過程設(shè)備設(shè)計第四章(4.3.1-4.3.2.3)

1第四章壓力容器設(shè)計CHAPTERⅣDesignofPressureVessel4.3常規(guī)設(shè)計2過程設(shè)備設(shè)計4.3常規(guī)設(shè)計

4.1概述

4.2設(shè)計準(zhǔn)則

4.3常規(guī)設(shè)計

4.4分析設(shè)計

4.5疲勞分析

4.6壓力容器設(shè)計技術(shù)進展

4.3.3封頭設(shè)計4.3.4密封裝置設(shè)計4.3.5開孔和開孔補強設(shè)計4.3.6支座和檢查孔4.3.7安全泄放裝置4.3.2圓筒設(shè)計

4.3.1概述

4.3.8焊接結(jié)構(gòu)設(shè)計4.3.9耐壓試驗4.3.10泄漏試驗

3過程設(shè)備設(shè)計力載荷處理，不考慮交變載荷，也不區(qū)分短期載荷和永久載荷，不涉及容器的疲勞壽命問題。區(qū)別于分析設(shè)計一、設(shè)計思想——“按規(guī)則設(shè)計”（DesignbyRules）,只考慮單一的最大載荷工況，按一次施加的靜應(yīng)力求解——依據(jù)材料力學(xué)及板殼理論，按最大拉

應(yīng)力準(zhǔn)則來推導(dǎo)受壓元件的強度尺寸計算公式。校核——受壓元件的應(yīng)力強度

<材料許用應(yīng)力（強度）<材料許用外壓力（失穩(wěn)）邊緣應(yīng)力——采用分析設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)中的有關(guān)規(guī)定和思想，確定結(jié)構(gòu)的某些相關(guān)尺寸范圍，或由經(jīng)驗引入各種系數(shù)。4.3.1概述4.3.1概述4過程設(shè)備設(shè)計

（4-3）

（4-4）

采用式（4-4）或式（4-5）較為合理。但對于內(nèi)壓薄壁回轉(zhuǎn)殼體，在遠(yuǎn)離結(jié)構(gòu)不連續(xù)處，σ式（4-3）簡單，成熟使用經(jīng)驗，將該式作為設(shè)計準(zhǔn)則。壓力容器材料韌性較好，在彈性失效準(zhǔn)則中，（4-5）二、彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則1.內(nèi)壓薄壁回轉(zhuǎn)殼體5過程設(shè)備設(shè)計內(nèi)壓薄壁圓筒：周向薄膜應(yīng)力

δ—計算厚度，mm；

D—筒體中面直徑，mm。經(jīng)向薄膜應(yīng)力第2章應(yīng)力分析中的厚度t是指實際厚度，與設(shè)計中需要確定的厚度并不是同一個概念，因此用δ代替t。6過程設(shè)備設(shè)計顯然，σ1=σθ，由式（4-3）用D=（Di筒體內(nèi)直徑）代入上式，化簡

（4-10）取等號得徑比K為（4-11）筒體壁厚計算式為（4-12）中徑公式

δ=

，7過程設(shè)備設(shè)計將第2章表2-1中僅受內(nèi)壓作用時，厚壁圓筒內(nèi)壁面處的三向應(yīng)力分量計算式，代入彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則式（4-3）～式（4-5），表4-1按彈性失效設(shè)計準(zhǔn)則的內(nèi)壓厚壁圓筒強度計算式形狀改變比能準(zhǔn)則中徑公式最大切應(yīng)力準(zhǔn)則最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則筒體計算厚度δ筒體徑比K應(yīng)力強度

