(cè)6=0.85;單面焊接接頭,100%無(wú)損檢測(cè)6=0.9,局部無(wú)損

檢測(cè)6=0.8)

名義厚度2Nb”十0i(設(shè)計(jì)厚度加上鋼板厚度負(fù)偏差后,向上

圓整到鋼材的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格尺寸)

C2—鋼板的負(fù)偏差mm

設(shè)計(jì)厚度2/=日+02(計(jì)算厚度與腐蝕余量的與)

有效厚度2=不一。2一6(名義厚度減去厚度附加量)

2)已經(jīng)圓筒的尺寸Di、8n,校核在應(yīng)力P作用下的應(yīng)力

45L」")

?一校核溫度下圓筒器壁的計(jì)算應(yīng)力

3半球形封頭

3=PR

4[a](p-Pc

4橢圓形封頭

6二—空—

2口]"-0".

K—應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)(形狀系數(shù))

關(guān)于標(biāo)準(zhǔn)橢圓(a/b=2),K=1

”—改—

2同9-0.5Q

5錐形封頭

、底」

無(wú)熱邊2\a](p-Pccosa

S=_K£D1__L_

折邊2口]'(p~Pccosa

K—應(yīng)力增強(qiáng)系數(shù)(形狀系數(shù))

6碟形封頭

3二M*

2同…5c

M一碟形封頭形狀系數(shù)

3.5壓力試驗(yàn)

壓力試驗(yàn)分為液壓試驗(yàn)與氣壓試驗(yàn)

1試驗(yàn)壓力PT

1)內(nèi)壓容器

液壓試驗(yàn)PT"25。身

氣壓試驗(yàn)Pr=L25P昌

P—設(shè)計(jì)壓力,MPa

-試驗(yàn)溫度下材料的許用應(yīng)力,MPa

[。丁-設(shè)計(jì)溫度下材料的許用應(yīng)力,MPa

2)外壓容器與真空容器

液壓試驗(yàn)Pr=L25P

氣壓試驗(yàn)PT=1.25P

2應(yīng)力校核

1)圓筒形容器

_耳3+用)

液壓試驗(yàn)時(shí),—<0.9b@

氣壓試驗(yàn)時(shí),?=嗎”。

2)球形容器

_PT{Di+3e)

液壓試驗(yàn)時(shí),0丁~石-0-9區(qū)/

=rr^HAn.|-/=)<0.9(7

氣壓試驗(yàn)時(shí),1'C2§'

3.6容器開孔補(bǔ)強(qiáng)

1)開孔削弱面積A。

內(nèi)壓圓筒與球殼

4=熱+23屹-。)(1-力)

d—開孔直徑或者接管的內(nèi)徑加上壁厚附加量以后的直徑

5nt-接管的名義厚度

C一壁厚附加量

日-強(qiáng)度削弱系數(shù),等于設(shè)計(jì)溫度下接管材料與殼體材料許用應(yīng)力比

6—?dú)んw開孔處計(jì)算厚度

2)有效補(bǔ)強(qiáng)范圍

補(bǔ)強(qiáng)區(qū)域?qū)挾?/p>

B=2d

B=d+26n+23m兩者較大值

補(bǔ)強(qiáng)區(qū)外伸高度

4=7^

%=接管實(shí)際外伸長(zhǎng)度兩者中較小值

補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)側(cè)高度

他二7^

力2=接管實(shí)際內(nèi)伸長(zhǎng)度兩者中較小值

3)補(bǔ)強(qiáng)區(qū)補(bǔ)強(qiáng)金屬面積A

補(bǔ)強(qiáng)面積

A1一承受內(nèi)壓或者外壓時(shí)容器設(shè)計(jì)厚度之外的多余金屬面積

A=(B--2%0-3)(1-力)

A2一接管承受內(nèi)壓或者外壓需要設(shè)計(jì)厚度之外的多余金屬的面積

=24(或-g力+(%-)力

A3一補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)焊縫面積

A4一補(bǔ)強(qiáng)區(qū)內(nèi)另加的補(bǔ)強(qiáng)面積

假如A1+A2+A32A開孔不需要補(bǔ)強(qiáng)

假如A1+A2+A3VA開孔需要補(bǔ)強(qiáng)

補(bǔ)強(qiáng)面積A42A—(Al+A2+A3)

3.7強(qiáng)度校核

_,pD'

