GB及壓力容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

會(huì)計(jì)學(xué)1GB及壓力容器設(shè)計(jì)基礎(chǔ)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(biāo)準(zhǔn)《特種設(shè)備安全監(jiān)察條例》，國(guó)務(wù)院，2003.6.1《壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》，國(guó)家質(zhì)監(jiān)總局，2000.1.1《壓力容器、壓力管道設(shè)計(jì)單位資格許可與管理規(guī)則》，2003.1.1《鍋爐壓力容器制造監(jiān)督管理辦法》，2003.1.1GB150《鋼制壓力容器》JB4732《鋼制壓力容器——分析設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》JB/T4735《鋼制焊接常壓容器》GB151《管殼式換熱器》第1頁(yè)/共69頁(yè)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(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)圈、外壓加強(qiáng)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GB150和《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）第2頁(yè)/共69頁(yè)壓力容器的概念壓力容器的分類根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程作用原理：反應(yīng)壓力容器（R），換熱壓力容器（E），分離壓力容器（S），儲(chǔ)存壓力容器（C，其中球罐B）根據(jù)設(shè)計(jì)壓力p等級(jí)：低壓（0.1MPa≤p<1.6MPa），中壓（1.6MPa≤p<10MPa），高壓（10MPa≤p<100MPa），超高壓根據(jù)《容規(guī)》分為一、二、三類壓力容器，其中三類壓力容器為介質(zhì)危害程度高或材料強(qiáng)度級(jí)別高或其它原因技術(shù)要求較高而不允許微量泄漏的容器根據(jù)壓力容器壓力管道設(shè)計(jì)許可證分類：A1、A2、A3、A4，C1、C2、C3，D1、D2，SAD根據(jù)壓力容器制造許可證分類：A1、A2、A3、A4、A5，B1、B2、B3，C1、C2、C3，D1、D2第3頁(yè)/共69頁(yè)壓力容器的概念壓力容器的設(shè)計(jì)各級(jí)設(shè)計(jì)人員：設(shè)計(jì)，校核，審核，批準(zhǔn)（設(shè)計(jì)技術(shù)負(fù)責(zé)人），審定（技術(shù)總負(fù)責(zé)人，總工程師）設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)：標(biāo)識(shí)，結(jié)構(gòu)，介質(zhì)，管口表，操作條件，設(shè)計(jì)條件，設(shè)計(jì)壽命，主材，載荷條件，其它設(shè)計(jì)文件：設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)計(jì)算書(shū)圖樣：總圖，裝配圖，部件圖，零件圖，等說(shuō)明書(shū)圖面技術(shù)要求與內(nèi)容制造要求，焊接要求，檢測(cè)要求，檢驗(yàn)要求技術(shù)特性表（設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)表），管口表工作流程：工程圖，施工圖，竣工圖第4頁(yè)/共69頁(yè)壓力容器的概念壓力容器的設(shè)計(jì)管理設(shè)計(jì)管理制度設(shè)計(jì)人員條件設(shè)計(jì)人員業(yè)務(wù)考核設(shè)計(jì)人員崗位責(zé)任制設(shè)計(jì)工作程序設(shè)計(jì)條件的編制與審查設(shè)計(jì)文件的簽署、標(biāo)準(zhǔn)化審查、質(zhì)量評(píng)定設(shè)計(jì)文件的管理、更改、復(fù)用設(shè)計(jì)資格印章的使用與管理等等第5頁(yè)/共69頁(yè)壓力容器的概念正確使用法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范法規(guī)與標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的關(guān)系正確使用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范（摘自ASME前言）壓力容器的建造包括選材、設(shè)計(jì)、制造、檢驗(yàn)、試驗(yàn)等一系列工作內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范包括了對(duì)壓力容器建造工作的如下三方面的基本內(nèi)容：強(qiáng)制性要求，特殊禁用規(guī)定，非強(qiáng)制性指南標