設(shè)計準(zhǔn)則2.內(nèi)壓厚壁回轉(zhuǎn)殼體8過程設(shè)備設(shè)計

代表筒體的彈性承載能力，它和筒體徑比K的關(guān)系見圖4-1。為內(nèi)壁初始屈服時所對應(yīng)的壓力。圖4-1各種強度理論的比較9過程設(shè)備設(shè)計（3）在同一承載能力下，最大切應(yīng)力準(zhǔn)則計算出的壁厚最厚，中徑公式算出的壁厚最薄。（2）在壁厚較薄時即壓力較低時，各種設(shè)計準(zhǔn)則差別不大；（1）按形狀改變比能屈服失效判據(jù)——計算出的初始屈服壓力和實測值最為接近；結(jié)論:10過程設(shè)備設(shè)計4.3.2圓筒設(shè)計筒體結(jié)構(gòu)單層式優(yōu)點——簡單①深環(huán)、縱焊縫，焊接缺陷檢測和消除困難；且結(jié)構(gòu)本身缺乏阻止裂紋快速擴展的能力；②大型鍛件、厚鋼板性能比薄鋼板差，不同方向力學(xué)性能差異大，韌脆轉(zhuǎn)變溫度較高，發(fā)生低應(yīng)力脆性破壞的可能性也較大；③加工設(shè)備要求高。缺點——組合式4.3.2.1筒體結(jié)構(gòu)11過程設(shè)備設(shè)計1、結(jié)構(gòu)：

2、制造：用裝置將層板逐層、同心地包扎在內(nèi)筒上；借縱焊縫的焊接收縮力使層板和內(nèi)筒、層板與層板之間互相貼緊，產(chǎn)生一定的預(yù)緊力；筒節(jié)上均開有安全孔——排氣、

報警。筒體深環(huán)焊縫筒節(jié)內(nèi)層——12～25mm外層——4～12mm的多層層板為避免裂紋沿壁厚方向擴展，各層板之間的縱焊縫應(yīng)相互錯開75°。筒節(jié)的長度視鋼板的寬度而定，層數(shù)則隨所需的厚度而定。一、多層包扎式12過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.1圓筒結(jié)構(gòu)圖4-2(a)多層包扎筒節(jié)13過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.1圓筒結(jié)構(gòu)5、應(yīng)用：目前世界上使用最廣泛、制造和使用經(jīng)驗最為豐富的組合式筒體結(jié)構(gòu)。3、優(yōu)點：制造工藝簡單，不需大型復(fù)雜加工設(shè)備；安全可靠性高，層板間隙具有阻止缺陷和裂紋向厚度方向擴展的能力；減少了脆性破壞的可能性；包扎預(yù)應(yīng)力改善筒體的應(yīng)力分布；對介質(zhì)適應(yīng)性強，可選擇合適的內(nèi)筒材料。4、缺點：筒體制造工序多、周期長、效率低、鋼材利用率低（僅60%左右）；深環(huán)焊縫對制造質(zhì)量和安全有顯著影響。①無損檢測困難，環(huán)焊縫的兩側(cè)均有層板，無法用超聲檢測，只能射線檢測；②焊縫部位存在很大的焊接殘余應(yīng)力，且焊縫晶粒易變得粗大而韌性下降；③環(huán)焊縫的坡口切削工作量大，且焊接復(fù)雜。14過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.1圓筒結(jié)構(gòu)1、結(jié)構(gòu)、制造：內(nèi)筒（厚度>30mm）卷焊成直徑不同但可過盈配合的筒節(jié)，將外層筒節(jié)加熱到計算的溫度進行套合，冷卻收縮后得到緊密貼合的厚壁筒節(jié)。圖4-2(b)熱套筒節(jié)二、熱套式15過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.1圓筒結(jié)構(gòu)2、優(yōu)點：工序少，周期短，且具有包扎式筒體的大多數(shù)優(yōu)點。3、缺點：筒體要有較準(zhǔn)確的過盈量，卷筒的精度要求很高，且套合時需選配套合；套合時貼緊程度不很均勻；套合后，需熱處理以消除套合預(yù)應(yīng)力及深環(huán)焊縫的焊接殘余應(yīng)力。16過程設(shè)備設(shè)計1、結(jié)構(gòu)：由內(nèi)筒、繞板層和外筒三部分組成，是在多層包扎式筒體的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。2、制造：內(nèi)筒與多層包扎式內(nèi)筒相同，外層是在內(nèi)筒外面連續(xù)纏繞若干層3～5mm厚的薄鋼板而構(gòu)成筒節(jié)，只有內(nèi)外兩道縱焊縫，需要2個楔形過渡段，外筒為保護層，由兩塊半圓或三塊“瓦片”制成。3、優(yōu)點：機械化程度高，制造效率高，材料利用率高（可達90%以上）。4、缺點：中間厚兩邊薄，累積間隙。圖4－2（c）繞板式三、繞板式17過程設(shè)備設(shè)計1、結(jié)構(gòu)：錯開環(huán)縫和采用液壓夾鉗逐層包扎的筒體結(jié)構(gòu)。2、制造：

