壓力容器安全技術

1、2管殼式換熱器下面以管殼式換熱器的重要部件為例，介紹其結構設計的要點。管箱 包括管箱短節(jié)和分程隔板 (多程換熱器 )兩部分。管箱短節(jié)結構設計要保證“最小內(nèi)側(cè)深度”的要求。軸向開口的單程管箱，不得小于接管內(nèi)直徑的1 3。多程管箱，應保證兩程間最小流通面積不小于1 3 倍每程管子的流通面積。此外，短節(jié)筒體厚度必須滿足剛度要求。分程隔板結構設計要點如下。保證強度要求(承受兩側(cè)流體壓差)和剛度要求。水平分程隔板應開設 6mm 的排凈孔。對于大直徑和兩側(cè)流體溫差很大時，宜設計為雙層結構的分程隔板。分程隔板下緣應與管箱密封面齊平。(2) 圓筒固定管板式換熱器最小厚度應不小于6mm( 高合金鋼筒體不小于45

2、mm) ，圓筒的最小厚度隨公稱直徑增大而增厚。必須指出， 圓筒的長度是在以換熱管長度為標準長度的前提下按結構計算確定的，否則會造成換熱管的不標準而帶來材料的嚴重浪費。(3)接管其結構設計應符合有關規(guī)定。此外，接管應與殼體表面齊平；接管應盡量沿殼體的徑向或軸向設置；接管與外部管線可采用焊接連接；設計溫度不低于300時，必須采用整體法蘭；必要時可設置溫度計口、壓力表接口及液面計接口；對于不能利用接管(或接口 )進行放氣和排液的換熱器，應在管程和殼程的最高點設置放氣口，最低點設置排液口，其 DNmin 20mm；立式換熱器在需要時可設置溢流口。(4) 換熱管U 形彎管段的彎曲半徑應不小于2 倍管子外

3、徑。如果需要，允許換熱管拼接，但拼接焊縫不得超過1 條 (直管 )或 2 條 (U 形管 )，且最小管長不得小于300mm 。管板 結構設計時必須注意與螺栓、螺母、墊片、管箱的正確、合理和可靠的接合，而且還要考慮為了強化傳熱而進行分程等方面的要求。管板上管孔的布置必須符合換熱管標準排列形式的要求，即正三角形排列、轉(zhuǎn)角正三角形排列、正方形排列、轉(zhuǎn)角正方形排列等四種形式。管孔中心距一般不得小于125 倍的換熱管外徑，即t 125d0。對于分程隔板槽兩側(cè)相鄰管孔中心距要求不小于，加上隔板槽寬度。布管區(qū)的最大直徑必須小于布管限定圓的要求，以避免過分靠近殼壁而影響制造和安裝。對于固定管板換熱器或U 形管

4、換熱器，設計時要限制管束最外層換熱管外表面至殼體內(nèi)壁的最短距離b3 025d0，且不小于10mm。管板密封面的連接尺寸及制造、檢驗要求等應按照JB 4700 4707 92壓力容器法蘭規(guī)定。分程隔板槽一般槽深不小于4mm；分程隔板槽的寬度碳鋼為12mm，不銹鋼為11mm。分程隔板槽拐角處的倒角為45，倒角的寬度b 為分程墊片的圓角半徑R 加 1 2mm。此項要求常被設計者所疏忽，造成不能安裝或泄漏。管板與圓筒、 管箱短節(jié)的連接形式必須考慮殼程壓力的大小、管板是否兼作法蘭、介質(zhì)的性質(zhì)和有無間隙腐蝕存在。尤其要注意如下幾點。a當殼程壓力ps4 0MPa 時，要采用“變角接為對接”的結構形式，以改善

5、受力條件。b當殼程介質(zhì)可能存在間隙腐蝕時，則不可采用襯環(huán)進行焊接，因為焊接后的襯環(huán)恰好與殼壁形成間隙而造成腐蝕。多管程的管板前端與后端的結構絕不相同 (見 GB 151 89 圖 1 7)，有多種類型可供選擇。管程分程應注意如下幾點。a應盡可能使各管程的管數(shù)大致相等。b使分程隔板槽形狀簡單，密封長度較短。(6)換熱管與管板的連接正確選定換熱管與管板的連接方式，對設計者至關重要，為此必須嚴格區(qū)分其結構特點、適用范圍與應用場所。下面按最常用的連接形式介紹其要點。強度脹接為保證換熱管與管板連接的密封性能及抗拉脫強度的脹接。其適用范圍如下。a設計壓力小于等于4MPa。b設計溫度小于等于300。c操作中