1圓筒形壁厚校核:源=b+2a=2\cr](p-P+2c2<編

—+%—2QlT

應(yīng)力校核:2(%—2C;)一討‘

_,pD,

2球殼壁厚校核:源=3+2G二洞:夕[P+2GG%

/,(〃+%—20rb丫

應(yīng)力校核:4(%—2C;)一到「

2C/一到下一個(gè)檢驗(yàn)周期兩倍的腐蝕余量

5測(cè)一2c2,有效剩余壁厚8e/

例有一臺(tái)在用的液化石油氣球形儲(chǔ)罐,開罐檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)球殼的最小

壁厚為19.2mm。根據(jù)下述條件校核球形壁厚是否滿足繼續(xù)使用的要

求及液壓試驗(yàn)是否滿足要求。

已知條件:設(shè)計(jì)壓力為1.68MPa,最高工作壓力為L(zhǎng)2MPa,設(shè)計(jì)溫度

50℃,名義厚度20mm,容積為200n實(shí)測(cè)的最大內(nèi)直徑6800mm,材

料為16MnR,設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力165MPa,屈服強(qiáng)度。s為326MPa,

焊接接頭為雙面焊,射線檢測(cè)比例100%,到下一個(gè)檢驗(yàn)周期為6年。

液柱靜壓為0.0035MPa,充裝系數(shù)為0.9。

解:(1)壁厚校核

設(shè)計(jì)的壓力P=l.68MPa

液柱靜壓P'=0.0035MPa

計(jì)算壓力PC=P+P'=1.68+0.0035=1.6835MPa

焊接接頭系數(shù)6=1

下一周期均勻腐蝕量C2=0.13X6=0.78mm

PcDi

壁厚校核式:5校=3+2。2=+2C<8測(cè)

4同0-Pc2

£1.6835x6800.八cM

得.§校=----------------F2x0.78=119.00mm

設(shè)4x165x1-1.6835

6校W6測(cè)

球殼最小厚度滿足要求,能夠繼續(xù)使用

(2)液壓試驗(yàn)應(yīng)力校核

―上<0.9CF"

1.25x1.6835(6800+19.2-0.78x2)“°仆…

得.cr...=---------------------------------------------=203.42MPa

付.4(19.2-0.78x2)

0啊°=0.9x326x1=293AMPa

crT<0.9CT〃

液壓試驗(yàn)滿足要求。

3.8壓力容器的應(yīng)力分類

從應(yīng)力作用與應(yīng)力分析的角度,壓力容器的應(yīng)力分為三大類

1一次應(yīng)力P

指為平衡外加機(jī)械載荷所務(wù)必的應(yīng)力

1)一次總體薄膜應(yīng)力Pm

2)一次彎曲應(yīng)力Pb

3)一次局部薄膜應(yīng)力PL

2二次應(yīng)力Q

指由相鄰部件的約束或者結(jié)構(gòu)的自身約束所引起的正應(yīng)力或者切應(yīng)

3峰值應(yīng)力F

由于局部不連續(xù)與局部若盈利的影響而疊加到一次加二次應(yīng)力之上

的應(yīng)力增量

例《在用含缺陷壓力容器安全評(píng)定》中規(guī)定:應(yīng)根據(jù)應(yīng)力的作用區(qū)

域與性質(zhì),將其劃分為一次應(yīng)力、二次應(yīng)力。由錯(cuò)邊、角變形、局部

厚度差所引起的局部應(yīng)力,按考慮。

A一次應(yīng)力B二次應(yīng)力C三次應(yīng)力

第四章壓力容器材料

4.1金屬材料力學(xué)性能

金屬材料的力學(xué)性能指表征金屬抵抗各類損傷作用的能力大小

性能:常溫下的強(qiáng)度、塑性、韌性、抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度、斷面收縮

率、伸長(zhǎng)率與沖擊韌性等

試驗(yàn):拉伸試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)、硬度試驗(yàn)、疲勞試驗(yàn)等

1金屬材料強(qiáng)度指標(biāo)

