压力容器专业知识 李景辰

1压力容器专业知识一、压力容器设计、制造的主要特点1．压力容器设计一般包括结构设计（选择）、设计计算与材料选择。其中结构是设计计算的基础，即根据各类承压零部件不同的结构、形状，分别进行设计计算。2．压力容器设计计算一般要解决如下三类问题：2.1强度~在外压作用下不允许产生塑性（永久）变形，是涉及安全的主要问题，如筒体、封头等；2.2刚性~在外力作用（制造、运输、安装与使用）下产生不允许的弹性变形，如法兰（密封）、管板等；2.3稳定性~在外压作用下防止突然失去原有形状的稳定性，如外压及真空容器。3．依各类承压零部件不同的结构、形状，采用不同的加工方法分别制造，然后通过多种方法（焊接、法兰螺栓、螺纹）连接在一起，构成一台完整的容器，然后焊接是主要方法。4．在制造的全过程中要采用多种冷、热加工方法，其中热加工（焊接、热处理、热成形）以其技术的复杂性、质量要求的多样性以及质量检验的难度，成为影响产品安全运行的关键。5．压力容器产品的质量主要是安全要求，而非性能要求，因此采取严格的市场准入（单位、人员）制度，以及全过程（设计、制造、使用）质量控制。二、压力容器的分类分类方法很多，主要有如下几种：1．按压力、品种、介质毒性及易燃介质分类1.1按压力分为低、中、高及超高压，前三种在材料、失效判据（准则）、计算方法、制造要求上基本一致，而超高压则截然不同。1.2按介质毒性及易燃性分类，主要出自安全考虑，即一旦发生事故（爆炸、泄漏等）的危害程度。2．按制造许可级别分类2.1按制造许可级别分类，一般考虑如下一些因素：2a)安全性及制造难易程度的不同，这里涉及P、P·V、介质特性、材料强度级别等；b)工作（安放）位置分为固定与移动，移动的安全要求高于固定，且应对减轻自重、防冲击、各类仪表的装设做特殊考虑；c)材料,金属与非金属制容器在制造与检验方法上有很大不同；d)考虑制造特点，利于专业化生产，如球罐。2.2对不同制造许可级别的企业，提出不同的资源条件与安全质量要求3．按生产工艺过程中作用原理分类分为反应、换热、分离、储存四类，其中反应容器安全性要求最高，因其在进行物理、化学反应时，可能造成压力、温度的变化。3．此外，尚有如下一些常见的分类方法：4.1按形状分类，如圆筒形、球形、组合型（前者均为回转壳体）以及方形、矩形等；4.2按筒体结构分为整体式、组合式，详见后。4.3按制造方法分为焊接（最为普通）、锻造（主要用于超高压）、铸造（主要优点是方便制造，但因其质量问题需加大安全系数，多用于小型、低压）。4.4按材料分为金属与非金属两大类，其中：a)金属中分为钢、铸铁、有色金属与合金。其中有色金属与合金主要用于腐蚀等特殊工况，在生产条件、生产装备、原材料验收与堆放、吊装、运输包装，尤其是焊接等环节有一系列特殊要求。b)钢中以其化学成份又分为碳素钢、低合金钢（前两者主要是强度钢）及高合金钢（主要用于腐蚀、低温、高温等特殊工况）。我国以标准抗拉强度下限＞540MPa作为高强钢分界的理由。三、压力容器设计基础知识1．薄壁容器应力简化1.1应力合理简化的主要内容a)将三向受力状态简化为两向（切向、轴向）受力状态b)将应力沿壁厚非均布视为均布c)将应力沿轴向非均布视为均布31.2简化的目的~依据外载方便计算应力1.3薄壁容器的范畴（即简化造成误差的允许范围）~D外/D内＜1.5（力学）；D外/D内＜1.2（工程）；即高、中、低压容器。2．强度理论的选择2.1强度理论的作用~在外载引起的应力与材料极限应力间建立联系，以便计算壁厚2.2主要强度理论的分类及选择a)第一强度理论（最大主应力理论）~最大主应力达到或超过材料强度极限构件即破坏（脆断）。适用于脆性材料破坏，但ASMEⅧ-1与GB150等仍采用，主要原因在于经验丰富、简便，采用一定的限制条件（压力、结构、元件系数）可保证安全。b)第三强度理论（最大剪应力理论）~最大剪应力达到或超过材料屈服极限构件即破坏（塑性屈服），较适用于压力容器，ASMEⅧ-2与JB4732采用。