压力容器审核人员培训讲稿——压力容器设计基础2007

压力容器审核人员培训班讲稿1压力容器设计基础一．概述1、标准适用的压力范围GB150－1998《钢制压力容器》设计压力P：0.1～35MPa真空度：≥0.02MPaGB151－1999《管壳式换热器》设计压力P：0.1～35MPa真空度：≥0.02MPa公称压力PN≤35MPa，公称直径DN≤2600mmPN•DN≤1.75×104JB4732－95《钢制压力容器-分析设计标准》设计压力P：0.1～100MPa真空度：≥0.02MPaJB／T4735－1997《钢制焊接常压容器》设计压力P：圆筒形容器：-0.02MPa≤P≤0.1MPa立式圆筒形储罐、圆筒形料仓-500Pa≤P≤0.2000Pa矩形容器：连通大气GB12337－1998《钢制球形储罐》设计压力P≤4MPa,公称容积V≥50M3JB4710－2000《钢制塔式容器》设计压力P：0.1～35MPa(对工作压力0.1MPa内压塔器,P取0.1MPa)高度范围h10m且h/D(直径)52.设计时应考虑的载荷1)内压、外压或最大压差；压力容器审核人员培训班讲稿22)液体静压力(≥5%P)；需要时，还应考虑以下载荷3)容器的自重（内件和填料），以及正常工作条件下或压力试验状态下内装物料的重力载荷；4)附属设备及隔热材料、衬里、管道、扶梯、平台等的重力载荷；5)风载荷、地震力、雪载荷；6)支座、座底圈、支耳及其他形式支撑件的反作用力；7)连接管道和其他部件的作用力；8)温度梯度或热膨胀量不同引起的作用力；9)包括压力急剧波动的冲击载荷；10)冲击反力,如流体冲击引起的反力等；11)运输或吊装时的作用力。3、设计单位的职责1)设计单位应对设计文件的正确性和完整性负责。2)压力容器的设计文件至少应包括设计计算书和设计图样。3)压力容器的设计总图应盖有压力容器设计资格印章。4．容器范围GB150管辖的容器范围是指壳体及其连为整体的受压零部件1)容器与外部管道连接2)接管、人孔、手孔等的承压封头、平盖及其紧固件3)非受压元件与受压元件的焊接接头。接头以外的元件，如加强圈、支座、裙座等压力容器审核人员培训班讲稿34)连接在容器上的仪表等附件。直接连接在容器上的超压泄放装置。5.5.5.5.定义定义定义定义(1)(1)(1)(1)压力压力压力压力除注明者外，压力均为表压力。工作压力Pw1)内压容器在正常工作情况下，容器顶部可能出现的最高压力。2)真空容器在正常工作情况下，容器可能出现的最大真空度。3)外压容器在正常工作情况下，容器可能出现的最大内外压力差。设计压力Pd设定的容器顶部的最高压力，与相应的设计温度一起作为设计载荷的条件，其值不低于工作压力。计算压力Pc计算压力指在相应设计温度下，用以确定元件厚度的压力，其中包括液柱静压力。当壳体各部位或元件所承受的液柱静压力小于5%设计压力时，可忽略不计。最大允许工作压力[Pw]在指定温度下，压力容器安装后顶部所允许的最大工作压力。该压力应是按容器各受压元件的有效厚度减去除压力外的其他载荷所需厚度后，计算得到的最大允许工作压力（且减去元件相应的液柱静压力）中的最小值。最大允许工作压力可作为确定保护容器的安全泄放装置动作压力（安全阀开启压力或爆破片设计爆破压力）的依据。安全阀的开启压力Pz压力容器审核人员培训班讲稿4安全阀阀瓣开始离开阀座，介质呈连续排出状态时，在安全阀进口测得的压力。爆破片的标定爆破压力Pb爆破片铭牌上标的爆破压力。(2)温温温温度度度度金属温度金属温度金属温度金属温度容器元件沿截面厚度的温度平均值。工作温度工作温度工作温度工作温度容器在正常工作情况下介质温度。最高、最低工作温度容器在正常工作情况下可能出现介质的最高、最低温度。设计温度容器在正常工作情况，在相应的设计压力下，设定的元件的金属温度。容器的设计温度是指壳体的金属温度（沿元件金属截面的温度平均值）。试验温度试验温度指压力试验时，壳体的金属温度。(3)厚度最小厚度最小厚度最小厚度最小厚度δδδδminminminmin容器壳体加工成型后不包括腐蚀裕量的最小厚度。