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不可能涉及容器建造的所有方面、細(xì)節(jié)，對(duì)于那些沒(méi)有提及的內(nèi)容不應(yīng)該認(rèn)為是被禁用的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范不是手冊(cè)，它不能替代培訓(xùn)、經(jīng)驗(yàn)和工程評(píng)價(jià)工程評(píng)價(jià)是由知識(shí)淵博、熟悉標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用的設(shè)計(jì)師作出的技術(shù)評(píng)價(jià)，必須同標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的原則相一致，絕不能以工程評(píng)價(jià)或經(jīng)驗(yàn)為借口來(lái)否定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的強(qiáng)制性要求或特殊禁用規(guī)定設(shè)計(jì)和分析所用工具和方法是隨著技術(shù)進(jìn)步而變化的，希望工程師們?cè)趹?yīng)用這些工具時(shí)作出可靠的判斷標(biāo)準(zhǔn)所制定的規(guī)則，不能理解為任何一種專有或特定的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，不能限制設(shè)計(jì)人員自行選擇符合規(guī)范規(guī)則的設(shè)計(jì)方法或結(jié)構(gòu)形式。第6頁(yè)/共69頁(yè)壓力容器失效準(zhǔn)則及設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)失效準(zhǔn)則強(qiáng)度失效準(zhǔn)則彈性失效準(zhǔn)則：GB150，不允許材料進(jìn)入塑性變形塑性失效準(zhǔn)則：JB4732，全截面屈服進(jìn)入塑性狀態(tài)方為失效爆破失效準(zhǔn)則：超高壓容器設(shè)計(jì)，材料應(yīng)變強(qiáng)化、斷裂方為失效剛性失效準(zhǔn)則剛性不足，屈曲、跨塌（外壓失穩(wěn)）疲勞斷裂失效準(zhǔn)則承受交變載荷時(shí)，裂紋、斷裂第7頁(yè)/共69頁(yè)壓力容器失效準(zhǔn)則及設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)壓力容器的失效形式強(qiáng)度失效爆破，過(guò)度變形穩(wěn)定性失效失穩(wěn)剛性失效泄漏（法蘭），變形疲勞失效疲勞裂紋、開(kāi)裂腐蝕失效均勻腐蝕（以腐蝕裕量解決）晶間腐蝕（超低碳不銹鋼）應(yīng)力腐蝕（H2S、NH3等介質(zhì)，拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用）第8頁(yè)/共69頁(yè)壓力容器失效準(zhǔn)則及設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)強(qiáng)度理論最大主應(yīng)力理論——第一強(qiáng)度理論當(dāng)最大拉應(yīng)力達(dá)到某一極限值時(shí)材料失效，理論上適用于脆性材料最大拉應(yīng)變理論——第二強(qiáng)度理論當(dāng)最大拉伸應(yīng)變達(dá)到某一極限值時(shí)材料失效，不適用于金屬材料最大剪應(yīng)力理論——第三強(qiáng)度理論處于復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的材料，當(dāng)其承受的最大剪應(yīng)力達(dá)到某一極限狀態(tài)時(shí)，材料進(jìn)入塑性流動(dòng)而失效工程上廣泛應(yīng)用歪曲應(yīng)變能理論——第四強(qiáng)度理論考慮了三個(gè)主應(yīng)力對(duì)材料強(qiáng)度的共同影響第9頁(yè)/共69頁(yè)壓力容器失效準(zhǔn)則及設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)GB150壓力容器常規(guī)設(shè)計(jì)基于第一強(qiáng)度理論，彈性失效，不允許進(jìn)入塑性變形結(jié)構(gòu)部件的應(yīng)力狀態(tài)計(jì)算薄膜無(wú)力矩理論：將整體部件視為厚度方向應(yīng)力相同的薄膜，只能承受拉、壓應(yīng)力，不能承受彎曲應(yīng)力邊緣區(qū)域總體上不考慮邊緣應(yīng)力的影響（錐殼除外）：封頭與筒體分別計(jì)算，不考慮結(jié)構(gòu)不協(xié)調(diào)而引起的應(yīng)力確定材料許用應(yīng)力的安全系數(shù)對(duì)于板材、鍛件、管材和密封螺栓具有不同的確定許用應(yīng)力的系數(shù)螺栓因工作條件不明確無(wú)法預(yù)測(cè)，因此安全系數(shù)較大直徑越小的螺栓安全系數(shù)越大，是因?yàn)檫^(guò)力超載更容易擰斷第10頁(yè)/共69頁(yè)GB150鋼制壓力容器