將內(nèi)筒拼接到所需的長度，兩端焊上法蘭或封頭；

在整個長度上逐層包扎層板，待全長度上包扎好并焊完磨平后再包扎第二層，直至所需厚度。3、優(yōu)點：環(huán)、縱焊縫錯開，筒體與封頭或法蘭間的環(huán)焊縫為一定角度的斜面焊縫，承載面積增大。內(nèi)筒包扎層板端部法蘭底封頭圖4－3整體多層包扎是厚壁容器筒體四、整體多層包扎式18過程設(shè)備設(shè)計以鋼帶纏繞在內(nèi)筒外面獲得所需厚度筒壁兩種結(jié)構(gòu)型槽繞帶式扁平鋼帶傾角錯繞式型槽繞帶式用特制的型槽鋼帶螺旋纏繞在特制的內(nèi)筒上，端面形狀見圖4-4（a），內(nèi)筒外表面上預(yù)先加工有與鋼帶相嚙合的螺旋狀凹槽。纏繞時，鋼帶先經(jīng)電加熱，再進行螺旋纏繞，繞制后依次用空氣和水進行冷卻，使其收縮產(chǎn)生預(yù)緊力，可保證每層鋼帶貼緊；各層鋼帶之間靠凹槽和凸肩相互嚙合(見圖4-4（b）)，纏繞層能承受一部分由內(nèi)壓引起的軸向力。五、繞帶式19縮套環(huán)雙錐面墊片焊縫圖4-4（a）型槽繞帶式筒體（b）型槽鋼帶結(jié)構(gòu)示意圖20過程設(shè)備設(shè)計缺點：鋼帶需由鋼廠專門軋制，尺寸公差要求嚴(yán)，技術(shù)要求高；為保證鄰層鋼帶能相互嚙合，需采用精度較高的專用纏繞機床。優(yōu)點：筒體具有較高的安全性，機械化程度高，材料損耗少，且由于存在預(yù)緊力，在內(nèi)壓作用下，筒壁應(yīng)力分布較均勻。21過程設(shè)備設(shè)計（2）扁平鋼帶傾角錯繞式中國首創(chuàng)的一種新型繞帶式筒體；該結(jié)構(gòu)已被列入

ASMEⅧ-1和ASMEⅧ-2標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)范案例，編號分別為2229和2269。內(nèi)筒鋼帶層底封頭端部法蘭圖4-4（c）扁平鋼帶傾角錯繞式筒體22過程設(shè)備設(shè)計與其它類型厚壁筒體相比，扁平鋼帶傾角錯繞式筒體結(jié)構(gòu)具有設(shè)計靈活、制造方便、可靠性高、在線安全監(jiān)控容易等優(yōu)點。結(jié)構(gòu)：內(nèi)筒厚度約占總壁厚的1/6～1/4，采用“預(yù)應(yīng)力冷繞”和“壓棍預(yù)彎貼緊”技術(shù)，環(huán)向15°～30°傾角在薄內(nèi)筒外交錯纏繞扁平鋼帶。鋼帶寬約80～160mm、厚約4～16mm，其始末兩端分別與底封頭和端部法蘭相焊接。優(yōu)點：23過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.2內(nèi)壓圓筒的強度設(shè)計筒體強度設(shè)計單層圓筒體多層厚壁圓筒中徑公式（薄壁筒體）Mises屈服公式（厚壁筒體）Faupel爆破公式（厚壁筒體）24過程設(shè)備設(shè)計

