壓力容器教案

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

值

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)

力

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

性

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

溫

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