第六章高压厚壁容器

1第六章高压厚壁容器第一节厚壁容器设计理论及结构【学习目标】掌握高压容器设计理论及壁厚计算公式，了解多层包扎压力容器、热套压力容器等多层厚壁圆筒结构。一、厚壁容器设计理论高压容器（10MPa≤P＜100MPa）又称为厚壁容器，δ/D＞0.1或K=D0/Di＞1.2。厚壁容器由于径向应力较大，不能忽略，因此筒壁处于三向应力状态。在三向应力中，除经向应力仍可视为沿壁厚均匀分布外，径向应力和环向应力并不沿壁厚均匀分布，最大当量应力发生在容器的内壁上。1、厚壁容器的失效准则（1）弹性失效准则这种观点认为，器壁上应力最大处（内壁）的应力达到屈服极限后，容器便失去正常的工作能力，亦即失效，这种失效称之为弹性失效。厚壁容器内壁屈服后，可能会在局部应力较大处出现微裂纹，并且在各种因素作用之下，可能会使裂纹进一步扩展，最终导致破坏。弹性失效准则被许多国家采用，我国的GB150《压力容器》标准也是依据了这一准则。（2）塑性失效准则这种观点认为，器壁上应力最大处的材料进入屈服阶段，并不导致整个容器的破坏，因为容器都是用具有一定塑性及韧性的材料制成的，内壁处的材料虽然屈服了，但在它外面的材料仍处于弹性状态，故屈服了的材料想进一步发生塑性变形，便要受到仍处于弹性状态的外层材料的约束。只有当压力逐渐增加，塑性区不断扩展，直至容器的整个截面从里到外都达到屈服，才失去正常的工作能力。这种失效称之为塑性失效。（3）爆破失效准则这种观点认为，厚壁容器的壁很厚，材料的塑性又较好，它不会一达到整体屈服就发生破坏，它有明显的应变硬化现象，只有当容器承受的压力继续增大时，器壁中的应力和应变才会继续增加，直至压力增大到爆破压力，容器发生爆破，才能算真正失效。2、厚壁容器弹性设计理论弹性设计理论下厚壁容器三向应力计算公式见表6-1。在材料力学中，三个主应力按一定的顺序排列，即σ1＞σ2＞σ3，对应厚壁圆筒的三向应力为σt＞σx＞σr。在弹性失效准则下，有四个不同的弹性强度理论，见表6-2。通过实验证明，K=D0/Di＜1.5时，应用四个不同的弹性强度理论，其计算结果和实验值都比较接近，尤其是当K=D0/Di＜1.2时，各公式的计算结果颇为接近。当K=D0/Di≥1.5时，各公式的计算结果差异较大，而且K越大，计算结果差异也越大，但第三强度理论和第四强度理论与实验数据相近，尤其是第四强度理论尤为相近。3、中径公式2采用第一强度理论的中径公式见表6-3。表6-3强度条件中径公式tKKpE121①中径公式以圆筒内径为基准时，将设计压力p换成计算压力pc,考虑焊接接头系数：tDpDDDDpKKpiciic42212100导出得到筒壁厚度计算公式：cticpDp2（6-1）②中径公式以圆筒外径为基准时，将设计压力p换成计算压力pc,考虑焊接接头系数：tDpDDDDpKKpciic422121000导出得到筒壁厚度计算公式：ctcpDp20（6-2）按GB150规定，中径公式的适用范围为：tcp4.0。GB150-2011《压力容器》标准适用于设计压力不大于35MPa的压力容器，因此设计压力10MPa≤P≤35MPa的高压容器仍采用与薄壁容器相同的中径公式来计算最大主应力，并以第一强度理论来设计容器的壁厚。二、厚壁圆筒结构1、单层厚壁圆筒单层厚壁圆筒与中、低压薄壁圆筒一样，由卷板机卷制而成，制造技术要求也与中、低压薄壁圆筒基本相同。2、多层压力容器圆筒由两层以上（含两层）板材或带材、层间以非焊接方法组合构成的压力容器，不包括衬里容器。①多层包扎压力容器在内筒上逐层包扎层板形成多层压力容器。②钢带错绕压力容器在整体内筒上沿一定缠绕角度，逐层交错缠绕钢带形成的多层压力容器。③套合压力容器由数层具有一定过盈量的筒节，经加热逐层套合，并经热处理消除其套合预应力形成套3合筒节，再通过环向焊接接头组焊后形成的压力容器。三、多层容器制造GB150.4第12章“多层容器”。第二节密封结构及零部件【学习目标】学习GB1500.3附录C“密封结构”，了解高压容器金属平垫密封、双锥密封等密封结构及相关零部件。一、金属平垫密封1、适用范围平垫密封的适用范围见表6-4,其结构见图6-1。表6-4适用范围设计温度/℃设计压力/MPa内直径Di/mm0～200≤16≤1000＞16～22≤800＞22～35≤6001-主螺母2-垫圈3-平盖4-主螺栓5-筒体端部6-平垫片图6-1金属平垫密封结构2、平垫片材料和尺寸①平垫片材料a)退火铝（硬度为15HBW10/250～30HBW10/250）；b)退火紫铜（硬度为30HBW10/500～50HBW10/500）；c)10钢。4②平垫片的宽度b和厚度δ按表6-5、表6-6选取。