Steelpressurevessels第11頁(yè)/共69頁(yè)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(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)5、法蘭6、低溫壓力容器（附錄C）7、超壓泄放裝置（附錄B）

第12頁(yè)/共69頁(yè)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(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)5、法蘭6、低溫壓力容器（附錄C）7、超壓泄放裝置（附錄B）

第13頁(yè)/共69頁(yè)1.1GB150適用范圍壓力：適用于設(shè)計(jì)壓力不大于35MPa，不低于0.1MPa及真空度高于0.02MPa溫度：鋼材允許使用溫度1、總論適用范圍適用范圍第14頁(yè)/共69頁(yè)1、總論1.2GB150管轄范圍容器殼體及與其連為整體的受壓零部件1）容器與外部管道連接焊縫連接第一道環(huán)向焊縫端面法蘭連接第一個(gè)法蘭密封面螺紋連接第一個(gè)螺紋接頭端面專用連接件第一個(gè)密封面2）接管、人孔、手孔等的封頭、平蓋及緊固件3）非受壓元件與受壓元件焊接接頭（如支座、墊板、吊耳等）4）連接在容器上的超壓泄放裝置

第15頁(yè)/共69頁(yè)1、總論1.3容器的失效準(zhǔn)則與失效形式

壓力容器在載荷作用下喪失正常工作能力稱之為失效。壓力容器設(shè)計(jì)說(shuō)到底是壁厚的計(jì)算，壁厚確定主要是對(duì)材料失效模式的判別:彈性失效殼體應(yīng)力限制在彈性范圍內(nèi)，按彈性強(qiáng)度理論，殼體承載在彈性狀態(tài)。塑性失效殼體應(yīng)力限制在塑性范圍內(nèi)，按塑性強(qiáng)度理論，殼體承載在塑性狀態(tài)。爆破失效殼體爆破是承載能力最大極限，表示材料承載能力的極限。壓力容器失效表現(xiàn)為強(qiáng)度（斷裂、泄漏）、剛度（泄漏、變形）和穩(wěn)定性（失穩(wěn)）。第16頁(yè)/共69頁(yè)1、總論1.4設(shè)計(jì)參數(shù)

1.4.1壓力（6個(gè)壓力）Pw

正常工況下，容器頂部可能達(dá)到的最高壓力Pd

與相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度相對(duì)應(yīng)作為設(shè)計(jì)條件的容器頂部的最高壓力Pd≥PWPc

在相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下，確定元件厚度壓力（包括靜液柱）Pt

壓力試驗(yàn)時(shí)容器頂部壓力Pwmax設(shè)計(jì)溫度下，容器頂部所能承受最高壓力，由受壓元件有效厚度計(jì)算得到。Pz安全泄放裝置動(dòng)作壓力

Pw＜Pz≤(1.05-1.1)PwPd≥Pz

第17頁(yè)/共69頁(yè)1、總論1.4設(shè)計(jì)參數(shù)

1.4.2溫度Tw

在正常工況下元件的金屬溫度，實(shí)際工程中，往往以介質(zhì)的溫度表示工作溫度。Tt

壓力試驗(yàn)時(shí)元件的金屬溫度，工程中也往往以試驗(yàn)介質(zhì)溫度來(lái)表示試驗(yàn)溫度。Td

在正常工況下，元件的金屬截面的平均溫度，由于金屬壁面溫度計(jì)算很麻煩，一般取介質(zhì)溫度加或減10-20℃得到。第18頁(yè)/共69頁(yè)1、總論1.4設(shè)計(jì)參數(shù)

1.4.3壁厚（6個(gè)厚度）δc

計(jì)算厚度，由計(jì)算公式得到保證容器強(qiáng)度，剛度和穩(wěn)定的厚度δd

設(shè)計(jì)厚度，δd=δc+C2（腐蝕裕量）δn

名義厚度，δn=δd+C1（鋼材負(fù)偏差）+△（圓整量）δe

有效厚度，δe=δn-C1-C2=δc+△δmin

設(shè)計(jì)要求的成形后最小厚度，δmin≥δn-C1

（GB1503.5.6殼體加工成形后最小厚度是為了滿足安裝、運(yùn)輸中剛度而定；而δmin是保證正常工況下強(qiáng)度、剛度、壽命要求而定。）δ坯坯料厚度δ坯=δd+C1+△+C3（其中：C3