1)屈服強(qiáng)度

材料在拉伸過(guò)程中,當(dāng)載荷不變而試樣長(zhǎng)度繼續(xù)伸長(zhǎng)的現(xiàn)象為屈服

as

2)抗拉強(qiáng)度

試樣拉伸時(shí)一,拉斷前承受的最大載荷與試樣原始截面之比ob

3)持久強(qiáng)度

材料在規(guī)定的溫度下,達(dá)到規(guī)定時(shí)間而不斷的最大應(yīng)力反黑00,表示

700℃時(shí),持久時(shí)間為lOOOh的應(yīng)力

4)蠕變極限

在規(guī)定溫度下,引起試樣在一定時(shí)間內(nèi)蠕變總伸長(zhǎng)率或者恒定蠕變速

度不超過(guò)規(guī)定值的最大應(yīng)力b黑-5,表示在600℃時(shí),蠕變速度1

義10一5燦的蠕變極限

2金屬材料塑性

1)延伸率8

試驗(yàn)拉斷后標(biāo)距總長(zhǎng)AL與原標(biāo)距長(zhǎng)L。的比值

片空xlOO%

2)斷面收縮率6

試樣斷裂后,縮頸處橫截面積與原橫截面積的比值

A4

—xlOO%

4

3)冷彎性能

金屬材料在常溫下承受彎曲而不破壞的能力

3金屬材料的韌性指標(biāo)

1)沖擊韌性aK

評(píng)定金屬在動(dòng)載荷下承受沖擊抗力的機(jī)械性能指標(biāo)

2)斷裂韌性Kc

反應(yīng)材料抵抗裂紋臨界擴(kuò)展的一種能力

4.2壓力容器常用鋼材

壓力容器常用鋼材的要求

1)為保證安全性與經(jīng)濟(jì)性,所用材料應(yīng)有足夠的強(qiáng)度(屈服強(qiáng)度與

抗拉強(qiáng)度)

2)為保證在承受外加載荷時(shí)不發(fā)生脆性破壞,所用材料應(yīng)有良好韌

3)所用材料應(yīng)有良好的加工性

4)所用的材料應(yīng)有良好的低倍組織與表面質(zhì)量

5)用于制造高溫受壓元件的材料應(yīng)具有良好的高溫性能

6)與腐蝕介質(zhì)接觸的材料應(yīng)具有優(yōu)良的抗腐蝕性

1壓力容器常用碳素鋼

碳是碳素鋼中要緊的合金元素,含碳量不超過(guò)0.25%

碳素鋼中含有少量

鎰:在鋼中增加強(qiáng)度,細(xì)化組織,提高韌性

硅:提高強(qiáng)度,硬度,塑性與韌性降低

硫:有害元素“熱脆”(鋼材長(zhǎng)時(shí)間停留在400—500℃后再冷卻到室

溫時(shí),沖擊韌性值有明顯的下降的現(xiàn)象)

磷:有害元素“冷脆”(金屬材料在低溫下呈現(xiàn)韌性降低,脆性增大

的現(xiàn)象)

氮:形成氣泡與疏松

氧:強(qiáng)度、塑性降低,疲勞強(qiáng)度下降

氫:引起鋼的氫脆,產(chǎn)生白點(diǎn)缺陷(氫使得材料的力學(xué)性能下降)

1)碳素鋼板

Q235

設(shè)計(jì)壓力使用溫度鋼板厚度

適用環(huán)境

PMPat℃8mm

不得用于易燃或者極度、高度與中度危

Q235-A?F<0.60-235〈12

害的介質(zhì)壓力容器

不得用于液化石油介質(zhì)與高度、極度危

Q235-A<1.00-350W16

害介質(zhì)的壓力容器

不得用于極度或者高度危害介質(zhì)的壓

Q235-BWL60-350W20

力容器

Q235-CW2.50-400W30

20R

6—16mm鋼板,ob為400—520MPa,os》245MPa,8s^25%

2壓力容器用低合金高強(qiáng)度鋼

抗拉強(qiáng)度使用溫度

適用環(huán)境

XobMPat℃

制造一20—450℃的中、低壓石油化工設(shè)備與

16MnR450-640—20—450

球罐

15MnVR490-665-20-450制造一20—450C承受高壓的大型儲(chǔ)罐

15MnVNR530-710-20-450制造一20—450℃石油化工的中壓設(shè)備

18MnMoNbR570-740-20-450高壓容器

常溫或者中高

13MnNiMoNbR570-720高壓容器

3壓力容器用低合金耐熱鋼

抗拉強(qiáng)度使用溫度

適用環(huán)境

obMPat℃

0.5Cr-0.5Mo

1.0Cr-0.5Mo450-5900-500中低壓石油化工設(shè)備

(15CrMoR)

1.25Cr—0.5Mo-20-450加氫裝置

2.25Cr-lMo515-690—20—450石油加氫裂化容器用鋼

4壓力容器低溫用鋼

低溫用鋼要緊用于(一40—196C)一些工程結(jié)構(gòu)與低溫設(shè)備

使

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