壓力容器設(shè)計(jì)

壓力容器設(shè)計(jì)第1頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三本章重點(diǎn)本章重點(diǎn)是筒體和封頭的強(qiáng)度計(jì)算以確定其壁厚，涉及強(qiáng)度計(jì)算的內(nèi)容包括兩方面：設(shè)計(jì)壓力容器根據(jù)工藝條件，確定設(shè)計(jì)參數(shù)（p,t,D），選定材料和結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)強(qiáng)度計(jì)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(duì)某一使用條件需判廢，應(yīng)為判廢提供依據(jù)第2頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三7.1設(shè)計(jì)參數(shù)的確定根據(jù)GB150的有關(guān)規(guī)定正確選定設(shè)計(jì)參數(shù)。兩個(gè)基本參數(shù)：公稱直徑DN：指標(biāo)準(zhǔn)化以后的標(biāo)準(zhǔn)直徑，以DN表示，單位mm，例如內(nèi)徑1200mm的容器的公稱直徑標(biāo)記為DN1200。公稱壓力PN：容器及管道的操作壓力經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化以后的標(biāo)準(zhǔn)壓力稱為公稱壓力，以PN表示，單位MPa。第3頁(yè)，共50頁(yè)，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(wú)縫鋼管制作筒體時(shí)，以外徑作為公稱直徑，見表14-2第4頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三7.1.2工作壓力與設(shè)計(jì)壓力設(shè)計(jì)壓力是設(shè)定的容器頂部的最高壓力，與相應(yīng)的設(shè)計(jì)溫度一起作為設(shè)計(jì)載荷條件。工作壓力是由工藝過(guò)程決定的，會(huì)變動(dòng)，通常指最大工作壓力，既指容器頂部在工作過(guò)程中可能產(chǎn)生的最高壓力（表壓）設(shè)計(jì)壓力:相應(yīng)設(shè)計(jì)溫度下確定殼壁厚度的壓力，亦即標(biāo)注在銘牌上的容器設(shè)計(jì)壓力。其值稍高于最大工作壓力。第5頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三設(shè)計(jì)壓力的確定使用安全閥時(shí)設(shè)計(jì)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(jì)壓力，不低于爆破片的爆破壓力固定式液化氣體儲(chǔ)罐的設(shè)計(jì)壓力應(yīng)根據(jù)充裝介質(zhì)在容器內(nèi)可能達(dá)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(dòng)式壓力容器設(shè)計(jì)壓力參照TSGR0005第6頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三計(jì)算壓力計(jì)算壓力：指在相應(yīng)設(shè)計(jì)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(guò)最大工作壓力的5％，則設(shè)計(jì)壓力可不計(jì)入靜壓力，否則，須在設(shè)計(jì)壓力中計(jì)入液體靜壓力。多數(shù)情況。夾套容器的內(nèi)筒，當(dāng)夾套中用蒸氣加熱時(shí)，內(nèi)筒的計(jì)算壓力應(yīng)按生產(chǎn)中可能出現(xiàn)的最大壓差來(lái)確定。第7頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三7.1.3設(shè)計(jì)溫度選擇材料和許用應(yīng)力的確定直接有關(guān)。設(shè)計(jì)溫度指容器正常工作中，在相應(yīng)的設(shè)計(jì)條件下，金屬器壁可能達(dá)到的最高或最低溫度。器壁溫度通過(guò)換熱計(jì)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(jì)算第8頁(yè)，共50頁(yè)，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(xiàng)強(qiáng)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(jì)溫度下許用壓力值的大小直接決定著容器強(qiáng)度，是重要設(shè)計(jì)參數(shù)之一。第9頁(yè)，共50頁(yè)，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(shí)可能出現(xiàn)焊接缺陷（如未焊透、氣孔和夾渣等），對(duì)容器強(qiáng)度產(chǎn)生影響。在設(shè)計(jì)中用焊接接頭系數(shù)表示焊縫熱影響區(qū)金屬與用材強(qiáng)度的比值，反映容器強(qiáng)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(wú)損檢測(cè)的長(zhǎng)度比例有關(guān)第10頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三焊縫系數(shù)第11頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三7.2內(nèi)壓容器筒體和封頭厚度計(jì)算

7.2.1內(nèi)壓圓筒的五種厚度及其確定方法理論計(jì)算厚度設(shè)計(jì)厚度名義厚度有效厚度最小壁厚第12頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三理淪計(jì)算厚度圓筒受力：按第一強(qiáng)度理淪：（GB150）按第三強(qiáng)度理淪：（ASME）第13頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三問(wèn)題a：筒體上開橢圓孔，如何開？第14頁(yè)，共50頁(yè)，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(duì)縱截面的削弱程度，使環(huán)向應(yīng)力不致增加很多。第15頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三問(wèn)題：鋼板卷制圓筒形容器，縱焊縫與環(huán)焊縫哪個(gè)易裂？第16頁(yè)，共50頁(yè)，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(shí)應(yīng)予以注意第17頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三設(shè)計(jì)厚度

設(shè)計(jì)厚度：計(jì)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(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三名義厚度

定義：指設(shè)計(jì)厚度加上鋼材厚度負(fù)偏差后向上圓整至鋼材標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格的厚度、參照P189的規(guī)定第19頁(yè)，共50頁(yè)，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(fù)偏差

第20頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三最小壁厚

常壓、低壓計(jì)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(duì)碳素鋼、低合金鋼容器不小于3mm；對(duì)高合金鋼制容器不小于2mm