制造減薄量，主要考慮材料（黑色，有色）、工藝（模壓，旋壓；冷壓，熱壓），所以C3值一般由制造廠定。）第19頁(yè)/共69頁(yè)1、總論各厚度之間的相互關(guān)系第20頁(yè)/共69頁(yè)1、總論1.4設(shè)計(jì)參數(shù)

1.4.4許用應(yīng)力許用應(yīng)力是材料力學(xué)性能與相應(yīng)安全系數(shù)之比值：

σb/nbσs/nsσD/nDσn/nn當(dāng)設(shè)計(jì)溫度低于20℃取20℃的許用應(yīng)力。第21頁(yè)/共69頁(yè)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(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)

5、法蘭6、低溫壓力容器（附錄C）

7、超壓泄放裝置（附錄B）

第22頁(yè)/共69頁(yè)2、受壓元件——園筒和球殼2.1園筒和球殼

園筒和球殼壁厚是根據(jù)彈性力學(xué)最大主應(yīng)力理論中徑公式導(dǎo)出：

中徑（Di+δ）替代Di第23頁(yè)/共69頁(yè)2、受壓元件——園筒和球殼是以薄壁容器內(nèi)徑公式導(dǎo)出，認(rèn)為應(yīng)力是均勻分布。隨壁厚增加K值增大，應(yīng)力分布不均勻程度加大，當(dāng)K=1.5時(shí)，由薄壁公式計(jì)算應(yīng)力比拉美公式計(jì)算應(yīng)力要低23%，誤差較大；當(dāng)采用（Di+δ）替代Di內(nèi)徑后，則其應(yīng)力僅相差3.8%，這樣擴(kuò)大了公式應(yīng)用范圍（K≤1.5），誤差在工程允許范圍內(nèi)。園筒受力圖第24頁(yè)/共69頁(yè)2、受壓元件——園筒和球殼園筒環(huán)向應(yīng)力是軸向應(yīng)力2倍，最大主應(yīng)力為環(huán)向應(yīng)力，所以公式中焊接接頭系數(shù)為縱向焊縫接頭系數(shù)。而球殼環(huán)向應(yīng)力和徑向應(yīng)力是相等。按中徑公式可推導(dǎo)出，球殼壁厚適用范圍Pc≤0.6[σ]tΦ，相當(dāng)于K≤1.353公式中焊接接頭系數(shù)為所有拼接焊縫接頭系數(shù)。第25頁(yè)/共69頁(yè)2、受壓元件——封頭2.2封頭

2.2.1橢圓封頭1）應(yīng)力分布

標(biāo)準(zhǔn)橢圓封頭（a/b=2）應(yīng)力分布：第26頁(yè)/共69頁(yè)2、受壓元件——封頭徑向應(yīng)力σr為拉伸應(yīng)力，封頭中心最大，沿徑線向封頭底邊逐漸減小。周向應(yīng)力σθ封頭中心拉伸應(yīng)力，并沿徑線向封頭底邊逐漸減小，由拉伸應(yīng)力變?yōu)閴嚎s應(yīng)力，至底邊壓應(yīng)力最大。且a/b越大，底部壓應(yīng)力愈大。出于上述考慮，GB150規(guī)定a/b≯2.6。所以在內(nèi)壓作用下，封頭短軸要伸長(zhǎng)，長(zhǎng)軸要縮短稱之為趨園現(xiàn)象，在曲面與直邊相連部分，封頭底邊徑向收縮，園筒徑向脹大，在邊界力作用下產(chǎn)生附加彎距（彎曲應(yīng)力），封頭上最大應(yīng)力為薄膜應(yīng)力和彎曲應(yīng)力之和。

第27頁(yè)/共69頁(yè)2、受壓元件——封頭第28頁(yè)/共69頁(yè)2、受壓元件——封頭2.2.1

計(jì)算公式

可近似理解為，橢圓封頭壁厚是園筒壁厚的K倍。其中：表示為封頭形狀系數(shù)，a/b越大，越扁平，長(zhǎng)軸收縮多，變形越大，應(yīng)力也大。K與Di/2hi關(guān)系查表7.1第29頁(yè)/共69頁(yè)2、受壓元件——封頭3）穩(wěn)定性在內(nèi)壓作用下，長(zhǎng)軸縮短，產(chǎn)生壓應(yīng)力，存在周向失穩(wěn)可能，標(biāo)準(zhǔn)控制最小厚度來(lái)保證。（GB150表7-1下部說(shuō)明）在外壓作用下，短軸縮短，產(chǎn)生壓應(yīng)力，球面部分存在失穩(wěn)可能，用圖表法進(jìn)行校核計(jì)算。第30頁(yè)/共69頁(yè)2、受壓元件——封頭2.2封頭