3、密封面密封面尺寸按表6-7确定。平盖和筒体端部的密封面上应各有2条深1mm的三角形沟槽。密封面配合公差见图6-2。图6-2平盖图6-3密封面配合公差4、筒体端部筒体端部和主螺栓、主螺母的设计按GB150.3第7章7.7的规定。5、平盖平盖的结构见图6-2。密封面配合公差见图6-3。平盖厚度按式（6-4）：tccpKpD（6-4）6、释义金属平垫密封属于强制式密封，密封初始压紧力依靠螺栓的预紧力，在高压工作状态下，螺栓产生微量弹性伸长，降低了作用在垫片上的压紧力，因此需要金属垫片有较好的弹性回弹变形能力，以保证密封的紧密性。这种密封的缺点是需要较大直径的主螺栓，适用的筒体5内径较小（≤1000mm），温度不能过高（≤200℃）。二、双锥密封1、适用范围双锥密封的适用范围见表6-8,其结构见图6-4。表6-8适用范围设计温度/℃设计压力/MPa内直径Di/mm0～4006.4～35400～32002、结构①双锥密封结构见图6-4。②双锥环用托环、螺栓固定在平盖上。双锥环的内圆柱面与平盖的圆柱支承面之间的单侧径向间隙〔g=(D1—DT)/2〕应控制在双锥环内圆柱面直径的0.075%～0.125%。③平盖的圆柱支承面上开有几条纵向的半圆形沟槽。④密封面之间的软金属垫片厚度约为1mm，密封特性参数按表GB150.3表7-2。非金属垫片厚度约0.5mm～1mm，软金属丝直径ds为2mm～5mm，其密封特性参数和摩擦角按经验确定。⑤图6-4（b）所示双锥环的两个密封面上应各开2条半径为1mm～1.5mm，深1mm的半圆形沟槽或深1mm左右的三角形沟槽，沟槽槽口圆角半径约0.5mm；图6-4（c）所示双锥环的两个密封面上应各开1条或2条半圆形沟槽，沟槽直径为ds+0.1mm。⑥双锥环密封面锥角及公差0'1530，粗糙度Ra为3.2μm～1.6μm。平盖及筒体端部密封面锥角及公差'15030，粗糙度Ra为3.2μm～1.6μm。（a）（b）软垫片（c）软金属丝1-主螺母2-垫圈3-主螺栓4-平盖5-双锥环6-软垫片或金属丝7-筒体端部8-螺栓9-托环6图6-4双锥密封结构3、双锥环、软垫片和软金属丝材料①双锥环应选用35、16Mn、20MnMo、15CrMo、S30408和S32168等的Ⅲ级或Ⅳ级压力容器用锻件。②软垫片和软金属丝材料按表6-9选用。4、双锥环结构尺寸双锥环结构尺寸按式（6-5）～（6-7）确定。iDA7.2（6-5）AC)6.0~5.0(（6-6）mcpCAB75.02（6-7）5、筒体端部筒体端部、主螺栓和主螺母的设计按GB150.3第7章7.7的规定。）6、平盖平盖结构见图6-5。平盖厚度按式（6-4）计算，式中Dc以DG代入。图6-57、释义双锥密封属于半自紧式密封，初始密封压紧力依靠主螺栓预紧力。在高压工作条件下，介质进入双锥环与平盖之间的环形间隙，使双锥环向外扩张，增加了密封压力，从而达到径向自紧作用。三、其他密封结构7GB1500.3附录C“密封结构”规定了高压容器各种密封结构型式和设计方法。除上述金属平垫密封、双锥密封结构外，GB150.3附录C“密封结构”还有伍德密封（自紧式密封）、卡扎里密封（强制式密封）、八角垫和椭圆垫密封（自紧式密封）、卡箍紧固结构等，此内容参考GB150.3附录C“密封结构”。表6-10适用范围密封结构型式设计温度/℃设计压力/MPa内直径Di/mm金属平垫密封0～200≤16≤1000＞16～22≤800＞22～35≤600双锥密封0～4006.4～35400～3200伍德密封卡扎里密封八角垫和椭圆垫密封卡箍紧固结构≤35四、筒体端部筒体端部和主螺栓、主螺母的设计按GB150.3第7章7.7的规定。3、筒体端部①端部厚度端部厚度δn（见图6-6），不得小于按内压确定的圆筒的名义厚度。8②端部结构③应力校核④释义高压容器密封结构完全不同于中、低压容器，它需要一个较大尺寸的筒体端部，筒体端部的一端与厚壁圆筒对焊连接，另一端与平盖连接，筒体端部实际上起到了法兰的作用，因此在GB150标准中，筒体端部的设计是与法兰编入同一章中（GB150.3第7章“法兰”）。五、锻制紧缩口封头锻制紧缩口封头结构形式和强度校核按GB150.3第5章5.10的规定。1、锻制紧缩口封头①范围及一般要求紧缩口封头的结构形式见图6-7，直边段的厚度按式GB150.3（3-1）计算，但其有效厚度不得小于与之对接的圆筒有效厚度；直边段长度l一般应小于50mm。其余尺寸可按结构要求确定。此形式封头可按图6-8所示范围及内容进行强度校核。图6-7带直边的紧缩口封头图6-8不带直边的紧缩口封头9六、焊接结构GB150.3附录D（D.14）规定了多层容器的焊接结构，