计算厚度计算厚度计算厚度计算厚度δδδδ按各章公式计算得到的厚度容器受压元件为满足强度及稳定性要求，按相应公式计算得到的不包括厚度附加量的厚度。厚度附加量C=C1+C2设计容器受压元件时所必须考虑的附加厚度，包括钢板（或钢管）厚压力容器审核人员培训班讲稿5度附加量的厚度。设计厚度设计厚度设计厚度设计厚度δδδδdddd计算厚度与腐蚀裕量之和名义厚度名义厚度名义厚度名义厚度（即图样厚度）δδδδnnnn设计厚度加上钢材厚度负偏差后，向上圆整至钢材（钢板或钢管）标准规格的厚度。有效厚度有效厚度有效厚度有效厚度δδδδeeee名义厚度减去厚度附加量（腐蚀裕量与钢材厚度负偏差之和）。二.材料(一)选材的基本原则选择压力容器用材，须根据容器的使用条件（如温度、压力、介质腐蚀性、介质对材料的脆化作用及其是否易燃、易爆、有毒等）、制造工艺、材料的焊接性能及经济合理性选择具有适宜的机械性能、耐腐蚀性能、物理性能等的材料。注意在同一工程中应尽量注意用材统一,具体的选材过程中必须仔细考虑如下因素：（（（（二二二二））））材料的基本性能材料的基本性能材料的基本性能材料的基本性能1．机械性能金属的机械性能是指金属材料在外力作用下表现出来的特性，如强度、弹性、硬度、韧性及塑性等。也可称为“力学性能”。金属材料就是用其在为同受力条件下所表现出来的不同特性指标，来衡量金属材料的机械性能。（1）机械强度强度是材料抵抗外力作用不致破坏的性能特性。常用压力容器审核人员培训班讲稿6的特性指标有屈服极限（σts）和强度极限（σb）。数值由拉伸试验获得。高温时还要考虑蠕变极限（σtn）和持久极限（σtD）。压力容器用材要求材料不仅具有高的屈服极限，而且具有一定的屈强比（σs/σb）。屈强比反映了材料承受外载能力的能力,屈强比愈小，结构零件的可靠性愈高，万一超载，由于塑性变形的产生而使金属材料的强度提高而不致立刻破坏。压力容器用材的屈强比一般为0.6~0.7。碳素钢的屈强比一般为0.6左右，低合金高强度钢为0.65~0.75，合金结构钢为0.85(2)塑性材料的塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。材料的塑性是用延伸率（δ）及断面收缩率（ψ）来表示。它们的数值由拉伸试验获得。一般情况下，塑性材料的延伸率和断面收缩率较大，而脆性材料则较小。金属材料的塑性指标在压力容器设计具有重要的意义。首先，塑性良好的材料可以顺利地进行某些成型工艺，如冷冲压、冷弯曲等。其次，良好的塑性使零件在使用时万一超载，也能由于塑性变形使用权材料强度提高而避免突然袭击断裂。压力容器的主要零部件都是承压的，无论从制造工艺的要求不是从使用安全的要求，都希望金属材料具有良好的塑性。一般碳σσbσsε压力容器审核人员培训班讲稿7钢、碳锰钢δ≥16%,其它合金钢δ≥14%。（3）硬度所谓硬度是指金属材料抵抗压入物压陷能力的大小，也可以说是材料对局部塑性的抗力。硬度可采用不同的方法在不同的仪器上测定，其所得的硬度指标也各不相同。最常用的硬度指标为布氏硬度（HB）、洛氏硬度（HRC）、和维氏硬度（HV），其数值可以互相换算。硬度是金属材料的重要性能之一。一般情况下，材料的硬度高，其耐磨性也较好。材料的硬度与强度之间也有一定的关系（因为硬度是反映材料局部塑性变形的抗力），根据经验，硬度与抗拉强度有如下近似关系：轧制、正火或退火的低碳钢σb=0.36HB;轧制、正火或退火的中碳钢σb=0.35HB;硬度HB≤250经热处理的合金钢σb=0.34HB;硬度HB250~400，经热处理的合金钢σb=0.33HB;由于测定硬度方便，在生产中常用测定硬度的方法来估算钢材的强度。对焊接接头，也常用测定热影响区硬度的方法来确定其淬硬程度。换热管与管板的连接采用胀接时，换热管材料的硬度值一般须低于管板材料的硬度值。螺栓和螺母匹配使用，一般螺栓材料的硬度值须高于螺母３０HB。