2.2.2碟形封頭1）應(yīng)力分布碟形封頭由球面、環(huán)殼和園筒組成，應(yīng)力分布與橢圓封頭相似。

徑向應(yīng)力

σr為拉伸應(yīng)力，在球面部分均勻分布，至環(huán)殼應(yīng)力逐漸減小，到底邊應(yīng)力降至一半。

周向應(yīng)力

σθ在球面部分為均勻分布拉伸應(yīng)力，環(huán)殼上為壓縮應(yīng)力，在連接點(diǎn)到底邊逐漸減小，而在球面與環(huán)殼連接處最大。碟形殼的應(yīng)力與變形第31頁(yè)/共69頁(yè)2、受壓元件——封頭碟形封頭與橢圓封頭形狀相似，不同點(diǎn)是應(yīng)力與變形都是不連續(xù)的，而且有兩個(gè)拐點(diǎn)（球面與環(huán)殼、環(huán)殼與園筒）在兩個(gè)邊界上產(chǎn)生附加力矩（彎曲應(yīng)力）在內(nèi)壓作用下，球面外凸，環(huán)殼內(nèi)縮，園筒外脹。當(dāng)r/R越小，球面與環(huán)殼處產(chǎn)生應(yīng)力最大；r/R→1趨于球殼，彎距→0；所以蝶形封頭最大應(yīng)力在球面與環(huán)殼過(guò)度區(qū)。

第32頁(yè)/共69頁(yè)2、受壓元件——封頭2）碟形封頭的計(jì)算公式

Ri/r越大，變形越大，應(yīng)力也大，所以M隨R/r增大而增大，

M與Ri/r查表7-3可近似理解為，蝶形封頭壁厚是球殼壁厚的M倍。其中：形狀系數(shù)，3）穩(wěn)定性在內(nèi)壓作用下，長(zhǎng)軸縮短，產(chǎn)生壓應(yīng)力，存在周向失穩(wěn)可能，標(biāo)準(zhǔn)控制最小厚度來(lái)保證。（GB150表7-1下部說(shuō)明）在外壓作用下，短軸縮短，產(chǎn)生壓應(yīng)力，球面部分存在失穩(wěn)可能，用圖表法進(jìn)行校核計(jì)算。同橢圓形封頭第33頁(yè)/共69頁(yè)2、受壓元件——封頭2.2封頭

2.2.3錐形封頭1）定義錐形封頭半頂角α≤60°，以大端直徑為當(dāng)量園筒直徑(Di/cosα)方法計(jì)算（即按當(dāng)量園筒一次薄膜應(yīng)力計(jì)算）。同一直徑處周向應(yīng)力等于軸向應(yīng)力2倍；不同直徑處，應(yīng)力是不同的。半頂角α>60°，按園平板計(jì)算，此時(shí)應(yīng)力以彎曲應(yīng)力為主，與薄膜理論不適應(yīng)的。大端α≤30°采用無(wú)折邊結(jié)構(gòu)；α>30°帶折邊小端α≤45°采用無(wú)折邊結(jié)構(gòu)；α>45°帶折邊

第34頁(yè)/共69頁(yè)2、受壓元件——封頭2）應(yīng)力分析大端軸向力T2分解成沿母線方向N2和垂直與軸線方向P2。N2

軸向拉伸應(yīng)力P2

大端徑向收縮，產(chǎn)生徑向彎曲應(yīng)力，并使周向應(yīng)力與壓力作用產(chǎn)生周向應(yīng)力，方向相反而相對(duì)減小，所以大端以一次軸向拉伸應(yīng)力+二次軸向彎曲應(yīng)力為強(qiáng)度控制條件第35頁(yè)/共69頁(yè)2、受壓元件——封頭2）應(yīng)力分析小端軸向力T1分解成母線方向N1和垂直于軸線方向P1.N1