c)第四强度理论（能量理论）~均方根剪应力（考虑最大剪应力的同时，兼顾其他剪应力对安全的影响）达到或超过材料屈服极限构件即破坏（塑性屈服），最适用压力容器，但需试算使用不便。3．失效判据（准则）的选择3.1失效判据的作用~设定整部标准规范（即产品）的安全底线3.2失效判据（准则）的分类及选择a)弹性失效判据~容器在整个使用过程（含耐压试验）材料应处于弹性，不得屈服。偏安全、经验丰富，ASMEⅧ-1与GB150等采用。b)塑性失效判据~内壁材料进入塑性但外壁材料仍为弹性，可提高材料利用率，ASMEⅧ-2与JB4732等采用。c)爆破失效判据~因材料屈服强化，内、外壁材料同时进入塑性仍不会破坏，应力直至材料强度限前均可使用，我国超高压容器设计采用。4．设计条件的确定4.1设计条件的作用~设计依据4.2设计条件包含的内容~主要为压力、温度、介质、腐蚀裕量、焊缝系数，自然基础条件等。44.3（最高）工作压力~正常工况（安全责任界限）容器顶部（最小、唯一）可能（并非必然）出现的最大压力，由用户工艺人员提供。4.4设计压力~设定的容器顶部的最高压力，与相应设计温度一起成为设计载荷条件（可能出现的最危险工况），由设计人员根据最高工作压力设定（大于或大于等于）。4.5腐蚀裕量~年腐蚀速率×设计寿命，指均匀腐蚀。对应力腐蚀、晶间腐蚀及氢腐蚀等需采用其他（如选材）解决。5．安全系数5.1安全系数的作用~安全性与经济性辩证统一，整部标准规范的核心5.2为何有安全系数a)载荷误差；b)设计误差；c)材料误差；d)制造与检验的误差；e)使用中的问题；f)未可知因素。5.3安全系数发展的历史与趋向a)单一走向多元~nb(强度)、ns(屈服)、nst(设计温度下屈服)、nD(持久)、nn(蠕变)。取五者中最小许用应力。b)从高到低，下降趋势（技术进步，经验积累）。c)针对不同应力对安全的不同影响，取不同的安全系数。5.4螺栓安全系数的特殊性~避免过度上紧a)一般只对屈服点取安全系数b)依材料而异c)依规格而异6．焊缝（焊接接头）系数6.1焊缝系数的作用~设计系数。考虑焊缝对容器强度的削弱，用整个增加壁厚的方式补足6.2焊缝系数的选取~依焊接接头型式及无损检测长度（比例）确定。56.3几个问题的解释a)相当于双面焊的全焊透对接接头，可采用多种方法实现，最终由无损检测判断；b)一般均指纵缝，环缝焊接接头系数仅在特定条件（如高塔风载）下采用；c)容规对无垫板单面焊环向接头焊缝系数的规定，应理解为对无垫板单面焊使用的限制。7.主要受压元件设计计算中应注意的几个问题7.1多数元件（如筒体、封头、球壳）可通过公式直接得出壁厚，部分元件（如法兰、外压）需先假定尺寸然后进行试算校核。7.2设计时因难以搞清开孔与焊缝的相对位置，故均按在焊缝上进行开孔补强的设计，制造时应尽量使开孔远离焊缝。7.3GB150对开孔规格的限制，是等面积补强方法的限制，如需要开大孔可另寻补强设计方法，如极限分析、安定性分析。7.4除十字焊缝外，对封头拼板焊缝无限制，但均需100%探伤，合格级别与容器一致。大型封头制造后，因运输原因切开到现场再组焊，不属拼板焊缝。7.5为减少计算工作量，避免错误，将常用规格的封头、法兰编制成标准封头、标准法兰，供设计者选用，并非限制设计者自行设计计算。7.6GB150中要求筒节长度不小于300mm属惩罚条款，并非合理要求。8．应力分析设计的一般概念8.1应力分析设计（JB4732）与规则设计（GB150）的主要区别：a)GB150将复杂（真实）应力状态简化，只考虑一次膜应力对安全的影响，其他应力的影响用结构限制、元件系数等方法简单处理，可满足多数一般产品安全，设计计算简便，同一台容器采用统一的安全系数；JB4732需进行详细的应力计算与分类，可满足高参数重要产品的安全，设计计算复杂必须采用计算机，根据不同应力的各种组合（应力强度）对安全的不同影响分别加以不同限制。