一、單層筒體（薄壁筒體）

1、厚度計算式：由中徑公式（4-13）考慮C2計算厚度設(shè)計厚度引入C1圓整至名義厚度(圖樣厚度)（鋼板標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格厚度）注意:a.b.再校核c.各厚度間的關(guān)系見圖4-5252、強度判別式：（對筒體進行強度校核，已知筒體尺寸Di、δn或δe）（4-14）式中δe—有效厚度，δe=δn–C，mm；δn—名義厚度，mm；

C—厚度附加量，mm；σt—設(shè)計溫度下圓筒的計算應(yīng)力，MPa。

式中δ—計算厚度，mm；φ—焊接接頭系數(shù)。Pc—計算壓力，MPa；過程設(shè)備設(shè)計或（4-15）26過程設(shè)備設(shè)計

3、筒體最大允許工作壓力[pw]：MPa（4-15）4、適用范圍：

式（4-13）由筒體的薄膜應(yīng)力按最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則導(dǎo)出的，用于一定厚度范圍，如厚度過大，則由于實際應(yīng)力情況與應(yīng)力沿厚度均布的假設(shè)相差太大而不能使用。按照薄殼理論，（4－13）僅能在δ/D≤0.1即K≤1.2范圍內(nèi)適用。但作為工程設(shè)計，采用了最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則，材料設(shè)計系數(shù)，厚度范圍擴大到在最大承壓（液壓試驗）時圓筒內(nèi)壁的應(yīng)力強度在材料屈服點以內(nèi)。(K1.5)27過程設(shè)備設(shè)計

形狀改變比能屈服失效判據(jù)計算出的內(nèi)壓厚壁筒體初始屈服壓力與實測值較為吻合，應(yīng)力強度能較好地反映厚壁筒體的實際應(yīng)力水平，應(yīng)力強度（認(rèn)為是真實的）

應(yīng)力強度（與中徑公式相對應(yīng)）=隨徑比K的增大而增大?！?/p>

1.25當(dāng)K=1.5時，比值：5、我國規(guī)范中推薦中徑公式的原因

內(nèi)壁實際應(yīng)力強度是按中徑公式計算的應(yīng)力強度的1.25倍。GB150-1998規(guī)定:28過程設(shè)備設(shè)計

《固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》取ns=1.5，若筒體徑比不超過1.5，仍可按式（4-13）計算筒體厚度。液壓試驗（pT=1.25p）時，筒體內(nèi)表面的實際應(yīng)力強度最大為許用應(yīng)力的1.25×1.25=1.56倍（<0.58×2.7=1.57），說明筒體內(nèi)表面金屬仍未達到屈服點，處于彈性狀態(tài)。當(dāng)K=1.5時，δ=Di（K-1）/2=0.25Di，代入式（4-13）得這就是式（4-13）的適用范圍的依據(jù)所在。29過程設(shè)備設(shè)計二、單層筒體（厚壁筒體）

1、Mises屈服公式：與Mises屈服失效判據(jù)相對應(yīng)的全屈服壓力可按式（2-52）計算。將式（2-52）代入式（4-7），得圓筒計算厚度：（4-16）