軸向拉伸應(yīng)力P1

小端徑向張大，產(chǎn)生周向應(yīng)力。此周向應(yīng)力與壓力作用產(chǎn)生周向應(yīng)力方向一致，相互疊加，所以小端以一次周向應(yīng)力+由邊界力引起周向應(yīng)力為強(qiáng)度條件控制值第36頁(yè)/共69頁(yè)2、受壓元件——封頭3）計(jì)算公式

錐殼厚度

由于受邊界條件影響，是否需要在大、小端增設(shè)加強(qiáng)段，由GB150圖7-11、7-13判斷，交點(diǎn)在左邊表示二次應(yīng)力影響不大，不起控制作用，按上式計(jì)算即可；當(dāng)交點(diǎn)在右邊時(shí)，需增設(shè)加強(qiáng)段。大端厚度：小端厚度：Q應(yīng)力增值系數(shù)，體現(xiàn)邊界應(yīng)力作用。通常情況下，錐殼為一個(gè)厚度。則應(yīng)取上述三個(gè)厚度中最大值。

第37頁(yè)/共69頁(yè)2、受壓元件——封頭2.2封頭

2.2.4平蓋平蓋厚度是基于園平板在均布載荷作用下一次彎曲應(yīng)力來(lái)計(jì)算：K為結(jié)構(gòu)特征系數(shù)，分固支（焊接）和簡(jiǎn)支（螺栓）查表7-7。比較兩種邊界條件下得最大撓度與最大應(yīng)力，可知：撓度反映板的剛度；應(yīng)力則反映強(qiáng)度。所以周邊固支平蓋的最大撓度和最大彎曲應(yīng)力比周邊簡(jiǎn)支要小，從強(qiáng)度和剛度要求，周邊固支比周邊簡(jiǎn)支的為好。第38頁(yè)/共69頁(yè)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(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)

5、法蘭6、低溫壓力容器（附錄C）

7、超壓泄放裝置（附錄B）

第39頁(yè)/共69頁(yè)3.1失穩(wěn)外壓元件承受的壓應(yīng)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(yīng)力引起軸向壓縮應(yīng)力引起第40頁(yè)/共69頁(yè)3、外壓元件（園筒和球殼）

3.2外壓容器的設(shè)計(jì)外壓容器園筒和球殼的設(shè)計(jì)主要是穩(wěn)定性計(jì)算。外壓容器園筒壁厚的計(jì)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(yīng)使殼體防止失穩(wěn)的許用壓力[P]大于或等于計(jì)算壓力Pc.園筒穩(wěn)定安全系數(shù)取3.0，球殼穩(wěn)定安全系數(shù)取14.52。1）周向失穩(wěn)計(jì)算外壓容器殼體壁厚計(jì)算一般采用圖算法，根據(jù)殼體直徑（或半徑），計(jì)算長(zhǎng)度，假設(shè)壁厚(δe)和所用材料牌號(hào)，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]≥Pc；否則重新計(jì)算直至合格為止。2）軸向失穩(wěn)計(jì)算由園筒或管子的半徑，壁厚δe和所用材料牌號(hào)，用圖表查取系數(shù)，代入公式得B值，使計(jì)算壓力Pc小于或等于許用軸向壓縮應(yīng)力。許用軸向壓縮應(yīng)力取設(shè)計(jì)溫度下材料許用應(yīng)力[σ]和B值的較小值。第41頁(yè)/共69頁(yè)3、外壓元件（園筒和球殼）

3.3防止外壓園筒失穩(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(jì)算長(zhǎng)度；3）設(shè)置加強(qiáng)圈。加強(qiáng)圈設(shè)置應(yīng)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(qiáng)圈可設(shè)置在容器內(nèi)部或外部。加強(qiáng)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(zhǎng)的1/2，內(nèi)部不少于1/3。第42頁(yè)/共69頁(yè)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(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)5、法蘭6、低溫壓力容器（附錄C）

7、超壓泄放裝置（附錄B）

第43頁(yè)/共69頁(yè)4、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)

4.1適用范圍在筒體、封頭上開(kāi)圓孔，橢圓孔或長(zhǎng)圓孔。非園孔的a/b≤2。筒體Di≤1500或凸形封頭d≤1/2Di(且筒體d≤520mm)筒體Di>1500或錐形封頭d≤1/3Di(且筒體d≤1000mm)開(kāi)孔不僅削弱容器強(qiáng)度，也造成局部應(yīng)力集中，是造成容器破壞重要因素，所以開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)是壓力容器設(shè)計(jì)重要組成部分。