6、應無劇烈的振動，無過大的溫度變化及無嚴重的應力腐蝕。最小脹接長度取以下三者的最小值。a管板名義厚度減去3mm。b 50mm。c換熱管外徑的 2 倍。具體的結構形式及尺寸見 GB 151 1999。強度焊 保證換熱管與管板連接的密封性能和抗拉脫強度的焊接。適用于GB 1511999 標準規(guī)定的設計壓力 (PN 35MPa)，但不適用于有較大振動及有間隙腐蝕的場合。其結構形式及尺寸按 GB 151 1999 的規(guī)定。脹焊并用 適用于密封性能要求較高的場合， 承受振動和疲勞載荷的場合， 有間隙腐蝕的場合，采用復合管板的場合。a強度脹加密封焊(保證換熱管與管板連接密封性的焊接) 。這種連接形式是指管板

7、與換熱管連接處的抗拉脫強度由脹接來保證，而密封性能主要由脹接并輔之以密封焊接來保證。b強度焊加貼脹 (消除換熱管與管孔之間縫隙的輕度脹接 )。此種連接形式是指換熱管與管板的密封性主要由二者承擔， 而抗拉脫強度主要由焊接承受。 貼脹的目的是用以消除或降低殼程產(chǎn)生間隙腐蝕和減弱振動對管板與換熱器連接處的損害。 貼脹與強度焊或強度脹配合使用，由設計者根據(jù)使用條件確定。第三節(jié)強度計算與校核進行壓力容器設計時， 主要任務是對受壓容器各個部分進行應力分析， 確定最大應力值并將其限制在許用范圍內(nèi)。 在任一臺壓力容器中， 至少存在兩種應力， 一種是一次應力或薄膜應力， 如圓筒體中間部分的應力； 另一種是不連續(xù)

8、應力或二次應力， 如接管與封頭連接處的應力。此外，還有峰值應力等。一、應力與應力分析1一次應力一次應力是由外載引起的正應力和切應力， 又稱為基本應力。 外載包括容器及其附件的自重，內(nèi)壓和外壓、外力 (風載荷、地震載荷等 )和外加力矩 (接管力矩 )等。一次應力的特征是能滿足外力、 內(nèi)力和彎矩的平衡要求， 即容器在載荷作用下， 為保持容器各部分平衡所需要的力。它不能靠本身達到的屈服極限來限制其大小，具有非自限性。若一次應力超過材料的屈服極限，則其破壞的阻止完全由應變硬化性能所決定。屬于這種應力的有薄壁圓筒體或球殼等由于壓力產(chǎn)生的總體薄膜應力，平端蓋中央部分由于壓力產(chǎn)生的彎曲應力。一次應力又可分為

9、一次薄膜應力 m，局部薄膜應力 L 和一次彎曲應力 u。(1) 一次薄膜應力 m沿壁厚均勻分布的一次應力，稱為一次薄膜應力。它是由外載荷(介質(zhì)壓力等 )引起的，且與外載荷相平衡的應力平均值。屬于一次薄膜應力的有圓筒體、球殼、成形封頭壁厚平均的環(huán)向應力、縱向應力應力 )及徑向應力。(經(jīng)向一次薄膜應力對容器的危害性最大。當它達到極限值 (如屈服極限 )時，整個容器發(fā)生屈服或大面積塑性變形， 而導致破壞。 因此， 在設計計算時對這類應力必須用基本計算公式嚴格控制。局部薄膜應力 L指由壓力和其他機械載荷引起的薄膜應力，以及邊緣效應中環(huán)向應力等所引起的薄膜應力。它和一次薄膜應力的相同之處是沿壁厚方向均勻