ASMEⅧ-3采用式（4-16）。單層厚壁筒體（計算壓力大于），常采用塑性失效設(shè)計準(zhǔn)則或爆破失效設(shè)計準(zhǔn)則進行設(shè)計。＞30過程設(shè)備設(shè)計2、Faupel爆破公式：采用爆破失效設(shè)計準(zhǔn)則，用Faupel公式計算爆破壓力，將式（2-53）爆破壓力計算式，代入式（4-8）爆破設(shè)計準(zhǔn)則，圓筒計算厚度：（4-17）

日本的《超高壓圓筒容器設(shè)計規(guī)則》和中國的《超高壓容器安全監(jiān)察規(guī)程》等采用式（4-17）。31過程設(shè)備設(shè)計三、多層厚壁筒體多層厚壁筒體在制造中——施加預(yù)應(yīng)力。多層包扎式繞帶式筒體1、預(yù)應(yīng)力（內(nèi)壓）——筒體內(nèi)壁應(yīng)力降低，外壁應(yīng)力增加，壁厚方向應(yīng)力分布趨向于均勻，從而提高筒體的彈性承載能力。但由于結(jié)構(gòu)和制造上的原因，定量地控制預(yù)應(yīng)力的大小是困難的。設(shè)計計算：不考慮預(yù)應(yīng)力，作強度儲備用。只有壓力很高時，才考慮預(yù)應(yīng)力。例如：32過程設(shè)備設(shè)計

2、厚度計算式：（熱套式、多層包扎式、繞板式、扁平鋼帶傾角錯繞式），按式（4-13）計算

不同：許用應(yīng)力用組合許用應(yīng)力代替（4-18）多層圓筒的組合許用應(yīng)力（4-13）試算過程33過程設(shè)備設(shè)計式中δi—多層圓筒內(nèi)筒的名義厚度，mm；

δo—多層圓筒層板總厚度，mm；[σi]t—設(shè)計溫度下多層圓筒內(nèi)筒材料的許用應(yīng)力，MPa；

[σo]t—設(shè)計溫度下多層圓筒層板或帶層材料的許用應(yīng)力，對扁平鋼帶傾角錯繞式筒體，應(yīng)乘以鋼帶傾角錯繞引起的環(huán)向削弱系數(shù)0.9，MPa；

φi—多層圓筒內(nèi)筒的焊接接頭系數(shù)，一般取φi=1.0；

φo—多層圓筒層板層或帶層的焊接接頭系數(shù)，對于多層包扎式筒體，取φo=0.95，其余筒體取φo=1.0。3、熱應(yīng)力——不考慮。較高溫操作時，有熱應(yīng)力，但有保溫設(shè)施，且嚴(yán)格控制不考慮熱應(yīng)力（常規(guī)設(shè)計）。34過程設(shè)備設(shè)計4.3.2.3設(shè)計技術(shù)參數(shù)的確定設(shè)計技術(shù)參數(shù)設(shè)計壓力設(shè)計溫度厚度及附加量焊接接頭系數(shù)許用應(yīng)力等35過程設(shè)備設(shè)計1、設(shè)計壓力——

為壓力容器的設(shè)計載荷條件之一，其值不低于最高工作壓力。設(shè)計壓力應(yīng)視內(nèi)壓或外壓容器分別取值。容器頂部在正常工作過程中可能產(chǎn)生的最高表壓。36過程設(shè)備設(shè)計外壓：（略）內(nèi)壓：裝安全閥——不低于安全閥開啟壓力，1.05～1.10倍最高工作壓力。裝爆破片——不得低于爆破片的爆破壓力。盛裝液化氣體容器——根據(jù)工作條件下可能達到的最高金屬溫度確定。