第44頁(yè)/共69頁(yè)4、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)

4.2開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)形式與作用1）型式

兩種開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)型式——整體補(bǔ)強(qiáng)和局部補(bǔ)強(qiáng)（補(bǔ)強(qiáng)圈）

整體補(bǔ)強(qiáng)增加殼體厚度（經(jīng)濟(jì)性差）厚壁管（推薦）整體補(bǔ)強(qiáng)鍛件與殼體焊接（嵌入式接管）

GB150P222圖J5a），b）局部補(bǔ)強(qiáng)補(bǔ)強(qiáng)圈（推薦）2）作用內(nèi)壓容器——對(duì)開(kāi)孔截面拉伸強(qiáng)度補(bǔ)償。外壓容器——對(duì)開(kāi)孔截面壓縮穩(wěn)定性補(bǔ)償，防止失穩(wěn)。

第45頁(yè)/共69頁(yè)4、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)

4.3開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)的規(guī)定1）不另行補(bǔ)強(qiáng)的最大開(kāi)孔直徑

應(yīng)滿足GB150P758.3規(guī)定

2）采用補(bǔ)強(qiáng)圈補(bǔ)強(qiáng)要求

σb≤540MPa;δ≤1.5δn;δn≤38mm3）整體補(bǔ)強(qiáng)要求下列情況之一，應(yīng)采用整體補(bǔ)強(qiáng)（增加殼體厚度或采用補(bǔ)強(qiáng)鍛件與殼體相焊）。HG20583鋼制化工容器結(jié)構(gòu)規(guī)定。

σb>540MPa

δ>1.5δn

δn>38mmPd≥4.0MPaTd>350℃介質(zhì)為極度，高度危害介質(zhì)第46頁(yè)/共69頁(yè)4、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)

4.4開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)方法

1）等面積補(bǔ)強(qiáng)法（d≤1/2Di）

原則：有效補(bǔ)強(qiáng)面積大于或等于開(kāi)孔失去面積式中δ為開(kāi)孔處計(jì)算厚度，注意：對(duì)橢圓封頭和碟形封頭中心部位和邊緣部位δ是不同的。第47頁(yè)/共69頁(yè)4、開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)

4.4開(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)方法

2）壓力面積補(bǔ)強(qiáng)法（0.8Di≥d＞0.5Di）原則：有效承壓面積上作用力≤許用應(yīng)力

當(dāng)殼體、接管、補(bǔ)強(qiáng)圈材料不同時(shí)，上述可表達(dá)為：[σ]0、[σ]1、[σ]2分別為殼體、接管、補(bǔ)強(qiáng)圈材料的許用應(yīng)力，MpaAσ0、Aσ1、Aσ2分別為有效補(bǔ)強(qiáng)范圍內(nèi)殼體、接管和補(bǔ)強(qiáng)圈橫截面積，mm2

P設(shè)計(jì)壓力，Mpa；AP為補(bǔ)強(qiáng)有效范圍內(nèi)壓力作用面積，mm2詳見(jiàn)HG20581鋼制化工容器強(qiáng)度計(jì)算規(guī)定第48頁(yè)/共69頁(yè)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(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)

5、法蘭6、低溫壓力容器（附錄C）

7、超壓泄放裝置（附錄B）

第49頁(yè)/共69頁(yè)5、法蘭

5.1法蘭分類

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(zhǎng)頸法蘭任意式法蘭如平焊法蘭（JB4700中，甲、乙型平焊法蘭）3）按密封面型式突面法蘭由一對(duì)平面組成凹凸面法蘭由一對(duì)相配合的凹面和凸面組成榫槽法蘭由一對(duì)相配合的榫面和槽面組成環(huán)面法蘭由一對(duì)相配合的環(huán)面組成第50頁(yè)/共69頁(yè)5、法蘭

按密封面形式法蘭示意圖

第51頁(yè)/共69頁(yè)5、法蘭

5.2墊片

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(chǎng)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(chǎng)合。纏繞墊片由金屬薄帶（0Cr13 、0Cr18Ni9、08F）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。第52頁(yè)/共69頁(yè)5、法蘭