b)GB150采用第一强度理论，塑性失效准则，不适用于疲劳容器，压力适用上限35MPa，安全系数较高；JB4732采用第三强度理论，弹性失效准则，可用于疲劳容器，压力适用上限6100MPa，安全系数较低。c)二者的制造检验要求无本质差别，仅JB4732要求更严格，如不允许采用局部无损检测、每台容器均制备产品焊接试板、对接管开孔倒圆倒角有明确要求、疲劳容器不得保留焊缝余高等。8.2应力分类的基本知识a)按各类应力对容器安全的不同影响，将其分为一次应力、二次应力与峰值应力。b)一次应力即基本应力，它有二大特征：第一，是外载荷（压力、重量、其他外载）引起的，外载消失一次应力亦不复存在；第二，作用范围广，与结构长度或容器半径属同一量级。由内压在圆筒与封头上引起的切向、轴（经）向应力即属一次应力。一次应力按其在壁厚方向分布的均匀程度，又可分为一次膜应力（均布部分）和一次弯曲应力（扣除一次膜应力后的线性分布部分）。一次膜应力对容器安全影响最大，应严格限制；对一次弯曲应力的限制可稍宽。c)二次应力是由相邻部件的约束或结构自身约束而产生的应力，其特点是：第一，分布局域较一次应力小，与Rt属同一量级；第二，二次应力达到材料屈服点时，仅引起局部屈服，大部分材料仍属弹性，且二次应力有自限性。封头与筒体连接处由附加弯矩引起的轴、切向应力属二次应力。温差应力一般亦属二次应力。对二次应力的限制宽于一次应力。d)峰值应力。扣除一次、二次应力后，沿壁厚非线性分布的部分即为峰值应力。峰值应力多在壳体与接管连接处产生，其分布区域极小，与t一个量级，仅对疲劳破坏产生影响。四、结构设计的一般要求1．结构的重要性~设计计算的基础，对安全与经济性影响极大。结构设计的基本要求是安全、方便制造与检验。任何结构都不是万能的，需合理设计与选择。2．筒体结构72.1筒体结构分为整体式与组合式两大类2.2整体式a)整体式结构即满足强度、刚度与稳定性需要的厚度（不含耐蚀层）是由一整块连续钢材构成。b)常见整体式结构有：单层焊接（应用最广）、锻造（主要用于超高压）、锻焊（用于大型重要工况）、无缝管（小容器）。2.3组合式a)满足强度、刚度与稳定性需要的厚度（不含耐蚀层）由板~板、板~带、板~丝组合而成，主要用于高压容器。b)板~板有多层包扎、整体包扎、热套、绕板等c)板~带有型槽绕带、扁平纲带d)板~丝有绕丝（主要用于超高压）。2.4整体式与组合式之比较a)在安全性方面组合式优于整体式，理由如下：以薄攻厚，中厚板、薄板性能优于厚板；缺陷只能在本层内扩展；危险的纵缝（整体包扎含环缝）化整为零，各层均布；安全泄放孔，利于报警；预应力增加安全裕度。b)组合式工艺复杂，生产周期长，且不适于做热容器。3．封头结构3.1封头分凸封头、锥形封头、平盖等三大类3.2凸形封头a)依形状（受力）分为半球、椭圆、碟形、球冠。受力前优于后，制造方便后优于前。b)制造方法主要为冲压（适于批量）、旋压（适于单件）。c)制造方式主要有整板成形（小封头）；先拼板后成形（大、中型封头）；分辨成形后组焊（特大型封头）。3.3锥形封头8a)主要用于变速或方便卸料；b)依半顶角分为30°（无折边）、45°（大端折边）、60°（大、小端折边）；c)主要制造方法卷焊。3.4平盖a)包括平盖和锻造平底封头等，与筒体连接分为可拆与固接。b)制造方法多为锻造。4．开孔补强结构4.1补强圈。加工方便，但补强效果有限，使用范围有一定限制。4.2厚壁管补强4.3另加补强元件（锻件）补强，受力好，将角接改为对接易保证焊接质量，但加工复杂。5．法兰5.1法兰与密封垫、紧固件合为一个结构整体，属可拆结构，其基本功能是连接与密封，法兰结构与设计计算应三位一体综合考虑。5.2法兰按其整体性程度分为三种a)整体法兰~法兰、法兰颈与容器（或接管）合为一整体，强度与刚性好，连接与密封效果好，但加工困难；b)松式法兰~法兰未能与容器（或接管）有效合为一整体，连接与密封效果较差，但加工方便；c)任意式法兰~介于二者之间。5.3以密封压紧面型式