綜合考慮——介質(zhì)壓力/飽和蒸氣壓/裝量系數(shù)溫度變化/環(huán)境溫度/保冷設(shè)施。37過程設(shè)備設(shè)計計算壓力——是指在相應(yīng)設(shè)計溫度下，用以確定元件最危險截面厚度的壓力，其中包括液柱靜壓力。4.3.2.3設(shè)計技術(shù)參數(shù)的確定◆通常情況下，計算壓力等于設(shè)計壓力加上液柱靜壓力。◆當(dāng)元件所承受的液柱靜壓力小于5%設(shè)計壓力時，可忽略不計。38過程設(shè)備設(shè)計注解：設(shè)計溫度與設(shè)計壓力存在對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)壓力容器具有不同的操作工況時，應(yīng)按最苛刻的壓力與溫度的組合設(shè)定容器的設(shè)計條件，而不能按其在不同工況下各自的最苛刻條件確定設(shè)計溫度和設(shè)計壓力。GB150規(guī)定：設(shè)計溫度等于或低于-20℃的容器屬于低溫容器。金屬溫度不低于0℃——設(shè)計溫度不得低于元件金屬可能達到的最高溫度；金屬溫度低于0℃——不得高于元件金屬可能達到的最低溫度。2、設(shè)計溫度——為壓力容器的設(shè)計載荷條件之一，指容器在正常情況下，設(shè)定元件的金屬溫度（沿元件金屬截面的溫度平均值）。39過程設(shè)備設(shè)計3、厚度及厚度附加量厚度計算厚度δ設(shè)計厚度δd名義厚度δn有效厚度δe成型厚度最小厚度δmin40計算厚度（δ）——由公式采用計算壓力得到的厚度。必要時還應(yīng)計入其它載荷對厚度的影響。設(shè)計厚度（δd）——計算厚度與腐蝕裕量之和。δd＝δ＋C2名義厚度（δn）——設(shè)計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，即標(biāo)注在圖樣上的厚度。δn＝δd＋C1＋Δ有效厚度（δe）——名義厚度減去鋼材負(fù)偏差和腐蝕裕量。δe＝δn－C1－C2厚度附加量(C)——由鋼材的厚度負(fù)偏差C1和腐蝕裕量C2

組成(C=C1+C2)，不包括加工減薄量C3。加工減薄量——根據(jù)具體制造工藝和板材實際厚度由制造廠而并非由設(shè)計人員確定。41過程設(shè)備設(shè)計成形后厚度——制造廠考慮加工減薄量并按鋼板厚度規(guī)格第二次向上圓整得到的坯板厚度，再減去實際加工減薄量后的厚度,也為出廠時容器的實際厚度。一般，成形后厚度大于設(shè)計厚度就可滿足強度要求。42過程設(shè)備設(shè)計計算厚度δ有效厚度δe成型后厚度毛坯厚度名義厚度δn設(shè)計厚度δdC1+C2加工減薄量加工減薄量第一次厚度圓整值厚度負(fù)偏差C1腐蝕裕量C2第二次厚度圓整值43過程設(shè)備設(shè)計最小厚度（δmin）——考慮容器的剛度要求

——制造、運輸、吊裝；

——不包括腐蝕裕量；※碳素鋼、低合金鋼容器：δmin不小于3mm；高合金制容器：δmin不小于2mm；

設(shè)計時：過程設(shè)備設(shè)計鋼板或鋼管厚度負(fù)偏差C1：按照相應(yīng)鋼材標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定選取※鋼材的厚度負(fù)偏差<0.25mm，且不超過名義厚度的6%時，可取C1=0?！鵊B/T709《熱軋鋼板和鋼帶的尺寸、外形、重量及允許偏差》

的規(guī)定，熱軋鋼板的厚度負(fù)偏差分為N、A、B、C四個類別，

壓力容器專用鋼板的厚度負(fù)偏差按B類要求，即Q245R、

Q345R和16MnDR等壓力容器常用鋼板的負(fù)偏差均為-0.3mm45過程設(shè)備設(shè)計腐蝕裕量＝均勻腐蝕速率×容器設(shè)計壽命腐蝕裕量只對防止均勻腐蝕破壞有意義；對于應(yīng)力腐蝕、氫脆