5.2墊片

2）墊片壓緊力預(yù)緊狀態(tài)下最小壓緊力操作工況下最小壓緊力式中，m墊片系數(shù)，墊片操作時(shí)，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)，m是墊片材料的一個(gè)特性，

y墊片比壓力，墊片在預(yù)緊時(shí)，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(shè)計(jì)，應(yīng)使墊片在預(yù)緊和操作狀態(tài)下所需壓緊力盡可能小。第53頁(yè)/共69頁(yè)5、法蘭

5.3法蘭設(shè)計(jì)

1）法蘭密封要求法蘭是通過(guò)緊固螺栓（螺柱）壓緊墊片來(lái)實(shí)現(xiàn)密封，所以法蘭設(shè)計(jì)要防止泄漏，既要保證強(qiáng)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(yù)緊力c）墊片的性能，應(yīng)考慮墊片材料對(duì)溫度及其介質(zhì)相容性。d）法蘭密封面形式e）法蘭剛度

第54頁(yè)/共69頁(yè)5、法蘭

5.3法蘭設(shè)計(jì)

2）螺栓螺栓載荷預(yù)緊狀態(tài)：操作狀態(tài)：螺栓面積預(yù)緊時(shí)操作時(shí)取兩者大值作為確定螺栓截面積依據(jù)。在螺栓面積A已定情況下，選用小直徑螺栓，個(gè)數(shù)多；選用大直徑螺栓，個(gè)數(shù)少，為保證扳手在周向和徑向間距要求，應(yīng)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(yù)緊力增大，承受彎距增大，不利于密封。第55頁(yè)/共69頁(yè)5、法蘭

5.3法蘭設(shè)計(jì)

3）法蘭法蘭強(qiáng)度設(shè)計(jì)的理論有多種，我國(guó)法蘭設(shè)計(jì)規(guī)范的依據(jù)是彈性分析理論，即控制法蘭中應(yīng)力在彈性范圍內(nèi)，以保證法蘭的密封要求。（Waters法）工程上法蘭設(shè)計(jì)主要是對(duì)法蘭軸向應(yīng)力σH，徑向應(yīng)力σr和周向應(yīng)力σθ和組合應(yīng)力的校核。即，第56頁(yè)/共69頁(yè)5、法蘭

5.3法蘭設(shè)計(jì)4）法蘭設(shè)計(jì)的合理性a）選擇墊片時(shí)，盡可能選擇所需壓緊力小的墊片，即m、y小的墊片。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(shè)計(jì)法蘭錐頸（δ1）和法蘭環(huán)（δf），既保證強(qiáng)度，又有足夠剛度，即調(diào)整δ1、δf使法蘭的各計(jì)算應(yīng)力盡可能接近相應(yīng)許用應(yīng)力，趨滿應(yīng)力狀態(tài)。第57頁(yè)/共69頁(yè)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(kāi)孔補(bǔ)強(qiáng)

5、法蘭6、低溫壓力容器（附錄C）

7、超壓泄放裝置（附錄B）

第58頁(yè)/共69頁(yè)6、低溫壓力容器（附錄C）

設(shè)計(jì)溫度低于或等于-20℃的鋼制壓力容器（室外安裝無(wú)保溫的容器，最低設(shè)計(jì)溫度應(yīng)考慮地區(qū)環(huán)境溫度影響）各國(guó)對(duì)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-20℃時(shí)，也應(yīng)遵循低溫壓力容器規(guī)定。美國(guó)日本、德國(guó)法國(guó)英國(guó)<-30℃<-10℃<-20℃<0℃第59頁(yè)/共69頁(yè)6、低溫壓力容器（附錄C）

6.1低溫低應(yīng)力工況

設(shè)計(jì)溫度雖低于或等于-20℃,但其周向應(yīng)力σθ小于1/6σs屈服限，且不大于50MPa時(shí)，稱低溫應(yīng)力工況。

在低溫應(yīng)力工況下，設(shè)計(jì)溫度加50℃后，高于-20℃則不必遵循低溫壓力容器規(guī)定，可大大降低生產(chǎn)成本，提高經(jīng)濟(jì)性。第60頁(yè)/共69頁(yè)6、低溫壓力容器（附錄C）

6.2低溫壓力容器對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求低溫壓力容器使用溫度低，材料由延性狀態(tài)向脆性狀態(tài)轉(zhuǎn)變，降低抗沖擊性能，易發(fā)生脆斷，所以對(duì)材料有較高沖擊試驗(yàn)要求外