10、分布，不同之處是具有局部性質(zhì)，因此具有二次應力特征。但是從保守角度考慮，還是把它劃在一次應力范圍內(nèi)。如果受局部應力作用的區(qū)域太大或者這個區(qū)域離其他高應力區(qū)距離很近， 而其周圍金屬起不到約束作用時， 則不應按局部薄膜應力考慮， 而應當稱作一般薄膜應力。 只有滿足下述條件時，才能按局部薄膜應力處理。屬于局部應力的有支座或接管與容器殼體連接部位沿殼體壁厚平均的環(huán)向應力及縱向應力。一次彎曲應力 u 指由外載引起的與外載平衡的彎曲應力， 或者說扣除一次薄膜應力后，在厚度方向成線性分布的一次應力。屬于這種應力的有平端蓋或蓋頂中央部分在內(nèi)壓作用下產(chǎn)生的應力，的彎曲應力。圓筒殼因自重產(chǎn)生5應力強度極限對于不同

11、種類的應力，根據(jù)它對結構元件強度的影響不同，其應力強度許用值度極限 )也不相同。對于一次薄膜應力 m，應力強度 rm 應滿足下述條件。 rm (應力強對于局部彎曲應力，應力強度 rL 應滿足下述條件。6基本設計準則由上述應力強度極限計算可以得出四個基本設計準則。在可能引起塑性破壞的情況下，必須可靠地防止塑性破壞。由任何一種載荷作用產(chǎn)生的塑性應變必須加以限制。除了局部應力集中和局部熱效應外，任何其他應力引起的塑性應變循環(huán)都是不允許的。將要發(fā)生塑性應變循環(huán)的各個部位，應通過疲勞分析限制疲勞破壞的產(chǎn)生。二、設計參數(shù)壓力容器的設計參數(shù)主要有設計壓力、設計溫度、 壁厚附加量、 許用應力、 焊縫系數(shù)等。1

12、設計壓力設計壓力指設定的容器頂部的最高壓力，與相應的設計溫度一起作為設計載荷條件，其值不低于工作壓力。容器安裝安全閥時，容器的設計壓力等于或稍大于安全閥的開啟壓力；使用爆破膜作為安全裝置時， 設計壓力等于爆破片的設計爆破壓力加上所選爆破片制造范圍的上限。最大工作壓力又稱最高工作壓力，是指容器在使用過程中可能出現(xiàn)的最大表壓。若容器內(nèi)盛裝的是易爆介質(zhì)時，它的設計壓力應根據(jù)介質(zhì)特性、爆炸時瞬時壓力、爆破膜的破壞壓力以及爆破膜的排放面積與容器中氣相容積之比等因素作特殊考慮。爆破膜的實際爆破壓力與額定爆破壓力之差應在5的范圍之內(nèi)。盛裝液化氣體的容器，設計壓力是根據(jù)容器的充裝系數(shù)和可能達到的最高金屬溫度來

13、確定的。 一般取與最高溫度相應的飽和蒸氣壓力為設計壓力。裝有液體的內(nèi)壓容器，需要考慮液體靜壓力的影響。如果液體靜壓超過介質(zhì)最大工作壓力的5時，則設計壓力為p pi+ H2式中pi工作壓力，kgf cm ；3 介質(zhì)密度，kgcm ；H介質(zhì)靜液柱高度，cm。如果介質(zhì)靜壓小于最大工作壓力的5時，則此液體靜壓可不予考慮。上述情況主要將工作壓力作為設計用的外載荷。然而，在實際情況下， 還需要考慮容器自身重量、 風載、地震、溫差及附件引起的局部應力影響。 確定設計壓力時應結合具體情況進行仔細分析。3腐蝕裕量腐蝕裕量取決于介質(zhì)的腐蝕性能、 材料的化學穩(wěn)定性和容器的使用時間。 對于均勻腐蝕，當腐蝕速度 Ka0