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

越大，容器在強(qiáng)度的安全儲(chǔ)量越大。第22頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三7.2.2內(nèi)壓凸形封頭厚度計(jì)算內(nèi)壓凸形封頭包括四種形式：半球形標(biāo)準(zhǔn)橢圓形碟形無(wú)折邊球形第23頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三半球形封頭半球形封頭由半個(gè)球殼構(gòu)成第24頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三半球形封頭半球形封頭由半個(gè)球殼構(gòu)成球殼中任意點(diǎn)處的薄膜應(yīng)力均相同，，根據(jù)薄膜應(yīng)力強(qiáng)度條件的計(jì)算和筒體的計(jì)算相同第25頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭封頭由半個(gè)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(biāo)準(zhǔn)橢球封頭，最大薄膜應(yīng)力位于橢球的頂點(diǎn)，其值與圓筒體的完全相同第26頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的計(jì)算厚度不得小于封頭內(nèi)直徑的0.15%，非標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭的計(jì)算厚度不小于封頭內(nèi)直徑的0.30%。第27頁(yè)，共50頁(yè)，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(biāo)準(zhǔn)封頭：K=1第28頁(yè)，共50頁(yè)，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(guò)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(guò)渡區(qū),碟形封頭設(shè)計(jì)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(yè)，共50頁(yè)，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(jiǎn)化式：第30頁(yè)，共50頁(yè)，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(huì)發(fā)生內(nèi)壓下的彈性失穩(wěn),GB150規(guī)定,對(duì)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(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三球冠形封頭（無(wú)折邊球形）

無(wú)折邊球形封頭在多數(shù)情況下用作容器中兩個(gè)獨(dú)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(chǎng)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(jì)算都必須考慮邊界應(yīng)力,這種集中體現(xiàn)在壁厚的計(jì)算公式中的系數(shù)Q上.系數(shù)Q遠(yuǎn)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(yè)，共50頁(yè)，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(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三無(wú)折邊錐形封頭錐形封頭承受均勻內(nèi)壓時(shí)的二向薄膜應(yīng)力最大值發(fā)生在離錐頂最遠(yuǎn)處(錐形封頭與筒體連接處)根據(jù)第一或第三強(qiáng)度理淪第34頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三無(wú)折邊錐形封頭無(wú)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(qiáng)度控制值可達(dá),若超過(guò)此值,則必須局部加強(qiáng)加強(qiáng)后的壁厚計(jì)算公式：Q:錐殼與圓筒體連接處的應(yīng)力加強(qiáng)系數(shù)與有關(guān),在工程實(shí)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(qiáng)端還是必需的.第35頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三帶折邊錐形封頭

GB150規(guī)定,對(duì)于錐殼大端,當(dāng)時(shí),應(yīng)采用帶折邊錐形封頭(表8-3),并要求大端折邊錐殼過(guò)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(guò)渡段厚度的3倍如折邊厚度小于錐體厚度則要計(jì)算折邊內(nèi)的應(yīng)力第36頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三帶折邊錐形封頭第37頁(yè)，共50頁(yè)，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(dāng)錐形封頭可直接與接管連接;當(dāng)時(shí),在錐形封頭小端也應(yīng)加折邊對(duì)于封頭,其大小端直徑相差均較大,研究表明當(dāng)大端與小端直徑之比大于4時(shí),小端厚度不必計(jì)算,取大端相同厚度即可.第38頁(yè)，共50頁(yè)，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(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三封頭計(jì)算厚度的通用式筒體與封頭厚度的計(jì)算公式，除了平板封頭外，可其它可用一個(gè)通用式表示，利于記憶：K：形狀系數(shù)圓柱形筒體與標(biāo)準(zhǔn)橢圓形封頭：K=1；球殼與半球形封頭：K=0.5；無(wú)折邊錐形封頭：K=Q折邊錐形封頭：碟形封頭：第40頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三9.2.3壓力試驗(yàn)制造加工過(guò)程不完善，導(dǎo)致不安全，發(fā)生過(guò)大變形或滲漏。最常用的壓力試驗(yàn)方法是液壓試驗(yàn)。常溫水。也可用不會(huì)發(fā)生危險(xiǎn)的其它液體，試驗(yàn)時(shí)液體的溫度應(yīng)低于其閃點(diǎn)或沸點(diǎn)。不適合作液壓試驗(yàn)：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(yàn)代替液壓試驗(yàn)液壓試驗(yàn)時(shí)水溫不能過(guò)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(shí)，緩慢升壓到規(guī)定試驗(yàn)壓力，穩(wěn)壓30min，然后將壓力降低到設(shè)計(jì)壓力，保持30min以檢查有無(wú)損壞，有無(wú)宏觀變形，有無(wú)泄漏及微量滲透。水壓試驗(yàn)后及時(shí)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(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三液壓試驗(yàn)試驗(yàn)壓力：強(qiáng)度條件：第42頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三氣壓試驗(yàn)試驗(yàn)壓力：強(qiáng)度條件：第43頁(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三氣密性試驗(yàn)試驗(yàn)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(yè)，共50頁(yè)，2023年，2月20日，星期三7.3在用壓力容器的強(qiáng)度校核

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

原設(shè)計(jì)已明確提出所采用的強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的，按原強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行強(qiáng)度校核；沒(méi)標(biāo)明的，可按當(dāng)時(shí)實(shí)施的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行校核，進(jìn)口設(shè)備或按國(guó)外技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的，原則上按國(guó)外設(shè)計(jì)規(guī)范或按合同規(guī)定的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行強(qiáng)度校核；容器材料牌號(hào)不明時(shí)，按同類常用材料的最低標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算；焊縫接頭系數(shù)應(yīng)根據(jù)焊接接頭的實(shí)際結(jié)構(gòu)型式和檢驗(yàn)結(jié)果，參照原設(shè)計(jì)規(guī)定選取，在特定條件下，把焊接接頭系數(shù)的確定與焊