（4）韧性韧性是指材料抵抗冲击载荷的性能指标,材料韧性用冲击功AKV来衡量,冲击功AKV是指材料受到冲击负荷的作用下，产生断裂时所消耗能量大小的特性，即冲击试样所消耗的功，其单位为J。由于冲击功AKV是金属材料各项机械性能标中对材料的化学成分、冶金质量、组织状态及内部缺陷等比较敏感的一个质量指标，而且也是衡量材压力容器审核人员培训班讲稿8料脆性转变和断裂特性的重要指标，所以对压力容器用钢来说，尤其是低温压力容器冲击功是一项重要的性能指标。（5）温度对材料机械性能的影响材料的屈服极限、强度极限和弹性模量随温度的升高而降低。如果设备的操作温度较高，则必须选用在相应温度下能保持其强度指标的材料。如果材料在高温下承受高的应力，则材料的抗蠕变性能是关键性的。材料蠕变极限指在某一温度下受恒定载荷作用时，在规定的持续时间内(10万小时)产生1%的变形时的应力;持久极限是材料在某一温度下受恒定载荷作用时，在规定的持续时间内(10万小时)引起断裂时的应力．在实际试验中，常常用较短时间的试验结果来外推长时间的性能，但一般限制外推时间不得大于试验时间的10倍。持久强度是高温元件设计选材的重要依据，是GB150中确定许用应力的强度指标之一．压力容器审核人员培训班讲稿9低温情况下，通常塑性金属材料往往以脆性方式破坏。引起钢制焊接压力容器脆性破坏的因素非常复杂。它取决于材料的晶格结构，板材的厚度，加工后的残余应力、结构缺陷以及材料的使用温度。目前各国标准规范均以夏比v型缺口冲击试验来检验材料对脆性破坏的敏感性。2222．．．．耐腐蚀性能耐腐蚀性能耐腐蚀性能耐腐蚀性能耐腐蚀性能是金属材料抵抗介质腐蚀的能力。压力容器中处理的介质大多数具有腐蚀性的，在设计中必须根据操作介质来选择耐腐蚀材料。引起材料腐蚀的因素多种多样，工程中常将常见的腐蚀情况分为：均匀腐蚀、点蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀、氢脆、磨蚀等。（1）均匀腐蚀均匀腐蚀是在整个金属表面均匀地发生腐蚀，这种腐蚀相对其它形式的腐蚀其危害最小。GB150中C2只考虑均匀腐蚀C2=KB其中B—设计寿命(年)K—腐蚀速率(mm/年)一般分为不腐蚀轻微腐蚀腐蚀重腐蚀Bmm/年0.050.05~0.130.13~0.25≥0.25C2mm0≥1≥2≥3（2）应力腐蚀应力腐蚀是指金属在持久拉应力和腐蚀性环境联合作用下产生腐蚀裂纹,并使裂纹迅速扩展,从而可能出现的早期性破坏的腐蚀形式.几种常见的应力腐蚀环境:a.碳钢及低合金钢焊制化工容器对介质NaOH的应力腐蚀与介质浓度、压力容器审核人员培训班讲稿10温度有关。当NaOH溶液在其与烃类的混合物中体积大于等于5%时，也应根据NaOH溶液的浓度符合该要求。NaOH溶液浓度小于等于1%或NaOH溶液在其与烃类的混合物中体积小于5%时，不受此限制。NaOH溶液NaOH溶液重量%2351015203040506070温度上限（℃）9088857670655448434038当超过以上范围的碳钢、低合金钢材料需焊后进行消除应力热处理。b.湿H2S应力腐蚀介质同时符合下列条件时，即为湿H2S应力腐蚀环境：①温度小于等于（60+2P）℃；P为压力，MPa②H2S分压大于等于0.00035MPa即相当于常温在水中H2S溶解度大于等于10p.p.m；③介质中含有液相水或处于水的露点温度以下；④PH＜9或有氰化物(HCN)存在。C.液氨应力腐蚀环境当容器接触的液氨介质同时符合下列各项条件时，即为液氨应力腐蚀环境：①介质为液态氨，含水量不高（≤0.2%）,且有可能受空气(O2或CO2)污染的场合；②使用温度高于－5℃。对于应力腐蚀环境的容器除进行焊后消除应力热处理，在焊接要求、压力容器审核人员培训班讲稿11焊接接头硬度等方面都要提出具体要求。奥氏体不锈钢材料在氯化物溶液、高温水、高浓度NaOH等介质往往产生应力腐蚀。（3）氢腐蚀环境氢在常温常压下不会对铁碳合金引起氢蚀，当温度在200℃~300℃发生“氢脆”，金属在高温下与氢反应生成甲烷，甲烷气在晶界空隙内引起裂纹，使材料的塑