14、 1mm a 時，腐蝕裕量 C1 可用下式表示。C1 Kat式中Ka腐蝕速度，mm a；t容器使用時間，a。對于碳鋼和低合金鋼容器，如果Ka0 1mm a 時，單面腐蝕量取C1 2mm，雙面腐蝕量取 C1 4mm 。如果 Ka 005mm a(包括大氣腐蝕 )時，單面腐蝕量取 C1 1mm，雙面腐蝕量取 C1 2mm。對于不銹鋼容器，當介質(zhì)的腐蝕性能極弱時，C1 0。對于非均勻腐蝕， 不能用增加壁厚的辦法來解決。 除了正確地進行結構設計外， 還應盡最大可能降低殘余應力來減少應力腐蝕的影響。4材料厚度負偏差厚度負偏差一般是根據(jù)我國常用鋼板或鋼管厚度及有關的規(guī)定選取，詳見關資料。對于鋁板，當厚度小

15、于10mm 時，材料負偏差C2 0 5mm。GB 150及有5最小壁厚 min受低壓或常壓作用的容器，如果按強度公式計算所得的壁厚很小而不能滿足制造、運輸和安裝等要求時，則必須適當?shù)丶哟蟊诤瘢虼送ǔ?guī)定最小壁厚。對于碳鋼和低合金鋼制的容器，若內(nèi)徑Di 3800mm 時， min 2Di 1000mm ，但不得小于3mm ，腐蝕裕量不包括在內(nèi)。若容器內(nèi)徑Di 3800mm 時， min 按運輸和現(xiàn)場制造及安裝條件確定。對于奧氏體不銹鋼制的容器， min 2mm。對于鋁制無加強措施的容器， min 3mm；若采取加強措施， min 2mm 。對于鑄造容器，其 min 由鑄造工藝決定。6安全系數(shù)

16、n 與許用應力 正確選擇許用應力是保證壓力容器安全運行的一個非常重要的問題。材料的力學性能 ( 即強度、塑性或脆性 )、載荷特性 (靜載荷或交變載荷法。許用應力值取決于)、溫度和設計計算方目前，計算常溫下容器材料許用應力的方法是以材料的強度極限基礎，并選用相應的強度極限安全系數(shù)nb 或屈服極限安全系數(shù) b 或屈服極限 s 為ns 取得的，即 b nb s ns要保證構件的強度，就必須保證它在載荷作用下所產(chǎn)生的應力不會達到材料的強度指標，而且要留有適當?shù)陌踩Ａ俊０踩禂?shù)是指材料在工作溫度下的強度性能指標與構件工作時允許產(chǎn)生的最大應力之比值。安全系數(shù)選定后，即可根據(jù)材料的強度指標( b、 s、D

17、 、 n) 除以相應的安全系數(shù) (n b、ns、nD、 nn) 來確定構件的許用應力。安全系數(shù)的確定比較復雜。壓力容器承壓部件安全系數(shù)的大小應該考慮以下這些因素。材料性能的穩(wěn)定性可能存在的偏差。估算載荷狀態(tài)及數(shù)值的偏差。計算方法的精確程度。制造工藝及其允許偏差。檢驗手段及其要求嚴格程度。使用操作經(jīng)驗。根據(jù)有關規(guī)定，鋼制壓力容器承壓部件的安全系數(shù)為nb 3 0， ns1 6， nD 1 5。對于鑄鐵壓力容器， 其承壓部件的安全系數(shù)為灰鑄鐵nb=10 0，可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵 nb 80。鑄鋼壓力容器承壓部件的安全系數(shù)nb 4 0。有色金屬壓力容器承壓部件的安全系數(shù)為鈦nb 4 0， ns 1 5；

18、鋁 nb 4 0， ns1 5；銅 nb 4 0， ns 1 5。在各國制定的規(guī)范中，大多數(shù)仍將容器壁簡化成為均勻受力的薄膜進行處理，以薄膜應力來描述整個容器的應力水平。 然而，容器各部位的實際應力狀態(tài)是很復雜的， 所以設計時多采用較大的安全系數(shù)。 為了避免容器發(fā)生脆性破壞， 除對材料要求具有足夠的強度外， 還要考慮沖擊值等要求。在設計過程中，經(jīng)常引出屈服極限與強度極限之比，即屈強比 s b 這一概念，這個概念對壓力容器選材是特別重要的。鋼制壓力容器的屈強比不得大于0 8。溫度對許用應力的影響是通過它對材料力學性能的影響表現(xiàn)出來的。溫度升高對金屬材料的所有力學性能都有影響。如碳鋼，溫度升高時，

19、強度極限開始增加，在250 300時最高， 超過此溫度范圍時，強度極限很快下降。屈服極限隨溫度升高一直下降，因此應當根據(jù)設計壁溫下材料的強度極限或屈服極限確定許用應力。如果溫度高于 400，即在高溫情況下， 容器失效不是因為強度不足， 而是由于蠕變造成的。 蠕變是材料在一定溫度下受不變應力作用后， 隨時間增長而緩慢產(chǎn)生永久的塑性變形的過程。 蠕變不僅使材料產(chǎn)生永久塑性變形，而且能使材料性能發(fā)生變化，一般是變脆。碳鋼和普通低合金鋼容器在壁溫高于450、不銹鋼容器壁溫高于550時，必須根據(jù)蠕變極限確定許用應力。蠕變極限是指在給定溫度下和規(guī)定的使用時間內(nèi)使試樣產(chǎn)生一定量蠕變總變形的應力，或者是在給定

20、溫度下，引起某蠕變速度時的應力。 用這兩種蠕變極限所確定的變形量之間差值很小， 可以忽略不計。對于化工容器，常以在一定溫度下，經(jīng)過10 萬小時 (相當于 11 年 )產(chǎn)生 1變形，即蠕5 7變速度為1 10 即 10mm (mm h)的應力為材料在該溫度下的蠕變極限。此外，還可用持久限來確定許用應力。 持久限的定義是在給定溫度下， 材料經(jīng)過規(guī)定的時間 (一般為 100000h)產(chǎn)生斷裂破壞的應力。有些容器，如核反應堆容器，必須保證在使用期間內(nèi)不發(fā)生破壞，它的設計依據(jù)就是持久限?？傊?，高溫下材料的許用應力應取下述中的最小值。三、常用的設計計算公式1內(nèi)壓圓筒內(nèi)壓圓筒的強度計算是以薄膜理論為基礎的。

21、 設計計算的目的是確定圓筒的壁厚或?qū)ΜF(xiàn)有容器進行強度校核。(1) 計算厚度設計溫度下圓筒的計算厚度按下式計算四、壓力試驗壓力試驗的目的是檢驗壓力容器承壓部件的強度和嚴密性。在試驗過程中， 通過觀察承壓部件有無明顯變形或破裂，來驗證壓力容器是否具有設計壓力下安全運行所必需的承壓能力。同時，通過觀察焊縫、法蘭等連接處有無滲漏，檢驗壓力容器的嚴密性。由于壓力試驗的試驗壓力要比最高工作壓力高，所以應該考慮到壓力容器在壓力試驗時有破裂的可能性。由于相同體積、相同壓力的氣體爆炸時所釋放出的能量要比液體大得多，為減輕鍋爐、 壓力容器在耐壓試驗時破裂所造成的危害，所以通常情況下試驗介質(zhì)選用液體。因為水的來源和

22、使用都比較方便，又具有作耐壓試驗所需的各種性能，所以常用水作為耐壓試驗的介質(zhì)，故耐壓試驗也常稱為水壓試驗。1液壓試驗壓力容器的液壓試驗壓力應以能考核承壓部件的強度，暴露其缺陷， 但又不損害承壓部件為佳。 通常規(guī)定， 承壓部件在液壓試驗壓力下的薄膜應力不得超過材料在試驗溫度下屈服極限的 90。具體液壓試驗的壓力規(guī)定如下。內(nèi)壓容器pT 1 25p t外壓容器pT 1 25p2氣壓試驗一般情況下， 壓力容器不允許用氣體作為壓力試驗介質(zhì)，但對由于結構或支承原因， 不能向壓力容器內(nèi)安全充灌液體，以及運行條件不允許殘留試驗液體的壓力容器，可按設計圖樣規(guī)定采用氣壓試驗。如容器體積過大，無法承受水的重量；殼體不適于含氯離子的介質(zhì)，而水壓試驗的水中含較多的氯離子；在嚴寒下， 容器內(nèi)液體可能結冰脹破容器等?？梢钥闯?，氣壓試驗是有條件的，其主要原因是氣壓試驗比水壓試驗危險性大。出師表兩漢：諸葛亮先帝創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂， 今